Auf dem Prüfstand: Wechselrichter für E-Fahrzeuge prüfen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Damit Wechselrichter für Elektrofahrzeuge in der Praxis problemlos funktionieren, muss entwicklungsbegleitend realitätsnah geprüft werden. ZF verfügt hierfür am Standort Auerbach über einen flexiblen Prüfstand.

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Martin Högner und Markus Toesko (ZF) erklären Johann Mathä (Yokogawa) den Prüfstand. Aus Sicherheitsgründen sind der Steuerstand und der Prüfstand durch eine Schutzwand getrennt.
Martin Högner und Markus Toesko (ZF) erklären Johann Mathä (Yokogawa) den Prüfstand. Aus Sicherheitsgründen sind der Steuerstand und der Prüfstand durch eine Schutzwand getrennt.
(Bild: ZF)

In Auerbach nordöstlich von Nürnberg entwickelt und produziert ZF Friedrichshafen unter anderem Schaltsysteme, Sensorik sowie Steuerungen für die Automobilindustrie. Für den stark wachsenden Markt der Elektromobilität werden hier auch Wechselrichter für verschiedene Fahrzeugtypen und Automobilhersteller entwickelt. Wechselrichter erzeugen aus der Batteriespannung eine variable dreiphasige Wechselspannung zur Ansteuerung des E-Antriebs.

Um eine sichere und fehlerfreie Funktion dieser Baugruppen unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen gewährleisten zu können, müssen die Prototypen in der Entwicklungsphase umfangreiche Tests durchlaufen.

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Batterie- und Lastseite elektronisch nachgebildet

ZF hat hierfür einen hochflexiblen Prüfstand im Einsatz. Für möglichst realistische Tests, enthalten derartige Prüfsysteme normalerweise den zum jeweiligen Wechselrichter gehörenden Elektromotor sowie einen Generator mit Drehzahl- und Drehmomentsensoren als Last. Beim ZF-Prüfstand wurde dagegen ein anderes Konzept verfolgt.

Hier werden sowohl die Batterie- als auch die Lastseite von Stromversorgungen bzw. Lastschaltungen elektronisch nachgebildet. Dies bietet entscheidende Vorteile. Da keine drehenden Teile und Batterien vorhanden sind, entfallen einige mechanische Sicherheitsmaßnahmen. Außerdem ist der Prüfstand flexibler, da für den Test von unterschiedlichen Wechselrichter-Motor-Kombinationen kein aufwendiger Austausch des Elektromotors notwendig ist.

Die Anpassung an die für den jeweiligen Test benötigte Fahrzeugbatterie und Antriebsmotor kann einfach über das Laden von entsprechenden Parametersätzen für diese Komponenten erfolgen. Der Prüfstand erlaubt zudem einen vollständigen Vier-Quadranten-Betrieb. Damit ist auch eine Simulation von Rekuperationsvorgängen möglich, also die Rückspeisung der bei Bremsvorgängen von der virtuellen Maschine erzeugten Energie in die virtuelle Batterie.

Strom, Spannung und Drehmoment genau einstellen

Darüber hinaus verfügt der Prüfstand über eine Klimakammer für das Prüfobjekt. Damit kann nicht nur bei unterschiedlichen Temperaturen getestet werden, sondern auch bei veränderlicher Luftfeuchte. Der Prüfstand wurde von ZF konzipiert und von der Firma Scienlab realisiert. Vergleichbare Prüfstände mit teilweise abweichenden Konfigurationen gibt es auch an anderen Standorten von ZF. Ein weiterer Ausbau der Prüfkapazitäten befindet sich bereits in der Realisierung.

„Mit dem Prüfstand können wir die Anforderungen des Prüflings hinsichtlich Strom, Spannung und Drehmoment sehr genau einstellen. Es lassen sich nicht nur komplexe Batteriemodelle für Anwendungen bis hin für einen Lkw nachbilden, sondern es ist auch eine vollständige Emulation motorischer und generatorischer Vorgänge möglich“, sagt Markus Toesko, Experte für Leistungselektronik im Test-Center bei ZF in Auerbach. „Die Last im Maschinen-Emulator ist ein verschaltetes Netzwerk aus Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten, das Modelle nachbilden kann und sich schnell schalten lässt. Dabei können wir Parameter wie Längs- und Querinduktivität, Wicklungswiderstände, Polpaarzahl und Trägheit einstellen.“

Messwerte einer unabhängigen Quelle

Sowohl der Maschinen- als auch der Batterie-Emulator verfügen jeweils über ein eigenes Messsystem, mit dem die Ströme und Spannungen gemessen werden. Zusätzlich ist ein Präzisions-Leistungsanalysator WT1800 von Yokogawa integriert, der deutlich mehr Messmöglichkeiten bietet und als Kontrollsystem dient.

Der WT1800 misst Spannungen und Ströme sowohl auf der Batterie- als auch auf der Lastseite, wobei aufgrund der hohen Ströme von mehreren 100 Ampere hochgenaue Stromwandler zum Einsatz kommen. Alle Messwerte werden an den Prüfstand übertragen und können dort auf den Monitoren dargestellt werden. „Bevor die Referenzwerte in den Prüfling einprogrammiert werden, können die Ergebnisse der integrierten Messtechnik teilweise stark abweichen. Dafür ist es wichtig, zuverlässige Messwerte einer unabhängigen Quelle, wie dem Yokogawa Leistungsmessgerät zu haben“, meint Markus Toesko.

Prüfstand mit CAN-Bussen

Die Steuerung des Wechselrichters benötigt für den Betrieb zusätzlich eine Versorgungsspannung von 12 V, die im realen Einsatz von der Autobatterie zur Verfügung gestellt wird. Auch hier kann der Prüfstand elektrische Störungen auf der Versorgungsleitung simulieren. Die Betriebsspannung wird hierzu entsprechend der jeweiligen Norm zyklisch erhöht und verringert. Damit lässt sich überprüfen, wie der Controller auf Störimpulse reagiert.

Der Prüfstand verfügt außerdem über zwei CAN-Bussysteme. Eines wird für die Steuerung des Wechselrichter-Controllers benötigt, wobei zudem eine Restbussimulation erforderlich ist. Diese simuliert andere im Fahrzeug vorhandene Steuergeräte, mit denen der Wechselrichter im Betrieb Daten austauscht. Ohne eine Restbussimulation würde der Wechselrichter nicht korrekt arbeiten.

Über den CAN-Bus kann der Prüfstand auch die Temperatur im Steuergerät auslesen. Der zweite CAN-Bus dient der Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten des Prüfstands. Über diesen Bus werden auch viele Messdaten zum Prüfstandrechner übertragen.

Schließlich enthält der Prüfstand noch ein Datenerfassungssystem MW100 von Yokogawa. Hier lassen sich bis zu 50 Sensoren anschließen, um bei Bedarf beispielsweise Temperatur-messungen an verschiedenen Stellen am Prüfobjekt durchzuführen und aufzuzeichnen.

Individuelle Testanforderungen

Je nach Aufgabenstellung können die entwicklungsbegleitenden Tests für einen Wechselrichter zahlreiche Einzelprüfungen umfassen und insgesamt mehrere Wochen dauern. Für möglichst realitätsnahe Tests werden meist Fahrzyklen programmiert, die entweder einschlägigen Normen entsprechen oder individuelle Kundenanforderungen erfüllen. Ein Fahrzyklus dauert normalerweise etwa eine halbe Stunde und simuliert verschiedene Beschleunigungs- und Bremsvorgänge.

Meist werden die Fahrzyklen bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtewerten wiederholt, um auch Extrembedingungen zu prüfen. Ebenso decken diese Tests in der Regel die für das jeweilige Produkt geltenden maximalen Strom- und Spannungswerte ab. Auch hier bietet die große Flexibilität des Prüfstands entscheidende Vorteile. So lassen sich beispielsweise die Wechselrichter auch testen, wenn die zugehörige Maschine noch nicht verfügbar ist. Hierfür sind nur entsprechende Parametersätze notwendig, die von der Entwicklungsabteilung zur Verfügung gestellt werden.

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