Optimierung der Tests für Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen

Im Ausstellungsraum des Autohändlers verrät der Aufkleber auf einem neuen Elektrofahrzeug dem potenziellen Kunden zwei wesentliche Informationen: "Energieverbrauch" (MPGe: E-Äquivalent von Meilen pro Gallone) und "Reichweite" (wie weit kann der Fahrer voraussichtlich fahren, bis die Batterie wieder aufgeladen werden muss). Für den Fahrer bedeutet weniger Verbrauch geringere Kosten sowie eine größere Reichweite und mehr Komfort.

Ingenieure in der Fahrzeug-Entwicklung betrachten die gleichen Informationen aus einem anderen Blickwinkel. Ihr Ziel ist höchste Effizienz durch Minimierung der Energieverluste; für einzelne Komponenten, für Subsysteme und für das Fahrzeug als Ganzes. Für Fahrzeughersteller ist jeder Prozentpunkt an höherer Effizienz bares Geld wert, da somit bei gleichem Gewicht eine höhere Reichweite, oder bei gleicher Reichweite ein leichteres Fahrzeug realisiert werden kann.

Grundlagen von Tests an Elektrofahrzeugantrieben

Wenn Ingenieure den Antriebsstrang testen, betrachten sie mehr als nur den Wirkungsgrad des Motors. Wo genau entstehen die Energieverluste? Während der Einspeisung vom AC-Netz in die Batterie? Bei der Rückwandlung von DC zu AC im Wechselrichter? Oder im Motor direkt, der die elektrische Energie in mechanische Leistung umwandelt? Die Ingenieure versuchen, das Gesamtsystem „Batterie - Wechselrichter – Motor“ zu optimieren. Nicht zuletzt müssen sie prüfen, ob der Motorcontroller, der die Kommunikation zwischen diesen drei Einheiten regelt, korrekt arbeitet.

Die Schwierigkeit, den Wirkungsgrad von Elektromotoren zu berechnen

Die Berechnung des Wirkungsgrades von Elektromotoren als Quotient aus "Input elektrische Leistung" und "Output mechanische Leistung" klingt einfach, ist es aber nicht. Denn in der Praxis sind solche Systeme hochdynamisch. Tatsächlich ist die genaue Messung der Leistung und die Optimierung des Wirkungsgrades von Wechselrichtern und Elektromotoren bei wechselnden Drehzahlen und Drehmomenten eine der anspruchsvollsten Aufgaben bei der Prüfung elektrischer Leistung.

Variablen beim Testen von Motor und Wechselrichter

Die Art und Weise, wie die einzelnen Komponenten zusammenarbeiten, beeinflusst die Effizienz mehr als die reine Leistung. Wie verhalten sich die einzelnen Komponenten genau? Wie verändert sich dieses Verhalten unter verschiedenen Bedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) und in dynamischen Zuständen (unterschiedliche Straßenverhältnisse oder Fahrstile)? Und natürlich gibt es gegensätzliche messtechnische Anforderungen wie große Bandbreiten, große Dynamik und hohe Messgenauigkeiten in einer stark belasteten EMV-Umgebung.

Prüfstand vs. Computersimulation

Computersimulationen bieten einen theoretischen Anhaltspunkt für die Effizienz von Elektromotoren. Diese müssen jedoch durch umfangreiche Tests validiert werden, um sicherzustellen, dass die berechneten Werte mit den auf dem Prüfstand gewonnenen Erkenntnissen übereinstimmen – und dass beide die tatsächlichen Bedingungen in der realen Welt widerspiegeln. Qualitativ hochwertige Messdaten liefern zuverlässige Erkenntnisse, die es den Ingenieuren ermöglichen zu entscheiden, ob Komponenten, Subsysteme oder komplette Fahrzeuge weitere Tests durchlaufen müssen oder ob sie serienreif sind.

Tests an Elektroantrieben werden zunehmend komplex

Hier liegt das Problem: Die Komplexität innerhalb der Komponentenfamilien ist immens. Die Kombination einer leistungsstarken Batterie mit einem effizienten Wechselrichter und einem effizienten Motor garantiert nicht automatisch, dass ein Antriebsstrang so effizient ist, wie er sein könnte. Batterien im Bereich 200–400 Volt sind Standard, inzwischen sind aber auch 800 Volt Batterien in der Serie vorhanden.
Schalter für Wechselrichter, die mit niedrigen Frequenzen arbeiten, reduzieren zwar die Verluste, aber sie können hörbar werden; höhere Frequenzen führen zu höheren Verlusten und sind durch die physikalischen Schaltergrößen begrenzt. Neu entwickelte Hochfrequenzmodelle sind kostenintensiv und noch nicht ausreichend robust.

