Kõrgepinge isolatsiooni kontrolli ja ohutusringi õppestend

Tallinna Tehnikakõrgkoolis autotehnika erialal on 2024 aasta seisuga elektri- ja hübriidsõidukite õpe piiratud. Võttes arvesse tänapäeval elektriautode arvu eksponentsiaalset kasvu on selle lõputöö eesmärk seda seisukorda parandada. Sihiks oli luua õppeasutusele kaasaegne õppestend, läbi mille tudengid saavad tutvuda BEV, PHEV ja MHEV tüüpi sõidukite ehituse ja tööpõhimõttega. Laboritöö kaudu on õpilastel võimalik ohutus keskkonnas tutvuda kõrgepinge süsteemi lülitusega ning praktiseerida potentsiaali ahela kui ka isolatsiooni takistuse mõõtmiseid. Õppestend annab hea esmase ülevaate kõrgepinge all töötavate sõidukite ohutussüsteemidest kui ka diagnostika teostamisest. Tehnikakõrgkooli poolt oli sätestatud peamiselt 2 tingimust: eelarve ning saadavus. Õppestendi maksimaalset kulu silmas pidades, sai ehitatud stend mis sarnaneks reaalsele sõidukile, kuid oleks taskukohane. Siinkohal ei olnud võimalik rakendada kõiki autotootjate tehaste poolt sätestatud nõudeid, mis on määratud kõrgepinge sõidukitega töötamisel. Suurim erinevus esineb eritööriistade vaatest. Tehase poolt heaks kiidetud mõõteseadmed ja adapterid vajavad töötamiseks lisaks orginaalset diagnostika tarkvara ja riistvara. Sellisel juhul küündib summa mitme tuhande euroni. Nende seadmetega esineb ka teine probleem – saadavus. Paljud tehase tasemel tööriistad ei ole kättesaadavad eraisikule, ainult ametlikule esindusele või koostööpartnerile. Sellised kriteeriumid ei piiranud aga õppestendi koostamist. Järelturu mõõteseadmed, mis on saadaval ka jaekaubanduses, on võimelised teostama samasuguseid mõõtmiseid ning vajalikud seadmed on õppeasutusel juba olemas. Selle tulemusel oli vajalik ehitada ainult stendi osa, mis koosneks reaalsetest kõrgepinge komponentidest ja demonstreeriks kõrgepinge lülitust. Laboritöö koosneb teoreetilisest ja praktilisest osast. Lisaks vastavad tudengid iga etapi lõpus kordamisküsimustele, mis aitab omakorda teadmisi kinnitada. Küsimustega garanteeritakse, et tudengitel on ühine arusaam komponentidest, funktsioonidest, stendi kasutamisest ning ohutusnõuetest. Õpilane peab mõistma, et laboris teostatavad mõõtmised ja katsed sarnanevad päris sõidukile ning seal puudub juba eksimusruum. Kõrgepinge komponendid on ohtlikud, mistõttu ebapädev käitlemine tekitab eluohtlike olukordi. Teoreetilises osas tutvustatakse elektriauto komponente, funktsioone ning ohutusnõudeid. Sellele järgnevad 3 praktilist ülesannet koos eelneva teooriaga: ohutusliin, potentsiaali ahela kontroll ning isolatsiooni takistuse mõõtmine. Ohutusliin on demonstreeritud valgusdioodide ja releemähiste abil. See süsteem on osa kõrgepinge lülitamisest ja esmane ohutuse tagamiseks mõeldud süsteem. Sellele järgneb potentsiaali ahel, mis on passiivse süsteem, mille kaudu kõrgepinge komponentide lühised suunatakse sõiduki keresse, säilitades puutekaitse. Viimaseks etapiks teostab tudeng esmase diagnostika kõrgepinge kaablile läbi isolatsiooni takistuse mõõtmise. Õppestendi ehitus põhines Audi E-tron GT peal asetseva salongisoojendi ümber. Vastavalt sellele sai valitud kõrgepinge kaabel, stendi suurus kui ka väljanägemus. Ülemisel komponendil on eemaldatud pealmine kate, demonstreerimaks sisemist ehitust. Selle kohale on paigaldatud orginaal kaitsmekarp, mille külge kinnitub ka hoolduspistik. Kaitsmekarbi sisse on mahutatud juhtmestik stendi ohutusliini ja kõrgepinge lülitamise demonstreerimiseks. Karbi esiküljel asuvad indikaatorid, mis kuvavad stendi staatust. Kõrval asetsev lüliti võimaldab näilist kõrgepinget lülitada. Stend sai diplomitöö perioodil valmis ehitatud ning töötab, kuid vajab täiendamist enne üle andmist õppeasutusele. Stendile lisandub raam ning mõõtmiste ohutumaks teostamiseks ka vaheadapter.

