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Wie wählt man die richtige EV-Sicherungsgröße? Ein umfassender Leitfaden

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EVs) gewinnen elektrische Sicherheit und zuverlässiger Überstromschutz immer mehr an Bedeutung. Von Hochvoltbatterien über Stromverteilungseinheiten bis hin zu elektrischen Nebenaggregaten benötigt jeder Stromkreis einen geeigneten Schutz vor Überlast und Kurzschluss.

Die richtige Sicherungsgröße für Elektrofahrzeuge auszuwählen, ist entscheidend, um elektrische Komponenten zu schützen, Systemausfälle zu vermeiden und die allgemeine Sicherheit des Fahrzeugs zu gewährleisten.

Allerdings reicht es nicht aus, den Nennstrom einer Sicherung einfach an den Betriebsstrom des Stromkreises anzupassen. Bei der Auswahl müssen Ingenieure verschiedene Faktoren berücksichtigen, darunter Nennspannung, Umgebungstemperatur, Kurzschlussstrom, Einschaltstrom, Ausschaltvermögen und Einbaubedingungen.

Doch wie lässt sich die richtige EV-Sicherungsgröße bestimmen?

Dieser Leitfaden erklärt die wichtigsten Faktoren, Berechnungsmethoden und praktischen Überlegungen, die bei der Auswahl einer geeigneten Sicherung für Elektrofahrzeuge berücksichtigt werden sollten.

Warum ist die richtige Sicherungsgröße für Elektrofahrzeuge so wichtig?

Die elektrische Architektur eines Elektrofahrzeugs besteht aus zahlreichen miteinander verbundenen Stromkreisen, die unter unterschiedlichen elektrischen und thermischen Bedingungen arbeiten. Jeder Stromkreis benötigt einen geeigneten Schutz gegen Überlast und Kurzschluss.

Eine falsch dimensionierte Sicherung kann erhebliche Sicherheits- und Leistungsprobleme verursachen.

Wenn die Sicherung zu niedrig dimensioniert ist:

• Die Sicherung kann während des normalen Fahrzeugbetriebs häufig auslösen.

• Kurzzeitige Stromspitzen können unnötige Unterbrechungen verursachen.

• Elektrische Systeme können unerwartet abgeschaltet werden.

• Wartungsaufwand und Betriebskosten können steigen.

Wenn die Sicherung zu hoch dimensioniert ist:

• Die Sicherung schützt Kabel und elektrische Komponenten möglicherweise nicht ausreichend.

• Überhöhte Ströme können empfindliche elektronische Bauteile beschädigen.

• Überhitzung kann das Risiko elektrischer Brände erhöhen.

• Schwere Kurzschlussfehler können umfangreiche Systemschäden verursachen.

Die richtige EV-Sicherungsgröße muss daher einen ausgewogenen Kompromiss zwischen zuverlässigem Betrieb und wirksamem Fehlerschutz gewährleisten.

1. Den kontinuierlichen Betriebsstrom bestimmen

Der erste Schritt bei der Auswahl der richtigen EV-Sicherungsgröße besteht darin, den maximalen kontinuierlichen Strom zu ermitteln, der unter normalen Betriebsbedingungen durch den Stromkreis fließt.

Verschiedene Komponenten eines Elektrofahrzeugs haben unterschiedliche Stromanforderungen. Dazu gehören beispielsweise:

• Batteriemanagementsysteme (BMS)

• DC/DC-Wandler

• Elektrische Kompressoren

• Kühlgebläse und Pumpen

• Onboard-Ladegeräte

• Stromverteilungseinheiten

Angenommen, ein elektrischer Nebenstromkreis benötigt einen kontinuierlichen Betriebsstrom von 35 A. Eine Sicherung mit 35 A Nennstrom bietet möglicherweise keine ausreichende Betriebsreserve, insbesondere wenn Temperatur und Einbaubedingungen die Leistungsfähigkeit der Sicherung beeinflussen.

