Qualifizierung der Werkstattmitarbeiter für Arbeiten an Hochvoltfahrzeugen (Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge)

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1 Qualifizierung der Werkstattmitarbeiter für Arbeiten an Hochvoltfahrzeugen (Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge) Dipl.-Ing. (FH) Werner Steber Abteilung Technik, Sicherheit, Umwelt Zentralverband Deutsches Kfz-Gewerbe Tagung der Ausbilder an überbetrieblichen Bildungsstätten des Handwerks im Themenbereich Kfz-Technik am anlässlich der automechanika 2010 in Frankfurt 1

2 Hochvoltfahrzeuge (HV-Fahrzeuge) Hochvoltfahrzeuge (HV-Fahrzeuge) sind: Hybridfahrzeuge Parallele Hybridsysteme Serielle Hybridsysteme Elektrofahrzeuge Brennstoffzellenfahrzeuge 2

3 Hochvoltfahrzeuge (HV-Fahrzeuge) Als Hochvoltfahrzeuge (HV-Fahrzeuge) werden Fahrzeuge bezeichnet, bei denen die Spannung über 25 Volt Wechselstrom (AC) oder 60 Volt Gleichstrom (DC) liegt. 3

4 Hybridfahrzeuge 4

5 Hybridfahrzeuge In der EG-Rahmenrichtlinie 2007/46/EG sind "Hybridkraftfahrzeuge" bzw. "Hybridelektrofahrzeuge" definiert als: "Hybridkraftfahrzeug" ein Fahrzeug mit mindestens zwei verschiedenen Energiewandlern und zwei verschiedenen Energiespeichersystemen (im Fahrzeug) zum Zwecke des Fahrzeugantriebs. "Hybridelektrofahrzeuge" Hybridfahrzeuge, die zum Zweck des mechanischen Antriebs aus folgenden Quellen im Fahrzeug gespeicherte Energie/Leistung beziehen: einem Betriebskraftstoff einer Speichereinrichtung für elektrische Energie/Leistung (z.b. Batterie, Kondensator, Schwungrad/Generator usw.). 5

6 Hybridfahrzeuge Parallele Hybridsysteme - Funktionen Parallele Hybridsysteme Micro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid Start-Stop Funktion Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) Elektrisches Fahren 6

7 Parallele Hybridsysteme Antriebsunterstützung (Boosten) Parallele Hybridsysteme Durch die Start-Stop-Funktion wird der Verbrennungsmotor bei Micro-Hybrid stehendem Fahrzeug Mild-Hybrid abgeschaltet und bei Voll-Hybrid Betätigung des Gaspedals, mit relativ hoher Drehzahl angelassen/gestartet. Start-Stop Das "Anlasserruckeln" wird durch die erhöhte Startdrehzahl vermieden. Funktion Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) Elektrisches Fahren 7

8 Parallele Hybridsysteme Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Start-Stop Parallele Hybridsysteme Beim Bremsvorgang mit der konventionellen hydraulischen oder pneumatischen Reibbremse wird die kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Kraftfahrzeugs durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Micro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid Funktion Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) Elektrisches Fahren Quelle: 8

9 Parallele Hybridsysteme Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Parallele Hybridsysteme Beim rekuperativen Bremsen wird das Kraftfahrzeug ganz oder teilweise über einen Generator abgebremst. Die hierbei gewonnene elektrische Energie kann in der Batterie Start-Stop gespeichert werden. Micro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid Funktion Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) Elektrisches Fahren Quelle: Bosch 9

10 Parallele Hybridsysteme Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Parallele Hybridsysteme Die in einer Batterie gespeicherte Energie kann dann, über einen Elektromotor, wieder zum Antrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden. Micro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid Start-Stop Funktion Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) Elektrisches Fahren Quelle: Bosch 10

11 Parallele Hybridsysteme Antriebsunterstützung (Boosten) Boosten bedeutet, dass das Fahrzeug Parallele Hybridsysteme durch die Antriebsmomente des Verbrennungsmotors und des Elektromotors Micro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid angetrieben/beschleunigt wird. Start-Stop Funktion Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) Elektrisches Fahren Elektro- und Verbrennungsmotor Elektromotor Verbrennungsmotor BEISPIEL: Antriebsmomente des Porsche Cayenne Quelle: 11

