Sicher messen an Hochvolt-Komponenten

Bild 1: Die HV-Messmodule sind mit galvanischer Trennung aufgebaut und haben eine verstärkte Isolierung bis 846 V. CSM

Wie schon bei der Entwicklung von Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb kommt auch bei Elektro- und Hybridfahrzeugen verlässlichen Messungen unterschiedlicher physikalischer Größen eine zentrale Bedeutung zu. Bisher waren die Messmöglichkeiten im Bereich der E-Mobility jedoch eingeschränkt.

Aufgrund der HV-Spannungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen bestehen erhöhte Sicherheitsansprüche an die verwendete Messtechnik. Hier sind leistungsfähige Messsysteme gefordert, die diesen Anforderungen genügen und zugleich effizientes Arbeiten erlauben. Diese Messsysteme müssen eine hochvoltsichere Messkette vom Sensor bis zur Datenerfassung ermöglichen und gleichzeitig eine schnelle Installation sowie präzise und verlässliche Messergebnisse garantieren. Nur so lassen sich die Erprobungszeiten verkürzen, ohne auf die Sicherheit zu verzichten.

Erhöhte Sicherheit im Hochvolt-Umfeld

Bordnetze für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren kommen mit Kleinspannungen aus (< 60 V_DC), die für Anwender unkritisch sind. Konventionelle Messsysteme sind folglich für diesen Anwendungsbereich ausgelegt. Sichere Messungen direkt im Hochvolt-Bordnetz, etwa an Hochvolt-Batterien, setzen hingegen umfassende Sicherheitsvorkehrungen voraus, für die entsprechend ausgelegte Messtechnik benötigt wird. Aufgrund des hohen Gefährdungspotentials, vor allem in der Phase der Entwicklung und Erprobung, steht die Bediensicherheit an oberster Stelle. Wird konventionelle Messtechnik eingesetzt, die den Sicherheitsanforderungen nicht oder nur bedingt genügt, drohen Lebensgefahr für Anwender und im Ernstfall auch haftungs- und strafrechtliche Konsequenzen für Betreiber. Für die Konzeption einer hochvoltsicheren Fahrzeugmesstechnik sind daher folgende Überlegungen grundlegend:

Das HV-Bordnetz und das konventionelle 12-V-Bordnetz (inklusive Fahrzeugkarosserie) sind galvanisch voneinander getrennt. Diese Trennung darf durch die verwendete Messtechnik nicht unterlaufen werden.

Neuartige Messtechnik muss eine HV-sichere Messkette vom Sensor bis zur Datenerfassung gewährleisten. Dies bedeutet, es wird ein berührungssicheres und isolationsfestes Messsystem benötigt, das aus entsprechend konzipierten HV-Messmodulen und -Sensorleitungen besteht. Eine HV-spezifische Farbcodierung soll dabei für eine optische Trennung von Hochvolt- und Niedervolt-Bereich sorgen. Bild 2 zeigt ein Beispiel für einen Messaufbau im HV-Umfeld.

Analogsignale und Temperaturen präzise messen

Bild 2: Das Isolationskonzept mit zweifacher Absicherung sorgt für eine sichere Trennung zwischen HV-Umfeld und Messtechnik. CSM

Mit den HV-Messmodulreihen HV PT und HV AD erweitert CSM die Anwendungsmöglichkeiten der Hochvolt-Messsysteme für Messungen an HV-Komponenten in Elektro- und Hybridfahrzeugen. Diese HV-Messmodulreihen (Bild 1) sind mit galvanischer Trennung aufgebaut und haben eine verstärkte Isolierung bis 846 V. In Kombination mit speziellen Sensorleitungen ist es nun möglich, analoge Standardsensoren auch im HV-Umfeld sicher einzusetzen.

Für den mobilen Messeinsatz im Motoraum bei Betriebstemperaturen von -40 bis 100 °C eignen sich die HV-CAN-Mini-Module im robusten und kompakten Aluminiumgehäuse mit Schutzart IP67. Die Messsignalausgabe erfolgt mit Messdatenraten bis zu 20 kHz über CAN (zwei Kanäle mit 2 MBit/s).

Das Minimodul HV THMM 4 ist für sichere Temperaturmessungen mit Thermoelementen an Hochvolt-Komponenten konzipiert. Vier galvanisch getrennte NiCr-Ni-Temperatureingänge (Typ K) erfassen Temperaturen von -100 bis 1372 °C bei einer maximalen Messdatenrate von 10 Hz pro Kanal. Jeder Kanal hat eine interne Vergleichsstellenkompensation. Mit zwei Messeingängen in Vier-Leiter-Technik ist das Minimodul HV PTMM 2 für präzise Temperaturmessungen mit PT100- und PT1000-Sensoren ausgelegt. Auf vier Analogeingängen mit verstärkter Isolierung misst das Minimodul HV ADMM 4 sicher Spannungen bis ±90 V in HV-Umgebung.

Ausgeführt als 19″-Einschübe sind die vorgestellten Messmodule auch für den Einsatz in Prüfständen sowie im Fahrzeuginnenraum geeignet. Im robusten Aluminiumgehäuse (19 Zoll, 3 HE/12 TE) sind sie in den zwei Betriebstemperaturbereichen/Schutzarten -30 bis 70 °C/IP50 oder -40 bis 85 °C/IP65 erhältlich.

Messungen mit geprüfter Sicherheit

Bild 3: Im kompakten Alugehäuse lassen sich die robusten Minimessmodule einfach und sicher im Motorraum installieren. CSM

Für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte ist die Sicherheitsnorm DIN EN 61010 maßgeblich. Diese fordert, dass sowohl Bauelemente als auch der gesamte Aufbau eines Messgerätes für die angegebene Arbeitsspannung ausgelegt und spezifiziert sein müssen. Vorgeschrieben sind dabei unter anderem die minimalen Luft- und Kriechstrecken, einzusetzende Materialien (Brandschutzklasse), das Isolationskonzept (zweifache Absicherung = doppelter Fehlerfall) sowie der Lieferumfang mit den einzelnen Komponenten (Dokumentation, Labelkennzeichnung, Sicherheitshinweise). Die Einhaltung dieser Vorgaben wird durch ein akkreditiertes Prüflabor bei der Typprüfung des Gesamtsystems (Messmodule und Sensorleitungen) überprüft. Zusätzlich wird jedes Hochvolt-Messmodul vor Auslieferung mit einem Isolationstest einzeln stückgeprüft. Hierfür wird ein entsprechendes Prüfprotokoll ausgestellt.

Diese Prüfungen in Verbindung mit den entsprechend stückgeprüften Signalkabeln der Firma SAB Bröckskes gewährleisten die Sicherheit der Anwender vom Sensor bis zur Datenerfassung (Datenlogger, Laptop, etc.). Beim Einsatz von Standardsensoren müssen diese sicher in der HV-Umgebung verbaut und kontaktiert werden.

Zum Abrunden des Sicherheitskonzepts wird eine erneute Überprüfung der Isolationsbarrieren angeboten und empfohlen. Diese Überprüfung kann routinemäßig in bestimmten Intervallen erfolgen, sollte jedoch unbedingt durchgeführt werden, wenn der Verdacht besteht, dass die Isolierung beschädigt wurde. Dieser Test kann bei CSM durchgeführt werden oder beim Anwender, wenn dieser über einen von CSM speziell hierfür entwickelten HV-Isolationstestplatz verfügt.

Der Beitrag basiert auf Unterlagen von CSM.

(jwa)