Die Entwicklung von Mode-4-Schnellladegeräten bringt einige Herausforderungen mit sich. Relais sind Schlüsselkomponenten, die sicherstellen, dass diese neue Ladegeräte-Generation schnellere Ladevorgänge ermöglicht und gleichzeitig hohe Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandards erfüllt.

Die Daten des Europäischen Verbands der Automobilhersteller (ACEA) zeigen eine enorme Asymmetrie zwischen der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und der Bereitstellung von zuverlässigen Lademöglichkeiten. Um die CO2-Ziele zu erreichen, muss der Absatz von Elektrofahrzeugen in allen EU-Ländern massiv ansteigen. Eine aktuelle Studie berichtet, dass bis 2030 bis zu 6,8 Millionen öffentliche Ladepunkte benötigt werden, um die vorgeschlagene CO2-Reduktion von 55 % für Autos ausreichend zu unterstützen – das entspricht einem 22-fachen Wachstum in weniger als zehn Jahren.

Übliche Mode-4-Ladegeräte erfüllen diese Anforderung direkt, indem sie eine viel schnellere Ladung ermöglichen. Dadurch können mehr Fahrzeuge pro Tag von jedem Gerät bedient werden.

Öffentliche und private Parkhäuser müssen ihren Nutzern in zunehmendem Maße die Möglichkeit bieten, ihr Fahrzeug dort aufzuladen, wo sie parken. Darüber hinaus gestatten Vehicle-to-Home (V2H)- und Vehicle-to-Grid (V2G)-Ladegeräte Elektroautos neue Flexibilitäten und machen sie zu Batterien auf Rädern. Der in ihnen gespeicherte Strom kann bei Bedarf ins Haus oder ins Netz eingespeist werden. Das ist bequem und kosteneffizient.

Alle drei Arten von Ladegeräten benötigen kompakte, energieeffiziente DC-Leistungsrelais für die Sicherheitsabschaltung des Hauptrelais und in anderen Bereichen der Konstruktion. Schnelles Laden stellt dabei sicher, dass die Batterie des E-Fahrzeugs rasch aufgeladen werden kann, sobald sich die Gelegenheit bietet.

Das auch als Gleichstrom-Schnellladen bezeichnete Laden nach Mode 4 verwendet ein externes Ladegerät (ein stationäres, fest verdrahtetes Gleichstrom-Wallbox- und Sockelladesystem) mit einem Gleichstromausgang (Bild 1). Das ist der einzige Modus, bei dem das bordeigene Ladegerät im Fahrzeug umgangen und der Gleichstrom direkt an die Batterie geliefert wird. Dieses System erlaubt hocheffizientes Laden für konventionelle, V2H- und V2G-Anwendungen. Die Spezifikationen beinhalten eine obligatorische Anforderung für eine digitale Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der EV-Versorgungseinrichtung, wie in IEC 61851-24 beschrieben.

Das Aufladen des Elektrofahrzeugs kann damit sowohl schneller als auch effizienter sein als in den AC-Modi 1, 2 oder 3. Mode 4 kann 600 V Gleichstrom mit einer maximalen Stromstärke von 400 A liefern. Die hohe Leistung, die in diesem Modus geliefert wird, erfordert strengere Sicherheitsvorkehrungen, einschließlich einer Abschaltvorrichtung.

Bei üblichen Mode-4-Ladegeräten erfolgt der Stromfluss nur in eine Richtung, vom Ladegerät zum Fahrzeug. Die Hauptfunktion des Relais besteht in der zuverlässigen Bereitstellung des Ladestroms und im Schließen und Unterbrechen des Versorgungsstromkreises gemäß dem IEC-geregelten Signalprotokoll – normalerweise schaltet es bei geringer oder keiner Last.

Während des Ladevorgangs sollte das Relais einen sehr niedrigen, stabilen Übergangswiderstand aufweisen und bei Bedarf eine schnelle Notabschaltung ermöglichen. Eine monostabile SPST-NO-Konfiguration in der positiven Schiene wird im Allgemeinen in Kombination mit einer zusätzlichen STST-NO-Konfiguration in der negativen Schiene verwendet, um eine zusätzliche Abschaltsicherheit zu gewährleisten, falls einer der Kontakte verschweißt wird. Dies ist besonders wichtig bei bidirektionalen Anwendungen.

