Steuerung und Kalibrierung des elektrischen Antriebsstrangs für Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer

Mit der Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge liefert HBK Automobilherstellern und Tier-1-Zulieferern eine zuverlässige Suite von hochentwickelten Tools für Echtzeit-Tests und Messungen zur Verschlankung von Prozessen zur Konstruktionsbewertung und für eine schnelle und effektive Bereitstellung umsetzbarer Erkenntnisse. Unsere klassenbesten Anlagen für Versuche am elektrischen Antriebsstrang zeichnen sich durch minimale Messunsicherheit und zuverlässige Ergebnisse aus, mit denen sich der Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des Antriebsstrangs für noch besseres Fahrverhalten optimieren lassen.

Überblick

Um das Verhalten eines vollständigen Antriebsstrangs zu verstehen und zu optimieren – typischerweise von der Energiequelle (oder einem Emulator) bis zu den Radflanschen – müssen die Ingenieure über die HiL-Simulation hinausgehen und die einzelnen Bauteile, so, wie sie aus der Fertigung kommen, physisch untersuchen. Auf dem Prüfstand lassen sich die in der virtuellen Simulation ermittelten Entwurfsparameter verifizieren. Das Zusammenspiel der einzelnen Teilsysteme kann validiert und das System einschließlich seiner Regelungen kann kalibriert werden. Mit den hier gewonnenen Erkenntnissen können die Ingenieure den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des Antriebsstrangs vor dem Anlaufen der Serienproduktion weiter optimieren.

Die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK besteht aus Messaufnehmern, Messinstrumenten und Softwareelementen, mit denen sich die Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen (EV) als integrierte Systeme analysieren lassen. Die Ingenieure können mit dieser Lösung der Komplexität hybrider und vollelektrischer Antriebsstränge und den mit ihrer Validierung verbundenen neuen Herausforderungen gerecht werden. Die Lösung bietet alle Versuchs- und Analysemöglichkeiten, die für Evaluierung und Optimierung erforderlich sind.

Ein weiterer Vorteil der Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK betrifft die ökonomischen Rahmenbedingungen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen. Die Antriebsstrang-Versuchsumgebung von HBK lässt sich schnell durch den Automobilbau-Versuchsingenieur einrichten, liefert zutreffende und präzise Daten für verlässliche Analysen, gestattet die Umsetzung wirksamer Strategien für die Datenerfassung, -speicherung und -übermittlung, stellt umsetzbare Analyseergebnisse bereit und lässt sich kostengünstig sowohl in bestehende IT-Systeme als auch in den Produktentwicklungsprozess im Unternehmen integrieren.

Antriebsstrang-Analyse

Lösungen für die Analyse komplexer Antriebsstränge von Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen

Elektrische Antriebsstränge kommen in Fahrzeugen jeder Größe zum Einsatz: von kleinsten Kompaktfahrzeugen bis hin zur leistungsfähigen Oberklasse; von leichten Transportern bis hin zu 40-Tonnern mit Sattelauflieger; vom Gabelstapler bis hin zum Bagger für den Geländeeinsatz und anderen Baufahrzeugen.

Selbst in gleichartigen Fahrzeugen folgt die Umsetzung des elektrischen Antriebsstrangs oft unterschiedlichen Konzepten. In Personenfahrzeugen können die zu untersuchenden Antriebsstränge beispielsweise von einfachen Elektroachsen mit zwei Antriebsrädern über doppelte E-Achsen mit vier Antriebsrädern bis hin zu zwei (oder mehr) individuellen Radnabenmotoren reichen. Antriebsstrang-Analysen auf einem statischen Prüfstand können sich somit auf einen Motor und Wechselrichter oder auf bis zu vier Motoren und Wechselrichter sowie auf zwischen zwei und vier Dynamometer beziehen. Die reine Vielfalt moderner Antriebsstrang-Designs erfordert eine sowohl flexible als auch erweiterbare Versuchs- und Messlösung für den Antriebsstrang.

