21. Gesetzliche Anforderungen

Als Referenz für die Einteilung der Fahrzeugklassen gilt in nahezu allen Ländern die Richtlinie ISO 3833:1977 Road vehicles – Types – Terms and Definitions.² Diese Richtlinie ist der ISO-Standard für Straßenfahrzeuge, deren Typen, Begriffe und Definitionen. Die Richtlinie definiert Bezeichnungen nach bestimmten Konstruktionsmerkmalen und technischen Eigenschaften im Zusammenhang mit den Arten von Straßenfahrzeugen. Sie gilt dementsprechend ausdrücklich für Fahrzeuge, die für den Straßenverkehr bestimmt sind. Ausgenommen sind landwirtschaftliche Zugmaschinen, die nur gelegentlich für die Beförderung von Personen oder Gütern auf der Straße zum Einsatz kommen.³

Grundsätzlich werden Fahrzeuge nach Richtlinie ISO 3833:1977 in die Klassen „Kraftfahrzeug“, „gezogene Fahrzeuge“, „Kombination von Fahrzeugen“, „Moped“ und „Motorrad“ unterteilt. Kraftfahrzeuge sind motorgetriebene Straßenfahrzeuge mit vier oder mehr Rädern, die nicht schienengebunden sind und üblicherweise für die Beförderung von Personen oder Gütern eingesetzt werden. Fahrzeuge, die an eine elektrische Leitung angeschlossen sind, oder dreirädrige Fahrzeuge mit einem Gesamtleergewicht von mehr als 400 kg sind in der Klasse „Kraftfahrzeuge“ inbegriffen. Die Klasse „gezogene Fahrzeuge“ beschreibt nicht motorgetriebene Straßenfahrzeuge, die aufgrund ihrer Bauart und Ausstattung zur Beförderung von Personen und Gütern dienen und dazu bestimmt sind, von einem Kraftfahrzeug gezogen zu werden. Die Kombination von Fahrzeugen umfasst ein Kraftfahrzeug, das mit einem oder mehreren Zugfahrzeugen gekoppelt ist.⁴

Das jährlich vom Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) herausgegebene „Verzeichnis zur Systematisierung von Kraftfahrzeugen und ihren Anhängern“ umfasst folgende Gliederung:

In Teil B dieses Verzeichnisses werden jeweils analog zur Gliederung die auslaufenden Bezeichnungen gelistet. Die gültigen Bezeichnungen basieren auf der Verordnung (EU) 2018/858. Die EG-Fahrzeugklassen unterteilen Kraftfahrzeuge und ihre Anhänger in neun große Hauptklassen mit jeweiligen Untergruppen, wovon die Hauptklassen in Tab. 21.1 aufgeführt sind.⁵

Fahrzeugunterklassen beschreiben Fahrzeuge, die vom Aufbau oder Bestimmungszweck her nicht eindeutig einer der vier Hauptklassen zugeordnet werden können. Die Verordnung (EU) 2018/858 führt die folgenden drei verschiedenen Fahrzeugunterklassen auf.⁶

Eine Besonderheit stellt die Fahrzeugklasse L dar. Grundlage dafür ist die Verordnung (EU) Nr. 168/2013 vom 15. Januar 2013 über die Genehmigung und Marktüberwachung von zwei- oder dreirädrigen und vierrädrigen Fahrzeugen. Durch diese Verordnung sollen harmonisierte Vorschriften für die Typgenehmigung von Fahrzeugen der Klasse L festgelegt werden, um das Funktionieren des Binnenmarktes zu gewährleisten. Außerdem sollen mit dieser Verordnung der Rechtsrahmen vereinfacht, Emissionen von Fahrzeugen der Klasse L verringert, die Sicherheit erhöht, zur Anpassung an den technischen Fortschritt beigetragen und die Vorschriften für die Marktüberwachung gestärkt werden. Fahrzeuge der Klasse L sind zwei-, drei- oder vierrädrige Kraftfahrzeuge, wozu Fahrräder mit Antriebssystem, zweirädrige und dreirädrige Kleinkrafträder, zweirädrige und dreirädrige Krafträder, Krafträder mit Beiwagen, leichte und schwere Straßen-Quads sowie leichte und schwere Vierradmobile gehören. Aufgrund der besonderen Rahmenbedingungen dieser Fahrzeugklasse können hier vereinfacht Fahrzeuge mit Elektroantrieb hergestellt und genehmigt werden.

Tab. 21.2 gibt eine Übersicht der Fahrzeugklasse L nach Richtlinie 2002/24/EG.^7,8

Die Verordnung über die Zulassung von Fahrzeugen zum Straßenverkehr und das Kraftfahrt-Bundesamt definieren beide keine eigene Klasse für E-Mobile. Die heute am Markt erhältlichen Elektrofahrzeuge sind daher bislang hauptsächlich in den „klassischen“ Fahrzeugklassen M1 für Pkw zu finden oder in der Klasse N1 für kleine Nutzfahrzeuge bis 3,5 t. Zusätzlich können Elektrofahrzeuge den Klassen M2, M3, N2 und N3 sowie der Fahrzeugklasse L angehören.⁹

Mit der Fahrzeugklasse L wurden Fahrzeugklassen geschaffen, die erstmals explizit die Möglichkeit eines Elektroantriebs mit einer maximalen Nutzleistung von bis zu 15 kW beinhalten. Leichte zwei- oder dreirädrige Kleinkrafträder mit bis zu vier Kilowatt elektrischer Antriebsleistung im Rahmen der Bestimmungen der Fahrzeugklassen L1e und L2e sind problemlos und zuverlässig zu realisieren. Den Fahrzeugklassen L6e und L7e sollte hingegen eine zusätzliche Betrachtung zukommen, da sie je nach Ausführung und Tests sicherheitskritisch sein können.

Ein besonderes Augenmerk sollte auf die Fahrzeugklasse L7e gelegt werden, denn diese Fahrzeugklasse sieht eine Begrenzung der Fahrzeugmasse (Leergewicht ohne Batterien 400 kg beziehungsweise 550 kg) und der Motorleistung (15 kW) vor, aber keine Begrenzung der Höchstgeschwindigkeit. Ein Rechenbeispiel zeigt, inwiefern die passive Sicherheit der Fahrzeugklasse L7e bei ungünstigen Bedingungen beeinträchtigt werden kann. Geht man beispielsweise von einer Lithium-Ionen-Batterie mit zehn Kilowattstunden Leistung aus, ergibt sich für ein solches Fahrzeug bei einem Batteriegewicht von rund 100 kg zuzüglich Fahrer (75 kg) eine Gesamtfahrzeugmasse (Gesamtgewicht) von weniger als 800 kg. Bei einer Motorleistung von 15 kW kann dieses Fahrzeug innerhalb von fünf bis sechs Sekunden auf 50 km/h beschleunigen und eine Höchstgeschwindigkeit von mehr als 100 km/h erreichen. Würde es in diesem Szenario zu einem Unfall kommen, müsste von einem erhöhten Risiko ausgegangen werden. Zusätzlich sind die Prüfumfänge und -nachweise für Fahrzeuge der Klasse L im Vergleich zu einem klassischen Pkw (Fahrzeugklasse M1) geringer.¹⁰

Auch für Elektrofahrzeuge besteht die Möglichkeit, die Fahrzeuge so zu designen beziehungsweise auszulegen, dass sie in die Kategorie L7e fallen. Da an diese Fahrzeuge der Klasse L keine gesetzlichen Anforderungen für Crash-Sicherheitsnachweise gestellt werden, ergaben Untersuchungen, dass die passive Sicherheit der Fahrzeugklasse L im Durchschnitt geringer ausfällt als die der Fahrzeugklasse M. Deshalb fordert die Unfallforschung der Versicherer, dass die Sicherheitsstandards von Leichtkraftfahrzeugen an die von Pkw angepasst werden.¹¹ Leichtfahrzeuge sollten darüber hinaus serienmäßig mit aktiven und passiven Sicherheitselementen ausgerüstet werden. Bei der Bewertung der Sicherheit der Fahrzeugklasse L muss jedoch beachtet werden, in welchen Umfeld die Fahrzeuge eingesetzt werden und womit die Fahrzeuge verglichen werden (zum Beispiel Pkw oder Roller). So ist das Sicherheitsrisiko meist nur bei hohen Geschwindigkeiten und etwa auf Bundesstraßen erhöht. Außerdem werden teilweise auch Crashtests mit Fahrzeugen der Klasse L vorgenommen, um die passive Sicherheit zu erhöhen.¹²

Neben konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und alternativen Kraftstoffen etablieren sich zunehmend elektrifizierte Antriebskonzepte. Sie lassen sich – abhängig vom Elektrifizierungsgrad, der das Verhältnis der elektrischen Antriebsleistung zur gesamten Antriebsleistung beschreibt – in unterschiedliche Kategorien klassifizieren. Es wird zwischen Mikro-Hybriden, Mild-Hybriden, Voll-Hybriden, Plug-in-Hybriden (PHEV), Elektrofahrzeugen mit „Range Extender“ (REEV), rein batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) sowie Elektrofahrzeugen mit Brennstoffzelle (FCEV) unterschieden. Abb. 21.1 zeigt die verschiedenen elektrifizierten Antriebskonzepte im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren (ICE) und differenziert diese nach Fahrzeugtyp, Motor sowie Funktion. Zusätzlich wird der Elektrifizierungsgrad der Antriebskonzepte dargestellt.^13,14,15

Als Hybrid gilt ein Fahrzeug, das mit mindestens zwei Energiewandlern und zwei im Fahrzeug eingebauten Energiespeichersystemen ausgestattet ist.¹⁶ Grundsätzlich wird bei Hybriden zwischen seriellen, parallelen und leistungsverzweigten Hybridantrieben unterschieden. Beim seriellen Hybrid sind Verbrennungsmotor, Generator, Batterie und Elektromotor in Reihe geschaltet und es besteht keine direkte Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Rädern. In Pkw wird eine zusätzliche Batterie verbaut, welche die Energie zwischenspeichern kann. Bei parallelen Hybridantrieben ist ein direkter, mechanischer Durchtrieb vom Verbrennungsmotor bis zum Rad möglich. Zusätzlich lässt sich die Aufteilung von Drehmoment und Leistung zwischen Elektromotor und Verbrennungsmotor beliebig einstellen. Der leistungsverzweigte Hybridantrieb stellt eine Kombination des seriellen und parallelen Antriebs dar. Dabei wird die Leistung des Verbrennungsmotors in einen mechanischen und einen elektrischen Leistungspfad aufgeteilt.¹⁷

Der Mikro-Hybrid stellt das elektrische Antriebskonzept mit dem geringsten Elektrifizierungsgrad dar. Er zeichnet sich dadurch aus, dass er mit einer Start-Stopp-Automatik ausgestattet ist und damit in kleinem Umfang von der Rekuperation der Bremsenergie mit Hilfe eines intelligenten Generatormanagements profitieren kann. Die Start-Stopp-Automatik ermöglicht, dass der Verbrennungsmotor beim Stillstand des Mikro-Hybrids abgeschaltet wird. Da beim Mikro-Hybrid die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors nicht elektrisch unterstützt werden kann, entspricht dieser nicht der Definition eines Hybridantriebs.¹⁸

Mild-Hybride zeichnen sich durch einen höheren Elektrifizierungsgrad als Mikro-Hybride aus. Sie können den Verbrennungsmotor in Anfahr- oder Beschleunigungsphasen elektrisch unterstützen. Diese Funktion wird „Boosten“ genannt und kann durch eine höhere Systemspannung von 48 V sowie den Einsatz kleiner Hochspannungsbatterien erreicht werden. Die elektrische Leistung eines Mild-Hybrids liegt bei etwa sechs bis 20 kW. Neben dem Boosten besitzen Mild-Hybride die Funktion der Lastpunktverschiebung, die eine Lastpunktanhebung und Lastpunktabsenkung beinhaltet.¹⁹

Voll-Hybride können im Gegensatz zu Mild-Hybriden kurze Strecken mit geringen Geschwindigkeiten durch den elektrischen Antrieb und ohne Hilfe des Verbrennungsmotors fahren. Dazu sind sie mit einer größeren Hochvoltbatterie sowie einem leistungsfähigeren Elektromotor ausgestattet. Der Ladevorgang der Batterie erfolgt über den Verbrennungsmotor sowie durch Rekuperation. Demnach kann die Batterie von Voll-Hybriden auch nicht über das Stromnetz aufgeladen werden.²⁰

Durch Nutzung von zwei Energiequellen – nämlich Batterie und Benzin – können Plug-in-Hybride höhere Energieeffizienzen als konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren erreichen, ohne die Leistung zu verringern. Sie vereinen dabei die Vorteile von batterieelektrischen Fahrzeugen mit denen von Voll-Hybriden. So können sie etwa in städtischen Gebieten vollelektrisch fahren und auf Autobahnen große Reichweiten realisieren. Die Hochvoltbatterie von Plug-in-Hybriden kann sowohl über einen Stecker am Stromnetz als auch über Rekuperation im Fahrbetrieb geladen werden. Außerdem lassen sie sich selbst bei höheren Geschwindigkeiten rein elektrisch betreiben.²¹

Elektrofahrzeuge mit Range Extender sind Elektrofahrzeuge mit Antrieb über den Elektromotor, wobei zusätzlich zur Erhöhung der Reichweite eine Nachladeeinheit vorgesehen ist. Sie wird meist als serieller Hybrid ohne mechanischen Durchtrieb ausgeführt. Es wird also ein konventioneller Verbrennungsmotor – betrieben in einem Optimum – zur Erhöhung der Reichweite eingesetzt. Dieser wird bei niedrigem Ladezustand der Hochvoltbatterie hinzugeschaltet, um den Akku elektrisch zu laden. Elektrofahrzeuge mit Range Extender zählen daher zu den Hybriden und stellen eine spezielle Form des Plug-in-Hybriden mit hohem Elektrifizierungsgrad dar.²²

Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Antriebskonzepten werden batterieelektrische Fahrzeuge ausschließlich von Elektromotoren angetrieben. Um die gewünschten Reichweiten zu erzielen, wird die Batteriekapazität meist größer ausgelegt und beträgt mindestens 15 Kilowattstunden. Die benötigte Energie wird vollständig aus dem Stromnetz bezogen, weshalb batterieelektrische Fahrzeuge ein hohes Potenzial zur CO₂-Reduktion im Straßenverkehr aufweisen, sofern die Energieerzeugung auf erneuerbare Ressourcen zurückzuführen ist.²³

Bei batterieelektrischen Fahrzeugen mit Brennstoffzellen wird die gespeicherte Energie im Brennstoff – meist Wasserstoff – mit Hilfe von Sauerstoff und unter Abgabe von Wasser in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann auf einen Verbrennungsmotor verzichtet werden. Stattdessen ist eine Puffer-Batterie mit geringer Kapazität notwendig, um die bedarfsgerechte Verfügbarkeit von elektrischer Energie zu gewährleisten. Die Batterie ist in ihrer Kapazität und Funktion vergleichbar mit derjenigen eines Mild-Hybrids und wird durch die gewonnene Energie mit Hilfe der Rekuperation sowie der Brennstoffzellen geladen.²⁴

Mit der Typgenehmigung wird durch eine Genehmigungsbehörde bestätigt, dass ein in größerer Anzahl hergestellter Typ gleichartiger Fahrzeuge, Systeme, Bauteile oder selbstständiger technischer Einheiten den Verwaltungsvorschriften und technischen Anforderungen entspricht. In Deutschland ist das Kraftfahrt-Bundesamt die zuständige Behörde für die Typgenehmigung von Kraftfahrzeugen sowie Geräten und Baugruppen für diese Fahrzeuge und der Zulassung geeigneter Entwicklungsbetriebe gemäß § 2 EG-Fahrzeuggenehmigungsverordnung. Die Zulassungsarten der Typgenehmigungen sind in der Verordnung (EU) 2018/858 geregelt.

Um ein hohes Maß an Sicherheit und Umweltverträglichkeit zu gewährleisten, werden in der Verordnung (EU) 2018/858 die wesentlichen technischen und administrativen Typgenehmigungsanforderungen festgelegt – für Kraftfahrzeuge zur Beförderung von Fahrgästen (Klasse M) und Kraftfahrzeuge zur Beförderung von Gütern (Klasse N) und ihre Anhänger (Klasse O) sowie die für diese Kraftfahrzeuge bestimmten Systeme, Bauteile und selbstständigen technischen Einheiten. Die Verordnung regelt dabei die Pflichten für Mitgliedstaaten, Genehmigungsbehörden, Marktüberwachungsbehörden, Hersteller, Bevollmächtigte des Herstellers, Einführer und Händler.²⁷

Bei der Beantragung einer Gesamtfahrzeug-Typgenehmigung kann zwischen der Mehrphasen-Typgenehmigung, der Einphasen-Typgenehmigung und der gemischten Typgenehmigung gewählt werden. Für die Typgenehmigung eines Systems, eines Bauteils oder einer selbstständigen technischen Einheit kommt nur die Einphasen-Typgenehmigung zur Anwendung. Die Mehrstufen-Typgenehmigung wird für einen Typ eines unvollständigen oder vollständigen Fahrzeugs erteilt.

