Onderwerpen:
- Inleiding
- Inschakelen van het HV-systeem
- Interlock
- Kortsluitbeveiliging
- Permanente isolatiebewaking
- Diagnose met de Megohmmeter
Inleiding:
Het HV-systeem in voertuigen met een geëlektrificeerde of volledig elektrische aandrijving is uitgerust met meerdere beveiligingen. Het systeem kan pas worden ingeschakeld als aan alle veiligheidseisen is voldaan. Op het moment dat er een fout wordt gedetecteerd, schakelt het HV-systeem direct uit. Dit kan gebeuren in de volgende situaties:
- Een onderdeel van het HV-systeem is gedemonteerd, en het systeem wordt ingeschakeld.
- Door een aanrijding of waterschade maken elektrische onderdelen of bedrading kortsluiting met elkaar of met massa.
- Onderdelen zijn beschadigd geraakt door overbelasting.
De onderstaande afbeelding toont de onderdelen die tot het beveiligingssysteem behoren. In het blauw is een gedeelte van de HV-batterij (1) te zien, met links de oranje serviceplug (2). In het midden bevinden zich drie relais (3 t/m 5), die één voor één door de ECU (6) worden ingeschakeld. Onder de HV-batterij bevindt zich de ECU (7), die in verbinding staat met de verbruikers (8), zoals de elektromotor, verwarming, aircopomp, stuurbekrachtiging en laadinrichting.
Legenda:
1. HV-batterij
2. Serviceplug met zekering
3. Relais 1
4. Relais 2
5. Relais 3
6. ECU van HV-batterij
7. ECU van HV-systeem
8. Elektrische verbruikers
Inschakelen van het HV-systeem:
De bestuurder activeert het HV-systeem door op de startknop te drukken. Op het moment dat de melding “HV ready” in het display verschijnt, is het HV-systeem geactiveerd. Voordat het HV-systeem actief is, worden de relais in het HV-batterijpakket aangestuurd om het batterijpakket met de verbruikers te koppelen.
Wanneer het HV-systeem wordt ingeschakeld, stuurt de ECU (6 in de onderstaande afbeelding) de HV-relais in het pluscircuit (relais 4) en het massacircuit (relais 5) aan. Als eerste wordt het stroomcircuit aan de pluszijde via een weerstand ingeschakeld. In de onderstaande afbeelding zien we dat relais (4) de stroom naar weerstand R1 doorlaat. De weerstand beperkt de stroom die erdoor gaat, zodat de inschakelstroom wordt beperkt. Hierdoor kunnen de condensatoren in de inverter langzaam worden opgeladen. Op dit moment kan het systeem een veiligheidscontrole uitvoeren met een lagere spanning. Nadat de spanning over de condensatoren in de inverter ongeveer gelijk is aan de spanning van het HV-batterijpakket, wordt relais 3 gesloten en opent relais 4, waardoor de volledige spanning op de inverter en andere elektrische componenten komt te staan.
Interlock:
Het interlocksysteem is het beveiligingssysteem dat bescherming biedt tegen elektrische aanraking op het moment dat er open verbindingen zijn. In elk onderdeel dat is verbonden met de HV-batterij bevindt zich minimaal één contact dat het HV-systeem kan uitschakelen wanneer er een onderbreking plaatsvindt. Deze contacten kunnen geïntegreerd zijn in de bedrading of als een schakelaar in de behuizing van een component zijn opgenomen.
In de afbeelding linksonder zien we het actieve systeem: relais 3 en 5 zijn gesloten, wat betekent dat de spanning vanuit de HV-batterij wordt doorgeschakeld naar de verbruikers. Het interlockcircuit is blauw gekleurd vanuit de voertuig-ECU (7). Vanuit de ECU wordt een spanning op weerstand R2 gezet. De interlock wordt als een serieschakeling door de elektrische verbruikers (8) geleid. In het batterijpakket is de interlock aan massa gelegd. Tussen weerstand R2 in de ECU (7) en de uitgang naar de verbruikers bevindt zich een aftakking waar de spanning op de interlock wordt gemeten.
- Interlock in orde: spanning na weerstand R2 bedraagt 0 volt;
- Interlock onderbroken: de spanning is in de weerstand R2 niet verbruikt en bedraagt (afhankelijk van de voedingsspanning) 5, 12 of 24 volt.
