Analyse von Hochvolt-Gleichstrom-Relais in Kurzschlusssituationen

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Das An- und Abschalten der Batterie in einem Elektrofahrzeug wird im Normalfall über sogenannte HV-DC-Relais (HV = Hochvolt, DC = direct current, Gleichstrom) durchgeführt. Bei auftretendem Kurzschluss, hervorgerufen durch einen Unfall oder fehlerhafte Isolierung, muss über eine Sicherung eine Notabschaltung eingeleitet werden. Durch die Forderung nach größeren Reichweiten sind leistungsstärkere Batterien nötig, die zu einem höheren Kurzschlussstrom führen, so dass aktuelle Notabschaltkonzepte in Frage gestellt und neue Konzepte entworfen werden müssen. Dafür ist eine detaillierte Analyse aller Bauteile und besonders der Relais im Kurzschlussfall erforderlich.

Bei stark ansteigendem Strom in einem Relais kommt es an Teilen der Kontaktflächen zu Stromflüssen entgegengesetzter Richtung, die zu einer Kraft führen, die eine ungewollte Öffnung der Relaiskontakte einleitet: Die sogenannte Levitation. Öffnen sich die Kontakte, entsteht ein Lichtbogen zwischen ihnen, der die Elektroden thermalisiert und verdampfen lässt. Dies führt zu einem rapiden Druckanstieg im Relais bis zur Zerstörung des Relaisgehäuses und muss unbedingt verhindert werden. Das Verhalten von Relais in genau dieser Extremsituation soll in Kooperation mit Panasonic Industrial Devices Europe GmbH (PIDE), Power Electronics R&D Center, ansässig in Lüneburg, untersucht werden. Im Fokus stehen das physikalische Verhalten und die Vorhersage des zeitabhängigen Druckanstiegs.

Hierzu fördert die Europäische Union im europäischen Förderfond für regionale Entwicklung (EFRE) das Projekt „Analyse von HV-DC-Relais bei Kurzschlussströmen in Elektrofahrzeugen“ seit dem 01.07.2018 für drei Jahre. In diesem Projekt soll das Verhalten des Relais ausführlich mit multiphysikalischen Simulationen analysiert, mit Messungen an den Relais verglichen und aus den Erkenntnissen ein möglichst einfaches globales Modell des Druckanstiegs abgeleitet werden. Eine vollständige Simulation des gesamten transienten Relaisverhaltens ist kaum möglich, weshalb es in drei Phasen unterteilt wird: Vor Öffnung eines Kontaktes, bis zur Öffnung des zweiten Kontaktes und anschließend das geöffnete Relais inklusive der Bogenplasmen. Jede Phase wird separat simuliert und die Ergebnisse einer vorherigen Phase gehen als Eingangsparameter in die anschließende Phase ein. Das im Anschluss abzuleitende globale Modell hat den Vorteil, dass es relativ schnell gelöst und zur Analyse übergeordneter Probleme, wie neuen Abschaltkonzepten, eingesetzt werden kann.

Ansprechpartner

  • Crispin Masahudu Ewuntomah, M.Sc.