Für die Zulassung eines Neufahrzeugs der Klasse M (Pkw, Wohnmobile und Busse), N (Lkw, Sattelzugmaschinen und Lieferwagen) oder O (Anhänger und Sattelanhänger) ohne EG-Typgenehmigung oder EG-Kleinserien-Typgenehmigung ist eine Einzelbetriebserlaubnis nach § 13 EG-Fahrzeuggenehmigungsverordnung oder (EU) 2018/858 erforderlich. Für die Zulassung aller übrigen oder gebrauchten Fahrzeuge, für die keine Typgenehmigung vorliegt, ist eine Betriebserlaubnis für Einzelfahrzeuge gemäß § 21 Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung zu beantragen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2018/858 kann entweder eine EU-Fahrzeug-Einzelbetriebserlaubnis oder eine nationale Fahrzeug-Einzelbetriebserlaubnis erteilt werden, wobei Letztgenannte nur für das Hoheitsgebiet des Mitgliedstaates gültig ist, der sie erteilt hat. In diesem Fall dürfen die Fahrzeuge zwar trotzdem im Ausland fahren, jedoch nur in dem Land zugelassen werden, in dem auch die Genehmigung erteilt wurde.^28,29

Die Fahrzeug-Einzelbetriebserlaubnis kann für ein Fahrzeug erteilt werden, das die Anforderungen des Anhangs II Teil I Anlage 2 der (EU) 2018/858 – beziehungsweise bei Fahrzeugen mit besonderer Zweckbestimmung die Anforderungen des Anhangs II Teil III der (EU) 2018/858 – erfüllt. Diese Anforderungen umfassen etwa die Einhaltung der Grenzwerte des zulässigen Geräuschpegels und der Auspuffemissionen sowie die Regelungen zu Schutzmaßnahmen und Ausführungen von Fahrzeugbauteilen wie beispielsweise Klimaanlagen, Reifen, Scheinwerfer oder Lenkrad.³⁰

Weiteres Ziel der EU ist es, die Zahl der Einzelbetriebserlaubnisse bundesweit zu verringern, da für Einzelfahrzeuge zum Beispiel keine Crashtests absolviert werden müssen. Der Fahrzeughersteller muss ab einer bestimmten Anzahl jährlich produzierter Fahrzeuge diese im Wege der Kleinserien-Typgenehmigung in den Verkehr bringen. Die Anzahl der mit Einzelbetriebserlaubnis zugelassenen Pkw (M1-Fahrzeuge) baugleichen Typs wird damit auf 20 % der für die Kleinserien-Typgenehmigung zulässigen Höchstzahl begrenzt.³¹

Die Batterie ist die zentrale und wichtigste Einheit im Elektrofahrzeug, wenn es um den breiten und flächendeckenden Einsatz der E-Mobilität geht. Der Trend immer weiter zunehmender Energiedichten der Batterien mündet in steigenden Sicherheitsrisiken, die von möglichen internen Fehlern oder externen Umwelteinflüssen ausgehen. Um sowohl die Produkt- als auch die Betriebssicherheit zu gewährleisten und potenzielle Schadensereignisse – etwa Ausfall oder Überhitzung – zu verhindern, ist es wichtig, die damit verbundenen Risiken zu minimieren.

Eine wichtige Grundlage dafür sind die bereits genannten einheitlichen Regelungen beispielsweise aus der ECE-R100³⁴ oder der GB 38031.³⁵ Normung und Standardisierung sind Kernelemente für die Entwicklung künftiger Mobilitätslösungen. Eine frühzeitige Adressierung und Umsetzung sind notwendig, damit die Systeme Marktreife erhalten und die positiven Effekte im großen Maßstab zur Entfaltung kommen. Normen bieten den Unternehmen Orientierung und Hilfe bei der Durchsetzung neuer Technologien. Produzenten und Nutzer können sich auf der Basis einheitlicher Standardisierungen und Normungen auf funktionierende und herstellerübergreifende Schnittstellen verlassen. Dadurch wird das notwendige Vertrauen und die gesellschaftliche Akzeptanz für neue Technologien geschaffen, die für eine Transformation des Mobilitätssystems notwendig sind.³⁶

Für eine hohe Produkt- und Betriebssicherheit werden die Tests für Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich des Prüfzweckes in zwei unterschiedliche Bereiche unterteilt. Dabei handelt es sich zum einen um Performance- und zum anderen um Sicherheitstests. Sie dienen dazu, mögliche Betriebs- und Schadensszenarien durch das Produkt abzusichern. Dabei wird neben der Simulation als elementarer Bestandteil der frühzeitigen Evaluierung von Sicherheit ein hoher Wert auf die reale Absicherung gelegt. Während der Performance-Tests findet eine Charakterisierung der Leistungsfähigkeit anhand definierter Belastungszyklen der Batterie statt. Dabei werden Messungen getätigt, um elektrische Eigenschaften wie Impedanz, Energieeffizienz und Ladezustand (State of Charge – SoC) zu bestimmen. Die Lebensdaueruntersuchung (kalendarisch beziehungsweise zyklisch) wird in Abhängigkeit von elektrischen und thermischen Umwelteinflüssen vorgenommen. Hinzu kommen Umwelttests, die Faktoren wie Temperatur, Feuchte, Betauung, Spritzwasser und Staub berücksichtigen. Die Durchführung der Versuche dauert mehrere Wochen bis Monate.

Im Rahmen weiterer Sicherheitstests der Lithium-Ionen-Batterie wird unter anderem die elektromagnetische Verträglichkeit untersucht. Verschiedene zerstörende („Abuse“-) Tests an dem zu prüfenden Objekt – zum Beispiel Nagelpenetration, Quetschen (Crush), Fall-/Stapeltest, Crash, Roll-over, Überladen, Tiefentladen, Schnellladen, externer Kurzschluss, thermische Stabilität oder Feuerbeständigkeit – gehören zu den standardisierten Prozeduren. Ebenfalls wird die Batterie auf Hochvoltsicherheit und Isolationsfestigkeit geprüft. Die Sicherheitstests führen im Gegensatz zu den Performance-Tests zu einer Zerstörung des Prüflings. Durch die vielfältigen Testverfahren kann der Hersteller letztlich eine hohe Produkt- und Betriebssicherheit gewährleisten.

Unabhängig vom vorzunehmenden Verfahren müssen bei Batterietests in Prüflaboren immer gewisse technische Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden. Dabei handelt es sich zum Beispiel um eine Vorrichtung zur Stickstoffspülung und Wassernebel oder auch ein Ventil für einen Druckausgleich mit Absaugfunktion für giftige Gase (vgl. Abb. 21.2). Während der Prüfung werden die Batterien möglichst genau überwacht, um Fehler und Abweichungen vom Prüfprotokoll genaustens zu dokumentieren.

Im Gegensatz zu den ursprünglichen Bordnetzen (Zwölf-Volt-Batterie) eines herkömmlichen Verbrennungskraftfahrzeugs nutzen aktuelle Elektrofahrzeuge deutlich höhere Spannungsebenen. Durch die in Reihe geschalteten Batteriezellen innerhalb eines Moduls oder Packs sind üblicherweise Spannungen in Höhe von 400 bis 800 Volt sowohl in Personenkraftwagen (Pkw) als auch in Nutzkraftwagen (Nkw) zu finden. Teilweise reichen sie auch bis an 1000 V heran. Anhand dieser Größen wird im Automobilsektor zwischen zwei Systemen unterschieden: in das Niedervoltsystem und in das Hochvoltsystem. Innerhalb eines Niedervoltsystems dürfen nur Wechselspannungen von bis zu 30 V oder Gleichspannung bis zu 60 V anliegen. Im Gegensatz dazu können Systeme im Hochvoltbereich mit einer Wechselspannung bis einschließlich 1000 V und Gleichspannung bis einschließlich 1500 V gespeist werden.³⁷ Dies wirkt sich insbesondere auf die Wartung von Elektrofahrzeugen aus. Kfz-Mechatroniker-Gesellen oder -Meister dürfen aufgrund ihrer Ausbildung nur an Niedervoltsystemen arbeiten. Für Arbeiten an Systemen mit höheren Spannungen werden spezielle Zusatzqualifikationen benötigt, da es durch Unfälle zu einer erhöhten Gefährdung in Form von Körperdurchströmung und Lichtbogen kommen kann.³⁸

Für die Nutzung von Elektrofahrzeugen hat die elektrische Sicherheit gegenüber dem Menschen und der Umgebung den höchsten Stellenwert. Elektro- und Hybridfahrzeuge werden allesamt im Fahrbetrieb durch ein Hochvoltsystem – das sogenannte Bordnetz der Spannungsklasse B – mit Energie versorgt. Um ausgehende Gefahren von Hochspannungssystemen zu verringern, sind sämtliche Komponenten isoliert (Basisisolierung). Auf diese Weise lassen sich ungewollte Kontakte vermeiden. Dies allein reicht allerdings nicht aus, um dauerhaft einen unbedenklichen Betrieb im Sinne der elektrischen Sicherheit zu gewährleisten. Durch eindringende Verschmutzung, Feuchtigkeit oder mechanische Einwirkung kann die Isolation in kurzer Zeit oder über einen längeren Zeitraum hinweg beschädigt werden. Um dennoch eine vollständige Isolation zu jedem Zeitpunkt zu garantieren beziehungsweise zu bestätigen, wird ein sogenanntes Isolationsüberwachungsgerät (ISO-Wächter) eingesetzt. Es überwacht zyklisch oder permanent den Isolationswiderstand zwischen Karosserie (Bauteilgehäusen) und dem HV-Kreislauf. Die Überwachung des Geräts erfolgt über ein paralleles, unabhängiges Bordnetz. Sollte der ISO-Wächter einen Fehler feststellen, wird dies dem Fahrer automatisch mitgeteilt, so dass er Gegenmaßnahmen einleiten kann. Ein festgestellter Fehler muss umgehend behoben werden, da ein zweiter zusätzlicher Kontakt zwischen HV-Kreislauf und Karosserie zu einem ungewollten und gefährlichen Stromfluss (Kurzschluss) führen kann.

Festgehalten werden diese und weitere Anforderungen in der ISO 6469-3. Die Norm legt Richtlinien zur elektrischen Sicherheit von Stromkreisen der Spannungsklasse B fest. Die neueste Version wurde im Oktober 2021 veröffentlicht. Die darin vorgeschriebenen Maßnahmen dienen in erster Linie dem Schutz von Personen innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs gegenüber elektrischen Schlägen.³⁹ Eine weitere wichtige Norm im Zusammenhang mit der elektrischen Sicherheit von Fahrzeugen bildet die DIN IEC 60664. Darin werden Anforderungen für Luftstrecken, Kriechstrecken und feste Isolierungen von Betriebsmitteln gestellt.⁴⁰ Insbesondere das Einhalten von Luft- und Kriechstrecken ist bei nicht isolierten HV-Komponenten von enormer Bedeutung, damit im Falle von Verschmutzung keine ungewollte elektrische Leitung zwischen zwei Komponenten entsteht.

Unterdessen wird die Typprüfung nach ECE-R100 bereits verbindlich vom Gesetzgeber vorgeschrieben. Die Anforderungen innerhalb der ECE-R100 differenzieren sich in zwei Aspekte. Dabei wird zwischen „Anforderungen an ein Fahrzeug hinsichtlich seiner elektrischen Sicherheit“ und „Anforderungen an ein wiederaufladbares Energiespeichersystem hinsichtlich seiner Sicherheit“ unterschieden.⁴¹ Für die elektrische Sicherheit gilt allgemein, dass zu jedem Zeitpunkt sowohl ein Schutz gegenüber Stromschlägen als auch ein Schutz gegen direktes und indirektes Berühren vorhanden sein muss. Solange alle Schutzmaßnahmen gegen den elektrischen Schlag intakt sind, ist die Berührung eines Poles der Batteriespannung ungefährlich. Bei Wartungsarbeiten in der Werkstatt gilt es, den Wartungsmodus des Fahrzeugs zu aktivieren. Während der Verwendung von nicht isolierendem Werkzeug können unbeabsichtigte Kurzschlüsse entstehen. Die Aktivierung des Wartungsmodus reduziert das Risiko eines Kurzschlusses. Dieser Modus verhindert, dass im Wartungsfall die hohe Batteriespannung an den Anschlüssen der Batterie anliegt.⁴² Eine weitere Sicherheitsmaßnahme besteht in der einheitlichen farblichen Markierung von HV-Komponenten und HV-Kabeln. Sämtliche Kabel für Hochspannungssammelschienen, die nicht in Gehäusen verlegt sind, müssen eine orangefarbene Außenhülle haben. Außerdem müssen HV-Komponenten mit einem Warnzeichen für elektrische Spannung nach ISO 7010 versehen werden (vgl. Abb. 21.3).⁴³ Die farbliche, eindeutige Markierung soll visuell auf mögliche Gefahren und Risiken hinweisen.

Da die ECE-R100-Regelung nur innerhalb der EU beziehungsweise dem ECE-Abkommen beigetretenen Parteien rechtskräftig ist, gibt es bezüglich der elektrischen Sicherheit weitere international anerkannte Vorschriften. Dabei handelt es sich um die „Global Technical Regulations“ (GTR) Nummer 20. Diese Vorschrift legt die sicherheitstechnischen Eigenschaften von elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugen und ihren aufladbaren elektrischen Energiespeichern fest. Das Ziel dieser Vorschrift ist die Vermeidung von Personenschäden, die durch den elektrischen Antriebsstrang entstehen können. Im Gegensatz zur ECE-R100 setzt die GTR 20 sich auch mit der elektrischen Sicherheit nach einer Kollision auseinander. Die Unterteilung der Anforderungen zwischen der Sicherheit von Elektrofahrzeugen und der Sicherheit von Energiespeichersystemen bleibt auch in der GTR 20 bestehen. Der Fokus innerhalb der GTR 20 liegt bezüglich der Sicherheit von Elektrofahrzeugen auf dem Schutz vor Stromschlägen (im Betrieb und nach einer Kollision), auf dem Auslaufen von Elektrolyt nach einer Kollision und dem Feuerschutz. Definierte Anforderungen beziehungsweise Prüfungen für die Sicherheit von Energiespeichersystemen innerhalb der GTR 20 sindDie meisten Anforderungen aus der GTR 20 sind auch in der ECE-R100 implementiert.⁴⁴

Neben der elektrischen Sicherheit ist die funktionale Sicherheit ein entscheidender Faktor für eine gefahrlose Umsetzung der Elektromobilität. Die funktionale Sicherheit schützt ein System vor einer Gefährdung durch Funktionsfehler oder Unterbrechungen seiner Funktionsfähigkeit. Dabei werden die Gefahren betrachtet, die sich aus den Funktionen eines Systems ergeben können. Somit ist die funktionale Sicherheit ein Teil der Gesamtsicherheit eines komplexen automatisierten Systems. Bereits in der Entwicklung eines Systems spielt die funktionale Sicherheit eine entscheidende Rolle. Ziel ist es, das System derart zu entwerfen, dass gefahrbringende Ausfälle verhindert werden oder sie sich beherrschen lassen, wenn sie auftreten. Gefahrbringende Ausfälle können zum Beispiel durch zufällige Hardware-Ausfälle, menschliches Versagen oder Umwelteinflüsse auftreten. Derzeit regelt die Norm ISO 26262 „Functional safety – Road vehicles“ die funktionale Sicherheit für Straßenfahrzeuge.⁴⁵

Wie bei allen Normen ist auch die ISO 26262 nicht verpflichtend für eine erfolgreiche Zulassung. Normen sind grundsätzlich freiwillig und nicht bindend, es sei denn, sie werden von Gesetzen oder Rechtsverordnungen vorgeschrieben. Allerdings sind Hersteller immer dazu verpflichtet, bei technischen Produkten einen Nachweis darüber zu erbringen, dass diese ausreichend sicher sind. Die explizite Betrachtung der korrekten und sicheren Funktion eines Produkts wird als „funktionale Sicherheit“ bezeichnet.⁴⁶ Anforderungen an die funktionale Sicherheit von elektrischen, elektronischen und programmierbaren elektronischen Systemen im Allgemeinen sind in der Norm IEC/EN 61508 festgehalten.⁴⁷ Speziell für den automobilen Bereich wurde Mitte 2011 die ISO 26262 als ein neuer internationaler Standard veröffentlicht. Ähnlich wie in der vorherigen Norm IEC/EN 61508, orientiert sich auch die ISO 26262 am allgemeinen V-Modell der Produktentwicklung. Diese Methodik gewährleistet, dass die Integration von Sicherheitsanforderungen bereits zu Beginn des Entwicklungsprozesses beachtet werden.⁴⁸

Durch diese Norm sollen Fehlfunktionen, die aus einem elektrischen/elektronischen System entstehen (mechanische Fehler als Ursache für Risiken werden nicht berücksichtigt), auf ein tolerierbares Mindestmaß reduziert werden. Der Fokus liegt dabei auf sicherheitskritischen Komponenten.