Als vorläufiger Dimensionierungsansatz wird manchmal eine 75-%-Dauerbelastungsregel verwendet:

Mindest-Sicherungsnennstrom = Kontinuierlicher Betriebsstrom ÷ 0,75

Beispiel:

35 A ÷ 0,75 = 46,7 A

Auf Grundlage dieser Berechnung kann eine 50-A-Sicherung als erster möglicher Kandidat betrachtet werden.

Diese Berechnung ist jedoch nur eine vorläufige Abschätzung und keine allgemeingültige Dimensionierungsvorschrift für EV-Sicherungen. Der endgültige Nennstrom muss anhand der Herstellerkennlinien, der zulässigen Strombelastbarkeit der Leiter, der geltenden Normen und der konkreten Schaltungsauslegung überprüft werden.

2. Umgebungstemperatur und Temperaturderating berücksichtigen

Die Temperatur ist ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl von EV-Sicherungen.

Elektrofahrzeuge arbeiten unter anspruchsvollen Bedingungen. Elektrische Komponenten können hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Batteriefächer, Motor- und Elektronikräume, Leistungselektronikgehäuse und Ladesysteme können erhebliche Temperaturschwankungen aufweisen.

Die Sicherungsleistung wird durch die Umgebungstemperatur beeinflusst. Bei höheren Temperaturen steht dem Schmelzelement weniger zusätzliche thermische Belastungsreserve zur Verfügung, bevor die Sicherung auslöst.

Angenommen, eine Sicherung hat unter bestimmten Betriebsbedingungen einen Temperatur-Korrekturfaktor von 0,85.

Ausgehend vom vorherigen Beispiel mit einem kontinuierlichen Betriebsstrom von 35 A:

Schritt 1: Vorläufigen Sicherungsnennstrom berechnen

35 A ÷ 0,75 = 46,7 A

Schritt 2: Temperatur-Korrekturfaktor berücksichtigen

46,7 A ÷ 0,85 = 54,9 A

Eine 60-A-Sicherung könnte daher als möglicher Kandidat geprüft werden.

Die tatsächliche Auswahl muss anhand der Temperatur-Derating-Daten des Herstellers bestätigt werden. Die Korrekturfaktoren hängen von der Bauart der Sicherung, der Umgebungstemperatur, der Montageart und den Kühlbedingungen ab.

Wichtig: Die Temperaturreduzierung der Sicherungsbelastbarkeit muss gemeinsam mit den Temperaturgrenzen der Leiter, Anschlussklemmen und elektrischen Verbindungen bewertet werden.

3. Die Nennspannung an das EV-System anpassen

Die Nennspannung ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Auswahl einer Sicherung für Elektrofahrzeuge.

Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen elektrischen Fahrzeugsystemen verwenden moderne Elektrofahrzeuge Hochvolt-Gleichstromarchitekturen. Häufige Systemkonfigurationen arbeiten mit etwa 400 V oder 800 V. Die tatsächlichen Betriebsspannungen variieren jedoch je nach Fahrzeugkonzept.

Eine Sicherung muss ausdrücklich für die Spannung und die Strombedingungen des zu schützenden Stromkreises ausgelegt sein.

Warum ist das so wichtig?

Wenn eine Sicherung auslöst, kann zwischen den getrennten Sicherungselementen ein elektrischer Lichtbogen entstehen. In Wechselstromkreisen durchläuft der Strom regelmäßig den Nulldurchgang, wodurch das Löschen des Lichtbogens erleichtert wird. Bei Gleichstromkreisen fehlen diese regelmäßigen Nulldurchgänge.

Deshalb ist die sichere Lichtbogenunterbrechung bei Hochvolt-Gleichstromanwendungen besonders anspruchsvoll.

Die Verwendung einer ungeeigneten Sicherung in einem Hochvolt-DC-Stromkreis kann erhebliche Sicherheitsrisiken verursachen.

Vor der Auswahl einer EV-Sicherung sollten folgende Punkte überprüft werden:

• Die maximale Betriebsspannung des elektrischen Systems.

• Die maximale transiente Spannung oder Ladespannung.

• Die zulässige DC-Nennspannung der Sicherung.

• Die Fähigkeit zur Unterbrechung von Gleichstromlichtbögen.

• Die Eignung für die jeweilige Batterie- oder Leistungselektronikanwendung.