De spanning na weerstand R2 wordt tijdens het inschakelen, maar ook tijdens het rijden, constant bewaakt.
Wanneer de serviceplug (2) of een van de elektrische componenten (8) wordt gedemonteerd, wordt daarmee ook het interlockcircuit verbroken. Deze situatie is te zien in de bovenstaande rechter afbeelding, waar de serviceplug is verschoven. Zowel de zekering tussen de batterijmodules als het interlockcircuit zijn onderbroken. Doordat de interlock niet langer verbonden is met de voertuigmassa, stijgt de spanning na weerstand R2 naar de waarde van de voedingsspanning. De voertuig-ECU (7) stuurt direct de batterij-ECU (6) aan, waardoor de relais 3, 4 en 5 niet meer worden geactiveerd. Het HV-systeem is dan uitgeschakeld.
In de afbeelding zien we de oranje serviceplug met in het midden de grote contacten om de plus- en minleidingen van de HV-batterij door te schakelen, en links een kleinere stekkeraansluiting met twee pinnen. Dit zijn de twee pinnen van de interlock. Op stekkers van de HV-componenten vinden we deze aansluitingen ook.
Kortsluitbeveiliging:
Het HV-systeem moet worden beveiligd tegen te hoge stromen, die kunnen ontstaan door kortsluiting in de bedrading of in de elektrische componenten. Zonder beveiliging kan dit leiden tot een vlamboog, het smelten van leidingen, of zelfs brand. Een smeltveiligheid is ontworpen om het systeem tegen deze gevaren te beschermen. De zekering kan zich bevinden in de serviceplug, maar ook elders in het batterijpakket. Voertuigen kunnen ook zijn uitgerust met meerdere zekeringen, elk ontworpen om een specifiek circuit te beschermen.
Naast het feit dat de zekering het systeem beschermt tegen te hoge stromen, geeft de stroomsensor in de plus- of minleiding van de HV-batterij de stroom door aan de ECU. De ECU neemt de beslissing om de relais uit te schakelen wanneer er sprake is van overbelasting.
Permanente isolatiebewaking:
De positieve en negatieve zijdes van de HV-batterij komen niet met elkaar in aanraking, maar ook niet met de omgeving. Om de pluszijde (vanaf de + accu naar de + van de inverter) zitten meerdere lagen isolatie met daartussen een gevlochten mantel. Maar ook de minzijde is geïsoleerd en maakt geen contact met de carrosserie of behuizing van de componenten. De carrosserie van het voertuig zelf is daarentegen wel verbonden met de min van de boordaccu (12 volt in personenauto’s). In het HV-gedeelte is dit dus niet zo. Oorzaken van een storing kunnen zijn:
- Na een aanrijding kan er schade zijn ontstaan aan de bedrading, waardoor het koper van de plus- en mindraden met elkaar in aanraking komen, of de carrosserie van het voertuig raken;
- door overbelasting – en daarmee oververhitting – is in een elektrisch component de isolatie defect gegaan (gesmolten), waardoor er contact mogelijk is met de omgeving;
- Of er is sprake van geleidende vloeistof doordat het voertuig in het water heeft gelegen, door koelvloeistoflekkage in het HV-batterijpakket een kortsluiting ontstaan tussen de plus en min. Ook lekkage van koudemiddel in de elektrische aircopomp kan zorgen voor geleiding.
In de elektrische componenten kan door een slechte isolatie een verbinding ontstaan tussen de plus- of minleidingen vanuit de HV-accu en de behuizing. Aangezien de behuizing doorgaans op de carrosserie van het voertuig is gemonteerd, zou er zonder het ingrijpen van de beveiligingen bij een slechte isolatie een stroom kunnen ontstaan. Op het moment dat de plus van de HV-batterij – als gevolg van een isolatiestoring – via de behuizing verbonden is met de carrosserie van het voertuig, staat er hoogspanning van honderden volts op de carrosserie. Omdat er echter op geen enkele manier verbinding kan worden gemaakt met de min van de HV-accu, zal er niets gebeuren, omdat er geen stroom zal gaan lopen. Het zal pas fout gaan als er meerdere isolatiestoringen zijn, waarbij zowel de plus als de min van de HV-batterij in aanraking komen met de carrosserie.
In de onderstaande drie afbeeldingen zien we het HV-batterijpakket (1) met de plus en minleidingen, met onderaan de voertuigcarrosserie (2) en tussenin twee elektrische verbruikers (3 en 4).
