Die Reichweiten von Elektrofahrzeugen werden immer größer, dafür braucht man Batterien mit immer größerer Kapazität. Dadurch steigt auch die Gefahr von folgenschweren Kurzschlüssen bei einem Unfall. In einer Kooperation der TU Wien und der Firma <link http: has.hirtenberger.com _blank>Hirtenberger Automotive Safety wurde nun ein pyrotechnischer Gleichspannungsschalter entwickelt, der hohe Fehlerströme in extrem kurzer Zeit unterbrechen kann, um die Bildung gefährlicher Lichtbögen zu verhindern. Die Serienproduktion für das neue Bauteil ist bereits angelaufen.

Kurzschlussgefahr beim Crash

„Lithium-Ionen-Speicher haben sehr niedrige Innenwiderstände“, sagt Prof. Günther Brauner vom Institut für Energiesysteme und Elektrische Anlagen der TU Wien. „Das ist grundsätzlich positiv, weil dadurch die Stromwärmeverluste niedrig sind. Allerdings führt das gleichzeitig zu sehr hohen Kurzschlussströmen im Akkumulator. Sie stellen bei Unfällen eine erhebliche Gefahrenquelle dar.“

Bei unfallbedingten Kurzschlüssen im Bordnetz können Kurzschlussströme von bis zu 20.000 Ampere entstehen – dieser Wert dürfte zukünftig mit steigender Akkukapazität noch weiter zunehmen. „Sicherungen und Automotive-Hochstromschutzeinrichtungen stoßen dabei an ihre technischen Grenzen“, erklärt Günther Brauner.

Abhilfe schaffen kann man durch pyrotechnische Gleichspannungsschalter: Sobald ein Fehler auftritt, wird eine pyrotechnische Zündpille ausgelöst, die blitzschnell Gas erzeugt. Dieses Gas treibt einen Stempel an, der die elektrische Leitung unterbricht, gleichzeitig wird der entstehende Lichtbogen gelöscht.

Von der Theorie zur Serienproduktion

„Die Lösungen, die es derzeit am Markt gibt, sind hinsichtlich Stromtrennvermögen und Spannungsfestigkeit stark limitiert und können die aktuellen Anforderungen nicht erfüllen“, sagt DI Weinkopf von Hirtenberger Automotive Safety, einem etablierten Hersteller von Sicherheitstechnologie. Dieses Problem war der Anstoß für eine sehr erfolgreiche Forschungskooperation mit der TU Wien, im Rahmen der Diplomarbeit von Peter Pöltl, betreut von Prof. Brauner.

Zunächst untersuchten Peter Pöltl und Günther Brauner die theoretischen Grundlagen der Entstehung von Gleichstrom-Lichtbögen und bereiteten die Theorie des Löschverhaltens auf – in Hinblick auf die möglichen Kurzschlussströme, die in Bordnetzen moderner Fahrzeuge auftreten können. Das theoretisch gewonnene Lichtbogenmodell wurde dann in sehr umfassenden Versuchsserien untersucht. Zusätzlich analysierte man die auftretenden Gase spektroskopisch, um nicht nur ihren zeitlichen Temperaturverlauf, sondern auch ihre genaue Zusammensetzung zu messen.

So konnte das Design des Pyroschalters optimiert werden. Hirtenberger nahm bereits die Serienproduktion des neuen Modells CB 500 auf, das nun Kurzschlussströme von bis zu 32.000 Ampere bei Spannungen von bis zu 1.000 Volt in weniger als 3 Millisekunden unterbrechen kann. Es ist damit der derzeit leistungsfähigste pyrotechnische Gleichspannungsschalter für Fahrzeuge am Markt. Peter Pöltl kann mittlerweile sein in der Diplomarbeit gewonnenes Wissen als Mitarbeiter bei Hirtenberger Automotive Safety einbringen.

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Bilder: Hirtenberger Automotive Safety GmbH & Co KG

Rückfragehinweis:
em. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Günther Brauner
Institut für Energiesysteme und Elektrische Anlagen
Technische Universität Wien
Gußhausstraße 25/370-1
1040 Wien
T: +43 (0)1 58801 370101
F: +43 (0)1 58801 370199
E: <link>brauner@tuwien.ac.at

Dipl.-Ing. (FH) Horst Weinkopf
Hirtenberger Automotive Safety GmbH & Co KG
Leobersdorfer Strasse 31-33
2552 Hirtenberg / Austria
T: +43 (0)2256 811 84-586
F: +43 (0)2256 815 18
E: <link>horst.weinkopf@hirtenberger.com