2018 und damit sieben Jahre später wurde die Norm noch einmal überarbeitet: Bestand die ISO 26262:2011 noch aus zehn Teilen, wurde die ISO 26262:2018 um zwei Teile erweitert. Außerdem wurde darin das zulässige Gesamtgewicht von 3,5 t bei Personenkraftwagen aufgehoben. Dadurch lässt sich die ISO-Norm auf andere Straßenfahrzeuge wie schwerere Pkw, Lkw, Busse und Motorräder ausdehnen. Entwicklungsbedarf besteht indes jedoch auch in der Version aus dem Jahr 2018. So definiert die aktuelle Version zum Beispiel nicht, ob die Norm auch künstliche Intelligenz umfasst. Des Weiteren geht sie nicht auf zufällige sowie nicht systematische Sicherheitsprobleme ein, die bei autonomen Systemen mit neuronalen Netzen auftreten können.⁴⁹

Ein wichtiger Schritt für die Etablierung von Elektrofahrzeugen auf dem Markt ist es, sie möglichst kosteneffizient entwickeln und produzieren zu können. Neben der Ladeinfrastruktur und der Reichweite spielt vor allem der Kaufpreis eine entscheidende Rolle bei der Anschaffung eines Elektrofahrzeugs. Die Traktionsbatterie ist ein entscheidender Kostenfaktor. Um ein Höchstmaß an Übertragbarkeiten in der Entwicklung und Produktion zu erreichen, setzen viele Hersteller auf die Verwendung von Baukastensystemen für die Traktionsbatterie. Damit der Kunde möglichst viel Einfluss auf die Eigenschaften des Fahrzeuges – Preis, Reichweite, Ladeleistung – nehmen kann, werden ihm verschiedene Konfigurationen von Batteriegrößen zur Auswahl gestellt. Dabei beziehen sich die Baukastensysteme lediglich auf den elektrifizierten Antriebsstrang und nicht auf die Karosserie. Bei der Verwendung eines Baukastensystems kann im Unterboden eine variable Anzahl von Energiespeichermodulen untergebracht werden. Durch diese Standardisierung lassen Batteriesysteme sich äußerst effizient und flexibel produzieren sowie individuell an die Anforderungen und Wünsche der Kunden anpassen.

Automobilkonzerne entwickeln ihre Baukastensysteme für die Traktionsbatterien von Elektroautos übergreifend, so dass verschiedene Konzernmarken daran partizipieren können. Innerhalb eines modularen Batteriebaukastens wird eine individuelle Anzahl von Zellen zu einem Batteriemodul verschaltet. Dieses bildet zumeist eine standardisierte Baugruppe im System. Als Zellformate kommen sowohl Pouch- als auch prismatische Zellen infrage. Die Rundzelle eignet sich ebenfalls für einen modularen Ansatz, jedoch ist der Wechsel zwischen Pouch- und prismatischen Zellen innerhalb eines Moduls aufwandsärmer möglich. Die Anzahl der Module, die anschließend zu einem Batteriesystem zusammengesetzt werden, ist variabel. Je nach Baukastensystem werden unterschiedlich viele Module über Hochvoltverbinder zu einem Batteriesystem zusammengefügt. Je höher die vom Kunden gewünschte Reichweite ist, desto mehr Module werden im Batteriesystem verbaut. Das ermöglicht es dem Käufer, zwischen mehreren unterschiedlichen Varianten zu wählen und damit auch den Fahrzeugpreis zu beeinflussen. Die grundlegende Struktur bleibt jedoch stets gleich, und die verschiedenen Modelle entstehen erst später durch die unterschiedlichen Karosserien.⁵⁰ Innerhalb der Baukastensysteme eines Konzerns wird allerdings noch zwischen den verschiedenen Segmenten differenziert. Abhängig von der Markenpositionierung und dem damit verbundenen Leistungsanspruch werden Baukästen für das „Standard“-Segment und für das „Premium“-Segment von Elektrofahrzeugen entwickelt. Nichtsdestotrotz wird auch hierbei auf ein hohes Maß an Übertragbarkeit von Know-how gesetzt.

Auch in der Homologation lassen sich durch die Verwendung von Baukastensystemen Einsparungspotenziale erzielen. Je nach Norm können Tests auch komponentenbasiert vorgenommen werden. Der Hersteller kann somit die Funktion und die Sicherheit einzelner Komponenten – wie beispielsweise des Batteriemoduls – separat absichern. Dies führt zu geringeren Absicherungsaufwänden auf der Systemebene. Das Kosteneinsparpotenzial wird dabei umso größer, in je mehr Systemen die Einzelkomponente eingesetzt wird.

Elektrofahrzeuge haben aufgrund ihres Antriebsstrangs einen deutlich höheren Bedarf an rein elektrischer Energie. Deswegen ist es ausschlaggebend, dass die verbauten Kabel- und Steckverbindungen den hohen Sicherheitsansprüchen gerecht werden. Wohingegen in den herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor die benötigte Energie über den zugeführten flüssigen Kraftstoff transportiert worden ist, geschieht dies im Elektrofahrzeug über Aluminium- und Kupferkabel.⁵¹

Der durch den Kunden am häufigsten genutzte Stecker ist der Ladestecker des Elektrofahrzeugs. Dabei wird zwischen vier Lademodi und verschiedenen Ladesteckertypen unterschieden. Diese werden in der Norm IEC 62196 und IEC 61851-1 festgelegt.⁵² Abb. 21.4 stellt die Lademodi anschaulich dar. Lademodus 1 bildet eine AC-Methode, die hauptsächlich für das Laden von leichten Fahrzeugen – etwa Elektrofahrrädern und -rollern – mit geringem Strombedarf verwendet wird. Der Ladeanschluss erfolgt über eine Schuko- oder eine CEE-Steckdose. Während des Ladevorganges steht das Fahrzeug in direktem Kontakt mit dem Stromanschluss. Aufgrund der nicht vorhandenen Steckerverriegelung sowie der fehlenden Kommunikation zwischen Fahrzeug und Stromanschluss ist die Verwendung des Lademodus 1 in einigen Ländern stark eingeschränkt (etwa in Deutschland, der Schweiz und in Dänemark) oder sogar komplett verboten (zum Beispiel in England, Israel und den USA).⁵³

Im Gegensatz zu Lademodus 1 erfordert Lademodus 2 das Vorhandensein eines speziellen Sicherheitssystems zwischen dem Punkt des Anschlusses an das elektrische Netz und dem zu ladenden Fahrzeug. Sowohl die Kommunikation als auch das Sicherheitssystem (Steuer- und Schutzeinrichtung) sind in das Ladekabel integriert. Ansonsten unterscheidet sich Lademodus 2 nicht von Lademodus 1. Der Ladevorgang findet gleichermaßen mit einer Schuko- oder CEE-Steckdose statt, und eine Verriegelung ist ebenfalls nicht möglich. Je nach Land unterliegt dieser Lademodus verschiedenen Einschränkungen.⁵⁴

Der dritte Lademodus ist ebenfalls eine AC-Lademethode – und der aktuelle Standard für das tägliche Laden. Dieser Modus beinhaltet wichtige intelligente Funktionen – beispielsweise eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Ladegerät –, so dass die Ladeleistung sich während eines Ladevorgangs steuern lässt. Das Laden gemäß Modus 3 umfasst die Verwendung einer speziellen Ladestation oder einer zu Hause montierten Wallbox für das Laden von Elektrofahrzeugen. Die Steckerarten (Typ 1 und Typ 2) bleiben wie auch bei den vorherigen Lademodi gleich. Sie können während des Ladevorgangs außerdem verriegelt werden, um auf diese Weise ungewolltes oder unautorisiertes Abstecken zu verhindern. Ladestationen, die in Lademodus 3 betrieben werden, erlauben in der Regel das Laden mit bis zu 32 A und 250 V im einphasigen Betrieb sowie mit bis zu 32 A und 480 V (normalerweise 22 kW) im dreiphasigen Betrieb.⁵⁵

Der vierte und letzte Lademodus ist die einzige Methode, die das Fahrzeug direkt mit Gleichstrom speist. Dieser Modus erfordert einen Stromwandler außerhalb des Fahrzeugs, an dem das Ladekabel angeschlossen wird. In der Regel sind die dafür benötigten Ladestationen viel größer als beispielsweise diejenigen für Lademodus 3.⁵⁶ Ein Grund dafür liegt in dem notwendigen Bauraum des (Hochleistungs-) Konverters. Dieser wandelt den Strom von netzseitig bereitgestelltem Wechselstrom in Gleichstrom um, bevor er durch das Ladekabel zum Elektroauto geleitet wird. Da die Ladeleistung mit Gleichstrom im Vergleich zu Wechselstrom erheblich höher ist, wird Lademodus 4 häufig als „DC-Schnellladen“ oder einfach als „Schnellladen“ bezeichnet.⁵⁷ Ein weiterer entscheidender Unterschied gegenüber den übrigen Lademodi ist die Verwendung anderer Stecker. Dabei kommen neben dem schon bekannten Typ 2-Stecker der CHAdeMO- oder der CCS-Stecker zum Einsatz. Eine Steckerverriegelung und die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladegerät ist indes wie schon bei Modus 3 gegeben.⁵⁸

Je nach geografischer Region und benötigten Ladeleistungen haben sich verschiedene Ladesteckertypen etabliert. Die geringste Ladeleistung weist Typ 1 auf, der hauptsächlich in den USA oder Japan verwendet wird und für einphasigen Drehstrom mit einer maximalen Ladeleistung von 7,4 kW ausgelegt ist. Bei Typ 2 hingegen handelt es sich um einen dreiphasigen Stecker, der sich als europäischer Standard durchgesetzt hat, da er eine höhere Leistung als der Typ- 1-Ladestecker bietet. Typischerweise werden an Heim- oder Unternehmensladestationen Leistungen von bis zu 22 kW erreicht. An öffentlichen Ladestationen hingegen kann auf eine Leistung von bis zu 43 kW zugegriffen werden, was als Schnellladung gilt. Der CCS-Ladestecker ist in Europa der etablierte Schnellladestandard und ermöglicht eine Ladeleistung von bis zu 350 kW.⁵⁹

Für das Erreichen solcher Ladeleistungen und darüber hinaus sind spezielle Modifikationen der Ladestecker notwendig. Neben integrierten Temperatursensoren und Leckage-Sensoren trägt auch die Verwendung von Kühlflüssigkeit innerhalb des Ladekabels einen essenziellen Beitrag zu einer erhöhten Ladeleistung bei. Die Kühlflüssigkeit transportiert die beim Ladevorgang entstehende Wärme ab und verhindert dadurch eine Überhitzung des Ladesystems. Unterstützt wird dies durch Temperatursensoren, die Informationen über die Wärmeentwicklung liefern, sowie durch Leckage-Sensoren, die bei Austritt von Kühlflüssigkeit Alarm schlagen. Das asiatische Pendant zum europäischen Schnellladestecker bildet der CHAdeMO-Stecker mit bis zu 50 kW.

Unterstützt wird dies durch die Norm DIN EN ISO 17409. Sie legt Sicherheitsanforderungen für die kabelgebundene Energieübertragung an elektrische angetriebene Straßenfahrzeuge fest. Außerdem stellt sie Anforderungen für die Lademodi 2, 3 und 4 sowie die Rückspeisung. Die bis dato aktuellste Fassung wurde im Oktober 2020 veröffentlicht. Gegenüber der Vorgängerversion wurden unter anderem folgende Änderungen vorgenommen:⁶⁰Die weiteren HV-Steckverbindungen im HV-Bordnetz mit deutlich geringeren Steckzyklen als der Ladestecker müssen dennoch sicherheitsrelevante Funktionen erfüllen. Da stromführende Steckverbindungen in Gleichspannungsnetzen eine Gefahrenquelle darstellen, beinhalten HV-Stecker eine Pilotverbindung. Sie überwacht ein potenziell unbeabsichtigtes Öffnen einer Verbindung im aktiven Betrieb, so dass die Unterbrechung der Signalleitung, das sogenannte HV-Interlock, von der Fahrzeugsteuerung erfasst wird. Die Unterbrechung der Signalleitung muss nicht zwangsläufig einen Defekt bedeuten, sondern sie kann auch auf das Trennen einer Steckverbindung zurückzuführen sein. Falls es zu einer Unterbrechung der Signalleitung kommt, wird das HV-System zentral durch die Hauptschutzmechanismen spannungsfrei geschaltet, damit beim Auftrennen der Steckverbindung keine Gefahr in Form von Lichtbögen ausgehen kann.

Immer, wenn elektrische Energie erzeugt, verbraucht oder transportiert wird, entstehen elektrische und magnetische Felder. Diese können durch elektrische und magnetische Felder anderer Geräte beeinflusst werden. Für einen möglichst reibungslosen und störungsfreien Ablauf werden die Kabel mit einer speziellen EMV-Abschirmung elektromagnetisch isoliert. Diese wirken in der Regel wie ein Faradayscher Käfig und blockieren jegliche elektromagnetische Einflüsse. Im Umkehrschluss verursachen Leitungen mit Abschirmung auch weniger Störungen an anderen umliegenden Komponenten. Eine Richtlinie zur Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) findet unter anderem in der Norm ECE R10 „Einheitliche Bedingungen für die Genehmigung der Fahrzeuge hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit“ statt, die sich inzwischen in der fünften Revision befindet.⁶¹

Bei einer weiteren nennenswerten Norm im Bereich der Kabel- und Steckverbindungen handelt es sich um die ISO 6722. Während sich die ISO 6722-1 mit einadrigen Kupferleitungen zwischen 60 V und 600 V befasst, handelt die ISO 6722-2 von analogen Inhalten, allerdings mit Bezug auf Aluminium anstatt Kupfer als Leiter.⁶²

Die Schnittstelle zwischen Elektrofahrzeug und „Smart Grid“ sowie die entsprechende Infrastruktur bilden ein weitreichendes Themenfeld, das von essenzieller Bedeutung für den Erfolg der Elektromobilität ist. Neben den verschiedenen Ladeorten spielen der Energiefluss und die Kommunikation eine wichtige Rolle. Je nach Anwendungsgebiet gibt es kabelgebundene Ladestationen für Elektroautos in sämtlichen Preis- und Leistungsklassen. Grundsätzlich wird zwischen zwei Ladestationstypen unterschieden.

Zum einen gibt es die AC-Ladestationen (Normalladen). Sie nutzen die gängigste Lademethode für Elektrofahrzeuge mit einem Stecker. Beim Anschließen eines E-Mobils an eine normale AC-Ladestation wird der Wechselstrom im Fahrzeug durch den „On-Board-Charger“ (OBC) in Gleichstrom umgewandelt und fließt dann mit einer Ladeleistung von 3,7 bis 22 kW in die Hochvoltbatterie. Die Ladegeschwindigkeit ist im Wesentlichen von der Ausgangsleistung der Ladestation sowie von den Fähigkeiten des Umrichters zur Umwandlung des Stroms in Gleichstrom abhängig. Diese Ladestationen kommen etwa im privaten Bereich oder auf öffentlichen Parkplätzen zur Anwendung.

Zum anderen gibt es die DC-Ladestationen. Mit einer Ladeleistung von bis zu 350 kW liegt diese weit über der Leistung von AC-Ladesäulen. Dies ist vor allem darin begründet, dass der Strom bereits durch die Ladestation in Gleichstrom umgewandelt wird und der Strom dadurch direkt in die Batterie fließt, ohne vorher noch einmal vom OBC umgewandelt zu werden. Außerdem werden sie zumeist im Verbund direkt an eine höhere Ebene des Verteilnetzes über eine eigene Trafostation angeschlossen, so dass ihnen netzseitig eine höhere Anschlussleistung zur Verfügung steht. Die Anschaffungskosten solcher Ladestationen liegen jedoch deutlich über denen von AC-Ladestationen. Anwendung finden DC-Ladestationen vor allem im öffentlichen Raum, an denen Nutzer nur kurz halten – zum Beispiel an Autobahnraststätten oder auf Besucherparkplätzen.

Unabhängig vom Ladeprozess lässt sich die Verteilung der Ladevorgänge in zwei Kategorien unterscheiden: einerseits in private Aufstellorte, die 60 bis 85 % der Ladevorgänge abdecken, sowie andererseits in öffentlich zugängliche Aufstellorte, die 15 bis 40 % der Ladevorgänge ausmachen. An den privaten Aufstellorten handelt es sich um Ladevorgänge, die regelmäßig beziehungsweise in der Nacht erfolgen. Typische Standorte dafür sind etwa die Garage oder ein ähnlicher Stellplatz beim Eigenheim, Parkplätze (zum Beispiel in der Tiefgarage von Wohnanlagen, Mehrfamilienhäusern und Wohnblocks) oder Unternehmensparkplätze auf dem Gelände des Arbeitgebers. Bei den öffentlich zugänglichen Aufstellorten wird zudem zwischen Schnellladung und Zwischenladung unterschieden: Das Schnellladen findet an Ladestationen innerorts oder an Verkehrsknoten wie Autobahnen oder Bundesstraßen statt, wohingegen das Zwischenladen an Kundenparkplätzen beispielsweise von Einkaufzentren oder an öffentlichen Parkplätzen vorgenommen wird.⁶³

Neben der bereits beschriebenen Verteilung der Ladeprozesse spielt vor allem die Art des Ladevorgangs eine entscheidende Rolle in der Elektromobilität. In den meisten Fällen finden sie durch kabelgebundenes Laden statt. Um ähnlich wie bei einem konventionellen Verbrennerfahrzeug ein herstellerunabhängiges Laden/Tanken zu ermöglichen, ist ein international einheitliches Ladeanschlusssystem für Elektrofahrzeuge zwingend erforderlich. Die DIN EN 62196 definiert dazu Steckertypen und Ladebuchsen für unterschiedliche Leistungsbereiche. Einzige Ausnahme bildet der CHAdeMO-Stecker, der in der DIN EN 62196 keine Erwähnung findet.⁶⁴ Er wird stattdessen in der Norm IEC 61851-23/24 referenziert.⁶⁵

Die alternative Möglichkeit des kabellosen, induktiven Ladens findet in der aktuellen Praxis der Elektromobilität noch keine (Serien-) Anwendung. Die Nischentechnologie wird weiterhin erprobt und weiterentwickelt, um beispielsweise die Effizienz und die Leistung zu verbessern.

