Leitfaden und praktische Anforderungen für die Auswahl von Sicherungen in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben

Einleitung

Die rasante Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs), Hybridfahrzeugen (HEVs) und Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEVs) erhöht die Anforderungen an die elektrische Sicherheit und Zuverlässigkeit moderner Fahrzeuge. Mit zunehmend komplexen elektrischen Architekturen wird der Schutz von Hochvoltbatterien, elektrischen Antriebseinheiten, Ladesystemen und weiteren elektrischen Komponenten immer wichtiger.

Sicherungen gehören zu den wesentlichen Schutzkomponenten in diesen Systemen. Sie unterbrechen gefährliche Überströme und Kurzschlussströme, schützen empfindliche elektrische Bauteile vor Beschädigungen und reduzieren das Risiko einer Überhitzung von Leitungen.

Die Auswahl geeigneter Sicherungen für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben ist jedoch anspruchsvoller als bei herkömmlichen Fahrzeugen. Hohe Betriebsspannungen, erhebliche Kurzschlussströme, unterschiedliche Temperaturbedingungen, mechanische Vibrationen und komplexe Lastprofile müssen bei der Auswahl berücksichtigt werden.

Dieser Leitfaden erläutert die wichtigsten Richtlinien und praktischen Anforderungen für die Auswahl von Sicherungen in Elektrofahrzeugen. Er behandelt elektrische Kenngrößen, verschiedene Sicherungstypen, typische Anwendungsbereiche, Berechnungsmethoden und häufige Auswahlfehler.

1. Warum ist die richtige Sicherungsauswahl bei Elektrofahrzeugen so wichtig?

Elektrofahrzeuge nutzen Hochvoltsysteme zur Versorgung von Elektromotoren, Batteriesystemen, Ladeeinrichtungen und weiteren elektrischen Komponenten. Diese Systeme arbeiten mit deutlich höheren Spannungen als die klassischen 12-V- oder 24-V-Bordnetze herkömmlicher Fahrzeuge.

Je nach Fahrzeugarchitektur können die Batteriesysteme Spannungen von etwa 300 V bis 1.000 V oder mehr erreichen.

Daraus ergeben sich verschiedene Herausforderungen für den elektrischen Schutz.

1.1 Hohe Betriebsspannung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Niedervolt-Bordnetzen arbeiten Elektrofahrzeuge mit Hochvolt-Gleichstromsystemen.

Die Nennspannung einer Sicherung muss mindestens der maximalen Spannung des zu schützenden Stromkreises entsprechen. Andernfalls kann die Sicherung den beim Abschalten entstehenden Lichtbogen möglicherweise nicht zuverlässig löschen.

Eine zu niedrig ausgelegte Spannungsfestigkeit kann deshalb die elektrische Sicherheit erheblich beeinträchtigen.

1.2 Hohe Kurzschlussströme

Batteriesysteme von Elektrofahrzeugen können aufgrund ihres geringen Innenwiderstands und ihrer hohen gespeicherten Energie sehr hohe Fehlerströme liefern.

Bei einem Kurzschluss kann der Strom innerhalb kürzester Zeit stark ansteigen. Dadurch können Leitungen, Steckverbinder, Batteriemodule und elektronische Komponenten beschädigt werden.

Eine geeignete Hochvoltsicherung muss deshalb über ein ausreichendes Ausschaltvermögen verfügen, um den maximal möglichen Kurzschlussstrom sicher zu unterbrechen.

1.3 Temperatur- und Umwelteinflüsse

Sicherungen in Elektrofahrzeugen müssen unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen zuverlässig funktionieren.

Dazu gehören:

• Starke Temperaturschwankungen.

• Hohe Umgebungstemperaturen.

• Luftfeuchtigkeit.

• Mechanische Vibrationen.

• Thermische Alterung.

• Korrosionsbelastung.

Je nach Einbauort können Temperaturen zwischen etwa -40 °C und 125 °C auftreten.

Die ausgewählte Sicherung muss auch unter diesen Bedingungen ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften zuverlässig beibehalten.

1.4 Unterschiedliche Anforderungen an den Stromkreisschutz

Moderne Elektrofahrzeuge verfügen über zahlreiche elektrische Stromkreise mit unterschiedlichen Lastprofilen.