12 Parallele Hybridsysteme Elektrisches Fahren (Segeln) Parallele Hybridsysteme Micro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid Start-Stop Funktion Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) Elektrisches Fahren (Segeln) Wenn das Fahrzeug allein durch den Elektromotor angetrieben wird, bezeichnet man dies als "elektrisches Fahren" oder "Segeln". Beim "Segeln" ist der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang/Elektromotorgenerator entkoppelt. (Definition: Steber) 12

13 13 Konventionelles Kraftfahrzeug Anlasser (E-Motor) 12 Volt (14 Volt) Lichtmaschine (Generator) Verbrennungsmotor

14 14 Micro-Hybridfahrzeug Anlasser Startergenerator Leistung: P = 2,5kW = 2500W Spannung: U = 14V P = U x I => I = P/U => I = 2500W/14V I = 179A 12 Volt (14 Volt) Start/Stop- Ladekontroll- ECU Motorgenerator/ Lichtmaschine Startergenerator Verbrennungsmotor

15 15 Micro-Hybridfahrzeug Startergenerator Leistung: P = 2,5kW = 2500W Spannung: U = 42V P = U x I => I = P/U => I = 2500W/42V I = 60A 12 Volt (14 Volt) 42V 12 Volt (14 Volt) 12 Volt (14 Volt) Start/Stop- Ladekontroll- ECU Motorgenerator/ Startergenerator Verbrennungsmotor

16 Hybridfahrzeuge Parallele Hybridsysteme - Funktionen Parallele Hybridsysteme Micro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid Funktion Start-Stop Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) Elektrisches Fahren x (x) ((x)) -- X möglich (X) eingeschränkt möglich -- nicht möglich 16

17 17 Mild-Hybridfahrzeug 12 Volt (14 Volt) DC (12V) DC (HV) Verbrennungsmotor Motorgenerator Inverter (Umformer/ Gleichspannungswandler Wechselrichter) HV- Batterie

18 18 Mild-Hybridfahrzeug 12 Volt (14 Volt) DC (12V) DC (HV) Verbrennungsmotor Motorgenerator Inverter (Umformer/ Gleichspannungswandler Wechselrichter) HV- Batterie

19 19 Mild-Hybridfahrzeug 12 Volt (14 Volt) DC (12V) DC (HV) 6 cm Verbrennungsmotor Motorgenerator Inverter (Umformer/ Gleichspannungswandler Wechselrichter) HV- Batterie

20 20 Mild-Hybridfahrzeug 12 Volt (14 Volt) DC (12V) DC (HV) 6 cm Verbrennungsmotor Motorgenerator Inverter (Umformer/ Gleichspannungswandler Wechselrichter) HV- Batterie

21 21 Mild-Hybridfahrzeug Konstantfahrt mit Verbrennungsmotor 12 Volt (14 Volt) DC (12V) DC (HV) Verbrennungsmotor Motorgenerator Inverter (Umformer/ Gleichspannungswandler Wechselrichter) HV- Batterie

22 22 Mild-Hybridfahrzeug Konstantfahrt elektrisch fahren 12 Volt (14 Volt) DC (12V) DC (HV) Verbrennungsmotor Motorgenerator Inverter (Umformer/ Gleichspannungswandler Wechselrichter) HV- Batterie

23 23 Mild-Hybridfahrzeug Schubbetrieb - verzögern 12 Volt (14 Volt) Verbrennungsmotor Motorgenerator Inverter (Umformer/ Gleichspannungswandler Wechselrichter) HV- Batterie

24 24 Voll-Hybridfahrzeug Anfahren elektrisch fahren Inverter 12 Volt (14 Volt) Verbrennungsmotor Kupplung Motorgenerator HV- Batterie

