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Hochvoltsysteme: Ausbildung

Arbeiten an Hochvoltfahrzeugen dürfen ausschließlich von Personen ausgeführt werden, die über eine entsprechende Ausbildung – die in die drei Stufen HV-1, HV-2 und HV-3 aufgeteilt ist – verfügen. Der Grund: Als Hochvolt-Fahrzeuge (HV-Fahrzeuge) gelten batterieelektrische und Hybrid-Autos mit Spannungen größer als 25 Volt Wechselspannung bzw. 60 Volt Gleichspannung.

Meist betragen die Spannungen in diesen Fahrzeugen gar mehrere hundert Volt, und Lichtbögen bzw. der Kontakt mit spannungsführenden HV-Komponenten können gesundheits- oder lebensgefährdende Folgen haben.
Werkstätten, die solche Autos warten und reparieren, müssen zudem für die HV-Arbeiten einen Arbeitsverantwortlichen bestimmen, der mindestens die HV-2-Ausbildung erfolgreich absolviert hat.

HV-1: Arbeiten an HV-Fahrzeugen
Wer die Grundausbildung HV-1 – die Grundlagenwissen zum elektrischen Strom und dessen Gefahren sowie Systemkenntnisse, Schutz und Schutzmaßnahmen bis hin zu Erste-Hilfe-Maßnahmen vermittelt – absolviert hat, darf allgemeine, nicht mit dem HV-System in Verbindung stehende Arbeiten an Hochvoltfahrzeugen ausführen. Dazu zählen etwa Wartungsarbeiten, die Instandsetzung mechanischer Komponenten und Karosseriereparaturen. Auch Arbeiten am herkömmlichen (12-Volt-) Bordnetz und an Fahrzeugen mit 48-Volt-Teilnetz, wie es beispielsweise in Mildhybriden eingesetzt wird, sind erlaubt sowie natürlich die Probefahrt.

HV-2: Arbeiten an HV-Systemen
Wie erwähnt, ist die HV-2-Ausbildung die Basis, damit eine Werkstatt ihren Kunden mit Hochvoltfahrzeugen Wartungs- und Reparaturarbeiten anbieten kann und darf. Sie ist anspruchsvoller als HV-1 und setzt eine abgeschlossene Ausbildung in einem technischen Kfz-Beruf voraus. Diese Ausbildungsstufe vermittelt Fachwissen zu den verschiedenen Hochvoltsystemen, deren Bauteilen, Aufbau und Funktionen. Wer diesen Lehrgang absolviert hat, darf auch Arbeiten an den nicht spannungsführenden HV-Komponenten so genannter HV-eigensicherer Fahrzeuge ausführen.

HV-eigensicher bedeutet, dass durch technische Maßnahmen am Fahrzeug ein vollständiger Berührungs- und Lichtbogenschutz gegenüber dem HV-System gewährleistet ist. Dies wird insbesondere erreicht durch:
– technisch sichere Abschaltung des HV-Systems und automatische Entladung möglicher Energiespeicher vor Erreichen unter Spannung stehender Teile,
– Kabelverbindungen über Stecker in lichtbogensicherer Ausführung und nicht über Schraubverbindungen,
– sichere Abschaltung bei Entfernen von Abdeckungen des HV-Systems.

Die HV-2-Ausbildung vermittelt, wie die Hochvoltanlage HV-eigensicherer Fahrzeuge spannungsfrei (galvanische Trennung der HV-Batterie vom HV-Bordnetz) geschaltet und die Spannungsfreiheit korrekt überprüft wird. Zu den weiteren Lerninhalten der HV-2-Ausbildung gehören Sicherheitsvorschriften, allgemeine Schutzmaßnahmen (dazu zählen beispielsweise entsprechend geprüfte Schutzkleidung und speziell isolierte Werkzeuge) sowie die rechtlichen Grundlagen.

HV-3: Arbeiten an spannungsführenden HV-Systemen
Noch einen Schritt weiter geht die Ausbildung HV-3. Wer über diesen Abschluss verfügt, darf auch an nicht HV-eigensicheren Fahrzeugen wie beispielsweise Prototypen arbeiten. Und besonders wichtig: Die HV-3-Spezialisten sind auch ermächtigt, beispielsweise Messungen an unter Spannung stehenden Bauteilen des HV-Systems vorzunehmen.

HV-3 baut auf HV-2 auf, diese Stufe muss also vorhergehend erfolgreich absolviert werden. Zu den weiteren Voraussetzungen für die Zulassung zur HV-3-Ausbildung gehören ein Mindestalter von 18 Jahren und Berufserfahrung.

