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Hochvoltsysteme Teil 1: Batterie

Grundsätzlich kennzeichnet ein Hybridfahrzeug das Vorhandensein zweier unterschiedlicher für den Fahrzeugantrieb eingesetzter Energiewandler, was beim sogenannten Mikrohybrid nicht der Fall ist.

Während Mikrohybride mit der herkömmlichen Spannung von 12 Volt arbeiten, werden in Mildhybriden meist 48 Volt eingesetzt. Bei Voll Hybridfahrzeugen und natürlich E-Fahrzeugen (BEV) dagegen geht es ans Eingemachte, hier kommen Hochvoltkomponenten zum Einsatz.
Als „Hochvolt“ (nicht zu verwechseln mit der Hochspannung, die Spannungen ab 1000 Volt AC bzw. 1500 Volt DC meint) im Automobilbereich gelten Spannungen, die mehr als 25 Volt (Wechselspannung AC) bzw. 60 Volt (Gleichspannung DC) betragen, wobei in Elektro- und Hybridautos mehrere hundert Volt Standard sind.

Lithium-Ionen-Akkumulator
Die wichtigsten Komponenten des Elektroantriebs sind der Elektromotor, die Leistungselektronik und die Batterie. Letztere hat maßgeblichen Einfluss auf das Gewicht, die Größe und den Preis eines Elektroautomodells und ist in der Regel ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Akkus werden im Auto nicht „zu Ende gebraucht“ und können nach ihrem Einsatz im E-Fahrzeug etwa als stationäre Energiespeicher weiterverwendet werden. Denn sobald sie weniger als 80 Prozent Energie- und Leistungsdichte aufweisen als im Neuzustand (was erst nach einer Fahrzeuglaufleistung von mindestens 150.000 Kilometern eintreffen sollte), gelten die Akkus für den Einsatz im Auto als verschlissen.
Lithium-Ionen-Akkus unterscheiden sich in ihrer Funktion von den bekannten Bleiakkumulatoren: Während in Blei-Säure-Batterien die Plus- und die Minus-Elektroden (bzw. -Platten) mit dem Elektrolyten reagieren, dient der Elektrolyt im Lithium-Ionen-Akku nur zum Transport der Lithium-Ionen – die in den porösen Gitterstrukturen der Elektroden eingelagert sind – von einer Elektrode zur anderen.

Batteriemodule & Subunits
Eine Hochvoltbatterie besteht aus meist mehreren Hundert Lithium-Ionen-Batterien. Diese Einzelzellen sind in unterschiedlichen Gehäusebauformen (zylindrisch mit aufgewickelten Elektrodenplatten; flach mit blattförmigen Elektroden; prismatisch) erhältlich und werden in baugleicher Ausführung auch beispielsweise in mobilen Elektronikgeräten verwendet. Die Einzelzellen weisen eine Nennspannung von 3,7 Volt auf. Damit der Akku auf Hochvolt kommt, werden die Zellen in Serie geschaltet – teilweise auch parallel, um eine höhere Kapazität zu erreichen. So entstehen aus Einzelzellen Batteriemodule, in denen zudem eine Überwachungselektronik die Zellspannungen und die Temperaturen erfasst und für eine Angleichung des Ladezustands der einzelnen Zellen sorgt. Diese Module werden wiederum zusammengeschaltet und zusammengebaut und bilden so sogenannte Subunits. Hier tritt nun die Kühlung auf den Plan, denn Hochvoltbatterien verfügen über ein internes, aktives Thermomanagement für die Zellen. Um dies zu bewerkstelligen, enthalten die Subunits flüssigkeitsdurchströmte Kühlplatten.