25 25 Voll-Hybridfahrzeug Konstantfahrt mit Verbrennungsmotor Inverter 12 Volt (14 Volt) Verbrennungsmotor Kupplung Motorgenerator HV- Batterie

26 Hybridfahrzeuge Parallele Hybridsysteme - Funktionen Parallele Hybridsysteme Micro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid Start-Stop x x x Funktion Bremsenergierückgewinnung (Rekuperieren) Antriebsunterstützung (Boosten) (x) ((x)) x x x x Elektrisches Fahren -- (x) x X möglich (X) eingeschränkt möglich -- nicht möglich 26

27 27 Voll-Hybridfahrzeug mit Leistungsverzweigung Inverter 12 Volt (14 Volt) Verbrennungsmotor Planetengetriebe mit zwei Motorgeneratoren (MG) links Generatorbetrieb rechts Motorbetrieb Motorgenerator HV- Batterie

28 28 Voll-Hybridfahrzeug mit Leistungsverzweigung 1 Hohlrad 3 Sonnenrad (fest am E-Motor) 2 Planetenräder 4 Planetenträger (über Kupplung am Verbrennungsmotor) Inverter 12 Volt (14 Volt) Motorgenerator Generatorbetrieb Planetengetriebe Motorgenerator Motorbetrieb Verbrennungsmotor Planetengetriebe mit zwei Motorgeneratoren (MG) links Generatorbetrieb rechts Motorbetrieb HV- Batterie

29 Serielle Hybridsysteme Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge mit - Range Extender - "Reichweitenerweiterer" 29

30 30 Serielles Hybridsystem Range Extender mit einem zentralen Motorgenerator 12 Volt (14 Volt)

31 31 Serielles Hybridsystem Range Extender mit einem zentralen Motorgenerator 12 Volt (14 Volt)

32 32 Serielles Hybridsystem Range Extender mit zwei Radmotorgeneratoren 12 Volt (14 Volt)

33 33 Serielles Hybridfahrzeug mit parallel antreibendem Verbrennungsmotor 12 Volt (14 Volt)

34 34 Serielles Hybridsystem Range Extender mit vier Radmotorgeneratoren (Radnabenmotoren) 12 Volt (14 Volt)

35 Elektrofahrzeug 35

36 Elektrofahrzeug ECE-R 100 "batteriebetriebenes Elektro-Straßenfahrzeug" ein Fahrzeug mit Aufbau, das für die Benutzung im Straßenverkehr bestimmt ist und ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben wird, dessen Antriebsenergie ausschließlich von einer in das Fahrzeug eingebauten Antriebsbatterie geliefert wird. "ECE-R 101 "CO-Messung " "Elektrofahrzeug" ein Fahrzeug, das nur mit Elektroantrieb betrieben wird. 36

37 37 Elektrofahrzeug mit einem zentralen Motorgenerator Netzstecker Netzteil 12 Volt (14 Volt)

38 38 Elektrofahrzeug mit einem zentralen Motorgenerator Netzstecker Netzteil 12 Volt (14 Volt)

39 39 Elektrofahrzeug mit zwei Radmotorgeneratoren Netzstecker Netzteil 12 Volt (14 Volt)

40 40 Serielles Plug-In Hybridsystem Range Extender mit zwei Radmotorgeneratoren Netzstecker Netzteil 12 Volt (14 Volt)

41 41 Plug-In-Hybridfahrzeug mit Leistungsverzweigung Netzstecker Netzteil 12 Volt (14 Volt)

42 Brennstoffzellenfahrzeuge 42

43 43 Brennstoffzellenfahrzeug mit einem zentralen Elektromotor 12 Volt (14 Volt) + - Brennstoffzelle Druckgaswasserstofftanks

44 Qualifizierungskonzept 44

45 Qualifizierungskonzept Bei modernen Elektromobilen liegt die Spannung im HV- System zwischen 100 Volt bis 600 Volt (AC/DC). Bei Spannungen dieser Größenordnung spricht man von HV-Systemen/HV-Fahrzeugen. Die Spannungen bei HV-Systemen in Fahrzeugen sind bei direktem oder indirektem Kontakt gesundheits- bzw. lebensgefährlich. 45

