Modell eines fahrzeuginternen Laders

Modell eines fahrzeuginternen Laders

Fragestellung

Ein elektrischer Schlag beim Laden eines E-Autos? Ist so etwas überhaupt möglich?

Nein, natürlich nicht, denkt man... unwissend.

Aber, unter bestimmten Umständen ist dies leider denkbar. Für den Fall, daß eine Sicherheitsvorrichtung im Fehlerfall versagt, werden bei elektrischen Systemen generell Vorkehrungen getroffen, die weiteren Schaden verhindern sollen.

Einen Bericht darüber findet sich auf der IFEU-Seite:

Lebensversicherung Fehlerstromschutzeinrichtung => Link

Doch, wie sieht es bei E-Fahrzeugen hinsichtlich der Sicherheitsvorkehrungen gegen das Erleiden eines elektrischen Stromschlags wirklich aus? Schließlich wird ein E-Auto während des Ladevorgangs mit dem öffentlichen Stromnetz bei einer Spannung von 230 V gegen Erde bzw. 400 V verbunden.

Die IFEU hat auch dieses sensible Thema einmal aufgegriffen und anhand der gängigsten Fahrzeug-Modelle verschiedener Elektroauto-Hersteller analysiert.

Generelle Standards

Für den Betrieb von elektrischen Geräten existieren bereits seit den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts strikte Vorschriften, die sich mit Sicherheitseinrichtungen zum Schutz gegen Unfälle durch elektrischen Strom befassen. Diese Vorschriften gingen später nahezu unverändert in Normierungen ein, die zunächst in der DIN, später in EU-Normen festgelegt wurden.

Vereinfacht sind diese Sicherheitsvorschriften in zwei Bereiche zu unterteilen:

• Vorschriften, die beim Bau (konstruktiv) eines elektrischen Geräts zu beachten sind

• Vorschriften, die die elektrische Stromversorgung im Haushalt erfüllen muß

Basisschutz: Vorkehrung zum Schutz gegen direktes Berühren von aktiven Teilen durch eine Basisisolierung im fehlerfreien Zustand

Man liest immer wieder, daß vor allem asiatische Hersteller aus Kostengründen Geräte auf den europäischen Markt bringen, die eine dieser Vorschriften nicht einhalten und entweder bei einem Sicherheitstest durchfallen oder aber in kritischen Fällen sogar vom Gesetzgeber aus dem Markt genommen bzw. vernichtet werden.

Diese Seite scheint sicher. Also wenden wir uns der anderen Seite, dem hausinternen Stromnetz und dessen Sicherheitseinrichtung zu.

Die Vorschrift zum Einbau von aktiven Schutzeinrichtungen im Stromnetz eines Haushalts definiert die nachgelagerte zweite Stufe des Schutzes vor Unfällen mit elektrischem Strom, denn was passiert, falls der o.g. durch den Hersteller zu garantierende Basisschutz aufgrund eines Fehlers oder fehlerhaften Verwendung des elektrischen Gerätes nicht mehr wirken kann? Dann tritt eine weitere Schutzstufe in Kraft, der sogenannte:

Fehlerschutz bei indirektem Berühren von berührbaren Teilen, zum Beispiel des metallischen Gehäuses eines elektrischen Betriebsmittels, die bei einem Fehler zu gefährlichen aktiven Teilen werden können.

Schutzeinrichtungen

Der Basisschutz wird vom Hersteller eines elektrischen Gerätes durch allgemein anerkannte konstruktive Maßnahmen gewährleistet.

Diese können sein:

Ein isolierendes Gehäuse, ein teilisoliertes Gehäuse, ein elektrisch leitendes Gehäuse

Der Fehlerschutz muß durch Sie selbst gewährleistet werden - und keine Sorge, das ist er auch, denn Sie wohnen in Mitteleuropa in einem Gebäude mit einem darin verbauten Sicherungskasten, welcher einen FI-Schutzschalter aufweist.

Bezug zum E-Auto

Wir können uns nun leicht vorstellen, daß ein E-Auto vom Basisschutz betrachtet ein elektrisch leitendes, mit Sicherheit jedoch mindestens ein teilisoliertes „Gehäuse“ darstellt, das zudem auch noch Nässe ausgesetzt ist.

