Sicherheit für Unterwegs – EV-Charging-Sicherungen und worauf es ankommt
Die Entwicklung der Elektrofahrzeuge nimmt immer mehr Fahrt auf. Während sich das Denken von fossilen Brennstoffen hin zu vollelektrischen Lösungen verlagert, tauchen Visionen einer Welt frei von Emissionen auf. Aber hier steht uns noch die ein oder andere Herausforderung bevor, insbesondere wenn es um die Absicherung der Batterien geht.
Eine Ladestation, auch EV-Chargingstation oder Wallbox genannt, ist ein Gerät, das Energie zum Aufladen von Elektrofahrzeugen und Plug-in-Hybriden liefert. Da der Besitz von Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeugen zunimmt, besteht ein wachsender Bedarf an flächendeckend öffentlich zugänglichen Ladestationen, von denen einige ein schnelleres Laden mit höheren Spannungen und Strömen unterstützen, als sie an privaten Wallboxen verfügbar sind.
Viele Ladestationen, die von Energieversorgungsunternehmen bereitgestellt werden, befinden sich am Fahrbahnrand oder auf Rastplätzen. Häufig befinden sie sich auch in Parkhäusern oder Einkaufszentren und werden von privaten Unternehmen betrieben. Diese Ladestationen bieten einen oder eine Reihe von Hochleistungs- oder Spezialsteckern, die den verschiedenen Standards für elektrische Ladestecker entsprechen. Aktuelle Elektrofahrzeuge benötigen mit steigender Leistungsdichte der Batterien zunehmend stärkere Sicherungen, beispielsweise in Form einer Schmelzsicherung. Diese müssen besonders leistungsstarke Sicherungen sein, die Stromkreise vor Überstrom und Kurzschluss schützen. Doch nicht nur das, sie müssen auch bei immer höheren Systemspannungen sicher funktionieren. Ein Versagen der Schutzeinrichtungen kann zu Verletzungen des Bedieners und schweren Schäden an der Anlage oder am Fahrzeug führen.
Sicherungen für Elektrofahrzeuge bestehen aus einem Schmelzdraht, der zwei elektrische Kontakte verbindet und von einem isolierenden Gehäuse umgeben ist. Im Gebrauch sind die elektrischen Kontakte galvanisch getrennt, so dass das Schmelzen des Sicherungsdrahtes den Stromkreis unterbricht. Die Materialwahl und Geometrie des Schmelzdrahtes sind entscheidend für das Auslöseverhalten der jeweiligen Sicherung. Schmelzdrähte bestehen meist aus Feinsilber oder einer Kupfer-Silber-Legierung. Ein solches Sicherungselement wird durch den Durchflussstrom erhitzt. Wird der Nennstrom der Sicherung für eine gewisse Zeit deutlich überschritten, schmilzt der Sicherungsdraht. Hierdurch entstehen ein Plasma und ein Lichtbogen, deren Intensität maßgeblich von der Stromstärke und Spannung des fließenden Stroms abhängt. Im Kurzschlussfall kann dieser Strom um mehrere Größenordnungen höher sein als der Nennstrom der Sicherung. Zum Löschen des Lichtbogens ist der Sicherungsdraht von verdichtetem, hochreinem Quarzsand umgeben, der im Einflussbereich des Lichtbogens schmilzt und sich mit dem Schmelzmetall zu einem nichtleitenden Sinterkörper verbindet. Nach Erlöschen des Lichtbogens ist der Stromkreis getrennt. Für die Lichtbogenlöschung sind Reinheit, Korngröße und Packungsdichte des verwendeten Quarzsandes entscheidend. Geringe anorganische Verunreinigungen können zur Verglasung des Sandes führen. Dies ist absolut unerwünscht, da Glas im geschmolzenen Zustand elektrisch leitfähig ist. Im Kurzschlussfall muss die Sicherung den zu erwartenden Maximalstrom sicher abschalten. Die äußere Form der Sicherung muss intakt bleiben.
Die Auslösezeit einer Sicherung hängt von der Kennlinie sowie vom Strom in Abhängigkeit vom Nennstrom ab. Der Nennstrom einer Sicherung ist keine feste Grenze, bei der eine Sicherung schon bei geringfügiger Überschreitung auslöst. Je nach Stromhöhe kann es mitunter auch einen Augenblick dauern bis die Sicherung auslöst, wie zum Beispiel bei marginalen Überschreitungen des Nennstroms. Sicherungen für EV-Automotive-Lösungen vereinen die Eigenschaften von Niederspannungs- und Kfz-Sicherungen. Hersteller müssen bei der Konstruktion und Auslegung von Komponenten die besonderen Umgebungsbedingungen für den mobilen Einsatz in Fahrzeugen berücksichtigen. Mechanische Belastungen durch Stöße und Vibrationen dürfen die Funktionssicherheit und Lebensdauer ebenso wenig beeinträchtigen wie elektrische Lastwechsel oder extreme Umgebungstemperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit. Deshalb unterscheiden sie sich in Aufbau und Materialauswahl deutlich von Sicherungen, die nur für den stationären Einsatz gedacht sind.
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