In jedem Fall muss der Hersteller des EV-Ladegeräts in der Lage sein, den Betriebszustand des Relais kontinuierlich zu erkennen und es abzuschalten, um den Stromfluss zu stoppen. Eine Vorladeschaltung – bestehend aus einem SPST-NO-Relais, das in der Regel mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist – kann je nach Höhe der Betriebsgleichspannung und der Anzahl der Einschaltzeiten unter Hochlastbedingungen optional eingebaut werden. Diese Anordnung bietet einen DC-Einschaltschutz, der die Lebensdauer der Kontakte des Hauptrelais verlängert. Der Hersteller des Ladegeräts legt die zu befolgenden Spezifikationen für die Haltbarkeit fest, einschließlich der Sicherheitsisolierung und etwaiger Zulassungsbescheinigungen.

Einige Ladegeräte verwenden Schaltkreise, die das Umschalten der Ausgangsspannung ermöglichen, um sowohl Fahrzeuge mit Hochspannungsbatterien (1.000 V), das heißt Elektro-Lkw und -Busse, als auch Elektro-Pkw mit Niederspannungsbatterien (500 V) zu laden. Bei dieser Anwendung werden Relais im Schaltkreis eingesetzt, um eine vollständige physische Isolierung zwischen den Ausgängen zu gewährleisten.

Bei Mode-4- V2H-Systemen kann die Batterie des Elektrofahrzeugs als Teil des Haushaltsstromnetzes Strom liefern. Bei V2G-Systemen wird die Batterie des Elektrofahrzeugs im Allgemeinen über einen Wechselrichter und einen Zähler angeschlossen, um Energie in das Netz zu exportieren, anstatt sie für den Eigenverbrauch zu nutzen.

In beiden Fällen besteht der wesentliche Unterschied darin, dass der Stromfluss in beide Richtungen erfolgt, was Auswirkungen auf die Wahl des Relais hat.

Omron liefert kompakte, energieeffiziente Relais für die Sicherheitsabschaltung des Hauptrelais in konventionellen V2H- und V2G-Ladegeräten sowie Lösungen für den Vorladestromkreis zum Schutz vor Einschaltströmen.

Als Alternative zum G7L-X (polarisierte DPST-NO-Konfiguration mit doppelter Unterbrechung) ist das SPST-NO (nicht polarisierte Konfiguration mit doppelter Unterbrechung) G9KB eine neue Ergänzung der Omron-Produktpalette für Hochleistungs-Gleichstromrelais.

Das für DC 600 V / 50 A ausgelegte Gerät ist für ein- oder bidirektionales Schalten von Hochleistungs-Gleichstrom ausgelegt. Es spart Platz und vereinfacht das Design, indem es die Lade- und Entladefunktion durch dasselbe Relais schaltet, sofern die sicherheitsrelevante Funktion wie oben beschrieben bestätigt wird.

Weitere Merkmale sind ein niedriger Anfangskontaktwiderstand für geringere Wärmeabgabe und eine außergewöhnlich niedrige Leistungsaufnahme der Spule von nur 570 mW.

Für das DC-Vorladen steht das besonders kompakte G2RG-X zur Verfügung, ein langlebiges 500-VDC-/10-A-Leistungsrelais. Das G2RG-X zeichnet sich durch eine geringe Leistungsaufnahme der Spule von nur 0,8 W aus und hat nur eine Spule im Gegensatz zu Komponenten mit zwei Spulen, die im Allgemeinen auf dem Markt erhältlich sind.

Eine Alternative ist das ebenfalls sehr kompakte G5PZ-X. Ein einzelnes G5PZ-X-Relais mit Abmessungen von nur 15,2 mm x 26,4 mm deckt 200 VDC/20 A ab. Zwei in Reihe geschaltete Relais schalten jedoch bis zu 400 VDC. Beide Relais verfügen wie das G7L-X und das neue G9KB über eine Lichtbogenkontrollfunktion, die die Lebensdauer maximiert.

Um die eingangs erwähnte Asymmetrie in der Nachfrage zu beheben, muss nicht nur eine größere Anzahl von Ladegeräten bereitgestellt, sondern auch die Ladegeschwindigkeit erhöht werden. Wie so oft sind elektromechanische Relais, die als unglamouröse Komponenten gelten, für die Bewältigung dieses Problems ebenso entscheidend wie attraktivere Komponentenlösungen.

Die flächendeckende Bereitstellung von sicheren, bequemen Mode-4-Geräten wird die Verfügbarkeit von öffentlichen Lademöglichkeiten verändern. Darüber hinaus wird die zunehmende Nutzung von V2H- und V2G-Ladepunkten den Besitzern von Elektrofahrzeugen mit einer privaten Lademöglichkeit ein ganz neues Maß an Flexibilität und Freiheit bieten.

Steve Drumm ist Strategic Marketing Manager bei Omron Electronic Components Europe.

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