Trenneinrichtung
Was nun letzten Endes als Hochvoltbatterie bezeichnet wird, ist die Zusammenfassung mehrerer Subunits in einem Gehäuse. Dabei ist auch ein Batteriemanagement-Steuergerät integriert, das die Ladezustände der einzelnen Zellen und den Alterungszustand ermittelt.
Zusätzlich enthält die Hochvoltbatterie eine Trenneinrichtung – die BDU, Battery Disconnect Unit –, mit welcher der Akkumulator galvanisch vom Bordnetz getrennt werden kann. Die Möglichkeit dieser Trennung ist natürlich für ein sicheres Arbeiten an Hochvoltsystemen elementar und gehört auch zu den technischen Maßnahmen, die das Auto „HV-eigensicher“ machen.

Motoröl ist ein Hightech-Produkt geworden

Die Anforderungen an das Motoröl wurden in den vergangenen Jahren immer höher. Selbstverständlich sind die Hauptaufgaben des Öls immer noch, den Motor zu schmieren und zu kühlen. Doch nur dazu würden keine Hightech-Motoröle benötigt, Standardprodukte haben diese Aufgaben jahrzehntelang anstandslos bewältigt.

Wechselintervalle und Abgasnormen
Dann wurden in einem ersten Schritt die Ölwechselintervalle verlängert. Dazu musste auch das Motoröl langlebiger werden. Der Schutz vor Oxidation des Öls wurde durch entsprechende Additive etc. erhöht. Aber auch die Scherstabilität, also die Erhaltung der Viskosität des Frischöls über die ganze Laufzeit, und beispielsweise die thermische Stabilität mussten entsprechend angepasst werden.
Strengere Abgasnormen führten zu Veränderungen und Erweiterungen der Abgasnachbehandlungssysteme, hier sei etwa der Dieselpartikelfilter genannt. Diese Systeme stellten wiederum neue Anforderungen an das Motoröl. So mussten etwa der Phosphor- und der Schwefelgehalt im Öl reduziert, die Neigung zur Bildung von Ascheablagerungen verringert werden.

Leichtlaufeigenschaften
Schließlich wurde der Kohlendioxidausstoß bzw. der Treibstoffverbrauch zu einem dominierenden Thema in der Motorenentwicklung. Sinkt die Reibung im Motor, wird auch weniger Treibstoff benötigt, um dieselbe Leistung zu erzielen. Und ein dünnflüssiges Öl kann – besonders beim Kaltstart – die Reibung vermindern. So wurde das Motoröl plötzlich zu einem wichtigen „Bauteil“, um bessere Treibstoffverbrauchswerte zu ermöglichen.
Und diese Leichtlaufeigenschaften werden weiter verbessert, 0W-Öle sind im Kommen. Mit der Absenkung der Viskosität erhöht sich jedoch gleichzeitig die Gefahr, dass der Schmierfilm reißen könnte, und die Öle müssen entsprechend ausgelegt werden, damit dies unter keinen Umständen geschieht. Dies ist mit ein Grund dafür, dass immer mehr Motoröle exakt auf eine Motorenbaureihe abgestimmt sind: Sie sollten ausschließlich in diesen Motoren eingesetzt werden; umgekehrt verlangen diese Motoren nach einem entsprechenden Öl und die Motorenhersteller vergeben Freigaben für die von ihnen als geeignete Motoröle eingestuften Produkte.

Die Qual der Wahl
Diese Komplexität des Angebots stellt sowohl Werkstätten als auch Autofahrer vor Probleme. Während eine Werkstatt früher mit zwei Ölfässern beinahe den ganzen Kundenfahrzeugpark abdecken konnte, müssen heute viele Ölspezialitäten an Lager gehalten werden. Die Schmiermittelhersteller haben inzwischen reagiert, und so sind vermehrt kleinere Gebinde im Angebot. Dazu zählen etwa 20-l-Säcke in Kartonboxen, sogenannte Bag-in-Box-Systeme.

Besonderheiten der elektromechanischen Feststellbremse

Die elektromechanische Feststellbremse oder elektrische Parkbremse bzw. elektronische Handbremse kommt in immer mehr Fahrzeugmodellen zum Einsatz.

