Test Cases

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Reality Check

Sie wollen verstehen, wie wir vorgehen? Kommen Sie mit zu unseren Testsituationen …

 Am Beispiel des Antriebsinverters zeigen wir Ihnen, wie wir typische Testanforderungen mit einer E-Maschinen-Emulation auf sehr effiziente Weise umsetzen – und entscheidende Vorteile für Sie herausfahren:

Einstellung der E-Maschinenregelung

Basis für eine gut eingestellte Maschinenregelung ist die Stromregelung des Inverters. Das Drehmoment an der E-Maschinenwelle ist proportional zum Strom und korreliert mit dem Bestromungs-Winkel. Mittels der E-Maschinen-Emulation lässt sich diese Aufgabe sehr schnell und deutlich einfacher als mit einer realen Maschine durchführen. Die Induktivitätswerte in der d- und q-Achse bzw. die Phaseninduktivität können über einstellbare Parameter dargestellt werden – und das ohne jegliche Temperaturabhängigkeit. Anders als bei einer realen E-Maschine muss nicht auf die Erwärmung der Maschine geachtet werden, das heißt, die Einstellarbeit kann unter gleichbleibenden Bedingungen erfolgen.

Ob Sättigungsverhalten dabei dargestellt werden soll oder nicht? – Das bleibt dem Anwender überlassen.

Die vorgegebene virtuelle Rotorposition ist immer numerisch konstant und unterliegt keiner Regelgenauigkeit durch die Belastungsmaschine. Wenn bei der Bestromung Drehmoment entsteht, hat dies – anders als in einem mechanischen Aufbau – keinerlei Auswirkung auf die Stabilität der Rotorposition.

Überprüfung des Inverter-Überlastschutzes

Antriebsinverter verfügen üblicherweise über einen integrierten Überlastschutz welcher sicherstellt, dass die Leistungsschalter nicht überlastet werden. Diese softwarebasierte Überwachung hat einerseits dafür Sorge zu tragen, dass in keinem Betriebszustand die Leistungsschalter überlastet werden, andererseits darf dieser Überlastschutz nicht zu viel Spielraum zulassen, da diese die Leistungsfähigkeit des Inverters – ein wesentliches Wettbewerbsmerkmal für Inverter – reduziert.

Der Eigenschutz ist komplex und muss aufgrund der geringen Wärmeträgheit der Halbleiter sehr schnell reagieren, kann also nicht allein auf einer Temperaturmessung basieren. Mit einer emulierten E-Maschine können Betriebsbedingungen absolut konstant und jederzeit reproduzierbar dargestellt werden, was die Überprüfung des Eigenschutzes deutlich vereinfacht.

Überprüfung des Rekuperations-Verhaltens

Mittels Rekuperation (Energierückspeisung) kann der Antriebsinverter den Antriebsstrang abbremsen. Diese Bremsfunktion hat einen starken Einfluss auf das Fahrverhalten und das Fahrerlebnis bei einem E-Fahrzeug und muss entsprechend dem gewünschten Verhalten richtig ausgelegt – und entsprechend auch überprüft – werden. Besonders anspruchsvoll sind dabei extreme Bremsmanöver, die den Inverter an seine Leistungsgrenze bringen können.

Bei solchen Tests ist es wichtig, dass der Prüfstand kein Eigenleben mit sich bringt. Bei einem mechanischen System kann dies aufgrund der Dynamometer-Regelung kritisch werden. Mit einer emulierten E-Maschine wird die Dynamik des originalen Systems korrekt und ohne Einflüsse durch die Dynamometer-Regelung repliziert.

Inverter-Wirkungsgradmessung

Der Wirkungsgrad des Inverters in einem elektrischen Antriebsstrang hat direkten Einfluss auf die Fahrzeugreichweite bzw. die erforderliche Batteriekapazität.  Üblicherweise wird der Wirkungsgrad von Antriebsinvertern heute noch auf einem Prüfstand zusammen mit einer realen E-Maschine ermittelt. Dabei ist die Messdurchführung anspruchsvoll und zeitaufwändig (bis zu 30 Stunden pro Messplott), was daran liegt, dass sich jeder einzelne Arbeitspunkt erst mechanisch einschwingen muss. Zusätzlich muss die E-Maschine thermisch stabilisiert werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Hinzu kommen Ungenauigkeiten durch die Adaptierung der E-Maschine und Einflüsse durch deren Toleranzen, wenn die Messung nicht mit der immer identischen Maschine erfolgt.

