Foto: AVL

Motor und Antrieb

So arbeitet man sicher unter Strom

Durch den Einzug der Elektromobilität in die Kfz-Werkstatt steigen die Anforderungen bei Reparatur, Wartung und Messtechnik stetig. Für Arbeiten an Hochvoltsystemen bei Hybridfahrzeugen ist Extra-Know-how durch Hochvolt-Trainings für Reparatur von Hybrid- und Elektrofahrzeugen erforderlich. Wir zeigen, wie mit einfacher, geführter Messtechnik sicher die Spannungsfreiheit geprüft werden kann.

Hybrid- und rein elektrisch betriebene Fahrzeuge „elektrisieren“ derzeit einen wachsenden Teil der Öffentlichkeit. Sie werden sich fest im Automobil- und Nutzfahrzeugmarkt etablieren. Auch wenn das Pflänzchen Elektrofahrzeug in Deutschland zahlenmäßig noch ein wenig vor sich dahin dümpelt, steigt die Nachfrage nach Hybrid-Kraft- und Nutzfahrzeugen an. Bereits 2015 sollen etwa fünf Prozent aller neu angemeldeten Fahrzeuge mit Hochvolt-Systemen, wie sie in Hybrid- und Elektrofahrzeugen verbaut sind, ausgerüstet sein.

Das geht bereits heute aus unterschiedlichen Studien hervor. Deshalb wird für die Werkstatt dieses Thema immer interessanter, weil man dann mit einer erheblichen Anzahl von Hybrid- und Elektrofahrzeugen konfrontiert wird. Laut verschiedener Studien sollen 2015 etwa fünf Prozent aller neuen Fahrzeuge mit Hochvolt Systemen ausgerüstet sein.

Spannungen von bis zu 800 Volt

Die in der Regel aus der Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotor bestehende Antriebstechnik macht jedoch nicht vor der Werkstatt halt erfordert vom Anwender spezielle Kenntnisse im Umgang damit. Das bedeutet einmal, dass für die Kfz-Werkstätten die Fehlersuche aufwändiger und auch der sichere Umgang mit hohen elektrischen Spannungen von bis zu 800 Volt spezielle Kenntnisse erfordert.

Denn neben der Antriebseinheit besteht das Hybridsystem in Kraftfahrzeugen aus der Hochvolt(HV)-Batterie einschließlich Wartungs-/Servicestecker, dem HV-Kabelstrang, der an seiner Einfärbung in Orange zu erkennen ist und dem Wechselrichter (Inverter), der auf keinen Fall geöffnet werden darf, da hier Spannungen von bis zu 800 Volt anliegen. Alle HV-Komponenten sind mit einem Sicherheitsaufkleber gekennzeichnet.

Im Umgang mit Hochvoltanlagen vertraut machen
Elektrotechnische Arbeiten an Hochvolt-Systemen erfordern Extra-Know-how durch Hochvolt-TrainingsFoto: AVL

Hier wird klar, dass die Thematik Arbeiten an Hochvolt-Systemen im täglichen Werkstattalltag immer häufiger anzutreffen ist, in der markengebundenen wie auch freien Kfz-Werkstatt. Das bedeutet demzufolge, die Mitarbeiter dort müssen sich im Umgang mit Hochvoltanlagen vertraut machen, um das damit verbundene Sicherheitsrisiko ausschließen zu können. Die Überprüfung der Isolationsfestigkeit von HV Systemen sowie die Überprüfung des on-board Isolationswächters sind dabei Grundprüfungen für jede Wartung und Reparatur von HV Fahrzeugen.

Auch bei den Prüforganisationen gewinnen diese Messungen immer mehr an Bedeutung, da die Isolationsfestigkeit einer gewissen Alterung unterliegt. Hier gilt zu klären, in welchem Zustand sich die entsprechenden Leitungen und Leitungsverbindungen befinden, ob alle Abdeckungen, Verkleidungen, Hitzeschutzbleche und Warnschilder auf den entsprechenden Komponenten vorhanden und intakt sind. Funktionieren die Kontroll- und Warnleuchten des Hochvoltsystems? Und wie sehen Ladeanschluss, integriertes Ladekabel und der Antriebsenergiespeicher aus?

