Hochspannungsfestigkeit in BMS Hochvolt-Anwendungen: Miniaturisierung kontra Normung

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Der Beitrag beschreibt die teils divergenten Kundenanforderungen an Steckverbinder bei Batteriespeichern und wie diese unter Einhaltung gängiger Normen applikationsspezifisch umgesetzt werden können.

Grundsätzlich muss der Ingenieur bei der Konstruktion von Steckverbindern immer eine schier unerschöpfliche Menge an Punkten beachten. Dieser Beitrag fokussiert sich auf die wesentlichen Einflussfaktoren hinsichtlich der Hochspannungsfestigkeit von Steckverbindern. Hier werden die Höhe der Betriebsspannungen und der transienten, d.h. kurzzeitig auftretenden, Spannungen, die maximale Einsatzhöhe sowie kundenseitige Anforderungen hinsichtlich des Bauraums im Zusammenhang mit dem Aufwand und Kosten bei der Leiterplattenherstellung im Gesamtzusammenhang näher beleuchtet.

Neben Standardanwendungen in mobilen und stationären Batteriespeichersystemen, bei denen gängige Normungsgrenzwerte anwendbar sind, gibt es auch Sonderanwendungen, in denen z.B. ein Batteriepack in großer Höhe transportiert/eingesetzt und überwacht werden soll, woraus Anforderungen an die Durchschlagfestigkeit über die Luftstrecke weit jenseits gängiger Normen resultieren.

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Schon mit geringfügiger Veränderung der oben genannten Parameter entstehen erheblich unterschiedliche Steckverbinder-Designs, deren Merkmale im Folgenden betrachtet werden.

Kundenanforderungen und weitere Einflussfaktoren

Obwohl der Einsatzzweck der nachfolgenden Steckverbinder zur direkten Messung von Hochspannung beispielsweise im Batteriemanagementsystem (BMS) oder in Batterietrenneinheiten (BDU) für die unterschiedlichen Kunden ähnlich ist, ergeben sich aus den Anwendungsumgebungen im Detail Unterschiede. Diese unterschiedlichen Anforderungen sind aus Tabelle 1 ersichtlich.

Höhenkorrekturfaktor: Für die Auslegung der Luft- und Kriechstrecken werden die Festlegungen der IEC 60664-1 [1] angewendet. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Angaben in der Norm zunächst lediglich für eine maximale Einsatzhöhe von 2.000 m Höhe über dem Meeresspiegel gelten.

Bei größeren Einsatzhöhen über 2.000 m ist ein Höhenkorrekturfaktor anzuwenden, der von entscheidender Bedeutung für die jeweils erforderliche Luftstrecke ist. Aufgrund der Einsatzhöhe von 5.000 m für die Kunden A und B ergibt sich dieser Höhenkorrekturfaktor aus der Tabelle A.2 in der IEC 60664-1 [1] zu 1,48. Hierdurch müssen in der Folge die in der Norm vorgegebenen Luftstrecken im Design um diesen Faktor vergrößert angewendet werden. Die Ergebnisse der bereits für 5.000 m höhenkorrigierten Luftstrecken sind in Tabelle 2 bereits berücksichtigt.

Kriechwegfestigkeit: Zur Ermittlung der erforderlichen Kriechstrecken sind weitere Parameter wie der zu erwartende Verschmutzungsgrad und die Widerstandsfähigkeit des Isolator-Materials gegen die Kriechwegbildung erforderlich. Die Kriechwegfestigkeit wird auch als CTI-Wert (englisch Comparative Tracking Index, CTI) bezeichnet und wird als Spannungswert angegeben. Dieser wird aus einer Versuchsanordnung ermittelt, die in der Norm IEC 60112 [2] beschrieben ist. Aufgrund der Versuchsanordnung können nur Spannungswerte im Bereich zwischen 100 und 600 V angewendet werden. Entsprechend ergeben sich CTI-Werte im Bereich zwischen 100 und 600.

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Generell ist ein hoher CTI-Wert immer vorteilhaft, um die Kriechstrecken möglichst gering halten zu können. Für die Entwicklung eines Hochspannungssteckverbinders ist es jedoch nahezu unerlässlich, Materialien mit der absolut geringsten Neigung zur Kriechwegbildung und damit den höchsten verfügbaren CTI-Werten zu verwenden. Im vorliegenden Fall wurden ausschließlich Materialien in Betracht gezogen, die den maximal möglichen CTI-Wert von 600 aufweisen und dadurch in der Norm IEC 60112 [2] in die sogenannte Isolierstoffgruppe I (römisch eins) kategorisiert werden.

Verschmutzungsgrad: Der Verschmutzungsgrad (englisch Pollution Degree) wird im Wesentlichen durch die Anwendung vorgegeben und ist im vorliegenden Fall in die Kategorie 2 einzuordnen, d.h. es können leicht leitfähige Verschmutzungen auftreten und eine vorübergehend leitfähige Betauung ist möglich.

Ermittlung der Luft- und Kriechstrecken: Mit Hilfe der zuvor erwähnten Einflussfaktoren lassen sich die minimal erforderlichen Luftstrecken aus den Angaben der Tabelle F.8 [1] unter Einbeziehung des Höhenkorrekturfaktors errechnen. Die Kriechstrecken werden direkt aus der Tabelle F.5 [1] entnommen. Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse befindet sich in Tabelle 2. Die aufgerundeten Luftstrecken betrugen >3 mm bei Kunde A, >5 mm bei Kunde B und >5,6 mm bei Kunde C. Die aufgerundeten Kriechstrecken betrugen bei allen Kunden >5 mm.

