Ist 48V schon Hochvolt?
Laut einschlägiger Produktvorschriften wie der UN ECE R-100 oder den Informationen der Berufsgenossenschaft DGUV I 209-093 wird Hochvolt (automotive high voltage) als der Spannungsbereich zwischen 30VAC und 1000VAC sowie 60VDC und 1500VDC definiert.
Doch wie sind Fahrzeuge mit 48V-System zu behandeln? Laut dieser Definition fällt 48VDC nicht unter Hochvolt.
Solche Komponenten finden sich in vielen Mild-Hybrid Fahrzeugen (z.B. 48V Batterie und Startergenerator), aber auch als Antriebssystem in leichten Nutzfahrzeugen (z.B. Trops oder Evum).
Dürfen Arbeiten an 48V Komponenten und Systemen auch von Personen ohne HV-Qualifikation durchgeführt werden?
Wenn ein Inverter (Wechselrichter) mit einer Gleichspannung von 48VDC versorgt wird, kann daraus eine Wechselspannung von ca. 33VAC für den Betrieb eines angeschlossenen Elektromotors erzeugt werden. Falls Motor und der Inverter getrennte Komponenten sind, die über Kabel miteinander verbunden sind, gelten Inverter, Kabelsatz und Motor um Hochvolt-Komponenten! In diesem Fall ist bei Arbeiten am Fahrzeug eine entsprechende HV-Qualifizierung erforderlich, da der Mitarbeiter einer Berührungsspannung von mehr als 30VAC ausgesetzt sein kann.
Im Gegensatz dazu ist bei Mild-Hybrid Systemen oft ein gekapselter Aufbau üblich. Motor und Inverter befinden sich in einem gemeinsamen Gehäuse, die AC Leitungen sind von außen nicht zugänglich. In diesem Fall ist der Mitarbeiter einer maximalen Berührungsspannung von 48VDC ausgesetzt, daher ist keine Hochvoltqualifizierung nötig.
Weitere Informationen zu 48V Systemen:
- Aufbau üblicherweise wie bei HV-Systemen als IT-System (Plus und Minus sind von der Fahrzeugmasse isoliert)
- Lila als Kennfarbe von 48V Komponenten (Label und Kabelisolierung)
- Gefahr von Störlichtbögen bei Fehlhandlungen oder defekten Komponenten
- Gleiche chemische Gefährdungen an 48V Batterien wie bei HV Speichern durch Einsatz von Li-Ion Zellen
- Typische Einsatzbereiche: Startergenerator, elektrischer Turbolader, Wasserpumpe, aktives Fahrwerk
48V-Systeme schließen die Lücke zwischen klassischem 12V-Bordnetz und Hochvolt – doch sie bringen eigene Herausforderungen mit sich.
Lassen Sie uns gemeinsam klären, was in Ihrem konkreten Anwendungsfall zu beachten ist.
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E oder doch S? Den richtigen HV-Qualifizierungsbedarf ermitteln
In der DGUV Information 209-093 „Qualifizierung für Arbeiten an Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen“ werden Qualifizierungsstufen für verschiedene Tätigkeiten an HV-Systemen beschrieben. Zudem werden Anhaltspunkte und Entscheidungshilfen gegeben, mit deren Hilfe der Qualifizierungsbedarf von Mitarbeitern ermittelt werden kann.
In der DGUV I 209-093, wie auch in den vorher gültigen Dokumenten DGUV I 200-005 und BGI 8686 wird zwischen Arbeiten an Vorserienfahrzeugen im Qualifikationspfad E das heißt vor Produktionsstart / SoP (Qualifizierungsbedarf in Forschung, Entwicklung und Produktion) sowie Arbeiten an Serienfahrzeugen im Qualifikationspfad S (Qualifizierungsbedarf in Servicewerkstätten) unterschieden.
Wer benötigt welche Qualifikation?
Die Abgrenzung von Vorserie zu Serie wird in der Begriffserklärung der DGUV I 209-093 über den Zeitpunkt des Produktionsstarts (SoP) klar definiert:
Start of Production (SoP) bezeichnet den Beginn der Serienproduktion, bei dem Fahrzeuge nach standardisierten Arbeitsverfahren gefertigt werden. Die Entwicklungsphase sowie die Prototyp- oder Vorserienfertigung sind zu diesem Zeitpunkt abgeschlossen.
Für die Einteilung des Qualifikationsbedarfs benötigt man also eine genaue Definition der Begriffe Serienfahrzeuge und Entwicklungs- bzw. Vorserienfahrzeuge.
