VDE-Institut prüft und zertifiziert Hybrid- und Elektrofahrzeuge Auf dem Prüfstand stehen

Bis die Elektro- und Hybridfahrzeuge auf die Straße kommen, müssen sie sich diversen Tests unterziehen.

Rund 5.000 strombetriebene Autos sind auf deutschen Straßen bereits unterwegs, mehrere hunderttausend E-Bikes werden zudem in Deutschland pro Jahr verkauft. Bis die Elektro- und Hybridfahrzeuge jedoch eine Betriebserlaubnis nach StVZO bekommen, müssen sie sich diversen Tests unterziehen. Das unabhängige VDE-Institut ist vom Kraftfahrtbundesamt KBA als Technischer Dienst für das Typ-genehmigungsverfahren und als Zertifizierungsstelle benannt. Anfang Juli 2012 konnte es mit der Eröffnung eines modernen Batterie- und Umwelt-Testzentrums sein Dienstleistungsspektrum im Bereich Elektromobilität erweitern.

Für die Sicherheit von Elektrofahrzeugen spielen die UN ECE-R 10 für die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und die UN ECE-R 100, die sich speziell mit den sicherheitstechnischen Besonderheiten von Elektroautos beschäftigt, eine wichtige Rolle. Weitere UN-ECE-Regelungen müssen zusätzlich für die Typgenehmigung des gesamten Fahrzeuges angewendet werden. Gemeinsam mit einem Partner führt das VDE-Institut (hierbei alle für eine Fahrzeug-Typgenehmigung notwendigen Prüfungen durch.

Hierbei ist das VDE-Institut (Bild 1) vom Kraftfahrtbundesamt KBA als Technischer Dienst für das Typgenehmigungsverfahren und als Zertifizierungsstelle benannt. Im Folgenden werden beispielhaft die Prüfungen an elektrisch betriebenen vierrädrigen Fahrzeugen beschrieben. Die hier beschriebenen Prüfkriterien stellen jedoch lediglich einen Ausschnitt des Gesamtprüfumfanges dar.

Die Rolle der UN ECE-R 10

Die ECE-R 10 beschreibt die EMV-Prüfungen an Komponenten und Fahrzeugen. Gemessen wird in einer Absorberhalle die vom Fahrzeug abgestrahlte Feldstärke auf beiden Fahrzeugseiten. Hierbei wird das Fahrzeug entweder angehoben oder aber auf einem Rollenprüfstand bei 40 km/h ohne Last betrieben. Wischermotoren und Gebläse müssen nach Norm mit maximaler Leistung arbeiten. Diese Messung dient zum Schutz des Funkspektrums vor Störungen durch das Fahrzeug, um den ungestörten Funkempfang anderer Verkehrsteilnehmer und der Umgebung zu gewährleisten. Weiterhin wird der über die Fahrzeug-Rundfunkantenne gemessene Pegel der Schmalbandstörungen (ECE-R 10 Funkstörungen; Abschnitt 6.3.1, Anhang 5) gemessen. Die Begrenzung dieser Emissionen trägt dazu bei, den Rundfunkempfang im Fahrzeug nicht durch die Emissionen des eigenen Fahrzeuges zu stören.

Eine wichtige Rolle für die Sicherheit eines Fahrzeuges spielt die Störfestigkeit gegen externe Feldquellen, beispielsweise Radiostationen, Mobilfunkstationen, aber auch gegen die Emission des telefonierenden Fahrers im PKW neben dem eigenen Fahrzeug. In der ECE R-10 ist mit Abschnitt 6.4.2.1 und Anhang 6 eine Prüfung der Störfestigkeit des Fahrzeugs gegenüber eingestrahlter Hochfrequenz zwischen 20 bis 2.000 MHz im 50-km/h-Zyklus bei Einstrahlung auf Front und Heck gefordert. Die ECE-R 10 verlangt einen definierten Betriebszustand des Fahrzeuges während der Prüfung. Vor allem müssen sich sicherheitskritische Abweichungen des Betriebsverhaltens während der Prüfung erkennen lassen. So ist es nicht nur notwendig, dass sich alle dauerhaft einschaltbaren Ausrüstungen im Normalbetrieb befinden, sondern auch alle weiteren Systeme, die die Kontrolle des Fahrers über das Fahrzeug möglicherweise beeinflussen. Bei den Prüfungen überwachen die VDE-Prüfingenieure die Fahrzeugaußenseite und den Fahrzeuginnenraum mit Video-Kameras und Mikrofonen, um eventuelle Funktionsstörungen sicher zu erkennen. Neben der Betriebsart „Fahrzeug fährt mit 50 km/h“ wird auch der Betriebszustand „Standby, bereit zum Fahren“ auf Einflüsse von elektromagnetischen Feldern untersucht. In einem ähnlichen Prüfaufbau, bei dem das Fahrzeug jedoch den Boden berührt, testen die Prüfingenieure dann die Beeinflussbarkeit. Dabei wird das Betätigen des Bremspedals mit dem Einschalten der Bremsleuchte über eine Stellvorrichtung ermöglicht.