The goal of this thesis was to create a new and modern training stand to the TTK University of Applied Sciences. This stand will be used by the students of automotive engineering to give an entry level overview to electric or hybrid vehicles. Since the number of BEV, MHEV and PHEV vehicles are growing exponentially, future automotive engineers should be more familiar with high voltage automotive systems. This training module will consist of 2 parts: theory and practical assignments. The theory section will cover the basics of EV-s: components, subsystems, classifications and safety requirements. The practical parts are divided into 3 sections: interlock loop, potential equalisation and isolation checking. The interlock loop or pilot line is a safety measure implemented in EV-s. It´s a system connected to the BCM (Battery Control Module) that monitors connectors and detects if a plug is opened. To ensure the systems safety, high voltage is disabled and cannot be turned back on unless this loop is closed. Interlock is based on a simple bridge connection where the status of the bridge is being monitored. The training stand demonstrates this by displaying two types of LED-s: green and red. The green diode indicates, that the system is closed and can be turned on, while the red is displayed when a fault occurs i.e open circuit. Students can physically operate the status of these LED-s by opening and closing either the high voltage cable or the maintenance plug. There is also a possibility to activate high voltage in the system via switch. This switch will only have an effect when the system is in ready mode (green LED). Second part of the assignment is based upon the potential equalisation. This is a vital part in passive EV safety. This system ensures, that in case of a short, the current will be directed into the chassis of the vehicle. On paper it´s a simple cable connected to the HV component and chassis. Since the potential equalisation line is a passive component, the vehicle has no way of monitoring this connection. Because of that it is necessary to perform a measurement every time a HV component is removed or replaced. It is not possible to accurately measure this resistance with a multimeter. Instead a milliohmmeter is used. This device uses a 4 wire method, also knows as the Kelvin method and offers a higher accuracy. In general the required resistance according to factory standards is ≤ 0.02 Ohms. On the training stand the students will perform two measurements, one with a multimeter and the secord one with the 4 wire method. This ensures, that they understand the principle of the system and the reasoning for the special tool usage. The third and final practical assignment is part of the diagnostic process of a high voltage system. The students will learn about the isolation and will perform required measurements to detect insulation faults in the high voltage system. This measurement is also performed on vehicled equiped with an IMD (Isolation Measurement Device). Isolation is also a vital part of the car and faults related to it can cause the system to malfunction or shut down. This is also the only part of the training where danger is involved. Isolation measurement requires a big amount of voltage. The students will perform these measurements in between 3 measuring points with 500 V. Thus, students will carry out these measurement with PPE (Personal Protection Equipment) and learn about safety measures beforehand. The stand is based upon the high voltage heater Z189, found on the Audi E-tron GT. These units were part of a recall and would otherwise be put into electronic waste management. These components had defective parts that would affect the communication part, so they are safe to use on the stand. The idea was to create a stand with components from actual vehicles, like the HV heater, cable and maintenance connector. This way, students are more likely to learn and understand this training module. The training stand was completed within the making of this thesis, but requires some additions before using it for training. All the tests can be carried out, but to make the stand more comfortable to use a frame will be added. In addition, an extension will be added in order to perform the isolation measurement in a safe and more controlled manner.