Die neuen Herausforderungen bei der Validierung elektrischer Antriebsstränge

Bei Versuchen am elektrischen Antriebsstrang sind die verschiedensten Aspekte zu beachten, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung der Leistungsfähigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Leistungsaufnahme:

  • Besitzt der Antriebsstrang die für das betreffende Fahrzeug geplanten und erforderlichen Eigenschaften?
  • Entspricht das tatsächliche Verhalten des Antriebsstrangs den sich aus den Simulationen ergebenden Vorhersagen?
  • Arbeiten die Teilsysteme der verschiedenen Zulieferer so wirkungsvoll zusammen wie geplant?
  • Arbeiten die Hochspannungs-Teilsysteme des Antriebsstrangs wie erwartet mit der Niederspannungs-Regelelektronik zusammen?
  • Wie müssen die einzelnen Teilsysteme kalibriert werden, um bei Einhaltung der angestrebten Wirkungsgrad-Parameter die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erreichen?
  • Gestatten die Regelungssysteme ausreichend Fahrspaß, um potenzielle Fahrzeugkäufer zu überzeugen?

Die präzise Messung der dynamischen Leistung während Lastwechselvorgängen ist ein Alleinstellungsmerkmal der HBK-Lösung. Die Lastschritte, Beschleunigungen und Verzögerungen des genormten Fahrzyklus der US-Umweltschutzbehörde EPA sowie des europäischen Testverfahrens WLTP („Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure“, weltweit einheitliches Leichtfahrzeuge-Testverfahren) erzwingen den Einsatz Wechselrichter-gesteuerter Elektromotoren in den Antriebssträngen vollelektrischer Fahrzeuge.

Die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK misst und erfasst gleichzeitig sowohl elektrische als auch mechanische Messgrößen sowie Signale des Steuergeräts und des CAN-Bus und ordnet diese einem einzigen Zeitablauf zu. Die Eingangsgrößen können zur Berechnung des Wirkungsgrads den Ausgangsgrößen gegenübergestellt werden. Neben einer eindeutigen Zuordnung der Ursachen von Verlusten lassen sich auch Folgeeffekte von Aspekten wie Temperatur oder Schwingungs- und Geräuschverhalten (NVH) auf andere Teilsysteme untersuchen.

Die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK ist mehr als eine Kombination von Messaufnehmern, Messinstrumenten und Softwareelementen, die nachweislich erfolgreich zusammenarbeiten. Sie vereinfacht das Verstehen von Zusammenhängen und ermöglicht den Ingenieuren erkenntnisbasierte Maßnahmen im Interesse einer schnelleren Marktreife der Fahrzeuge.

Die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK

Zentrales Element der Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK sind die GENESIS HighSpeed-Grundgeräte. Diese modulare Plattform misst sowohl mechanische als auch elektrische Messgrößen und funktioniert als Power Analyzer, Transientenrekorder, Oszilloskop und Datenerfassungssystem – alles in einem Gerät.

Die Baureihe besteht aus fünf Modellen. Die beiden tragbaren Geräte mit hochauflösenden Touchscreens eignen sich für den Einsatz auf der Werkbank. Die drei Geräte mit Tethering sind für Rackmontage vorgesehen und können mit oder ohne PC eingesetzt werden. Die Grundgeräte können eigenständig, als einzelnes Grundgerät oder über Ethernet verbunden in Kombination mit anderen Grundgeräten betrieben werden. Das System ist somit unbegrenzt skalierbar. Jedes Gerät besitzt zwischen 2 und 17 Steckplätze für Eingangskarten mit flexibler „Plug-and-Play“-Funktion.

 


In der Grundkonfiguration für die Analyse elektrischer Antriebsstränge kommt mindestens eine ‘Leistungsanalysator’-Kartedes Typs GN310B zum Einsatz. Jede GN310B besitzt drei Leistungskanäle (5 Spannungsbereiche bis ±1500 VDC und 7 Strombereiche zwischen ±75 mA und ±2 A) sowie zwei digitale Kanäle für Drehmoment und Drehzahl. Dargestellt werden Effektivwert, P, S, Q, λ, η, cosϕ, Gesamt-Oberschwingungsverhältnis, i_alpha, i_beta (und weitere Werte) plus Berechnung der Leistung über die volle Bandbreite und der Grundschwingungsleistung.

