Allgemeines
F: Was ist der Unterschied zwischen einem Relais und einem Schütz?
A: Grundsätzlich bezeichnen beide Begriffe ein elektromechanisches Schaltgerät, das nach demselben physikalischen Prinzip arbeitet: Eine Spule erzeugt eine magnetische Kraft, die mechanisch einen elektrischen Kontakt betätigt. Während der Begriff „Relais“ in verschiedenen Branchen häufig für Leistungskomponenten im Schwach- und Mittelstrombereich verwendet wird, ist im Hochstrombereich der Begriff „Schütz“ gebräuchlicher. Der magnetische „Antrieb“ wird bei Schützen normalerweise mit einem Kolben in der Mitte des Spulenkörpers realisiert. Dagegen findet bei Relais üblicherweise eine Bauweise mit Gelenkanker Verwendung.
F: Die neue Generation von Schützen kommt ohne Gasfüllung aus. Worin liegt der Vorteil von Schützen ohne Gasfüllung? Kann ein gasgefülltes Schütz bersten?
A: Um die Schaltkontakte zu schützen und ein schnelles Löschen von Schaltlichtbögen zu unterstützen, sind viele Schütze mit unter Druck stehendem Inertgas gefüllt. Häufig wird Stickstoff oder Wasserstoff verwendet, und auch SF6 (Schwefelhexafluorid) wird – hauptsächlich in Industrieanwendungen – eingesetzt. Auf der anderen Seite erfordert eine unter Druck stehende Gasfüllung einen deutlich höheren Aufwand beim Entwicklungs- und Fertigungsprozess, um einen zuverlässigen Einschluss des Gases für die Lebenszeit des Schützes zu gewährleisten. Da solche Schütze naturgemäß hermetisch abgedichtet sein müssen, besteht außerdem das Risiko eines Berstens, wenn sehr starke Lichtbogenbildung – bei hohen Überstromzuständen oder Kurzschlüssen – zu einem übermäßigen Gasdruck in der Kontaktkammer führt. Daher arbeiten die neuesten Schützkonstruktionen von TE ohne Edelgas, sodass auch keine hermetische Dichtung mehr benötigt wird. Diese Designs sind weiterhin umgebungsfest vor Verunreinigung geschützt und ermöglichen einen Gasaustausch sowie einen Ausgleich zwischen Innen- und Außendruck. Dadurch wird das Risiko eines Bruchs im Fall von extremer Lichtbogenbildung minimiert. Bitte wenden Sie sich an TE Connectivity (TE), um mehr über die Vorteile nicht gasgefüllter Schütze zu erfahren.
F: Welche Anwendungen gibt es für Hochvoltrelais und -schütze?
A: In Hybrid- und Elektrofahrzeugen kommen Hochvoltrelais und -schütze üblicherweise in den folgenden Anwendungen zum Einsatz:
- Hochvoltschütz: Verwendung in der Plus- sowie der Minus-Leitung der Antriebsbatterie. Das Hochvoltschütz verbindet/trennt die Antriebsbatterie mit/von dem gesamten elektrischen Antriebsstrang des Fahrzeugs.
- Vorladerelais: Um das Hochvoltschütz vor übermäßigen Einschaltströmen zu schützen, wird der Filter-Kondensator durch ein Vorladerelais – in Kombination mit einem Vorladewiderstand – auf typischerweise 90 % bis 98 % der Batteriespannung aufgeladen.
- Ladeschütz: Dient zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Batterieladegerät und der Antriebsbatterie, wenn das Fahrzeug mit einer Ladestation verbunden wird.
- Hilfsschütze: Diese steuern andere elektrische Verbraucher im Fahrzeug, die von der Hochvoltbatterie gespeist werden. Ein typisches Beispiel ist die elektrische Heizung des Fahrgastraums eines reinen Elektrofahrzeugs, bei dem für diesen Zweck keine Abwärme des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht.
Zudem finden Hochvoltschütze aus dem Automobilbau mitunter auch in stationären Systemen wie DC-Ladestationen, stationären Batterielagerungssystemen, USV-Systemen usw. Verwendung.
Elektrische Leistung
F: Für welche Leistungsbereiche können Schütze eingesetzt werden?
A: Das Schützportfolio von TE umfasst robuste Hochleistungsprodukte für die Anforderungen der leistungsstärksten batterieelektrischen Fahrzeuge mit einer Spitzenleistung von bis zu 500 kW sowie miniaturisierte Produkte für niedrige Leistungen, etwa für Serienlasten und Vorladeanwendungen (Precharge).
F: Welchen Dauerstrom können die Schütze verarbeiten?
