Sicherheitsanforderungen bei der Entwicklung von Hybrid- und E-Fahrzeugen

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1 Der neu verabschiedete Sicherheitsstandard ISO für Elektro- und Hybridfahrzeugen ist in aller Munde, um einen weltweit einheitlichen Sicherheitsstandard für die Serienfahrzeuge festzulegen. Wie sieht es aber in der Fahrzeugentwicklung, Prototyp- und Vorserienerprobung bei diesen Fahrzeugen aus? Während dieser Projektphasen muss gerade bei den neu entwickelten HV- Komponenten gemessen, analysiert und verifiziert werden. Die ISO greift hier nicht, da die Fahrzeuge die Serienreife noch nicht erreicht haben. Die Sicherheitsrichtlinien für die Vorserienfahrzeuge sind aber noch nicht verfügbar, während die Mitarbeiter hier wesentlich höheren Gefahren ausgesetzt sind. Das Ausmaß dieses Gefährdungspotentials ist vielen nicht bewusst. Welche Richtlinien gilt es zu beachten? Aus rechtlicher Sicht zwingend einzuhalten sind die Anforderungen der bestehenden Vorschriften, Richtlinien und Gesetze. Die nachfolgende Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern stellt vielmehr einen praktischen Auszug aus den möglichen Bestimmungen dar. Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG 3+13) Der Arbeitgeber ist verpflichtet, die erforderlichen Maßnahmen des Arbeitsschutzes zu treffen und hat für eine geeignete Organisation zu sorgen. Der Arbeitgeber kann zuverlässige und fachkundige Personen schriftlich damit beauftragen, ihm obliegende Aufgaben nach diesem Gesetz in eigener Verantwortung wahrzunehmen. BGV A3 In der von der Berufsgenossenschaft herausgegebenen Verordnung BGV A3 sind die Pflichten des Arbeitgebers und des Arbeitnehmers bezgl. Schulung und Verantwortlichkeit für die Arbeitsmittel (Messmittel) eindeutig definiert zum Beispiel BGVA3 3+5 Der Unternehmer hat dafür zu sorgen, dass elektrische Anlagen nur von einer Elektrofachkraft oder unter Leitung und Aufsicht einer Elektrofachkraft den elektrotechnischen Regeln entsprechend errichtet, geändert, instandgehalten und geprüft werden VDE Vorschriften VDE Pkt. 5.3 Für die verantwortliche fachliche Leitung eines elektrotechnischen Betriebes oder Betriebsteiles ist eine verantwortliche Elektrofachkraft erforderlich! In Betrieben, in denen der Unternehmer nicht selbst verantwortliche Elektrofachkraft ist, muss er die Fach- und Aufsichtsverantwortung einer verantwortlichen Elektrofachkraft übertragen. Sicherheitsbestimmungen nach IEC Für die verwendeten Messmittel im HV Bereich (neue Antriebs- und Fahrzeugentwicklung, Hybrid- und Elektrofahrzeuge) müssen diese Sicherheitsrichtlinien entsprechend angewendet werden, um einen optimalen Personenschutz zu gewährleisten. Bild 1: Sicherheit ist oberstes Gebot bei allen Arbeiten im HV-Bereich

