Messtechnische Analyse des Ausstoßes eines wand-stabilisierten Lichtbogens im pyrotechnischen Gleichspannungsschalter

Abstract

Das Versprechen, die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren, hat die Notwendigkeit verdeutlicht, von Verbrennungsmotoren wegzukommen und die Elektromobilität als den neuen Standard zu etablieren. Es werden derzeit große Anstrengungen unternommen, um Elektrofahrzeuge für den breiten Markt attraktiv zu machen. Zwei wesentliche Aspekte sind die Erhöhung der Reichweite und die Verkürzung der Ladezeit. Um diese Anforderungen zu erreichen, sind Batterien mit höherer Energiedichte und auch höherer Spannung erforderlich. Höhere Energiedichten bedeuten aber auch, dass im Falle eines Unfalls oder einer Störung innerhalb der Batteriezelle, die Kurzschlussströme Werte bis über \SI{30}{kA} erreichen können. Die neuesten Batteriekonzepte für Elektroautos besitzen Spannungen von bis zu \SI{1000}{V}. Daher sind robuste und gut konstruierte Schutzschalter erforderlich, um diese Ströme zuverlässig zu trennen. Zuverlässig bedeutet auch, dass nach der Unterbrechung des Stromkreises keine Wiederzündung erfolgen darf. Pyrotechnische Gleichspannungsschalter kommen bei solchen Anwendungen zum Einsatz, weil sie viele Vorteil aufweisen. Im Inneren des Schalters entsteht bei der Trennung ein Lichtbogen mit einer Temperatur bis zu \SI{50000}{K} und damit einhergehend ein hoher Druck. Dabei werden heiße Gase ausgestoßen, die im schlimmsten Fall die Luft ionisieren könnten. Der Fehlerstrom würde dadurch von der Batterie zu den übrigen Komponenten des Stromkreises weiterfließen und diese möglicherweise beschädigen oder ganz zerstören. Um die Vorgänge bewerten zu können, ist es wichtig, die Grundlagen der elektrischen Entladungen zu verstehen. Insbesondere ist hier die Zündung eines Gleichstromlichtbogens von Bedeutung. Im praktischen Teil dieser Arbeit werden das elektrische Verhalten dieser Gase und ihre möglichen Auswirkungen in der Umgebung analysiert. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf den Auswirkungen des Gases auf die Umgebung, da die Zusammensetzung des Gases selbst durch die Vorgänge in einem Lichtbogen äußerst komplex ist.

The pledge to reduce carbon dioxide emissions has highlighted the need to move away from internal combustion engines and establish electric mobility as the new standard. Major efforts are being made to make electric vehicles attractive to the broader market. Two key aspects are increasing the range and shortening the charging time. To achieve these requirements, batteries with higher energy density and also higher voltage are needed. Higher energy densities mean that in the event of an accident or fault within the battery cell, the short-circuit currents can reach values in excess of \SI{30}{kA}. The latest battery concepts for electric cars have voltages of up to \SI{1000}{V}. Therefore, robust and well-designed circuit breakers are required to reliably isolate these currents. Reliable also means that no re-ignition may occur after the circuit is broken. Pyrotechnic DC circuit breakers are used in such applications because they have many advantages. Inside the switch, an arc with a temperature of up to \SI{50000}{K} is created during disconnection, and this is accompanied by high pressure. Hot gases are emitted, which in the worst case could ionize the air. The fault current would thus continue to flow from the battery to the other components of the circuit, possibly damaging or destroying them altogether. In order to evaluate what is happening, it is important to understand the basics of electrical discharges. In particular, the ignition of a direct current arc is of importance here. In the practical part of this work, the electrical behavior of these gases and their possible effects in the environment are analyzed. The focus of this work is on the effects of the gas on the environment, since the composition of the gas itself is extremely complex due to the processes in an arc.