Bequemes Testen von Leistungspegeln bei Elektrofahrzeugen

| Autor / Redakteur: Nate Holmes * / Hendrik Härter

Leistungspegeltests: Das RM-26999 (links) wird an ein simultanes Multifunktions-I/O-Modul in einem PXI-System (mitte) angeschlossen und kann bis zu 2000 V direkt und bis zu 2000 A mit Danisense-Stromaufnehmern (rechts) verarbeiten.
Leistungspegeltests: Das RM-26999 (links) wird an ein simultanes Multifunktions-I/O-Modul in einem PXI-System (mitte) angeschlossen und kann bis zu 2000 V direkt und bis zu 2000 A mit Danisense-Stromaufnehmern (rechts) verarbeiten. (Bild: National Instruments; © SergeyBitos - stock.adobe.com)

Hochspannungstest bei Elektrofahrzeugen sind aufwendig. Doch Boxgeräte sind nicht sehr praktisch und oft schwer. Abhilfe verspricht ein rack-montierbares Messgerät auf Basis der PXI-Plattform.

Bei Elektrofahrzeugen werden die Batteriespannungen immer höher. Mehr als 800 V werden für die Stromversorgung des gesamten Fahrzeugs, vom Motor bis zu den Spiegeln, verwendet. Deshalb müssen die Komponenten des Antriebsstrangs und der Leistungselektronik eingehend getestet werden, um deren Funktionalität zu überprüfen und Effizienz zu steigern. Ingenieure kostet es viel Mühe, neue Hochspannungstests in teure und unflexible Leistungsinstrumente zu implementieren. Das Leistungsmess-System RM-26999 wurde entwickelt, damit Prüfingenieure agil arbeiten und Validierungsteams das Budget einhalten können (Bild 1).

Prüflabore für Leistungselektronik und Antriebsstränge besitzen verschiedene Boxgeräte für die Leistungsanalyse. Das sind schwere Geräte, die für jede Art von Leistungsmessung entworfen und preislich gestaltet wurden. Obwohl die Geräte für die Forschung gut geeignet sind, lohnt sich ihre Anschaffung nicht für automatisierte Messungen oder Haltbarkeitstests. Das RM-26999 bricht mit dieser Konvention, denn es erfüllt die wichtigsten Anforderungen für Leistungselektroniktests.

Es handelt sich um ein externes rackmontierbares Signalaufbereitungsgerät, durch das Hochleistungsmessungen auf der PXI-Plattform möglich sind. Das Gerät verarbeitet sicher Hochspannungseingangspfade mit ±2000 V und liest indirekt bis zu ±2000 A mit Danisense-Stromaufnehmern. Es lässt sich an PXI-Express-Geräte mit simultaner Multifunktions-I/O (SMIO) auf der NI-Plattform anschließen und in ein modulares PXI-Prüfsystem integrieren. Damit sind Haltbarkeitstests und Prüfzellenanwendungen für Vorhersagen möglich, wie sich Komponenten im Laufe der Zeit und bei verschiedenen Wetterbedingungen verhalten. Bei Prüfanwendungen für den Antriebsstrang können Sie Ihre Drehstromleistungsmessungen mit weiteren wichtigen Daten integrieren und synchronisieren, darunter Schwingungen, Temperaturen oder CAN-Busdaten.

Strom, Daten und Ausgangssignale über ein Kabel

Das Leistungsmess-System bereitet direkt angeschlossene Eingangsspannungspfade mit ±2000 V auf. Es ist nach UL-61010-1 zertifiziert für Spitzenspannungen von Netzen außerhalb des Stromversorgungsnetzes. Der rackmontierbare Signalaufbereiter misst indirekt Ströme mit Danisense-Stromaufnehmern. Es wird über ein Kabel mit dem notwendigen Strom versorgt. Gleichzeitig werden über das Kabel Daten übertragen und die Ausgangssignale der Stromaufnehmer bis ±2000 A erfasst. Mit vier Spannungseingangskanälen und vier Wandleranschlüssen für Strommessungen können bis zu vier Leistungsmessungen vorgenommen werden.

Das System kann mit mehreren NI-SMIO-Modulen und -Geräten verbunden werden. Dabei kann das DAQ-Gerät unabhängig vom Leistungsmess-System ausgewählt werden, sodass verschiedene Sample-Raten und Auflösungen verfügbar sind. Mit dem richtigen SMIO-Gerät können bis zu 14 Millionen Samples pro Sekunde und Kanal mit einer Auflösung bis 18 Bit erfasst werden. Sind mehr als vier Leistungskanäle notwendig, können zwei Leistungsmess-Systeme vom Typ RM-26999 mit einem 16-Kanal-SMIO-Modul verbunden werden. Bei mehr als acht Leistungskanäle lassen sich zusätzliche SMIO-Module über die PXI-Backplane synchronisieren und per Kanalerweiterung Messanwendungen skalieren.

Leistungsanalysatoren müssen nicht nur Messfunktionen bereitstellen, sondern die Erkenntnisse und Analysen zu den erfassten Daten. Mit Version 19.0 des LabVIEW Electrical Power Toolkit (EPT) werden dreiphasige Messungen in LabVIEW zusammen mit weiteren Leistungsanalysebibliotheken möglich, die besonders zur Prüfung des Antriebsstrangs und der Leistungselektronik benötigt werden. Mit LabVIEW EPT 19.0 lässt sich die Drehstromleistung gemäß IEEE-Standard 1459-2010 messen, einschließlich Transformationen zu/von Bezugsrahmen, Frequenzbereichsleistungsanalysen sowie Bibliotheken zu Wechselrichter- und Motoreffizienz.

Außerdem lässt sich die Batterieleistung messen wie etwa zur Energie- und Ladungsintegration sowie Wirkleistung. In LabVIEW EPT sind spezifische Beispiele zum RM-26999 vorinstalliert. Über die offene Entwicklungsumgebung von LabVIEW können Entwickler benutzerdefinierte Algorithmen, Verarbeitungen und Analysen erstellen, die den jeweiligen Anforderungen entsprechen. Testhäuser, die intern nicht mit LabVIEW entwickeln, können auf das internationale NI-Netzwerk der Alliance-Partner zurückgreifen, um Hilfe bei der Entwicklung benutzerdefinierter IP für Leistungsmess-Systeme zu bekommen.

Zur vollständigen Leistungscharakterisierung muss die Leistung aller Komponenten des Antriebsstrangs und der Leistungselektronik in einem Elektrofahrzeug analysiert werden.
Zur vollständigen Leistungscharakterisierung muss die Leistung aller Komponenten des Antriebsstrangs und der Leistungselektronik in einem Elektrofahrzeug analysiert werden. (Bild: National Instruments)

Die Batterie von Elektrofahrzeugen versorgt mehr als den Motor. Batteriestrom wird umgewandelt in Dreiphasenwechselstrom, der auf die Hilfsbatterie zurückgeführt, an wichtige Subsysteme verteilt und von externen Ladegeräten und dem Ladeanschluss gespeist wird. Hochleistungsmessungen sind keine Nische mehr. Sie sind notwendig, um Komponenten und Subsysteme in einem Elektrofahrzeug zu charakterisieren. Angesichts der gestiegenen Nachfrage nach Hochleistungsmessungen sind teure Boxgeräte, um die Leistung im luftleeren Raum zu analysieren, nicht mehr akzeptabel.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2019 (Download PDF)

* Nate Holmes ist Principal Solutions Manager, Physical Test bei National Instruments.

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