Dazu gehören:

• Hochvoltbatterien.

• Elektrische Antriebssysteme.

• Batteriemanagementsysteme.

• Onboard-Ladegeräte.

• DC-Schnellladesysteme.

• Elektrische Klimakompressoren.

• Niedervolt- und Hilfsstromkreise.

Jeder dieser Bereiche stellt unterschiedliche Anforderungen an Nennstrom, Spannungsfestigkeit und Auslöseverhalten.

Daher sollte die Sicherungsauswahl immer auf die konkreten Anforderungen des jeweiligen Stromkreises abgestimmt werden.

2. Sechs wichtige Kriterien für die Auswahl von Sicherungen in Elektrofahrzeugen

Bei der Auswahl geeigneter Sicherungen müssen verschiedene elektrische und umgebungsbedingte Parameter berücksichtigt werden.

Die folgenden sechs Kriterien bilden die Grundlage für eine zuverlässige Sicherungsauslegung.

2.1 Nennspannung

Die Nennspannung gehört zu den wichtigsten Auswahlkriterien für Hochvolt-Gleichstromsicherungen.

Die Spannungsfestigkeit der Sicherung muss mindestens der maximalen Betriebsspannung des zu schützenden Stromkreises entsprechen. Dabei müssen auch die maximal auftretenden Ladespannungen berücksichtigt werden.

Beispiel:

Ein Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs besitzt folgende Eigenschaften:

• Nennspannung der Batterie: 750 V.

• Maximale Ladespannung: 850 V.

• Maximale Systembetriebsspannung: 850 V.

In diesem Fall sollte die ausgewählte Sicherung für mindestens 850 V ausgelegt sein. Eine geeignete 1.000-V-DC-Sicherung könnte infrage kommen, sofern auch alle weiteren elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllt werden.

Besonders wichtig ist, dass Gleichstromsicherungen für die zuverlässige Lichtbogenlöschung ausgelegt sind. Anders als bei Wechselstrom gibt es bei Gleichstrom keinen natürlichen Nulldurchgang, der die Lichtbogenunterbrechung erleichtert.

2.2 Nennstrom

Der Nennstrom bezeichnet den Strom, den eine Sicherung unter festgelegten Betriebsbedingungen dauerhaft führen kann, ohne auszulösen.

Die Sicherung muss den normalen Betriebsstrom zuverlässig übertragen können und gleichzeitig einen wirksamen Schutz bei Überlastungen gewährleisten.

Bei der Bestimmung des geeigneten Nennstroms sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Dauerentladestrom der Batterie.

• Betriebsstrom des Elektromotors.

• Ladestrom.

• Kurzzeitige Einschaltströme.

• Umgebungstemperatur.

• Einbaubedingungen.

• Belastbarkeit von Sicherungshalter und Anschlussklemmen.

Für eine erste überschlägige Auslegung eines dauerhaft belasteten Stromkreises kann folgende Formel verwendet werden:

Sicherungsnennstrom ≥ Dauerbetriebsstrom × 1,25

Beispiel:

Ein Batteriestromkreis besitzt einen kontinuierlichen Betriebsstrom von 50 A.

50 A × 1,25 = 62,5 A

Eine 63-A-Sicherung kann als erster Auslegungswert betrachtet werden.

Diese Berechnung stellt jedoch nur eine erste Orientierung dar. Die endgültige Auswahl muss anhand der Temperatur-Derating-Kurven des Herstellers, der Zeit-Strom-Kennlinie, der Strombelastbarkeit der Leitungen und der jeweiligen Anwendungsanforderungen überprüft werden.

Bei Stromkreisen mit hohen Einschaltströmen, beispielsweise bei Motorantrieben, ist eine zusätzliche Analyse erforderlich, um unnötiges Auslösen zu vermeiden.

2.3 Ausschaltvermögen

Das Ausschaltvermögen beschreibt den maximalen prospektiven Kurzschlussstrom, den eine Sicherung bei einer festgelegten Spannung und unter definierten Betriebsbedingungen sicher unterbrechen kann.

Dieser Parameter ist bei Batteriesystemen von Elektrofahrzeugen besonders wichtig, da diese große Energiemengen speichern können.