Mit Hilfe einer präzisen E-Maschinen-Emulation wird das Wirkungsgradkennfeld eines Inverters innerhalb weniger Minuten ermittelt – mit genauer Reproduzierbarkeit und ohne unerwünschte Einflüsse der realen E-Maschine.

Benchmarking: Inverter-Charakteristik im WLTP-Zyklus

Für eine Antriebsinverter-Prüfung analog des normierten WLTP-Zyklus wird die E-Maschinen-Emulation mittels ihrer seriellen Schnittstelle mit einer Fahrzeugsimulation verbunden. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch des Inverters, die Verlustleistung, in einer emulierten Umgebung ohne drehende Komponenten ermittelt werden. Durch den Einsatz der E-Maschinen-Emulation wird der Einfluss der E-Maschine im Testzyklus neutralisiert, so dass das Verhalten des Inverters isoliert beurteilt werden kann.

In Verbindung mit einer realen E-Maschine ist solch eine Untersuchung des Inverters nicht möglich, da Einflüsse der E-Maschine auf das Ergebnis nicht ausgeschlossen werden können. Eine emulierte Umgebung garantiert, dass der Inverter für sich optimiert werden kann und schafft damit die Möglichkeit, Inverter einfach und standardisiert zu vergleichen (Benchmarking).

Dynamische Tests - ABS und Schlupfregelung

Tests an einem drehenden Prüfstand haben bezüglich der erzielbaren Dynamik ihre Grenzen. Dies ist physikalisch durch die drehenden Teile (Rotationsträgheit), die Verwindung des Flansches und die Regeldynamik des Dynamometers vorgegeben. Ein Dynamometer stellt letztendlich auch nur einen „zweiten Antriebsstrang“ dar. Je nach Anwendung kann das dazu führen, dass das Lastsystem sich bei dynamischen Tests wie ein Tiefpass verhält. In diesem Fall liefern dynamische Tests, wie sie für eine ABS-Regelung oder Schlupfregelung erforderlich werden, kein repräsentatives Ergebnis. Es besteht sogar die Gefahr, dass die Regelung dieser Funktionen im Antriebsinverter auf die Regelcharakteristik des Dynamometers abgestimmt werden muss und das tatsächliche Regelverhalten im Fahrzeug ein ganz anderes Ergebnis zeigt.

Großer Vorteil unserer Testlösung? Diese physikalischen Einschränkungen bestehen bei einer E-Maschinen-Emulation nicht, da sich keine drehenden Teile in der Testanordnung befinden. Die Dynamikbegrenzung des E-Maschinen-Emulators liegt mehrere Zehnerpotenzen über der Dynamik eines Dynamometers (Drehmoment, Drehzahl) und kann daher vernachlässigt werden. Dadurch lässt sich die wirkliche Fahrzeugcharakteristik über die emulierte E-Maschine korrekt einprägen, ohne Kompromisse. So, und nur so, haben die dynamischen Reglereinstellungen auch später im Fahrzeug ihre Gültigkeit, sofern ein korrektes Fahrzeugmodell im Prüfstand genutzt wird.

Fehlerverhalten und Sicherheitstests

 Sogenannte „Fehler-Stimulations-Tests“ an einem Antriebsinverter sind erforderlich, um das spezifizierte Verhalten des Inverters bei Fehlerfällen zu überprüfen. Insbesondere in Bezug auf die Norm ISO26262 ist dies ein Muss, um die funktionale Sicherheit eines elektrischen Antriebsstranges zu validieren. Je nach Fahrzeugtopologie weist der Fahrzeuginverter eine sehr hohe Kritikalität (bei Torque-Vectoring z.B. ASIL-D) auf, was durch entsprechende Tests am Prüfling nachgewiesen werden muss. Zu den typischen Fehlerszenarien gehören beispielsweise der Verlust der Rotorposition, Phasenkurzschlüsse oder ein aktiver Kurzschluss des Inverters als „Fail-Safe“-Strategie. Darüber hinaus gibt es noch eine Vielzahl weiterer wichtiger Fehlerfälle wie überhitzte Magnete in der E-Maschine, Lagerunwucht, De-Magnetisierung, um an dieser Stelle nur einige zu nennen. Mit einer realen E-Maschine lassen sich solche Fehler-Stimulations-Tests nur sehr schwer, in Fällen sogar gar nicht umsetzen. Insbesondere Wiederholungsprüfungen im Rahmen eines automatisierten Tests sind damit nicht realisierbar.