2 Sicherheitsanforderungen an Messsysteme? Nachfolgend wird auf die Sicherheitsanforderungen an Messsysteme, die in diesen Bereichen eingesetzt werden, näher eingegangen. Sicherheitsbestimmungen: CAT I bis CAT IV Um die gesetzlich verordnete Pflicht zur Arbeitssicherheit (Unfallverhütungsvorschriften) zu erfüllen, müssen Unternehmen die Einhaltung der gültigen Sicherheitsbestimmungen nach IEC gewährleisten. Damit dürfen in elektrischen Antriebssystemen nur Mess- und Prüfgeräte verwendet werden, die die entsprechende Messkategorie (CAT I bis CAT IV) erfüllen. Die Messgeräte müssen den aktuell gültigen Sicherheitsnormen entsprechen damit maximaler Personenschutz gewährleistet ist. Wer entwickelt Sicherheitsnormen? Die IEC (International Electrotechnical Commission) entwickelt international gültige Normen für die Sicherheit von elektrischen Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräten. Die IEC wurde als Grundlage für die folgenden nationalen Normen verwendet: US ANSI/ISA-S Kanada CAN C22.2 Nr Europa EN :2001 Wie kann ich sicherstellen, ein echtes CAT I, CAT II, CAT III Gerät zu bekommen? Der Hersteller hat die Möglichkeit, sein Messsystem selbst als CAT I, CAT II oder CAT III zu definieren, ohne dieses von einer unabhängigen Stelle überprüfen zu lassen. Die IEC (International Electrotechnical Commission) entwickelt Normen, ist aber nicht für deren Umsetzung verantwortlich. Um hier sicher zu gehen, müssen Sie als Kunde auf das Symbol und die Listennummer eines unabhängigen Prüflabors wie z.b.ul,vde,tüv oder einer anderen anerkannten Zulassungsstelle achten. Dieses Symbol darf nur verwendet werden, wenn das Produkt die Prüfungen gemäß den Standards dieses Labors bestanden hat, die auf nationalen oder internationalen Normen beruhen. Diese Prüfzeichen sind die beste Möglichkeit, um sicherzugehen, dass das gewählte Messsystem tatsächlich auf Sicherheit überprüft wurde. (siehe Anhang: Prüfzertifikat TÜV) Normen beruhen. UL 3111 beruht z. B. auf EN Die Prüfzeichen gewährleisten somit, dass die Messtechnik tatsächlich auf Sicherheit überprüft wurde. Pflichten des Arbeitgebers und des Vorgesetzten: In der von der Berufsgenossenschaft herausgegebenen Verordnung BGV A3 sind die Pflichten des Arbeitgebers und des Arbeitnehmers bezgl. Schulung und Verantwortlichkeit für die Arbeitsmittel (Messmittel) eindeutig definiert. Die Frage, die sich viele Anwender in der Praxis stellen: Warum ein zusätzliches Sicherheitsmodul für eine Strommesszange im Hochvoltbereich, wo doch gar keine elektrische Verbindung zum stromführenden Leiter besteht? Sowohl Leiter als auch Stromzange sind in der Regel isoliert. Die Tatsache, dass die Stromzange für die Verwendung in solchen Systemen (CAT I bis CAT IV) zugelassen ist, schließt nicht explizit das Endgerät, also das nachfolgende Mess-Modul mit ein. Ein Endgerät zu verwenden, dass nicht mindestens die gleiche Kategorie wie die Stromzange selbst besitzt, ist nicht nur unzulässig, sondern auch gefährlich. Aus technischer Sicht ist die Funktion zwar sichergestellt, aber es ist nach den UV-Vorschriften und somit im Rahmen der Arbeitssicherheit nicht zulässig. Gerade im Entwicklungs- und Erprobungsstadium kann es bei mobilen Systemen häufig zu unzureichenden Isolationen kommen (scheuern von Kabeln an Karosserieteilen, unzureichende Befestigung von Leitungen, Verbau von zusätzlichen Mess- und Prüfadaptern,...). Dies ist vielen Anwendern und auch verantwortlichen Team- und Abteilungsleitern so nicht bewusst. Gerade beim Thema neue Antriebstechniken in Elektro- und Hybridfahrzeugen kann dieser Punkt lebensrettend sein. Die hier dargestellten Symbole dürfen nur verwendet werden, wenn das Produkt die Prüfungen gemäß den Standards dieses Labors bestanden hat, die auf nationalen oder internationalen

3 Bedeutung der Überspannungskategorien (CAT) CAT I CAT II Nennspannung Nominal voltages to earth 50 V AC/DC 100 V AC/DC 150 V AC/DC 300 V AC/DC 600 V AC/DC 1000 V AC/DC Gilt für elektrische Betriebsmittel, die in Geräten eingesetzt werden, in denen nur geringe Überspannungen auftreten können. Gilt für elektrische Betriebsmittel in Geräten, in denen keine Blitzspannungen berücksichtigt werden müssen, wohl aber Überspannungen durch Schaltvorgänge entstehen können. Stoßspannung nach CAT I Rated impulse voltages 330 V 500 V 800 V 1500 V 2500 V 4000 V PKW, LKW mit Verbrennungsmotor -> 12V / 24V Bordnetz Hybrid- und E-Fahrzeuge Stoßspannung nach CAT II Rated impulse voltages 500 V 800 V 1500 V 2500 V 4000 V 6000 V Tabelle 1: Für HV-Systeme relevante Kategorien Innerhalb einer Kategorie deutet eine höhere Spannungsangabe auf eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Transienten (Spannungsspitzen durch schnelle Schaltvorgänge der Leistungshalbleiter) hin. Welche Kategorien gelten bei Standardfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, welche bei Hybrid- und Elektro- Fahrzeugen? Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (PKW, LKW liegt man mit Ausnahme des Zündsystems im Spannungsbereich von 0 50 V, d.h. hier greift die Kategorie CAT I 50 V AC/DC. Bei Hybrid- und E-Fahrzeugen liegt man typischerweise im Spannungsbereich bis max. 600 V, d.h. hier greift CAT II 600 V AC/DC Wichtig für den Anwender: Achten Sie bei den Messsystemen mit galvanischer Trennung auf die Nennspannung und die Stoßspannung. Die Angabe einer galvanischen Trennung von z.b. 500 V heißt nicht explizit, dass das System an HV Systemen bis 500 V eingesetzt werden kann. Die 500 V können sich auch nur auf Spannungstransienten bis 500 V beziehen. Anhand der Gehäuseabmessungen kann die prinzipielle Eignung für HV-Anwendungen bestimmt werden, denn um eine Verwendung unter z.b. 600 V Nennspannung und den entsprechenden Stoßspannungen zu gewährleisten, müssen neben der entsprechenden Spannungsfestigkeit der Bauteile auch Mindestabstände unter den Leiterbahnen eingehalten werden, woraus sich eine Mindestgehäusegröße ergibt. Die IEC 1010/EN fordert, dass die Messsysteme nicht nur in Bezug auf einen tatsächlichen Überspannungstransientenwert getestet werden, sondern auch bestimmte minimale Kriechstrecken und Sicherheitsabstände zwischen den internen Bauelementen und Schaltungspunkten aufweisen müssen. Für die Kriechstrecke wird der Abstand über eine Fläche gemessen, für den Sicherheitsabstand die Entfernung durch die Luft. Je höher die Zahl der Kategorie und die Betriebsspannung sind, desto größer müssen beide Abstände sein. Die IPETRONIK Module High Voltage Iso Divider, Iso Clamp Connector und High Voltage Iso DAQ wurden vom TÜV entsprechend getestet und erfüllen diese Anforderungen. (siehe Anhang: Prüfzertifikat TÜV)