Eine AC-Sicherung darf niemals allein deshalb als geeignet für einen DC-Stromkreis betrachtet werden, weil die angegebenen Spannungswerte ähnlich erscheinen.

4. Das Ausschaltvermögen der Sicherung überprüfen

Das Ausschaltvermögen, auch Abschaltvermögen genannt, bezeichnet den maximalen prospektiven Fehlerstrom, den eine Sicherung unter den festgelegten Betriebsbedingungen sicher unterbrechen kann.

Dieser Parameter ist bei Elektrofahrzeugen besonders wichtig, da Batteriepacks sehr hohe Kurzschlussströme liefern können.

Der verfügbare Fehlerstrom bei einem Kurzschluss hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter:

• Batteriespannung

• Innenwiderstand der Batterie

• Zellkonfiguration

• Sammelschienenwiderstand

• Kabelimpedanz

• Übergangswiderstand elektrischer Verbindungen

• Ladezustand und Betriebsbedingungen der Batterie

Das ausgewählte Ausschaltvermögen der Sicherung muss höher sein als der maximale prospektive Kurzschlussstrom am Einbauort.

Beispiel:

Wenn der berechnete prospektive Kurzschlussstrom 15 kA beträgt, ist eine Sicherung mit einem Ausschaltvermögen von 10 kA ungeeignet.

Es muss eine Sicherung mit ausreichendem Bemessungs-Ausschaltvermögen ausgewählt und für die tatsächlichen Schaltungsbedingungen überprüft werden.

Ein unzureichendes Ausschaltvermögen kann dazu führen, dass die Sicherung den Fehlerstrom nicht sicher unterbricht. Mögliche Folgen sind Lichtbogenbildung, Geräteschäden oder Brände.

5. Einschaltstrom und Zeit-Strom-Kennlinien verstehen

Einige Komponenten von Elektrofahrzeugen nehmen beim Einschalten deutlich mehr Strom auf als während des normalen Betriebs.

Dieser vorübergehende Stromanstieg wird als Einschaltstrom bezeichnet.

Er tritt häufig bei folgenden Komponenten auf:

• Elektromotoren und Kompressoren

• Wechselrichtern

• Elektronischen Schaltungen mit kapazitiven Lasten

• DC/DC-Wandlern

• Lade- und Vorladeschaltungen

Beispielsweise kann eine Komponente mit einem normalen Betriebsstrom von 30 A beim Einschalten kurzzeitig 90 A aufnehmen.

Wenn die ausgewählte Sicherung diesen vorübergehenden Stromanstieg nicht tolerieren kann, löst sie möglicherweise unnötig aus, obwohl der Stromkreis ordnungsgemäß funktioniert.

Um dieses Problem zu vermeiden, müssen die Zeit-Strom-Kennlinien der Sicherung bewertet werden.

Es gibt zwei häufig verwendete Sicherungscharakteristiken:

Flinke Sicherungen

Flinke Sicherungen reagieren schnell auf überhöhte Ströme. Sie eignen sich grundsätzlich für Stromkreise, die einen schnellen Schutz benötigen und nur geringe Einschaltströme aufweisen.

Träge Sicherungen

Träge Sicherungen können bestimmte vorübergehende Stromspitzen tolerieren, ohne sofort auszulösen. Sie können für motorbetriebene Geräte und Stromkreise mit hohen Einschaltströmen geeignet sein.

Die richtige Auswahl hängt von Höhe, Dauer und Häufigkeit der Stromspitzen sowie von den Schutzanforderungen der angeschlossenen Komponenten ab.

Ingenieure sollten die Zeit-Strom-Kennlinie der Sicherung auswerten und sicherstellen, dass normale Einschaltvorgänge toleriert werden, während bei Überlast und Kurzschluss weiterhin ein ausreichender Schutz gewährleistet ist.

6. Den geeigneten Sicherungstyp und die Baugröße auswählen

Neben den elektrischen Eigenschaften müssen bei der Auswahl einer EV-Sicherung auch ihre Bauform und Befestigungsmöglichkeiten mit der elektrischen Architektur des Fahrzeugs kompatibel sein.