Wasser und elektrischer Strom, naja das weiß jedes Kind...

Es muß also garantiert werden, daß während eines Ladevorgangs das Fahrzeug verlässlich geerdet ist.

Aber mal ehrlich: Haben Sie jemals vor dem Einstecken des Ladesteckers darauf geachtet, ob ihr Fahrzeug ausreichend geerdet ist?

Macht doch keiner.

Also sollte der Hersteller des Fahrzeugs konstruktiv darauf geachtet haben, daß zu 100% sicher gestellt werden kann, daß niemals eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Fahrzeugkarosserie und Lader auftritt.

Falls nicht ausgeschlossen werden kann, daß ein Pol des Fahrzeugakkus ständig oder nur im Fehlerfall mit der elektrisch leitenden Karosserie in Kontakt kommt, sollte zumindest der im Fahrzeug verbaute Lader dies gewährleisten.

Dies ist bei allen E-Fahrzeug Herstellern der Fall, außer bei Fahrzeugen von eines einzigen französischen Herstellers; nein, nicht Citroen und nicht Peugeot.

Um nachzustellen und auch zu informieren, was dies bedeutet hat die IFEU ein Modell der gängigen Ladertechnologien entwickelt und auch zu Anschauungszwecken gebaut

Modell eines fahrzeuginternen Laders

Es gibt zwei gänzlich verschiedene Technologien, wie ein Lader aufgebaut ist.

Lader mit

• galvanischer Trennung des AC-DC Stromkreises

• nicht galvanisch getrenntem AC-DC Stromkreis

Beide Ladertypen wurden in dem IFEU-Anschauungsmodell aufgebaut.

Hier ein Photo dieses Modells

Trafo FI-Schutz oben: galvanisch getrennter Lader E-Fahrzeug mit Akku

unten: nicht galvanisch getrennter Lader Testperson

Der Aufbau:

Das links mit dem gelb-roten Hochspannungssymbol versehene Gehäuse wandelt die eingespeiste Haushaltsspannung von 230 V in eine hier im Modell ungefährliche AC Niederspannung. In der Realität stellt dies die Umspannstation des Energieversorgers dar, in der von 20 kV Mittelspannung auf 230 V Haushaltsspannung transformiert wird.

Gleich rechts daneben findet sich der FI-Schutzschalter, wie er auch in jedem Haus im Sicherungskasten verbaut ist. Dieser Typ ist mit 0,03 A ein gängiger FI, an dessen Ausgang sich die Spannungsversorgung parallel aufspaltet. Je ein Leiter L1 und ein Leiter N führen zu dem mittig oben verbauten Schaltnetzteil, das eine galvanische Trennung des DC Ausgangs gewährleistet. Direkt im Bild darunter der schwarze Klecks mit weißem Punkt ein vergleichsweise technisch primitives Netzteil, das keine galvanische Trennung des DC Ausgangs vom primären AC Eingang gewährleistet. Leicht rechts von der Mitte sind im Bild oben und unten die beiden Kabelpaare vom jeweiligen DC Ausgang der Netzteile (bei E-Autos „Lader“ genannt) zu erkennen. Diese Kabel führen zu zwei Steckkontakten an denen das ganz rechts im Bild sichtbare Fahrzeug mit einem Stecker an der Frontseite verbunden werden kann. Zusätzlich ist jeder der beiden Steckkontakte neben + und - noch mit einem weiteren Erdungskontakt (gelb-grünes Kabel im oberen Bildbereich) ausgestattet, mit dem das Fahrzeug beim Anstecken ebenfalls verbunden wird.

Auf dem Bild ist derzeit das Fahrzeug mit dem „nicht galvanisch getrennten“ Lader verbunden. In der Realität ist dieser Lader bei Fahrzeugen des französ. Herstellers intern verbaut, bei allen anderen Herstellern sind die ebenfalls fahrzeuginternen Lader von der Sorte „mit galvanischer Trennung“ aus dem oberen mittigen Bildbereich verbaut.

