Eigensichere Hochvoltsysteme in Kraftfahrzeugen · • Range Extender = Reichweitenverlängerer • Wenn der Lithium–Ionen-Akkumulator entladen ist (nach ca. 50 Km), startet der

Fachschule für KFZ-TechnikINNUNG DES KRAFTFAHRZEUGGEWERBES BERLIN Körperschaft des öffentlichen Rechts

Eigensichere Hochvoltsysteme in Kraftfahrzeugen

Berliner Feuerwehr 1908

www.KFZ-Innung-Berlin.de

4. Fachtagung

Technische Rettung aus PKW

28 bis 29. August 2013

Berliner Feuerwehr 1908


Der erste Hybrid: Lohner-Porsche


Lohner-Porsche mit

Radnabenmotoren

3Quelle: Wikipedia


Beispiele der Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben


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Begriffsbezeichnung: Hochvolt (HV)

• Von Hochspannung im Sinne dieser Regelung wird gesprochen wenn der Effektivwert der gesprochen wenn der Effektivwert der Betriebsspannung folgende Werte erreicht.

> 60 Volt und < 1500 Volt DC

> 30 Volt und < 1000 Volt AC


> 30 Volt und < 1000 Volt AC

• Für den automotiven Sprachgebrauch hat sich der Begriff Hochvolt (HV) durchgesetzt.

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Peugeot 308 e-HDI = Micro Hybridkein HV-Fahrzeug!

• Systemspannung < 60 V DC bzw. 30 V AC


6Quelle: MTZ


Honda Integrated Motor Assist


7Quelle: Honda


Lage der IMA-Bauteile (CIVIC)

IMA-Einheit (IPU)


Drehzahl [min-1]

8Quelle: Honda


Honda Civic IMA = Mild Hybrid

• E-Boost: Während des Beschleunigungsvorgangs steuert der E-Motor zusätzliches Drehmoment bei.Motor zusätzliches Drehmoment bei.

• Segeln: Wenn das Fahrzeug auf ebener Straße konstant nicht schneller als ca. 50 km/h fährt und die Motordrehzahl nicht höher als 1300/min ist, wird dem Verbrennungsmotor kein Kraftstoff zugeführt, die Ventile bleiben geschlossen, und das Fahrzeug wird allein vom E-Motor angetrieben.

• Rekuperation: Auch beim Verzögern wirkt die E-Maschine als


• Rekuperation: Auch beim Verzögern wirkt die E-Maschine als Generator unterstützend und erzeugt Ladeenergie für die Hochspannungsbatterie (158V).

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Toyota Synergy Drive z. B. Prius III

zusätzlich zum Mild-Hybrid:

• EV-Modus: Jede Antriebsart (Verbrennungsmotor und Elektroantrieb) agiert • EV-Modus: Jede Antriebsart (Verbrennungsmotor und Elektroantrieb) agiert autonom, somit ist eine rein elektrische Fahrweise möglich.

• Beide Motoren können gleichzeitig für Vortrieb sorgen.• Realisierung durch Planetengetriebe und stärkere Elektromotoren (650 V)


10Quelle: Toyota


Toyota Prius III = Vollhybrid

Batterie mit dem

Servicestecker

Ottomotor


Elektromotor + Generator

11Quelle: Toyota


Toyota Prius Plug in = Plug in - Hybrid

• Der Lithium-Ionen-Akkumulator kann auch stationär geladen werden.

• eine Reichweite von bis zu 20 Kilometern im EV-Modus• eine Reichweite von bis zu 20 Kilometern im EV-Modus• EV-Modus bis 100 km/h


12Quelle: Toyota


Mitsubishi I-Miev (Peugeot Ion, Citroën Zero) = reines Elektrofahrzeug


• Bordspannung: 330 V • Rekuperationsbremse• E-Motor: max. 49 kW /180 Nm• Reichweite: max. 150 km • Lithium-Ionen Akkumulator 16 kWh

13Quelle: Citroёn, Mitsubushi


Opel Ampera = Elektrofahrzeug mit Range Extender

• Range Extender = Reichweitenverlängerer

• Wenn der Lithium–Ionen-Akkumulator entladen ist (nach ca. 50 Km), startet der Verbrennungsmotor, der Generator ladet die HV-Batterie (360 V und 16 KWh) auf und liefert den Strom dem Haupt-Elektromotor, der das Fahrzeug weiterhin fortbewegt.


