IEC61851-1 und IEC62955 Normative Anforderungen an Relais in der Ladestation

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Schaltfunktionen in der AC-Ladestation dienen dem Schutz des Anwenders und müssen bestimmten Anforderungen genügen. Diese sind in den Normen IEC61851-1 und IEC62955 definiert. Ein Überblick und praktische Lösungen.

Ein ambitionierter Umstieg vom Verbrenner hin zu Batterie-elektrischen Fahrzeugen (BEVs) kann nur gelingen, wenn die Ladeinfrastruktur massiv ausgebaut wird. Entsprechende Förderprogramme und neue Trends in der Entwicklung solcher Ladestationen sollen diesen Markt beflügeln und das Laden von E-Autos für jedermann überall ermöglichen.

Laut Bloomberg werden im Jahr 2040 die Hälfte aller verkauften Fahrzeuge batterie-elektrisch sein (Bild 1). Um dies zu ermöglichen, muss auch die Ladeinfrastruktur schnell wachsen und vor allem muss es jedem ermöglicht werden, das Fahrzeug zu Hause über Nacht zu laden.

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Neben den Hochleistungs-DC-Ladern für ultra-schnelles Laden vor allem an Autobahnen spielt die AC-Ladestation, oder auch AC-Wallbox, eine entscheidende Rolle. Hier kann beim Einkauf, in der Arbeit und vor allem auch zu Hause das Fahrzeug geladen werden. Die Anzahl solcher Ladestationen (Mode 3 gemäß Norm) stellt die große Mehrheit in der Ladeinfrastruktur dar.

Da in jeder Ladestation auch Schaltfunktionen zum Einsatz kommen, sind entsprechende Lösungen notwendig. Es kann jedoch kein übliches elektromechanisches System eingesetzt werden. Leiterplatten-Relais für den Einsatz in Ladestationen müssen bestimmte Anforderungen erfüllen, die in den vorherrschenden Normen definiert sind.

Normative Anforderungen an Ladestationen

Als generelle Grundlage zum kabelgebundenen Laden dient die IEC61851-1 / Konduktive Ladesysteme für Elek­trofahrzeuge / Teil 1: Generelle Anforderungen. Hierin werden allgemeine Anforderungen an kabelgebundene Ladeeinrichtungen bis 1.000 V AC oder 1.500 V DC definiert. Unter anderem sind Isolationsanforderungen, Temperaturgrenzen, mechanische Anforderungen und auch Anforderungen an die Schaltelemente beschrieben. Das AC-Laden an einer fest-installierten Ladestation wird hier als Mode 3 definiert.

Verwendet man ein Relais als Schaltelement, werden eine verstärkte Isolation zwischen Spule und Kontakt, eine sichere Trennung mit mindestens 3 mm Kontaktöffnung und der Nachweis von 50 k Schaltungen bei Lasten mit Lichtbogenentstehung gemäß Relaisnorm IEC61810-1 vorgeschrieben.

Das HES-Relais hat sich in diesem Markt etabliert und seit Jahren bewährt. Dieses Relais weist 2 Kontakte mit einem Vermögen von je 35 A/250 V AC auf; bei 22 kW muss jeder Kontakt 32 A/250 V AC bewältigen. Weiterhin ist ein Rückmeldekontakt optional erhältlich; dieser lässt auf elegante Weise ein Verschweißen der Hauptkontakte erkennen. Das Erkennen einer Kontaktverschweißung ist normativ ebenfalls gefordert.

Bei der Installation einer Wallbox müssen auch Maßnahmen für die Sicherheit ergriffen werden; zum einen muss ein Lastschutzschalter in die Installation eingebracht werden und zum anderen ein FI-Schalter, der bei einem Differenz-Fehlerstrom auslöst. Für das Abschalten dieses FI-Schalters im Fehlerfall werden normativ zwei Möglichkeiten beschrieben: FI-Schalter Type B oder FI-Schalter Type A mit Zusatzeinrichtung zum Abschalten im Falle eines DC-Fehlerstromes größer 6 mA.

Da der Einsatz einer FI-Einheit der Type B wesentlich teurer ist als die Type A, wird vor allem von der zweiten Möglichkeit Gebrauch gemacht. Zum Abschalten kann ein Schütz verwendet werden; aber eben auch ein Relais. Dies bietet einige Vorteile wie eine kompaktere Bauweise der Ladestation, da das Schaltelement von der DIN-Schiene auf die Leiterplatte wandert. Es wird Energie gespart, da ein Relais weniger Energie an der Spule verbraucht. Kosten werden reduziert durch den Wegfall der manuellen Verkabelung am Schütz, automatisiertes Verlöten des Relais auf der Leiterplatte und geringere „total-cost-of- ownership“.

IEC62955: Härtere Anforderungen an die Schaltfunktionen

Nachdem die IEC61851-1 viele Jahre die Referenz für Ladestationen/Wallboxen bei Mode 3 war, ist seit April 2018 eine neue Norm gültig: die IEC62955 / Fehlergleichstrom-Überwachungseinrichtung zur Verwendung mit der Ladebetriebsart 3 von Elektrofahrzeugen. Auch hier werden dieselben zwei Möglichkeiten zur Realisierung einer Abschaltung des FI-Schalters genannt. An die Schaltfunktion werden jedoch technisch härtere Anforderungen gestellt.

• Mechanische Kopplung aller Schaltkontakte. Bei 3-phasigen Systemen werden drei Phasen und der Neutralleiter über einen gemeinsamen Aktor geschaltet; dafür brauchen wir ein 4-poliges System. Dies trägt zu einer erhöhten Sicherheit im Fehlerfall bei, da alle Phasen gleichzeitig abgeschaltet werden.

• Erhöhte Anforderungen an das Kurzschlussvermögen gemäß Tabelle 16; nach dem Kurzschlusstest darf kein Verschweißen der Kontakte erfolgen.

Beide Anforderungen werden für ein 3-phasiges Ladesystem nicht vom HES-Relais erfüllt. Dies war der Anstoß für eine Neuentwicklung bei Panasonic Industry, um auch weiterhin eine geeignete Leiterplattenlösung im Portfolio anzubieten.

Das HE-R-Relais: Das sind die Vorteile

Nachdem die neuen Marktanforderungen mit vielen Kunden abgestimmt waren, entwickelten die Ingenieure ein neues Relais, das allen normativen Ansprüchen der IEC62955 genügt: das HE-R-Relais. Das Relais vereint Effizienz, Wirtschaftlichkeit und technisches Know-How in einem Produkt.

Effizienz: Die Halteleistung für 4 Kontakte + Rückmeldekontakt beträgt lediglich 490 mW.

Wirtschaftlichkeit: Durch die kompakte Bauweise und durch das automatisierte Platzieren und Verlöten auf der Leiterplatte.

Technisches Know-How: 40 A /480 V AC pro Kontakt; hohes Kurzschlussvermögen bis 10 kA gemäß IEC62955 / 32 A Nominalstrom; Rückmeldekontakt; 3,6 mm Öffnung an den Hauptkontakten

Der neu konzipierte Linearantrieb der Kontakte im Zusammenspiel mit einem sehr effizienten Spulen-Anker-System führten zu einem Schaltelement, welches das Design von effizienten, kompakten und preislich attraktiven Wallboxen unterstützt. Die Einhaltung der Kurzschlusswerte gemäß Tabelle 16 der IEC62955 für einen prospektivem Kurzschlussstrom bis zu 10 kA bei einem Nominalstrom von 32 A (siehe Tabelle 1) wurden durch spezielle patentierte Techniken erzielt.

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Einsatz des Relais in der Ladestation

Das HE-R-Relais spielt in Zusammenarbeit mit der DC-Fehlerstromerkennung die zentrale Rolle zum Schutze des Anwenders. Im Falle eines DC-Fehlerstromes wird die Spule des Relais deaktiviert; somit öffnen die Kontakte und der Stromkreis wird sicher getrennt. Der Kontaktabstand von mindestens 3,6 mm sorgt für die nötige Isolationsstrecke.

Da die IEC62955 keine Relaisnorm ist, kann eine Abnahme nur zusammen mit der RCD-Einheit erfolgen. Nichtsdestotrotz wurden die Kurzschlusstests gemäß Tabelle 16 am Relais zertifiziert; bis 10 kA prospektivem Kurzschlussstrom. Hiermit wird es möglich auch die FI-Funktion in die Ladestation zu integrieren, mit dem Relais als Abschaltglied.

Weiterhin bietet der optionale Rückmeldekontakt die Möglichkeit einer Überwachung der Hauptkontakte im Falle eines Verschweißens. Dies wird sicher erkannt und die Elektronik fährt in diesem Fall das System in einen sicheren Zustand. Die Normen verlangen ein Erkennen einer Verschweißung der Kontakte und der integrierte Spiegelkontakt gemäß IEC60947-4-1 bietet hierfür eine elegante Möglichkeit.

Fazit: Deutschland wird die Investitionen in die Ladeinfrastruktur 2024 über den Klima-Fond auf 4,7 Milliarden Euro erhöhen. Dieses wird weitere Innovationen fördern und eine schnellere Transformation im Mobilitätssektor ermöglichen.

Mit dem modularen Konzept des HE-R-Relais lassen sich künftig auch andere Kontaktanordnungen mit höheren Kontaktlasten realisieren wie z.B. eine 2-polige Version bis 80 A/277 V AC. Somit können auch andere Einsatzfälle abgedeckt werden und eine neue Familie an Schaltlösungen im Markt eingeführt werden.

Das erworbene technische Knowhow zur Bewältigung hoher Kurzschlüsse kann auch in andere zukünftige Produkte einfließen. In Ottobrunn wurde hier Pionierarbeit geleistet. (kr)

* Claudiu Ciobotaru ist Renewable Energy Systems Executive bei Panasonic Industry Europe GmbH in Ottobrunn.

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