Motortypen-Vielfalt

Die Vielfalt der Elektromotortypen (Permanentmagnet, Induktion, Reihenschluss oder Reluktanz) multipliziert mit dem Bereich der Motorgrößen bietet grenzenlose Möglichkeiten. Noch mehr Komplexität ist durch den Einsatz von mehreren Wechselrichtern möglich, wodurch Maschinen mit sechs oder mehr Phasen entstehen. Jede Kombination hat ihre eigenen individuellen Vor- und Nachteile. Hinzu kommt die Fahrzeugkonfiguration: Ein Elektrofahrzeug kann zwischen einem und vier Antriebsmotoren haben, plus eine Vielzahl kleinerer Gleichstrommotoren für Hilfssysteme (Fenster, Sitze usw.), die alle Strom aus den Batterien ziehen und die Effizienz des Fahrzeugs beeinflussen.

 

 

Unterschiede zwischen Fahrzeugtypen

Jedes einzelne Fahrzeug ist so ausgelegt, dass es einer Reihe von Kundenerwartungen entspricht. Diese werden zu Beginn der Entwicklung klar definiert. So unterscheiden sich z. B. die Erwartungen eines Sportwagenfahrers hinsichtlich Reichweite, Komfort und Fahrverhalten grundlegend von denen eines Kleinwagenfahrers. Tests müssen klären, ob die tatsächliche Leistung die Erwartungen an Effizienz, Verlust und Verhalten jeweils verfehlt, erfüllt oder übertrifft.

Der Einfluss der Wirtschaftlichkeit

Gleichzeitig versuchen die Motorenhersteller, die Anforderungen an das Design gegen wirtschaftliche Kriterien abzuwägen. Neben der Senkung der Stückkosten für die Produktion versuchen sie auch, den Aufwand für Forschung und Entwicklung durch kürzere Testzyklen und eine schnellere Markteinführung zu reduzieren.

Kundenspezifische Prüfabläufe für den Antriebsstrang

Da es kaum Normen für Tests im Bereich der Elektromobilität gibt, wird jeder Testaufbau an die einzelnen zu testenden Komponenten angepasst. Jedes Fahrzeug muss mit konstanten Geschwindigkeits- und Lastwechseln sowie anderen Bedingungen wie Straßenzustand, Fahrweise, Batteriezustand oder Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Wetter umgehen können. Daher müssen diese Parameter im Testaufbau berücksichtigt werden. Wie wir oben gesehen haben, wird das Szenario noch komplexer für Fahrzeuge, bei denen nicht nur ein Antriebsmotor verwendet wird, sondern mehrere. Durch diese Komplexität vervielfacht sich die Anzahl der Messungen. Das Volumen der zu erfassenden Daten vergrößert sich entsprechend.

Hinzu kommt der komplexe und zeitaufwendige Prüfstands-Auf- und Umbau, der in der Regel sehr kundenspezifisch ist. Eine rechtzeitige Abstimmung und Planung sind daher unabdingbar, damit die Termine für die nachfolgenden Entwicklungsschritte bis hin zur Serienfertigung eingehalten werden können. Dazu müssen alle Teile des Prüfstandes reibungslos ineinandergreifen. Was ist zu tun, um all diese Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen? Die Antwort liegt in der Wahl von Messausrüstung, die sich nahtlos in den Prüfstand einfügt; die nicht nur Genauigkeit garantiert, sondern auch die Produktivität der Ingenieure erhöht und gleichzeitig auditierbare Ergebnisse für die Validierung und Zertifizierung liefert.

Abb.5: Die eDrive-Lösung von HBM deckt die gesamte Messkette ab: hochpräzise Sensoren, leistungsstarke Instrumente und intuitive Software. Mechanische Signale (z.B. Drehmoment) und elektrische Signale (Strom und Spannung) werden gleichzeitig erfasst und helfen den Ingenieuren, den elektrischen Antrieb und seine Verluste schneller und genauer als je zuvor besser zu verstehen.

HBMs eDrive Testing Solution

HBMs eDrive Testing Solution besteht aus langlebiger, zuverlässiger Hardware, fortschrittlicher Software und hochpräzisen Sensoren, die perfekt aufeinander abgestimmt sind. Die Lösung eignet sich perfekt für die Aufgabe, die Effizienz von Elektroantrieben zu testen und ist in der Lage, elektrische, mechanische, Steuerungs- und NVH-Signale gleichermaßen zu verarbeiten.