Die Drehmomente werden mit Drehmomentmessflanschen von HBK erfasst. Ein Beispiel ist der T40B, ein universaler eigenständiger Drehmomentaufnehmer, der das Messsignal digital überträgt und für verschiedene Nenndrehmomente eingesetzt werden kann: 100 Nm, 200 Nm, 500 Nm, 1 kNm, 2 kNm, 3 kNm, 5 kNm und 10 kNm. Der T40B ist optional mit Zeitsignal (Drehzahl) für die dq0-Transformation erhältlich. Darüber hinaus kann das Pendeldrehmoment analysiert werden.

 

Der Drehmomentaufnehmer T12HP ermöglicht bei hohen Drehzahlen bis 22.000 min-1 hochgenaue Messungen über den gesamten Messbereich von 100 Nm bis zu 10.000 Nm hinweg, ohne dass der Messbereich umgeschaltet werden muss (wie sogenannte Zweibereichs-Drehmomentaufnehmer).

Für weitergehende Analysen, beispielsweise unter Einbeziehung von Temperatur oder NVH, können die freien Steckplätze des Grundgeräts mit weiteren Karten ausgestattet werden. Dies können beispielsweise Universal-Datenerfassungskarten für 8 oder 16 Kanäle sein. Die einzelnen Eingänge unterstützen 9 verschiedene Arten von Messaufnehmern und eignen sich perfekt für dynamische mechanische Prüfungen. Ihre hohe Abtastrate von 500 kS/s pro Kanal und die Auflösung von 24 Bit machen die Karten zur perfekten Lösung für Signalaufzeichnungen bei mechanischen Versuchen, beispielsweise durch Mikrofone, Beschleunigungsaufnehmer oder Thermoelemente.

Expertenschnittstelle für optimale Performance-Analysen in Antriebssträngen

Mit der Software „Perception“ von HBK ist die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge benutzerspezifisch steuerbar. Die ausgefeilte Software-Umgebung deckt den gesamten Versuchsprozess am Antriebsstrang von der Einrichtung des Prüfstands bis hin zur Erstellung benutzerspezifischer Berichte ab. Sie erfasst alle Aspekte des Versuchs-Antriebsstrangs, von der Batterie (oder dem Emulator) über Wechselrichter, Motor und Antriebswelle bis hin zum Radflansch.

Die Schnittstelle wurde von UI-Experten entworfen. Die Ingenieure können über sie ganz einfach auf sämtliche Funktionen des Power Analyzers zugreifen. Per Mausklick kann zwischen den Funktionen als DAQ für die Rohdatenerfassung, Oszilloskop oder FFT-Analysator umgeschaltet werden. Dank der schnellen Visualisierung (bis zu 10 GB in 10 Sekunden) und Multi-Monitor-Fähigkeit lassen sich die betreffenden Informationen auf so vielen Bildschirmen darstellen wie der jeweilige PC unterstützt.

Die Perception-Software ist auf High-Speed-Datenerfassung (400 MB/s) ausgelegt. Darüber hinaus kann sie große Datenmengen schnell und zuverlässig verarbeiten – und erfüllt diese Anforderungen gleichzeitig. Um Versuchsabläufe in Echtzeit zu steuern und zu optimieren, können die Ingenieure auch bei laufenden Messungen am Antriebsstrang auf gespeicherte Daten zugreifen und diese anzeigen.

Dank der Kombination aus Rohdatenerfassung und Echtzeit-Leistungsberechnung können sich die Ingenieure mit Perception – live und direkt am Bildschirm – vergewissern, dass der Entwurf und die Parameter des jeweiligen Antriebsstrangs-Versuchs korrekt definiert sind. Es entsteht eine „intuitive Rückkopplung“, die die Produktivität der Ingenieursarbeit maximiert.