Zu den häufig verwendeten Sicherungsausführungen in Elektrofahrzeugen gehören:

Verschraubte Sicherungen

Diese werden häufig in Hochstromanwendungen eingesetzt, beispielsweise zum Schutz von Batterien und Stromverteilungssystemen. Verschraubte Anschlüsse ermöglichen eine sichere elektrische und mechanische Befestigung.

Sicherungen mit Kabelschuhanschlüssen

Diese Bauformen werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen bestimmte Anschluss- und Verbindungskonfigurationen erforderlich sind.

Leiterplattenmontierte Sicherungen

Sie eignen sich für bestimmte elektronische Schaltungen mit geringeren Strömen sowie für Anwendungen auf Leiterplatten.

Vor der endgültigen Auswahl sollten folgende mechanische und physische Eigenschaften überprüft werden:

• Gesamtabmessungen und verfügbarer Einbauraum

• Anschlussart und Anschlusskonfiguration

• Abmessungen der Befestigungsbohrungen

• Nennstrom und Nennspannung

• Temperaturgrenzen der Anschlussklemmen

• Vibrationsfestigkeit und mechanische Belastbarkeit

• Kompatibilität mit Sicherungshaltern oder Sammelschienen

Eine falsch montierte Sicherung kann zu hochohmigen Verbindungen, übermäßiger Wärmeentwicklung und unzuverlässiger elektrischer Leistung führen.

7. Schutzkoordination und Schutzanforderungen berücksichtigen

Ein elektrisches Fahrzeugsystem enthält häufig mehrere Schutzvorrichtungen, die auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.

Beispielsweise kann ein Batteriepack über eine Hauptsicherung verfügen, während einzelne nachgeschaltete Stromkreise zusätzlich durch separate Sicherungen geschützt werden.

Diese Schutzvorrichtungen sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass ein Fehler in einem einzelnen Stromkreis nicht unnötigerweise das gesamte elektrische System abschaltet.

Bei der Bewertung der Sicherungskoordination sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Zeit-Strom-Kennlinien der Sicherungen

• Prospektiver Kurzschlussstrom

• Vorlichtbogen- und Gesamtausschalt-I²t-Werte

• Belastbarkeit der Kabel

• Schutzanforderungen von Halbleitern

• Belastungsgrenzen nachgeschalteter Komponenten

Eine geeignete Schutzkoordination stellt sicher, dass die dem Fehlerort nächstgelegene Schutzeinrichtung angemessen reagiert und gleichzeitig der Schutz des gesamten elektrischen Systems erhalten bleibt.

8. Die ausgewählte EV-Sicherung testen und validieren

Berechnungen und technische Spezifikationen bieten eine wichtige Grundlage. Vor der endgültigen Auswahl einer EV-Sicherung ist jedoch eine Validierung unter realen Betriebsbedingungen erforderlich.

Die Prüfungen sollten die tatsächliche Betriebsumgebung und die elektrischen Eigenschaften des Fahrzeugs berücksichtigen.

Zu den wichtigen Validierungsverfahren gehören:

Temperaturanstiegsprüfung

Der Stromkreis wird unter repräsentativen ungünstigen Umgebungs- und Einbaubedingungen mit seiner maximal erwarteten Dauerlast betrieben. Dabei wird überprüft, ob die Temperaturen der Sicherung, Anschlüsse und Verbindungen innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben.

Einschaltstromprüfung

Die Einschaltstromkurve wird gemessen, um festzustellen, ob die Sicherung vorübergehende Stromspitzen tolerieren kann, ohne unnötig auszulösen.

Überlastprüfung

Es wird überprüft, ob die Sicherung bei definierten Überlastbedingungen innerhalb ihrer spezifizierten Zeit-Strom-Kennlinie auslöst.

Kurzschlussprüfung

Es wird bestätigt, dass die Sicherung den erwarteten Fehlerstrom bei der entsprechenden DC-Spannung sicher unterbrechen kann.

Vibrations- und mechanische Prüfung

Die mechanische Zuverlässigkeit der Sicherung und ihrer Anschlüsse wird unter typischen Fahrzeugbetriebsbedingungen bewertet.