Ganz rechts im Bild steht das Fahrzeug auf einer geerdeten Fläche, wie in der Realität auch. Die Reifen sind bei unserem Modell aus Kunststoff und damit isolierend, wie bei echten Reifen aus Kautschuk an echten E-Fahrzeugen auch. Im Bild rechts unten steht unsere Testperson und betätigt gerade den Türgriff des Modellautos. Sie geht dabei eine elektrisch leitende Verbindung mit der Fahrzeugkarosserie ein und steht zugleich auf der geerdeten Fläche - wie in der Realität auch.

Der Hochspannungsteil:

Auf dem Bild rechts ist nochmals

der primäre Teil unseres Modells erkennbar. Da es mit haushaltsüblichem Wechselstrom betrieben wird (siehe schwarzer Stecker links unten) stellt dieser Bereich die Stromversorgung dar und simuliert die reale Umspannstation 1 des Energieversorgers. Die beiden Kabel oben (hellgrau und schwarz) stellen die beiden Niederspannungsleiter L1 und Neutralleiter N dar, denn auf ein dreiphasiges Drehstrom Modell haben wir aus Gründen der Übersicht verzichtet.

Die Sicherheitseinrichtung besteht aus einem einphasigen FI-Schutzschalter 2, der, wie in der Realität, am Eingang N geerdet ist und am Ausgang L1 und N die AC-Spannung bereitstellt. Bei uns ungefährliche 36 Volt, in der Realität sind das die 230 Volt Haushaltsspannung. Dennoch arbeitet der FI-Schalter korrekt, was durch Drücken der Prüftaste

getestet werden kann. Ab einem Fehlerstrom von 0,03 A löst er aus und schaltet die angeschlossenen Bereiche unverzüglich spannungsfrei

Die beiden Lader unseres Modells bestehen aus dem Schaltnetzteil 3 und dem Netzteil 4. In der Realität befinden sich diese Lader im Fahrzeug verbaut, aber im Modell wollten wir auch die Unterschiede aufzeigen.

Beide Lader liefern dieselbe DC-Ausgangsspannung von 40 Volt, in der Realität ist es das Zehnfache. Der obere Lader 3 gewährt eine galvanische Trennung des DC-Sekundärkreises vom AC-Primärkreis unseres Modells, was ein lebensrettendes Sicherheitsmerkmal darstellt, denn dabei existiert niemals eine elektrisch leitendende Verbindung zwischen den Polen des Fahrzeugakkus und der Hochspannung aus der Steckdose. Der untere Lader 4 hat den Nachteil, daß er das nicht gewährleisten kann, dafür ist er mit nur ganz wenigen Bauteilen extrem günstig. In der Realität macht der

Kostenunterschied je nach Ladeleistung etwa 1500.- bis 2500.- Euro aus.

Der Fahrzeuganschluss erfolgt in unserem Modell an den beiden Kabeln der Lader mit + und - an den im Bild nur schwer erkennbaren Steck-leisten 3a und 4a. Das Kabel besitzt neben diesen beiden Polen noch einen weiteren Kontakt für Erde, wie in der Realität auch. Es kann dabei durch einen Kippschalter 5 im Fahrzeug ein Fehlerfall an einem der Akkupole zur Fahrzeugmasse simuliert werden. Hier ist der Fehlerzustand bereits aktiviert, was an der unterhalb des Kippschalters grün leuchtenden Signalleuchte erkennbar ist.

Der elektrische Schlag, den

unser Männchen an der gelben Hundeleine (damit es nicht verloren geht) gerade verspürt, wird durch das rot leuchtende Lämpchen 7 am Rücken dargestellt. Unser Männchen berührt mit der linken Hand die Fahrertüre, während es gleichzeitig mit beiden Beinen geerdet ist, da es auf dem Boden steht. Der DC-Strom fließt somit über den ganzen Körper ab. In der Realität kommt dies einem tödlichen Schlag durch elektrischen Strom gleich. Wird das Fahrzeug, bei sonst unveränderten Bedingungen an der Steckerleiste des galvanisch getrennten Laders 3 angesteckt fließt trotz Fehlerfall kein Körperstrom durch unser Testmännchen und dessen rotes Rückenlämpchen leuchtet nicht. Was eine galvanische Trennung nun ausmacht, das ist spätestens jetzt auch jedem Laien klar.

Übrigens löst in beiden Fällen der primärseitige FI niemals aus, denn für DC-Ströme ist dieser nicht ausgelegt.

Ladefehler in der Realität:

Nun kennt so mancher Besitzer eines E-Fahrzeugs des französischen Herstellers den Umstand, daß sich kurz nach Ladebeginn so manche Ladesäule auf stromlos schaltet und dann das Fahrzeug nicht mehr geladen werden kann; übrigens auch nachfolgende E-Fahrzeuge können dann nicht mehr laden und freuen sich enorm darüber !!!

Der Ladesäulenbereiber darf dann vor Ort die Ladesäule wieder in Betrieb setzen, auch da kommt Freude auf !!!

Mittlerweile kommt das so häufig vor, daß zahlreiche Energieversorger neuerdings ihre Ladesäulen mit einem teuren Fernwartungsmodul nachrüsten, damit

sich die noch kostenintensiveren Wartungseinsätze begrenzen lassen.

Dieser Renault-Ladefehler - bedingt durch den im Fahrzeug verbauten Lader - lässt sich mit unserem Modell auch nachstellen. Dazu muss nur die „Renaultfehler“-Taste 6 gedrückt werden und schon löst der FI aus. Natürlich nur, wenn das Fahrzeug auch mit dem primitiven Lader 4 verbunden ist. Bei dem galvanisch getrennten Lader 3 aller anderen Fahrzeughersteller tritt dieser Auslösefehler nie auf, egal wie oft oder wie lange die „Renaultfehler“-Taste gedrückt wird.

Lösung dieser Probleme:

Eine Abhilfe zur Vermeidung von den oftmals durch Fahrzeuge ausgelösten Ausfällen von Ladesäulen wäre ganz einfach dadurch zu erreichen, indem man ausnahmslos in jedes Fahrzeug einen dem Stand der Technik entsprechenden Lader verbaut, wie er in unserem Modell unter 3 zu sehen ist. Ich selbst habe zu Beginn der 80er Jahre, also vor fast 40 Jahren als Jugendlicher die damals noch akzeptable Technik des primitiven Netzteils vom Typ 4 sekundärseitig an Trafos genutzt. Damals gab es zwar bereits die weitaus aufwändigere Technologie der galvanisch getrennten Schaltnetzteile, diese waren jedoch um den Faktor 100 teurer. In den 90ern gab es jedoch keinen einzigen Computer mehr zu kaufen, der nicht ein Schaltnetzteil zur Spannungsversorgung verbaut hatte. Die Preise purzelten. Heute, wir schreiben das Jahr 2018, gibt es keine Netzteile mehr ohne galvanische Trennung, nicht einmal bei billigen chinesischen Netzteilen der unsichersten Sorte, die in Europa keine Zulassung besitzen.

Man findet galvanisch getrennte und damit um eine Sicherheitsstufe höherwertige Schaltnetzteile bei Laptops, Computern, Mobiltelefonen, Fernsehern, DVD-Playern, Receivern, Audio-Anlagen, Akku-Bohrmaschinen, Niedervolt-LED-Lampen, ja sogar in elektrischen Rasierapparaten oder an Weihnachtsbaum-Lichterketten.

Selbst diverse Akku-Ladegeräte von den kleinsten für den Hausgebrauch, über denen der mittleren Leistungsklasse für Elektrofahrräder und Segways, bis hin zu hohen Leistungsklassen bei E-Motorrädern verwenden ausschließlich galvanisch getrennte Technologien !

Weshalb hält sich der französische Hersteller nicht daran?

Nun, diese Frage ist für jeden Elektroingenieur eine Frage, die nichts mit den Gesetzen der Physik zu tun hat. Beide Technologien funktionieren, nur eine weist eben zahlreichende gravierende Nachteile auf.

Für jeden skrupellosen Wirtschaftsingenieur, der den Gewinn vor die Sicherheit stellt, beantwortet sich die Frage weitaus einfacher: primitive Lader sind billiger.

