Wie Drehmomentaufnehmer zur Optimierung von Hybridantrieben für Busse und LKWs beitragen

Bei OEMs in der Automobilindustrie findet man häufig Prüfstände oder spezielle Anlagen für die Entwicklung, Charakterisierung und Prüfung von Automotoren. Da die Hybridtechnik für die Entwicklung von Fahrzeugen eine immer größere Rolle spielt, setzen OEMs solche Anlagen zunehmend auch in der Entwicklung von Hybridantrieben für die LKW- und Busindustrie ein. Zu den Komponenten von Hybridantrieben gehören flüssigkeitsgekühlte Wechselrichter, Asynchronmotoren mit hohem Leistungsgewicht und direkt mit einer Standardantriebswelle und der Hinterachse verbundene Untersetzungsgetriebe für Traktionskraft und Rekuperation.  

Für ein effizientes Leistungsmanagement solcher Systeme, müssen die Variablen von Elektromotor/Antriebsstrang genau gemessen werden; dazu zählen Drehzahl und Drehmoment. Ein hausinterner Prüfstand umfasst üblicherweise Batteriesimulator, Frequenzumrichter, Elektromotor, Belastungsmaschine, Datenerfassungssystem (DAQ), Kommunikations-Schnittstelle und einen PC im Kontrollstand. Die Belastungsmaschine simuliert einen Widerstand im System, um mögliche Fahrsituationen des Elektromotors/Antriebsstrangs nachzubilden, z. B. die Bergauffahrt eines schweren Fahrzeugs. Dank dieser Versuchsanordnung erübrigen sich Testfahrten mit echten Fahrzeugen.

Zu beachten ist, dass bei Leistungstests an Verbrennungsmotoren vorwiegend mechanische Signale erfasst werden, wohingegen bei Tests an Elektromotoren auch elektrische Signale zwischen Wechselrichter und Motor gemessen werden müssen.

Die ineffiziente Methode, Drehmoment und Drehzahl zu messen

Früher erfolgten Drehzahl- und Drehmomentmessungen an Motoren/Antriebssträngen durch Montage des (großen) Elektromotors auf der Belastungsmaschine, unter Verwendung von Lagern, um ein Drehen des Motors zu ermöglichen. Die Belastungsmaschine wurde mit einer Wägezelle und einem über einen Hebelarm darauf abgestützten Stator für die Bestimmung des Reaktionsmoments ausgestattet. In einem von einem Prüfingenieur durchgeführten Fahrzyklus wurde der Motor über den Wechselrichter mit einer bestimmten Strommenge gespeist, durch die er sich wie beim Einsatz in einem Fahrzeug drehte. Der sich über einen Hebelarm auf der Wägezelle abstützende Stator ermöglichte die Bestimmung des Lastmoments des Motors aus der Abstützkraft (Reaktionsmoment) heraus. Wenn z. B. der Stator über einen Hebelarm von einem Meter Länge eine Kraft von 1.000 Newton aufbrachte, lieferte das System ein Drehmoment von 1.000 Newtonmeter.

Ein Nachteil dieses Ansatzes war, dass durch die mechanische Trägheit Feinheiten der Messung überdeckt wurden. Hybridantriebe können mit im Vergleich zu den für Antriebe mit Benzinmotor typischen Drehzahlen von 6.000 min-1 sehr hohen Drehzahlen von ca. 12.000 min-1 laufen, was bedeutet, dass nun hochfrequente Signale auftreten, die bei Prüfungen von PKWs in der Regel nicht vorkommen. Die von der Wägezelle gelieferten Signale können daher schön geglättet aussehen, in Wirklichkeit jedoch viele Spitzen (Peak/Valley) aufweisen, da der Antriebsstrang extremen Schwankungen unterworfen ist.

Die neue und verbesserte Lösung

Eine bessere Lösung ergab sich durch die Integration eines digitalen Drehmomentaufnehmers T12 von HBM Test and Measurement in den Aufbau aus Elektromotor, Antriebsstrang und Belastungsmaschine. HBM bietet messtechnische Produkte wie Datenerfassungssysteme und Kalibriersoftware, Dehnungsmessstreifen, Aufnehmer und Sensoren. 

Die berührungslosen Aufnehmer der Serie T12 messen Drehmoment über digitale Telemetrie und Drehzahl über einen Drehzahlsensor. Die integrierte Messsignalverarbeitung garantiert hohe Qualität und zuverlässige Signale. Die Drehzahl- und Drehmomentmessung mit dem Aufnehmer liefert die Informationen, die Ingenieure benötigen, um zu wissen wie schnell das System läuft und wie hoch das dafür aufgebrachte Drehmoment ist. Diese Daten ermöglichen die Berechnung der für den Motor/Antriebsstrang erforderlichen Leistung. Der Drehmomentaufnehmer T12 erfasst dynamisches Drehmoment, zeigt die Drehrichtung an und kann sogar die mechanische Ausgangsleistung berechnen. Das Datenerfassungssystem ermöglicht die zeitgleiche Aufzeichnung des elektrischen Signals des Wechselrichters und des Motors sowie der digitalen Signale des Drehmomentaufnehmers, um Spannung zu liefern, z.B. als entsprechender Drehmomentwert. Es können auch Frequenz und Strom ausgegeben werden. Optional ist auch die Datenausgabe an das Datenerfassungssystem über CAN oder Ethernet möglich, wodurch sich eine D/A-Wandlung erübrigt.

Die Aufnehmer ermöglichen das Erfassen der beim Prüfen von Elektromotoren/Antriebssträngen erzeugten hochfrequenten Signale, sodass die Ingenieure Daten erhalten, die sie in der Regel nicht sehen würden. Dadurch können sie ihre Entwürfe für Hybridantriebe verbessern.  Diese Aufnehmer erlauben eine bessere Abstimmung von Hybridsystemen, da sie die genaue Bestimmung des für die Erzeugung eines gewünschten Drehmoments erforderlichen Stroms erlauben, anstatt dass dieser Wert näherungsweise ermittelt werden muss. Darüber hinaus ist der Wartungsaufwand für den robusten T12 sehr gering, was die Entwicklung beschleunigt.

Effizienzsteigerung für Elektromotoren und Wechselrichter

Zusätzlich bietet HBM nun eine Lösung an, die durch den Einsatz eines Drehmomentsensors T12 und des Datenerfassungssystems Genesis HighSpeed von HBM dazu beiträgt, Elektromotoren und Wechselrichter effizienter zu machen. Zusammen ermöglichen die Geräte die synchrone und dynamische Messung von mechanischen und elektrischen Signalen. Die kontinuierliche Abspeicherung der Rohdaten ermöglicht Live-Analysen zur Ermittlung von Wirk- und Blindleistung, Wirkungsgraden und Effizienz.  Mehr Informationen zu dieser neuen Lösung finden Sie auf www.hbm.com/edrive.

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