Mit steigenden Systemspannungen und leistungsfähigeren Hochvolt-Batterien steigen die Anforderungen an die elektrische Sicherheit. Die zuverlässige Überwachung des Isolationszustands wird dabei immer wichtiger.
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Nahaufnahme eines geöffneten Batteriemoduls mit schwarzen Zellen, orangefarbenen Halterungen und sichtbarer Verkabelung in einer technischen Umgebung.Isabellenhütte - Shutterstock
Die steigende Komplexität moderner Hochvoltsysteme
Höhere Reichweiten, schnellere Ladeleistungen und leistungsfähigere Antriebe erhöhen die Anforderungen an die Architektur elektrisch betriebener Fahrzeuge. Neben der Energiebereitstellung müssen zahlreiche Mess- und Diagnosefunktionen zuverlässig zusammenarbeiten, um Sicherheit, Verfügbarkeit und Energieeffizienz zu gewährleisten. Insbesondere die Überwachung des Isolationszustands gewinnt mit steigenden Systemspannungen und zunehmender Elektrifizierung an Bedeutung.
Sicherheit beginnt bereits vor dem Schließen der Schütze
Konventionelle, passive Verfahren zur Isolationsüberwachung bestimmen den Isolationswiderstand anhand der anliegenden Hochspannung. Dabei werden die Potenzialdifferenzen des Hochvoltsystems (HV-System) gegenüber dem Fahrzeugchassis ausgewertet. Eine aussagekräftige Messung ist daher grundsätzlich erst möglich, wenn die Batterie zugeschaltet wurde und das HV-System unter Spannung steht.
Ein verringerter Isolationswiderstand kann zu Ableitströmen gegen das Chassis führen, die ein Sicherheitsrisiko für Personen darstellen oder Fehlfunktionen im Fahrzeug verursachen.
Die aktive Isolationsmessung des IVT 3 Pro der Isabellenhütte verfolgt einen anderen Ansatz. Durch das gezielte Einbringen von Messpulsen und die Überwachung mehrerer Spannungspotenziale kann der Isolationszustand bereits vor der Zuschaltung der Hochvoltbatterie bewertet werden. Damit lassen sich Isolationsfehler auch bei geöffneten Hauptschützen erkennen.
Abbildung 1: Der IVT 3 ist ein kompaktes, hochpräzises Strommesssystem, welches auf einem Plattformkonzept basiert.Isabellenhütte
Bereits wenige Sekunden nach Aktivierung des Systems steht eine erste „Safe-to-Start“-Bewertung zur Verfügung. Dadurch kann frühzeitig entschieden werden, ob die Hochvoltbatterie sicher zugeschaltet werden kann. Die Messung liefert somit bereits vor der Freigabe des HV-Systems eine relevante Diagnoseinformation, ohne den Fahrzeugstart durch lange Messzeiten unnötig zu verzögern.
Abbildung 2: Mögliche Einbauposition des IVT 3 Pro. Die Spannungskanäle (blaue Punkte) können für die Isolationsmessung vor und hinter den Schützen platziert werden.Isabellenhütte
0-V-Messung schafft Transparenz in jeder Betriebsphase
Die Anforderungen an die Isolationsüberwachung enden jedoch nicht mit dem Schließen der Schütze. Für Entwicklungs-, Produktions- und Serviceprozesse werden häufig Diagnoseinformationen benötigt, obwohl keine Hochspannung anliegt.
Der IVT 3 Pro erweitert die verfügbaren Diagnosemöglichkeiten. Im Gegensatz zu passiven Verfahren ermöglicht die aktive Isolationsmessung einen „0-V-Modus“. Dabei wird der Isolationszustand bei geschlossenen Schützen bewertet, obwohl die Batteriespannung nicht vorhanden ist. Damit stehen Isolations- und Diagnosedaten auch in Betriebszuständen zur Verfügung, in denen konventionelle Messverfahren keine oder nur eingeschränkte Aussagen liefern können.
Für Entwickler und Servicepersonal kann dies die Inbetriebnahme, Wartung und Fehlersuche unterstützen. Potenzielle Fehlerquellen können identifiziert werden, ohne das System für Diagnosezwecke zunächst unter Hochspannung setzen zu müssen. Die gewonnenen Informationen können über CAN und UDS an übergeordnete Steuergeräte übertragen und in die Systemdiagnose integriert werden.
Präzise Messwerte für Fahrdynamik und Energiemanagement
Auch während des Fahrzeugbetriebs stellt die Isolationsüberwachung hohe Anforderungen an die Messtechnik. Elektrofahrzeuge durchlaufen unterschiedliche Betriebszustände wie Beschleunigen, Bremsen und Rekuperieren. Die dabei auftretenden Spannungsänderungen und dynamischen Lastwechsel beeinflussen die elektrischen Verhältnisse im HV-System kontinuierlich.
Der IVT 3 Pro ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung des Isolationszustands über alle Betriebsphasen hinweg. Dadurch erhält das Fahrzeugsteuergerät Isolationsdaten unabhängig vom aktuellen Betriebszustand.
Das Diagramm in Abbildung 3 zeigt die gleichzeitige Erfassung von Batteriespannung und Isolationswerten während eines dynamischen Fahrzyklus. Trotz stark schwankender Spannungswerte kann der Isolationszustand kontinuierlich überwacht werden. Bereits nach etwa 5 s steht eine erste Safe-to-Start-Bewertung des Systems zur Verfügung. Der endgültige Isolationswert wird anschließend aufgrund der systembedingten RC-Zeitkonstanten des Hochvoltnetzwerks kontinuierlich verfeinert und nach bis zu 30 s mit der spezifizierten Messgenauigkeit bereitgestellt. Dadurch erhält der Anwender frühzeitig eine Aussage über die sichere Zuschaltbarkeit des Systems, während sich die Messgenauigkeit parallel erhöht.
Abbildung 3: IVT 3 Pro Messdaten zum dynamischen Fahrbetrieb mit Spannungs- und IsolationsverlaufIsabellenhütte
Messarchitekturen für Hochvoltsysteme
In vielen Hochvolt-Architekturen werden Strommessung, Spannungsmessung und Isolationsüberwachung häufig durch separate Komponenten realisiert. Dies kann zusätzlichen Integrationsaufwand, Bauraum sowie weitere Verkabelungen und Schnittstellen erfordern.
Abbildung 4: Beispiel einer Messarchitektur mit getrennten Komponenten für Strom-, Spannungs- und IsolationsmessungIsabellenhütte
Der IVT 3 Pro kombiniert Strommessung, mehrkanalige Spannungsmessung und aktive Isolationsüberwachung in einem CAN-fähigen Gerät. Damit lassen sich mehrere Mess- und Diagnosefunktionen in einem Gerät zusammenführen. Gerade in Nutzfahrzeugen, Baumaschinen und Off-Highway-Anwendungen spielt Robustheit, Bauraum und Wirtschaftlichkeit eine wichtige Rolle. Dies kann den Integrationsaufwand reduzieren und die Anzahl der erforderlichen Komponenten verringern.
Abbildung 5: Messarchitektur mit IVT 3 Pro zur Kombination von Strom-, mehrkanaliger Spannungs- und IsolationsmessungIsabellenhütte
Weitere Informationen zu aktuellen Ansätzen der Hochvoltüberwachung, Isolationsmessung sowie der kombinierten Strom-, Spannungs- und Isolationserfassung bietet das Webinar „Sicherheitsorientierte Energieüberwachung und -steuerung der nächsten Generation“ der Isabellenhütte unter folgendem Link:
