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Schnelle Messungen in Hochvolt-Umgebungen im Fahrzeug schaffen

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

Schnelle Schaltvorgänge im elektrischen Antriebsstrang haben direkten Einfluss auf das Bordnetz. Wir zeigen Anwendungsfälle, Besonderheiten und Voraussetzungen, um in solchen Umgebungen korrekt zu messen.

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In modernen Fahrzeugen hat die Invertertechnik Einfluss auf das Hochvolt-Bordnetz. Genaue Analysen sind zwingend notwendig.
In modernen Fahrzeugen hat die Invertertechnik Einfluss auf das Hochvolt-Bordnetz. Genaue Analysen sind zwingend notwendig.
(Bild: CSM Computer-Systeme-Messtechnik)

Die Komponenten für elektrische Fahrzeugtechniken stellen ganz neue Anforderungen an das Bordnetz und die damit verbundenen Baugruppen. Beispielsweise verwendet die im elektrischen Antriebsstrang eingesetzte Invertertechnik sehr schnelle Schaltvorgänge, deren Einfluss auf das Hochvolt-Bordnetz eine genaue Analyse benötigt.

Entscheidend für die Auslegung elektrischer Fahrzeugkomponenten in Hochvolt-Umgebungen ist der dort vorherrschende Verlauf von Spannung und Strom. Während des Betriebs gibt es Situationen, in denen kurzzeitige Spannungs- und Stromspitzen auftreten. Die Länge dieser Peaks liegt oft nur im Bereich von Milli- oder Mikrosekunden.

Mit hohen Messdatenraten abtasten

Trotzdem können Komponenten durch solche extremen Spannungs- und Stromspitzen beschädigt werden, da sie oft weit höher als die dort dauerhaft anliegenden Werte sind. Es ist essentiell, diese Peaks zu erkennen. Erst eine Abtastung mit hohen Messdatenraten ermöglicht deren Detektion.

Die Messung des realen Spannungsverlaufs aller drei Phasen am Inverter im Fahrversuch ist dabei eine naheliegende Messaufgabe. Zum Anwendungsfall schneller Messungen gehört es auch, Elektromotor und Inverter am Prüfstand zu optimieren. Interessant ist es, nicht nur Transienten im Spannungsverlauf zu erfassen, sondern auch den Effektivwert der modulierten Sinus-Wechselspannung. Der Wechselrichter (Inverter) arbeitet mit Frequenzen im zweistelligen kHz-Bereich und erzeugt einen zerhackten Spannungsverlauf. Die Umrechnung in einen Effektivwert erfordert daher ein hohes Oversampling.

Hochgenaue Leistungsberechnung

Die Berechnung des Effektivwerts der Spannung wird besonders dann relevant, wenn gleichzeitig auch ein Effektivwert des Stroms zur Verfügung steht. Hier muss im Regelfall nicht hoch abgetastet werden, da sich der Strom nicht so schnell ändert. Eine Multiplikation beider Werte am exakt gleichen Zeitpunkt ergibt einen Verlauf der Effektivleistung.

Die synchrone High-Speed-Datenerfassung über das EtherCAT-Protokoll mit robuster dezentraler Messtechnik ermöglicht es dem Messtechniker, den Fahrversuch völlig neu zu analysieren. Durch die Synchronität der Messdaten befinden sich die einzelnen Messpunkte alle Spannungen und Ströme exakt auf der gleichen Zeitachse. Durch die hohe zeitliche Abtastung von Spannung und Strom werden so hochgenaue Leistungsberechnungen möglich.

Steigende Zahl an Verbrauchern

Auch Messungen an HV-Komponenten außerhalb des Fahrzeugs können wegen ihrer Wechselwirkungen mit dem Bordnetz interessant sein Dazu gehören die Ladestationen und Umrichter. Wie wirken sich Störungen im Versorgungsnetz auf das Bordnetz aus – und umgekehrt?

Im Fahrzeug selbst kann man HV-Verbraucher messen. Dazu gehören beispielsweise Klimaanlage, Lenkung und Bremsen. Da künftig immer mehr Komponenten elektrifiziert werden, steigt auch die Anzahl an Verbraucher, die über das Hochvolt-Bordnetz versorgt werden müssen. Auch hier müssen Einflüsse auf das Bordnetz validiert werden.

Die Leistungsverbraucher werden im Regelfall getaktet, also über Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert und geregelt. Relevant ist ebenfalls die Darstellung der Effektivleistung, oft auch parallel und synchron zu anderen physikalischen Größen, wie etwa Bremsdrücken oder Gierraten. Zur Visualisierung dieser Vorgänge sind Messdatenraten im dreistelligen kHz-Bereich nötig. Eine Abtastung mit niedrigeren Frequenzen reicht hier nicht mehr aus.

Anforderungen an die Messtechnik

Messtechnik-Anbieter CSM Computer-Systeme-Messtechnik bietet dazu die CSM-ECAT-Messmodule für Hochvolt-Anwendungen mit Messdatenraten bis zu 1 MHz pro Kanal und kontinuierlicher Spannungsmessung bis zu 1 kV. Um transiente Überspannungen zu messen, sind die Messbereiche der Analogeingänge auf ±2.000 V dimensioniert.

Die Erfassung des Stromverlaufs muss ebenfalls mit einem geeigneten Sensor erfolgen. Hier bieten sich Hall-Effekt-basierte Sensoren an, da ein solcher Stromwandler hohe Grenzfrequenzen ermöglicht. Zusätzlich wird eine galvanische Trennung zwischen Versuchsaufbau und Messtechnik gewährleistet. Hier hat CSM die LEM Sensorpakete entwickelt, die auf die ECAT Messmodule abgestimmt sind und anschlussfertig geliefert werden.

Die Datenerfassung erfolgt mit den Software-Tools vMeasure CSM/EXP oder mit bewährten und bekannten Programmen wie CANape von Vector und INCA von ETAS. Zusätzlich können Steuergerätevariablen zeitlich synchron aufgezeichnet werden. Alle HV Messmodule werden einer Typ- und Stückprüfung gemäß der Sicherheitsnorm EN 61010 unterzogen. Dies gewährleistet eine bestmögliche Sicherheit für den Anwender.

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