Neben ihrer herkömmlichen Funktion, das Auto gegen Wegrollen zu sichern, erfüllt sie natürlich auch die gesetzliche Anforderung, ein zweites, unabhängiges Bremssystem an Bord zu haben. Darüber hinaus bieten die verschiedenen Systemvarianten der elektromechanischen Feststellbremse weitere (Komfort-) Funktionen wie etwa eine dynamische Notbremsfunktion, einen adaptiven Anfahrassistenten und eine Bremsbelagverschleißkontrolle. Für die Werkstatt ergeben sich gegenüber herkömmlichen Feststellbremsen Änderungen sowohl im Prüfablauf als auch bei der Reparatur von Systemen mit elektromechanischer Feststellbremse.

Fehlersuche
Zur Fehlersuche ist die Bremsanlage zuerst auf dem Bremsprüfstand zu testen. Hier wird erkannt, ob die elektromechanische Feststellbremse gar nicht oder nur eingeschränkt funktioniert. Je nach System sind unterschiedliche Punkte zu beachten.
Wichtig ist, dass die Prüfung ausschließlich mit einem Rollenbremsprüfstand durchgeführt werden kann, ein Plattenprüfstand kommt nicht in Frage. Zudem ist zu berücksichtigen, dass das Auto bei der Prüfung aus den Rollen herausspringen kann.
Als Nächstes folgt eine Sichtprüfung der „üblichen Verdächtigen“ wie Bremsbeläge, Leitungen bzw. allenfalls Seilzüge. In einem nächsten Schritt sollte die Mechanik geprüft werden: Je nach System kann der Schließvorgang der Bremse hör- oder an entsprechender Stelle sichtbar sein.

Diagnosegerät erforderlich
Wenn anhand der Sichtprüfung und der Kontrolle der Mechanik keine Fehler festgestellt werden können bzw. wenn die Stellmotoren oder Betätigungseinheiten gar nicht angesteuert werden, ist es Zeit, den Fehler in der Elektronik und Steuerung zu suchen. Mit einem entsprechenden Diagnosegerät kann der Fehlerspeicher ausgelesen werden. Und je nach Gerät können mit Hilfe der Ist-Werte die Schaltzustände einzelner Bauteile dargestellt werden. Unter Umständen ist auch eine Stellglieddiagnose möglich, bei der die Bauteile angesteuert und auf ihre Funktion hin getestet werden können.
Zur Diagnose und falls eine Reparatur der elektromechanischen Feststellbremse nötig ist, sind selbstverständlich die Reparaturanleitungen, Prüfwerte, Anzugsdrehmomente usw. des Fahrzeugherstellers zu beachten. Und wie immer ist der Fehlerspeicher nach ausgeführter Reparatur zu löschen. Abschließend wird eine weitere Funktionsprüfung auf dem Rollenbremsprüfstand durchgeführt.

Nur mit Diagnosegerät
Je nach System der elektromechanischen Feststellbremse können selbst einfache Arbeiten wie der Wechsel der Bremsbeläge nur mit Hilfe eines entsprechenden Diagnosegeräts ausgeführt werden. Dabei muss die Feststellbremsanlage vor dem Ausbau und nach dem Einbau der Beläge mittels Diagnosegerät in eine Grundeinstellung gebracht werden. Allenfalls muss zudem die Belagstärke der neuen Beläge „angelernt“ bzw. mittels Diagnosegerät ins System eingegeben werden.

Mechanische Notentriegelung
Bei einem Ausfall des Systems mit „angezogener“ elektromechanischer Feststellbremse soll auch der Fahrer in der Lage sein, die Bremse mittels einer Notfallentriegelung zu „lösen“. In der Regel befinden sich deshalb entsprechende mechanische Betätigungshebel etc. im Bordwerkzeug, und das genaue Vorgehen ist in der Betriebsanleitung des Autos beschrieben. Wichtig ist, dass das System nach einer Notentriegelung auf jeden Fall neu initialisiert werden muss – auch dies erfolgt gemäß den Fahrzeugherstellerangaben.