14Quelle: Opel


Opel Ampera = Elektrofahrzeug mit Range Extender


15Quelle: Opel


Mercedes F-Cell = Brennstoffzellenfahrzeug

• Wasserstoffdrucktank 100 Liter = 3,7 Kg (700 bar)

• Lithium-Ionen-Akku 1,4 KWh (370 V)

• E-Motor 100 KW und 90 Nm

• Brennstoffzellenstack aus 380 einzelnen PEM-Zellen


16Quelle: Mercedes



17Quelle: Mercedes


Elektrische Gefährdungen durch Hochvolt-Systeme in Fahrzeugen


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elektrische Gefährdung bedeuten immer

erhöhte Gefahr

Auswirkungen können sein:


20 mA Gift Niere

Verbrennung durch

Strom oder LichtbogenSekundärunfälle

19Quelle: TAK


Schutz gegen elektrischen Schlag

Schutz gegen

direktes Berühren

Schutz vor Gefahren, die sich

Basisschutz *) Fehlerschutz Zusatzschutz

Schutz bei

indirektem Berühren

Schutz vor Gefahren, die sich

Schutz bei

direktem Berühren

bei Versagen des Basis- und/oder Fehlerschutzes


Gefahren, die sich aus einer Berührung mit aktiven Teilen ergeben

Gefahren, die sich im Fehlerfall aus einer Berührung mit aktiven Teilen ergeben

Fehlerschutzes oder Sorglosigkeit durch den Benutzer

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Basisschutz(Schutz gegen direktes Berühren)

Basisschutz unter normalenBedingungenBedingungen

•• Basisisolierung aktiver TeileBasisisolierung aktiver TeileAktive Teile müssen vollständig mit einer Isolierung (Kabelmantel) abgedeckt sein, die nur durch Zerstörung entfernt werden kann.


Quelle: Kabel Fa. Honda, Batteriepack Fa. BMW

•• Abdeckungen oder UmhüllungenAbdeckungen oder UmhüllungenAktive Teile müssen umhüllt oder abgedeckt sein, Schutzart mind. IPXXB oder IP2X.

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Fehlerschutz

Anforderungen an den Fehlerschutz

� Automatische Abschaltung im Fehlerfall� Automatische Abschaltung im Fehlerfall

zulässige Schutzeinrichtungen:� Isolationsüberwachungseinrichtungen� Überstrom-Schutzeinrichtung� Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen


22Quelle: TAK


Fehlerschutz

• Abschalten durch Öffnen von Abdeckungen, Trennen von HV-Leitungen teilweise auch beim Öffnen der von HV-Leitungen teilweise auch beim Öffnen der Motorhaube, z. B. mit Hilfe von Interlock

• Durch Ausschalten der Zündung

• Abschalten nach dem Crash-Signal vom Airbagsteuergerät!


Quelle: Toyota 23


Trennung des HV-Netzes vom 12V-Bordnetz


24Quelle: TAK


Typenzugelassene Elektrofahrzeugen


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Eigensichere Fahrzeuge

Typenzugelassene Fahrzeuge (Serienfahrzeuge) sind Typenzugelassene Fahrzeuge (Serienfahrzeuge) sind s. g. eigensichere Hochvoltfahrzeuge, d. h. dass durch technische Maßnahmen am Fahrzeug für den Nutzer sowie das Sercicepersonal ein vollständiger Berührungs-und Lichtbogenschutz gegenüber dem HV-System gewährleistet ist.


26Quelle: Dekra, Mitsubushi,


ECE-R 100

• Regelt die Bedingungen der Typzulassung (speziell sicherheitstechnische Anforderungen) (speziell sicherheitstechnische Anforderungen) von Fahrzeugen mit Elektroantrieb

• Für Fahrzeuge der Klassen M und N mit einer Höchstgeschwindigkeit von > 25 km/h

– mit mindestens einen Elektromotor

– nicht dauerhaft mit dem Versorgungsnetz


– nicht dauerhaft mit dem Versorgungsnetz verbunden sind

– Sowie sämtliche HV – Bauteile die mit dem HV –Netz galvanisch verbunden sind

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Farbliche Kennzeichnung der HV-Kabel und Kabelstränge


28Quelle: Honda, BMW, Toyota


Warnhinweise und Kennzeichnung der HV-Komponenten/-Bauteile


29Quelle: GM


Spannungsfreischaltung

1. Freischalten

• Zündung ausschalten

• Service-/Wartungsstecker abziehen bzw. Batterie-Hauptschalter ausschalten


Batterie-Hauptschalter ausschalten

• Sicherungen ziehen

30Quelle: TAK


Spannungsfreischaltung


31Quelle: Toyota


2. Gegen Wiedereinschalten sichern

• Zündschlüssel abziehen und gegen unbefugten Zugriff gesichert • Zündschlüssel abziehen und gegen unbefugten Zugriff gesichert aufbewahren

• Service-/Wartungsstecker gegen unbefugten Zugriff gesichert aufbewahren bzw. Batterie-Hauptschalter durch abschließbare Abdeckkappe gegen versehentliches Wiedereinschalten sichern

• Weitere betriebsinterne Festlegungen und Vorgaben des Herstellers beachten


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3. Spannungsfreiheit feststellen

Selbst bei abgeschalteter HV- Spannung können noch Restladungen (z.B. können noch Restladungen (z.B. Zwischenkreisspannung) vorhanden sein.

Spannungsprüfer • Müssen für die zu messenden

Spannungsart und -höhe zugelassen sein und einwandfrei funktionieren

• Zugelassene sind z. B. an dem Zeichen der jeweiligen Prüfstelle zu erkennen


der jeweiligen Prüfstelle zu erkennen

• Die Spannungsfreiheit muss an allen leitfähigen Teilen, die unter Spannung stehen könnten, nachgewiesen werden. Bis zum Nachweis der Spannungsfreiheit gilt das System als unter Spannung stehend.

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Quelle: Toyota, BMW


Batteriesicherheit

• Die Hochvoltbatterien, meistens NiMh- bzw. Lithiumionen-Akkumulatoren,sind sehr oft im hinteren Teil der Fahrzeuge verbaut. Daraus resultiertsind sehr oft im hinteren Teil der Fahrzeuge verbaut. Daraus resultiertdie Notwendigkeit der ausreichenden Festigkeit des Batteriegehäusesbeim Heckaufprall.


34Quelle: Toyota


Batteriesicherheit am Beispiel des Prius III

• Elektrische Anlage wird nach Crash unmittelbar an der Batterie • Elektrische Anlage wird nach Crash unmittelbar an der Batterie abgeschaltet.

• Batterie und Leitungen befinden sich außerhalb der aufprallgefährdeten Zonen.

• Austritt von Batterie-Gel nur bei Verformung der Batteriemodule von über 80%

• Gel kann mit Wasser bzw. Lauge neutralisiert


werden.

35Quelle: Toyota


Schutz gegen Stromschläge

• Aktive Teile im Fahrgast- oder Gepäckraum müssen • Aktive Teile im Fahrgast- oder Gepäckraum müssen entsprechend der Schutzart IPXXD geschützt sein.

• Aktive Teile in anderen Bereichen müssen entsprechend der Schutzart IPXXB geschützt sein.

• Energiespeichersysteme und Gehäuse/Isolierbar- rierenvon aktiven Teilen müssen gekennzeichnet sein.


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Weitere Vorgaben

• Isolationswiderstand• Isolationswiderstand– muss zwischen den aktiven Teilen und der

elektrischen Masse min. 500 Ohm/Volt betragen (bezogen auf die Betriebsspannung).

– Diese Wert können sich unter bestimmten Umständen auf 100 Ohm/Volt reduzieren (z.B. komplette galvanische Trennung


komplette galvanische Trennung von Gleich- und Wechselstrom-kreise oder einer speziellen Art der Isolierung

37Quelle: Bosch


Ende

• Vielen Dank für Ihre Ausdauer als Zuhörer.• Vielen Dank für Ihre Ausdauer als Zuhörer.

• Sebastian Niewiara

Technischer Ausbilder

Innung de Kraftfahrzeuggewerbes Berlin

Fachschule für Kfz-Technik

Obentrautstr. 16-18


19963 Berlin

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