Elektrotechnische Arbeiten an Hochvolt-Systemen
Die Potentialausgleichsleiter-Messung ist wie eine Widerstandsmessung aber mit sehr hohen Prfstrom, wobei der Prfstrom von 200mA bis 1000mA (1A) in 100 mA Schritten eingestellt werden kann.Foto: Rinn

Mit elektrotechnischen Arbeiten darf erst begonnen werden, wenn Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag, Kurzschlüsse und Störlichtbögen durchgeführt sind. Nähere Ausführungen zu den Gefahren durch elektrischen Strom liefert die Information „Elektrofachkräfte“ (BGI 548). Dort heißt es, an unter Spannung stehenden aktiven Teilen elektrischer Anlagen und Betriebsmitteln darf im Regelfall nicht gearbeitet werden. Daher ist vor Beginn der Arbeiten der spannungsfreie Zustand herzustellen und für die Dauer der Arbeiten sicherzustellen. Dazu sind fünf Sicherheitsregeln einzuhalten. Deshalb gilt vor Beginn der Arbeiten folgendes:

• Freischalten

• Gegen Wiedereinschalten sichern

• Spannungsfreiheit feststellen

• Erden und kurzschließen

• Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken

Diese fünf Regeln für sicheres Arbeiten sind lebenswichtig und im Allgemeinen in der angegebenen Reihenfolge einzuhalten. Die fünf Sicherheitsregeln gelten grundsätzlich für Starkstromanlagen, unabhängig von der Spannungshöhe. Es bestehen für Anlagen mit Nennspannungen bis 1000 V einige Erleichterungen. Bei Arbeiten am HV-System müssen die ersten drei Regeln angewandt werden. Ob weiterhin die vierte und fünfte Regel angewendet werden müssen, ist im Einzelfall festzulegen.

Im Prinzip gewährleistet die Systemkonstruktion Sicherheit, weshalb von Hochvoltsystemen bei normalem Betrieb keine Gefährdung ausgeht. Werden jedoch bei Reparaturarbeiten, Versuchen oder einem Unfall unter Spannung stehende Teile berührt, kann es zur gefährlichen Körperdurchströmung kommen. Bei einem Kurzschluss zwischen den Polen des HV-Systems besteht zudem die Gefahr eines Lichtbogens, der zu Verbrennungen sowie Verblitzen der Augen führen kann.

Unterweisung für die Arbeit an Hybridfahrzeugen
Bei ZF Services hat man die Hochvolt-Trainings als festen Bestandteil in das Trainingsangebot integriert.Foto: ZF Services

Allgemeine Instandhaltungsarbeiten an Hybridfahrzeugen und anderen Fahrzeugen mit Hochvolt-Systemen, etwa Arbeiten an der Abgasanlage, Öl- oder Reifenwechsel können vorgenommen werden, solange die Sicherheitssysteme des HV-Systems intakt sind, beispielsweise keine Beschädigungen an den HV-Komponenten vorliegen. Dabei beschränken sich derartige Arbeiten zunächst auf HV-eigensichere Fahrzeuge.

Eigensicher bedeutet, dass durch technische Maßnahmen am Fahrzeug für den Mitarbeiter ein vollständiger Berührungs- und Lichtbogenschutz gegenüber dem HV-System gewährleistet ist. Eine elektrische Gefährdung beim Arbeiten am HV System liegt vor, wenn die Spannung zwischen den aktiven Teilen größer als 25 V AC oder 60 V DC ist und der Kurzschlussstrom an der Arbeitsstelle den Wert von 3 mA (milli Ampere) AC oder 12 mA DC übersteigt.

Vor Aufnahme der Arbeiten müssen die Mitarbeiter jedoch eine spezielle Unterweisung bekommen, um potenzielle Gefährdungen durch das HV-System kennen zu lernen und dabei mit den Kennzeichnungen der HV-Komponenten vertraut gemacht. Dadurch werden sie in die sichere Bedienung des Fahrzeugs eingewiesen. Die Arbeit an den HV-Komponenten ist damit jedoch noch nicht erlaubt. Dafür benötigt man eine Zusatzausbildung als „Fachkundige für Hochvolt-Systeme“. Erst dann kann der Mitarbeiter selbst HV-Systeme spannungsfrei schalten und Arbeiten an den HV-Komponenten durchführen.

Ablaufkette bei Arbeiten an E-Fahrzeugen beachten
Arbeiten im hochsensiblen Bereich: Spannungsfreiheit feststellen und dokumentierenFoto: Rinn

Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs in Kraftfahrzeugen, also Motorrädern, Pkw und Lkw, erfordert neben der entsprechenden Mitarbeiter-Qualifizierung auch spezielles Arbeits- und Testequipment in der Werkstatt. „Spätestens wenn ein Hybridfahrzeug in die Werkstatt kommt, muss sich der Anwender an die Spielregeln halten“, warnt Michael Helmert, Sales Manager bei AVLDiEST und merkt an: „Vielfachmessgeräte haben an energiereichen Anlagenteilen zu hohem Unfallgeschehen geführt. Deshalb sind sie hier nicht geeignet. Denn bis zum Nachweis der Spannungsfreiheit gilt das System als unter Spannung stehend.“

