Verbesserung der Energieeffizienz bei Schützen und Relais für mobile Anwendungen

Schütze und Relais sind elektromagnetische Schalter, die für die Steuerung des Stromflusses in mobilen Anwendungen unerlässlich sind. Ihre Hauptfunktion besteht darin, hohe Ströme und Spannungen zu steuern und gleichzeitig Betriebssicherheit und Effizienz zu gewährleisten.

Für OEMs, die Komponenten für Industriefahrzeuge entwickeln, spielen diese Schalter eine entscheidende Rolle im Fahrzeugbetrieb, da sie das Anschließen und Trennen der Batterie sowohl unter normalen als auch unter Fehlerbedingungen ermöglichen.

Eine zentrale Herausforderung beim Einsatz von Schützen und Relais ist jedoch deren Stromverbrauch. Die großen Spulen, die für den Betrieb dieser Hochstromgeräte erforderlich sind, können kontinuierlich Energie verbrauchen, was die Batterie entlädt und die Reichweite des Fahrzeugs verringert. Die Lösung dieses Problems ist für die Leistungssteigerung unerlässlich.

Innovationen im Bereich Energieeffizienz

Glücklicherweise hat die Industrie fortschrittliche Economizer-Technologien entwickelt, die den Stromverbrauch von Schützen und Relais deutlich reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit gewährleisten. Einige wichtige Innovationen stechen dabei hervor.

Eine elektrische Kehrmaschine mit dem Durakool DG86M-Relais. (Foto: Durakool)

Eine davon ist die Pulsweitenmodulation (PWM). Durch die Modulation der elektrischen Impulsbreite reduziert PWM den Spulenstromverbrauch um etwa 50 Prozent. Dadurch bleibt der Schütz eingeschaltet und verbraucht weniger Energie, was die Batterielebensdauer verlängert und die Fahrzeugeffizienz verbessert.

Darüber hinaus gibt es den Doppelspulen-Economizer, der eine Hochleistungsspule für die Erstaktivierung und eine Niedrigleistungsspule für den Dauerbetrieb verwendet. Die dadurch reduzierte Leistungsaufnahme bei längerem Betrieb erhöht die Energieeffizienz. Doppelspulen-Designs sind zudem kostengünstiger und weisen weniger Fehlerquellen auf, da weniger Komponenten auf der Leiterplatte verwendet werden.

Von den beiden bietet PWM einen höheren Wirkungsgrad als das Doppelspulen-Design und ermöglicht eine präzisere Steuerung des Energieverbrauchs, obwohl es eine komplexere elektronische Schaltung verwendet. Das Pulsieren kann jedoch elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen, was eine zusätzliche Abschirmung erforderlich macht, um Beeinträchtigungen externer elektronischer Schaltungen zu vermeiden. Der Doppelspulen-Economizer hingegen erzeugt keine EMI und ist daher zuverlässiger.

Ein dritter Ansatz zur Spuleneinsparung besteht darin, die Spannung zu reduzieren, sobald die Kontakte verbunden sind. Diese Methode ist zwar effektiv, erfordert aber eine externe Schaltung. Zudem besteht das Risiko einer Unterspannung der Spule, was zu Zuverlässigkeitsproblemen führen kann.

In jedem Fall müssen OEMs diese Kompromisse sorgfältig abwägen, wenn sie die geeignete Technologie für die Anwendung auswählen.

Sensitive Coil-Technologie

Ein weiterer Fortschritt in diesem Bereich ist die Sensitive-Coil-Technologie. Dieser Ansatz reduziert den Stromverbrauch durch den Einsatz hochohmiger Spulen, die deutlich weniger Strom benötigen. Dadurch eignet er sich besonders für Anwendungen in Elektrofahrzeugen (EV), wo er die Betriebskosten senkt, die Batterielebensdauer verlängert und durch die Minimierung des Energiebedarfs für Schaltfunktionen die Umweltbelastung insgesamt reduziert. Der Nachteil ist jedoch, dass das Design zu einem etwas geringeren Kontaktdruck führen kann, was die Stromtragfähigkeit reduziert.

Unabhängig davon, für welche Technologie sich die OEMs entscheiden, müssen sie darauf achten, dass für die vollständige Kontaktierung eine Mindestzeit von normalerweise 100 bis 200 ms gewährleistet ist.