Merkmale eines Serienfahrzeugs:
- (EU-)Typgenehmigung bzw. Homologation mit Konformitätszertifikat (CoC)
- Erfüllung aller Anforderungen der UN ECE R-100 und ISO 6469
- Für den Verkauf an Endkunden bestimmt
- Keine signifikanten technischen oder konstruktiven Unterschiede innerhalb einer Modellreihe
- Standardisierte Hardware, Software und Prozesse in der Produktion und Wartung
- Gleichbleibende Qualität durch standardisierte Fertigung
- Sicherheitsfunktionen durch reale Crashversuche bestätigt
- Verfügbare Dokumentationen: Betriebsanleitungen, Reparaturhandbücher, Rettungsdokumente
Sonderfall Kleinserie:
- Kleinseriengenehmigung durch das Kraftfahrt-Bundesamt (KBA)
- Begrenzte Stückzahl
Merkmale von Entwicklungsfahrzeugen:
- Betrieb ohne Typgenehmigung (z. B. auf Testgeländen oder mit KBA-Erprobungsgenehmigung im Straßenverkehr)
- Ausstattung mit Sensorik, Messtechnik und Datenloggern zur Analyse der Fahrzeugdaten
- Modifikationen (z. B. durch andere oder fremde HV-Komponenten), durch die die ursprüngliche Typgenehmigung erlischt
- Betrieb von HV-Systemen, -Teilsystemen oder Komponenten auf Prüfständen
Alles eindeutig geregelt? Leider nicht ganz so einfach.
In der DGUV I 209-093, Seite 28, findet sich ein ergänzender Hinweis:
„Wird während des Produktentstehungsprozesses festgestellt, dass Komponenten verbaut werden, deren Sicherheitsstandards denen der Serienproduktion entsprechen, kann die Zuordnung zu einer Qualifizierung nach SoP erfolgen. Die Festlegung und Entscheidung darüber trifft die fachkundig leitende Person.“
Dieser Abschnitt relativiert die vorangegangene Abgrenzung. So kann z. B. ein Fahrzeughersteller für Serienfahrzeuge qualifiziertes Personal im Rahmen von Prozessvorläufern, Ramp-up-Phasen oder zur Einarbeitung weiterer Mitarbeiter bei der Fertigung seriennaher Fahrzeuge vor dem SoP einsetzen.
Diese Entscheidung ist allerdings von der Fachkundigen Leitung HV im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung zu treffen und nachvollziehbar zu dokumentieren. Da sich gewohnte Abläufe ändern können, muss eine gezielte Unterweisung der Mitarbeiter erfolgen.
Was aber sind Komponenten, deren Sicherheitsstandards denen der Serienproduktion entsprechen?
Die genannten Sicherheitsstandards in der Serienproduktion beziehen sich auf bewährte Maßnahmen zur elektrischen Sicherheit. Einen Anhaltspunkt dafür bietet die Definition von „HV-eigensicheres Fahrzeug“ aus den mittlerweile obsoleten Dokumenten DGUV I 200-005 und BGI 8686:
HV-eigensicheres Fahrzeug
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.
Diese Forderungen stimmen mit den Sicherheitsanforderungen aus Absatz 5 der UN ECE R-100 überein. Ergänzend zu den Anforderungen der ECE R-100 können auch weitere Kriterien aus Normen wie ISO 6469 zur Beurteilung der Sicherheitsstandards herangezogen werden:
- Anzeige HV-relevanter Status- und Fehlermeldungen
- Anzeige von Fahrbereitschaft und Fahrtrichtung
- Abschaltung des HV-Systems im Crashfall oder bei Airbagauslösung
- Isolationsüberwachung mit Anzeige oder Einwirkung auf das HV-System
- Aktive und passive HV-Zwischenkreisentladung
- Verriegelung des Ladesteckers während des Ladevorgangs
- Fahrbereitschaftssperre bei gestecktem Ladestecker oder aktivierter Lenkradsperre
Elektroumbauten (Retrofit)
Ein Sonderfall ist der Umbau von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb. Durch den Einbau eines HV-Systems in ein ursprünglich nicht dafür vorgesehenes Fahrzeug erlischt die Typgenehmigung. Dadurch wird eine Einzelabnahme und Erstellung einer Einzelbetriebserlaubnis durch eine Prüforganisation gemäß VdTÜV Merkblatt 746 erforderlich.
Für die Festlegung des Qualifizierungsbedarfs ist auch hier die Fachkundige Leitung HV zuständig.
Folgende Fragestellungen sind in die Entscheidung einzubeziehen:
- Wurde der komplette HV-Antriebsstrang eines Spenderfahrzeugs inklusive der originalen Steuer- und Sicherheitselektronik verbaut?