Hochvolt-Ausbildung bei Birner Akademie: https://www.birner.at/akademie/



Hochvoltsysteme: Unfallgefahren

Unterschiedlichste elektrische Anlagen sind im Automobil Standard, und das Werkstattpersonal ist den sicheren Umgang mit diesen Systemen längst gewohnt.

Batterieelektrische und Vollhybrid-Autos sind nun aber sogenannte Hochvolt-Fahrzeuge (HV) mit Spannungen größer als 25 Volt Wechselspannung (AC) bzw. 60 Volt Gleichspannung (DC) – meist betragen die Spannungen in diesen Fahrzeugen mehrere hundert Volt.
Wer an diesen Autos oder gar direkt an ihren Hochvoltkomponenten arbeitet, muss sich entsprechend bewusst sein, dass der direkte Kontakt mit spannungsführenden HV-Komponenten sowie allfälligen Lichtbögen gesundheits- oder gar lebensgefährdende Folgen haben können. Denn bereits Spannungen ab 30 Volt AC bzw. 60 Volt können gefährliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben – deshalb dürfen HV-Fahrzeuge ausschließlich von entsprechend geschulten Werkstattmitarbeitern gehandhabt und gewartet werden.

Menschlicher Körper als Widerstand
Grundsätzlich fließt in einem geschlossenen Stromkreis ein Strom, dessen Stärke von der Spannung und dem Widerstand abhängig ist (Stromstärke = Spannung geteilt durch den Widerstand). Wenn eine konstante Spannung vorliegt, ergibt sich die Stromstärke durch den Widerstand – je kleiner dieser ist, desto mehr Strom fließt.
Beim Kontakt mit stromführenden Teilen wird der menschliche Körper quasi als Widerstand in den Stromkreis eingebunden, und der Strom nimmt stets den kürzesten Weg bzw. denjenigen mit dem geringsten Widerstand. Wenn der Kontakt beispielsweise mit beiden Händen hergestellt wird, fließt der Strom von der einen Hand auf ziemlich direktem Weg über den einen Arm, das Herz (Gefahr von Herzkammerflimmern), die Lunge (Gefahr von inneren Verbrennungen) und den anderen Arm zur anderen Hand.
Besonders fies: Neben der direkten Berührung stromführender Teile können auch Lichtbögen gefährliche Verletzungen verursachen, denn wie von der Zündkerze bekannt, kann sich bei genügend hoher Spannung der Stromkreis über die Luft schließen.

Stromstärke und Zeit
Grundsätzlich ist die Gefährdung bzw. der Schaden, den der elektrische Strom im Körper verursacht, abhängig von der Stärke des Stroms und der Zeit, während der er den Körper durchfließt. Bei mehreren hundert Volt Spannung und beispielsweise einem Körperwiderstand von 1.000 Ohm zwischen beiden Händen ist die Stromstärke so hoch, dass es bereits nach Sekundenbruchteilen zu schweren Verbrennungen, nach etwa einer Sekunde zum Herzstillstand kommen kann.
Dabei ist zu beachten, dass dies prinzipiell auch für Gleichstrom gilt, allerdings etwas „vorteilhafter“, weil die physiologische Wirkung auf den Menschen bei gleicher Stromstärke hier weniger stark ist als die von Wechselstrom.

Fatale Wirkungen
Zu den Wirkungen, die der elektrische Strom auf den menschlichen Körper haben kann, zählen Verbrennungen, innere Verbrennungen, Muskelverkrampfung, Blutdrucksteigerung, Herzkammerflimmern bis hin zum Herzstillstand. Neben den beiden Hauptgefährdungen durch elektrische Körperdurchströmung bzw. Lichtbogeneinwirkung kann es durch Stromschläge zudem zu Sekundärunfällen wie beispielsweise Stürzen kommen.
Bei Arbeiten an Hochvoltsystemen sind deshalb jederzeit entsprechende Sicherheitsmaßnahmen einzuhalten. Die HV-Batterie ist vorhergehend galvanisch vom Bordnetz zu trennen und die HV-geschulten Fachleute arbeiten in einer speziellen persönlichen Sicherheitsausrüstung, zu der beispielsweise Isolierhandschuhe gehören.

Arbeitsschutz bei Birner: https://www.birner.at/auto/e-mobilitaet/arbeitsschutz/#

Hochvolt-Ausbildung bei Birner Akademie: https://www.birner.at/akademie/






Hochvoltsysteme: 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.