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ENGINEERING HO CH VOLTKOMP ONENTEN
KOMPLEXE VERNETZUNG VON
HOCHVOLTKOMPONENTEN
In der mobilen Gegenwart erhöht der Trend zum elektrifizierten Antriebsstrang die Komplexität der Produkte.
Um effiziente Hybridlösungen und elektrische Antriebsstränge abzusichern, hat Bertrandt ein Batterietestzentrum
eröffnet. Hier werden auf einem Verbundprüfplatz Gesamt- oder Teilsysteme unter verschiedenen Einflüssen
geprüft, um die Reaktionen von Einzelkomponenten im Verbund zu erfassen und zukünftige Mobilität zu
ermöglichen.
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AUTOREN
MORITZ KNEBEL
ist Lead Engineer im Bereich
E-Mobility bei der Bertrandt
Technikum GmbH in Ehningen.
JÖRG FEHRENBACHER
ist Versuchsingenieur in der Abteilung
E-Mobility bei der Bertrandt
Technikum GmbH in Ehningen.
SYSTEMINTEGRATION
Die Integration von Hochvoltkomponenten in Hybrid- und Elektrofahrzeuge stellt nicht nur die Industrie vor große Herausforderungen. Der Einzug der Hochvolttechnologie in die automobile Welt stellt auch Werkstätten, Rettungskräfte und schlussendlich die Verbraucher vor neue Aufgaben und konfrontiert sie
mit möglichen Gefahren. Beispielsweise erhält der Sicherheitsaspekt eine neue Bedeutung, da aufgrund neuer Antriebsstränge
bei einem Unfall elektrische Spannung freigesetzt werden kann.
Die wichtigsten Punkte für den Verbraucher sind Kosten,
Reichweite, Sicherheit und Funktionalität. Die Industrie muss
zusätzlich sowohl die einzelnen Komponenten als auch die
komplette Fahrzeugumgebung betrachten und anpassen. Zur
optimalen Entwicklung und Markteinführung werden mehrere Antriebsmöglichkeiten miteinander kombiniert. Nachfolgend wird auf zwei Praxisbeispiele näher eingegangen:
: die Integration des Elektroantriebs als Hybridbauweise sowie
: den vollelektrischen Antriebsstrang, ❶.
Im Zuge der Hybridisierung werden Komponenten aktuell in
bestehende Fahrzeuge implementiert. Dies wird sich mit den
nächsten Fahrzeuggenerationen ändern. Mehrere Punkte, wie
beispielsweise Sicherheit und Funktionalität, spielen dabei
eine große Rolle. Es reicht heutzutage nicht mehr aus, die einzelnen Hochvoltkomponenten getrennt voneinander zu testen,
da eine Aussage über die komplette Funktionalität mit realen
Bauteilen fehlt. Sicherlich prüfen die Hersteller den gesamten
Teil ihres Pflichtenhefts, aber Versuche mit allen realen Hochvoltbauteilen aus dem Fahrzeug sind ein wichtiger Bestandteil
der Systemintegration. Die Komplexität wird nicht zuletzt von
der Anzahl der einzelnen Steuergeräte bestimmt, denn ein
wesentliches Element ist die Kommunikation der Kontroller
untereinander.
Diese Flut an Informationen muss zum Teil simuliert, aber
auch durch das Einbinden realer Signale im Gesamtsystem
❶ E-Maschine, Leistungselektronik sowie Energiespeicher mit On-Board-Charger
Mai 2013
Automotive Engineering Partners
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❷ Batterietester, Batterieemulator (links) und Batterieprüfplatz (rechts)
abgebildet werden. Dabei werden diejenigen Signale nachgestellt, deren Steuergerät nicht im Prüfstand integriert ist.
