[25]5    Hybrid- und Elektroantrieb

5.1   Funktionsweise von Hybrid- und Elektroantrieben

Elektromotoren haben den Vorteil, dass sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad haben als Verbrennungsmotoren. Zudem besitzen sie eine vorteilhafte Drehmoment- und Leistungscharakteristik sowie lokale Emissionsfreiheit. Elektromotoren erfreuen sich deshalb auch bei Kraftfahrzeugantrieben (wieder) einer zunehmenden Beliebtheit. Sie sind dort in verschiedensten Antriebskonzepten (z.B. Full-Hybrid, Mild-Hybrid) anzutreffen, deren genaue Unterscheidung für Einsatzkräfte jedoch nicht relevant ist. Grundsätzlich ist es hier ausreichend zwischen Hybrid- und Elektrofahrzeugen zu unterscheiden, wobei der wesentliche Unterschied darin besteht, dass ein Hybridfahrzeug zusätzlich zum Elektroantrieb auch über einen Verbrennungsmotor und eine zugehörige Kraftstoffversorgungsanlage verfügt. Die in Serie erhältlichen Hybridfahrzeuge verknüpfen den klassischen Verbrennungsmotor (mit Kraftstofftank) mit einem Elektromotor/Generator sowie einer Hochvoltbatterie als Energiespeicher. [26]Bei einem Elektrofahrzeug erfolgt der Vortrieb ausschließlich über einen Elektromotor. In der Regel ist kein Verbrennungsmotor mehr vorhanden (Ausnahme: Elektroantrieb mit Range-Extender, d.h. einem Reichweitenverlängerer).

Bild 11: Opel Ampera-e Elektrofahrzeug. Bei diesem Fahrzeug handelt es sich um ein reines Elektrofahrzeug, im Fahrzeugboden ist die Hochvoltbatterie zu erkennen. (Grafik: Opel Automobile GmbH)

Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden von den Fahrzeugherstellern in Serie produziert. Zusätzlich gibt es auch eine Reihe von Herstellern, die Fahrzeuge auf Elektroantrieb umrüsten oder Elektrofahrzeuge in Kleinserien herstellen. Insbesondere für den Verteilerverkehr sind auch Lkw mit Hybrid- oder Elektroantrieb erhältlich. Im Stadtverkehr werden zunehmend auch Busse mit Hybrid- oder Elektroantrieb eingesetzt.

Bild 12: Die Abbildung zeigt die Draufsicht auf einen Toyota Prius Plug-In Hybrid, die wichtigsten Komponenten des Hybridantriebs sind dargestellt. (Grafik: Toyota) [zurück]

Die Komponenten des Hybrid- und Elektroantriebs (vgl. Bild 12) befinden sich in der Regel an geschützten Einbauorten im Fahrzeug:

Hochvoltbatterien befinden sich bei Pkw häufig im Bereich vor bzw. über der Hinterachse. Bei großen Batterien ist auch der Einbau am Fahrzeugboden bzw. im Mitteltunnel möglich. Kleinere Hochvoltbatterien können ggf. auch im Motorraum eingebaut sein. Bei Lkw befinden sich die Hochvoltbatterien im Regelfall seitlich am Fahrgestellrahmen, während sie bei Bussen in der Regel auf dem Fahrzeugdach oder im Fahrzeugheck montiert sind. Als Energiespeicher werden neben Hochvoltbatte[27]rien gelegentlich auch Ultrakondensatoren verwendet (z.B. bei Stadtbussen). Diese werden im Fahrbetrieb aufgeladen, um die elektrische Energie beim nächsten Beschleunigungsvorgang zu verwenden. Zusätzlich zur Hochvoltbatterie gibt es im Hochvoltsystem noch weitere Hochvoltquellen, z.B. die Kondensatoren in der Leistungselektronik und die Spulen der Elektromotoren.

Hochvoltleitungen verbinden die Energiespeicher mit den anderen Hochvoltkomponenten. Sie verlaufen bei Pkw in der Regel am Unterboden des Fahrzeugs. Es ist möglich, dass die Leitungen nicht sichtbar sind, weil sie durch Abdeckungen verdeckt oder in Kabelkanälen geführt sind. Hochvoltkabel können bei Bussen durch Fahrzeugsäulen verlaufen, um die Energiespeicher auf dem Dach mit den Elektromotoren und weiteren Hochvoltkomponenten zu verbinden.

5.2   Gefahren des elektrischen Stroms

Die Spannung im Antriebssystem eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs beträgt je nach Fahrzeug zwischen 12 Volt und 800 Volt (Niederspannung). Die Hochvoltbatterie liefert Gleichstrom, der von einem Spannungswandler in Wechselstrom für den Elektromotor umgewandelt wird (DC/AC-Wandler). Gleichzeitig erzeugt ein Spannungswandler (DC/DC-Wandler) auch 12/24 Volt für das konventionelle Bordnetz. Zwischenzeitlich sind auch Fahrzeuge auf dem Markt, die zusätzlich noch über ein Bordnetz mit 48 Volt verfügen.

Schon Wechselspannung von 25 Volt und Gleichspannung von 60 Volt sind für den Menschen gefährlich. Beim Berühren von unter Spannung stehenden Hochvoltkomponenten kann es zum Stromfluss durch den menschlichen Körper kommen. Schon bei Gleichströmen (DC) ab etwa 50 mA können in Abhängigkeit von der Durchströmungsdauer reversible Herzrhythmusstörungen auftreten. Bei noch höheren Strömen treten zusätzlich schwere innere Verbrennungen auf und es besteht die Gefahr des Herzstillstandes. Daneben besteht bei Kurzschluss der beiden Pole des Hochvoltsystems die Gefahr der Lichtbogenbildung und der Brandentstehung. Dies kann zu schweren äußeren Verbrennungen und zum Verblitzen der Augen führen.

