Themen:
- Einführung
- Einschalten des HV-Systems
- Verriegelung
- Kurzschlussschutz
- Permanente Isolationsüberwachung
- Diagnose mit dem Megaohmmeter
Einführung:
Das HV-System in Fahrzeugen mit elektrifiziertem oder vollelektrischem Antrieb ist mit mehreren Schutzmaßnahmen ausgestattet. Das System kann erst scharfgeschaltet werden, wenn alle Sicherheitsanforderungen erfüllt sind. Sobald ein Fehler erkannt wird, schaltet das HV-System sofort ab. Dies kann in folgenden Situationen passieren:
- Ein Teil des HV-Systems wird demontiert und das System eingeschaltet.
- Aufgrund einer Kollision oder eines Wasserschadens kommt es zu einem Kurzschluss elektrischer Teile oder Leitungen untereinander oder mit der Erde.
- Teile wurden durch Überlastung beschädigt.
Das Bild unten zeigt die Komponenten, die zum Sicherheitssystem gehören. In Blau ist ein Teil der HV-Batterie (1) zu erkennen, links der orangefarbene Servicestecker (2). In der Mitte befinden sich drei Relais (3 bis 5), die nacheinander von der ECU (6) eingeschaltet werden. Unterhalb der HV-Batterie befindet sich die ECU (7), die mit den Verbrauchern (8) wie Elektromotor, Heizung, Klimapumpe, Servolenkung und Ladesystem verbunden ist.
Legende:
1. HV-Batterie
2. Servicestecker mit Sicherung
3. Relais 1
4. Relais 2
5. Relais 3
6. ECU der HV-Batterie
7. ECU des HV-Systems
8. Elektrische Verbraucher
Einschalten des HV-Systems:
Der Fahrer aktiviert das HV-System durch Drücken der Starttaste. Sobald die Meldung „HV bereit“ im Display erscheint, ist das HV-System aktiviert. Bevor das HV-System aktiv ist, werden die Relais im HV-Batteriepaket gesteuert, um den Akkupack mit den Verbrauchern zu verbinden.
Wenn das HV-System eingeschaltet ist, steuert die ECU (6 in der Abbildung unten) die HV-Relais im Plusstromkreis (Relais 4) und im Massestromkreis (Relais 5). Zunächst wird der Stromkreis auf der Plusseite über einen Widerstand eingeschaltet. Im Bild unten sehen wir, dass Relais (4) den Strom an Widerstand R1 weiterleitet. Der Widerstand begrenzt den durch ihn fließenden Strom und damit den Einschaltstrom. Dadurch können die Kondensatoren im Wechselrichter langsam aufgeladen werden. Zu diesem Zeitpunkt kann das System eine Sicherheitsprüfung bei einer niedrigeren Spannung durchführen. Nachdem die Spannung an den Kondensatoren im Wechselrichter ungefähr der Spannung des HV-Batteriesatzes entspricht, schließt Relais 3 und Relais 4 öffnet, wodurch die volle Spannung an den Wechselrichter und andere elektrische Komponenten angelegt wird.
Verriegelung:
Das Interlock-System ist das Sicherheitssystem, das bei offenen Verbindungen Schutz vor elektrischem Kontakt bietet. In jeder an die HV-Batterie angeschlossenen Komponente befindet sich mindestens ein Kontakt, der bei einer Unterbrechung das HV-System abschalten kann. Diese Kontakte können in die Verkabelung integriert oder als Schalter in das Gehäuse einer Komponente eingebaut werden.
Im Bild unten links sehen wir das aktive System: Relais 3 und 5 sind geschlossen, was bedeutet, dass die Spannung von der HV-Batterie an die Verbraucher übertragen wird. Der Interlock-Schaltkreis ist vom Fahrzeug-ECU (7) blau gefärbt. Von der ECU wird eine Spannung an den Widerstand R2 angelegt. Die Verriegelung wird als Reihenschaltung durch die elektrischen Verbraucher (8) geführt. Die Verriegelung ist im Akkupack mit Masse verbunden. Es gibt einen Zweig zwischen dem Widerstand R2 im Steuergerät (7) und dem Ausgang zu den Verbrauchern, wo die Spannung am Interlock gemessen wird.
- Verriegelung OK: Spannung nach Widerstand R2 beträgt 0 Volt;
- Verriegelung unterbrochen: Die Spannung wird im Widerstand R2 nicht verbraucht und beträgt (abhängig von der Versorgungsspannung) 5, 12 oder 24 Volt.
Die Spannung nach dem Widerstand R2 wird beim Einschalten, aber auch während der Fahrt ständig überwacht.