Während bei den zuvor genannten Ladeoptionen immer davon ausgegangen wurde, mit ihrer Hilfe Elektrofahrzeuge mit Energie zu versorgen, liegt ein weiterer wesentlicher Aspekt der Ladeinfrastruktur in der Möglichkeit zur Rückspeisung des Stroms in das Versorgungsnetz. Erneuerbare Quellen bieten zwar den großen Vorteil, dass ihre Energie vollständig dekarbonisiert ist, allerdings bedeutet die Verwendung von Energie etwa aus Windkraftanlagen oder Solarfeldern auch, dass es zu stärkeren Schwankungen in der Erzeugungsleistung und -verfügbarkeit kommen kann. Um diese unkontrollierbare Volatilität zu kompensieren, können Elektrofahrzeuge beziehungsweise deren Traktionsbatterien als Puffersystem verwendet und somit als Regelleistung eingesetzt werden. Wichtig ist dabei vor allem die Norm IEC 62351, die sich mit der Sicherheit in Energiemanagementsystemen und dem zugehörigen Datenaustausch befasst, sowie die Norm ISO/IEC 15118 für den allgemeinen Ladevorgang. Dort werden Standards für die Kommunikationsschnittstelle zwischen Fahrzeug und Ladestation definiert.⁶⁶

Bei der Rückspeisung des Stroms wird zwischen zwei Anwendungsfällen unterschieden: Vehicle-to-Home (V2H) und Vehicle-to-Grid (V2G). Bei V2H wird die Batterie zur Rückspeisung in ein lokales Gebäude oder lokales Netz hinter dem Netzanschlusspunkt genutzt. Der in der Batterie zwischengespeicherte Strom – etwa aus regenerativen Energiequellen – kann zur Optimierung des Eigenstrombedarfs genutzt werden. Es erfolgt jedoch keine Rückspeisung in das öffentliche Stromnetz. Bei der V2G-Technologie wird ungenutzter Strom aus einem Elektrofahrzeug in das „Smart Grid“ eingespeist. Mit V2G und V2H ist es möglich, das Energienetz in Spitzenzeiten bei der Stromversorgung zu unterstützen und eine zusätzliche Stromquelle beziehungsweise ein Speichermedium für den Fall zu schaffen, dass wetterabhängige erneuerbare Energiequellen nicht verfügbar sind. So kann ein Haus, das Solarenergie nutzt, damit nachts keinen Strom erzeugen, aber ein Elektrofahrzeug könnte bei Bedarf eine sekundäre Stromquelle bereitstellen. Ermöglicht werden diese beiden Technologien durch bidirektionales Laden. Dadurch können Batterien von einem Elektrofahrzeug sowohl Strom beziehungsweise Energie aufnehmen als auch wieder abgeben. Die Verwendung bidirektionalen Ladens bringt für den Anwendenden viele Vorteile, aber auch Nachteile mit sich. Einerseits parkt ein durchschnittliches europäisches Auto insgesamt 92,4 % seiner Lebensdauer. In dieser Zeit benötigt das Auto keinerlei Energie und die überschüssige Energie, die sich zusätzlich etwa durch Solarenergie gewinnen lässt, kann an den Netzbetreiber verkauft werden. Andererseits wird die Batterie häufiger geladen und entladen – wodurch sich deren Lebensdauer erheblich verringert. Zusätzlich liegen die Anschaffungskosten für bidirektionales Laden höher als bei den konventionellen Lademöglichkeiten.⁶⁷

Die Akustik wird als die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung definiert. Diese bezieht sich auf das Verständnis seiner Entstehung, seines Verhaltens und seiner Vernichtung.⁶⁹ Schall kann sich in Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern in Form von Druckschwankungen und somit in Gestalt mechanischer Schwingungen in einem Wellenfeld fortpflanzen.

Eine Schallwelle resultiert aus lokalen Verdichtungen in elastischen Medien, die mit einer örtlichen Schwingung der Moleküle einhergeht. Diese entstehen bei äußerer Einwirkung und führen zu einer lokalen Kompression sowie zu einer Dekompression innerhalb des Mediums.⁷⁰ Die sich massentransportfrei ausbreitende Schwingung führt somit zu räumlichen und zeitlichen Druckänderungen im Fluid – definiert als Schalldruck p.

Schallfeldkenngrößen werden in der Akustik üblicherweise mit Hilfe von Pegeln beschrieben. Definitionsgemäß ist ein Pegel eine logarithmisch skalierte, bezogene Größe, welche die Maßeinheit „Bel“ besitzt. Eine weitere Kenngröße, die in der Akustik für die Schallabtstrahlung von Festkörpern bedeutsam ist, stellt die Beschleunigung a dar. Sie bezieht sich auf die Schwingung der Moleküle um die eigene Ruhelage. Zur Identifizierung der Schwingungsbeschleunigung können aus der Kenngröße Vibrationen von Festkörpern quantifiziert werden.

Die vorgestellten Kenngrößen gehören zu den relevantesten, um Geräusch- und Vibrationscharakteristika sowie das akustische Verhalten aus menschlicher Wahrnehmung zu erfassen. Mit Hilfe des Schallintensitätspegels und der Schallleistung ist zudem die abgestrahlte Schallenergie bestimmbar. Bei der Schallentstehung wird zwischen zwei Transferpfaden zur Schwingungsausbreitung unterschieden. Dazu zählen der Luftschall und der Körperschall, wie Abb. 21.5 verdeutlicht. Die direkte Schallübertragung resultiert aus einem primären Luftschall, der eine aeroakustische Ursache hat – etwa ein Umströmungsgeräusch. Der Körperschallpfad wird hingegen als „sekundärer Luftschall“ bezeichnet und geht aus einer Kraftanregung hervor, die Vibrationen in Festkörpern auslöst. Das umgebende Fluid wird in Schwingungen versetzt, was als indirekter Schall wahrnehmbar ist.

Die Gesamtheit der Schwingungsphänomene, die für die menschliche Wahrnehmung identifizierbar sind, wird in der Fahrzeugakustik mit dem Akronym NVH („Noise, Vibration, Harshness“) definiert. Ihre Analyse hat sich in der Fahrzeugentwicklung als ein unentbehrlicher Baustein erwiesen, der vor dem Hintergrund zunehmender Elektrifizierung und neuer Herausforderungen weiter an Relevanz gewinnen wird.

Mit der sukzessiven Verringerung der verbrennungsmotorbedingten Innengeräusche in den vergangenen Jahrzehnten nahm ihre Bedeutung weiter zu. Mit Fahrzeuginnengeräuschen werden Leidenschaft und Emotion vermittelt, die allgemeine Wertanmutung gesteigert und mitunter ein ganzes Produkt-Image inszeniert. Diese Möglichkeiten erkannten Automobilhersteller frühzeitig und entwickelten entsprechende Methoden sowie Werkzeuge zur NVH-Optimierung – denn positive Erlebnisse sind die Basis für Kundenzufriedenheit und Markentreue.

Im Allgemeinen interessieren Kunden sich nicht für Normen und Vorschriften im Bereich des Komforts, der während der Fahrt multisensuell empfunden und bewertet wird. Dementsprechend werden dem Produkt Attribute wie „billig“, „exklusiv“, „sportlich“ oder „luxuriös“ zugeordnet. Dabei ist für den akustischen Komfort nicht nur die Wechselwirkung von Hören und Schwingungsempfindung bedeutsam: Ebenso müssen der Kontext, die Erwartungshaltung der Zielgruppe, das Produkt-Image und die generellen Produktassoziationen einbezogen werden.

Anfangs bestand die wesentliche Arbeit des NVH-Bereichs darin, die akustische Belastung durch das Motorengeräusch für die Insassen zu verringern und auf ein zumutbares Niveau zu bringen – das heißt: den Schalldruckpegel deutlich zu reduzieren.

Das Thema „Geräuschqualität“ rückte Anfang der 1980er-Jahre zunehmend in den Fokus. Den Automobilherstellern wurde bewusst, dass Sounddesign mehr bedeutet als nur den Schalldruckpegel zu vermindern. Letztlich war zu konstatieren, dass viele Geräuschphänomene sich nicht mit einem Messmikrofon und reinen Schallpegelbetrachtungen identifizieren lassen. Die binaurale Messtechnik zur gehörrichtigen Aufnahme und Wiedergabe wurde somit ein fester Bestandteil im Prozess der Fahrzeugentwicklung.⁷¹ Auch die Psychoakustik wurde essenziell: Mit ihrer Hilfe wurden gehörbezogene Geräuschbewertungen vorgenommen, denn Phänomene wie Pfeifen, Brummen, Poltern, Wummern, Quietschen und Nageln können nicht auf der Grundlage zeitlich gemittelter Schalldruckpegel behandelt werden. Derartige Geräusche beeinflussen – ungeachtet ihres geringen energetischen Beitrags – die Gesamtbeurteilung des Fahrzeuginnengeräusches erheblich. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurden umfangreiche Studien vorgenommen, die sich Aspekten der menschlichen Signalverarbeitung sowie der analytisch-physikalischen Bestimmung von Geräuschqualität unter zunehmender Berücksichtigung der Psychoakustik widmeten. Dass das Thema auch in Zukunft diskutiert werden muss, wie Abb. 21.6 schematisch verdeutlicht, liegt nicht nur an der Komplexität des Untersuchungsgegenstandes. Das menschliche Gehör ist adaptiv und kann sich dem aktuellen Geräuschniveau anpassen. Es weist eine hohe Sensitivität für zeitliche und spektrale Muster nahezu ungeachtet des Schalldruckpegels auf.

Nachteilige Geräusche wie das Heulen der Hinterachse wurden bereits vor mehr als einem Jahrzehnt erfolgreich um einige Dezibel reduziert. Damit konnte erreicht werden, dass dieses Geräusch durch andere maskiert und in der Folge nicht mehr beanstandet wurde. Das Problem schien gelöst zu sein. Nachdem die Geräuschqualität und Geräuschquellen im Fahrzeug jedoch immer weiter optimiert wurden, verminderte sich das Gesamtgeräusch – und das Hinterachsheulen war wieder verstärkt wahrnehmbar.

In der Folge entstand erneuter Bedarf nach Optimierung. Das betrifft alle Geräuschphänomene im Fahrzeuginnenraum. Die Reduzierung des akustischen Beitrags einer Geräuschquelle führt zur Hörbarkeit anderer Geräuschquellen, die dann unter Umständen ebenfalls der Optimierung bedürfen. Die für das menschliche Gehör wahrnehmbare Frequenzbandbreite reicht von 16 Hz bis etwa 16 kHz und wird als „Hörbereich“ bezeichnet.⁷² Vibrationen werden über die Kontaktstellen des menschlichen Körpers zum abstrahlenden System wahrgenommen und sind für einen Frequenzbereich von 20 bis etwa 100 Hz spürbar und hörbar.⁷³

Auf vorhandene ungewollte Geräusche zu reagieren und diese mittels „Troubleshooting“ zu minimieren beziehungsweise zu beseitigen, hat die Arbeit im professionellen Akustikbereich in den vergangenen Jahrzehnten geprägt (vgl. Abb. 21.7). Als Störgeräusche empfindet das menschliche Ohr vor allem hohe Frequenzen. Diese Tatsache lässt sich nicht nur aus dem NVH-Bereich ableiten, sondern sie begegnet dem menschlichen Gehör auch im Alltag. Auch wenn der Geräuschpegel niedriger sein kann, übertreffen die hohen Frequenzen den Komfortbereich und werden als störend wahrgenommen.⁷⁴ Die Modulationsfrequenz f_m gibt dabei die Schwankung der Hüllkurve eines harmonischen Schalldruckverlaufs an.⁷⁵ Während beim „Peifen“ keine Modulationsfrequenz festzustellen und somit kein Schwankungsanteil um den Mittelwert des Schallpegels vorhanden ist, weist das „Grollen“ eine hohe Modulationsfrequenz f_m auf, die unabhängig von der eigentlichen Frequenz ist (vgl. Abb. 21.7). Außerdem wird zwischen schmal- und breitbandigen Geräuschen unterschieden.

Aktuelle Anforderungen im Bereich des akustischen Komforts verlangen allerdings auch nach gestalterischen Überlegungen, es muss aktiv am resultierenden Geräuscherlebnis im Fahrzeug gearbeitet werden.

Obwohl die Prävention und Behandlung von Störgeräuschen nach wie vor zu den Kernaufgaben im NVH-Bereich zählt, rückt nun die aktive Gestaltung der Akustik in den Vordergrund. Durch den Wegfall des Verbrennungsmotors bei alternativen Antrieben kommt es zu einer signifikanten Reduktion der Lautstärke des Fahrzeuginnengeräusches.⁷⁶ Das hat auch die Anforderungen an das Sound-Engineering aus der Vergangenheit dramatisch verändert: Die sukzessive und stetige Optimierung des Verbrennungsmotors wird abgelöst. Das Fahrzeuginnengeräusch wird jetzt aktiv „komponiert“ und akustische Feedbacks werden vollkommen neu gestaltet. Dabei ist der Übergang von klassischen Aufgaben in den Bereichen „akustischer Komfort“, „NVH“ und „Sounddesign“ hin zu neuen Herausforderungen und Konzepten fließend.⁷⁷

Grundsätzlich erfordern strengere EU-Abgasbestimmungen eine enge Zusammenarbeit mit Motorenherstellern. Gefordert werden Downsizing, kleinere und leichtere Fahrzeuge, hoch aufgeladene Motoren, Hybridantrieb und vollständige Elektrotraktion. Dabei wird mit dem Elektromobilitätsgesetz – dem Streben nach einer hohen Umweltverträglichkeit und einer Verringerung der CO₂-Emissionen – der Fokus auf vollkommen elektrifizierte Antriebe weiter verschärft.⁷⁸ Alle diese Entwicklungen werden neue NVH-Konfliktsituationen hervorrufen. So kann etwa die parallele Existenz des elektrischen und verbrennungsmotorischen Antriebs in Hybridfahrzeugen zu Geräusch- und Schwingungsproblemen führen, die aus herkömmlichen Automobilen nicht bekannt sind. Betriebsgeräusche der elektrischen Antriebskomponenten und das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors mit plötzlichem Starten und Abschalten sind ungewohnt. Auch rein elektrische Fahrzeuge, die zunehmend in den Fokus gelangen, stellen das Sound-Engineering vor neue Herausforderungen. Dabei rücken die psychoakustischen Effekte in den Vordergrund.⁷⁹ Die höhere Geräuschempfindlichkeit durch tonale Geräusche aufgrund des fehlenden Verbrennungsmotors und der höhere Belastungsfaktor durch unerwartete Geräusche sowie höhere Frequenzen angesichts hoher Drehmomente des Elektromotors fordern Weiterentwicklungen im Bereich des NVH.⁸⁰ Insgesamt sollte ein harmonisches, unauffälliges Zusammenspiel dieser Geräuschquellen erreicht werden, das auch die Betrachtungen von Vibrationsanregungen umfasst. Dabei ist es wichtig, dass das Hören stets als integrativer Bestandteil der Mess- und Analysekette eingebunden wird. Nur so lässt sich sicherstellen, dass Maßnahmen und Modifikationen tatsächlich die beabsichtigte Wirkung entfalten. Daher ist der Einsatz binauraler Mess- und Wiedergabetechnik unverzichtbar. Daneben werden psychoakustische und weitere gehörbezogene Analysen benötigt, die wichtige Informationen über Intensität, Charakter, spektrale Verteilung und zeitliche Struktur spezieller Geräuschphänomene bereitstellen.

Für die Ableitung zielgerichteter konstruktiver Maßnahmen ist es zwingend erforderlich, Geräuschquellen und Übertragungswege detailliert zu kennen. Hier findet das Verfahren der Transferpfad-Analyse Anwendung.⁸¹ Durch die Trennung von Quelle und Übertragungsweg wird nicht nur eine zuverlässige Identifikation der Ursachen für akustische Konflikte ermöglicht, sondern mit Hilfe der binauralen Transferpfadsynthese (BTPS) sogar eine gehörmäßige Abschätzung des Potenzials simulierter Modifikationen.⁸² Damit lässt sich gewährleisten, dass vorgeschlagene Veränderungen hörbar den gewünschten Effekt erzielen. Erfolgreiches NVH und Sounddesign sind also nur zu erreichen, wenn vorhandene Methoden und Werkzeuge aufeinander abgestimmt und im Hinblick auf das Erlebnis des Gesamtfahrzeugs eingesetzt werden. Die Transferpfad-Analyse hat sich als ein bewährtes Werkzeug für die NVH-Analyse etabliert und wird in Zukunft insbesondere mit Desktop-Simulationen zum Einsatz kommen. Es wird erwartet, dass der Einsatz von Simulationsprogrammen weiter steigt und Ergebnisse sich somit analytisch auswerten lassen.⁸³ Mit Hilfe der virtuellen Fahrzeugumgebung von NVH-Simulationsmodellen lässt sich die Innengeräuschkulisse von Prototypen realitätsnah vorhersagen. Dafür werden neben der Betrachtung der Übertragungspfade auch die Quellenpfade mittels „Source Path Contribution“ (SPC) analysiert.⁸⁴ Sie ermöglichen frühzeitige Erkenntnisse und Informationen über die NVH-Analyse in der Fahrzeugentwicklung.

Trotz einer deutlichen Reduktion des Innengeräuschpegels von Elektrofahrzeugen durch den Wegfall des Verbrennungsmotors können zahlreiche akustische Konfliktsituationen auftreten. Beispielsweise sind Geräusche des Stromrichters im hochfrequenten Bereich eine Erscheinung, deren Hörerlebnis für die Nutzer ungewohnt bis störend ist. Neben der konstanten Schaltfrequenz des Stromrichters entstehen drehzahlabhängige Seitenbänder. Das Resultat ist ein unangenehmer Klang, den es zu vermeiden gilt.