Es gilt grundsätzlich:

Ausschaltvermögen der Sicherung ≥ maximaler prospektiver Kurzschlussstrom

Beispiel:

Ein Batteriesystem weist einen berechneten maximalen Kurzschlussstrom von 45 kA auf.

Die ausgewählte Sicherung muss bei der entsprechenden DC-Spannung mindestens 45 kA sicher unterbrechen können. Eine geeignete Sicherung mit 50 kA Ausschaltvermögen könnte infrage kommen, sofern alle weiteren Anforderungen erfüllt sind.

Die Auswahl darf niemals ausschließlich anhand des Nennstroms erfolgen. Eine Sicherung mit passendem Nennstrom, aber unzureichendem Ausschaltvermögen kann bei einem schweren Kurzschluss versagen.

2.4 Zeit-Strom-Kennlinie

Die Zeit-Strom-Kennlinie beschreibt, wie schnell eine Sicherung bei unterschiedlichen Stromstärken auslöst.

Sie ist entscheidend, um zwei Anforderungen miteinander in Einklang zu bringen:

• Normale kurzzeitige Stromspitzen dürfen nicht zu einer unnötigen Abschaltung führen.

• Gefährliche Überlastungen und Kurzschlüsse müssen schnell genug unterbrochen werden.

Ein Elektromotor kann beispielsweise beim Anlaufen vorübergehend einen erhöhten Strom aufnehmen. Löst die Sicherung zu schnell aus, kann sie den normalen Motorbetrieb unterbrechen.

Andererseits kann eine zu langsame Auslösung bei einem Kurzschluss dazu führen, dass übermäßig viel Energie durch den Stromkreis fließt und angeschlossene Komponenten beschädigt werden.

Bei der Bewertung der Zeit-Strom-Kennlinie sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Anlaufstrom des Elektromotors.

• Schwankungen des Ladestroms.

• Höhe der Kurzschlussströme.

• Thermische Belastbarkeit der Leitungen.

• Anforderungen an den Halbleiterschutz.

• Koordination mit Schützen und Leitungsschutzsystemen.

Die Sicherung muss normale Stromspitzen tolerieren und gleichzeitig einen wirksamen Schutz bei Fehlerströmen gewährleisten.

2.5 Temperatur- und Umgebungsbeständigkeit

Elektrische Komponenten in Fahrzeugen müssen auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren.

Bei der Auswahl von EV-Sicherungen sind insbesondere folgende Faktoren relevant:

• Betriebstemperatur.

• Temperaturwechselbeständigkeit.

• Vibrationsfestigkeit.

• Feuchtigkeitsbeständigkeit.

• Korrosionsschutz.

• Thermische Alterung.

• Einbaulage.

• Wärmeableitung und Gehäusebedingungen.

Hohe Umgebungstemperaturen können die Strombelastbarkeit einer Sicherung reduzieren. Deshalb muss bei der Auswahl des Nennstroms eine entsprechende Temperaturreduzierung berücksichtigt werden.

Auch die Vibrationsfestigkeit ist wichtig, da Sicherungen in Elektrofahrzeugen dauerhaft mechanischen Belastungen ausgesetzt sein können.

Automotive-taugliche Sicherungen mit nachgewiesener Umweltbeständigkeit tragen wesentlich zur langfristigen Zuverlässigkeit bei.

2.6 Normen und Automotive-Qualifikation

Die Einhaltung relevanter Normen und Qualitätsanforderungen ist ein weiterer wichtiger Bestandteil der Sicherungsauswahl.

Zu den relevanten Normen und Anforderungen können gehören:

• IEC 60269: Niederspannungssicherungen.

• DIN EN IEC 60269: Europäische Übernahme der entsprechenden Sicherungsnormen.

• ISO 16750: Umweltbedingungen und Prüfungen für elektrische und elektronische Fahrzeugausrüstung.

• ISO 8820: Sicherungen für Straßenfahrzeuge.

• Herstellerspezifische Anforderungen und Prüfverfahren der Fahrzeugindustrie.

Welche Normen anzuwenden sind, hängt vom Sicherungstyp, der Spannungsebene, dem Einbauort und dem vorgesehenen Anwendungsbereich ab.

Ingenieure sollten daher die technischen Datenblätter, Prüfberichte und Qualifikationsnachweise des Herstellers sorgfältig prüfen.