Kostenkalkulation:

Die drei Bauteile des Laders 4 in unserem Modell kosteten mich weniger als 1.- Euro. Das galvanisch trennende höherwertige Schaltnetzteil des Laders 3 in unserem Modell schlug hingegen mit knapp 20.- Euro zu Buche. Ich hatte es allerdings noch von einem anderen Projekt => Link übrig und musste es mir nicht extra anschaffen. Es wurde sozusagen einer sinnvollen Nutzung zugeführt, statt im Elektronikschrott zu landen, obwohl es neu und vollkommen fehlerfrei ist.

Zurück zur Kostenkalkulation. Wie man errechnen kann, kommt hier bei unserem Modell ein Preisvorteil von 19.- heraus.

In der Realität werden aber weitaus leistungsstärkere Schaltnetzteile als Lader in Fahrzeugen verbaut. Diese sollen, abhängig von der jeweiligen Ladeleistung, hier mal zur Information tabellarisch verglichen werden.

Leistung 1kW 5kW 10kW 20kW

Preis 70.- 200.- 1000.- 2500.- galvanisch trennendes Schaltnetzteil

Preis 5.- 20.- 50.- 100.- primitives Netzteil

Spätestens jetzt dürfte Besitzern von Fahrzeugen aller Hersteller (außer o.g. französ. Hersteller) deutlich geworden sein, weshalb nur Lader mit mickriger 5kW oder 11kW Ladeleistung von ihrem Hersteller in ihr Fahrzeug verbaut wurden.

Alles eine Frage des Preises!

Allerdings, ob das bei Fahrzeugpreisen von 35.000.- bis zu 45.000.- bei deutschen Autokonzernen wirklich eine entscheidende Rolle spielt, darf angezweifelt werden.

Um jedoch auf die primitiven und extrem billigen Lader bei Fahrzeugen des französ. Herstellers zurück zu kommen, darf hierbei schon von einem nicht irrelevanten Kostenvorteil gesprochen werden. Bedenkt man, daß ein Renault ZOE für 18.000.- zu haben ist also bei der Herstellung Gestehungskosten von geschätzt 15.000.- (oder vielleicht weniger) anfallen, dann sind 2400.- Preisdifferenz immerhin satte 16% davon und schmälern den Gewinn immerhin um fast 2500.- Euro.

Naja, wahrscheinlich würde der Renault-Konzern bei einer Großmenge im industriellen Stil auch keine 2500.- sondern vielleicht weniger als die Hälfte dafür beim Zulieferer zahlen müssen, aber sei‘s drum.

Technische Grundlagen:

Ein primitiver Lader besteht nur aus wenigen Bauteilen. Das Schaltbild dazu:

einphasig (mit Siebung) dreiphasig

Elektronisches Schaltbild des primitiven Laders analog der Patentschrift von Renault:

Ein Schaltnetzteil (einphasig) mit galvanischer Trennung. Das Prinzipschaltbild dazu:

und das elektronische Schaltbild eines (sehr einfachen) Schaltnetzteils dazu:

Die in Fahrzeugen verbauten Schaltnetzteile sind, ebenso wie das von mir im Modell verbaute, wesentlich aufwändiger und komplexer aufgebaut, als im obigen Schaltbild dargestellt, aber für einen Überblick genügt das vollauf.

Fazit:

Jedesmal, wenn mich ein IFEU-Mitglied anruft und darüber berichtet, daß sein Fahrzeug eine Ladesäule deaktiviert hat oder es sich an der WallBox wieder einmal nicht laden ließ und ich den Tipp geben muß, den Lader seines Fahrzeugs noch innerhalb der Gewährleistungsfrist in einer Werkstätte seines Vertrauens tauschen zu lassen, bevor das Teil von Renault ganz den Geist aufgibt, muß ich wohl künftig unwillkürlich an diesen Artikel hier denken.

Jedesmal, wenn mir ein Teilnehmer eines unserer LadeBox-Workshops berichtet, daß seit kurzem häufig der FI der LadeBox bei Start des Ladevorgangs am ZOE ausgelöst wird, rate ich auch zum baldigen Tausch des Laders, denn teilweise über 0,1 A Dauerfehlerstrom sind echt nicht tolerierbar. Ein Schaltnetzteil hat maximal 0,0005 A.