A: Grundsätzlich wird die Stromtragfähigkeit durch die interne Wärmeverlustleistung und das thermische Management begrenzt. Die Verlustleistung bewirkt eine Zunahme der Temperatur der internen Komponenten des Schützes, die nach außen transportiert wird. Dieser Temperaturanstieg an der Außenseite bestimmt die maximale Strombelastbarkeit eines Schützes. TE empfiehlt, dass die Endtemperatur der Kontaktanschlüsse dauerhaft 150 °C nicht überschreitet. Die Wirksamkeit des Kühlmechanismus hängt vom Querschnitt bzw. vom thermischen Widerstand des außerhalb angeschlossenen Leiters sowie von der Umgebungstemperatur ab. Die Wärme wird über die elektrischen Verbindungen an die Umgebung abgegeben. Bei konstantem Strom erreicht das System nach etwa 3 bis 5 Minuten den stationären Zustand. Beispiel: Bei Anschluss mit 50-mm²-Sammelschienen ist das EVC-250-Schütz in der Lage, bei einer Umgebungstemperatur von 85 °C einen Strom von 250 A zu führen. Bei 125-mm²-Sammelschienen erhöht sich dieser Maximalwert auf 375 A.
F: Welche Überlast kann ein Schütz verkraften?
A: Bei Spitzenlasten von wenigen Sekunden ist der Wärmeübertragungsprozess zu träge, als dass sich die Temperatur der Kontaktanschlüsse signifikant verändern würde. Bei länger andauernder Überbelastung kann der Temperaturanstieg im Inneren des Schützes irreversible Schäden hervorrufen. So kann beispielsweise das Schütz EVC 250 für bis zu 20 Sekunden mit 1500 A oder für bis zu 5 Sekunden mit 2000 A belastet werden. Für weitere Informationen und Unterstützung wenden Sie sich bitte an TE Connectivity.
F: Was passiert mit einem Schütz während eines Kurzschlusses?
A: Während eines Kurzschlusses erzeugt der ansteigende Strom eine Abstoßkraft, die die Haltekraft der Kontakte überschreiten kann. Wenn das Sicherungselement nicht einwandfrei auf die Strombelastbarkeit und das Stromunterbrechungsvermögen des Schützes abgestimmt ist, können die Kontakte verschweißen oder übermäßige Lichtbogenbildung zu einer thermischen Zerstörung des Schützes führen. Die maximale Strombelastbarkeit des Schützes EVC 175 beträgt 5000 A. Für das EVC 250 Schütz sind es 6.000A. Bei Kurzschlüssen mit moderaten Überströmen ist die Auslösezeit der Sicherung häufig zu lang, um das System vor schweren Schäden zu schützen. In diesen Fällen muss das Schütz den Überstrom selbst unterbrechen. Ein einzelnes Schütz kann Ströme von bis zu 2000 A bei 400 V binnen Millisekunden unterbrechen. Da der Stromkreis normalerweise zwei Schütze aufweist, empfehlen wir, diese gleichzeitig zu öffnen, wodurch das maximale Unterbrechungsvermögen bei 400 V mit 6000 A angesetzt werden kann.
F: Wodurch wird der Wirkungsgrad der Spule bestimmt? Welche Anforderungen bestehen an den Spulentreiber?
A: Um hohe Spannungen sicher zu trennen, sind große Kontaktabstände erforderlich. In geöffneter Stellung hält die Arretierfeder den Anker zurück, um für eine angemessene Stoßbeständigkeit zu sorgen. Um diese großen Kontaktabstände und Kräfte zu überwinden, muss ein starker magnetischer Fluss erzeugt werden. Um die erforderlichen Kräfte aufbringen zu können, besitzen Spulen konstruktionsbedingt einen relativ geringen Widerstand. Aus diesem Grund sollten die Treiber Ströme von bis zu 6 A liefern können. Derart hohe Ströme dürfen nur zum Schließen der Kontakte angelegt werden; anschließend muss der Strom reduziert werden, um ein Überhitzen der Spule zu vermeiden. Sobald die Kontakte geschlossen sind und der Anker sich in seiner Raststellung befindet, ist für das Halten des Ankers in seiner Stellung nur noch ein um eine Größenordnung geringerer magnetischer Fluss erforderlich. Diese Reduktion der Spulenbestromung kann durch eine externe Sparschaltung oder eine interne Booster/Hold-Spulenkonfiguration realisiert werden.
F: Worauf ist beim Betrieb eines Schütz mit externem Economizer zu achten?
A: Der Betrieb des externen Economizers sollte frühestens 100 ms nach dem Anlegen der Versorgungsspannung an die Spule beginnen. Bei Pulsweitenmodulation (PWM) empfiehlt TE eine Mindestfrequenz von 20 kHz. Das Minimum der daraus resultierenden oszillierenden Spulenspannung muss stets oberhalb der spezifizierten Haltespannung liegen. Beim Abschalten hängt die Ansprechzeit des mechanischen Systems von der externen Beschaltung der Spule ab. Der PWM-Treiber sollte daher so beschaltet sein, dass das Öffnen der Kontakte nicht verlangsamt wird. Beachten Sie hierzu bitte die Beschaltungsempfehlungen in unseren Datenblättern. Link zum Datenblatt EVC 250 Hauptschütz. Zudem ist zu berücksichtigen, dass sich der Spulenwiderstand mit der Spulentemperatur ändert. Die magnetische Kraft hängt ausschließlich von Spulenstrom ab. Ist die PWM auf eine bestimmte Spulenspannung eingestellt, müssen diese thermischen Variationen berücksichtigt werden. Um die thermische Belastung des Systems zu minimieren, empfiehlt es sich, den Spulenstrom zu regeln, um den Einfluss der Temperatur zu kompensieren.