3. Gängige Sicherungstypen in Elektrofahrzeugen

Unterschiedliche Sicherungskonstruktionen bieten verschiedene elektrische und mechanische Eigenschaften.

Die Auswahl des passenden Typs hängt unter anderem von Nennstrom, Nennspannung, Ausschaltvermögen, Einbauraum und Schutzfunktion ab.

3.1 Schraubsicherungen

Schraubsicherungen werden häufig in Stromkreisen mit hohen Strömen eingesetzt. Sie bieten eine sichere mechanische Befestigung und eignen sich für anspruchsvolle elektrische Anwendungen.

Zu ihren wichtigsten Eigenschaften gehören:

• Hohe Strombelastbarkeit.

• Sichere Schraubverbindungen.

• Hohes Ausschaltvermögen bei entsprechend ausgelegten Modellen.

• Eignung für Hochvolt-Gleichstromkreise.

• Mechanische Stabilität bei fachgerechter Montage.

Typische Einsatzbereiche sind:

• Hauptbatterieschutz.

• Hochvolt-Stromverteilung.

• Elektrische Antriebssysteme.

• DC-Schnellladesysteme.

Bei der Auswahl müssen insbesondere Anschlussabmessungen, Anzugsdrehmoment, Kontaktwiderstand und Wärmeableitung berücksichtigt werden.

3.2 Zylindersicherungen

Zylindersicherungen besitzen eine kompakte Bauform und sind in unterschiedlichen Größen und elektrischen Ausführungen erhältlich.

Zu ihren Vorteilen gehören:

• Kompakte Abmessungen.

• Einfacher Austausch.

• Unterschiedliche Nennstrombereiche.

• Eignung für verschiedene Hilfsstromkreise.

Typische Anwendungen sind:

• Schutz einzelner Batteriemodule.

• Hilfsstromkreise.

• Bestimmte Ladeschaltungen.

• Nieder- und Mittelstromverteilungen.

Vor dem Einsatz in Hochvoltanwendungen müssen die Spannungsfestigkeit und das DC-Ausschaltvermögen sorgfältig geprüft werden.

3.3 Hochvolt-Gleichstromsicherungen für Elektrofahrzeuge

Hochvolt-DC-Sicherungen wurden speziell für die Schutzanforderungen elektrischer Fahrzeugarchitekturen entwickelt.

Zu ihren möglichen Eigenschaften zählen:

• Hohe DC-Spannungsfestigkeit.

• Zuverlässige Kurzschlussunterbrechung.

• Hohes Ausschaltvermögen.

• Mechanische Vibrationsfestigkeit.

• Stabiler Betrieb bei Temperaturschwankungen.

• Eignung für Automotive-Anwendungen.

Typische Einsatzbereiche sind Batteriesysteme, Motorsteuerungen, Ladeanschlüsse und Hochvolt-Verteilereinheiten.

Welcher Sicherungstyp am besten geeignet ist, muss immer anhand der tatsächlichen elektrischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung entschieden werden.

4. Auswahl der passenden Sicherung für unterschiedliche EV-Anwendungen

Die verschiedenen elektrischen Komponenten eines Elektrofahrzeugs besitzen unterschiedliche Betriebscharakteristiken. Deshalb muss die Sicherungsauswahl an die jeweilige Anwendung angepasst werden.

4.1 Schutz der Hauptbatterie

Der Hauptbatteriestromkreis gehört zu den wichtigsten Schutzbereichen eines Elektrofahrzeugs.

Die Sicherung muss den maximal zu erwartenden Dauerstrom der Batterie führen können und gleichzeitig den höchsten möglichen Kurzschlussstrom sicher unterbrechen.

Wichtige Auswahlkriterien sind:

• Maximale Batteriespannung.

• Kontinuierlicher Entladestrom.

• Maximaler prospektiver Kurzschlussstrom.

• DC-Ausschaltvermögen.

• Temperaturbedingungen des Batteriesystems.

• Schutzanforderungen für Kabel und Stromschienen.

Hochvolt-Schraubsicherungen werden für diese Anwendung häufig in Betracht gezogen, da sie eine sichere Befestigung und eine hohe Strombelastbarkeit ermöglichen.

