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Hochvolt-Prüfplätze und Komponentenqualifizierung für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Permanentes Monitoring des Isolationsniveaus (von Mega- bis Giga-Ohm) steigert Prüfeffizienz und Produktqualität

Die Hersteller von Elektro- oder Hybridfahrzeugen haben hohe Anforderungen sowohl an das elektrische Isolationsniveau des Fahrzeugs insgesamt als auch an das der Hochvolt (HV)-Komponenten. Das wiederum stellt die Zulieferer vor große Herausforderungen beim Aufbau und Betrieb von HV-Prüfplätzen sowie bei der HV-Komponentenqualifizierung. Im Auslieferzustand sind Werte bis in den Giga-Ohm-Bereich gefordert, um Alterungseffekte und Abnutzung abfedern zu können. Dafür ist eine spezielle Messtechnik notwendig, welche idealerweise während des gesamten Prüfprozesses exakte Messergebnisse liefert. Die Bender GmbH & Co. KG aus Grünberg bietet mit den Isolationsüberwachungsgeräten ISOMETER® isoHR685W oder isoHR1685 die optimale Lösung für derartige Applikationen.

Elektro- oder Hybridfahrzeuge prägen mehr und mehr das tägliche Bild im Straßenverkehr. Damit einher geht die ständige Optimierung von Batterien und Elektro-Antrieben seitens der Hersteller, zum einen durch die hohen Vorgaben wie die Reduzierung der CO2-Bilanz als auch durch den wachsenden Wettbewerb. Doch nicht nur die Optimierung der Hauptbestandteile eines Elektrofahrzeuges stehen im Fokus, sondern auch die einzelnen HV-Komponenten werden regelmäßig angepasst und verbessert. Die permanent wechselnden Ansprüche werden von den Fahrzeugherstellern direkt an die Zulieferindustrie weitergegeben.

Während früher die Bordnetze in der Automobilbranche mit DC 12 V, 24 V oder 48 V für alle Beteiligten relativ unkritisch waren, stellen sogenannte HV-Bordnetze bei den Elektrofahrzeugen ganz andere Bedingungen an Materialien, Herstellungsprozesse und Prüfabläufe. Je nach Fahrzeugtyp und Motorleistung kommen Bordspannungen bis DC 800 V zum Einsatz, was an die HV-Komponenten enorme Anforderungen stellt. Zudem sollen die HV-Komponenten meist über eine Lebensdauer (EOL) von 15 Jahren hinweg wartungsfrei genutzt werden können.

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Technische Informationen Présentation Stations d'essais haute tension 1.1 MB FR01.06.2021 10:29:09

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Technische Informationen Presentation High-voltage test stations 1.1 MB EN31.05.2021 12:31:15

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Normen und Standards für mehr Sicherheit

Der Verband der Automobilindustrie (VDA) in Deutschland sieht es als seine Aufgabe, die Mobilität insgesamt sicherer, effizienter, komfortabler und umweltfreundlicher zu machen. In diesem Zusammenhang stellt der Verband den Herstellern und Zulieferern eine Vielzahl von Publikationen, Handlungsempfehlungen und Standards zur Verfügung. So gibt es bereits international diverse Standards wie die International Organization for Standardization (ISO) und die Global Technical Regulations (GTR) on the Electric Vehicle Safety (EVS). Hinzu kommen spezifische Werksnormen von Herstellern wie Mercedes MBN LV 123, BMW GS 95023 oder Volkswagen VW 80303, welche explizit die elektrischen Eigenschaften und die Sicherheitsansprüche an HV-Komponenten in den Elektrofahrzeugen beschreiben. Gleichermaßen sind darin Forderungen an die Prüfprozesse und notwendige Mindestgrenzwerte für die HV-Komponenten der Zulieferer definiert.

Technische Herausforderung

HV-Anwendungen stellen sehr hohe Ansprüche an das Material, die Einzelkomponenten und das Gesamtsystem, welche unter anderem nur durch entsprechende Materialauswahl, Designentscheidungen während der Konstruktion, Abstände der Luft- und Kriechstrecken oder zusätzliche Isolierung erfüllt werden können.