4 Bild 2: AC/DC-Stromkreise im Hybridfahrzeug Bedeutung für die Praxis Unterscheidung DC- / AC-Kreis Bei Hybrid- E-Fahrzeugen werden auf der AC-Seite pulsweitenmodulierte Frequenzumrichter mit Taktfrequenzen von > 10 khz und damit verbunden sehr hohen Spannungstransienten eingesetzt. Auf der AC- Seite muss die Messtechnik daher sowohl die technischen als auch die sicherheitsrelevanten Anforderungen erfüllen. Dies gilt insbesondere bzgl. der hohen Taktfrequenzen, den Spannungspulsen und den damit verbundenen Spannungstransienten. (Bild 2: rot markierter Bereich AC/DC-Stromkreis im Hybridfahrzeug) Diese transienten Überspannungen treten beim Betrieb eines Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugs immer auf. Der Hauptgrund sind Schaltvorgänge und Frequenzumrichter zur Steuerung der AC-Motoren (siehe Bild 2: AC/DC-Stromkreise im Hybridfahrzeug). Immer wenn Induktivitäten geschaltet werden, entstehen diese Spannungsspitzen, da eine Stromänderung innerhalb eines kurzen Intervalls eine zur Induktivität proportionalen Spannung induziert. Die folgende Formel beschreibt den physikalischen Zusammenhang. u (t) = L * di (t) / dt u(t) L i(t) dt induzierte Spannung Induktivität Stromänderung im Intervall dt Zeitintervall Hierbei wird deutlich, dass eine große Stromänderung innerhalb eines kurzen Zeitraumes (z.b. Schaltvorgang) in der Induktivität eine extrem hohe Spannung erzeugt. In den Fahrzeugen entstehen Transienten z.b. an Motorschützen und Frequenzumrichtern. Sie erzeugen regelmäßige Spannungsspitzen durch die Kommutierung (Stromübergang von einem Halbleiter zum Nächsten).

5 IPETRONIK HV-Messsysteme sind für die DC-Messung bzw. typischerweise für bis zu 50 / 60Hz Sinusspannung geeignet und geprüft. Für den Einsatz auf der AC-Seite sind diese jedoch, aufgrund der dort auftretenden Transienten und der hohen Taktfrequenzen, nicht geeignet. Hier müssen wesentlich höhere Anforderungen speziell an die Stoßspannungsfestigkeit gestellt werden. Die neue IEC 1010 (bzw. EN 61010) mit ihren strengeren Prüfvorschriften trägt den heutigen Antriebssystemen mit den vermehrt auftretenden Transienten Rechnung und schützt damit den Anwender durch höhere Schutzschwellen. Der Grundgedanke ist die Schwelle für den Spannungsdurchschlag so hoch wie möglich zu legen, um nie einen Überschlag auftreten zu lassen. Daher gilt als allgemeine Faustregel bei der Wahl eines Messsystems, dass man sich am Besten immer für das Messsystem mit der höchsten Spezifikation für die betreffende Anwendung entscheidet. In einem möglichen Fehlerfall hat der Anwender somit den bestmöglichen Schutz. Komplettes Messsystem Die IEC 1010 / EN61010 gilt auch für Messleitungen und Zubehör. Ihre Spezifikation sollte der Kategorie und der Spannungsangabe des Messsystems und des Sensors mindestens ebenbürtig sein. Leiht sich ein Anwender mit einem 1000 V spezifizierten Gerät Messleitungen eines Kollegen, der ein 600 V spezifiziertes Messsystem hat, würde der 1000 V Schutzgrad entfallen. Nachfolgend exemplarisch die typischen Aufbauten bei HV-Messungen und die sichere Trennung zu Ihrem IPETRONIK Messequipement durch entsprechend geprüfte IPETRONIK HV-Messtechnik. Schematischer Aufbau Bild 3: Messkette mit High Voltage Iso Divider zur HV-Spannungsmessung

6 Sicherheitsanforderungen bei der Bild 4: Messkette mit Iso Clamp Connector zur HV-Strommessung Systeme in der Praxis Bild 5: Anwendung High Voltage Iso Divider zur Spannungsmessung am DC HV-Stromkreis Subject to change! IPETRONIK GMbH & Co. KG (ipetronik.com)

7 Anhang: Prüfzertifikat