Durch die Demontage des Servicesteckers (2) oder einer der elektrischen Komponenten (8) wird auch der Verriegelungskreis unterbrochen. Diese Situation ist im rechten Bild oben zu sehen, wo sich der Servicestecker verschoben hat. Sowohl die Sicherung zwischen den Batteriemodulen als auch der Verriegelungskreis sind offen. Da das Interlock nicht mehr mit der Fahrzeugmasse verbunden ist, steigt die Spannung nach dem Widerstand R2 auf den Wert der Versorgungsspannung. Das Fahrzeug-ECU (7) steuert direkt das Batterie-ECU (6), sodass die Relais 3, 4 und 5 nicht mehr aktiviert sind. Anschließend wird das HV-System abgeschaltet.
Im Bild sehen wir in der Mitte den orangefarbenen Servicestecker mit den großen Kontakten zum Anschluss der Plus- und Minuskabel der HV-Batterie und links einen kleineren Steckeranschluss mit zwei Pins. Dies sind die beiden Pins der Verriegelung. Diese Anschlüsse finden wir auch an Steckern von HV-Komponenten.
Kurzschlussschutz:
Das HV-System muss vor zu hohen Strömen geschützt werden, die durch einen Kurzschluss in der Verkabelung oder in den elektrischen Komponenten verursacht werden können. Ohne Schutz kann es zu einem Lichtbogenüberschlag, zum Schmelzen von Rohren oder sogar zu einem Brand kommen. Eine Sicherung soll das System vor diesen Gefahren schützen. Die Sicherung kann sich im Servicestecker, aber auch an anderer Stelle im Akkupack befinden. Fahrzeuge können auch mit mehreren Sicherungen ausgestattet sein, von denen jede einen bestimmten Stromkreis schützen soll.
Zusätzlich dazu, dass die Sicherung das System vor zu hohen Strömen schützt, übermittelt der Stromsensor im Plus- oder Minuskabel der HV-Batterie den Strom an das Steuergerät. Bei Überlastung entscheidet das Steuergerät, die Relais abzuschalten.
Permanente Isolationsüberwachung:
Die positiven und negativen Seiten der HV-Batterie kommen weder miteinander noch mit der Umgebung in Kontakt. Um die Plusseite herum (von der + Batterie zum + des Wechselrichters) befinden sich mehrere Isolationsschichten mit einer geflochtenen Hülle dazwischen. Aber auch die Minusseite ist isoliert und hat keinen Kontakt zur Karosserie oder zum Gehäuse der Komponenten. Die Karosserie selbst ist hingegen mit dem Minuspol der Bordbatterie (12 Volt bei Pkw) verbunden. Dies ist im HV-Teil nicht der Fall. Ursachen einer Störung können sein:
- Nach einer Kollision kann es zu Schäden an der Verkabelung gekommen sein, wodurch das Kupfer der Plus- und Minusleitungen miteinander in Kontakt gekommen ist oder die Karosserie des Fahrzeugs berührt hat;
- Aufgrund einer Überlastung – und damit einer Überhitzung – ist die Isolierung eines elektrischen Bauteils ausgefallen (geschmolzen) und kann mit der Umgebung in Kontakt kommen.
- Oder es liegt leitende Flüssigkeit vor, weil das Fahrzeug im Wasser war, es ist ein Kurzschluss zwischen Plus und Minus aufgrund eines Kühlmittellecks im HV-Batteriepaket aufgetreten. Auch ein Austreten von Kältemittel in der elektrischen Klimaanlagenpumpe kann eine Leitung verursachen.
Bei den elektrischen Bauteilen kann es durch eine schlechte Isolierung zu einer Verbindung zwischen den Plus- oder Minuskabeln der HV-Batterie und dem Gehäuse kommen. Da das Gehäuse in der Regel an der Karosserie des Fahrzeugs montiert ist, könnte es bei schlechter Absicherung bei schlechter Isolierung zu einem Strom kommen. Wenn das Plus der HV-Batterie aufgrund eines Isolationsfehlers über das Gehäuse mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist, liegt an der Karosserie Hochspannung von mehreren Hundert Volt an. Da es jedoch keine Möglichkeit gibt, den Minuspol der HV-Batterie anzuschließen, passiert nichts, da kein Strom fließt. Erst wenn es zu mehreren Isolationsfehlern kommt, bei denen sowohl Plus als auch Minus der HV-Batterie mit der Karosserie in Kontakt kommen, kann es schief gehen.
In den drei Bildern unten sehen wir das HV-Batteriepaket (1) mit den Plus- und Minuskabeln, mit der Fahrzeugkarosserie unten (2) und zwei elektrischen Verbrauchern (3 und 4) dazwischen.