Weitere wesentliche Geräuschquellen sind der Elektromotor und das Getriebe. Die elektromagnetischen Ordnungen des E-Motors können deutlich wahrnehmbar sein („whine noise“). Dieses Geräuschmuster ist den meisten Menschen von Straßenbahnen bekannt, die einen ähnlichen Klang aufweisen können. Die Überlagerung der Phänomene im Elektroauto muss für effektive Verbesserungsmaßnahmen gesamtheitlich betrachtet werden.⁸⁵

Im Folgenden werden die Ergebnisse aus einer Untersuchung an einem Hybridfahrzeug-Prototypen zur exemplarischen Illustration künftiger NVH-Themen vorgestellt. Mit Hilfe diverser Prüfstandsmessungen wurde ein integriertes Transferpfadmodell des untersuchten Fahrzeugs erstellt, in dem die einzelnen Geräuschpfade durch Übertragungsfunktionen beschrieben und die entsprechenden Geräuschbeiträge durch Filterung im Betrieb gemessener Quellsignale synthetisiert wurden. Auf diese Weise lassen sich die Geräuschanteile der einzelnen Quellen und die Übertragungswege separat analysieren. Das Transferpfadmodell wurde um die Synthetisierung von Vibrationen an den wesentlichen Kontaktstellen erweitert, um die Problematik von Geräusch- und Schwingungskonflikten bei Hybridfahrzeugen angemessen zu berücksichtigen und realistische Simulationen im Fahrsimulator zu ermöglichen.

Abb. 21.8 zeigt ein Teilergebnis der binauralen Transferpfad-Analyse in einer FFT-über-Zeit-Darstellung. Die Fast-Fourier-Transformation (FFT) erlaubt die Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich. Die ermittelten Frequenzspektren können über der Zeit dargestellt werden, wobei die Amplituden der Frequenzen farbkodiert werden. Zu sehen sind die Anteile des Elektroantriebs für den Luft- und Körperschall am Innengeräusch. Die Spektrogramme verdeutlichen bereits, dass die durch Magnetkräfte verursachten höheren Ordnungen des Elektromotors zwischen 500 Hz und 2 kHz nicht nur als Körperschall, sondern auch als Luftschall übertragen werden.⁸⁶

Derartige Geräuschkomponenten werden zusätzlich zu den erwartbaren Schaltfrequenzen ebenfalls vom Umrichter abgestrahlt – ein unerwarteter Effekt. Nähere Untersuchungen am Fahrzeug ergaben, dass die Ursache ein Verbindungskabel zwischen Umrichter und Elektromotor war. Dies wirkte als wesentliche Körperschallbrücke. Somit fungierte das Umrichtergehäuse als ein „Lautsprecher“ der Elektromotorgeräusche. Der Einsatz eines weniger steifen Kabels könnte diese Geräuschübertragung deutlich reduzieren.

Mit Hilfe der in Abb. 21.8 skizzierten Analysen lassen sich bereits erste Anforderungen für Maßnahmen zur Optimierung der Geräuschqualität ableiten. Die Geräuschanteile können für die Erarbeitung detaillierter Modifikationsvorschläge weiter spezifiziert werden. Abb. 21.9 schlüsselt beispielsweise die Geräuschanteile des Elektromotors, die über Körperschall in den Innenraum gelangen, für die entsprechenden Motorlager in x-, y- und z-Richtung auf. Somit können die relevanten Geräuschmuster unmittelbar einzelnen Pfaden beziehungsweise Koppelstellen zugeordnet werden. Die störenden höherfrequenten Ordnungen des Elektromotors („whine noise“) werden hauptsächlich über das Motorlager 1 übertragen – ersichtlich in Abb. 21.9. Weitere Auffälligkeiten sind ein merklicher Schalleintrag um 50 Hz, übertragen in y-Richtung, sowie ein tieffrequentes Brummen im Bereich um 20 bis 30 Hz in x- und z-Richtung. Die Analyse des letztgenannten Phänomens ergibt eine Nickbewegung des gesamten Aggregats um die y-Achse.

Im zukünftigen Sound-Engineering wird es weiterhin erforderlich sein, den akustischen Beitrag des Umrichters detailliert zu analysieren, um einen hohen akustischen Komfort zu erreichen. Abb. 21.10 zeigt links oben den akustischen Hauptbeitrag des Umrichters am Ohr des Fahrers. Die erste Ordnungsanalyse verdeutlicht, dass für das Geräusch des Umrichters kein einfacher Zusammenhang zur Motordrehzahl besteht. Die fächerförmigen Ordnungen (Seitenbänder) um die Schaltfrequenz des Umrichters sind gut zu erkennen. Sie stellen ein Nebenprodukt der Pulsweitenmodulation dar. Die Ordnungen des Umrichters verlaufen nicht proportional zur Motordrehzahl (n*Drehzahl/60), sondern erscheinen als geschwungene Kurvenverläufe im konventionellen Ordnungsspektrum. Eine weitere zielführende Auswertung der Phänomene ist eine Ordnungsanalyse, bei der die Schaltfrequenz des Umrichters als „Frequenzversatz“ eingestellt wird. Die Ordnungen können im Gegensatz zur Betrachtung ohne Versatz nun auch negativ sein, da einige Ordnungen mit steigender Drehzahl eine Abnahme der Frequenz aufweisen. Das Ordnungsspektrum mit einem Frequenzversatz von 7,3 kHz zeigt, dass die (um die Schaltfrequenz des Umrichters verschobenen) 13. Ordnungen am auffälligsten sind. Der Abstand der Seitenbänder (26. Ordnungen) entspricht der Polpaarzahl des verwendeten Elektromotors, was bedeutet, dass je Umdrehung 26 Polpaare durchlaufen werden. Die Darstellung der relevanten Ordnungspegel ermöglicht schließlich eine detaillierte Einschätzung der Bedeutung jener akustischen Beiträge.

Die Vorteile eines umfangreichen Transferpfadmodells liegen somit in der direkten technisch-analytischen sowie hörbaren Abschätzung der Auswirkungen bestimmter Modifikationen.

Abb. 21.11 zeigt eine sukzessive virtuelle Optimierung, in der zuerst die Entkopplung des Elektromotors unter Einbeziehung der Lager- und Struktursteifigkeiten verbessert wurde. Dadurch ließ sich bereits eine höhere Isolation in einem weiten Frequenzbereich erreichen. Ferner wurden Luftschallkapselungen von Elektromotor und Umrichter simuliert. Obwohl die Kapselung des Umrichters (Änderung von C zu D) nur zu einer Schalldruckpegelabnahme von 1 dB führte, zeigt das Spektrogramm die deutliche Reduzierung des Stromrichtergeräusches um 7 kHz, verbunden mit einer erheblichen hörbaren Verbesserung der Geräuschqualität.⁸⁷

Eine Herausforderung im Bereich des akustischen Komforts bei alternativen Antrieben besteht in der Entwicklung von Analysemethoden, die eine zuverlässige Identifikation von perzeptiv auffälligen spektralen und zeitlichen Mustern erlauben. Psychoakustische Größen werden benötigt, die eng mit dem Geräuschqualitätsempfinden verbunden sind, da der Schalldruckpegel im Innenraum leiser Fahrzeuge als akustischer Indikator weiter an Bedeutung verlieren wird. Diese werden als Zielgrößen im Fahrzeugentwicklungsprozess stärkere Anwendung und Verbreitung finden. Die adäquate Analyse wahrgenommener Tonhaltigkeit wird aufgrund der höherfrequenten Beiträge von Elektromotor und Umrichter oder auffälliger Getriebegeräusche besonders relevant sein.

Neben der beschriebenen Vorgehensweise zur Verbesserung der Innengeräusche von Hybrid- und Elektrofahrzeugen durch die Reduktion von Störgeräuschen und unerwünschten Geräuschmustern ist die akustische Gestaltung von Innenraumgeräuschen (und Außenraumgeräuschen) eine Anforderung mit mindestens gleichwertiger Priorität. Konzeptionelle Fragestellungen prägen die Anforderung an das Sounddesign. Wie können Image und Markenkennwerte akustisch vermittelt werden? Soll nur der vorhandene Klang des Elektromotors optimiert oder sollen zusätzliche Geräusche simuliert werden?

Für Verbraucher wird es immer schwieriger, Produkte über Qualität und Eigenschaften zu unterscheiden. Die emotionale und erlebnisorientierte Differenzierung wird auf gesättigten Märkten mit ihren qualitativ austauschbaren Produkten daher zum entscheidenden Erfolgsmerkmal. Dementsprechend gewinnt das „Sound Branding“ der Innen- und Außengeräusche von Elektroautos an Bedeutung. Dabei handelt es sich um akustische Reize, die gezielt für die Markenkommunikation verwendet werden.⁸⁸

Eine bloße Optimierung des vorhandenen „Elektro-Sounds“ erfüllt die Anforderungen an Markendifferenzierung, Emotionalisierung und Nutzererlebnis nicht. Weitergehende Methoden des aktiven Sounddesigns von Elektroautos sind erforderlich. Das Spektrum der Möglichkeiten reicht von der konstruktionsbedingten gezielten Einbringung spezieller Sounds und Geräuschkomponenten bis hin zum virtuellen Generieren von Geräuschen. Die Automobilhersteller begegnen der höchsten Gestaltungsfreiheit des Klangbildes zukünftiger Fahrzeuge in der Geschichte des Automobils hauptsächlich durch zwei Inspirationsquellen. Eine davon ist naheliegenderweise der Verbrennungsmotor; eine andere sind futuristisch musikalische Töne. Die Prämisse bei der Inspiration ist wiederum die Kodierung der Marken- und Produktwerte in Klang.⁸⁹

Der Stellenwert der Gestaltung und Auslegung der Innengeräusche von Elektrofahrzeugen ist für die Automobilbranche extrem hoch. So arbeitet beispielsweise ein deutscher Premiumhersteller für das Sounddesign von sportlichen elektrischen Modellen mit dem weltberühmten Komponisten Hans Zimmer zusammen. Der durch den Nutzer einstellbare Sound wurde bereits ein Jahr vor dem Produktionsstart des Fahrzeugs veröffentlicht – ein Umstand, der die Bedeutung des Sounddesigns als einen „Unique Selling Point“ verdeutlicht.⁹⁰

Die wesentlichen technischen Anforderungen an das aktive Sounddesign von Innengeräuschen für Elektrofahrzeuge sind Authentizität und Dauertauglichkeit. Gleichzeitig muss dem Fahrenden der Zustand des Fahrzeugs akustisch vermittelt werden, um die Wahrnehmung von Geschwindigkeit und Beschleunigung zu unterstützen. Dafür muss das Sounddesign komplexe Strukturen ausweisen. Die simple Kopplung einer Geräuschsynthese an den Parameter „Motordrehzahl“ beispielsweise wäre ungenügend. Daher ist die Erzeugung einer Vielzahl unterschiedlicher Geräusche ein elementarer Bestandteil des Sounddesigns. Die zu erzeugenden Geräusche stehen meist nur in geringem Zusammenhang mit der eigentlichen Funktionsweise des Fahrzeugs. Einflüsse auf das Design sind der Einklang mit der Psychoakustik, der Geräuschqualität, den „Sound Scapes“ und der Fahrdynamik des Fahrzeugs. Die regelbasierte flexible Generierung und Anpassung von Klängen ist beispielsweise mit dem Sound-Signatur-Konzept möglich. Dabei wird eine wiedererkennbare Basisgestalt verwendet, die den Klangcharakter prägt. Diese wird durch Verknüpfungen zu den dynamischen Fahrzeugparametern umgewandelt. Dies beinhaltet die Synthese der Basis-Signatur mit Hilfe von Mikrostrukturen des Sounds. Dieser Ansatz beruht auf der Tatsache, dass die Geräusche von Verbrennungsmotor-Fahrzeugen aufgrund der in verschiedenen Fahrsituationen unterschiedlichen Geräuscheigenschaften als dynamisch, interessant und abwechslungsreich wahrgenommen werden.⁹¹

Die Erarbeitung einer geeigneten Geräuschkulisse für Elektroautos bedarf Fahrsimulatoren zur Ermittlung der gewünschten Innengeräusche sowie die Anwendung kontext-sensitiver Methoden, die der Komplexität des Untersuchungsgegenstandes Fahrzeug gerecht werden.⁹² Beispielsweise erlaubt das Verfahren der „Explorative Vehicle Evaluation“ (EVE) eine kontextsensitive Datenerhebung sowie eine Ableitung kundenorientierter Zielgeräusche.⁹³ Dabei findet die Datenerhebung im realistischen Fahrzeug-Umfeld statt, wobei die Versuchsteilnehmenden frei und spontan Eindrücke, Impressionen, Empfindungen und Assoziationen äußern können. So werden verbalisierte Urteile mit den zugehörigen fahrzeugtechnischen und -akustischen Daten aufgezeichnet und zusammen mit weiteren Informationen aus zusätzlichen Interviews ausgewertet.⁹⁴

Die Thematik zukünftiger Außengeräusche ist Bestandteil kontroverser Diskussionen und gesellschaftlich weitreichender Debatten. Grundsätzlich ist mit der Elektrifizierung des straßengebundenen Verkehrs die Hoffnung verbunden, innerstädtischen Verkehrslärm dauerhaft erheblich zu reduzieren. Die Gründe für diese Zielsetzung sind ernst. Aktuellen Studien der WHO zufolge geht jedes Jahr als Folge von gesundheitsschädlichen Auswirkungen durch Verkehrslärm europaweit eine Million Lebensjahre „verloren“, und 1,8 % aller Herzinfarkte sind ursächlich dem Verkehrslärm zuzurechnen.⁹⁵

Vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten ist eine Reduktion der akustischen Emission von Elektrofahrzeugen gegenüber Autos mit Verbrennungsmotor messbar. Beispielsweise ist der Schalldruckpegelverlauf bei einem Hybridfahrzeug (HEV) während des reinen Elektroantriebs im Vergleich zum verbrennungsmotorischen Antrieb um bis zu 10 dB niedriger. Bei höheren Geschwindigkeiten verringert sich der Unterschied erheblich, da das durch die Reifen verursachte Fahrbahngeräusch gegenüber den Emissionen des Antriebs dominant wird. In der Konstantfahrt ist der Unterschied des Schalldruckpegels beider Antriebstechnologien ab Geschwindigkeiten von 30 km/h äußerst gering.

Eine reine Pegelreduktion des Außengeräusches von Fahrzeugen bewirkt allerdings keine kausale Reduktion der durch sie empfundenen Störung. Die weiteren Eigenschaften der von Elektroautos emittierten Geräusche entscheiden über ihre Wahrnehmung durch den Menschen. Zur Analyse und Optimierung dieser Eigenschaften werden auffällige Geräuschkomponenten konstatiert, die lästig und störend sind. Abb. 21.12 zeigt beispielhaft das Außengeräusch eines Serienelektrofahrzeugs für eine Anfahrsituation. Deutlich sind die durch die Magnetkräfte des Elektromotors emittierten höheren Ordnungen im Frequenzbereich zwischen 2 und 4 kHz zu erkennen. Außerdem ist ein Stromrichtergeräusch um 7 kHz vorhanden, das als störend empfunden wird. Die Ordnungen laufen auseinander, wodurch eine permanente Änderung der Modulation stattfindet. Dieses akustische Muster wiederholt sich um 14 kHz.

Die Messung zeigt, dass das Außengeräusch von Elektrofahrzeugen optimiert werden muss, um die hohen Erwartungen hinsichtlich ihrer reduzierten Lärmbelästigung gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu erfüllen.

Ein jahrelang heftig diskutiertes Thema ist die vermeintliche Gefahr, die etwa für Fußgänger oder Radfahrerende davon ausgehe, dass elektrifizierte Fahrzeuge aufgrund des sehr leisen Außengeräusches bei niedrigen Geschwindigkeiten überhört werden könnten. Die US-amerikanische Verkehrssicherheitsbehörde NHTSA, die im Zeitraum von 2000 bis 2007 sämtliche Unfallstatistiken auswertete, ermittelte ein erhöhtes Gefahrenpotenzial von Elektrofahrzeugen für die Kollision mit Fußgängern.⁹⁶ Die Studie befürwortet akustische Warnsignale zur Gefahrenvermeidung als Konsequenz der Ergebnisse und erzeugte einen wegweisenden Impact. Die tatsächliche Aussagekraft dieser vielzitierten Studie ist allerdings kontrovers. Unter anderem sind methodische Schwächen ein häufig angemahnter Kritikpunkt.⁹⁷ Ungeachtet der Schwächen der Studie ist ein erhöhtes Risiko der Nichtwahrnehmung elektrischer Fahrzeuge bei niedrigen Geschwindigkeiten insbesondere für Menschen mit beeinträchtigtem Hörvermögen intrinsisch gegeben. Diese technische Besonderheit bedarf daher einer sicherheitssteigernden Reaktion.

