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. 30
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 System integration. 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 Mai 2013 Automotive Engineering Partners ❶ E-Maschine, Leistungselektronik sowie Energiespeicher mit On-Board-Charger 31
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/Ist- Abgleich 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-Board- Charger, 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 Einstreuung von Stör größen 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- 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 32 ❸ Prüfung des Hochvoltenergiespeichers - dieser wird über den Batterietester geladen oder entladen
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 Automotive Engineering Partners 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. 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. 33
TECHNISCHE DATEN NETZEMULATION Ausgangsspannung 0 bis 300 V AC Maximalstrom einphasig 240 A (Peak 960 A) Maximalstrom dreiphasig 80 A (Peak 320 A) DC-Ausgang einphasig Leistung: 15 kw Spannung: 212 V Strom: 120 A DC-Ausgang dreiphasig Leistung: 5 kw Spannung: 212 V Strom: 40 A TECHNISCHE DATEN BATTERIETESTER Spannungsbereich 0 bis 800 V DC Strombereich +/- 600 A Leistung 160 kw Stromanstiegszeit <3 ms typisch (U a : 10 % bis + 90 %) Messgenauigkeit Spannung 0,5 % fs ± 1 Digit/10 Bit Messgenauigkeit Strom 0,5 % fs ± 1 Digit/10 Bit ❺ Technische Daten Netzemulation (links); technische Daten Batterietester (rechts) Einphasige, zweiphasige und dreiphasige Wechselspannungen sowie Gleichspannungen können stufenlos eingestellt werden und versorgen den OBC mit elektrischer Energie. Zur Überprüfung der Fehlertoleranz des Prüflings 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 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. BREMSMASCHINE Die Bremsmaschine besteht aus einer asynchronen Drehstrommaschine, die 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 me chanisch gekoppelten Antriebsmaschine (Prüfling). Durch die Messung der me chanischen Größen Moment und Drehzahl sowie Strom und Spannung an der Bremsmaschine kann der Wirkungsgrad ermittelt werden, ❻. AUSBLICK 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 34