Alle Prüfungen sollten mit geeigneten technischen Verfahren, geeigneten Prüfgeräten und unter Berücksichtigung der geltenden Sicherheitsnormen durchgeführt werden.

Häufige Fehler bei der Auswahl der EV-Sicherungsgröße

Selbst ein scheinbar kleiner Fehler bei der Sicherungsauswahl kann die Sicherheit und Zuverlässigkeit eines Elektrofahrzeugs beeinträchtigen.

Die folgenden Fehler sollten Ingenieure vermeiden:

Die Vermeidung dieser Fehler trägt zu einem besseren elektrischen Schutz, einer höheren Systemzuverlässigkeit und einer längeren Lebensdauer der EV-Komponenten bei.

Erweiterte Anforderungen moderner Elektrofahrzeugsysteme

Mit der Weiterentwicklung der EV-Technologie werden auch die Anforderungen an den elektrischen Schutz immer anspruchsvoller.

Einige technologische Entwicklungen verdienen besondere Aufmerksamkeit.

800-V-Elektrofahrzeugarchitekturen

Hochvolt-Batteriesysteme benötigen geeignete Hochvolt-DC-Sicherungen. Ingenieure müssen die maximale Systemspannung, transiente Bedingungen, Lichtbogenunterbrechung und Isolationsanforderungen bewerten.

Moderne Leistungselektronik

Moderne Wechselrichter und Wandler verwenden schnelle Halbleiterschalttechnologien. Ihre Schutzanforderungen können spezielle Strombegrenzungs- und Energiekoordinierungseigenschaften erfordern.

Bidirektionales Laden

Vehicle-to-Grid- und Vehicle-to-Home-Anwendungen ermöglichen den Stromfluss in unterschiedliche Richtungen. Die Eignung der Sicherung muss deshalb für die tatsächlichen Strompfade und Fehlerbedingungen überprüft werden.

Integration von Batteriespeichersystemen

EV-Batteriesysteme und zugehörige Energiespeicheranwendungen benötigen eine sorgfältige Abstimmung zwischen Batterieschutz, Leistungsumwandlung und Stromverteilung.

Diese Entwicklungen machen eine anwendungsspezifische Auswahl von Sicherungen immer wichtiger.

Checkliste zur Auswahl der richtigen EV-Sicherungsgröße

Bevor Sie eine Sicherung für ein Elektrofahrzeug auswählen, sollten Sie die folgenden technischen Parameter überprüfen:

• Maximalen kontinuierlichen Betriebsstrom bestimmen.

• Erwarteten Spitzen- und Einschaltstrom ermitteln.

• Maximalen prospektiven Kurzschlussstrom berechnen.

• Erforderliche DC-Nennspannung überprüfen.

• Ausschaltvermögen der Sicherung kontrollieren.

• Geeignete Temperatur-Derating-Faktoren anwenden.

• Zeit-Strom-Kennlinien überprüfen.

• Anforderungen an den Kabel- und Komponentenschutz berücksichtigen.

• Sicherungsabmessungen und Anschlusskompatibilität prüfen.

• Vibrations- und Umgebungsbedingungen bewerten.

• Schutzkoordination mit anderen Schutzeinrichtungen sicherstellen.

• Geeignete elektrische und thermische Validierungsprüfungen durchführen.

Diese Checkliste unterstützt Ingenieure dabei, eine fundierte und zuverlässige Entscheidung bei der Auswahl von EV-Sicherungen zu treffen.

Häufig gestellte Fragen zur Dimensionierung von EV-Sicherungen

1. Wie berechnet man die richtige Sicherungsgröße für ein Elektrofahrzeug?

Zunächst muss der maximale kontinuierliche Betriebsstrom des Stromkreises ermittelt werden. Anschließend sind Temperaturderating, Einschaltstrom, Nennspannung, Ausschaltvermögen und Anforderungen an den Leiterschutz zu berücksichtigen.

Für eine erste Abschätzung kann folgende Formel verwendet werden:

Mindest-Sicherungsnennstrom = Kontinuierlicher Strom ÷ 0,75

Der endgültige Sicherungsnennstrom muss jedoch anhand der Herstellerspezifikationen und der tatsächlichen elektrischen Schutzanforderungen überprüft werden.