Ein entscheidendes Merkmal von Perception ist die Datenbank mit über 100 vordefinierten Formeln einschließlich fortgeschrittener Analysen wie Raumzeiger- oder dq0-Transformation (alias Park-Transformation). Die Datenbank kann mit benutzerdefinierten Formeln erweitert werden, entweder direkt oder mittels der Kombination von Elementen aus Auswahllisten.

Die mit Perception mögliche Stapelverarbeitung gespeicherter Daten gestattet den Ingenieuren Post-Prozess-Analysen für Verifikation und Zertifizierung. Zeit- und Arbeitsaufwand für wiederholt durchgeführte Prüfabläufe entfallen. Und nicht zuletzt können die betreffenden Daten mit Perception aus sicheren Linux-RAID-Arrays in verbreitete Software-Systeme von Drittanbietern, wie Matlab oder LabVIEW, übertragen werden.

Schnellere Erstellung von Oberflächenkarten zur Optimierung von Antriebssträngen

Wirkungsgradkarten sind eine Standardmethode, um einen Eindruck für die Optimierungsmöglichkeiten eines elektrischen Antriebsstrangs zu gewinnen. Der Vorgang des Beobachtens, Aufzeichnens und Analysierens des Verhaltens des Antriebsstrangs als komplexes System über viele verschiedene Drehzahl- und Lastbedingungen hinweg erfordert zahlreiche iterative Versuchsreihen, die so schnell wie möglich abgearbeitet werden müssen. In der Praxis kommt es entscheidend auf ein automatisiertes Versuchsmanagement an.

Im Rahmen der Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK übernimmt dies die Perception-Software. Der Benutzer legt den Ausgangs- und Zielwert des Arbeitspunktes über Tasteneingaben und Makros fest, ebenso die automatisierten Versuchs- und Analysesequenzen. Trigger lassen sich manuell, per Software oder über TTL-Fernsteuerung kontrollieren. Während der Laufzeit erfasst Perception dann automatisch vollständige Daten von Tausenden von Arbeitspunkten. Dank der Echtzeit-Speicherfähigkeit der Genesis HighSpeed-Grundgeräte und der Möglichkeit, Trigger ohne dazwischen liegende Totzeit aufzuzeichnen, wird der Prozess der Rohdatenerfassung plus der Berechnung und Darstellung der Ergebnisse für eine Motorkarte zu einer Angelegenheit von wenigen Minuten. Dieser Ansatz verringert den Aufwand für die Mitarbeitenden erheblich und die Karten können deutlich schneller erstellt werden.

Schnellere Erstellung von Oberflächenkarten mit erweiterten Möglichkeiten in der neuen Version von Perception.

  • Die zyklusbasierte Aufzeichnung ermöglicht eine selektive Datenerfassung. So können beispielsweise Temperaturdaten kontinuierlich mit niedriger Abtastrate erfasst werden, während hohe Abtastraten für wichtige elektrische Messgrößen nur an jenen Arbeitspunkten eingestellt werden, die für die Oberflächenkarte benötigt werden. Die Daten lassen sich also zielgerichteter erfassen.
  • Die automatische Skalierung (Auto Range) wählt selbsttätig auf Grundlage der durch den Power Analyzer erkannten Signalstärke den jeweils besten Bereich. Beim Erstellen einer Wirkungsgradkarte stellt Auto Range beispielsweise nach jedem Drehmomentschritt automatisch den passenden Bereich ein, um die Messunsicherheit möglichst klein zu halten.

Perception automatisiert aber nicht nur die Messung und Datenerfassung. Die Ingenieure können mit dieser Software auch automatisch Daten exportieren, analysieren und Berichte erstellen.

Korrekte, präzise und zuverlässige Daten

Ein primäres Argument für die Wahl der Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK sind die korrekten, präzisen und hochgranularen Daten, die diese Lösung liefert. Diese Daten sind die Voraussetzung für tiefere Einblicke in die Maschine auf dem Prüfstand.