- slechte isolatie pluszijde component: wanneer er in een verbruiker (bijvoorbeeld de elektrische verwarming) een slechte isolatie tussen de plus en de behuizing is, zal de behuizing onder spanning komen te staan. Omdat er geen verbinding is met de min van de HV-batterij, loopt er geen stroom;
- slechte isolatie min: ook nu zal er een (kleine) spanning op de carrosserie komen te staan, maar zal er geen stroom gaan lopen;
- slechte isolatie in zowel de plus als min: in deze situatie is er kortsluiting tussen de plus en min van de HV-batterij. De carrosserie wordt de verbinding tussen positief en negatief. De stroom zal razendsnel oplopen tot dat de zekering in de serviceplug en/of de HV-batterij doorsmelt om het systeem te beveiligen.
Omdat bij een slechte isolatie in de plus of min er nog geen gesloten stroomkring is, zal de zekering in de serviceplug niet doorsmelten. De permanente isolatiebewaking in elektrische voertuigen detecteert dergelijke stroomoverdracht, waardoor de bestuurder middels een foutmelding wordt gewaarschuwd. Met een isolatiestoring kán het voertuig nog functioneren, tenzij de fabrikant het softwarematig laat uitschakelen.
Nummer 5 in de onderstaande afbeelding geeft het component aan waar de permanente isolatiebewaking plaatsvindt. In werkelijkheid is dit elektrische deel uiteraard complexer.
Nummer 6 geeft de meetweerstand aan waar de spanningsval parallel overheen wordt gemeten.
In de twee afbeeldingen hieronder zijn de situaties weergegeven waar sprake is van een slechte isolatie in de plus (links) en in de min (rechts). Doordat er stroom door de meetweerstand gaat lopen, wordt er spanning verbruikt in de weerstandsschakeling. De spanningsval over de meetweerstand is een maat voor de hoeveelheid stroom die door de weerstanden loopt.
Zodra de ECU met de permanente isolatiebewaking een afwijking detecteert, slaat hij een foutcode op. Mogelijke beschrijvingen bij de P-codes (zoals P1AF0 en P1AF4) kunnen zijn: “battery voltage system isolation lost” of “battery voltage isolation circuit malfunction”. Wanneer er een voertuig in de werkplaats binnenkomt met een isolatiestoring, kan de monteur na het gebruik van de diagnoseapparatuur, of handmatig met een Megohmmeter, de isolatieweerstanden meten om te controleren of er ergens een isolatielek aanwezig is.
Diagnose met de Megohmmeter:
In de vorige paragraaf is het begrip “isolatieweerstand” uitgelegd en is getoond hoe het voertuig met behulp van de permanente isolatiebewaking controleert of er een lek is vanuit de plus- of minverbindingen vanuit de HV-accu naar de carrosserie van het voertuig. In deze paragraaf gaan we hier dieper op in en wordt beschreven hoe je als technicus met een Megohmmeter de locatie van de storing opspoort. Uiteraard geldt dat je als technicus moet zijn gecertificeerd om aan HV-systemen te werken. De software in een diagnosetester kan bij bepaalde merken zelf een isolatietest uitvoeren, bijvoorbeeld voor componenten die pas na het inschakelen ervan een isolatiefout vertonen, zoals de elektrische verwarming of de elektrische airconditioning.
In andere gevallen kunnen we met een Megohmmeter de isolatieweerstand meten. Met een normale multimeter is het niet mogelijk de isolatieweerstand te meten, omdat de interne weerstand van de multimeter kan oplopen tot 10 miljoen ohm. De interne weerstand is te hoog om hoge weerstandswaardes te meten. Een Megohmmeter is daarvoor wel geschikt en stuurt een spanning van 50 tot wel 1000 volt uit om de bedrijfssituatie te simuleren. Deze hoge spanning zorgt ervoor dat de uitgestuurde stroom zelfs door de kleinste beschadiging in de isolatie zijn weg vindt, via de koperen kern, naar de isolatie. Om te meten met de Megohmmeter, stel je de meter in op dezelfde spanning als die van de HV-batterij, of één stap hoger. Na het aansluiten van de meetkabels en het correct instellen van de meter, klikken we op de oranje knop “insulation test”. De ingestelde spanning (in de afbeelding: 1000 volt) wordt op de meetkabels en dus op het component gezet, en vervolgens lezen we de ohmse waarde van het display af.