Scheinwerfereinstellung ist keine Hexerei

Während die Scheinwerfereinstellung zu „Urzeiten“ mit der so genannten 10-Meter-Wand vorgenommen wurde, gehören Scheinwerfereinstellgeräte (SEG) heute zum Standard. Dabei können sowohl analoge als auch digitale, kamerabasierte SEG eingesetzt werden.

Scheinwerfereinstellplatz
Zu den wichtigsten Voraussetzungen für eine präzise Einstellung zählt nach wie vor ein entsprechender ebener Prüfplatz. Die Prüffläche und die zulässigen Toleranzen sind in der DIN-ISO-Norm 10604 spezifiziert, wobei zu beachten ist, dass selbst kleine Abweichungen große Auswirkungen auf die Lichtverteilung haben.
Eine Möglichkeit, die geforderte Ebenheit und Neigung des Scheinwerfereinstellplatzes sicherzustellen, ist der Einsatz eines Nivellierplattensystems. Damit kann pro Fahrspur ein individueller Höhenausgleich über variable Einstellelemente vorgenommen werden.

Fahrzeugvorbereitung
Auch das Fahrzeug muss entsprechend auf die Prüfung vorbereitet sein. Neben der Kontrolle der Scheinwerfer auf Beschädigungen, Trübungen usw. muss sichergestellt sein, dass der Reifendruck vorschriftsgemäß ist. Zudem ist der Fahrersitz mit 75 Kilogramm zu belasten (bei ansonsten unbelastetem Auto).
Wenn das zu prüfende Fahrzeug mit einer Luft- oder Hydraulikfederung ausgestattet ist, sind die Herstellerangaben zu beachten. Dies gilt auch bei Scheinwerfersystemen, die über eine automatische Korrektur der Scheinwerfer respektive eine stufenlose oder mehrstufige Verstelleinrichtung verfügen. Bei diesen Systemen sind unter Umständen spezielle Funktionsprüfungen vorzunehmen. Wenn das Auto mit einer automatischen Leuchtweitenregulierung ausgestattet ist, muss möglicherweise das Steuergerät mittels eines Diagnosetesters in einen Grundmodus gestellt werden.
Nachdem das SEG korrekt zum Fahrzeug bzw. zum Scheinwerfer ausgerichtet wurde, ist die Vorneigung der Hell-Dunkel-Grenze am Gerät einzustellen, welche dem Neigungswinkel der Hell-Dunkel-Grenze des Scheinwerfers entsprechen muss. Die Vorneigung in Prozent ist meist auf dem Scheinwerfer aufgedruckt.

Vertikale Hell-Dunkel-Grenze
Nun kann das Abblend- und danach das Fernlicht wie bereits von der 10-m-Wand-Methode her bekannt geprüft bzw. eingestellt werden. Dazu sind allerdings gerade bei neueren Lichtsystemen einige Punkte zu beachten.
Bei separaten Fernlichtmodulen weicht die Einstellung unter Umständen vom Standardvorgang ab, und es sollten die Vorgaben des Fahrzeugherstellers zur Einstellung konsultiert werden.
Ist das Auto mit einem Fernlichtassistenten ausgerüstet, der etwa das Fernlicht automatisch auf- und abblendet und mit einer so genannten vertikalen Hell-Dunkel-Grenze arbeitet, unterscheidet sich die Abbildung der Lichtverteilung auf dem Prüfschirm von herkömmlichen Abbildern. Zur Einstellung müssen die Scheinwerfer hier mithilfe eines Diagnosegeräts in eine bestimmte Position gefahren und die vertikale Hell-Dunkel-Grenze angesteuert werden. Dazu sind die Herstellerangaben penibel zu beachten, da bei inkorrekter Einstellung andere Verkehrsteilnehmer stark geblendet werden können.
Abschließend wird mit dem Luxmeter des Scheinwerfereinstellgeräts die Beleuchtungsstärke gemessen, dabei dürfen die maximalen Blendwerte von 1.0 Lux für Halogenlicht bzw. 1.3 Lux bei Xenonlicht nicht überschritten werden.

Batterien für Start-Stopp-Systeme

Start-Stopp-Systeme stellen hohe Anforderungen an die Batterien: Neben den vielen zusätzlichen Motorstarts müssen sie vor allem auch stets genügend Energie bereitstellen, um elektrische Verbraucher während der Stopp-Phasen – in denen die Batterie nicht über den Motor und den Generator geladen wird – betreiben zu können.

EFB- oder AGM-Batterie?

Einfache Start-Stopp-Systeme benötigen mindestens eine EFB-Batterie (Enhanced Flooded Battery), die eine rund doppelt so hohe Zyklenfestigkeit und damit auch eine längere Lebenszeit aufweist als eine herkömmliche Starterbatterie. Start-Stopp-Systeme, die zusätzlich rekuperieren, also beim Bremsvorgang elektrische Energie zurückgewinnen, sollten mit AGM-Batterien (Absorbent Glass Mat) ausgestattet sein, deren Zyklenfestigkeit etwa viermal so hoch ist wie bei einer herkömmlichen Batterie.

Als Faustregel gilt: Herkömmliche Batterien gehören nicht in Fahrzeuge mit Start-Stopp-System. Autos, die einen EFB-Akku verbaut haben, können bei einem Batteriewechsel mit EFB oder AGM ausgerüstet werden. Ist eine AGM-Batterie eingebaut, muss diese wiederum durch eine AGM ersetzt werden.

 

Polyestergeflecht bzw. Mikroglasfasermatten

Die höhere Zyklenfestigkeit wird in beiden Batterietypen unterschiedlich erreicht. EFB-Batterien verfügen auf der positiven Elektrodenplatte über ein Kunststoffgitter, welches die aktive Masse fixiert und so ein schnelles Auf- und Entladen ermöglicht und den Innenwiderstand des Akkus niedrig hält.

In AGM-Batterien sind Glasfaservliese, welche die Schwefelsäure binden, zwischen den Bleiplatten eingebaut. Dadurch wird der Verlust des aktiven Materials verringert und schädliche Säurebeschichtung gehemmt. Der noch geringere Innenwiderstand als bei einer EFB-Batterie ermöglicht eine schnelle Reaktion zwischen der Säure und den Platten. In der Folge können große Energiemengen schnell bewegt werden – von der Batterie zu den vielen Stromabnehmern eines Start-Stopp-Systems, zur Batterie vom Rekuperationssystem.

 

Batteriesensor

Damit der Motor nach einem automatischen Stopp auch wieder gestartet werden kann und nicht aufgrund einer entladenen Batterie nicht mehr anspringt, wird die Batterie überwacht: Ein elektronischer Batteriesensor erfasst verschiedene Betriebskennzahlen wie Strom, Spannung, Temperatur dynamisch und überwacht anhand dieser gemessenen Werte die Leistungsfähigkeit wie Energieaufnahme- und -abgabefähigkeit der Batterie. So wird sichergestellt, dass die Batteriekapazität für den Motorstart nach dem Stopp ausreicht. Sollte dies nicht der Fall sein, stellt das System den Motor nicht ab.

 

Anlernen

Damit die Batterieüberwachung funktionieren kann, muss sie die Batterie „kennen“. Nach dem Einbau eines neuen Akkus muss dieser deshalb angelernt, im System müssen technische Daten wie Kapazität, Hersteller und Seriennummer programmiert werden. Zum Anlernen der neu eingebauten Batterie sind die Vorgaben des Fahrzeugherstellers zu beachten. In der Regel wird dazu ein geeignetes Service- bzw. Diagnosegerät benötigt. Zwar ist eine Konfigurierung und Programmierung des Systems nach einem Batteriewechsel nicht bei allen Fahrzeugmodellen vorgesehen. Die Fehlercodespeicher des Batteriemanagementsystems, des Motorsteuergerätes sowie anderer Systeme sollten jedoch immer ausgelesen werden, weil ein Ausfall oder die Entladung der Batterie einzelne Fehler verursacht haben könnte.