F: Was ist beim Betrieb eines Schütz mit Booster-Spule zu beachten?
A: Die Booster-Elektronik legt für eine begrenzte Dauer die volle Spulenspannung an eine separate Booster-Spule an, um ein sicheres und schnelles Anziehen zu gewährleisten. Dieser Puls wird sofort ausgelöst, wenn eine Spannung angelegt wird. Wird die erforderliche Anzugsspannung innerhalb der Gate-Zeit der Booster-Elektronik nicht erreicht, schließt das Schütz nicht. Aus diesem Grund muss die Mindest-Anzugsspannung innerhalb von 50 ms erreicht werden. Die Haltespule ist mit einer 80-V-Zenerdiode beschaltet. Zusätzlich kann parallel eine Freilaufdiode geschaltet werden. Die Abschalt- bzw. Klemmenspannung sollte Vz > 33 V betragen, um eine kurze Abfallzeit (Drop-out-Zeit) sicherzustellen.
F: Warum ist die Lastpolarität bei einem Schütz wichtig?
A: Die Unterbrechungsfähigkeit bei hoher Spannung wird durch die Verwendung von Magneten erreicht, die senkrecht zu den Kontaktklemmen angeordnet sind. Beide Klemmen sind intern durch eine Brücke miteinander verbunden. Wenn sich die Kontaktbrücke von den feststehenden Kontakten entfernt, entstehen zwei Lichtbögen. Fließt der Strom in Vorwärtsrichtung, weisen die Magneten diese Lichtbögen nach außen ab, wodurch es zu einem schnellen Erlöschen kommt. Fließt der Strom in Rückwärtsrichtung, könnten sich die Lichtbögen im Zentrum vereinen, was sich nachteilig auf das Unterbrechungsvermögen auswirkt.
F: Was kann man tun, wenn eine bidirektionale Bremsfunktion erforderlich ist?
A: Falls zwei Schütze in der Schaltung verwendet werden, können sie so angeordnet werden, dass einer in Vorwärts- und einer in Rückwärtsrichtung arbeitet. Bei gleichzeitiger Öffnung beider Schütze ist das kombinierte Unterbrechungsvermögen signifikant besser als das eines einzelnen in Vorwärtsrichtung betriebenen Schützes.
Anwendungsempfehlungen
F: Was ist bei der Verwendung von nicht hermetisch abgedichteten Relais oder Schützen hinsichtlich silikonhaltiger Materialien zu beachten?
A: Die Verwendung von silikonhaltigen Materialien oder deren Derivaten kann die ordnungsgemäße Funktion von elektrischen Kontakten beeinträchtigen. Die im Lichtbogen eines schaltenden Kontakts auftretenden Energien bewirken eine Umwandlung der flüchtigen Silikonmoleküle in Siliziumverbindungen, die sich auf der Kontaktfläche ablagern und isolierende Schichten bilden. TE Connectivity empfiehlt daher dringend, für die Verwendung vorgesehene Silikone gründlich auf ihre Kontaktkompatibilität zu testen. Für weitere Informationen und Unterstützung wenden Sie sich bitte an TE Connectivity.
F: Bietet TE Lösungen für Anwendungen über 500 VDC an?
A: Abhängig von den Koordinierungsanforderungen an die Isolierung sind Lösungen für bis zu 900 VDC verfügbar. Darüber hinaus entwickelt TE derzeit IEC 60664-konforme Lösungen, die sich für Spannungen von bis zu 1000 VDC eignen. Für weitere Details wenden Sie sich bitte an TE Connectivity.
F: Wie sollte ein Spulentreiber gegen Abschalttransienten von der Schützspule geschützt werden?
A: Das Optimum ist die Verwendung einer Zener-Diode parallel zum Spulentreiber. Weitere Informationen finden Sie auch in unseren Datenblättern, die mit jeder Artikelnummer verlinkt sind und unter "Alle Dokumentationen anzeigen" in unserem Produktkatalog zu finden sind. Erfahren Sie noch mehr in unseren "Application Notes" und "Relais-Definitionen"
F: Gibt es irgendwelche Hinweise zur Montage der Stromschienen am Schütz?
A: Bitte beachten Sie die maximal zulässigen Drehmomente und vermeiden Sie jegliche Fehlausrichtung zwischen der Stromschiene und den Schützklemmen, um einen gleichmäßigen Schnittstellendruck zu gewährleisten. TE empfiehlt die Verwendung konischer Federscheiben. Bei der Befestigung eines Kabelschuhs sollte man sicherstellen, dass das Kabel frei und nicht eingequetscht ist.