- Een isolatieweerstand groter dan 550 MΩ (Megaohm, wat 550 miljoen ohm betekent) is in orde. Dit is het maximale meetbereik;
- Een waarde lager dan 550 MΩ kan duiden op een lek in de isolatie, maar dat hoeft niet het geval te zijn;
- Volgens de International Electrotechnical Commission (IEC) en de Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) dient de isolatieweerstand van een EV minimaal 500 Ω per volt te bedragen. Bij een nominale HV-spanning van 400 volt moet de weerstand (500 Ω * 400 v) = 200.000 Ω zijn.
- Fabrikanten stellen vaak hogere kwaliteits- en veiligheidsnormen, waardoor hogere minimale isolatieweerstanden zijn vastgesteld. Om die reden dienen te allen tijde de fabrieksvoorschriften te worden aangehouden tijdens het stellen van een diagnose.
De voorschriften van een fabrikant zijn altijd leidend.
In de fabrieksspecificaties worden de stappen, veiligheidsvoorschriften en de minimale isolatieweerstanden omschreven.
In de volgende afbeelding zien we een screenshot uit een manual van Toyota. Van het betreffende model zijn de minimale isolatieweerstanden van de kabels naar de elektromotor getoond.
De megohmmeter dient op de waarde 500 volt te worden gezet en de minimale weerstanden van de bedrading (U V en W) naar de elektromotor ten opzichte van de behuizing dient 100 MΩ (MegaOhm) of meer te zijn.
De isolatieweerstanden van bijv. de elektrische aircocompressor en verwarmingselement kunnen anders zijn. Raadpleeg bij metingen aan andere componenten dat deel van de fabrieks-gegevens.
1. Isolatiemeting in de minzijde (geen storing):
Met de losgekoppelde stekker meten we ook de minzijde ten opzichte van de voertuigmassa. Afbeeldingen 1 en 2 tonen hoe deze meting er in schemavorm en in werkelijkheid uitziet. De meting resulteert in een isolatieweerstand van >550 MΩ, wat aangeeft dat de isolatie in goede staat verkeert.
2. Isolatiemeting in de pluszijde (geen storing):
Na het loskoppelen van de stekker, bijvoorbeeld van de inverter, bevestigen we de rode meetpen aan de pin in de gedemonteerde stekker (nu in de pluszijde) en de zwarte meetpen aan een massapunt dat verbonden is met de voertuigcarrosserie. In afbeelding 1 wordt het schema uit de vorige paragraaf opnieuw weergegeven, met daarin genummerd de HV-accu (1), voertuigmassa (2), en twee van de verbruikers (3 en 4). De Megohmmeter is aangesloten, en er is op de oranje knop “insulation test” gedrukt om met de uitgezonden spanning van 500 volt de isolatieweerstand te meten. Deze bedraagt 133 Megaohm. De isolatieweerstand is lager dan in de vorige meting. De voorschriften van de fabrikant dienen te worden geraadpleegd. We houden de minimale isolatieweerstand van 100 MΩ aan die de fabrikant heeft opgegeven. De isolatieweerstand is in orde.
3. Isolatiemeting in de pluszijde (storing):
Tijdens het meten op dezelfde aansluitingen meten we een isolatieweerstand van 65 MΩ. Hoewel de weerstandswaarde hoger is dan de minimale 500 ohm per volt die de IEC en de IEEE stellen (zie de vorige paragraaf), wordt de bedrading en / of het component afgekeurd, omdat de fabrikant de minimale weerstandswaarde van 100 MΩ heeft voorgeschreven. De bedrading en / of stekkerverbindingen mogen niet worden gerepareerd, maar dienen compleet te worden vervangen.
4. Isolatiemeting in de pluszijde (storing):
Op het moment dat er een isolatiewaarde van 0 MΩ wordt gemeten, is er sprake van een directe verbinding (dus kortsluiting) tussen de HV-draad en de behuizing. De bedrading en / of stekkerverbindingen mogen niet worden gerepareerd, maar dienen compleet te worden vervangen.
Bij een isolatiestoring kunnen één voor één de stekkers van andere verbruikers worden losgekoppeld om in de stekker te meten, op de manier zoals in de bovenstaande tekst en afbeeldingen is getoond.
Gerelateerde pagina: