Sichere Messung an HV-Bordnetzen

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Die neuen Antriebstechnologien im Bereich der Elektro- und Hybridfahrzeuge stellen grundsätzlich neue Anforderungen an Fahrzeughersteller und Servicewerkstätten. Nicht nur im Hinblick auf die Technik sondern besonders in Bezug auf die Sicherheit für das Fachpersonal. In beiden Bereichen kommen elektrische Energiespeicher und Antriebsaggregate mit hohen Spannungen bis 1000 V zum Einsatz. Systeme mit solch hohen Spannungen waren bisher nur aus stationären Anwendungen in der Energieerzeugung und Energieverteilung bekannt, nicht aber in mobilen Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich. Für den Betrieb des Fahrzeuges sind die Sicherheitsaspekte in der Konstruktion und Fertigung zu berücksichtigt. Im Laufe eines Entwicklungsprozesses müssen jedoch unterschiedliche Fachkräfte mit geeigneten mobilen Messsystemen zahlreiche Untersuchungen an den Hochspannungskomponenten durchführen, um der jeweiligen Entwicklungsabteilung Messdaten zur Funktion, dem Wirkungsgrad und dem Verhalten im Praxistest bereit stellen zu können.

Hochspannungsbordnetz im Fahrzeug
Leistungsfähige elektrische Antriebe für Elektro- und Hybridfahrzeuge würden bei Auslegung für die bisher verwendeten Bordnetze mit 12 V, 24 V oder 42 V Nennspannung zu extrem hohen Strömen führen, die nicht mehr handhabbar sind. Da sich die Leistung aus dem Produkt aus Strom und Spannung ergibt, muss die Bordnetzspannung deutlich erhöht werden, um die Betriebsströme auf ein technisch und wirtschaftlich sinnvolles Maß zu begrenzen. Dadurch ergeben sich je nach Fahrzeugtyp Batteriespannungen von bis zu 1000 V. Durch diese Erhöhung der Bordspannung können die Kabelquerschnitte deutlich reduziert und der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs erhöht werden. Bild 1 zeigt

Bild 1: Anordnung der HV-Komponenten am Beispiel eines Toyota Prius.

die Anordnung der HV-Komponenten im Fahrzeug. Das Hochspannungs-Bordnetz lässt sich vereinfacht in zwei Bereiche unterteilen: Der eine Bereich ist das Gleichstromnetz (DC) des Energiespeichers und der andere Bereich ist das Dreiphasen-Wechselstromnetz (Drehstrom, 3~ AC) des drehzahlgeregelten Antriebes.
Bild 2 zeigt ein grundsätzliches Blockschaltbild der Gleich- und Wechselstromkreise. Bei allen Arbeiten in diesen Bereichen sind sowohl die aktuellen allgemeingültigen als auch spezielle Sicherheitsmaßnahmen zu beachten.
Welche Größen?
Von besonders hohem Interesse ist die Energiebilanz eines Elektroantriebs. Im Einzelnen handelt es sich dabei um das Lade- und Entladeverhalten des elektrischen Energiespeichers (also der Hochvoltbatterie) und den Wirkungsgrad des Systems. Je nach Aufgabenstellung heißt es auch, dem Lastverhalten und den Wirkungsgraden der Antriebskomponenten (Motor, Generator, Umrichter) auf den Zahn zu fühlen. In der Regel untersucht der Komponentenhersteller die Antriebseinheit bereits am Prüfstand. Die Hauptaufgabenstellung besteht somit darin, Spannungen und Ströme im Gleichstromnetz und gegebenenfalls auch auf der Drehstromseite zu ermitteln. Die Spannungsmessung erfolgt direkt an geeigneten Klemmenstellen. Die Strommessung kann über einen Shunt-Widerstand (Auftrennung der Leitung) oder flexibler über eine Stromzange erfolgen.

Harte Anforderungen einer Testfahrt
Im Vergleich zu stationären Anwendungen stellt eine Untersuchung während einer Testfahrt erheblich höhere Anforderungen an die Messtechnikkomponenten und die Verkabelung dar, da Vibrationen und Erschütterungen während der Fahrt die Messmodule und die Installation mechanisch wesentlich stärker beanspruchen,

• sehr beschränkter Einbauraum für die Module und die Verkabelung zur Verfügung steht,
• es unter den beengten Platzverhältnissen durch vibrationsbedingte Reibung zu einem Aufscheuern der Messleitungen kommen kann,
• unter den beengten Platzverhältnissen und unsachgemäßer
• Installation die Gefahr der Beschädigung der Messtechnikverkabelung durch scharfkantige Fahrzeugteile erheblich größer ist,
• Kabel als Folge eines Unfalls gequetscht oder abgeschert werden können.

Die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der nachträglich (für Erprobungen, …) eingebauten Komponenten ist in einer mobilen Anwendung deutlich höher, da diese üblicherweise nicht mit den hohen Querschnitten bzw. mit zusätzlichem mechanischen Schutz (Schutzrohr, Drahtgeflechte), wie bei der fahrzeugeigenen Installation, ausgeführt sind. Bleibt eine schadhafte Stelle auf der HV-Seite unbemerkt, kann dies schwerwiegende Folgen (auch Personenschaden) haben.

Sicherheit ist oberstes Gebot
Eben diese hohen Spannungen der neuen Bordnetze, in Kombination mit einer mobilen Anwendung, erfordern eine erhöhte Aufmerksamkeit. Bisher mussten sich der Messtechniker oder das Servicepersonal keine Gedanken über eine mögliche Gefährdung während den Arbeiten im elektrischen System machen. Selbst bei einem Bordnetz von 42 V sind keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, da diese unterhalb der in der DIN VDE 0100-410
genannten Werte von 50 VAC und 120 VDC für die maximale Berührungsspannung liegen. Mit den neuen Verhältnissen hat sich jedoch die Situation grundlegend geändert.
Durch die neuen Spannungsebenen in elektrischen Antriebssystemen ist das Technikpersonal einem wesentlich höheren Gefährdungspotenzial ausgesetzt, da hier im Fehlerfall Ströme durch den menschlichen Körper fließen können, die schädigende oder gar tödliche Folgen haben können.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass Gleichstrom 

Bild 2: Blockschaltbild der Gleich- und Wechselstromkreise.

im Vergleich zu Wechselstrom erst mit einer höheren Stromstärke wahrgenommen wird, bei längerer Einwirkung jedoch früher zu einer thermischen Schädigung des Körpers (Veränderungen im Zellgewebe, Verbrennungen) führt. Die Lichtbogenbildung beim Auftrennen von Gleichstromkreisen mit hoher Induktivität darf ebenfalls nicht außer Acht gelassen werden. Bei Wechselstrom ist zu beachten, dass dieser durch die Überlagerung der elektrischen Signale im vegetativen Nervensystem schon bei Stromstärken von ca. 20 bis 50 mA zu Krämpfen (Festhalten an der Stromquelle) und Herzrhythmusstörungen, ja sogar bis hin zu Atem- und Herzstillstand führen kann. Aus diesen Gründen dürfen derartige Arbeiten nur von Fachkräften mit einer Zusatzausbildung zur „Elektrofachkraft für festgelegte Tätigkeiten an HV-Systemen“ durchgeführt werden.
Generell sind bei allen Arbeiten an Elektro- und Hybridfahrzeugen die folgenden fünf Sicherheitsregeln aus der VDE-Vorschrift anzuwenden:
1. Freischalten: Trennschalter der HV-Batterie öffnen.
2. Gegen Wiedereinschalten sichern: Sicherungseinsatz herausnehmen.
3. Spannungsfreiheit feststellen: geeigneter Spannungsprüfer, Funktion zuvor testen.
4. Erden und Kurzschließen: geeigneter Kabelsatz.
5. Benachbarte spannungsführende Teile abdecken: geeignete Gummimatten oder vergleichbare Teile.

Gefahren kennen, um Gefahren zu vermeiden
Nur wer die physikalischen beziehungsweise elektrischen Zusammenhänge kennt, kann eine mögliche Gefahr richtig einschätzen. Das HV-Bordnetz ist als so genanntes IT-Netz ausgeführt; somit hat das Netz keine niederohmige Verbindung zu leitenden Fahrzeugteilen (Karosserie, Chassis). Um unkontrollierte statische Aufladungen beziehungsweise Entladungen und die damit verbundenen Risiken zu vermeiden, sind beide Pole über ein RC-Glied hochohmig mit der Fahrzeugmasse gekoppelt. Diese Koppelung sollte bei Arbeiten am Fahrzeug immer überprüft werden. Bild 3 

Bild 3: Gleichstromkreis einer Hochvoltbatterie.

veranschaulicht diese Verhältnisse für den Gleichstromkreis der Hochvoltbatterie.
Aus diesen Fakten ergeben sich für das Gesamtverständnis folgende wichtige Feststellungen:
Ein einfacher Isolationsfehler im System (einseitige Verbindung zur Fahrzeugmasse) stellt noch keine direkte Gefahr dar, solange zeitgleich kein weiterer Isolationsfehler auftritt.
Der erste Isolationsfehler muss umgehend erkannt und behoben werden.
Am sichersten ist hier die Isolationsüberwachung beider HV-Leitungen gegen Fahrzeugmasse. Sobald eine Isolation den Minimalwert unterschreitet, muss das System umgehend überprüft und instandgesetzt werden. Eine sofortige Abschaltung ist hier noch nicht notwendig.
Die Fahrzeugmasse liegt. bezogen auf das HV-System. auf halber Netzspannung. Bei 500 V sind dies 250 V. Hier wird deutlich, dass Messgeräte unbedingt diese Isolationsspannung (Galvanische Trennung) erfüllen müssen, um (Personen-)Schaden und Messfehler zu vermeiden.

Was ist bei der Installation wichtig?
Um die zuvor genannten erhöhten Gefahren im HV-Netz zu vermeiden, müssen geeignete Messkabel mechanisch sicher verlegt werden. Herkömmliche Labormessleitungen sind hier nicht ausreichend. Die Adern der Ipetronik-HV-Leitungen sind doppelt isoliert. Unter der schwarzen bzw. roten dünnen Außenisolierung befindet sich die eigentliche weiße Kernisolierung. Damit sind auch leichte Beschädigungen sofort erkennbar, bevor eine Gefahrensituation entsteht (Bild 4). Das beschädigte Kabel muss umgehend ersetzt werden.
Eine weitere Schutzmaßnahme ist die Verwendung eines Vorteilers im HV-Kabel. Dieser Vorteiler befindet sich unmittelbar an der Kontaktierung der Messstelle, zum Beispiel in den Kabelschuhen integriert oder in einem separaten Gehäuse wie beim HV-Current-Limiter. Der Current-Limiter begrenzt den Strom zum Messsystem auf einen Maximalwert von 2 mA. Dieser Wert liegt weit unterhalb der Gefährdungsgrenze für den menschlichen Körper. Damit verhindert der Current-Limiter einen möglichen Kurzschluss ebenso wie eine eventuelle Lichtbogenbildung, die durch einen Fehler im nachgeschalteten Messaufbau entstehen könnte.

Bild 4: Die Adern der Ipetronik-HV-Leitungen sind doppelt isoliert. Unter der schwarzen beziehungsweise roten dünnen Außenisolierung befindet sich die eigentliche weiße Kernisolierung.

Anforderungen an die Messhardware
Unter Einhaltung der gültigen Sicherheitsbestimmungen nach IEC 61010-1 dürfen nur Mess- und Prüfgeräte zum Einsatz kommen, welche die entsprechende Messkategorie (CAT I bis CAT IV) erfüllen. Der TÜV-zertifizierte Hochspannungsteiler High-Voltage-Iso-
Divider sowie das vierkanalige Messsystem High-Voltage-Iso-DAQ sind für Anwendungen nach CAT I bis 1000 VDC und Anwendungen nach CAT II bis 600 VAC zugelassen, so dass sie sich für alle Spannungsmessungen im DC-Hoc darhspannungsbereich bis 1000 V eignen.

Auch bei der Strommessung mittels Stromzange ist zu beachten, dass sowohl die Stromzange selbst als auch das nachgeschaltete Messsystem (zum Beispiel das Multimeter) der geforderten Messkategorie entsprechen muss. Über den High-Voltage-Iso-Divider kann eine Stromzange auch in HV-Systemen beziehungsweise Anwendungen gemäß den Kategorien CAT I und CAT II problemlos und sicher mit jedem Ipetronik-Messsystem zum Einsatz kommen. Alternativ steht der High-Voltage-Iso-DAQ als kompaktes Vierkanalsystem mit direktem CAN-Ausgang zur Verfügung. Mit dieser Messhardware lassen sich Leistungsbilanzierungen auf der Gleichspannungsseite sicher und effektiv realisieren.

Messungen im Umrichterstromkreis
Wie bereits erwähnt sind Messungen auf der AC-Seite, also im Stromkreis zwischen Frequenzumrichter und Antrieb (Motor/Generator), seltener erforderlich, da die Ermittlung der Kenndaten üblicherweise auf dem Prüfstand erfolgt. Für Untersuchungen auf der AC-Seite müssen Messgeräte zum Einsatz kommen, die mindestens der Messkategorie CAT III entsprechen, da diese bei einer Nennspannung von 600 VAC für Stoßspannungen bis 6000 V ausgelegt sein müssen. Ein hierfür geeignetes System ist zum Beispiel der Präzisions-Leistungsanalysator WT 3000 M von Yokogawa.
Das System bietet bei einer Grundgenauigkeit von ±0,02 % vom Messwert auch bei den in Elektro- und Hybridantrieben üblichen 10- bis 20-kHz-PWM-Signalen eine schnelle und präzise Ermittlung kompletter Leistungsbilanzen im dreiphasigen AC-Netz.
Zur Konfiguration, komfortablen Erfassung der Messwerte und Online-Berechnung der Energie- und Leistungsbilanzen steht für die Messdatenerfassungssoftware IPEmotion ein eigenes Yokogawa-Hardware-PlugIn für die Leistungsanalysatoren der WT-Serie zur Verfügung. Alle Einstellungen zur Signalskalierung und Messrate erfolgen über die Softwareoberfläche. Die erfassten Messdaten lassen sich mit den IPEmotion-Analysefunktionen auswerten oder direkt in gängige Datenformate zur späteren Offline-Analyse speichern.

Fazit
Ipetronik unterstützt die Anwender bei den neuen Herausforderungen im Bereich der E-Mobilität sowohl bei der Auswahl der geeigneten Messtechnik, als auch bei der Aufrüstung neuer Fahrzeuge oder dem Test entsprechender Komponenten. Alle technischen Mitarbeiter im Support/Applikation und im Dienstleistungssektor verfügen über die Qualifizierung „Elektrofachkraft für festgelegte Tätigkeiten an HV-Systemen für Brennstoffzellen und Hybridfahrzeugen“. (av)

(av)