Hochvolt

Ein Hochvoltsystem, oder Hochvolt (kurz HV), ist ein Begriff aus der Fahrzeugtechnik für Systeme, die mit Wechselspannungen über 30 V bis 1 kV oder mit Gleichspannungen über 60 V bis 1,5 kV betrieben werden.

Orangefarbene Kennzeichnung der Hochvolt-Leitungen beim Akkupack des Nissan Leaf

Warnzeichen vor Hochspannung nach ISO 7010

Systeme, die mit Wechselspannungen im Fahrzeugbereich bis einschließlich 30 V oder Gleichspannungen bis einschließlich 60 V betrieben werden, werden als Niedervoltsystem oder Niedervolt (kurz NV) bezeichnet und finden vor allem im Bordnetz von Fahrzeugen Anwendung. Die Unterscheidung ist insbesondere bedeutend für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb wie Elektroautos, Hybridfahrzeuge, Fahrzeuge mit Brennstoffzellen oder Akkumulatoren.

Der Begriff Hochvolt ist nicht mit dem Begriff Hochspannung aus der elektrischen Energietechnik zu verwechseln. Die Unterscheidung in Hoch- und Niedervolt in der Fahrzeugtechnik soll dem Laien das erhöhte Gefahrenpotential verdeutlichen.

Hochvoltspeicher

Eine „Hochvoltbatterie“ (abgekürzt „HV-Batterie“) oder auch „Hochvoltspeicher“ ist eine elektrische Energiequelle für mobile und stationäre Anwendungen. Sie findet vorzugsweise Verwendung in Elektroautos, wo sie auch als Antriebsbatterie oder Traktionsbatterie bezeichnet wird, oder als stationärer Speicher für Solar- oder Peak-Shaving-Anwendungen. Als Spitzenkappung („Peak Shaving“) wird in der Energiewirtschaft das Glätten von Lastspitzen bei industriellen und gewerblichen Stromverbrauchern bezeichnet; es trägt zur Stromnetzstabilität bei. Eine Hochvoltbatterie besteht aus einzelnen Batteriemodulen, in denen einzelne Akkumulator-Zellen gekapselt sind, die durch Reihenschaltung insgesamt eine elektrische Spannung von mehreren hundert Volt liefern.

Sicherheit

Kennzeichnungen

Leitungen und Verbindungskomponenten des HV-Systems werden nach ISO 6469-3 und ECE-R 100 in orange gekennzeichnet (umgangssprachlich „Hochvolt-Orange“).

In der Nähe des elektrischen Energiespeichers ist ein dreieckiges gelbes Warnsymbol mit schwarzem Blitz und Rahmen (ähnlich wie nach DIN 4844-2) als Gefahrenkennzeichnung anzubringen.

Elektrische Gefährdungen

Elektrische Gefährdungen bestehen, wenn die Berührungsspannung 25 V AC oder 60 V DC übersteigt und der Kurzschlussstrom größer als 3 mA AC oder 12 mA DC ist oder Energie von mehr als 350 mJ umgesetzt wird.

Gebräuchliche Architekturen

In der Tesla Roadster (2008) Antriebsbatterie wurden 6831 Zellen handelsüblicher Lithium-Ionen-Zellen der Größe 18650, die auch für Notebooks verwendet wurden, zu jeweils 69 parallel und 99-mal in Serie hintereinander verschaltet. Aus 3,6 Volt Nennspannung einer Einzelzelle resultiert knapp 360 Volt Akkunennspannung, und bei 4,1 Volt Ladeschlussspannung wird der Akku gute 400 Volt maximale Spannung aufweisen. Das liegt in der Größenordnung des in Europa üblichen Dreiphasenwechselstrom. Abgesehen vom Mitsubishi i-MiEV von 2009, der sich mit 88 Zellen in Serie begnügt, hatten und haben spätere E-Autos wie der Nissan Leaf (2010, 96) und der Smart Electric Drive (2012, 93) fast immer zwischen 90 und 100 Zellen in Serie. So wurden bei Elektroautos für den elektrischen Antriebsstrang 400-Volt-Systeme vorherrschend.

Bei 400 Volt Nennspannung benötigen 120 kW Ladeleistung (wie bei Tesla Supercharger der späten 2010er Jahre) schon 300 A Stromstärke, und 400 kW Motorleistung (Tesla Model S Plaid bis zu 750 kW) erfordern 1000 A Stromstärke im Fahrzeug. Um diese Ströme zu reduzieren wurden daher höhere Spannungen bis ca. 1000 Volt zunächst beim Ladestandard CCS 2.0 eingeführt, beim LKW-Standard Megawatt Charging System (MCS) ging man bis 1250 Volt und (noch?) nicht bis zur Grenze der Niederspannung die bei 1500 V angesiedelt ist. Darüber werden wegen Lichtbogen usw. andere Bauformen benötigt.

Allerdings werden 800-V-Architekturen in PKW bislang nur vereinzelt eingesetzt – insbesondere bei gehobenen oder sportlichen Fahrzeugen, z. B. beim Porsche Taycan, Audi e-tron GT, Hyundai Ioniq 5 und Kia EV6/EV9, aber auch bei manchen Kleinwagen wie z. B. beim BYD Dolphin. Auch die Formel E setzt auf ein 900-V-System. Mit dem Tesla Cybertruck Der Lucid Air

Der wesentliche Vorteil einer höheren elektrischen (Nenn-)Spannung ist, dass für dieselbe elektrische Leistung eine geringere elektrische Stromstärke nötig ist; wird die Spannung beispielsweise verdoppelt, genügt der halbe Strom. Dünnere Kabel (mit geringerer Leiterquerschnittsfläche) reichen dann aus. Damit kann bei Material, Gewicht, Kühlung, Komplexität und Kosten gespart werden. Auf der anderen Seite lassen sich mit höheren Spannungen höhere Fahr- und Ladeleistungen leichter realisieren, ohne mit ansonsten nur mehr schwer handzuhabenden sehr hohen Strömen konfrontiert zu sein. Indem Akkumulator-Zellen oder Batteriemodule nicht parallel, sondern in Reihe geschaltet werden, lässt sich die Spannung der Antriebsbatterie sehr einfach erhöhen.

Literatur

• Martin Frei: Grundlagen Kfz-Hochvolttechnik: Basiswissen, Komponenten, Sicherheit. 3., erw. Aufl., Krafthand Medien, Bad Wörishofen 2018, ISBN 978-3-87441-163-9

Weblinks

• Suchwort Hochvolt bei Incoming Mobility Hintergründe zur Hochvolttechnik von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Portal für neue Mobilitätskonzepte und alternative Antriebe. Krafthand Medien GmbH, Bad Wörishofen
• Hans-Martin Fischer (verantwortlich): Spannungsklassen in der Elektromobilität. Hrsg.: ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie. Dezember 2013 (zvei.org [PDF]).