- Schlechte Isolierung der Plusseite des Bauteils: Bei einer schlechten Isolierung zwischen Plus und Gehäuse eines Verbrauchers (z. B. einer Elektroheizung) steht das Gehäuse unter Spannung. Da keine Verbindung zum Minuspol der HV-Batterie besteht, fließt kein Strom;
- Schlechte Isolierung, Minuspunkt: Auch hier liegt eine (geringe) Spannung an der Karosserie an, aber es fließt kein Strom;
- schlechte Isolierung sowohl im Plus als auch im Minus: In dieser Situation liegt ein Kurzschluss zwischen Plus und Minus der HV-Batterie vor. Der Körper wird zur Verbindung zwischen Positiv und Negativ. Der Strom steigt schnell an, bis die Sicherung im Servicestecker und/oder in der HV-Batterie durchbrennt, um das System zu schützen.
Da bei schlechter Isolierung im Plus oder Minus noch kein geschlossener Stromkreis vorliegt, schmilzt die Sicherung im Servicestecker nicht. Die permanente Isolationsüberwachung in Elektrofahrzeugen erkennt solche Stromübergänge und warnt den Fahrer mit einer Fehlermeldung. Bei einem Isolationsfehler ist das Fahrzeug weiterhin funktionsfähig, es sei denn, der Hersteller hat es per Software deaktiviert.
Die Nummer 5 in der Abbildung unten kennzeichnet das Bauteil, an dem eine permanente Isolationsüberwachung stattfindet. In Wirklichkeit ist dieser elektrische Teil natürlich komplexer.
Nummer 6 gibt den Messwiderstand an, über den parallel der Spannungsabfall gemessen wird.
Die beiden Bilder unten zeigen die Situationen, in denen im Plus (links) und im Minus (rechts) eine schlechte Isolierung vorliegt. Da durch den Messwiderstand Strom fließt, wird im Widerstandskreis Spannung verbraucht. Der Spannungsabfall am Messwiderstand ist ein Maß für die Stromstärke, die durch die Widerstände fließt.
Sobald das Steuergerät bei permanenter Isolationsüberwachung eine Auffälligkeit erkennt, speichert es einen Fehlercode. Mögliche Beschreibungen der P-Codes (z. B. P1AF0 und P1AF4) könnten sein: „Isolierung des Batteriespannungssystems verloren“ oder „Fehlfunktion des Batteriespannungs-Isolierkreises“. Wenn ein Fahrzeug mit einem Isolationsfehler in die Werkstatt kommt, kann der Mechaniker mithilfe des Diagnosegeräts oder manuell mit einem Megaohmmeter die Isolationswiderstände messen, um zu prüfen, ob irgendwo ein Isolationsleck vorliegt.
Diagnose mit dem Megaohmmeter:
Im vorherigen Abschnitt wurde der Begriff „Isolationswiderstand“ erläutert und gezeigt, wie das Fahrzeug mithilfe der permanenten Isolationsüberwachung prüft, ob eine Undichtigkeit der positiven oder negativen Verbindungen von der HV-Batterie zur Karosserie des Fahrzeugs vorliegt. In diesem Abschnitt gehen wir näher darauf ein und beschreiben, wie Sie als Techniker mit einem Megaohmmeter den Ort des Fehlers ermitteln können. Selbstverständlich müssen Sie als Techniker für die Arbeit an HV-Anlagen zertifiziert sein. Die Software in einem Diagnosetester kann für bestimmte Marken selbst eine Isolationsprüfung durchführen, beispielsweise für Komponenten, die erst nach dem Einschalten einen Isolationsfehler aufweisen, wie etwa eine elektrische Heizung oder eine elektrische Klimaanlage.
In anderen Fällen können wir den Isolationswiderstand mit einem Megaohmmeter messen. Eine Messung des Isolationswiderstandes ist mit einem normalen Multimeter nicht möglich, da der Innenwiderstand des Multimeters bis zu 10 Millionen Ohm betragen kann. Der Innenwiderstand ist zu hoch, um hohe Widerstandswerte zu messen. Hierfür eignet sich ein Megaohmmeter, das eine Spannung von 50 bis 1000 Volt ausgibt, um die Betriebssituation zu simulieren. Diese hohe Spannung sorgt dafür, dass der abgestrahlte Strom auch bei kleinsten Schäden in der Isolierung seinen Weg durch den Kupferkern zur Isolierung findet. Um mit dem Megohmmeter zu messen, stellen Sie das Messgerät auf die gleiche Spannung wie die der HV-Batterie oder eine Stufe höher ein. Nachdem wir die Messkabel angeschlossen und das Messgerät richtig eingestellt haben, klicken wir auf den orangefarbenen Button „Isolationsprüfung“. Die eingestellte Spannung (im Bild: 1000 Volt) wird an die Messkabel und damit an das Bauteil angelegt und wir lesen dann den Ohmwert auf dem Display ab.