Die Politik reagierte mit Gesetzen zur Gewährleistung von Mindestgeräuschpegeln. Primäres Ziel war es, die Vermeidung von Verkehrsunfällen und Todesfällen sicherzustellen. Die Details der gesetzlichen Anforderungen unterscheiden sich indes regional. In Europa wurde die Verordnung (EU) Nr. 540/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates über den Geräuschpegel von Kraftfahrzeugen und von Austauschschalldämpferanlagen am 16. April 2014 verabschiedet. Diese Verordnung verpflichtet die Hersteller zum Verbau eines akustischen Fahrzeug-Warnsystems („Acoustic Vehicle Alerting System“ – AVAS) in jedem Typ von Hybridelektro- und reinen Elektrofahrzeugen. Die Umsetzung wurde zum 1. Juli 2019 für neue Typen dieser Fahrzeuge und zum 1. Juli 2021 für alle Hybridelektro- und reinen Elektrofahrzeuge gefordert. Daraus resultierte eine Übergangszeit von zwei Jahren für bereits mit einer Typgenehmigung homologierte Hybridelektro- und reine Elektrofahrzeugtypen zur verpflichtenden Ausstattung mit AVAS.⁹⁸

Die Wirtschaftskommission für Europa bei den Vereinten Nationen (UNECE) veröffentlichte am 5. Oktober 2016 die Regelung Nr. 138 – „Einheitliche Bestimmungen für die Genehmigung geräuscharmer Straßenfahrzeuge hinsichtlich ihrer verringerten Hörbarkeit“ und damit ausführlichere Anforderungen an die Leistung von AVAS. Das System muss bei Rückwärtsfahrt und Vorwärtsfahrt bis 20 km/h einen Mindestschallpegel des Fahrzeugs gewährleisten. Der vom Terzband des Geräuschs abhängige Schallpegel beträgt mindestens 56 dB(A) und maximal 75 dB(A) bei Vorwärtsfahrt. Das System muss bei allen Fahrzeugen der Klassen M und N – Pkw, Lkw und Busse – verbaut werden, die in mindestens einem Gang vorwärts oder rückwärts ohne Verbrennungsmotor fahren können. Eine Möglichkeit der Deaktivierung des Systems durch den Fahrer ist ausdrücklich verboten.⁹⁹

In den USA wurde ein ähnliches Gesetz erlassen. Vergleichbar mit dem entsprechenden europäischen Gesetz trat es am 1. September 2019 in Kraft. Die wesentlichen Unterschiede zu den Anforderungen der UNECE liegen im Geltungsbereich des verpflichtenden Mindestgeräuschs, das für Fahrzeuge mit einem Gewicht von weniger als 4536 kg obligatorisch ist. Dementsprechend sind schwere Fahrzeuge – zum Beispiel Lkw und Busse – von dieser Regelung befreit. Der Geschwindigkeitsbereich der von der NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) definierten Anforderungen unterscheidet sich ebenso vom europäischen Pendant. In den USA muss das System bis zu einer Geschwindigkeit von 30 km/h aktiv sein. Gleiches gilt bei Stillstand und aktiver Fahrbereitschaft.¹⁰⁰

Akustikingenieurinnen und -ingenieure sehen sich mit neuen Herausforderungen bei steigenden Komfortansprüchen und zunehmendem Wettbewerbsdruck konfrontiert. Neben den notwendigen Bemühungen zur Emissionsreduktion im Prozess der Fahrzeugentwicklung wird weiterhin die Erfüllung emotionaler Bedürfnisse potenzieller Kunden und Kundinnen einen besonderen Stellenwert einnehmen. Dabei spielen der empfundene akustische Komfort und das Thema NVH eine essenzielle Rolle. Geräusche werden permanent bewusst oder unbewusst registriert und interpretiert. Bereits die ersten Empfindungen generieren unmittelbar einen kaum zu korrigierenden Qualitätseindruck. Daher ist das aktive Sounddesign ein elementarer Bestandteil bei der Entwicklung elektrischer Fahrzeuge. Denn ein Fahrzeug wird nicht nur gefahren, sondern es wird – auch oder gerade bei neuartigen Antrieben und innovativen Konzepten – multisensorisch erlebt und danach beurteilt.

Die einzelne Optimierung der Geräusche von Elektromotor, Umrichter oder Getriebe ist dafür unzureichend. Vielmehr muss die Gesamtkomposition harmonisch abgestimmt werden. Grundlegende Anforderungen wie die Vermeidung ungewollter Geräusche sind die Voraussetzung für ein gelungenes Sounddesign. Über Erfolg und Misserfolg entscheiden allerdings Begeisterungsfaktoren. Die Zusammenarbeit weltberühmter Komponisten mit Herstellern von Elektrofahrzeugen beim Sounddesign verdeutlicht den Stellenwert dieser Aufgabe in der Automobilindustrie. Sound Branding durch emotionale und erlebnisorientierte Differenzierung wird somit zu einer der Hauptaktivitäten der Akustikentwicklung von Elektrofahrzeugen.

Diese geschilderten Aspekte bedeuten eine Revolution in der Aufgabenstellung des Sounddesigns von Fahrzeugen. Nach einer mehr als 120-jährigen kontinuierlichen Entwicklung im Automobilbereich, in dem der Klang des Verbrennungsmotors schrittweise optimiert wurde, kommen innovative Antriebskonzepte, virtuelle Geräusche und steigende psychoakustische Anforderungen auf, die neue Betrachtungsweisen und Ansätze erfordern. Das Sounddesign von Elektrofahrzeugen ist eine Aufgabe, die die gezielte Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen erfordert.

Für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist der Aspekt der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von großer Bedeutung. Neben dem konventionellen Bordnetz müssen Systeme zur Speicherung der elektrischen Energie, zur Steuerung und zum elektrischen Antrieb auf einer wesentlich höheren Spannungsebene in das Fahrzeug integriert werden. Die Kopplung zwischen den verschiedenen Netzwerken im Fahrzeug sowie der weiteren Umgebung führt zu anspruchsvollen Herausforderungen bei der Realisierung der EMV.

Damit ein Fahrzeug elektromagnetisch verträglich ist, darf es keine Störungen in seiner Umgebung freisetzen. Umgekehrt darf es auf Störungen aus der Umwelt nicht empfindlich reagieren. Ursächlich für elektromagnetische Störungen sind Ströme – beziehungsweise genauer: Stromänderungen – in den elektrischen Bauteilen und Baugruppen. Stromänderungen ergeben sich insbesondere bei plötzlichen starken Belastungen oder hohen Frequenzen im Stromfluss. Diese treten im Kontext von Elektrofahrzeugen speziell in denjenigen Komponenten auf, in denen Spannungen auf ein anderes Niveau oder zwischen Gleich- und Wechselspannung gewandelt werden. Elektrofahrzeuge weisen somit im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotor-Fahrzeugen gravierende, bisher weniger stark zu berücksichtigende EMV-Aspekte auf. Der Fokus liegt dabei auf zwei Arbeitsfeldern: Störaussendung und Störfestigkeit der Elektrofahrzeuge.¹⁰¹

Ein elektrischer Antriebsstrang enthält einen Energiespeicher, der die Traktionsenergie bereitstellt. Die Spannung solcher Speicher beträgt bis zu 800 Volt in Anwendungen der L7e-Klasse bis zum 40-Tonner für den Langstreckentransport. Die Leistung für den Antrieb reicht dabei von 15 bis 800 kW – entsprechend hohe Ströme treten im Hochvolt-Bordnetz auf. Mit Blick auf EMV stellen unter anderem kurzfristige Stromspitzen eine Herausforderung dar. Die Steckersysteme für das Laden der Hochvoltbatterie ermöglichen heute Ladeleistungen von bis zu 500 kW, bei denen Ströme von bis zu 500 A auftreten.¹⁰²

Starke und schnell wechselnde elektromagnetische Felder können insbesondere im Bereich der Umrichter für den Elektromotor auftreten. Der Umrichter wandelt die Gleichspannung der Batterie in Drehstrom für den Antrieb um. Wechselspannungen existieren im Fahrzeug außerdem beim „Tanken“ an AC-Ladestationen. Die Wechselspannung von bis zu 400 V wird hier im „On-Board-Charger“ (OBC) zu Gleichstrom für die Batterie gewandelt. Eine noch größere Quelle für Störungen stellen unterdessen induktive Ladelösungen dar. Sie haben sich derzeit jedoch noch nicht durchsetzen können und bilden vergleichsweise kleine Ladeleistungen ab. Induktives Laden ist jedoch Gegenstand kontinuierlicher Forschungsaktivitäten. Ferner sind Gleichspannungswandler erforderlich, die die Batteriespannung in eine konventionelle Bordnetzspannung transferieren, über die die Fahrzeugkomponenten außerhalb des Antriebs versorgt werden. Neben Gleichspannungswandlern kommen – vor allem im Nutzfahrzeugbereich – auch Wechselrichter zum Einsatz, um AC-Nebenaggregate zu versorgen. Die internen Taktfrequenzen der Frequenzumrichter und Gleichspannungswandler sind Quellen für potenzielle elektromagnetische Störungen. Daher benötigt die Störfestigkeit gegen elektromagnetische Störstrahlung eine erhöhte Aufmerksamkeit.¹⁰³

Erfahrungen im Umgang mit derart hohen Gleich- und Wechselspannungen liegen in der Entwicklung konventioneller Fahrzeuge, die mit Nennbordspannungen von 12 V bei Pkw beziehungsweise 24 V bei Nutzfahrzeugen arbeiten, bisher nur begrenzt vor und werden im Zuge der Elektrifizierung kontinuierlich ausgebaut.

Da die in Elektrofahrzeugen geschalteten elektrischen Leistungen um einige Größenordnungen über den bisher im Auto auftretenden Leistungen liegen, verursachen sie auch wesentlich größere Störungen. Diese Störungen können bei fehlerhaften Entwicklungen interne Komfortfunktionen – etwa das Infotainmentsystem oder Sicherheitsfunktionen wie das Antiblockiersystem (ABS) und das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) – negativ beeinflussen und sind dementsprechend kritisch. Der Störeinfluss ist nicht auf das Fahrzeug begrenzt, sondern betrifft auch die Umgebung. Ohne geeignete EMV-optimierte Maßnahmen besteht die Gefahr, dass die gesetzlich zulässigen Grenzwerte, unter anderem für den Personenschutz, überschritten werden.

Als Schutzmaßnahme gegen Störungen und zur Erreichung einer elektromagnetischen Verträglichkeit müssen daher Maßnahmen auf sämtlichen Systemebenen getroffen werden. So werden störanfällige Systeme bereits auf Komponentenebene abgeschirmt und Leistungsleitungen sowie Stecker ebenfalls im Kabel geschirmt. Sämtliche Leitungen zwischen der Batterie und den Schaltteilen bis hin zum Motor müssen hochfrequenzdicht sein. Abschirmungs- und Filtermaßnahmen verursachen enorme Kosten für die Automobilhersteller.

Aufgrund der hohen Komplexität, wegen einer deutlich höheren Spannungsebene gegenüber den konventionellen Bordnetzen und wegen schnellerer Schaltvorgänge von leistungselektronischen Systemen mit höheren Strömen können die EMV-Anforderungen des Gesamtsystems im Fahrzeug nur dann erfüllt werden, wenn man sie vorerst auf Komponenten- beziehungsweise Systemebene detailliert und die EMV-Eigenschaften auf diesen Ebenen gezielt entwickelt. Die Einhaltung der EMV muss bei der Integration in das Gesamtfahrzeug erhalten bleiben. Die Verantwortung dafür, dass das Fahrzeug in der elektromagnetischen Umgebung bestimmungsgemäß funktioniert, liegt beim Hersteller.¹⁰⁴ Die Komplexität an EMV-Anforderungen wächst jedoch nicht nur durch die gestiegenen Systemspannungen. Auch die rapide zunehmende Anzahl elektronischer Einrichtungen im Fahrzeug erhöht die Gefahr, dass sich die einzelnen Komponenten gegenseitig beeinflussen.

Das reibungslose Zusammenwirken elektronischer Systeme im Kfz stellt äußerst hohe Ansprüche an die EMV. Aus diesem Grund verlangen die Automobilkonzerne die Prüfung der elektrischen und elektronischen Unterbaugruppen nach wesentlich schärferen Kriterien, als es für die Typenzulassung (zum Beispiel für e1, CE, ECE R10) vorgeschrieben ist. Der Druck einer EMV-konformen Entwicklung wird bis auf Halbleiterebene weitergegeben. So werden integrierte Schaltungen („Internal Circuit“ – IC) häufig als Ursache für Störungen betrachtet. Dementsprechend werden ein hohes Maß an Störfestigkeit und gleichzeitig geringe Störemissionen gefordert.

Für die EMV-Prüfung integrierter Schaltungen werden zwei Normen – IEC 61967 und IEC 62132 – zur Messung der Störemission beziehungsweise der Störfestigkeit herangezogen. Für die Typgenehmigung sind jedoch nur die gesetzlichen Mindestanforderungen nachzuweisen. Aus Gründen der Produkthaftung des Herstellers gegenüber dem Endkunden werden in den Pflichtenheften der Automobilhersteller Prüffeldstärken gefordert, die ein Vielfaches über jenen der europäischen Richtlinie liegen.

Der Nachweis der Erfüllung der EMV-Anforderungen erfolgt in der Kraftfahrzeugentwicklung auf Labor- und Fahrzeugebene. Die Komponenten werden einerseits in einer Fahrzeugnachbildung und andererseits im realen Fahrzeug getestet. Für diese Prüfung sind EMV-relevante Betriebszustände des Antriebssystems zu ermitteln. Insbesondere beim Anfahren und Bremsen entstehen hohe Stromspitzen, die durch schnelle Schaltvorgänge zu breitbandigen Störspektren führen. Als weiteres Hilfsmittel in der Entwicklung dienen die Modellierung und die Simulation der Komponenten sowie des Gesamtsystems. Simulationen bieten die Möglichkeit, frühzeitig zu erkennen, wo die höchsten Feldstärken auftreten und wie das günstigste Routing der Leitungen verlaufen kann. Die Simulationsmodelle helfen dabei, im Vorfeld mögliche Koppelpfade sowie Störquellen zu identifizieren und zielgerichtet geeignete Maßnahmen wie Materialauswahl und Filterung zu ergreifen. Bei den Berechnungen können jedoch größere Ungenauigkeiten auftreten. Daher ist eine Simulation der Störquellen alleine nicht ausreichend. Tests auf Komponenten- und Fahrzeugebene sind unverzichtbar.¹⁰⁵ Gleichwohl bedeutet eine vorangegangene Simulation eine signifikante Kostenreduktion und Beschleunigung in der Entwicklung.

Neben der Notwendigkeit, spezifisches neues Know-how aufzubauen und die Weiter- und Fortbildung in diesem Bereich auszubauen, sind erhebliche Investitionen in die Entwicklung einer an die neuen Anforderungen angepassten EMV-Prüfumgebung unumgänglich. Anforderungen der Störabstrahlung und Störeinstrahlung sind nicht nur für ein Elektrofahrzeug und damit auch für ein Hybridfahrzeug gültig, sondern bestehen im gleichen Maß für alle beteiligten Systemkomponenten. Nur wenn diese Anforderungen erfüllt werden, kann die elektromagnetische Verträglichkeit der Fahrzeuge gewährleistet werden.

Seit den Anfängen des Automobils ist die Anzahl der Steuergeräte und der elektronischen Geräte im Fahrzeug stetig gestiegen. Mit Blick auf elektrisch angetriebene Fahrzeuge nimmt die Anzahl elektrischer und elektronischer Komponenten weiter zu.¹⁰⁶ Infolgedessen ist die Höhe des Störpegels und die Wahrscheinlichkeit, eine Störung auszulösen, ebenfalls gewachsen. Zudem hat die Größe der elektronischen Geräte kontinuierlich abgenommen, so dass die elektrische Packungsdichte gestiegen ist. Dadurch rücken die Störsenken immer näher an die Störquellen heran und die geringere Leistungsaufnahme erhöht die Empfindlichkeit gegenüber Störungen. Auch die Taktfrequenz wurde stetig erhöht – und mit der Einführung von Digitaltechnik auch die Flankensteilheit.¹⁰⁷ Daraus ergeben sich ein höherfrequenterer Störpegel und die Erhöhung des Störbandes (breitbandiger).

1934 wurden durch den „Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik“ (VDE) Leitsätze der Funkentstörung eingeführt. Richtlinien zur Störfestigkeit folgten erst Mitte der 1960er-Jahre. Bei den elektrischen Einbauten ins Fahrzeug bis 1970 standen im Wesentlichen die Entstörung von Zündung und Elektromotoren im Fokus der EMV. Mit den ersten Hybridfahrzeugen Ende der 1990er-Jahre sorgten die hohen Ströme für neue Herausforderungen im Bordnetz. Gleichzeitig stieg die Anzahl der Steuergeräte und somit der Vernetzungsgrad im Fahrzeug über CAN-Busse. Mit den ersten in größerer Serie hergestellten Elektrofahrzeugen in den 2000er-Jahren ist die Bedeutung des elektrischen Bordnetzes für den Antrieb erneut gestiegen.¹⁰⁸

EMV wird im Zusammenhang mit Normung nur auf Antriebs- und auf Gesamtsystemebene unter Einschluss der Batterie betrachtet. Wesentliche Bemessungsgrundlage für Elektrofahrzeuge werden in der ECE R 10 festgehalten, die seit 2019 in der mittlerweile sechsten Revision vorliegt.¹⁰⁹ Die Überprüfung auf Einhaltung der rechtlichen Grenzwerte der Emissionen beziehungsweise die notwendige Störfestigkeit ist im Rahmen der Fahrzeugzulassung in speziellen Laboren nachzuweisen. Eine wesentliche Herausforderung liegt dabei in der exakten Nachbildung der in der Praxis auftretenden und zu erwartenden Lastfälle im Bordnetz.

