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Fachschule für KFZ-TechnikINNUNG DES KRAFTFAHRZEUGGEWERBES BERLIN Körperschaft des öffentlichen Rechts
Eigensichere Hochvoltsysteme in Kraftfahrzeugen
Berliner Feuerwehr 1908
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4. Fachtagung
Technische Rettung aus PKW
28 bis 29. August 2013
Berliner Feuerwehr 1908
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Der erste Hybrid: Lohner-Porsche
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Lohner-Porsche mit
Radnabenmotoren
3Quelle: Wikipedia
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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
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> 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
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6Quelle: MTZ
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Honda Integrated Motor Assist
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7Quelle: Honda
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Lage der IMA-Bauteile (CIVIC)
IMA-Einheit (IPU)
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Drehzahl [min-1]
8Quelle: Honda
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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
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• 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)
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10Quelle: Toyota
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Toyota Prius III = Vollhybrid
Batterie mit dem
Servicestecker
Ottomotor
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Elektromotor + Generator
11Quelle: Toyota
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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
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12Quelle: Toyota
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Mitsubishi I-Miev (Peugeot Ion, Citroën Zero) = reines Elektrofahrzeug
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• Bordspannung: 330 V • Rekuperationsbremse• E-Motor: max. 49 kW /180 Nm• Reichweite: max. 150 km • Lithium-Ionen Akkumulator 16 kWh
13Quelle: Citroёn, Mitsubushi
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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.
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14Quelle: Opel
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Opel Ampera = Elektrofahrzeug mit Range Extender
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15Quelle: Opel
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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
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16Quelle: Mercedes
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17Quelle: Mercedes
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Elektrische Gefährdungen durch Hochvolt-Systeme in Fahrzeugen
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elektrische Gefährdung bedeuten immer
erhöhte Gefahr
Auswirkungen können sein:
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20 mA Gift Niere
Verbrennung durch
Strom oder LichtbogenSekundärunfälle
19Quelle: TAK
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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
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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.
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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
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22Quelle: TAK
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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!
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Quelle: Toyota 23
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Trennung des HV-Netzes vom 12V-Bordnetz
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24Quelle: TAK
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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.
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26Quelle: Dekra, Mitsubushi,
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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
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– 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
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28Quelle: Honda, BMW, Toyota
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Warnhinweise und Kennzeichnung der HV-Komponenten/-Bauteile
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29Quelle: GM
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Spannungsfreischaltung
1. Freischalten
• Zündung ausschalten
• Service-/Wartungsstecker abziehen bzw. Batterie-Hauptschalter ausschalten
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Batterie-Hauptschalter ausschalten
• Sicherungen ziehen
30Quelle: TAK
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Spannungsfreischaltung
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31Quelle: Toyota
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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
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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
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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.
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34Quelle: Toyota
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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
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werden.
35Quelle: Toyota
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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
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komplette galvanische Trennung von Gleich- und Wechselstrom-kreise oder einer speziellen Art der Isolierung
37Quelle: Bosch
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Ende
• Vielen Dank für Ihre Ausdauer als Zuhörer.• Vielen Dank für Ihre Ausdauer als Zuhörer.
• Sebastian Niewiara
Technischer Ausbilder
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