46 Elektrofachkraft An HV-Fahrzeugen bzw. HV-Systemen dürfen nur qualifizierte Personen (Elektrofachkräfte) arbeiten: Freischalten Gegen Wiedereinschalten sichern Spannungsfreiheit feststellen 46

47 Fachkundiger für Arbeiten an HV-eigensicheren Systemen in Fahrzeugen Elektrohandwerk/Elektroindustrie äußerten Bedenken gegen Verwendung des Begriffs "Elektrofachkraft" auch für Personen die speziell für Arbeiten an HV- eigensicheren Fahrzeugen im Servicebereich qualifiziert sind. Neue Bezeichnung "Fachkundiger für Arbeiten an HV-eigensicheren Systemen in Fahrzeugen" 47

48 Hochvoltfahrzeug (HV-Fahrzeug) Fachkundige für Arbeiten an HV-eigensicheren Systemen in Fahrzeugen sind qualifiziert für Arbeiten an HV-eigensicheren Fahrzeugen nach Start of Production (SoP) = Serienfahrzeuge HV-eigensicheres Fahrzeug bedeutet, dass durch technische Maßnahmen am Fahrzeug für den Mitarbeiter ein vollständiger Berührungs- und Lichtbogenschutz gegenüber dem HV-System gewährleistet ist. 48

49 Qualifizierungskonzept 49

50 Qualifizierungskonzept Branchenlösung Qualifizierung als "Fachkundiger für Arbeiten an HV- eigensicheren Systemen in Kraftfahrzeugen" (nach SoP, in Servicewerkstätten) 2 Tage 8 Stunden Theorie 4 bis 8 Stunden Praxis Anbieter: TAK und Fahrzeughersteller/-importeure Vortest/Selbsttest (WBT) Qualifiziert zum spannungsfreischalten des HV-Systems (Anwendung der 5 Sicherheitsregeln) Abgeschlossene Berufsausbildung in einem Kfz-technischen-Beruf Kfz-Mechatroniker Kfz-Mechaniker/Kfz-Elektriker Ausbildung ab 1973 Mechaniker für Karosserieinstandsetzung Karosserie- und Fahrzeugbaumechaniker Ausbildung ab 2002 Betriebsinterne Unterweisung (ca Minuten) Qualifiziert für Arbeiten an HV-Fahrzeugen, aber nicht für Arbeiten am HV-System selbst. 50

51 DGUV/TAK Schulungshandbuch 51

52 DGUV/TAK Schulungshandbuch 52

53 Auszug: TAK-Trainerleitfaden Vorliegende elektrische Gefährdungen bedeuten immer erhöhte Gefahr Auswirkungen können sein: elektrische Körperdurchströmung Gift Niere Verbrennung durch Strom oder Lichtbogen Sekundärunfälle 53

54 Auszug: TAK-Trainerleitfaden Menschlicher Widerstand bei 200 V Körperwiderstand in Stromweg Ω Stromstärke in ma (bei 200 V) Hand - Hand Hand - Fuß Hand - Füße Hand - Brust Hand - Gesäß 1000 Ω 200 ma 1000 Ω 200 ma 750 Ω 267 ma 450 Ω 444 ma 550 Ω 364 ma Seite 90 F

55 Körperreaktion im Zeit-Stromdiagramm bei DC 200 V 1 Üblicherweise keine Reaktion. 2 Üblicherweise keine schädlichen physiologischen Effekte. 0,3 Sekunden 3 Kein organischer Schaden zu erwarten. Es können reversible Störungen der Impulse im Herzen auftreten. 4 Zusätzlich schwere Verbrennungen, Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern. Strom [ma] 55

56 DGUV/TAK Schulungshandbuch - Auszug 56

57 DGUV/TAK Schulungshandbuch - Auszug 57

58 DGUV/TAK Schulungshandbuch - Auszug 58

59 DGUV/TAK Schulungshandbuch - Auszug 59

60 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 60

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