Die Normierung in Bezug auf EMV unterliegt einem kontinuierlichen Wandel, welcher auch der gestiegenen Leistungsfähigkeit der Systeme nachkommen muss. Speziell für das Laden traten in der Vergangenheit beispielsweise die IEC 61851-21-1 (2017)¹¹⁰ und die IEC 61851-21-2(2018)¹¹¹ in Kraft.

Im Zuge der Mobilitätswende sowie der kontinuierlichen Entwicklungsfortschritte autonomer Fahrsysteme werden zunehmend elektrische und elektronische Komponenten im Fahrzeug verbaut – zum Beispiel in Form von Frequenzumrichtern, der Hochvolt-Batterie und Hochvolt-Nebenaggregaten. Gleichzeitig steigen die Taktfrequenzen der Steuergeräte und der Antriebselektronik. Damit erhöht sich auch das Risiko der gegenseitigen Beeinflussung und der damit verbundenen Funktionsbeeinträchtigungen.

Das Wirkungsprinzip der elektromagnetischen Beeinflussung zweier Komponenten lässt sich durch das Kopplungsmodell beschreiben, das von den Begriffen „Störquelle“, „Kopplungspfad“ und „Störsenke“ ausgeht. Störungserzeugende Fahrzeugkomponenten (wie der Umrichter) oder solche aus der Umgebung (etwa Funkmasten) werden als „Störquelle“ und die beeinflusste Komponente als „Störsenke“ bezeichnet. Damit es zu einer Beeinflussung der Senke durch die Quelle kommen kann, muss die Störung zur Senke gelangen. Der Weg zwischen Quelle und Senke wird „Kopplungspfad“ genannt. Das Zustandekommen einer Störung wird über das Kopplungsmodell beschrieben (vgl. Abb. 21.13).

Klassische Beispiele für potenzielle Störquellen und Störsenken sind unterdessen in Abb. 21.14 dargestellt.

Das wesentliche Kriterium der Güte einer Signalübertragung ist in der EMV der Störabstand zwischen Störquelle und -senke. Der Störabstand ist maßgeblich davon abhängig, ob sich die Störquelle und -senke im selben System beziehungsweise in derselben Baugruppe befinden. Wie in Abb. 21.15 dargestellt, wird zwischen der Intersystem- und der Intrasystem-Beeinflussung unterschieden. Letztere beschreibt die Beeinflussung der Störsenke durch eine Störquelle im selben System. Eine Intersystem-Beeinflussung liegt hingegen bei mindestens zwei verschiedenen Systemen vor.¹¹²

Auch wenn die genannten Bedingungen – Störquelle, Störsenke und Kopplungspfad – erfüllt sind, kommt es erst dann zu einer Störung, wenn die Beeinflussung die Störfestigkeit einer Komponente überschreitet. Die Störfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Systems, in einer elektromagnetisch gestörten Umgebung ohne Fehler oder Defekte zu funktionieren. Dabei wird zwischen Eigen- und Fremdstörfestigkeit unterschieden. Ersteres bezeichnet die Robustheit gegen Intrasystem-Beeinflussung – das heißt gegenüber Störungen im selben System (interne EMV). Im Gegensatz dazu beschreibt die Fremdstörfestigkeit die Immunität gegenüber Intersystem-Beeinflussung – also Störungen systemfremder Komponenten (externe EMV).¹¹³

Grundsätzlich gibt es fünf Kopplungsmechanismen, über die ein Störsignal von einer Störquelle zu einer Störsenke gelangen kann. Man unterscheidet zwischen der galvanischen, kapazitiven und induktiven Kopplung, der elektromagnetischen Leitungskopplung sowie der Strahlungskopplung (vgl. Abb. 21.16). Eine Beschreibung der Kopplungsmechanismen ist in Tab. 21.3 dargestellt.

Gerade die Identifikation der jeweiligen Kopplungsmechanismen und -pfade ist herausfordernd, da es sich oft um parasitäre Übertragungswege (Streukapazitäten, Streuinduktivitäten) handelt. Zudem liegen häufig mehrere Kopplungspfade gleichzeitig vor. Eine eindeutige Bestimmung des Kopplungspfads ist daher nur selten möglich.¹¹⁴ Um diesem Problem vorzubeugen, sieht der Gesetzgeber Richtlinien vor. In Deutschland werden entsprechende Verantwortlichkeiten im „Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln“ (EMVG) geregelt.¹¹⁵ Demnach ist der Hersteller eines Geräts dazu verpflichtet, eine EMV-Bewertung seiner Komponente vorzunehmen und das System mit Hilfe geeigneter Maßnahmen abzusichern (Erhöhung der Fremdstörfestigkeit). Gleichzeitig muss der Hersteller die Störemission seiner Störquelle minimieren, um die EMV anderer Systeme zu gewährleisten (Verringerung der Störemissionen).¹¹⁶ Eine entsprechende Richtlinie oder Norm, welche die Eigenstörfestigkeit einer Komponente regelt, existiert nicht. Die Ursache dafür ist, dass die Eigenstörfestigkeit ein grundlegendes Produktmerkmal einer elektrischen beziehungsweise elektronischen Komponente darstellt. Ein Wechselrichter, der aufgrund fehlender Eigenstörfestigkeit keinen störungsfreien Betrieb gewährleisten kann, wird sich langfristig nicht am Markt behaupten können, da es ihm an einem entscheidenden Qualitätsmerkmal fehlt.¹¹⁷

Im Gegensatz zu konventionellen Fahrzeugen, die als potenzielle EMV-Störquelle lediglich die Zwölf-Volt-Bordelektronik besitzen, müssen in Elektrofahrzeugen weitere Komponenten berücksichtigt werden. Dazu gehören insbesondere leistungselektronische Komponenten, die aufgrund vieler Schaltvorgänge entsprechend hohe Störaussendungen verursachen.¹¹⁸ Infolge hoher Störemission können ungewollte Signale sowohl leitungsgebunden oder über elektromagnetische Wellen übertragen werden. Eine derartige Störung kann im Fahrzeugbetrieb Fehler hervorrufen – etwa das ungewollte Auslösen des Airbags – und damit die Sicherheit der Passagiere sowie des Straßenverkehrs gefährden. Aus diesem Grund sind das Zwölf-Volt-Bordnetz sowie die daran angeschlossenen Komponenten unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen auszuführen.

Um die EMV zu gewährleisten, werden für Straßenfahrzeuge entsprechende Prüfverfahren in der Normenreihe ISO 11451 festgehalten.¹¹⁹ Dabei gelten die Anforderungen sowie Grenzwerte insbesondere für Komponenten mit hohem Störquellenpotenzial. Dazu gehören vor allem die leistungselektronischen Komponenten des Antriebsstrangs. Richtlinien zu Prüfverfahren und Testläufen, die sich speziell auf den elektrischen Antriebsstrang fokussieren, sind zudem in der qualitäts- und funktionssichernden Norm ISO 21782 beschrieben.¹²⁰ Um die geforderten Grenzwerte erreichen zu können, müssen Hersteller in der Praxis diverse Maßnahme ergreifen. Übergeordnet werden mit ihrer Hilfe drei Ziele verfolgt, die aus dem Kopplungsmodell hervorgehen:In der Praxis haben sich verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der EMV und zur Vorbeugung typischer Störungsbilder etabliert. Insbesondere leistungselektronische Komponenten (etwa Frequenzumrichter) stellen hohe EMV-Anforderungen an ihre Umgebung. Im Antrieb beziehungsweise zwischen Antriebskomponenten und Umrichter finden daher meist EMV-Filter Anwendung, um Störströme zu reduzieren. Außerdem werden Y-Kondensatoren auf der Gleichspannungsseite des Umrichters verbaut, um Gleichtaktstörungen zu minimieren. Ebenso haben Kabelparameter einen maßgeblichen Einfluss auf die entstehenden Störaussendungen. Beispielsweise ist die Kabelkapazität stark von der entsprechenden Leitungslänge abhängig, weshalb HV-Leitungen möglichst kurz realisiert werden sollten, um Schirmströme zu reduzieren. Die Schirmung von HV-Leitungen reduziert die Beeinflussung durch hochfrequente elektrische beziehungsweise magnetische Felder. Untersuchungen zeigen, dass Leitungen mit Summenschirmung eine geringere Kabelkapazität aufweisen, so dass auftretende Schirmströme abgeschwächt werden. Im Automobilbau ist jedoch der Bauraum ein weiterer begrenzender Parameter. Summenschirmungen, die relativ unbeweglich sind und mit zunehmendem Querschnitt kontinuierlich Flexibilität verlieren, lassen sich nur aufwendig im Kfz verlegen. Aus diesem Grund werden in heutigen Fahrzeugen überwiegend einzeln geschirmte (HV-) Leitungen vorgesehen.¹²²

Eine besondere Herausforderung im Kfz stellen indes die Steckverbinder dar. Durch Verschmutzung oder Alterungseffekte (Abnutzung) steigt der Übergangswiderstand am Verbinder an. Infolge hoher Übergangswiderstände können undefinierte Strompfade für hochfrequente Störströme entstehen. Insgesamt erhöht dies die Systemanfälligkeit, da die Schirmwirkung dauerhaft verringert wird.¹²³

In Elektroautos wird das Schirmkonzept üblicherweise für das HV-Bordnetz sowie für Verbindungen zwischen Umrichter und Motor eingesetzt. Während EMV-Problemen am Umrichter über entsprechende EMV-Filter begegnet werden kann, sollte das restliche HV-Bordnetz vollständig geschirmt ausgeführt werden und die Schirmung zwecks Potenzialausgleichs mit der Fahrzeugkarosserie verbunden werden.¹²⁴ Obwohl die Schirmung des gesamten HV-Bordnetzes vergleichsweise kostenintensiv ist, überzeugt diese Maßnahme, indem zahlreiche Komponenten, die mit dem HV-Bordnetz verbunden sind, gleichzeitig gegen elektromagnetische Störungen geschützt werden. Von entscheidender Relevanz ist dabei die lückenfreie Ausführung der Schirmung, da kleine Unterbrechungen zu einem massiven Abfall der Schirmwirkung führen können.¹²⁵

Zusammenfassend kann die sachgemäße Funktion eines Elektrofahrzeugs nur dann erreicht werden, wenn die Entwicklung sowie der Einbau von Komponenten ins Fahrzeug neben den betriebstechnischen Anforderungen auch die Präventionsmaßnahmen der EMV erfüllen (zum Beispiel Erdung, Schirmung, Filterung). Tab. 21.4 zeigt eine detaillierte Übersicht typischer Kopplungsmechanismen sowie EMV-Maßnahmen am Elektrofahrzeug.

Gespeicherte Energie fordert – unabhängig von der vorliegenden Energieform und der Speichertechnologie – vom Anwendenden stets einen gewissenhaften Umgang mit ihr. Je nach Energieform gilt es daher, die notwendigen Sicherheitsaspekte zu beachten und diese in der Produktentwicklung sicherzustellen. Auch für die Entwicklung und den Betrieb von elektrochemischen Energiespeichern in Form von Akkumulatoren sind Sicherheitsmaßnahmen aufgrund der hohen Energiedichte von besonderer Bedeutung.

Dabei lässt sich die Sicherheit nicht durch ein einziges Kriterium oder einen einzigen Parameter bestimmen oder bewerten. Vielmehr wird sie durch die Umsetzung komplementärer Ansätze bestimmt, die zusammenwirken, um die Sicherheit zu erhöhen. Um von einem Elektrofahrzeug ausgehende Risiken zu minimieren, muss die Sicherheit auf allen Produktebenen der Batterie (Zellen-, Modul- und Packebene) bis einschließlich der Fahrzeugebene berücksichtigt werden. Aufgrund der engen Verknüpfungen jener verschiedenen Ebenen kann ein einzelner Defekt auf einer von ihnen große Auswirkungen auf die übrigen Ebenen haben. Um sowohl dem Verbraucher als auch dem Hersteller einen hohen Sicherheitsstandard zu garantieren, sind einheitliche Standards zur Zulassung zwangsläufig notwendig.¹²⁶

Die Vorgaben werden auf Basis von entwickelten Normen festgesetzt und durch Technische Dienste überwacht. Die wichtigsten Normungsinstitutionen auf nationaler und internationaler Ebene sind in Tab. 21.5 dargestellt.

Die Aufgabe einer Norm besteht darin, durch die anerkannten Regeln der Technik einen Standard festzulegen, der dem Verbraucher das Vertrauen in ein zuverlässiges Produkt ermöglicht und dem Hersteller eine Rechtsgrundlage bietet.¹²⁷

Um weltweit einen einheitlichen Standard festzulegen und zur Marktharmonisierung beizutragen, gibt es neben den länderspezifischen Normungsinstitutionen wie dem Deutschen Institut für Normung (DIN) auch internationale Institutionen wie das „European Committee for Standardization“ (CEN) oder die „International Organization for Standardization“ (ISO). Nationale Normungsinstitute sind dabei ständige Mitglieder in den höheren internationalen Institutionen. Die aus diesen Institutionen – gleichgültig, ob national oder international – hervorgehenden Normen sind grundsätzlich nicht verpflichtend oder rechtsbindend – außer, wenn der Gesetzgeber ihre Einhaltung zwingend vorschreibt. Je nach Zulassungsvorschrift beinhalten die Normen spezielle Tests, denen Produkte vor ihrer Marktzulassung unterzogen werden müssen. Mit Hilfe solcher Prüfungen soll nachgewiesen werden, ob die benötigten Normen und Standards eingehalten wurden.

Das gilt auch für die Zulassung eines Elektrofahrzeugs mit Traktionsbatterie. Für den Fall, dass eine Traktionsbatterie nicht sämtliche Tests besteht und insofern den benötigten Sicherheitsstandard nicht nachweisen kann, wird die Erlaubnis, das Produkt auf den Markt zu bringen, nicht erteilt. Kann der Hersteller der Traktionsbatterie hingegen alle Testnachweise erbringen, erhält er von der zuständigen regulatorischen Behörde die Zertifizierung für das Produkt. Diese ist zwingend notwendig für die Verbreitung einzelner Fahrzeugkomponenten sowie für die Zulassung des Gesamtfahrzeugs. Ohne sie darf das Fahrzeug nicht am Straßenverkehr teilnehmen. Im Zusammenhang mit der Zulassung wird häufig von der „Typgenehmigung“ beziehungsweise speziell bei Elektrofahrzeugen von der „Homologation“ gesprochen. Dabei handelt es sich um die erwähnte Erlaubnis zur Herstellung und zum Inverkehrbringen eines Fahrzeugs oder einer bestimmten Komponente. Um nicht für jedes Land einen eigenen Nachweis für die Zulassung erbringen zu müssen, wurde in Form der sogenannten ECE-Homologation ein einheitliches Zertifizierungsverfahren entwickelt. Es verpflichtet alle ECE-Signatarstaaten dazu, die gegenseitige einheitliche Zertifizierung anzuerkennen.

Mit der immer rasanteren Weiterentwicklung der Batterietechnologie haben sich die Mitgliedstaaten der ECE-Regelung mit Beginn des Jahres 2016 für eine Erneuerung der bis dahin geltenden Vorschriften geeinigt. Um innerhalb der ECE-Signatarstaaten einheitliche Rahmenbedingungen für die Genehmigung von Fahrzeugen mit einem elektrischen Antriebsstrang zu schaffen, wurde die ECE R100 veröffentlicht. Sie enthält sicherheitsrelevante Anforderungen und Prüfungen, die notwendig sind, um eine Zulassung zu erhalten. Die Prüfungen unterteilen sich dabei in elektrische, mechanische und thermische Prüfungen. Mit Hilfe dieser Tests soll ein möglichst breites Spektrum realistischer Betriebsszenarien dargestellt werden. Ein Technischer Dienst erstellt auf Basis der Prüfergebnisse ein Gutachten, das für die Typgenehmigung bei einer Kraftfahrzeugbehörde eingereicht wird. In Deutschland ist dies das Kraftfahrt-Bundesamt. Die ECE R100 befindet sich aktuell in ihrer dritten Revision und wird somit stetig auf den aktuellen Stand der Technik gebracht.

Bevor ein Hersteller auf dem globalen Markt Batteriesysteme in Umlauf bringen darf, müssen regional gültige Vorschriften eingehalten werden. Dabei gibt es je nach Region unterschiedliche Nachweisregularien. Im europäischen Raum ist eine CE-Kennzeichnung verpflichtend. Diese wird durch den Hersteller aufgebracht. Damit geht die Erklärung einher, „dass das Produkt den geltenden Anforderungen genügt, die in den Harmonisierungsrechtsvorschriften der Gemeinschaft über ihre Anbringung festgelegt sind“ (Art. 2 Nr. 20, VERORDNUNG (EG) Nr. 765/2008). Darüber hinaus gelten in der Europäischen Union die ECE-Regelungen, die ein Übereinkommen zur Annahme einheitlicher technischer Fahrzeugvorschriften umfasst. Die Anforderungen an ein wiederaufladbares Energiespeichersystem hinsichtlich seiner Sicherheit sind dabei in der Regelung 100 (ECE-R100) niedergeschrieben. Diese ist eine von insgesamt 152 Normen (Stand: 2020), die von der UNECE zwecks der grenzübergreifenden Harmonisierung technischer Regelungen verabschiedet worden ist. Für die Vermarktung einer Lithium-Ionen-Batterie in den Ländern Europas und anderen Staaten ist eine Zulassung durch eine nationale Behörde erforderlich. Um diese Zulassung zu erlangen, ist eine erfolgreiche Prüfung nach ECE-R100 nachzuweisen. Dafür erstellt ein eigens akkreditierter Technischer Dienst auf Basis der Testergebnisse ein Gutachten, das für die Typgenehmigung bei einer Kraftfahrzeugbehörde eingereicht wird. In Deutschland handelt es sich dabei um das Kraftfahrt-Bundesamt (KBA), das die Akkreditierung der Technischen Dienste regelt.