Elektrische und mechanische Sicherheit garantieren

Für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen ist die elektrische und mechanische Sicherheit unabdingbar. Die Mindest-Bedingungen für die Sicherheit batteriebetriebener Elektrofahrzeuge sind in der ECE-R 100 festgehalten. So erfolgt die Beurteilung der Sicherheit ausschließlich am betriebsbereiten Fahrzeug. Die Leitungsverlegung soll ersichtlich und alle mechanischen sowie elektrischen Komponenten müssen angeschlossen oder eingebaut sein. Die Leitungen gehören geschützt - entweder durch ihre Lage, ihren Aufbau oder durch Verkleidung gegen mechanische Beschädigung und Feuchtigkeitseinflüsse. Haupt- und Steuerstromleitungen sind getrennt zu verlegen. Jeder Stromkreis muss sicher bei Überlastung durch Überströme sein, die über die betriebsbedingten Werte hinausgehen. Schutz bieten Sicherungen, Schutzschalter und Überstromschutzorgane in Verbindung mit Schaltern. Im Hauptstromkreis müssen Schaltmittel (Not-Aus) vorhanden sein, die im Fehlerfall, den Hauptstromkreis von der Batterie unterbrechen.

Wesentlicher Unterschied zum Fahrzeug mit Verbrennungsmotor: Gefährliche, d.h. drehende sowie unter Spannungen von mehr als 60 V DC (25 V AC) stehende und heiße, aktive Teile, wie Leistungshalbleiter, müssen gegen direktes Berühren geschützt ausgeführt werden. Bei aktiven Teilen im Fahrgast- und Gepäckraum gilt die Schutzart IPXXD (Zugangssonde Ø 1 mm) als Berührungsschutz. In allen anderen Bereichen ist die Schutzart IPXXB (Ø 12 mm) vorgeschrieben. Beispielsweise muss der Kühlerlüfterzugang dem Eindringen des so genannten VDE-Prüffingers (Ø 12 mm, DIN EN 60529:2000-09 [VDE 0470-2]) standhalten. Die üblichen Schutzgitter schützen in der Regel nicht ausreichend: Ist es nämlich möglich, umlaufende Rotorblätter zu berühren, gilt die Prüfung als nicht bestanden.

Ein zuverlässiges Isolieren aktiver Teile (Basisisolation) und eine dauerhaft gut leitende Verbindung aller berührbaren und im Fehlerfall Spannung annehmenden leitfähigen Teile sorgen für den entsprechenden Schutz gegen zu hohe Berührungsspannungen, die durch Isolationsfehler hervorgerufen werden. Hier gilt es, Motorhaube, Kofferraumdeckel und die Türen dauerhaft galvanisch mit dem Chassis zu verbinden. Gefahrenpotenzial geht insbesondere von der Tür-Scharnier-Verbindung aus, die hohen Belastungen und Umwelteinflüssen ausgesetzt ist.
Bei Batterie-Spannungen von bis zu 800 V müssen insbesondere Kabelisolierungen gegen Chassis, zum Beispiel infolge von Vibrationen, auf Beschädigungen überprüft werden. Darüber hinaus muss nach Anhang 5 der ECE-R 100 ein definiertes Hochspannungs-Symbol (schwarzes Dreieck mit schwarzem Pfeil auf gelbem Untergrund) am aufladbaren Energiespeichersystem oder in dessen Nähe gut sichtbar angebracht sein. Zudem muss das Warnzeichen an Gehäusen und Isolierbarrieren befestigt sein, sollten nach dem Entfernen aktive Teile von Hochspannungs-Stromkreisen zugänglich sein.

Die Antriebsbatterie muss so in das Fahrzeug eingebaut werden, dass sich keine gefährlichen Gase aus der Batterie ansammeln können. Räume mit Batterie-Einheiten, wo gefährliche Gase entstehen können, sind ausreichend zu lüften (DIN EN 50272-1 (VDE 0510-1):2011-10). Beim Einsatz hermetisch gekapselter Batterien gilt diese Forderung als erfüllt. Die Antriebsbatterie und das Antriebsnetz benötigen einen ausreichenden Schutz durch Sicherungen oder Schutzschalter. Die vom Hersteller oder Umrüster bereitgestellten Angaben zum Schutzkonzept müssen einer Evaluierung des Technischen Dienstes auf eine mögliche Unterbrechung des Stromkreises standhalten. Der Potentialausgleichswiderstand zwischen zwei beliebigen freiliegenden und leitfähigen Teilen darf keine 0,1 Ω erreichen bei einem Prüfstrom von mindestens 0,2 A.