Ebenso viel Aufmerksamkeit wird dem Isolationsniveau der Applikation entgegengebracht und hierbei wird ein simpler elektrischer Zusammenhang zur echten Herausforderung: Die Parallelschaltung mehrerer Komponenten im Fahrzeug.

In Elektrofahrzeugen werden die Einzelkomponenten parallel mit der HV-Batterie verbunden. Das bedeutet, dass sich mit zunehmender Anzahl an HV-Komponenten der Isolationswiderstand des Gesamtsystems verringert. Zur Erinnerung: Der Widerstand des Gesamtsystems einer Parallelschaltung ist immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand und das gilt auch für die Isolationswiderstände in Elektrofahrzeugen.

Mit Blick auf den schematischen Aufbau eines Elektrofahrzeugs wird die Problematik deutlich.

Aus den zuvor genannten Gründen haben die Fahrzeughersteller ein großes Interesse daran, dass die HV-Komponenten der Zulieferer jeweils einen sehr hohen Isolationswiderstand aufweisen. Diese Forderung spiegelt sich in den eingangs erwähnten Werksnormen der jeweiligen Fahrzeughersteller wider. Bei den Prüfungen im Rahmen der Lebensdauerqualifizierungen der gefertigten HV-Komponenten sind Isolationswiderstände im dreistelligen Mega-Ohm-Bereich gefordert. Das bezieht sich nicht auf das Prüfergebnis nach der Fertigung, sondern auf den gesamten geplanten Lebenszyklus von 15 Jahren.

Neben der Parallelschaltung der Einzelkomponenten kommen auch der Materialverschleiß, eindringende Feuchtigkeit, Verschmutzung und entstehende Korrosion während der gesamten Lebensdauer eines Elektrofahrzeugs hinzu. Daher müssen die Fahrzeuge im Auslieferzustand wesentlich höhere Isolationswerte aufweisen, um lange und sicher zu funktionieren. Isolationswerte von bis zu 10 GΩ (Giga-Ohm) sind daher keine Seltenheit. Mit Blick auf spätere Wartungsarbeiten ist es von Interesse, den Isolationswert der Komponenten bzw. des gesamten Fahrzeuges im Auslieferzustand exakt zu kennen, denn nur so können gemessene Isolationswerte innerhalb des Lebenszyklus während der Inspektionen richtig bewertet werden.

Die Hersteller der HV-Komponenten müssen demnach bereits entwicklungsbegleitend testen, wie sich die Produkte verhalten, um die geforderten Werte über die gesamte Lebensdauer garantieren zu können. Hochvolttests müssen dabei durch geschultes Personal durchgeführt werden und hierbei kommt es sehr häufig zur Unterbrechung von Langzeittests. Dies kostet Zeit und Geld. Mit den Isolationsüberwachungsgeräten ISOMETER® vom Typ isoHR685 und isoHR1685 bietet Bender nun eine Lösung, mit der diese hochohmigen Isolationswerte kontinuierlich und entwicklungsbegleitend überwacht werden.

Der Anspruch an sehr hohe Isolationswerte und ein kontinuierliches Monitoring der Isolationswerte führt automatisch dazu, dass bisher genutzte Prüfstände und Laborequipment der Zulieferindustrie sowie der Testhäuser um- bzw. nachgerüstet und messtechnisch völlig neugestaltet werden müssen.

Anforderungen an den Prüfplatz

Die allgemeinen Anforderungen für Prüfplätze sind unter anderem in der Norm DIN EN 50191 (VDE 0104) definiert. Betreiber wie auch Hersteller von elektrischen Prüfplätzen haben außerdem einen hohen Anspruch an den Personenschutz. Neben diversen Maßnahmen rund um den Berührungsschutz oder die Sicherheitsabstände bei den Prüfeinrichtungen, gilt für den Schutz im Fehlerfall die VDE 0100-410 „Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen“. Es werden folgende Schutzmaßnahmen betrachtet:
 


Hochspannungsprüfungen >1 kV, wie Sie in der Elektromobilität häufiger anzutreffen sind, erfordern sowohl eine galvanische Trennung der Prüfeinrichtung als auch eine des Prüfobjektes, und erlauben einen maximalen Ableitstrom von 3 mA. Damit ist der maximale Ableitstrom zwischen Prüfaufbau und Erdpotential gemeint.