Merke:

Die elektrischen Komponenten des Elektroantriebs arbeiten in Spannungsbereichen oberhalb von 30 Volt Wechselspannung (AC) und 60 Volt Gleichspannung (DC). Da die Spannung über der in konventionellen Fahrzeugen üblichen Spannung von max. 48 Volt liegt, wird für diesen Spannungsbereich der Begriff »Hochvolt« (HV) verwendet.

[28]5.3   Sicherheit des Hochvoltsystems

Um die potenziellen Gefahren, insbesondere durch den elektrischen Strom, zu reduzieren, gibt es eine Reihe von Sicherheitsmaßnahmen (vgl. auch Rücker und Egelhaaf, 2010). Hierzu zählen z.B.:

• Kennzeichnung der Hochvoltkomponenten,

• Berührschutz (direkt und indirekt),

• orangefarbene Kabelisolierung,

• galvanische Trennung von Hochvoltsystem und 12/24/48-Volt-Bordnetz,

• Hochvolt-Interlock-System,

• Entladeschaltungen für das Hochvoltsystem,

• Deaktivierung bei Unfallerkennung,

• Wartungsstecker.

Komponenten des Hochvoltsystems sind auf ihren Gehäusen mit Warnaufklebern versehen, die auf die hohe Spannung und ggf. die Stromschlaggefahr hinweisen (vgl. Bild 22). Hochvoltleitungen verfügen über eine spezielle Kennzeichnung. Da Warnaufkleber hier keinen Sinn machen würden, sind die Hochvoltkabel mit einer auffälligen orangefarbenen Isolierung versehen. Auch Stecker und Wartungsstecker können orange ausgeführt sein.

Praxistipp:

Hochvoltleitungen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen verfügen grundsätzlich über eine orangefarbene Isolierung!

Im Einbauzustand sind alle Hochvoltkomponenten so montiert, dass es nicht möglich ist durch Berührung von Komponenten in direkten Kontakt mit spannungsführenden Teilen zu kommen. Nach einem Unfall ist es allerdings möglich, dass der Berührschutz nicht mehr gegeben ist.

[29]Bild 13: Orangefarbene Hochvoltkabel am Fahrzeugboden eines Hybridfahrzeugs (Foto: Feuerwehr Wiesbaden)

Das Hochvoltsystem ist galvanisch vom 12/24/48-Volt-Bordnetz und damit von der Fahrzeugmasse getrennt. Das heißt, dass weder der Plus- noch der Minuspol des Hochvoltsystems eine leitfähige Verbindung zur Fahrzeugmasse (Karosserie) oder zur Erde haben. Diese Netzform verfügt über eine erhöhte Sicherheit bei Fehlern der Isolation. Steht beispielsweise das Gehäuse der Hochvoltbatterie unter Spannung, fließt bei einer Berührung kein Strom durch den Körper, da der Stromkreis zur Spannungsquelle nicht geschlossen ist. Der Stromkreis wird auch nicht geschlossen, wenn man gleichzeitig mit der anderen Hand die Karosserie (Fahrzeugmasse) berührt. Die einzige Situation, in der es zum Stromfluss durch den Körper käme, wäre die gleichzeitige Berührung eines weiteren spannungsführenden Bauteils des Hochvoltsystems. Um derartige Fehler erkennen zu können, verfügen die Fahrzeuge über eine Isolationsüberwachung, die Isolationsfehler erkennt und den Fahrer entsprechend informiert.

Viele Hybrid- und Elektrofahrzeuge verfügen außerdem über ein Hochvolt-Interlock-System (auch Pilot- oder Sicherheitslinie genannt). Dieses gewährleistet, [30]dass das komplette Hochvoltsystem spannungslos geschaltet ist, sobald ein Hochvoltbauteil vom Netz getrennt wird. Das Hochvolt-Interlock-System ist eine elektrische Schaltung, die durch Sicherheitsstecker oder -schalter geschlossen wird. Wird diese Schaltung z.B. durch das Entfernen eines Sicherheitssteckers oder das Abschrauben einer angeschlossenen Abdeckung geöffnet, schaltet sich das Hochvoltsystem ab. Die Sicherheitsstecker müssen z.B. entfernt werden, wenn Hochvoltkabel von Hochvoltkomponenten abgezogen werden sollen. Ist das Hochvolt-Interlock-System nicht geschlossen, kann der Antrieb nicht gestartet werden.

Die weiteren Hochvoltquellen (Kondensatoren in der Leistungselektronik, Spulen der Elektromotoren) werden durch Entladeschaltungen in bestimmten Situationen (z.B. erkannter Unfall) aktiv entladen. Sind derartige Schaltungen nicht vorhanden oder werden sie (z.B. aufgrund fehlender Unfallerkennung) nicht wirksam, kann es bis zu 10 Minuten dauern, bis sich die Spannung im Hochvoltsystem auf eine unkritische Größe abgebaut hat.

An der Hochvoltbatterie befinden sich Schutzrelais (Schütze) oder Bauteile mit ähnlicher Funktion. Relais sind elektromagnetisch betätigte Schalter über die ein großer Arbeitsstrom mit einem geringen Steuerstrom an- und abgeschaltet werden kann. Die Schutzrelais werden für den Fahr- bzw. Ladebetrieb des Fahrzeugs geschlossen. Wird das Fahrzeug abgeschaltet (z.B. durch Ausschalten der Zündung oder aufgrund der Erkennung eines Unfalls), wird die Stromversorgung der Schutzrelais unterbrochen, die Relais öffnen und der Hochvoltstromkreis ist...