- Erfolgt der Betrieb des HV-Systems über eine Restbussimulation als Steuerelektronik zwischen „altem Verbrenner“ und „neuem HV-System“ (Dem Fahrzeug werden die erwarteten Signale eines Verbrenners eingespielt, dem HV-System wird simuliert, dass es weiterhin in einem Elektrofahrzeug verbaut ist.)
- Wurde die Restbussimulation oder Steuerelektronik nach ASIL D Standard entwickelt und implementiert?
- Wurden standardisierte „off-the-shelf“ Komponenten, die eine ABE oder Herstellerfreigabe für den Betrieb und die Kommunikation untereinander besitzen verwendet?
Fazit
Die Einteilung des Qualifizierungsbedarfs in die Kategorien „Arbeiten an Serienfahrzeugen“ und „Arbeiten an Fahrzeugen vor SoP“ ist in vielen Fällen klar möglich. Bei Sonderfällen wie z. B. Retrofit-Umbauten oder seriennahen Entwicklungsfahrzeugen stoßen pauschale Einstufungen schnell an ihre Grenzen. Hier sind fundierte Einzelfallbewertungen und eine klare Dokumentatione durch die Fachkundige Leitung HV erforderlich.
Genau hier setzen unsere Dienstleistungen an.
Als Partner mit fundierter Fachkompetenz im Bereich Hochvolt-Sicherheit bieten wir Ihnen:
- Beratung zur Gefährdungsbeurteilung von HV-Arbeitsplätzen und bei Arbeiten an Prüfständen, Prototypen oder Sonderfahrzeugen.
- Unterstützung bei der Festlegung des Qualifizierungsbedarfs Ihrer Mitarbeiter gemäß DGUV I 209-093
- Individuelle HV-Schulungen, praxisnah, zielgerichtet und auf Ihre Fahrzeug- und Prozesssituation abgestimmt
- Begleitung bei Aufbau und Dokumentation sicherer Arbeitsprozesse im Umgang mit Hochvoltsystemen
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Die wichtigsten Varianten des Lastmanagements
In Deutschland sind rund 59 Millionen Kraftfahrzeuge zugelassen. Bei einer für Elektrofahrzeuge üblichen Ladeleistung von 11 kW käme man rechnerisch auf 649 Gigawatt Leistung, die bereitgestellt werden müsste. Das ist fast drei Mal so viel wie die alle Kraftwerke in Deutschland zusammen leisten können.
Logischerweise werden nicht alle Verbrenner auf einen Schlag durch Elektrofahrzeuge ersetzt. Die stetig steigenden Zulassungszahlen von Elektroautos lassen aber manche zweifeln, ob in wenigen Jahren noch genug Strom für alle verfügbar ist.
Keine Sorge, es müssen ja nie alle Fahrzeuge gleichzeitig den Akku komplett aufladen und die Stromnetze werden auch kontinuierlich weiter ausgebaut. Aber reicht das?
In diesem Beitrag wird gezeigt, welche Möglichkeiten es gibt, die heute bestehenden Netzanschlüsse bestmöglich zum Laden von Elektrofahrzeugen zu nutzen - oft ohne dass Änderungen am Hausanschluss erforderlich sind.
Jedes Gebäude hat eine bestimmte Anschlussleistung, das beschreibt einfach ausgedrückt, wie dick die Stromleitungen sind, die in das Gebäude gehen und welche Hauptsicherungen verbaut sind. Falls im Gebäude zu viel Strom verbraucht wird, lösen diese Sicherungen aus und schützen die eingehenden Stromleitungen vor Überlastung - im Haus fällt der Strom aus. Der normale Stromverbrauch im Gebäude liegt also immer unterhalb der Anschlussleistung, je nach aktuellem Stromverbrauch sind die "Reserven" mal kleiner und mal größer. Welche Reserven verfügbar sind, kann durch eine Lastgangmessung oder durch Erfahrungswerte ermittelt werden.
Diese Reserven können zum Aufladen von Elektrofahrzeugen genutzt werden. Durch entsprechenden Anschluss oder intelligente Ladeinfrastruktur bleibt die Ladeleistung immer innerhalb der Reserven, der Fachbegriff hierfür lautet Lastmanagement. Man unterscheidet zwischen statischem Lastmanagement in verschiedenen Ausführungen (feste Leistungsvorgabe) und dynamischen Lastmanagement (flexible Ladeleistung).
