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Hochspannungskabeln für Hybrid-Fahrzeuge

Isolationswiderstand genauestens messen

17. Oktober 2016, 8:56 Uhr | Von Sook-Wai Wong

Die Hochspannungssysteme in Hybridfahrzeugen sind mit Hochspannungskabeln verbunden, die top Isoliert sein müssen.

Bei Reparaturen an Hybrid- und E-Autos müssen sich Service-Techniker bewusst sein, dass sie mit hohen Spannungen arbeiten. Das Hochspannungssystem eines HEV besteht aus mehreren Baugruppen, die mit HV-Kabeln verbunden sind. Hier muss geprüft werden, ob die Isolierung des Kabels in Ordnung ist.

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Die Hybridtechnik bei Fahrzeugen hat aufgrund ihrer Vorteile bei der Kraftstoffeffizienz und ihrer niedrigen Emissionen in den letzten zehn Jahren stark an Bedeutung zugenommen. Heutige Hybrid-Antriebssysteme sind ausgefeilter als konventionelle Antriebe und verbinden in den verschiedenen Fahrsituationen die Vorteile von Verbrennungs- und Elektromotoren. Das sorgt für eine verbesserte Kraftstoffeffizienz und eine Verringerung des CO₂-Ausstoßes.

Kritische Verbindungen in Hybridfahrzeugen

Herkömmliche Fahrzeuge verfügen normalerweise über ein 12-V-Bordnetz, um unter anderem den Verbrennungsmotor anzulassen. Bei der Hybridtechnik kommt ein Hochspannungsnetz (HV-Netz) mit bis zu 650 V für den Elektromotor dazu. Der Grund für diese hohe Spannung ist, dass damit die Ströme bei gleicher Leistungsaufnahme kleiner sind. Dadurch sind auch die elektrischen Verluste niedriger und die Energieeffizienz höher. Das Hochspannungssystem besteht aus dem Hochspannungsakkumulator, dem Umrichter und den Motoren, die auch Strom erzeugen und somit als Generatoren arbeiten können. Diese Baugruppen sind untereinander mit Hochspannungskabeln verbunden. Diese haben eine orangefarbene Isolierung, damit sie sich eindeutig von den Leitungen des Niederspannungsbordnetzes unterscheiden lassen. Hochspannungskabel sind im Motorraum und im Fahrwerk zu finden.

Weil ein Hybridfahrzeug mit hoher Spannung arbeitet, muss geprüft werden, ob die Isolierung der Hochspannungskabel in Ordnung ist. Hauptziel entsprechender Messungen ist der Nachweis, dass das Kabel zwischen Hochspannungsakkumulator und Umrichter sowie zwischen Umrichter und Motoren in Ordnung ist. Äußere Faktoren wie Schmutz oder Feuchtigkeit können den Isolationswiderstand reduzieren. Der häufigste Fehler, der bei der Messung des Isolationswiderstandes gefunden wird, ist eine mechanische Beschädigung des Kabels.

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Den Isolationswiderstand messen?

Mit der Messung des Isolationswiderstandes soll überprüft werden, ob die Isolierung von Bauteilen einwandfrei funktioniert. Dabei werden der Isolationswiderstand eines Kabels oder die Wicklungen eines Elektromotors gemessen. Hierzu wird eine konstante Spannung zwischen die Leiter im Kabel angelegt und der dadurch hervorgerufene Strom gemessen. Bei hoher Spannung fließt ein kleiner Strom durch die Isolierung hindurch, der aus drei Komponenten besteht (Bild 1):

Der kapazitive Ladestrom ist anfänglich verhältnismäßig hoch und fällt dann in wenigen Sekunden exponentiell ab. Beim Ablesen des Messwerts ist dieser Anteil normalerweise vernachlässigbar klein.
Der dielektrische Absorptionsstrom fällt mit der Zeit ab. Je nach Material der Isolierung kann es bis zu einige Minuten dauern, bis er auf 0 gesunken ist.
Der Leckstrom hängt vom Material der Isolierung ab; er ist über die Zeit konstant.

Der Isolationswiderstand ist der Quotient aus der Testspannung und dem Gesamtstrom. Man gibt den Isolationswiderstand üblicherweise in MΩ oder in noch höheren Widerstandseinheiten an. Daher wird ein Messgerät für den Isolationswiderstand oftmals auch als „Megohmmeter“ bezeichnet.

Sicherheitsüberlegungen

Weil bei der Messung des Isolationswiderstands an hochspannungsführenden Kabeln gearbeitet wird, müssen dabei Sicherheitsvorkehrungen streng eingehalten werden:

Solche Messungen dürfen nur von dafür ausgebildetem Personal durchgeführt werden.
Das Hybridfahrzeug muss für die Messung ausgeschaltet sein, außerdem muss man mindestens fünf Minuten warten, bis vorhandene Restladungen abgebaut sind.
Jeder Isolierungsschaden in einem Hochspannungssystem kann lebensgefährlich sein. Daher muss der Techniker bei der Messung persönliche Schutzausrüstung tragen, namentlich Hochspannungs-Schutzhandschuhe, Schutzbrille und Sicherheitsschuhe. Jeder Fehler der Schutzhandschuhe ist in einem Hochspannungsumfeld lebensgefährlich. Die Handschuhe müssen daher vor dem Anziehen auf Löcher überprüft werden. Dazu werden sie wie ein Luftballon mit Luft aufgeblasen. Dann wird die Eingriffsöffnung zugehalten und geprüft, ob irgendwo Luft ausströmt.
Bevor mit der eigentlichen Messung begonnen wird, muss geprüft werden, ob das Hochspannungssystem korrekt heruntergefahren ist. Dazu misst man die Spannung der spannungführenden Leiter mit einem Multimeter mit einem Gleichstrommessbereich von mindestens 750 V. Hierbei sollte sich eine Spannung von 0 V ergeben.
Während der Hochspannungsmessung müssen unbefugte Personen ferngehalten werden.
Vor der Messung müssen die Messkabel geprüft werden; es muss sichergestellt werden, dass sie einwandfrei sind. Beschädigte Messkabel sorgen nicht nur für Messfehler, sondern können den Messtechniker und das Messobjekt gefährden.

Es muss sichergestellt werden, dass das Testobjekt nach der Messung vollständig entladen wird. Das kann beispielsweise mit einem passenden Widerstand geschehen, über den die Anschlüsse des Messobjekts kurzgeschlossen werden. Es wird eine Entladezeit empfohlen, die mindestens viermal so lang ist wie die Zeit, für die die Hochspannung anlag. Manche Isolationswiderstandsmessgeräte haben eine passende Entladeschaltung eingebaut, die am Ende der Messung für eine sichere Entladung sorgt.