4.2 Schutz einzelner Batteriemodule

Der Schutz einzelner Batteriemodule hilft dabei, elektrische Fehler innerhalb bestimmter Bereiche eines Batteriesystems zu begrenzen.

Die ausgewählte Sicherung sollte einen zuverlässigen Schutz gewährleisten, ohne den normalen Batteriebetrieb unnötig zu unterbrechen.

Wichtige Faktoren sind:

• Modulspannung.

• Maximaler Betriebsstrom.

• Verfügbarer Fehlerstrom.

• Einbaumaße.

• Thermische Bedingungen.

• Abstimmung mit der Hauptbatteriesicherung.

Je nach Batteriearchitektur können kompakte Zylinder- oder andere geeignete Sicherungskonstruktionen eingesetzt werden.

4.3 Schutz des elektrischen Antriebs

Elektrische Antriebssysteme weisen je nach Beschleunigung, Verzögerung und Betriebszustand unterschiedliche Stromanforderungen auf.

Beim Anlaufen des Motors und bei schnellen Laständerungen können vorübergehend hohe Stromspitzen auftreten.

Deshalb muss die Zeit-Strom-Kennlinie sorgfältig geprüft werden, damit normale Betriebszustände nicht zu unnötigen Abschaltungen führen.

Gleichzeitig muss die Sicherung einen ausreichenden Schutz gegen Kurzschlüsse und andere elektrische Fehler bieten.

Eine gute Abstimmung mit Motorsteuerungen, Leistungshalbleitern und weiteren Schutzkomponenten ist besonders wichtig.

4.4 Schutz des Onboard-Ladegeräts

Das Onboard-Ladegerät wandelt die externe Wechselspannung in Gleichspannung um, mit der die Fahrzeugbatterie geladen wird.

Bei der Sicherungsauswahl müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Eingangs- und Ausgangsspannung.

• Kontinuierlicher Ladestrom.

• Kurzzeitige Stromschwankungen.

• Eigenschaften der Leistungselektronik.

• Interne Fehlerzustände.

• Thermische Betriebsbedingungen.

Die Sicherung muss für den jeweiligen AC- oder DC-Stromkreis geeignet sein. Sicherungen mit AC- und DC-Nennwerten dürfen nicht ohne entsprechende Prüfung als austauschbar betrachtet werden.

4.5 Schutz von DC-Schnellladesystemen

DC-Schnellladesysteme arbeiten mit hohen Leistungen und können erhebliche Betriebsströme aufweisen.

Das Schutzsystem muss die maximale Ladespannung, den kontinuierlichen Strom, vorübergehende Stromschwankungen und mögliche Kurzschlussbedingungen berücksichtigen.

Eine geeignete DC-Sicherung sollte folgende Eigenschaften besitzen:

• Ausreichende Nennspannung.

• Passende Dauerstrombelastbarkeit.

• Ausreichendes DC-Ausschaltvermögen.

• Zuverlässiges Verhalten während der Ladezyklen.

• Kompatibilität mit der Schutzarchitektur des Ladesystems.

5. Praktischer Ablauf zur Auswahl von Sicherungen für Elektrofahrzeuge

Ein systematischer Auswahlprozess hilft Ingenieuren dabei, geeignete Sicherungsspezifikationen zu bestimmen und das Risiko elektrischer Schutzfehler zu reduzieren.

Schritt 1: Systemspannung bestimmen

Zunächst müssen die elektrischen Spannungsanforderungen des zu schützenden Stromkreises ermittelt werden.

Folgende Informationen sind erforderlich:

• Nennspannung der Batterie.

• Maximale Ladespannung.

• Maximale Betriebsspannung.

• Mögliche Spannungsschwankungen.

• Einordnung als Gleich- oder Wechselstromkreis.

Die Nennspannung der Sicherung muss für die maximal zu erwartende Spannung geeignet sein.

Beispiel:

Bei einer maximalen Betriebsspannung von 850 V DC kann eine entsprechend qualifizierte 1.000-V-DC-Sicherung in Betracht gezogen werden.

Schritt 2: Erforderlichen Nennstrom berechnen

Ermitteln Sie den normalen Dauerbetriebsstrom und berücksichtigen Sie mögliche kurzzeitige Stromspitzen.

