Hochvoltsicherheit auf höchstem Niveau: dank der Safe Interlock Unit (SIU)

Die Verbreitung von Elektrofahrzeugen in der Schweiz steigt rasant. Allein im Jahr 2022 hat die Anzahl der Neuzulassungen um 27 Prozent zugenommen. Die zunehmende Verbreitung von Fahrzeugen mit elektrischen Antriebskonzepten bringt neben vielen Vorteilen auch einige neue Herausforderungen mit sich. Die Sicherheit von Insassen und Wartungspersonal ist essenziell.

Hersteller und Inverkehrbringer treffen deshalb diverse Massnahmen, um die Personensicherheit zu gewährleisten. Sie dienen insbesondere dem Schutz vor elektrischem Schlag. Hier kommt unsere neueste Innovation ins Spiel: die Safe Interlock Unit (SIU).

Der Hochvoltzwischenkreis heutiger Elektrofahrzeuge wird typischerweise mit 400 oder 800 V betrieben. Alle Fahrzeuge mit über 60 VDC unterliegen strengen Vorschriften zum Personenschutz. Zwingende Schutzmassnahmen dienen dazu, das Risiko eines elektrischen Schlages zu minimieren. Zum Schutz gegen direktes Berühren aktiver Teile müssen – unter anderem – die HV-Steckverbinder und Servicedeckel speziell gesichert sein.

In der UN ECE R100, Rev3 und 6469-3:2018 wird für HV-Steckverbinder eine der folgenden Massnahmen gefordert:

• IP-Schutz von IPXXB (IPXXD Drahtschutz in der Fahrgastzelle)
• Verriegelungsmechanismen, die nur mit Werkzeug geöffnet werden können oder unter dem Fahrzeugboden platziert sind
• Die Spannung der aktiven Teile muss innerhalb einer Sekunde nach der Trennung der Steckvorrichtung auf unter 60 VDC fallen

Stand der Technik ist letztere Lösung. Für diesen Zweck werden die HV-Stecker mittels eines sogenannten Interlockkreises überwacht. Bei Bedarf wird die Hochvoltbatterie ausgeschaltet und der Zwischenkreis mittels aktiver Entladung in wenigen 100 ms auf unter 60 VDC entladen. Wird das Hochvoltsystem geöffnet, wird die Spannung in unter einer Sekunde auf ein sicheres Niveau gesenkt, womit der Berührungsschutz gewährleistet ist.

Ein Interlockkreis besteht aus einer Signalleitung, die durch alle HV-Komponenten und HV-Stecker geführt wird. In jedem Stecker sind spezielle Signalkontakte verbaut, die bei Trennung des Steckers den Interlockkreis unterbrechen. Sämtliche Geräte und Stecker werden in Serie verkabelt und bilden den Interlockkreis. Der gesamte Kreis wird überwacht. Sobald ein Stecker getrennt wird, wird der Kreis unterbrochen. Diese Unterbrechung führt dazu, dass die Hochvoltbatterie sofort abgeschaltet wird, wodurch die Sicherheit gewährleistet wird.

Typischerweise wird die Funktionalität von der HV-Batterie zur Verfügung gestellt. Bei Kleinserien fehlt dieser Interlock jedoch teilweise und die Personensicherheit kann nicht sichergestellt werden. Nun muss eine andere Systemkomponente die Überwachung übernehmen. Aus diesem Grund haben wir die Safe Interlock Unit (SIU) entwickelt. Die SIU in Form einer Stand-alone-Messelektronik, stellt die entsprechende Funktionalität als externes Steuergerät zur Verfügung.
Doch selbst wenn ein batterieinterner Interlock verfügbar ist, ist die Überwachung möglicherweise mangelhaft. Gängige Interlock-Überwachungen sind mehrheitlich sehr einfach ausgeführt und bieten keinen Schutz bei Isolationsfehlern, Kabelbrüchen oder im Fall von Manipulationen. Das Interlocksignal von HV-Batterien ist meist ein simples Spannungssignal mit einem fixen Pegel. Nachteilig ist hier, dass diverse Fehler wie Masseschluss, Kurzschluss und der Schluss auf die Bordnetzspeisung nicht erkannt werden. Somit kann durch einen Schaden in der Fahrzeugverkabelung der Interlockschutz ausser Kraft gesetzt und damit die Personensicherheit beeinträchtigt werden.

Die SIU als eigenständige Messelektronik stellt die Interlock-Überwachung als externes Steuergerät bereit. Sie bietet eine ausgeklügelte Überwachung, welche unter anderem alle beschriebenen Hardwarefehler erkennen kann und – im Vergleich zu herkömmlichen, respektive simpleren Lösungen zur Interlock-Überwachungen – eine umfangreiche Eigendiagnose ermöglicht. Dabei bietet die SIU entscheidende Vorteile:

• Erkennung von Hardwarefehlern: Die SIU erkennt diverse Fehler wie Masseschluss, Kurzschluss und Bordnetzschlüsse, die von einfachen Auswertungen nicht erfasst würden.
• Schleifenwiderstand: Die SIU ermittelt kontinuierlich den Interlock-Schleifenwiderstand und vergleicht diesen mit parametrierbaren Sollwerten, um Manipulationen und Fehlbedienungen sicher zu erkennen.
• Umfangreiche Eigendiagnose: Die SIU beinhaltet umfangreiche Selbstdiagnosen sowie redundante Messmethoden, um den Interlock-Zustand in jedem Fall sicher erkennen zu können.
• Sichere Kommunikation: Der aktuelle Status wird über eine sichere CAN-Schnittstelle sowie einen Statusausgang kommuniziert, was eine zuverlässige Überwachung gewährleistet.
• Flexibilität und Nachrüstbarkeit: Die SIU kann flexibel nachgerüstet werden und ersetzt fehlende, batterieinterne Lösungen vollständig.
• Weitbereichseingang: Die SIU berücksichtigt die Anforderungen an Personenfahrzeuge und schwere Maschinen. Sie kann mit 12V- oder 24V-Bordnetzen betrieben werden. Alle Eingänge sind vor Verpolung geschützt.
• Automotive Hardware: Die Messelektronik erfüllt die gängigen Anforderungen der Automotive-Branche und ist nach IP6K9K vor äusseren Einflüssen geschützt.

Die umfangreiche Überwachung bietet eine verbesserte Fehlererkennung und dient schlussendlich einer höheren Personensicherheit.
Durch die hohe Diagnosefähigkeit und den ausgeklügelten Fehlerschutz bietet sich die Verwendung der SIU nicht nur als Ersatz für fehlende Interlock-Überwachungen an. Sie dient auch der Verbesserung von bestehenden Systemen, die nur einfache Überwachungen bieten. Jedes bestehende System kann ohne grosse Entwicklungsaufwände mit dieser fortschrittlichen Überwachungstechnologie nachgerüstet werden.

Die Sicherheit von Insassen und Wartungspersonal steht bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen an oberster Stelle. Mit unserer Safe Interlock Unit (SIU) bieten wir eine sichere Lösung, welche Anforderungen gemäss gängigen Standards deutlich übertrifft. Die SIU gewährleistet eine umfassende Fehlererkennung und erhöht dadurch die Personensicherheit.
Ob für die Erstausrüstung oder Nachrüstung bestehender Systeme – die SIU ist die zukunftssichere Lösung für die anspruchsvollen Sicherheitsanforderungen der modernen Elektromobilität.
Ihre Sicherheit ist unser Antrieb!