Homologation für HV-Komponenten in E-Autos: UNECE-R10 und UNECE-R100

Die Typengenehmigung kann die Herstellung von Gesamtfahrzeugen, Systemen, Bauteilen oder selbständigen technischen Einheiten betreffen. Sofern der Hersteller bereits als Profi in diesem Metier unterwegs ist, kann er die Frage nach der Notwendigkeit der Typengenehmigung leicht beantworten: Mit ja, nein oder vielleicht.

Die Typgenehmigung (Homologation) findet in einem Dreiecksverhältnis zwischen Hersteller (Typgenehmigungsinhaber), einem benannten Technischen Dienst wie Phoenix Testlab und einer Genehmigungsbehörde, z.B. dem Kraftfahrt-Bundesamt/Flensburg, statt. Bevor ein Hersteller legitimiert ist von einer Genehmigungsbehörde eine Typgenehmigung zu erhalten, müssen bestimmte Voraussetzungen im Hinblick auf sein Qualitätsmanagement-System und der sogenannten genehmigungsrelevanten Anforderungen (GRA) erfüllt sein.

Aufgrund der vielen Möglichkeiten in puncto Typgenehmigung beschränkt sich dieser Beitrag auf Fahrzeugkomponenten, welche in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen Verwendung finden. Als Ausgangspunkt fungiert in diesem Fall die Rahmenverordnung VO (EU) 2018/858. Diese definiert die Genehmigung und die Marktüberwachung von Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern sowie von Systemen, Bauteilen und selbstständigen technischen Einheiten (STE) für diese Fahrzeuge.

Das Ziel dieser Verordnung liegt darin, zum Vorteil der Unternehmen und Verbraucher das reibungslose Funktionieren des Binnenmarktes sicherzustellen und für ein hohes Maß an Sicherheit sowie Gesundheits- und Umweltschutz zu sorgen. Damit dies sichergestellt werden kann, hält die VO (EU) 2018/858 in ihrem Anhang II über 80 Einzel-Rechtsakte parat, die separat oder kombiniert für das jeweilige Produkt zur Anwendung kommen können. Zwischen der UNECE-R4 (Beleuchtungseinrichtung hinteres Kennzeichen) und der UNECE-R122 (Heizanlagen) finden sich die Protagonisten dieses Artikels: die UNECE-R10 (elektromagnetische Verträglichkeit) und die UNECE-R100 (elektrische Sicherheit).

Die UNECE-R10 stellt als bei der Typgenehmigung zu applizierender Rechtsakt die Basis für die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) dar. Sofern es sich hierbei um ein Bauteil, System oder eine STE zum Betrieb am herkömmlichen 12 V- und/oder 24 V-Bordnetz handelt, erfordert die Vorgehensweise keine differenzierten Gedankenspiele, wodurch sich der Aufwand für die Testung und somit auch für die entstehenden Kosten in einem überschaubaren Rahmen hält.

Der Technische Dienst Phoenix Testlab legt anhand der vom Hersteller bereitgestellten Informationen die Betriebszustände für die EUB (elektrische/elektronische Unterbaugruppe) sowie deren maximal zulässige Performanceabweichung fest. In diesem Kontext wird auch von „Immunity related functions“ gesprochen, welche einzelne Schnittstellen der EUB (Fahrzeugdatenbus wie CAN, BroadR-reach usw.) oder auch deren generelle Funktion betreffen können.

Der resultierende Testumfang kann dabei gelegentlich auch umfangreicher ausfallen, als es nach der Interpretation anderer benannter Technischer Dienste der Fall ist. Es ist allerdings immer zu bedenken, dass ein geringerer Test- und somit auch Kostenaufwand später eventuell mit einem teuren Ausfall der EUB im Feld bezahlt werden muss, wobei das Wort „teuer“ nicht allein das pekuniäre Volumen, sondern auch die Reputation der eigenen Marke betrifft. Ist der Testumfang für eine 12-V-EUB bzw. eine bzw. 24-V-EUB definiert, führen die EMV-Spezialisten im Testlabor die notwendigen Messungen/Prüfungen gemäß den in der UNECE-R10 manifestierten und in der Automotive-EMV-Gilde hinreichend bekannten Normen wie CISPR25 für die gestrahlte Störemission, ISO11452-2/-4/-5 für die leitungsgeführte bzw. gestrahlte Störfestigkeit und ISO 7637-2 für die Störfestigkeit gegenüber Bordnetztransienten durch.