- Ein Isolationswiderstand von mehr als 550 MΩ (Megaohm, also 550 Millionen Ohm) ist in Ordnung. Dies ist der maximale Messbereich;
- Ein Wert unter 550 MΩ kann auf ein Leck in der Isolierung hinweisen, muss aber nicht unbedingt der Fall sein;
- Nach Angaben der International Electrotechnical Commission (IEC) und des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) muss der Isolationswiderstand eines Elektrofahrzeugs mindestens 500 Ω pro Volt betragen. Bei einer nominalen HV-Spannung von 400 Volt sollte der Widerstand (500 Ω * 400 V) = 200.000 Ω betragen.
- Hersteller legen häufig höhere Qualitäts- und Sicherheitsstandards fest, was zu höheren Mindestisolationswiderständen führt. Aus diesem Grund sind bei der Diagnose stets die Werksanweisungen zu beachten.
Maßgeblich sind immer die Herstellerangaben.
Die Werksvorgaben beschreiben die Schritte, Sicherheitsvorschriften und Mindestisolationswiderstände.
Im nächsten Bild sehen wir einen Screenshot aus einem Toyota-Handbuch. Dargestellt sind die minimalen Isolationswiderstände der Leitungen zum Elektromotor des jeweiligen Modells.
Das Megaohmmeter sollte auf 500 Volt eingestellt sein und der Mindestwiderstand der Verkabelung (UV und W) zum Elektromotor im Vergleich zum Gehäuse sollte 100 MΩ (MegaOhm) oder mehr betragen.
Die Isolationswiderstände von beispielsweise elektrischem Klimakompressor und Heizelement können unterschiedlich sein. Wenn Sie andere Komponenten messen, beziehen Sie sich auf diesen Teil der Werksdaten.
1. Isolationsmessung auf der negativen Seite (kein Fehler):
Bei abgezogenem Stecker messen wir auch die negative Seite im Vergleich zur Fahrzeugmasse. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen, wie diese Messung schematisch und in der Realität aussieht. Die Messung ergibt einen Isolationswiderstand von >550 MΩ, was auf einen guten Zustand der Isolierung hinweist.
2. Isolationsmessung auf der Plusseite (kein Fehler):
Nach dem Abziehen des Steckers, beispielsweise vom Wechselrichter, befestigen wir den roten Messstift am Pin im demontierten Stecker (jetzt auf der Plusseite) und den schwarzen Messstift an einem mit der Fahrzeugkarosserie verbundenen Massepunkt. Abbildung 1 zeigt erneut das Diagramm aus dem vorherigen Abschnitt mit der Nummerierung der HV-Batterie (1), der Fahrzeugmasse (2) und zwei der Verbraucher (3 und 4). Das Megohmmeter ist angeschlossen und die orangefarbene „Isolationstest“-Taste wurde gedrückt, um den Isolationswiderstand mit der übertragenen Spannung von 500 Volt zu messen. Das sind 133 Megaohm. Der Isolationswiderstand ist geringer als bei der vorherigen Messung. Es sollten die Anweisungen des Herstellers zu Rate gezogen werden. Wir halten uns an den vom Hersteller angegebenen Mindestisolationswiderstand von 100 MΩ. Der Isolationswiderstand ist in Ordnung.
3. Isolationsmessung auf der Plusseite (Fehler):
Bei der Messung an denselben Anschlüssen haben wir einen Isolationswiderstand von 65 MΩ gemessen. Obwohl der Widerstandswert höher als der von IEC und IEEE festgelegte Mindestwiderstandswert von 500 Ohm pro Volt ist (siehe vorheriger Absatz), wird die Verkabelung und/oder Komponente abgelehnt, da der Hersteller den Mindestwiderstandswert von 100 MΩ angegeben hat. Die Verkabelung und/oder Steckverbindungen dürfen nicht repariert werden, sondern müssen komplett ausgetauscht werden.
4. Isolationsmessung auf der Plusseite (Fehler):
Bei einem gemessenen Isolationswert von 0 MΩ liegt eine direkte Verbindung (also ein Kurzschluss) zwischen der HV-Leitung und dem Gehäuse vor. Die Verkabelung und/oder Steckverbindungen dürfen nicht repariert werden, sondern müssen komplett ausgetauscht werden.
Im Falle eines Isolationsfehlers können die Stecker anderer Verbraucher einzeln abgezogen werden, um im Stecker zu messen, wie im Text und in den Bildern oben gezeigt.
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