Für ein Batteriesystem kann der Strom anhand folgender Formel abgeschätzt werden:

Strom (A) = Leistung (W) ÷ Spannung (V)

Beispiel:

Ein elektrisches Antriebssystem besitzt eine Leistung von 150 kW und arbeitet mit einer Spannung von 750 V.

150.000 W ÷ 750 V = 200 A

Unter den angenommenen elektrischen Bedingungen ergibt sich somit ein geschätzter Betriebsstrom von 200 A.

Der endgültige Sicherungsnennstrom muss zusätzlich anhand von Lastschwankungen, Einschaltströmen, Umgebungstemperatur und den vom Hersteller vorgegebenen Derating-Faktoren bestimmt werden.

Schritt 3: Ausschaltvermögen überprüfen

Berechnen oder ermitteln Sie den maximalen prospektiven Kurzschlussstrom des Stromkreises.

Eine vereinfachte erste Abschätzung kann mit folgender Formel erfolgen:

I = U ÷ R

Dabei gilt:

• I = Kurzschlussstrom in Ampere.

• U = Spannung in Volt.

• R = Gesamter effektiver Widerstand in Ohm.

Beispiel:

Ein 750-V-System besitzt einen angenommenen Gesamtwiderstand von 0,01 Ω.

I = 750 ÷ 0,01

I = 75.000 A beziehungsweise 75 kA.

Diese vereinfachte Berechnung liefert lediglich einen ersten Näherungswert. Eine tatsächliche Fehlerstromanalyse muss die Batterieeigenschaften, den Innenwiderstand, die Verbindungen, die Leitungsimpedanz und die möglichen Fehlerbedingungen berücksichtigen.

Das ausgewählte Sicherungssystem muss über ein nachgewiesenes DC-Ausschaltvermögen verfügen, das für den maximal möglichen Kurzschlussstrom ausreicht.

Schritt 4: Zeit-Strom-Kennlinie bewerten

Prüfen Sie die Zeit-Strom-Kennlinie des Sicherungsherstellers, um festzustellen, ob die Sicherung normale Betriebsstromspitzen toleriert.

Die Analyse sollte folgende Punkte berücksichtigen:

• Anlaufbedingungen des Motors.

• Schwankungen des Ladestroms.

• Kontinuierliche Betriebsbelastung.

• Anforderungen an die Kurzschlussunterbrechung.

• Koordination mit anderen Schutzkomponenten.

Dieser Schritt verhindert unnötige Auslösungen und gewährleistet gleichzeitig einen wirksamen Schutz bei elektrischen Fehlern.

Schritt 5: Einbau- und Qualifikationsanforderungen überprüfen

Vor der endgültigen Auswahl muss sichergestellt werden, dass die Sicherung für die mechanischen und umgebungsbedingten Anforderungen des Fahrzeugs geeignet ist.

Überprüfen Sie insbesondere:

• Automotive-Qualifikationsnachweise.

• Anwendbare elektrische Normen.

• Anschluss- und Befestigungskompatibilität.

• Abmessungen.

• Kontaktwiderstand.

• Vorgeschriebenes Anzugsdrehmoment.

• Temperaturbeständigkeit.

• Vibrations- und Feuchtigkeitsbeständigkeit.

Die endgültige Auswahl sollte durch geeignete elektrische, thermische und mechanische Prüfungen sowie durch Tests auf Fahrzeugebene validiert werden.

6. Häufige Fehler bei der Auswahl von Sicherungen für Elektrofahrzeuge

Auch wenn die grundlegenden elektrischen Parameter korrekt erscheinen, kann eine ungeeignete Sicherungsauswahl die Schutzwirkung des gesamten Systems beeinträchtigen.

Folgende Fehler sollten vermieden werden.

6.1 Falscher Nennstrom

Eine Sicherung mit einem zu hohen Nennstrom kann möglicherweise keinen ausreichenden Schutz bei Überlastungen bieten.

Eine zu niedrig dimensionierte Sicherung kann dagegen bereits während des normalen Fahrzeugbetriebs auslösen.

Der Nennstrom muss anhand der tatsächlichen Lastbedingungen, der Leitungsbelastbarkeit, der Temperaturreduzierung und der Zeit-Strom-Kennlinie bestimmt werden.