Im Gesamt- oder auch Teilsystem werden
diverse Betriebsarten und Fehlerfälle
simuliert, um auf diese Weise die Reaktion der einzelnen Komponenten innerhalb des Systems zu erfassen. Jegliche
Art von Soft- und Hardwareänderung
macht solche Tests notwendig, um die
Funktion und die daraus resultierenden
Reaktionen auf bestimmte Ereignisse
erneut zu überprüfen und einen Soll/IstAbgleich zu ermöglichen.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die
Thermodynamik. Sie ist wesentlicher
Bestandteil der Tests. Die zu prüfenden
Bauteile werden vor den elektrischen
beziehungsweise funktionalen Tests in
den Klimakammern einer bestimmten
Temperatur und Luftfeuchte ausgesetzt.
Durch die Überlagerung von elektrischen und klimatischen Umweltsimulationstests werden Grenzwerte der Komponenten angefahren, um deren Reaktion
bei extremen Bedingungen zu prüfen.
Als Basis werden Hochtemperatur- und
Tieftemperaturtests durchgeführt, damit
Schwachstellen im Thermo- oder im
Energiemanagement aufgedeckt werden
können. Das Ziel ist die Validierung des
funktionalen und thermischen Verhaltens der Prüflinge, ❷.
Lage, Komponenten sowohl einzeln als
auch im Verbund zu prüfen. Dabei wird
vor oder während der Prüfung der jeweilige Betriebszustand, also Energie- und
Kommunikationszweige, ein- beziehungsweise umgestellt.
Bei der Einzelprüfung sind jeweils eine
Hauptkomponente (Netzemulation, Batterietester oder Bremsmaschine) des
Prüfstands sowie ein Prüfling (On-BoardCharger, Leistungselektronik, Hochvoltenergiespeicher oder Antriebsmaschine)
in Betrieb. Das bedeutet, Energiezweig
und Kommunikation sind von den anderen Zweigen abgekoppelt, ❸.
Bei der Auslegung des Verbundprüfstands wurde darauf geachtet, dass die
Kabel- und Leitungswege möglichst kurz
beziehungsweise fahrzeugnah sind, um
Verfälschungen bei Messwerten und die
FUNKTION DES
VERBUNDPRÜFPLATZES
Die Hauptkomponenten Netzemulation,
Batterietester und Bremsmaschine des
Verbundprüfplatzes sind energietreibend
und -aufnehmend. Sie versorgen die zu
prüfende Komponente zum jeweiligen
Zeitpunkt mit der angeforderten Energie,
die mechanischer oder elektrischer
Natur sein kann. Der Prüfstand ist in der
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❸ Prüfung des Hochvoltenergiespeichers dieser wird über den
Batterietester geladen
oder entladen
Einstreuung von Störgrößen möglichst
gering zu halten oder ganz auszuschließen. Die Prüflinge werden mit dem
Kabelsatz aus dem Fahrzeug verbunden.
Als Adaption in das Testsystem wird dieser fahrzeugspezifische Leitungssatz an
eine Übergabebox angeschlossen, um die
Verbindung zum Prüfstand herzustellen.
Bei Teilverbund- oder Verbundprüfungen werden die verschiedenen Betriebsarten aus dem Fahrzeug nachgestellt. Die
Varianz bei den verschiedenen Betriebsarten ist dabei sehr komplex und stellt
die Entwickler bei der Umsetzung der
Funktionalität des Prüfstands vor große
Herausforderungen. Der Prüfstand ist so
aufgebaut, dass sogar „Parallelbetriebsfälle“ mit mindestens zwei Prüflingen
gleichzeitig möglich sind. Bei zwei parallelen Betriebsfällen, ❹ (links), erfolgen
die Versorgung des On-Board-Chargers
(OBC) über Netzemulation und Laden
über den Batterietester (als Senke) und
der Betrieb des Hochvolt(HV)-Energiespeichers über Leistungselektronik und
E-Maschine. Die Bremsmaschine stellt
das Bremsmoment als Gegenmoment
dar.