Resultierende Designs der Hochspannungs-Steckverbinder

Aus diesen Vorgaben sind zwei grundlegend unterschiedliche Steckverbinder-Designs entstanden. Für Kunde A und B konnte ein gemeinsames Design „VolTron1000“ (Bild 1) angewendet werden, das sich leicht durch die Gestaltung der Leiterplatte mit entsprechenden Ausfräsungen zwischen den SMT-Lötkontakten an die erhöhten Anforderungen für Kunde B anpassen lässt.

Die Anforderungen des Kunden C konnten jedoch ausschließlich mit einem bauraumoptimierten, separaten Design „HV10“ realisiert werden, das jedoch aufgrund der für die Funktion in jedem Fall notwendigen Ausfräsungen in der Leiterplatte nicht zu den Anforderungen des Kunden A passt, obwohl es ebenfalls SMT-Lötkontakte aufweist. Beide Konstruktionen werden nachfolgend näher beschrieben.

1.000-V-Hochspannungs-Steckverbinder VolTron: Aufgrund der oben erwähnten Eigenschaften bedient der Steckverbinder zusätzlich zu den Standardanwendungen in mobilen und stationären Batteriespeichersystemen auch Sonderanwendungen, in denen z.B. ein Batteriepack in großer Höhe transportiert und überwacht werden soll. Hieraus ergeben sich erhöhte Anforderungen an die Durchschlagfestigkeit und somit an die minimale Luftstrecke.

Anwendungsszenario für den Sonderfall Einsatz in großer Höhe

Das Anwendungsszenario für den Einsatz in großer Höhe ist der Flugzeugtransport eines Elektrofahrzeuges, wobei naturgemäß der Antrieb des Fahrzeugs während des Transportes ausgeschaltet ist und auch sonstige Verbraucher keine nennenswerten transienten Überspannungen erzeugen. Daraus resultiert die Anforderung an die Spannungsfestigkeit der Luftstrecken lediglich für eine Betriebsspannung von 1.400 V DC.

Der Höhenkorrekturfaktor bei 15.000 m kann wie zuvor beschrieben aus Tabelle A.2 der IEC 60664-1 [1] entnommen werden und beträgt 6,67. Die Mindestluftstrecke ergibt sich somit entsprechend Tabelle F.9 [1], die für Spannungen unterhalb 2.000 V jedoch auf Tabelle F.8 [1] verweist, für den Flugzeugtransport des Kunden A zu mindestens 4,4 mm.

Nur bei Kunde A trat dieser Sonderfall ein und die Luftstrecke bei 15.000 m (max. 1.400 V) lag aufgerundet bei >4,4 mm. Da die Mindestluftstrecke für Kunde A aufgrund der Anforderung in Bezug auf die transiente Überspannung bereits auf min. 5 mm festgelegt wurde, ist der Anwendungsfall des Kunden A für den Flugzeugtransport ohne weitere Geometrieänderung problemlos möglich.

Hochspannungs-Steckverbinder HV10: Der HV10 (Bild 2 und 3) wurde im Hinblick auf den begrenzten Bauraum in Verbindung mit einer größeren Polzahl optional als zweireihige Variante konzipiert. Durch das kompakte Design ergeben sich jedoch höhere Anforderungen an die verwendete Leiterplatte, die zwischen den SMT-Lötanschlüssen unbedingt gefräste Schlitze für das Eintauchen der Isolationswände aufweisen muss. Durch diese Wände wird sichergestellt, dass die Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken, trotz der möglichst eng beieinander liegenden Kontakte, erfüllt werden.

Hochspannungs-Steckverbinder für Sonderfälle

Für die Anwendung von Hochvolt-Steckverbindern sind in erster Linie die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich der Betriebsspannung, der transienten Überspannung und der Einsatzhöhe entscheidende Faktoren. Jedes Anwendungsszenario muss detailliert durchdacht und im Design berücksichtigt werden, um im späteren Betrieb auch Sonderfälle wie den Flugzeugtransport von Elektrofahrzeugen zu ermöglichen.

Die Produktspezifikationen beziehen sich hierbei in der Regel auf allgemeine Anwendungsfälle und enthalten deshalb meist nicht alle tatsächlich anwendbaren Angaben. Wie oben dargelegt, können die fertig konzipierten Produkte auch für viele weitere Anwendungsfälle genutzt werden, die jedoch im Einzelfall detailliert zu prüfen sind.

Abschließend sei hier noch erwähnt, dass auch bei Hochspannungs-Steckverbindern die generelle Möglichkeit besteht, durch eine Teilbestückung, d.h. das gezielte Weglassen einzelner Kontakte im Steckverbinder, die maximal möglichen Spannungen gegenüber der ursprünglichen Spezifikation erheblich weiter zu steigern. (kr)

Der Beitrag ist ein Auszug aus dem Tagungsband zum 18. Anwenderkongress Steckverbinder.

Literatur

[1] DIN EN IEC 60664-1 VDE 0110-1:2022-07: Isolationskoordination für Betriebsmittel in Niederspannungs-Stromversorgungssystemen

[2] DIN EN IEC 60112 VDE 0303-11:2022-11: Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung von festen, isolierenden Werkstoffen

[3] https://www.te.com/en/search.html?q=voltron

* Stephen Kaminski ist Entwicklungsingenieur bei TE Connectivity.

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