6.2 Ausschaltvermögen wird nicht berücksichtigt

Das Ausschaltvermögen ist ein entscheidender Sicherheitsparameter bei Hochvoltbatterien.

Eine Sicherung mit unzureichendem Ausschaltvermögen kann einen schweren Kurzschluss möglicherweise nicht sicher unterbrechen.

Vor der Auswahl muss deshalb immer der maximal mögliche Kurzschlussstrom ermittelt werden.

6.3 Ungeeignete AC-Sicherungen in DC-Anwendungen

Gleichstromkreise stellen andere Anforderungen an die Lichtbogenunterbrechung als Wechselstromkreise.

Eine Sicherung, die ausschließlich für Wechselstromanwendungen vorgesehen ist, darf nicht automatisch als geeignet für Gleichstromanwendungen betrachtet werden.

Die DC-Nennspannung und das DC-Ausschaltvermögen müssen unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen überprüft werden.

6.4 Temperaturreduzierung wird ignoriert

Hohe Umgebungstemperaturen können die Strombelastbarkeit einer Sicherung verringern.

Werden Temperatur-Derating-Faktoren nicht berücksichtigt, kann dies zu vorzeitigem Auslösen oder überhöhten Betriebstemperaturen führen.

Deshalb müssen die Einbaubedingungen und die entsprechenden Herstellerangaben immer berücksichtigt werden.

6.5 Fehlende Schutzkoordination

Elektrische Systeme in Elektrofahrzeugen enthalten häufig mehrere Schutzkomponenten, darunter Sicherungen, Schütze, Leistungsschalter und elektronische Schutzsysteme.

Diese Komponenten müssen zuverlässig zusammenarbeiten.

Eine unzureichende Abstimmung kann zu unnötigen Abschaltungen führen oder dazu, dass empfindliche Komponenten einer zu hohen Fehlerenergie ausgesetzt werden.

6.6 Mechanische Einbauanforderungen werden vernachlässigt

Eine fehlerhafte Montage kann den Kontaktwiderstand erhöhen und dadurch übermäßige Wärmeentwicklung verursachen.

Typische Probleme sind:

• Unzureichend angezogene Anschlüsse.

• Falsche Befestigungsabmessungen.

• Schlechte elektrische Kontaktierung.

• Unzureichende Wärmeableitung.

• Zu hohe mechanische Belastung.

• Feuchtigkeit und Korrosion.

Eine fachgerechte Montage und regelmäßige Kontrolle sind entscheidend für die langfristige Zuverlässigkeit.

6.7 Auswahl ohne geprüfte technische Dokumentation

Die technischen Eigenschaften einer Sicherung müssen durch zuverlässige Dokumentationen nachgewiesen werden.

Ingenieure sollten insbesondere Nennspannung, Nennstrom, Ausschaltvermögen, Zeit-Strom-Kennlinien, Temperaturgrenzen und relevante Prüfberichte überprüfen.

Eine Auswahl ausschließlich anhand beworbener Leistungsdaten oder des äußeren Erscheinungsbildes sollte vermieden werden.

7. Bewährte Methoden zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von EV-Sicherungssystemen

Eine zuverlässige Sicherungsauswahl sollte immer Bestandteil eines umfassenden elektrischen Schutzkonzepts sein.

Die folgenden Maßnahmen können dazu beitragen, die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Abgestimmtes Schutzkonzept verwenden: Entwickeln Sie ein koordiniertes Schutzkonzept für Hauptbatterie, Batteriemodule und Hilfsstromkreise. Berücksichtigen Sie dabei Selektivität und Durchlassenergie der einzelnen Schutzkomponenten.

Nachgewiesene DC-Leistungsfähigkeit priorisieren: Stellen Sie sicher, dass die Sicherung für die erforderliche DC-Spannung und den maximalen prospektiven Kurzschlussstrom geprüft wurde.

Gesamte Betriebsumgebung berücksichtigen: Bewerten Sie Temperatur, Vibration, Feuchtigkeit, Einbauort und Wärmeableitung.

Leitungen und angeschlossene Komponenten schützen: Stellen Sie sicher, dass das Auslöseverhalten der Sicherung mit den thermischen Belastungsgrenzen von Kabeln, Stromschienen und angeschlossenen Geräten abgestimmt ist.