Der modulare, flexible Aufbau ermöglicht es Ingenieuren, den Prüfstand an wenige oder viele Eingangskanäle anzupassen. Für dynamische Leistungsmessungen können bis zu 51 Eingangskanäle gleichzeitig mit hohen Abtastraten und höchstmöglicher Genauigkeit verarbeitet werden. Die Kanaldichte wird durch Hinzufügen beliebig vieler Eingangskarten zum tragbaren oder kabelgebundenen eDrive Power Analyzer erreicht – oder durch die Kombination mehrerer Power Analyzer. Die drei kanalige Power Analyzer-Eingangskarte GN310B zum Beispiel zeichnet sich durch eine hervorragende Genauigkeit, eine Abtastrate von 2MS/s und optimale Wirkungsgradberechnungen aus. Ihre Spannungseingänge reichen bis zu 1500 V DC und decken damit selbst die anspruchsvollsten Testanwendungen für Elektrofahrzeuge ab. Sie entspricht außerdem der höchsten Sicherheitsklasse 1000 V CAT IV. Temperatur ist einer der kritischen Faktoren für den Wirkungsgrad von Elektromotoren (je kühler der Motor, desto besser der Wirkungsgrad). Ihre Messung erfolgt bei niedrigen Abtastraten mit Universaleingangskarten oder über CAN-Sensoren. Die Kombination unterschiedlicher Kartentypen in einem einzigen Grundgerät ist problemlos möglich. Am wichtigsten ist, dass die gesamte Signalerfassung – elektrisch oder mechanisch - auf einer einzigen Zeitachse synchronisiert wird, die auf dem PTP v2-Standard basiert. Sie müssen sich keine Gedanken über den Zeitstempel Ihrer Messwerte machen.

 

Das System erfasst und speichert die Rohdaten gleichzeitig. Dadurch verkürzt sich Zeitaufwand für die Tests erheblich. Selbst wenn die Ingenieure beschließen, zu einem späteren Zeitpunkt Messungen hinzuzufügen, ist es nicht erforderlich, einen Test neu zu starten. Alle Daten sind verfügbar, um das Problem mathematisch zu lösen.

Dieser zeitsparende Effekt wird durch die Echtzeitberechnung und -visualisierung der Ergebnisse in der Perception-Software noch verstärkt. Dank Live-Oszilloskop-Anzeige und FFT-Spektren lässt sich das Mess-Setup während der Einrichtung prüfen und optimieren, was wiederum eine erhebliche Zeitersparnis mit sich bringt. Perception bietet nicht nur eine komplette Analyse-Toolbox, sondern ermöglicht auch das Hinzufügen von benutzerdefinierten Berechnungen. Dies gibt dem Anwender volle Flexibilität und Datentransparenz. Perception wird auch zur Konfiguration von Triggern für eine Ereignis-basierte Datenaufzeichnung verwendet.

Nicht zuletzt lässt sich die HBM-Lösung für die Prüfung elektrischer Antriebsstränge nahtlos in jeden Prüfstand integrieren und ermöglicht zudem die Fernsteuerung von Tests über Software-Schnittstellen wie API, CAN FD oder EtherCAT. 

Die eDrive Testing Solution von HBM trägt zu einer kürzeren Vorbereitungszeit, schnellerer Testdurchführung, Reduktion von Testzyklen und letztlich zu einer deutlichen Kostenreduzierung bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge bei.

 

Genauigkeit und Geschwindigkeit

Kürzere Entwicklungszyklen aufgrund von Zeit- und Budgetbeschränkungen bedeuten auch, dass die Ingenieure während der Tests möglichst viele Datensignale gleichzeitig erfassen müssen. In den frühen Entwicklungsstadien eines neuen Fahrzeugs kann es u.U. sehr wenige Daten darüber geben, wie interoperabel die Antriebsstrangkomponenten sind – insbesondere was die Kombination Wechselrichter und Motor betrifft. In der Praxis bedeutet dies, möglichst viele Signale zu erfassen und die Daten zu speichern – einfach, um auf Nummer sicher zu gehen. Um die einzelnen Komponenten messtechnisch zu charakterisieren, werden typischerweise folgende Signale erfasst:

  • DC-Strom und die Spannung zwischen Batterie und Wechselrichter
  • 3-Phasen-Wechselstrom und die Spannung zwischen Wechselrichter und Motor
  • Drehmoment und Drehzahl als Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie
  • Temperatur von Batterie, Wechselrichter und Motor
  • CAN-Bus (Motorsteuerung)
  • Umgebungssignale wie Geräusche und Schwingungen (NVH)

um nur die wichtigsten zu nennen. Man kann sich leicht vorstellen, dass die Datenmenge, die durch die Erfassung dieser Signale über einen Testzeitraum von Tagen oder sogar Wochen entsteht, enorm ist.

Anstatt die einzelnen Ergebnisse zu betrachten, werden die Ingenieure Kennfelder verwenden, um die Messwerte zu visualisieren und die Effizienz der einzelnen Komponenten zu bestimmen. Diese Kennfelder helfen ihnen auch bei der Entscheidung, in welchen Bereichen Wechselrichter und Motor die meiste Zeit betrieben werden sollten, um den höchsten Wirkungsgrad und damit die größte Reichweite zu erzielen.
Die Leistung wird auf der Grundlage eines vordefinierten Bereichs von Sollwerten für Drehmoment und Drehzahl gemessen. Die Multiplikation der Messungen dieser Sollwerte mit verschiedenen Getriebezuständen (im Falle eines Hybrids), mit mehreren Temperatur- und/oder Batteriezuständen erzeugt buchstäblich Zehntausende von Messpunkten. Solche Versuchsreihen können Tage oder Wochen in Anspruch nehmen. Die gleichzeitige Erfassung aller relevanten Signale stellt sicher, dass die Messdaten für die Nachbearbeitung und Offline-Analyse zur Verfügung stehen. So lassen sich alle Messungen problemlos nachvollziehen, was sowohl für die interne Dokumentation als auch für die externe Zertifizierung erforderlich ist.

Die End-to-End E-Mobility Solution von HBM

Die Lösung von HBM für das Testen elektrischer Antriebsstränge nutzt die sogenannte "Cycle Detect"-Technologie, um die Kennfelderstellung 10-fach zu beschleunigen. Durch die Beschleunigung der Messzeit für einzelne Sollwerte auf den Bereich von 0,5 bis 1 Sekunde kann die Erstellung von mehrdimensionalen Effizienzkennfeldern von Wochen auf Tage oder sogar Stunden verkürzt werden. Da die Rohdaten jederzeit zur Verfügung stehen, können die Ingenieure auf frühere Tests zurückgreifen, wenn etwas schiefläuft – ohne die Testreihe erneut durchführen zu müssen.

Hier kommt ein weiterer wichtiger Faktor ins Spiel – die Genauigkeit: Um eine angemessene Messunsicherheit für abgeleitete Werte wie Verlustleistung oder Wirkungsgrad zu erreichen, sind der genaueste Leistungsanalysator und die präzisesten Sensoren gerade gut genug. Betrachten wir einen Wechselrichter mit einer Nennleistung von 500 kW Input und 475 kW Output, was einer Verlustleistung von 25 kW entspricht. Wenn der Messkettenfehler 1 % beträgt, sind die gemessenen Werte +/- 5 kW Input, +/-4,75 kW Output, was eine kumulative Messunsicherheit für Energieverluste von +/-9,75 kW ergibt – die kumulative Messunsicherheit von 39 % ist alles andere als zufriedenstellend. Wenn jedoch der Messkettenfehler 0,1 % beträgt, liegt die kumulative Messunsicherheit für die Verlustleistung bei 3,9 %! Es liegt auf der Hand: Je genauer die Messgeräte arbeiten, desto zuverlässiger die Testergebnisse und desto aussagekräftiger die Erkenntnisse zur Motorkalibrierung. Der hochpräzise Power Analyzer von HBM wird ergänzt durch eine Reihe von Sensoren zur Messung von Spannung, Strom, Drehmoment/Drehzahl mit höchster Genauigkeit und höchsten Sicherheitsstandards. Sie sind speziell für E-Drive-Testsysteme zertifiziert und passen perfekt zur GENESIS HighSpeed-Hardware – eine ganzheitliche Lösung sozusagen.

Eine Messtechnik wie die von HBM für das Testen von E-Antrieben, die Daten kontinuierlich und zuverlässig erfasst, speichert, korreliert, verarbeitet und visualisiert, ist unabdingbar, um schnelle, valide und revisionssichere Tests zu gewährleisten. Maßgeschneiderte Schulungen, entweder im Hause HBM oder beim Kunden vor Ort, sorgen für einen zügigen Onboarding-Prozess. Für die Schulung in Eigenregie stehen eine Reihe von Selbstlernkursen auf der HBM-Website oder im Internet zur Verfügung. Unsere hochqualifizierten Ingenieure sorgen für den Wissenstransfer, die Unterstützung bei der Systemintegration und eine Reihe weiterer Dienstleistungen rund um die HBM-Lösung für eDrive Testing.