Seitens der Prüfstandhersteller oder -betreiber muss außerdem eine Messtechnik verwendet werden, die Isolationswerte im Giga-Ohm-Bereich erfassen und überwachen kann. Ein höherer Isolationswert bedeutet gleichzeitig einen erhöhten Personenschutz und bietet somit zusätzliche Sicherheit über die gesamte Fahrzeuglebensdauer.

Neue Anforderungen an den Prüfprozess

Die Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass Prüflinge im Testaufbau extremen Bedingungen ausgesetzt werden, aber für diverse Messungen der Prüfablauf oftmals unterbrochen wird – sogar bei Umwelt- und Langzeittests. Dies führt dazu, dass zum Beispiel. künstlich erzeugte Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck) kurzzeitig verändert werden, was wiederum zu unerwünschten Nebeneffekten wie Kondensatbildung führen kann. Diese Nebeneffekte verfälschen oftmals das Prüfergebnis. Derartige Phänomene können nur durch eine dauerhafte Überwachung und somit ein permanentes Monitoring des Prüflings und des Prüfaufbaus verhindert werden. Ein solches Permanent-Monitoring ist besonders hilfreich, wenn Lebenszyklen von Bauteilen oder ganzen Elektro-/Hybridfahrzeugen simuliert werden müssen.

Isolationsüberwachungsgeräte (IMD) für Giga-Ohm Applikationen

Die Isolationsüberwachungsgeräte ISOMETER® werden gemäß IEC 61557-81) für die Überwachung in ungeerdeten Stromversorgungen (IT-Systemen) eingesetzt und sind universell in AC-, 3(N)AC-, AC/DC- und DC-Systemen verwendbar. Somit können auch komplexe Anlagen bestehend aus AC-Systemen und gleichstromgespeisten Anlagenteilen (z. B. Stromrichter, Umrichter, geregelte Antriebe) sicher überwacht werden. Durch den Messbereich bis 10 GΩ kann man eine Veränderung des Isolationsniveaus im Trendverlauf (Permanent-Monitoring) frühzeitig erkennen und alarmieren. Die Überwachungsgeräte ISOMETER® isoHR685W bzw. isoHR1685 werden allen Anforderungen gerecht und unterstützen die Design- und Testphasen optimal, denn durch die Verwendung eines aktiven Messverfahrens können auch HV-Komponenten als nicht angeschlossene Einheit, also im spannungslosen Zustand überwacht werden. So sind auch Entwicklungsingenieure ohne HV-Berechtigung in der Lage, mit dem ISOMETER® ohne vorhandene Hochspannung das Isolationsniveau entwicklungsbegleitend zu testen.

In komplexen Anlagen, in denen Teilbereiche ggfs. galvanisch getrennt sind, müssen mehrere ISOMETER® eingesetzt werden. Eine Vernetzung aller ISOMETER® innerhalb der Anlage erfolgt via Modbus. Somit ist das ISOMETER® nicht nur für die Überwachung komplexer und kritischer Industrie-Applikationen geeignet, sondern auch für die zuvor beschriebenen HV-Prüfstände im Bereich eMobility mit deren extremen Anforderungen.

1)    DIN EN 61557-8 VDE 0413-8:2015-12
Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC 1 000 V und DC 1 500 V
Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen

Teil 8: Isolationsüberwachungsgeräte für IT-Systeme

Abb. 2: Schematische Darstellung eines HV-Prüfplatzes mit HV-Spannung

Abb. 3: Schematische Darstellung eines HV-Prüfplatzes ohne HV-Spannung

2021-03-01 – BENDER, T. Püschel und M. Lehr

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Technische Informationen Präsentation Hochvoltprüfplätze 1.1 MB DE26.05.2021 05:54:05

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Isolationsüberwachung

ISOMETER® isoHR685W-…-I-B
ISOMETER® isoHR685W

Isolationsüberwachungsgerät für das Messen hochohmiger Isolationswiderstände bis 10 GΩ und das Überwachen langer paralleler Kabel

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ISOMETER® isoHR1685DW–925
ISOMETER® isoHR1685DW–925

Isolationsüberwachungsgerät für mobile, isolierte Hubarbeitsbühnen

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