Bei einem sequenziellen Verbundbetriebsfall, ④ (rechts), erfolgt zuerst die
Stromversorgung des OBC über die Netzemulation und direktes Laden des Energiespeichers (Laden während des Parkens). Im Anschluss erfolgt der Betrieb
der Antriebsmaschine über die Leis-
❹ Einzeltest von OBC, Batterietester, Hochvoltbatterie, Leistungselektronik und E-Maschine (links); Verbundtest von OBC, Batterie, Leistungselektronik und
E-Maschine (rechts)
tungselektronik und den HV-Energiespeicher (elektrischer Fahrbetrieb).
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK
Die Automatisierungssoftware ist im Allgemeinen das Bindeglied zwischen Prüfstandskomponenten (Batterietester, Netzemulation und Bremsmaschine) und
Prüflingen (On-Board-Charger, Hochvoltenergiespeicher, Leistungselektronik und
E-Maschine). Sie steuert und überwacht
alle Komponenten sowohl prüfstandsseitig (Klimakammern, Batterietester etc.)
als auch die Prüflinge (Hochvoltenergiespeicher, Leistungselektronik etc.) nach
Vorgabe der Prüfabläufe. Diese werden
im Vorfeld definiert und als Ablaufsteuerung in der Software abgebildet. Aufgrund der komplexen Eingabemöglichkeiten werden innerhalb des Testablaufs
die Prüflinge, aber auch der Teststand
über „harte“ (globale) und „weiche“
(Komponenten) Grenzwerte abgesichert.
Auf diese Weise sind die einzelnen
Komponenten zu jedem Zeitpunkt während des Tests innerhalb dieser Sicherheitsgrenzen abgesichert und die „weichen“ Grenzwerte können noch innerhalb des Testgeschehens variabel
eingestellt werden. Es ist sogar möglich,
die variablen Grenzwerte der einzelnen
Komponenten in den Testverlauf einzubinden. Somit ist der Testablauf auf das
reale Grenzwertverhalten einzelner
Mai 2013
Komponenten adaptiv und verändert sich
mit den Anforderungen und den Randbedingungen, die von den Komponenten
vorgegeben werden.
MESSTECHNIK
Ein wesentlicher Bestandteil des Verbundprüfplatzes ist die Messtechnik,
denn damit sind alle prüfstandsseitigen
Komponenten ausgerüstet. Die Messwerte der Prüflinge werden in Messracks
erfasst, die in direkter Nähe zu ihnen
stehen. Diese Messracks erfassen Niedervoltspannungen, Hochvoltspannungen,
Ströme und Temperaturen der Prüflinge.
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Alle Werte werden in der Automatisierungssoftware festgehalten, bearbeitet
und überwacht. Gleichzeitig werden
diese Messdaten zeitsynchron respektive
mit einem Zeitstempel auf einem Server
abgelegt, um sie später auszuwerten.
Dadurch werden bei der Auswertung die
Signale beziehungsweise Messwerte auf
einer Zeitschiene visualisiert, um Reaktionen, Abläufe oder Abschaltungen besser auszuwerten.
NETZEMULATION
Die Netzemulation, ❺, stellt alle weltweiten Versorgungsnetzformen bereit.
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TECHNISCHE DATEN NETZEMULATION
TECHNISCHE DATEN BATTERIETESTER
Ausgangsspannung
0 bis 300 V AC
Maximalstrom einphasig
240 A (Peak 960 A)
Maximalstrom dreiphasig
80 A (Peak 320 A)
DC-Ausgang einphasig
DC-Ausgang dreiphasig
Spannungsbereich
+/- 600 A
Leistung
160 kW
<3 ms typisch (U a: 10 % bis + 90 %)
Leistung:
15 kW
Stromanstiegszeit
Spannung:
212 V
Messgenauigkeit Spannung
0,5 % fs ± 1 Digit/10 Bit
Strom:
120 A
Messgenauigkeit Strom
0,5 % fs ± 1 Digit/10 Bit
Leistung:
5 kW
Spannung:
212 V
Strom:
40 A
Einphasige, zweiphasige und dreiphasige Wechselspannungen sowie Gleichspannungen können stufenlos eingestellt werden und versorgen den OBC
mit elektrischer Energie. Zur Überprüfung der Fehlertoleranz des Prüfl ings
werden die Wechselspannungen mit
Oberwellen beaufschlagt, um reale, „verunreinigte“ Versorgungsnetze darzustellen. Zwischen Netzemulation und
OBC befindet sich ein Phasenabschaltschrank, um Phasen- und Netzausfälle
zu simulieren.