Anwendungsspezifische Prüfungen durchführen: Validieren Sie die Sicherungsleistung unter realistischen Betriebsbedingungen. Dazu gehören Überlast-, Kurzschluss-, Temperatur- und Vibrationsprüfungen.

Inspektions- und Austauschkonzept festlegen: Kontrollieren Sie elektrische Verbindungen regelmäßig auf Korrosion, Überhitzung und mechanische Beschädigungen. Ausgelöste oder beschädigte Sicherungen dürfen nur durch Komponenten ersetzt werden, die den ursprünglichen technischen Anforderungen entsprechen.

8. Zukünftige Entwicklungen bei der Sicherungsauswahl für Elektrofahrzeuge

Mit der Weiterentwicklung der Elektromobilität verändern sich auch die Anforderungen an elektrische Schutzkomponenten.

Mehrere technologische Entwicklungen beeinflussen bereits heute die Konstruktion und Auswahl von Fahrzeugsicherungen.

8.1 Hochvolt-Batteriearchitekturen

Die zunehmende Verbreitung von 800-V-Bordnetzen erhöht die Nachfrage nach leistungsfähigen Hochvolt-DC-Sicherungen.

Solche Systeme erfordern geeignete Spannungsfestigkeit, zuverlässige Lichtbogenlöschung und ausreichendes Ausschaltvermögen.

Zukünftige Fahrzeugarchitekturen könnten außerdem Sicherungslösungen mit Spannungsfestigkeiten oberhalb von 1.000 V erforderlich machen.

8.2 Höhere Batteriekapazitäten

Größere Batteriesysteme bieten eine höhere Energiespeicherkapazität und können anspruchsvollere Anforderungen an den Kurzschlussschutz stellen.

Bei der Sicherungsauswahl müssen daher der verfügbare Fehlerstrom und die bei einem elektrischen Fehler freigesetzte Energie berücksichtigt werden.

8.3 Leistungsstärkere Schnellladesysteme

Steigende Ladeleistungen stellen zusätzliche Anforderungen an elektrische Schutzsysteme.

Sicherungen müssen den erwarteten Ladestrom zuverlässig führen können und gleichzeitig einen sicheren Schutz bei abnormalen Betriebszuständen gewährleisten.

8.4 Integrierte elektrische Fahrzeugarchitekturen

Moderne Elektrofahrzeuge integrieren zunehmend Batteriemanagement, Stromverteilung, Ladefunktionen und Antriebssteuerung.

Dadurch gewinnt die Koordination der Schutzkomponenten weiter an Bedeutung.

Ingenieure müssen das Zusammenspiel von Sicherungen, elektronischen Steuerungssystemen, Schützen und weiteren Schutzkomponenten berücksichtigen, um eine zuverlässige Fehlerisolierung sicherzustellen.

Fazit

Die richtige Auswahl von Sicherungen für Elektrofahrzeuge ist entscheidend für die Batteriesicherheit, die elektrische Zuverlässigkeit und die Leistungsfähigkeit des gesamten Fahrzeugs.

Im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen arbeiten Elektrofahrzeuge mit höheren Spannungen, erheblichen Kurzschlussströmen und anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen. Deshalb müssen bei der Auswahl insbesondere Nennspannung, Nennstrom, Ausschaltvermögen, Zeit-Strom-Kennlinie, Umweltbeständigkeit und Automotive-Qualifikation berücksichtigt werden.

Ein zuverlässiger Auswahlprozess beginnt mit einer präzisen Analyse der elektrischen Betriebsbedingungen. Darauf folgen die erforderlichen Berechnungen, die Überprüfung des Ausschaltvermögens, die Schutzkoordination und die Kontrolle der Einbaukompatibilität.

Besonders wichtig ist, dass die Sicherungsauswahl niemals ausschließlich auf dem Nennstrom basieren darf. Vielmehr muss die gesamte elektrische Schutzfunktion bewertet und unter realistischen Betriebsbedingungen validiert werden.

Mit steigenden Batteriekapazitäten, leistungsfähigeren Ladetechnologien und der zunehmenden Verbreitung von Hochvolt-Fahrzeugarchitekturen bleiben richtig dimensionierte und qualifizierte Sicherungen ein unverzichtbarer Bestandteil der sicheren Elektromobilität.