Nach erfolgreicher Testung erzeugt Phoenix Testlab auf Grundlage der erhaltenen Resultate eine Expertise, die, ergänzt durch den Antrag auf Typgenehmigung des Herstellers, den erforderlichen Beschreibungsbogen sowie eine ausreichend genaue Beschreibung der EUB an die Genehmigungsbehörde übermittelt wird. Hat die Genehmigungsbehörde keine Beanstandungen an den Ausführungen des Herstellers und des Technischen Dienstes, wird auf verwaltungsrechtlicher Basis eine Genehmigung erteilt.

Handelt es sich bei der EUB jedoch um eine Hochvoltkomponente, beginnt der anspruchsvollere Teil. Dies liegt zum einen daran, dass sich zu den bei den Herstellern einschlägig bekannten EMV-Standards aus dem Bereich Automotive nun auch die oftmals weniger geläufigen Normen aus der IEC-Welt (Industrie-EMV) hinzugesellen, wie z.B. die Messung von leitungsgeführten Störemissionen auf Datenleitungen gemäß CISPR22 oder die Prüfung der Störfestigkeit gegenüber Stoßspannungen auf AC- und DC-Versorgungsleitungen nach IEC 61000-4-5 (Burst/Surge). Zum anderen gibt es bei den normativen Test-Setups aus der IEC-EMV-Welt einen gravierenden Unterschied zu den hinlänglich bekannten Setups aus der Automotive-EMV-Welt.

Das permanente Wandeln zwischen den Welten im Rahmen der EMV-Testung einer einzigen Fahrzeugkomponente setzt bei den EMV-Prüfern von Phoenix Testlab ein breites Wissens-Spektrum für die Applizierung von Normen wie auch bei der Bedienung der unterschiedlichsten Testeinrichtungen voraus. Des Weiteren muss der Technische Dienst kompetent beurteilen können, welche Tests aus den erweiterten Vorgaben des Rechtsakts für REESS (REchargeable Energy Storage System) bzw. „REESS charging mode coupled to the power grid“ für die betreffende EUB zu applizieren sind. Nicht immer muss eine Hochvoltkomponente, wie z.B. ein Energiespeicher, zwingend das ganze Spektrum der IEC-Tests absolvieren.

Allerdings ist zu berücksichtigen, dass auch ein eher unspektakuläres Bauteil, wie z.B. ein Isolationswächter, aufgrund seiner späteren Einbauumgebung (Batterie-Managementsystem usw.) bestimmten IEC-EMV-Tests zu unterziehen ist. Neben der hier erforderlichen engen Kollaboration zwischen Hersteller und dem Technischen Dienst ist auch die zuständige Genehmigungsbehörde früh genug mit ins Boot der Dreiecksbeziehung zu holen, damit ggf. unterschiedliche Interpretationen der Rechtsaktanforderungen im Vorfeld korreliert werden.

Sind alle bisherigen Hürden gemeistert und die zu homologierende EUB – in diesem Fall eine Antriebs-/Traktionsbatterie (REESS) mit annähernd 600 kg Gewicht und 700 V DC-Betriebsspannung – befindet sich komplett verkabelt mit etablierter Fahrzeugdatenbus-Kommunikation und exakt definiertem Ladezustand (SOC: State Of Charge) im EMV-Labor, unterscheidet sich der eigentliche Ablauf der Testung doch um einiges von dem bei Standard-Komponenten für 12 V- oder 24 V-Bordnetzspannung. Denn aufgrund der IEC-Anforderungen sind weitere Setup-Varianten gemäß Norm zu berücksichtigen.

Hier stellt die Größe, das Gewicht und natürlich die potenziell gefährliche hohe Spannung eines solchen REESS die EMV-Prüfer z.B. nicht nur beim Errichten, sondern auch beim Ändern des Setups vor die eine oder andere Herausforderung, da dies in der Regel nur unter Verwendung eines Krans oder Flurförderzeugs entsprechender Dimension zu bewerkstelligen ist. Auch kann der für die Testung bereitgestellte Proband vom Hersteller durchaus anders konfektioniert sein, z.B. bei der Anzahl der vorhandenen Hochvolt-Leitungen, als dies ursprünglich abgestimmt war. Dies erschwert die Separierung der einzelnen Hochvolt-Kreise und deren Anschluss an die notwendigen Hochvolt-LISNs (Line Impedance Stabelizing Network) oder Steller zwecks Ladung/Entladung.

Bei Phoenix Testlab reagiert Fachpersonal aus zahlreichen Berufssparten auf derartige Situationen mit flexiblen Lösungen, da ein zeitlicher Verzug bei der Testung sowohl für den Hersteller als auch für den Technischen Dienst nicht akzeptabel ist. Aus Sicherheitsgründen darf eine Antriebs-/Traktionsbatterie nicht über Nacht im EMV-Labor verbleiben, was bei Verzögerungen während der EMV-Testung zusätzlichen Aufwand verursacht. Deshalb ist es wichtig, dass die zwischen Hersteller und Phoenix Testlab anfangs immer existierende Lernkurve bei der EMV-Testung einer solchen Hochvolt-Fahrzeugkomponente gemäß UNECE-R10 schnell eine hohe Steigung erreicht.

