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Automobilelektronik Elektromobilität stationär testen

15.10.2015

Der geplante schnelle Ausbau der Elektromobilität erfordert kürzere Entwicklungszeiten bei einem gleichzeitig hohen Kostendruck. Gefragt sind leistungsfähige Test- und Simulationssysteme, die den speziellen Anforderungen, wie beispielsweise Rückspeisefähigkeit bei der Stromversorgung, gerecht werden.

Ziel der Bundesregierung ist es, bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen. Im Jahr 2030 sollen schon sechs Millionen E-Fahrzeuge auf deutschen Straße rollen, so sieht es das Regierungsprogramm Elektromobilität vor. Diese Marktdurchdringung führt zu steigendem Kostendruck bei immer kürzeren Produktlebenszyklen und hat dadurch einen direkten Einfluss auf die Entwicklungszeiten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, fordert die Automobilindustrie leistungsfähige Test- und Simulationssysteme entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Hierbei ist eine einfache Integration in die unterschiedlichsten Testumgebungen von ebenso zentraler Bedeutung wie zuverlässige und reproduzierbare Testergebnisse. Die Prüfstands-Energiesysteme der Serie ERS aus dem Hause Heinzinger Electronic ermöglichen praxis- und realitätsnahe Tests mit hoher Prüfschärfe. Als wichtige Kernkomponente unterschiedlichster Teststände, in Forschung und Entwicklung, Qualitätssicherung bis hin zu End-of-Line-Prüfungen bieten Sie ihren Nutzern eine langfristige Investitionssicherheit. Die Rückführung zurückgespeister Energie gewährleistet zudem eine hohe Energieeffizienz, so dass der Energiekonsum auf ein Minimum beschränkt wird.

Eine hohe Flexibilität für die Prüfung von Prototypen, Vorserien und ständig wechselnden Produkten oder Teilsystemen ist genauso unabdingbar wie das Ausloten von Grenzbereichen unter extremen Umgebungsbedingungen. Durch die hochdynamischen Eigenschaften der Prüfstandsenergie-Systeme „ERS“ und ihre Leistungsfähigkeit können diese für vielfältige Simulationsaufgaben genutzt werden. Durch die umschaltbare Software ist es möglich, das Prüfstands-Energiesystem zum einen als Batteriesimulator für eine Fahrprofilprüfung eines Hybrid- oder EV-Antriebsstranges zu verwenden, um hierbei den Fahrzeugenergiespeicher realitätsnah nachzubilden. Wird andererseits eine reine Batterieprüfung durchgeführt, reicht das Aufgabenspektrum von der Charakterisierung des Energiespeichers bis zum Langzeit-Lebensdauertest und von der Hochlaufabsicherung bis zur EOL-Prüfung.

Funktionsweise

Für diese typischen Anwendungsbereiche der ERS-Geräte, beim Test von elektrischen Antriebssträngen oder Batterien unter möglichst realen Bedingungen, sind hochdynamische Regelungen von Spannung, Strom beziehungsweise Leistung und verzögerungslose kontinuierliche Übergänge zwischen Quelle- und Senke-Betrieb, zwingend notwendig. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bestehen die Geräte der Serie-ERS aus einem netzrückspeisefähigen Wechselrichter, bidirektionalen Schaltnetzteilen und einem nachgeschalteten Hoch-/Tiefsetzsteller. Der integrierte Wechselrichter arbeitet im Batterieladebetrieb bzw. im Motorbetrieb des Antriebstranges als Einspeisegleichrichter, der eine konstante Zwischenkreisspannung erzeugt. Die nachgeschalteten bidirektionalen Schaltnetzteile trennen über hocheffiziente Mittelfrequenz-Transformatoren die angeschlossene Last galvanisch vom Netz und übertragen die Leistung zur digital geregelten Endstufe. Diese arbeitet im Quellbetrieb als Tiefsetzsteller. Durch parallelgeschaltete IGBT-Brücken in der Endstufe und der PWM-Ansteuerung im „Interleaving-Verfahren” können auf Grund der daraus resultierenden 160-kHz-Pulsfrequenz, hochdynamische Sollwert- und Laständerungen mit unter einer Millisekunde (gemessen an Ohm’scher Last) ausgeregelt werden.