2. Kann eine herkömmliche Kfz-Sicherung in einem Elektrofahrzeug verwendet werden?

Nicht unbedingt. Herkömmliche Kfz-Sicherungen verfügen möglicherweise nicht über die erforderlichen Spannungs- und Ausschaltwerte für Hochvolt-EV-Anwendungen.

Vor dem Einbau müssen die DC-Nennspannung, das Ausschaltvermögen und die Eignung für die jeweilige Anwendung überprüft werden.

3. Was ist der Unterschied zwischen einer flinken und einer trägen EV-Sicherung?

Eine flinke Sicherung reagiert schnell auf überhöhte Ströme und eignet sich für Stromkreise, die einen schnellen Schutz benötigen.

Eine träge Sicherung kann definierte vorübergehende Stromspitzen tolerieren und ist daher möglicherweise für Motoren, Kompressoren und andere Komponenten mit hohen Einschaltströmen geeignet.

4. Warum ist das Ausschaltvermögen bei EV-Sicherungen wichtig?

Batteriepacks von Elektrofahrzeugen können bei Kurzschlüssen sehr hohe Fehlerströme liefern. Die Sicherung muss in der Lage sein, den maximalen prospektiven Kurzschlussstrom sicher zu unterbrechen, ohne einen gefährlichen Lichtbogen aufrechtzuerhalten oder mechanisch beschädigt zu werden.

5. Beeinflusst die Temperatur die Leistung einer EV-Sicherung?

Ja. Hohe Umgebungstemperaturen können die Strombelastbarkeit einer Sicherung reduzieren und ihre Auslösecharakteristik beeinflussen. Deshalb muss das Temperaturderating bei der Sicherungsauswahl berücksichtigt werden.

6. Welche Spannungsfestigkeit ist für ein 800-V-Elektrofahrzeugsystem erforderlich?

Die Sicherung muss eine DC-Nennspannung aufweisen, die für die maximale Betriebs- und transiente Spannung des Systems geeignet ist.

Ein nominales 800-V-System sollte nicht automatisch mit einer Sicherung mit einer Nennspannung von 800 V abgesichert werden. Vielmehr müssen der gesamte Spannungsbereich und die Herstellerspezifikationen berücksichtigt werden.

7. Sollte eine höher dimensionierte Sicherung gewählt werden, um häufiges Auslösen zu verhindern?

Nein. Eine einfache Erhöhung des Sicherungsnennstroms kann den Stromkreisschutz beeinträchtigen.

Häufiges Auslösen sollte untersucht werden, um mögliche Ursachen zu identifizieren. Dazu gehören übermäßige Lasten, hohe Einschaltströme, erhöhte Temperaturen oder elektrische Fehler.

Fazit

Die Auswahl der richtigen EV-Sicherungsgröße ist ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung eines sicheren und zuverlässigen elektrischen Systems für Elektrofahrzeuge. Dabei reicht es nicht aus, den Nennstrom einer Sicherung einfach an den Betriebsstrom des Stromkreises anzupassen.

Ingenieure müssen den kontinuierlichen Strom, die Temperaturreduzierung der Belastbarkeit, die DC-Nennspannung, das Ausschaltvermögen, den Einschaltstrom, die Zeit-Strom-Kennlinien, die mechanische Kompatibilität und die Schutzkoordination berücksichtigen.

Vor allem muss die ausgewählte Sicherung sowohl unter normalen Betriebsbedingungen als auch bei möglichen Fehlerzuständen einen zuverlässigen Schutz gewährleisten.

Durch einen systematischen Auswahl- und Validierungsprozess lassen sich unnötige Sicherungsauslösungen reduzieren, die elektrische Sicherheit verbessern und wichtige EV-Komponenten vor Überlast und Kurzschluss schützen.

Letztendlich ist die richtige EV-Sicherung nicht einfach diejenige mit dem nächstliegenden Nennstrom. Es ist diejenige, die sämtliche elektrischen, thermischen, mechanischen und sicherheitstechnischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung erfüllt.