Dieser Rechtsakt stellt die Vorschrift für die sicherheitstechnischen Anforderungen an den Elektroantrieb von Straßenfahrzeugen mit einer bauartbedingten Höchstgeschwindigkeit von mehr als 25 km/h dar. Zugleich ist die UNECE-R100 auch für Hochvolt-Bauteile und -Systeme bindend. Als Beispiel für die Testung im Sinne dieser Regelung dient auch hier eine Antriebs-/Traktionsbatterie mit ungefähr 600 kg Gewicht und einer Betriebsspannung von 700 VDC. Gemäß Annex 8 (8A bis 8I) der UNECE-R100 wird diese diversen Torturen wie Vibrationstest, Wärmeschock, externem Kurzschluss usw. ausgesetzt.

Die vorherige Konfektionierung und Konditionierung des Probanden durch den Hersteller und Phoenix Testlab erfolgt hier analog wie bei der UNECE-R10. Allerdings ist die eigentliche Testung in einigen Aspekten erheblich spektakulärer. Beim Test gegen Erschütterungen (8C) wird der Energiespeicher von den Prüfern einfach vor die Wand gefahren. Und dies geschieht im wahrsten Sinne des Wortes. Als Träger des REESS kommt hier ein spezieller Schlitten zum Einsatz, dessen Beschleunigung via Schleppseil abrupt an den exakt dimensionierten Stauchrohren eines 90 t schweren Betonklotzes endet, um den im Rechtsakt vorgegebenen Prüfimpuls zu erzeugen. Hierbei treten negative Beschleunigungskräfte von bis zu 28 g in Längs- und 15 g in Querrichtung auf, die die Antriebs-/Traktionsbatterie aushalten muss.

Als wäre dies nicht bereits Stress genug, muss der Proband (zum Einsatz kommen hier in der Regel unterschiedliche Samples) auch seine Feuerbeständigkeit (8E) beweisen. Bei dieser Prüfung kommt das REESS quasi auf den Grill, bei dem es sich um eine Schale überdimensionaler Größe mit einer Füllung aus Kraftstoff handelt. Unter Beachtung bestimmter Umgebungsparameter muss die Antriebs-/Traktionsbatterie sich gegenüber den Flammen des frei brennenden Kraftstoffes für 70 s behaupten, bevor eine Reduzierung der Flammen durch ein als Feuerschirm bezeichnetes Konstrukt eingeleitet wird, um dann weitere 60 Sekunden den gemäßigten Flammen ausgesetzt zu sein. Sollte der zu testende Energiespeicher hierbei beginnen zu brennen, werden die resultierenden Reaktionen bis zum Ende durch die Prüfer beobachtet und bewertet.

Wie an den etwas ausführlicher dargestellten Tests 8C und 8E zu erkennen ist, sind für die Erfüllung der Anforderungen der UNECE-R100 mehrere Samples eines Energiespeichers erforderlich. Dieser Umstand und die nicht beliebige Wiederholbarkeit mit ein und demselben Test-Sample erfordert ein hohes Maß an detaillierter Abstimmung zwischen dem Hersteller und dem Technischen Dienst im Vorfeld der Testung. Die im Anschluss notwendigen administrativen Tätigkeiten im Hinblick auf die angestrebte Homologation erfolgen analog zu der bereits unter UNECE-R10 genannten Vorgehensweise.

Bleibt noch die Frage zu beantworten, ob eine Typgenehmigung für ein Gesamtfahrzeug, System, Bauteil oder eine STE in jedem Fall zwingend notwendig ist. Auf diese Frage lässt sich jedoch leider keine Pauschalantwort geben. Dies liegt zum einen an den in der VO (EU) 2018/858 vorgegebenen Rahmenbedingungen hinsichtlich einer Gesamtfahrzeug-Typgenehmigung und den vielfältigen Möglichkeiten im Zuge einer Einphasen-, Mehrphasen-, Mehrstufen- oder gemischten Typgenehmigung. Zum anderen liegt es an den Absichten des Herstellers, ob aufgrund der Art der Inverkehrbringung eine Bauteil-, System- oder STE-Typgenehmigung als Grundlage erforderlich wird.

Somit sollte seitens des Herstellers – sofern das diesbezügliche Wissen im eigenen Unternehmen nicht oder nur in unzureichendem Maß vorhanden ist – schon im Vorfeld einer Typgenehmigung immer der Dialog mit einem kompetenten und erfahrenen Dienstleister im Bereich der Homologation gesucht werden.