Im Zuge der Messmethoden und Auswertungen an Hochvolt-Systemen weist er auf das Zusammenspiel von HV Sicherheitsmessung, Informationssystem, Diagnose (OBD) sowie Messtechnik, also Freischalten und Potentialausgleich. „Die Ablaufkette bei Arbeiten an E-Fahrzeugen ist extrem wichtig“, weiß er aus Erfahrung zu berichten und macht hier einen Schwenk zum Hochvolt-Messmodul AVL DiTEST HV Safety 2000, das speziell für den automotiven Hochvolt-Bereich zur strikten Einhaltung aller Sicherheitsanforderungen in den Werkstätten entwickelt wurde und laut Helmert als erstes „all in one“ Gerät die Messung entsprechend UNECE R100 ermöglicht. Es unterstützt die Anforderung der Messung mit 1 Ampere ausschließlich über den Standard USB Anschluss, also ohne zusätzliche Stromversorgung.  

Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren
Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren.Foto: Rinn

Die menügeführte Messung der Spannungsfreiheit erfolgt mit durchgehender Dokumentation. Denn bei einfachen Tests, Servicearbeiten oder Reparaturen muss die Spannungsfreiheit hergestellt, überprüft und dokumentiert werden und das während der gesamten Zeit der Arbeiten. Das Messgerät HV Safety 2000 wartet hier mit einer einfach geführten Messtechnik auf, damit der Anwender sicher die Spannungsfreiheit prüfen kann. Dabei zeichnet die Software jeden einzelnen Test inklusive Einstellungen, Prüfmitteltest und Testergebnisse auf, damit am Ende der Messung ein detaillierter Testbericht erstellt werden kann, den man gedruckt oder gespeichert archivieren kann.

Um die Isolationsfestigkeit eines Fahrzeuges zu testen, muss eine Prüfspannung von außen angelegt werden. Diese Spannung muss im Bereich der Batteriespannung des E-Fahrzeuges liegen. Das Messgerät generiert automatisch hier die notwendige Spannung ohne Gefährdung des Anwenders. Die gesamte Prüfung wird auch im Prüfbericht zur Verfügung gestellt. Nach Abschluss der Arbeiten, wie etwa Teiletausch, muss die Hochspannung wieder fehlerfrei hergestellt werden.

Zur Überprüfung der Sicherheit des HV Fahrzeuges ist in der Norm UNECE R100 die Überprüfung des Potenzialausgleichswiderstandes definiert. Zudem wird diese Messung mit dem vorgeschriebenen Strom von 1 A unterstützt. Dabei bietet Safety 2000 die kompletten Funktionen eines digitalen Voltmeters wie Diode, Widerstand, Kapazität und Spannungsmessung. Die Messwerte sind gut am Bildschirm des PC’s ablesbar, was der Werkstatt die Anschaffung unterschiedlicher Messgeräte erspart.

Speziell durch die Elektrifizierung bedingte Arbeiten an einzelnen Baugruppen (Fahrwerk, Bremsen, Elektronik) sind:

(1) Ort der HV-Netzspannungsprüfung im Fahrzeug.

(2) Isolationsprüfung des HV-Netzes.

(3) Entladung des Zwischenkreises und Wartezeit.

(4) Abschleppbedingungen.

(5) Ladezeit der HV-Batterie sowie genaues Ladekonzept.

(6) Wartung von rekuperativen Bremssystemen mit Unterstützung des fahrzeugspezifischen Diagnosesystems.

(7) HV-Komponenten dürfen nicht geöffnet und repariert werden, sondern sind komplett zu erneuern.

(8) HV-Leitungssätze sowie HV-Kontaktierungen dürfen nicht repariert werden, sondern sind in den festgelegten Umfängen zu erneuern.

(9) Für folgende Teile ist ein Tauschteilekonzept vorgesehen:

- HV-Batterie,

- Leistungselektronik,

- Wandler.

Hochspannung ist erlernbar
Um den Auszubildenden den korrekten Einsatz der Messtechnik praxisnah demonstrieren zu knnen, mssen Bildungseinrichtungen ber mindestens ein E- oder Hybridauto verfgen. Der AVL DITEST Demo- und Trainingskoffer stellt hierzu eine optimale Ergnzung fr die eigensichere Ausbildung dar.Foto: AVL

In der Praxis stellt die Hochvolt-Technologie die Mitarbeiter in den Werkstätten immer noch vor viele Fragen wie etwa, welche Zusatzqualifikationen werden für welche Service-Tätigkeiten benötigt? Welche Teile eines Plug-in-Hybrids darf ein Techniker mit Hochvolt-Zusatzqualifikation ausbauen? Welche nicht? Und wo verlaufen die Trennlinien? Welche Zusatzausstattungen benötigen Werkstätten für Arbeiten an Hochvolt-Fahrzeugen?

Hier setzt man bei ZF Services an und bietet seit fünf Jahren drei modular aufgebaute Schulungen an: Mit der Teilnahme an einer Sensibilisierungs-Schulung zum Thema Hochvolt können sich die Teilnehmer zur „Elektrotechnisch unterwiesenen Person“ (EUP) weiterbilden. Diese Qualifikation ist generell notwendig, um an einem Fahrzeug mit Hochvolt-Technologie überhaupt Reparaturen vornehmen zu können, und zwar an nicht-elektrischen Systemen. Dazu vermitteln Aufbauschulungen die Qualifikation zum „Fachkundigen für Arbeiten an Hochvolt-eigensicheren bzw. nichteigensicheren Fahrzeugen“.

Die Unterscheidung bezieht sich auf „eigensichere“ Hochvolt-Pkw, bei denen auch im Schadensfall keine ernsthafte Gefährdung durch Stromschlag zu erwarten ist, weil ein zusätzlicher Sicherungskreis die Hochvoltanlage automatisch abschaltet. Bei vielen Nutzfahrzeugen gibt es diese Absicherung nicht, daher ist dieser Qualifikationsteil umfangreicher.

Mit seinen Hochvolt-Trainings ist ZF Services nicht mehr nur in seinem bewährten Gebiet, den Werkstatt-Trainings, aktiv: „Mit diesem Angebot bewegen wir uns schon heute im freien Markt für spezielle Zusatzqualifikationen“, erklärt ZF Services-Geschäftsleiter Dr. Ulrich Walz und merkt an: „Mit unseren Trainings schaffen wir generell einen hohen Mehrwert, nicht nur beim Thema Hochvolt oder bei den speziellen ZF Services ProTech-Partnerveranstaltungen.“

Daher will man bei ZF Services manche Trainings künftig auch auf dem freien Markt kostenpflichtig anbieten. Denn die Unterweisungen und Zusatzqualifikationen bedeuten nicht nur ein Muss für den Werkstatt-Mitarbeiter, um entsprechende Arbeiten an Hybridfahrzeugen auszuführen. Sie sind für die Werkstatt auch ein Vorsprung durch Qualifikation, weil sich damit der Betrieb frühzeitig als kompetent bei seinen Kunden auszeichnen kann.

Hochspannende Übungen
All-in-one?-Gert zur betrieblichen und berbetrieblichen Ausbildung. Das HV Safety 2000 mit Trainingskoffer ist das ideale HV-Diagnosemodul fr Kfz-Bildungseinrichtungen.Foto: Rinn

E-Mobilität ist ein verpflichtender Bestandteil in Kfz-Mechatroniker-Ausbildung. Dazu stellt AVL DITEST den Bildungseinrichtungen mit dem HV-Demokoffer ein praktisches Schulungstool zur Verfügung.Der Trainingskoffer ist als „all-in-one“-Gerät ausgelegt, mit dem eine einfache, menügeführte Messung der Spannungsfreiheit unter strikter Einhaltung aller Sicherheitsanforderungen in der Kfz-Werkstatt demonstriert werden kann.

Die Prüfschritte werden dazu durchgehend protokolliert. Ein eingebauter Spannungsgenerator sorgt für die sichere, aktive Messung des Isolationswiderstandes mit einer Prüfspannung von bis zu 1.000 Volt, um beispielsweise zu testen, ob die Isolierung aller hochspannungsführenden Teile intakt ist. Dabei sind auch Messungen nach SAE Standard J1766 (Isolationsmessung unter Spannung mit Anlegen eines Messwiderstandes) möglich. Darüber hinaus kann eine Potenzialausgleichsmessung entsprechend UNECE R100 mit einem Prüfstrom von 1 Ampere durchgeführt werden. Der zuverlässige Potenzialausgleich im Kfz ist essentiell, um das Funktionieren des On-Board-Isolationswächters zu gewährleisten und die Gefahr eines Stromschlages im Isolationsfehlerfall auszuschließen.

Die Stromversorgung des HV Safety 2000 funktioniert über eine Standard-USB-Schnittstelle, sodass keine zusätzliche Stromquelle oder Batterien notwendig sind. Der AVL DITEST Demo- und Trainingskoffer ist für alle Fahrzeugkategorien vom Motorrad über den Pkw bis zum Nkw einsetzbar und bietet die Möglichkeit, Fehler praxisgerecht zu simulieren, was an einem intakten Fahrzeug nur schwer möglich ist. Der Koffer ist als mobile Einheit gestaltet, die das Messgerät AVL DITEST HV Safety 2000 sowie einen Hochvolt-Demonstrator beinhaltet, an dem alle Sicherheitsregeln und praktischen Messungen vor- und ausgeführt werden können.

www.avlditest.com

www.protech.zf.com

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