  • Die Power-Analyzer-Karten GN310B bieten klassenbeste Genauigkeit bei Leistungsmessungen: 0,015% vom Messwert, 0,02% vom Endwert.
  • Auch der Drehmomentmessflansch zeichnet sich durch klassenbeste Genauigkeit aus: Der T40B besitzt die Genauigkeitsklasse 0,05; der T12HP die Genauigkeitsklasse 0,02.

Ein eingehenderes Verständnis der geprüften Maschine bietet wiederum bessere Ansatzmöglichkeiten für die Optimierung der Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen und erschließt bislang unerschlossene Dimensionen der Antriebsstrangregelung.

Die Ökonomie der Fahrzeugentwicklung

Vorziehen des Entwicklungszyklus

Die Ökonomie der Fahrzeugentwicklung ist in ständigem Fluss. Mit der Einführung elektrischer Antriebsstränge fallen einige Aspekte weg (Abgasemissionen, Motorgeräusch), während andere in den Vordergrund treten (Geräuschentwicklung von Wechselrichter und Getriebe). Manche schon immer vorhandenen Aspekte (Inkompatibilitäten zwischen Komponenten oder Teilsystemen, entwurfsbedingte Unvollkommenheiten, Last- oder Temperatureffekte oder herstellungsbedingte Streuungen) machen sich nun auf neue Art bemerkbar.

Automobilhersteller und deren Tier-1-Zulieferer versuchen verstärkt, wirtschaftlich effizienter zu werden und Markteinführungszeiten zu verkürzen, indem sie den Entwicklungszyklus vorziehen. In der Praxis bedeutet das, dass die für die Prüfung des elektrischen Antriebsstrangs zuständigen Abteilungen ihre Abläufe und Prüfmethodiken entsprechend anpassen und mit den neuen Herausforderungen zurecht kommen müssen. Die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK ist an all diese Umbrüche im automotiven Entwicklungsprozess bestens angepasst. Ihre Stärken sind die schnelle Einrichtung, der schnellere Erkenntnisgewinn, die Unterstützung von Datenstrategien, ein verbesserter Produktentwicklungsprozess sowie mehr Sicherheit am Arbeitsplatz.

Schnelle Einrichtung

Ingenieure, Versuche am Antriebsstrang durchführen, müssen am Prüfstand die verschiedensten Tools in den Prozess integrieren: Messaufnehmer für elektrische und mechanische Messgrößen, PCs für die Automatisierung, Power Analyzer, DAQ-Systeme für Messgrößen wie Temperatur oder NVH, Analyse- und Visualisierungssoftware und anderes mehr. Jegliche Inkompatibilität zwischen Messaufnehmern, Messinstrumenten und Software bindet in unnötiger Weise personelle Ressourcen.

Daher werden die Produkte von HBK unter besonderer Berücksichtigung ihrer Interoperabilität entworfen und hergestellt: Messaufnehmer und Messinstrumente sind per Design integriert. Ein „Plug-and-Play“-Ansatz gewährleistet die einfache Integration einzelner Komponenten der Messkette. Im Interesse möglichst guter Signalqualität und vor dem Hintergrund hoher Produktivitätsanforderungen an die Mitarbeitenden empfiehlt es sich, auch kleine, aber nicht unwesentliche Kabel und Verbrauchsmaterialien bei HBK zu beschaffen.

Auch die Software Perception ist auf optimale Produktivität des Ingenieurs während der Einrichtung des Prüfstands ausgelegt:

  • Der Ingenieur kann mit der Prüfstand-Konfigurationsfunktion ganz einfach eine Konfiguration anlegen, indem er die Symbole für Energiequellen, Wechselrichter und Motoren mit der Maus an die richtige Stelle zieht. So lässt sich jeder reale Antriebsstrang in Minuten abbilden.
  • Während des Konfigurationsvorgangs werden automatisch Messgeräte und Anzeigen angelegt. Alle Formeln werden automatisch angewandt. Dies vereinfacht die Einrichtungsphase eines Versuchs. Perception erkennt die einzelnen Geräte beim Anschließen automatisch. Der Vorgang ist intuitiv und zeitsparend.