Fortschritte bei Kontaktmaterialien

Ein weiterer entscheidender Faktor zur Effizienzsteigerung ist die Wahl des richtigen Materials für die Kontaktnieten. Der elektrische Widerstand dieser Materialien wirkt sich direkt auf den Energieverbrauch, die Wärmeentwicklung und die Lebensdauer der Bauteile aus.

Der Durakool DLVC300-Schütz wird in einigen Flughafen-Abschleppwagen eingesetzt. (Foto: Durakool)

Es gibt eine Reihe fortschrittlicher Materialien, die die Leistung in verschiedenen Anwendungen optimieren können. Silbernickel (AgNi) beispielsweise bietet einen geringen Widerstand und minimiert den Energieverlust in Relais, die geschlossen bleiben und über längere Zeit hohe Ströme führen. Silberzinnoxid (AgSnO2) hingegen bietet eine hohe Beständigkeit gegen Verschweißen beim Schalten unter Last, indem es Wärmeentwicklung und Energieverlust reduziert.

Eine weitere Silbervariante ist Silberzinnoxid-Indiumoxid (AgSnOInO), ein Spezialwerkstoff, der ebenfalls schweißbeständig ist und sich daher ideal für häufige Schaltvorgänge in Elektromotoren eignet. AgSnOInO erhöht die langfristige Systemzuverlässigkeit in mobilen Anwendungen, indem es die Kontaktverschlechterung deutlich reduziert.

Zwei Kupferoptionen sind sauerstofffreies Kupfer (Cu. C10200) und eine Kupfer-Silber-Legierung (T2+Ag). Cu. C10200 bietet einen geringeren Kontaktwiderstand und eine überlegene Leistung bei der Übertragung hoher Ströme über längere Zeiträume. T2+Ag ist ein härteres Material, das sich beim Schalten unter Last auszeichnet und unterschiedliche Leistungsmerkmale für spezifische Anwendungen bietet.

Herausforderungen bei der Einführung

Bevor OEMs solche Verbesserungen übernehmen und in ihre Designs integrieren können, müssen sie einige wichtige Herausforderungen bewältigen.

Eine Hürde stellt das Wärmemanagement dar. Da Hochstromanwendungen erhebliche Wärme erzeugen, sind effektive Kühllösungen erforderlich, um die Leistung aufrechtzuerhalten und vorzeitige Ausfälle zu vermeiden.

Darüber hinaus hat das rasante Wachstum der Elektrofahrzeugproduktion zu Engpässen in der Lieferkette geführt. Diese können die Komponentenverfügbarkeit der Hersteller beeinträchtigen und so zu Engpässen in der Produktion führen.

Schließlich ist die Integration aufgrund fehlender standardisierter Relaisdesigns komplex, was zu Kompatibilitätsproblemen führen kann. Beispielsweise können verschiedene Hersteller Unterschiede in der Pin-Konfiguration, der Montageanordnung oder der Anschlussbelegung aufweisen. OEMs müssen diese Komplexität bereits in der Designphase berücksichtigen, um eine reibungslose Integration zu gewährleisten.

Anwendungen in der realen Welt

Carlos Mendes ist Produktmanager für Switching bei Durakool, (Foto: Durakool)

Die Auswirkungen dieser verbesserten energieeffizienten Technologien zeigen sich am deutlichsten in Fahrzeugkomponenten der nächsten Generation, die Effizienz, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit erfordern. So werden diese Technologien beispielsweise bereits erfolgreich in Elektrobussen, Postfahrzeugen, Schleppern und Baumaschinen wie Baggern und Teleskopladern eingesetzt.

Mit dem Fortschritt der Branche sind weitere Innovationen zu erwarten. Dazu gehören die weitere Miniaturisierung von Komponenten ohne Einbußen bei der Hochstrombelastbarkeit, verbesserte Wärmemanagementlösungen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Umgebungen und eine stärkere Standardisierung zur Vereinfachung der Integration. Darüber hinaus reduzieren nachhaltigere Materialien die Umweltbelastung und ermöglichen das Recycling von Komponenten.

Die Branche wird die Herausforderungen im Bereich der Energieeffizienz durch kontinuierliche Innovation und strategisches Engineering bewältigen und gleichzeitig auf eine nachhaltigere, elektrifizierte Zukunft hinarbeiten.