Die erste Version ECE-R100 ist in Deutschland bereits 2016 verpflichtend in Kraft getreten. Sie enthält Anforderungen an ein Fahrzeug und ein wiederaufladbares Energiespeichersystem hinsichtlich deren elektrischer Sicherheit. Außerdem beinhaltet die ECE-R100-Norm jeweils verschiedene Prüfverfahren für die mechanische, thermische und elektrische Sicherheit. Die im Jahr 2022 erschienene dritte Revision der ECE-R100 umfasst insgesamt zehn Prüfungen (Tab. 21.6). Ebenfalls definiert sind die zu erfüllenden Akzeptanzkriterien für das Bestehen der Prüfungen.¹²⁸

In Nordamerika muss hingegen ein Nachweis gemäß „Underwriters Laboratories“ (UL) erfolgen. Diese Einrichtungen nehmen als unabhängige Organisation Tests und Zertifizierungen vor und vergeben anschließend ihr Prüfzeichen. Dabei erhalten Produkte keine Genehmigungen, stattdessen wird lediglich deren Einhaltung von Standards überprüft. Die Regelungen der UL 2580 werden als Grundlage für die Batterietests in vollelektrischen Fahrzeugen herangezogen. Gemäß dieser Norm sind neun Prüfverfahren bezüglich der elektrischen, fünf Prüfverfahren im Rahmen der mechanischen und fünf Prüfverfahren im Rahmen der thermischen Sicherheit vorgeschrieben (Tab. 21.7).

Ein weiterer großer Markt für Elektrofahrzeuge stellt der chinesische Raum dar. Mit dem dort geforderten „China-Compulsory-Certification“ (CCC)-Nachweis bestätigt der Hersteller, dass die von ihm gefertigten Produkte den nationalen Guobiao (GB)-Standards entsprechen und die Produktkonformität gemäß den chinesischen Regularien laufend eingehalten werden. Dabei wurden viele GB-Standards von der ISO, IEC oder anderen internationalen Normungsorganisationen (anteilig) übernommen. Am 1. Januar 2021 trat die GB 38031-2020 in Kraft. In dieser Norm sind 16 Prüfungen hinsichtlich der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge beschrieben (Tab. 21.8).¹²⁹

Neben den zuvor genannten regionalen Prüfverfahren sind einzelne länderspezifische Regelungen zu beachten.

Seit 1975 ist das DIN für Deutschland die zuständige nationale Normungsorganisation und die nationale Mitgliedsorganisation in den internationalen Normungsorganisationen CEN und ISO. Es besteht die Möglichkeit, internationale Standards in nationale Standards zu überführen. Eine Pflicht zur Übernahme von internationalen Standards auf nationale Standards besteht allerdings nicht.¹³⁰ Einzige Ausnahme gilt für das Land, dessen nationale Normungsorganisation den Antrag gestellt hat. Dort sehen die Richtlinien vor, dass jede verabschiedete Norm unverändert in das nationale Normenwerk zu übernehmen ist, wobei bereits vorhandene nationale Normen zum selben Thema zurückgezogen werden müssen. Alle weiteren Länder dürfen die internationale Norm auch modifiziert in ihre nationale Norm übernehmen. Das liegt unter anderem an der unterschiedlichen Rechtsprechung in den verschiedenen Ländern.¹³¹

Die in Deutschland geltende Rechtsprechung für Energiespeicher ist im sogenannten Batteriegesetz (BattG) verankert. Dieses Gesetz legt rechtliche Rahmenbedingungen für das Inverkehrbringen, die Rücknahme und die umweltverträgliche Entsorgung von Batterien und Akkumulatoren fest. Das BattG orientiert sich an den bereits existierenden Normen von nationalen und internationalen Normungsinstitutionen. Das im Jahr 2009 erstmalig in Kraft getretene BattG wurde am 1. Januar 2021 verschärft. Die Änderungen haben insbesondere Auswirkungen auf die Batteriehersteller und die Rücknahmesysteme von Geräte-Altbatterien.

Damit ein Fahrzeug für den Straßenverkehr zugelassen werden kann, muss es bestimmte technische Voraussetzungen und Sicherheitsstandards erfüllen. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer „Homologation“ beziehungsweise einer „Fahrzeughomologation“. Dabei handelt es sich um die Erlaubnis seitens der zuständigen Behörden, ein Produkt auf dem Markt in Verkehr zu bringen. Neben den Zulassungsverfahren des Gesamtfahrzeugs können einzelne Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs zertifiziert werden. Eine der wichtigsten Bestandteile ist die Hochvolt-Traktionsbatterie. Sie durchläuft einen eigenen Zulassungsprozess, der durch verschiedene regionale Vorschriften und Normen geregelt wird. Für eine erfolgreiche Zulassung im europäischen Raum muss die Batterie von einer nationalen Kraftfahrzeugbehörde, in Deutschland zum Beispiel vom Kraftfahrt-Bundesamt (KBA), zertifiziert werden und die relevanten Prüfverfahren unter Aufsicht einer Prüfbehörde bestehen. Für die Prüfverfahren regelt die ECE-R100-Norm die wichtigsten Grundlagen. Sie erläutert alle notwendigen Testverfahren, die durchlaufen werden müssen, um der Batterie im europäischen Raum die Marktzulassung erteilen zu können.

Um sowohl den internationalen Handel zu fördern als auch einen einheitlichen Standard zu schaffen, wurde im Rahmen der Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen (UNECE) das „Übereinkommen von 1958“ beschlossen. Innerhalb dieser Vereinbarung wurde ein Regelsystem für den Fahrzeugbau geschaffen, auf das sich alle Vertragsparteien des ECE-Abkommens geeinigt haben. Das Ziel war es, eine grenzübergreifende Harmonisierung von technischen Regelungen zu schaffen, was eine rechtliche Bindung für alle teilnehmenden Länder bedeutet. Aufgrund dieser einheitlichen Regelungen gilt gleichermaßen, dass ein Produkt, das bereits in einem Mitgliedstaat die Typgenehmigung erhalten hat, in jedem anderen Mitgliedstaat für die Einfuhr, den Verkauf und die Verwendung als legal zu betrachten ist. In erster Linie werden durch das Abkommen Vorschriften für Fahrzeugsicherheit, Umweltschutz, Energieeffizienz und Diebstahlsicherheit behandelt. Alle Vorschriften stehen im Internet frei zur Verfügung. Mittlerweile sind 64 Länder, darunter auch viele nichteuropäische Länder, Teil des ECE-Abkommens (vgl. Abb. 21.17).¹³²

Das Prüfzeichen nach einer gültigen Homologation besteht aus einem Kreis, in dessen Inneren sich der Buchstabe „E“ und eine Zahl befindet. Die Ziffer ist dabei eine Länderkennzahl und steht für den Staat, der die Genehmigung erteilt hat. Die Ziffer „1“ steht für Deutschland (vgl. Abb. 21.18).

Aufgrund der Herausforderung, dass einige Länder (etwa die USA) an der Entwicklung der Vorschriften mitwirken wollten, jedoch nicht der gegenseitigen Anerkennung von Typgenehmigungen zustimmten, wurde 1998 das sogenannte Parallelübereinkommen verabschiedet. Wohingegen die Regelungen von 1958 tendenziell eher auf europäischer Ebene entschieden worden waren, bietet das Parallelübereinkommen Ländern weltweit die Möglichkeit, sich an der Ausarbeitung globaler technischer Regelungen (GTR) zu beteiligen, ohne die Verpflichtungen der gegenseitigen Anerkennung zu übernehmen. Die GTR enthalten global harmonisierte Leistungsanforderungen und Testverfahren für die Genehmigung von Sicherheits- und Umweltaspekten von Fahrzeugen. Die meisten dieser Aspekte sind im Regelwerk des Abkommens von 1958 umgesetzt worden. Folglich werden diese von dessen Unterzeichnerstaaten anerkannt und mit Hilfe der ECE-Regelungen umgesetzt.¹³³ Speziell mit der „Sicherheit von Elektrofahrzeugen“ beschäftigt sich die zuletzt veröffentlichte GTR Nr. 20. Innerhalb dieser GTR wurden einige ECE-Regelungen übernommen beziehungsweise erweitert – so zum Beispiel die ECE-R 85 zur Messung der Nutzleistung von elektrischen Antriebssystemen oder die ECE-R 100 für die elektrische Sicherheit von Traktionsbatterien elektrischer Fahrzeuge. Ein großer Befürworter des Parallelübereinkommens waren aus Gründen des nationalen Zulassungsverfahrens die USA.¹³⁴

Das Zulassungsverfahren in den USA unterscheidet sich vom europäischen Prinzip. Während es sich bei der europäischen Zulassung um eine Typgenehmigung handelt, gilt in den USA das Prinzip der Selbstzertifizierung. Das bedeutet: Die Zertifizierung darf selbstständig vorgenommen werden und muss nur im Verdachtsfall von unzureichender Erfüllung durch eine Behörde begleitet werden. Somit überprüft der Hersteller seine Produkte eigenverantwortlich nach dem gängigen Stand der Technik und anerkannten Normen. Für die Zertifizierungstests wird auf die Vorschriften der „Underwriters Laboratories“ (UL) zurückgegriffen. Als unabhängige Organisation nehmen sie die Tests und Zertifizierungen vor und vergeben anschließend ihr Prüfzeichen. Die Regelungen der UL 2580 werden als Grundlage für die Batterietests in vollelektrischen Fahrzeugen herangezogen.¹³⁵

Da sich die Automobilhersteller in den USA selbst überprüfen, ist das Zertifizierungssystem nicht vereinbar mit dem Typgenehmigungsverfahren im Rahmen der ECE-Homologation. Anders als in Europa, ist vor der Vermarktung von Lithium-Ionen-Batterien innerhalb der USA keine staatliche Überprüfung vorgeschrieben. Um diesem Konflikt entgegenzuwirken, werden die ECE-Regelungen an die „Global Technical Regulation“ angelehnt und durch die Vertragsparteien im Konsens festgelegt. Die GTR enthält global harmonisierte Leistungsanforderungen sowie Testverfahren und betrifft in erster Linie die Genehmigung von Sicherheits- und Umweltaspekten von Fahrzeugen. Aktuell gibt es insgesamt 21 Regularien sowie 34 Vertragsparteien – inklusive China, Südkorea und den USA. Durch die Erstellung der Regularien gibt es inzwischen zwar einheitliche Vorschriften, jedoch bleibt das Problem zwischen Typgenehmigung und Selbstzertifizierung auch in der GTR bestehen. Eine mögliche Lösung stellt die „Transatlantic Trade and Investment Partnership“ (TTIP) dar. Bei dem Abkommen handelt es sich um ein Vertragswerk zwischen der EU und den USA. Die Verhandlungen hatten bereits im Juni 2013 begonnen, eine Einigung wurde jedoch noch nicht erzielt. Ziel des TTIP-Abkommens ist unter anderem eine gegenseitige Anerkennung von technischen Vorschriften und Zertifizierungen auch und insbesondere im Bereich der Fahrzeugsicherheit.¹³⁶

Im Gegensatz zu den bisher genannten Zulassungsverfahren beruht der Homologationsprozess in China auf verschiedenen Ansätzen. Dabei existieren mehrere Zertifizierungsverfahren und es wird zwischen Selbstzertifizierung und beaufsichtigter Zertifizierung sowie zwischen freiwilligen und verpflichtenden Standards unterschieden. Für die Zulassung einer Batterie, welche die chinesischen Sicherheitsstandards erfüllen soll, wird eine Zertifizierung gemäß den Kriterien des „China Quality Certification Center“ (CQC) vorgenommen. Die Guobiao (GB)-Standards stellen hierfür die nationalen Standards dar. Die CQC-Zertifizierung erfolgt freiwillig bei Bestandteilen, die nicht in der Liste der verpflichtenden „China Compulsory Certification“ (CCC) auftauchen. Bei der CQC-Zertifizierung wird – wie auch bei der CCC – nach einer erfolgreichen Bewerbung ein Testobjekt angefragt und in zugelassenen chinesischen Testlaboren gemäß GB-Standard geprüft.¹³⁷

Mit den stetig wachsenden Anwendungsbereichen von Batterien mit Lithium-Anteilen und der daraus resultierenden höheren Nachfrage wurde 2003 erstmalig eine Transportvorschrift seitens der EU veröffentlicht. Ähnlich wie bei der Zulassung von Elektrofahrzeugen für den Straßenverkehr durch die ECE-R100, müssen Lithium-Ionen-Batterien bereits vor dem ersten Transport von einem akkreditierten Labor auf Sicherheit überprüft werden. Die dafür vorgesehene Vorschrift ist die UN T 38.3 (siehe Tab. 21.9). Die darin enthaltenen Versuche stellen sicher, dass Lithium-Batterien und -Zellen gefahrlos versendet werden können. Die vorgenommenen Versuche sind möglichst realitätsnah, um die Einflüsse abzuprüfen, die auf eine Lithium-Batterie während eines Transports wirken. Die Vorschrift gilt für jegliche Transportmöglichkeiten über die Verkehrsträger Straße, Schienen, See und Luft.

Lithium-Ionen-Batterien sind ab 100 Wh als Gefahrgutklasse 9A einzustufen und können ein Sicherheitsrisiko darstellen, wenn sie nicht den Transportvorschriften entsprechend geprüft und verpackt werden. Die Transportnorm ist verpflichtend für einen spezifischen Zelltyp beziehungsweise Zellverbund.

Seit dem 1. Januar 2020 müssen die Informationen über den erfolgreich bestandenen UN T 38.3-Test wesentlich detaillierter dokumentiert und den Nutzern zur Verfügung gestellt werden. Diese Informationen müssen entlang der gesamten Lieferkette für jede Person verfügbar sein. Außerdem war bereits ein Jahr zuvor eine Kennzeichnung mit einer UN-Nummer für Lithium-Ionen-Batterien verpflichtend geworden. Im Bereich von Lithium-Ionen-Batterien sind folgende UN-Nummern relevant.¹³⁸Damit die Lithium-Ionen-Batterien als transportsicher gelten, müssen sie vorher acht unterschiedliche Prüfungen aus der UN T 38.3-Vorschrift bestehen. Um das zufällige Bestehen einer Prüfung auszuschließen, müssen die Tests stets mehrmals vorgenommen werden. Wie viele Prüflinge am Ende getestet werden müssen, ist sowohl von der Art der Batterie als auch von deren Gewicht abhängig. Für eine Batterie mit einem Gewicht von weniger als 12 kg sind beispielsweise die Tests T1 bis T5 und T7 mit jeweils 8 Batterien zu absolvieren. Wichtig ist zudem, dass es sich bei den ersten fünf Prüfungen (T1 bis T5) um nicht zerstörende Prüfungen handelt. Deswegen sind die Prüfungen in dieser Reihenfolge mit den identischen Batterien durchzuführen. Bei Batterien von mehr als 12 kg reduziert sich die Prüflingsanzahl um 50 %.

Ohne Bestätigung der UN T 38.3-Prüfung dürfen Lithium-Ionen-Zellen und Lithium-Ionen-Batterien nur nach strengeren Auflagen als sogenannte Prototypen transportiert werden. Je nach Transportweg sind wegen anderer Gefahrgutvorschriften unterschiedliche zusätzliche Richtlinien einzuhalten. Für den Transport von Lithium-Ionen-Batterien im Flugverkehr gelten verschärfte Sicherheitsregelungen, deren Relevanz sich in der Praxis gezeigt hat.

Anfang 2013 kam es in einem Passagierflugzeug zu einem gefährlichen Zwischenfall im Zusammenhang mit einer verbauten Lithium-Ionen-Batterie. Aufgrund von äußeren Einflüssen hatte die Batterie Feuer gefangen, und es kam zu einem Brand an Bord des Flugzeugs. Im Nachhinein wurde festgestellt, dass die eingebaute Brandschutzanlage die durch Lithium-Ionen-Batterien ausgelösten Brände nicht löschen kann.¹³⁹

Um dieser Gefahr entgegenzuwirken, wurde im April 2016 von der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) ein Verbot zum Transport von Lithium-Ionen-Batterien im Laderaum von Passagierflugzeugen erlassen. Diese Regelung gilt indes nicht für Unterhaltungselektronik – also Smartphones, Tablets, Laptops oder Powerbanks bis zu 100 Wh –, in denen die Batterien bereits eingebaut sind. Kleine Fahrzeuge hingegen – etwa Hoverboards oder Gepäck-Scooter – dürfen in der Regel weder im Handgepäck noch als Check-in-Gepäck mitgenommen werden. Sie müssen für den privaten Transport über die Luft als Frachtgut aufgegeben werden. Dieser Beschluss der ICAO ist nicht rechtsbindend, jedoch haben die meisten UN-Mitglieder und Fluggesellschaften den Beschluss in ihre Richtlinien aufgenommen.¹⁴⁰

Trotz der strengen Vorschriften kommt es dennoch immer wieder zu Zwischenfällen beim Transport von Lithium-Ionen-Batterien. Ende des Jahres 2020 hatte eine Sendung mit Lithium-Ionen-Batterien in einer Ladeeinheit eines Logistikunternehmens angefangen zu brennen. Dies hatte zur Folge, dass eine komplette Luftfrachtsortieranlage geräumt werden musste, um weitere Schäden zu vermeiden oder in Grenzen zu halten.¹⁴¹