Die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge besteht von Grund auf aus klassenbesten Produkten, die höchstmögliche Genauigkeit und zuverlässige Ergebnisse gewährleisten. Ihr modularer Aufbau und die sichere Integration der einzelnen Komponenten macht die Installation zu einem Kinderspiel. Die Einrichtungen sind flexibel und lassen sich leicht erweitern, so dass langfristige Investitionssicherheit garantiert ist.

Schnellerer Erkenntnisgewinn

Die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK hilft Ingenieuren, Leistungsfähigkeit, Verluste und Wirkungsgrad elektromechanischer Systeme schneller und präziser zu verstehen als je zuvor.

Die durch HBK eingesetzten Messtechniken sind speziell auf hochwertige Datenerfassung ausgelegt. Ein Beispiel: schnellere Erfassung statischer Arbeitspunkte für die effizientere Erstellung von Motorkarten; Datenerfassung während des halben Zyklus, um dynamisch präzise Daten bei Lastwechseln zu erhalten.

Wirksame Datensynchronisierung und -übertragung

Die gleichzeitige Erfassung elektrischer und mechanischer Messgrößen während der Bewertung der Leistungsfähigkeit eines Antriebsstrangs spart Zeit und Aufwand und verringert die Gefahr unnötiger Fehler aufgrund von Inkompatibilitäten zwischen den einzelnen Komponenten. Außerdem unterstützt die Versuchseinrichtung für elektrische Antriebsstränge von HBK wirksame Datenstrategien wie die Synchronisierung von Messwerten und die Datenübertragung:

  • Die Geräte in der HBK-Messkette arbeiten mit Version 2 des „Precision Time Protocol“ (PTP v2, auch bekannt als IEEE 1588-2008) zur Synchronisierung der Zeitbasen verschiedener über das Ethernet vernetzter Geräte.
  • Die mittels DAQ erfassten Rohdaten, die Messergebnisse, sowie die aus der Analyse des Antriebsstrang-Verhaltens gewonnenen Erkenntnisse können gemäß Industriestandards weitergegeben werden. Plug-and-Play-Datenübertragung über das EtherCAT-Echtzeitprotokoll, CAN-FD-Bus oder Software-API ermöglichen hocheffiziente synchrone Datenraten zu im Netzwerk verteilten Gegenstellen.

Sicherheit am Arbeitsplatz

Die Merkmale von Elektrofahrzeugen entwickeln sich entsprechend den Kundenanforderungen weiter. Zu den erkennbaren Trends zählen auch höhere Spannungen in den elektrischen Antriebssträngen. Das aktuelle Interesse an einem Wechsel von 400 V zu 800 V scheint im Wesentlichen dem Wunsch nach kürzeren Ladezeiten geschuldet zu sein. Für die Produktentwicklung bedeutet dies, dass auch die Einrichtungen an den Prüfständen entsprechende Sicherheitseinstufungen besitzen müssen.

 

In der HBK-Lösung:

  • Die Genesis HighSpeed Power Analyzer entsprechen den höchsten Überspannungskategorien und können problemlos bis zu Spannungen von 1500 V eingesetzt werden.
  • Der Hochspannungsteiler HVD50R für Anwendungen oberhalb von 1000 V entspricht den Sicherheitsstandards gemäß IEC 61010-031:2002.

Dienstleistungen

HBM bietet standardisierten und individuellen Wissenstransfer an. So können Ihre Fachleute schnellstmöglich produktiv arbeiten. Die Schulungssitzungen können online oder als Präsenzsitzungen auf Ihrem Gelände oder in den Schulungsräumen der HBK-Academy abgehalten werden.

Inhaltlich können die Schulungen und Übungen an spezielle Bedürfnisse angepasst werden:

  • Techniken der elektrischen Leistungsmessung
  • Berücksichtigung der Messunsicherheit
  • Umgang mit elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV)
  • Messdatenerfassung – richtige Auswahl der Messparameter
  • Optimierung der Datenerfassung mit „Zykluserkennung“
  • Filter und Abtastraten
  • Kraft und Drehmoment messen
  • Erweiterte und benutzerspezifische Analyse mit der Perception-Software

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