Hier eine einfache Übersicht über die wichtigsten Varianten des Lastmanagements:
Statisches Lastmanagement
Statisch - Feste Ladeleistung
Die technisch einfachste und günstigste Lösung. Die verfügbare Ladeleistung (also die "minimale Reserve") wird auf die Anzahl der Ladestationen aufgeteilt und ist pro Ladestation fest eingestellt.
Beispiel: Die Reserve beträgt 13 kW. Es ist möglich eine Ladestation mit 11 kW, zwei Ladestationen mit 7,2 kW und 3,6 kW oder drei Ladestationen mit je 3,6 kW zu betreiben.
Vorteil: Geringer Installationsaufwand, günstige Ladestationen ohne Kommunikationsanschluss möglich
Nachteil: Die maximale Ladeleistung ist durch am Ladepunkt festgelegt. Wenn lediglich ein Fahrzeug angeschlossen ist, kann trotzdem nur mit der geringen eingestellten Leistung geladen werden, die Reserve wird nicht ausgenutzt. Ladestationen ohne Kommunikationsanschluss sind nicht zukunftssicher und oft nicht förderfähig.
Statisch - Lokales Lastmanagement
Die Ladestationen kommunizieren untereinander. Die Summe aller aktuellen Ladeleistungen liegt innerhalb der "minimalen Reserve". Je mehr Fahrzeuge laden, desto langsamer ist der jeweilige Ladevorgang.
Beispiel: Es werden fünf Ladestationen installiert, die sich die 13 kW Reserve je nach Auslastung untereinander aufteilen.
Vorteil: Geringer Installationsaufwand, bei wenig gleichzeitig ladenden Fahrzeugen ist die maximale Ladeleistung pro Ladepunkt möglich
Nachteil: In Zeiten mit geringem Stromverbrauch oder hoher Eigenerzeugung ist die verfügbare Reserve höher als 13 kW, wird aber durch die feste Vorgabe von maximal 13 kW nicht ausgenutzt. Ladestationen verschiedener Hersteller sind oft nicht kombinierbar.
Statisch - Sequentielles Lastmanagement
Alle angeschlossenen Fahrzeuge werden einzeln nacheinander mit der jeweils maximalen Leistung geladen. Die maximale Leistung liegt innerhalb der "minimalen Reserve".
Beispiel: Es werden 10 Ladestationen installiert. Ein Fahrzeug wird mit 11 kW für 20 Minuten geladen bevor der Ladevorgang gestoppt und beim nächsten angeschlossenen Fahrzeug fortgesetzt wird. Der Vorgang wiederholt sich bis alle Fahrzeuge voll geladen sind.
Vorteil: Geringer Installationsaufwand, einfach erweiterbar
Nachteil: Wie beim lokalen Lastmanagement ist in Zeiten mit geringem Stromverbrauch oder hoher Eigenerzeugung ist die verfügbare Reserve höher, wird aber nicht ausgenutzt.
Dynamisches Lastmanagement
Die Stromstärke wird direkt am Hausanschluss kontinuierlich gemessen und daraus die aktuelle Leistungsreserve berechnet.
Die Ladestationen kommunizieren mit dem Messgerät oder einer zentralen Steuerungseinheit und stellen dynamisch die maximal mögliche Ladeleistung zur Verfügung – sollte der Stromverbrauch im Haus kurzfristig steigen oder sinken, passen sich die Ladestationen sofort an.
Beispiel: Die Reserve beträgt bei Zeiten mit hohem Stromverbrauch 13 kW. Bei 20 installierten Ladestationen teilt sich diese Leistung auf die ladenden Fahrzeuge auf. In der Nacht ist der Stromverbrauch im Gebäude üblicherweise geringer, die Reserve beträgt dann 45 kW, dadurch ist es möglich mehr Fahrzeuge mit höherer Ladeleistung zu laden.
Vorteil: Maximale Ausnutzung des Hausanschlusses ohne Erhöhung der Anschlussleistung, höchstmögliche Ladeleistung für jedes Fahrzeug
Nachteil: Anschaffungskosten für die Installation von Mess- und Lastmanagementlösung, Ladestationen mit Kommunikationsschnittstelle erforderlich
Wie viele Elektrofahrzeuge gleichzeitig geladen werden können, hängt stark von den baulichen Gegebenheiten und der Anschlussleistung in Ihrem Gebäude ab. Vor der Installation von Wallboxen und Ladesäulen sollte daher immer ein Fachmann prüfen ob ein Lastmanagement erforderlich ist und welche Lastmanagementlösung für Sie am Besten geeignet ist.
Ladetechnik
Welche Ladetechnik eignet sich für Ihre Anwendung?
Für die reibungslose Integration von Elektromobilität in Ihren Fuhrpark muss die passende Ladeinfrastruktur ausgewählt und geplant werden.
Hier finden Sie die gängigen Lademöglichkeiten und Details zur Anwendung in Ihrem Unternehmen.
Haushaltssteckdose (Wechselstrom)
Brauche ich immer eine eigene Ladestation?
Manche Elektrofahrzeuge wie Motorräder oder auch leichte Nutzfahrzeuge werden über eine gewöhnliche Haushaltssteckdose aufgeladen. Auch bei vielen Elektro- und Hybrid-PKW gehören einphasige Ladegeräte, oft „Notladekabel“ genannt, zum Lieferumfang.
Was sind die Vor- und Nachteile vom Laden an der Haushaltssteckdose?
Haushaltssteckdosen (auch Schuko oder Schutzkontaktsteckdosen genannt) sind nahezu überall zu finden. Dadurch ist der Ladevorgang sehr flexibel auch ohne die Beschaffung von zusätzlicher Ladeinfrastruktur möglich. Aufgrund langer Ladezeiten findet diese Lademöglichkeit aber oft nur dann Anwendung, wenn keine andere Lademöglichkeit verfügbar ist.
Welche Risisken ergeben sich?
Durch die flexible Einsatzmöglichkeit an jeder Steckdose steigt durch Fehlbedienung auch das Risiko einer Überlastung und sogar die Brandgefahr, falls die Steckdose nicht geeignet ist oder Verlängerungskabel oder Steckeradapter verwendet werden.
Für das regelmäßige unbeaufsichtigte Laden von Elektrofahrzeugen werden speziell dafür geeignete und fest angeschlossene Ladestationen empfohlen.
Wallbox- oder Ladesäule (Wechselstrom-Schnellladen)
Für das reguläre Laden von Elektrofahrzeugen werden Wallboxen oder Ladesäulen verwendet. Hierbei sind je nach Ausführung und Einstellung bis zu 22 kW Ladeleistung möglich, es gibt Modelle mit fest angeschlossenem Ladekabel oder nur mit Buchse für ein steckbares Ladekabel.
Viele Ladestationen bieten die Möglichkeit der Integration in Last- und Energiemanagementsysteme, beispielsweise für das Überschussladen bei Photovoltaikanlagen, im öffentlichen Bereich sind sie dank geeichter Zähler und Anbindung an ein Backend kilowattgenau abrechenbar.
Diese Ladetechnik eignet sich perfekt für Ihre gewerbliche PKW- und Nutzfahrzeug-Flotten und dort, wo Fahrzeuge länger geparkt werden – über Nacht in der Garage oder auf Betriebshöfen, tagsüber am Arbeitsplatz, beim Einkaufen, im Parkhaus, auf öffentlichen Parkplätzen, im Restaurant oder Hotel.
HPC High Power Charger (Gleichstrom-Schnellladen)
Beim Laden mit Wechselstrom wandelt ein im Fahrzeug verbautes Ladegerät den Wechselstrom in den für die Fahrzeugbatterie erforderlichen Gleichstrom um.
Beim Gleichstrom-Laden ist das Ladegerät in der Ladesäule, der Gleichstrom wird ohne Umwege direkt in die Batterie geladen.
Für die sehr hohen Ladeleistungen von aktuell bis zu 350 kW (das entspricht dem üblichen Leistungsbedarf von 24 Einfamlienhäusern) ist aufwendige Leistungselektronik und spezielle Technik wie beispielsweise wassergekühlte Ladekabel erforderlich.
Diese Ladetechnik ist mit umfassenden und komplexen Planungen und Investitionen verbunden und wird hauptsächlich auf Ladeparks an Fernstraßen und Autobahnen eingesetzt, um die PKWs Reisender in wenigen Minuten aufzuladen.
Eine weitere Anwendung ist das Aufladen schwerer Nutzfahrzeuge wie E-Lkw und E-Busse. Aktuell in Entwicklung befindet sich das Megawatt Charging System, das zukünftig im Nutzfahrzeug-Sektor bis zu 4,5 Megawatt Ladeleistung übertragen soll.
Spezialanwendungen
Für das Aufladen von Baumaschinen und selbstfahrenden Arbeitsmaschinen mit Betriebsspannungen von unter 100V verwendet man Gleichstrom-Ladegeräte mit speziellen Hochstrom-Steckverbindungen. Diese Maschinen sind mit öffentlicher Ladetechnik daher nicht kompatibel und erfordern gesonderten Planungsaufwand.
