Emulieren, simulieren und messen Einen DC-DC-Wandler für Fahrzeugmodule flexibel testen

Autor / Redakteur: Klaus Höing * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein Start-Stopp-System ist aus Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken. Um die Verbraucher im Auto zu schützen, wird ein DC-DC-Wandler eingesetzt. Wir zeigen, wie sich solch ein Wandler testen lässt.

Firma zum Thema

Flexibles Testsystem: TS-8989 lässt sich mit PXI-Modulen bestücken, um DC-DC-Wandler speziell im Automobilbau zu testen.
Flexibles Testsystem: TS-8989 lässt sich mit PXI-Modulen bestücken, um DC-DC-Wandler speziell im Automobilbau zu testen.
(Bild: dataTec)

Ein automatisches Start-/Stopp-System eines Automobils unterbricht die Motorverbrennung während des Stillstandes der Räder und startet den Motor sofort, wenn der Fahrer beispielsweise die Kupplung tritt oder das Bremspedal freigibt. Weitere Kriterien sind: das Fahrzeug kommt ins Rollen, die Lenkung ist betätigt oder die Bremse ist gelöst, oder wenn andere Verbraucher wie Klimaanlage oder Sitzheizung bei einem längeren Stillstand die Motorunterstützung benötigen, um die Batterie nicht zu sehr zu entladen.

Ein derartiges Start-Stopp-System ist im heutigen Straßenverkehr mit vielen Ampeln, bei Stau oder bei zähfließendem Verkehr mit Stillstand von Vorteil. Die Anzahl der Fahrzeuge mit solch einem System nimmt aus zwei Gründen stetig zu: Ein geringerer Kraftstoffverbrauch einhergehend mit weniger CO2-Ausstoß.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Wandler sorgt für eine Netzspannung von 12 V

Dieser Start-Stop-Prozess hat Einfluss auf die fließenden Stromstärken, was zu Spannungseinbrüchen oder Spannungsreduktionen mit folgenden Spannungsspitzen führen kann, was dann wiederum bei anderen elektrischen Modulen eines Fahrzeuges zu einer Unterbrechung, Fehlfunktion und eventuell zu einem Totalausfall führen kann. Abstandsradar, Navigationseinheit, Motorkühlung oder Klimaanlage können davon betroffen sein – vornehmlich dann, wenn die Batterie bereits einige Jahre ihren Dienst getan hat oder bei eisigen Umgebungstemperaturen.

Um das zu verhindern, wird ein Hochleistungs-DC-DC-Wandler als Teil einer Electronic Control Unit (ECU) eingebaut. Damit lassen sich sicherheitsrelevante oder unkomfortable Situation vermeiden, sowohl für den Fahrer als auch für die Fahrgäste. Der Wandler sorgt dafür, dass die Versorgungsspannung für elektronische Systeme unabhängig von der Start-Stopp-Problematik, immer mit einer Netzspannung von 12 V versorgt wird.

Für einen funktionalen Test des DC-DC-Wandlers ist eine Kombination aus Emulation, Simulation und Messung notwendig: eine Emulation des Spannungseingangs, eine Lastsimulation der angeschlossenen elektrischen Module und eine Messung der Effektivität und Stabilität des Wandlers unter den Lastbedingungen. Mit einem flexiblen Testsystem von Keysight dem TS-8989 lässt sich sehr einfach ein derartiges System aufbauen, mit dem ein derartiger DC-DC-Wandler, eine ECU oder ein Abstandsradarsystem oder andere elektrisch/elektronische Komponenten für ein Fahrzeug getestet werden können.

Hintergrund für die Entwicklung dieses Testsystems ist die Flexibilität, unterschiedliche Fahrzeugmodule testen zu können als auch ein schneller, effektiver Test-Aufbau, der eine schnelle Adaption in die Fertigung ermöglicht und dabei auch schnelle Messungen zulässt, um einen hohen Durchsatz zu erreichen.

Exemplarisches Beispiel für ein Testsystem

Das Bild 1 stellt ein sehr vereinfachtes Blockschaltbild und die Funktionsweise eines DC-DC-Wandlers dar. Während des normalen Betriebes in der Fahr- oder Ruhe-Position ist der DC-DC-Wandler nicht aktiviert; die Fahrzeugbatterie ist direkt mit dem Bordnetz verbunden. Bei jedem Start des Motors wird ein Triggersignal an die Electronic Control Unit geleitet, das dann das Relais öffnet, so dass der Wandler die Versorgung des übrigen Bordnetzes übernimmt, sobald die Versorgungsspannung unter 12 V fällt. Steigt nach dem Motorstart die Batteriespannung wieder auf ungefähr 12 V, wird das Relais wieder geschlossen und der Wandler deaktiviert. Die Batterie versorgt das komplette Bordnetz, was dem normalen Betriebsmodus entspricht.

Unter normalen Bedingungen ist der Eingang eine statische Messung. Von der Batterie werden ungefähr 30 bis 40 A für die Versorgung des kompletten Netzes abverlangt. Im Motor-Start-Modus sieht die Situation wesentlich dramatischer aus. Der Strombedarf steigt deutlich über die 40 A. Die Versorgungsspannung im Netzwerk fällt ab und kann während des Startvorganges sogar Werte der halben Nominalspannung (Leistungsanpassung) erreichen, um nach ein paar Sekunden wieder auf die Normalspannung von 12 V anzusteigen. Daher werden Netznachbildungen benötigt, die einen derartigen Versorgungsspannungsverlauf auch mit der entsprechenden Stromlast liefern können.

Bild 2 zeigt einen solch einen Spannungsverlauf für einen Motorstart. Hersteller definieren typischer Weise ein derartiges Bordnetz-Spannungsprofil beim Start des Motors. Ein externes Netzteil der Serie N7900 von Keysight kann solche Lasten und Spannungsprofile mit Leistungen bis 1 kW oder 2 kW nachbilden, wodurch sich Produktionstest an ECUs mit den DC-DC-Wandlern durchführen lassen. Mit dem Modell N7951 A sind Ausgangswerte von 20 V mit maximal 50 A, für das Modell N7971A sind 20 V mit maximal 100 A möglich. Durch den integrierten Arbiträrgenerator der Netzgeräte lassen sich die Profile der Netzversorgung sehr einfach nachbilden und Toleranzen verändern. Änderungsgeschwindigkeiten der Ausgangsspannungen sind für einen Hub von 20 V nach 2 V mit < 200 µs angegeben.

(ID:44201820)