Game changer Motor-Emulation: Bei einem Testsystem mit einem E-Maschinen-Emulator können Fehler in der E-Maschine sehr einfach, reproduzierbar und automatisiert dargestellt werden, da in diesem Fall die E-Maschine lediglich mittels Software modelliert wird. Ein weiterer Vorteil dieses Testaufbaus ist der erweiterte Schutz für den Antriebsinverter, denn der Emulator begrenzt den Phasenstrom auf einen vorher festgelegten Maximalwert. Damit ist sichergestellt, dass der Prüfling keinen Schaden nimmt, sollte der Inverter während der Fehlertests ein unerwünschtes Verhalten zeigen.

Prüfung hochdrehender Antriebsinverter

Hochdrehende Antriebsinverter in Kombination mit einer realen E-Maschine zu überprüfen, erfordert höchst anspruchsvolle mechanische Aufbauten. Wenn bei Anwendungen, wie beispielsweise Turboladern, Drehzahlen von weit über 50 krpm realisiert werden sollen, können kleinste Unwuchten oder Fehler zur Zerstörung des Prüfstands führen. Demnach sind Schutzeinrichtungen bei solchen Prüfungen entsprechend aufwändig. Erschwerend kommt hinzu, dass für sehr hohe Drehzahlen Reduziergetriebe eingesetzt werden müssen, um die Drehzahl an die Grenzen von üblichen Lastsystemen anzupassen. Der Einsatz von Reduziergetriebe führt zu weiteren Unzulänglichkeiten wie Getriebespiel, Reibung, Vibration sowie zusätzlicher Massenträgheit im Prüfaufbau.

Vorteil unserer Testmethodik? Beim Einsatz eines E-Maschinen-Emulators fallen sämtliche aufgeführten Risiken und Begrenzungen weg, da sich keine drehenden Teile im Testaufbau befinden. Elektrische Feldfrequenzen von bis zu 5 kHz können damit standardmäßig emuliert werden.

Prüfung des Zusammenspiels von MGUH und MGUK in der Formel 1

Antriebssysteme der Formel 1 sehen gemäß den Regularien der FIA von 2014 zwei elektrische Systeme im Antriebsstrang vor: das KERS (kinetic energy recovering system) und das HEAT (elektrischer Turbolader) bzw. das MGUK und das MGUH. Beide Antriebeinheiten arbeiten mit sehr hohen Drehzahlen – und der Aufbau dieser beiden Systeme mit realen E-Maschinen bringt viele Nachteile mit sich. Aufgrund der hohen Drehzahlen müssen Reduziergetriebe eingesetzt werden, um die Lastsysteme anzupassen. Die Hochleistungsmotoren sind extrem teuer und unterliegen Verschleiß. Dazu kommt, dass Prüfstandszeiten durch das geltende Regelwerk begrenzt sind – ein Prüfaufbau in welchem reale E-Maschinen eingesetzt werden unterliegt dieser Vorgabe. Das führt dazu, dass Inverter-Prüfungen in solch einer Prüfstandstopologie engen zeitlichen Prüfzeiten unterliegen.

Unser – und damit Ihr – Vorsprung hier? Beim Einsatz von E-Maschinen-Emulatoren bestehen diese Einschränkungen nicht. Der Testaufbau wird deutlich einfacher, da keine Dynamometer, Reduziergetriebe und auch keine teuren Originalmotoren erforderlich werden. Zudem entfällt in diesem Testaufbau, gemäß dem Regelwerk der FIA, die Limitierung der Prüfzeit!