Im Batterieentlade- bzw. Generatorbetrieb des Antriebes, arbeitet die Endstufe als Hochsetzsteller. Der Stromfluss wechselt übergangslos die Richtung und die bidirektionalen Schaltnetzteile im Zwischenkreis übertragen die von der Last abgegebene Leistung in Richtung des Wechselrichters. Die zurückfließende Energie wird besonders rückwirkungsarm in das Versorgungsnetz eingespeist. Dies sorgt für eine effektive Energierückgewinnung. Die ERS-Serie kann in verschiedenen Regelungsarten wie Spannungs-, Strom- und Leistungsregelung betrieben werden. Diese werden mit Hilfe von FPGA-, DSP- und ADC-Komponenten komplett digital realisiert und ermöglichen damit hochdynamische Ausregelungsprozesse sowie individuelle Anpassungen der Parameter an die jeweilige Regelstrecke. Die manuelle Bedienung der Geräte erfolgt über ein Touch-Panel, mit umfangreichen Anzeigen, wie der aktuellen Ausgangswerte, den eingestellten Sollwerten, Regelungsarten und dem Geräte-Status. Mehrfach ausgeführte Überwachungseinheiten sorgen für einen sicheren Betrieb der Anlage und dem Schutz der angeschlossen Verbraucher. Zur Prüfstands-Einbindung und der Möglichkeit der automatischen Gerätesteuerung, steht standardmäßig eine CAN-BUS-Schnittstelle zur Verfügung. Hierbei können die Prozess Daten mit einer Frequenz von bis zu einem Kilohertz gelesen bzw. an das ERS-System geschickt werden. Je nach Kundenanforderung können auch weitere Schnittstellen integriert werden. Mit der optionalen RS485 Schnittstelle ist es möglich, das Gerät quasi in Echtzeit zu steuern.

48 V – das Bordnetz der Zukunft

Einsatz und Verbreitung von 48-V-Bordnetzsystemen werden in den kommenden Jahren durch die Verwendung von Micro- und Mildhybridsystemen stark zunehmen. Durch diesen Trend werden nicht nur neue Anforderungen an die verwendeten Komponenten und Module, sondern auch an deren Testsysteme gestellt. So garantiert die stetige Weiterentwicklung der hochdynamischen Prüfstands-Energiesysteme mit Netzrückspeisung von Heinzinger Electronic eine optimale Auslegung auch für diese Aufgaben. Die wassergekühlten Prüfstands-Energiesysteme der Serie ERS sind in zwei Ausgangsspannungskategorien von 600 VDC und 1.000 VDC, Ausgangsstromkategorien von ±300 A und ±500 A, sowie in Leistungsklassen von ±50 kW, ±120 kW, ±160 kW und ±250 kW standardmäßig lieferbar. Die Kombination aus hoher Regelgenauigkeit, geringer Restwelligkeit und einem großen Ausgangspannungsbereich bietet dem Anwender die Möglichkeit sowohl Hochvolt-Applikationen als auch 48-V-Anwendungen mit nur einemeinzigen Prüfstands-Energiesystem abzudecken und unter realistischen Bedingungen und Betriebszuständen zu testen.

Zweiter Kanal – neue Möglichkeiten

Standardmäßig sind die Prüfstandsenergie-Systeme sowohl als Einkanal-, als auch als Zweikanalversion verfügbar. Aufgrund der Modulbauweise der aktuellen Baureihe besteht außerdem die Möglichkeit einen zweiten Ausgangskanal zu einem späteren Zeitpunkt einfach nachzurüsten. Gründe für eine spätere Aufrüstung können zum einen ein begrenztes Budget für die Erst-Investition, zum anderen gestiegene technische Anforderungen an den Teststand sein.

Mit dem Einsatz eines Zweikanalgerätes bieten sich dem Anwender neben der Möglichkeit mittels Leistungsaufteilung zwei Prüflinge gleichzeitig zu versorgen eine Vielzahl unterschiedlicher Verschaltungsvarianten und Optionen. So kann zum Beispiel für die Validierung und Prüfung von Energiespeichern der Kanal #1 im Speisemodus und Kanal #2 im Rückspeisemodus betrieben werden und somit die gesamte Energie über die beiden Ausgangskanäle zirkulieren. Zum einen entstehen bei dieser Konfiguration weniger Verluste als bei der Verwendung von zwei Einzelgeräten, auch müssen nur noch die Verluste des Testaufbaus aus dem Netz gezogen werden.
Ein weiterer Vorteil, beim Einsatz eines Zweikanalgerätes, ist die Möglichkeit der Leistungserhöhung für einen Ausgangskanal. Basierend auf der bereits erwähnten Modulbauweise sind die Ausgangskanäle für jede Stromkategorie, unabhängig von der Leistungsklasse, identisch aufgebaut. Durch intelligentes Steuern der Testabläufe kann die Ausgangsleistung eines Kanales sogar über der maximalen Geräteleistung liegen. Daraus ergibt sich höchste Flexibilität für verschiedenste Testanwendungen.

Bildergalerie

  • Die Prüfstands-Energiesysteme der Serie ERS ermöglichen praxis- und realitätsnahe Tests mit hoher Prüfschärfe.

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  • Beim Einsatz eines Zweikanalgerätes kann Kanal #1 im Speisemodus und Kanal #2 im Rückspeisemodus betrieben werden und somit die gesamte Energie über die beiden Ausgangskanäle zirkulieren.

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