BATTERIETESTER
Der Batterietester, ⑤ (rechts), ist ein bidirektionales System, das als Energiequelle oder als Energiesenke dient. Die
Hauptfunktion im Verbundsystem ist das
Laden und Entladen des Hochvoltenergiespeichers (Zweiquadrantenbetrieb). Zu
❺ Technische Daten Netzemulation (links); technische Daten Batterietester
(rechts)
Beginn des Tests wird der Energiespeicher
auf einen bestimmten Spannungswert,
das heißt eine definierte elektrische Kapazität, geladen. Dies ist die Basis für die
Reproduzierbarkeit und somit die Vergleichbarkeit einzelner Tests. Eine weitere
Funktion des Batterietesters ist die Emulatorfunktion, wobei ein Energiespeicher
simuliert wird. Der Tester stellt entsprechend dem Batteriemodell oder statischen
Werten folgend die Ströme und Spannungen ein. Diese Funktion wird benötigt,
wenn die Leistungselektronik (Inverter)
mit elektrischer Energie versorgt werden
muss und der Energiespeicher dabei nicht
belastet werden soll oder keine Hochvoltbatterie im Verbund implementiert ist.
auf einem Maschinenbett montiert ist.
Sie verfügt über folgende Leistungsdaten:
: Nominal-Drehmoment: 500 Nm
: Nominal-Leistung: 200 kW
: maximale Drehzahl: 15.000/min.
Hier erfolgt gleichzeitig auch die Aufnahme der zu prüfenden E-Maschine, die
über eine Drehmomentwelle mit der prüfstandsseitigen Bremsmaschine verbunden
wird. Die Bremsmaschine (Prüfstand)
erzeugt bei unterschiedlichen Drehzahlen
ein Gegenmoment zur mechanisch gekoppelten Antriebsmaschine (Prüfling). Durch
die Messung der mechanischen Größen
Moment und Drehzahl sowie Strom und
Spannung an der Bremsmaschine kann
der Wirkungsgrad ermittelt werden, ❻.
BREMSMASCHINE
AUSBLICK
Die Bremsmaschine besteht aus einer
asynchronen Drehstrommaschine, die
Aktuell wird in Elektro- und Hybridfahrzeugen nicht nur ein Hauptmotor als elektrischer Antrieb verbaut. Es sind auch
Kombinationen von Elektroantrieben vertreten, in denen beispielsweise vier dezentrale radnahe Elektromotoren das Fahrzeug
im Allradbetrieb antreiben. Auch Nabenmotoren für Kleinfahrzeuge sind in der
Diskussion. Hierbei werden mindestens
zwei elektrische Antriebsmotoren an einer
Achse verbaut. Selbst solche Kombinationen sind durch die flexible und modulare
Bauweise des Prüfstands zu realisieren, da
dieser sich jederzeit anpassen oder erweitern lässt. Er ist somit auch in Zukunft für
steigende Anforderungen und Entwicklungen von neuen Fahrzeuggenerationen
immer auf dem neuesten Stand.
❻ Ermittlung des Wirkungsgrads durch die Messung von Moment und Drehzahl sowie Strom und Spannung
an der Bremsmaschine
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0 bis 800 V DC
Strombereich