Jedesmal, wenn mir ein IFEU-Mitglied berichtet, daß eine Ladesäule ausgefallen ist, musste ich bislang immer an ein Fahrzeug des Autokonzerns Renault denken, dies wird sich künftig wohl nicht ändern.

Jedesmal, wenn mir WallBox- oder Ladesäulen-Hersteller unter vorgehaltener Hand über deren enormen Probleme, verursacht durch Fahrzeugen dieses Autokonzerns klagen, denke ich dasselbe.

Jedesmal, wenn mir ein zukünftiger Teilnehmer eines unserer LadeBox-Workshops die Frage nach dem von ihm genutzten Fahrzeug beantwortet, hoffe ich daß es keines aus dem Hause Renault ist, denn dann muß ich statt eines preisgünstigen Typ A Fehlerstromschutzschalters für etwa 30.- Euro, den teuren allstromsensitiven FI vom Typ B für den 8-fachen bis 15-fachen Preis, je nach Hersteller für bis zu 450.- Euro empfehlen.

Generell gilt es zu bedenken:

Das was sich der frz. Hersteller an Kosten dadurch erspart hat, daß es bei den verbauten Ladern auf eine uralte Technik mit deutlich signifikanten Sicherheitsmängeln setzt, verlagern sich diese Kosten zu Lasten anderer Parteien (Ladesäulenhersteller, Ladepunktbetreiber, Renault-Autobesitzer, private Haushalte) und indirekt auch über Gebühren für Ladungen auf alle anderen E-Fahrzeugnutzer, denn die höheren Kosten der ersten beiden genannten Firmen werden letztlich auf alle Ladesäulennutzer mittels der Preise für eine Ladung umgelegt.

Dies kommt mir vor, wie die Abzocke bei Billigdruckern, die man günstig kaufen kann, aber für Druckerpatronen im Verlauf der Nutzung ein Vielfaches des normalen Preises hinblättern muß. Das kommt mir auch genauso vor, wie das Mietkonzept für Akkus, das übrigens nur noch durch Renault aufrecht erhalten wird - vermutlich aus Gründen sich dabei eine goldene Nase verdienen zu können... oder, da die Renault-Akkus scheinbar nicht so lange halten, wie die aller anderen E-Auto Hersteller.

Darüber sollte mal nachgedacht werden dürfen.

Es gibt noch viel zu ändern!

Hoffentlich bekommt kein E-Autofahrer dieses französischen Herstellers in der Zwischenzeit einen elektrischen Schlag.

P.S.:

Hat je ein Renault-Verkäufer den neuen Besitzer eines E-Autos dieses Konzerns darauf hingewiesen, daß

• das Risiko eines elektrischen Schlags bauartbedingt bei dem Fahrzeug höher ist?

• der fahrzeuginterne Lader bis zu über 80-fach überhöhte Fehlerströme erzeugt?

• dieser vom Elektriker einen allstromsensitiven Fehlerstromschutzschalter für die

Ladung installieren lassen muß?

Hat sich jemals jemand bei Renault für diese elektrotechnischen Vorschriften zur Unfallverhütung interessiert:

• Elektrische Anlagen und Betriebsmittel müssen sich in sicherem Zustand befinden und sind in diesem Zustand zu erhalten.

• Elektrische Anlagen und Betriebsmittel dürfen nur benutzt werden, wenn sie den betrieblichen und örtlichen Sicherheitsanforderungen im Hinblick auf Betriebsart und Umgebungseinflüsse genügen.

• Elektrische Anlagen und Betriebsmittel müssen entsprechend ihrer Spannung, Frequenz, Verwendungsart und ihrem Betriebsort Schutz bei indirektem Berühren aufweisen, sodass auch im Fall eines Fehlers in der elektrischen Anlage oder in dem elektrischen Betriebsmittel Schutz gegen gefährliche Berührungsspannungen vorhanden ist.

Dipl.-Ing.

Thomas Scharpf

Sonntag, 21. Januar 2018

BEV-Modellmännchen erhält elektrischen Stromschlag

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