Herausforderungen der Elektrifizierung Komplexere Systeme und mehr Tests – bei weniger Zeit

Fortschreitende Elektrifizierung verändert die Automobilindustrie.
Fortschreitende Elektrifizierung verändert die Automobilindustrie.

Die fortschreitende Elektrifizierung verändert die gesamte Wertschöpfungskette der Automobilindustrie. Gerade bei der nahtlosen Integration von Verbrennungsmotor und Elektromotor in einem Fahrzeug (Hybridfahrzeuge) sind zusätzliche Testanforderungen zu berücksichtigen.

Die Antriebstechnik eines E-Fahrzeugs unterscheidet sich grundlegend von der eines Verbrennungsmotors. Kommen beide Antriebskonzepte in einem Hybrid-fahrzeug gemeinsam zum Einsatz beziehungsweise müssen sie in ein Fahrzeug integriert werden, hat das Auswirkungen auf die Testzeiten und -kosten. Im Fokus stehen dabei, die ordnungsgemäßen Systemfunktionen und -reaktionen sicherzustellen.

Wie Bild 1 veranschaulicht, sind Hybridantriebe deutlich komplexer als reine Verbrennungs- oder batterieelektrische Antriebe. Daher sind auch Tests an den Subsystemen des Elektroantriebs und umfassende Integrationstests erforderlich.

Testanforderungen von Hybridfahrzeugen

Elektromotoren und Umrichter haben schnellere Reaktionszeiten als Verbrennungsmotoren und zeigen zudem ein nichtlineares Verhalten über ihren gesamten Betriebsbereich hinweg. Da die Signale des Steuergeräts mit hoher Frequenz (2 - 20 kHz) übertragen werden, müssen bei Hardware-in-the-Loop-Tests (HiL) spezielle Motormodelle mit der 100-fachen Geschwindigkeit (200 kHz - 2 MHz) ausgeführt werden, um das System exakt zu replizieren. Daher sind beispielsweise FPGA-basierte Simulationstools erforderlich, die spezielle elektrische Modelle mit den erforderlichen Schleifenraten im Bereich von Mikrosekunden ausführen.

Tests auf Leistungsebene

Da Steuergerät und Umrichter in der Regel in einem Paket zusammengefasst sind, gestalten sich Tests auf Signalebene (–10 bis +10 V und einige mA) schwierig. Daher ist es sinnvoll, die Tests mit voller Leistung und echten Stromquellen und -senken durchzuführen – und zwar mit Leistungspegeln bis zu 200 kW. Das erfordert spezielle Messgeräte mit kanalweiser Isolierung sowie Netzteile, die entsprechende dynamische Lasten einspeisen und aufnehmen können.

Validierung von Akkumodulen/ -sätzen

Akkus müssen auf Zellen-, Modul- und Akkusatzebene charakterisiert werden, insbesondere für Plug-in-Hybridfahrzeuge (Bild 2). Aufgrund des großen Spannungsbereichs an den Akkusatz-Testpunkten und der nötigen Messgenauigkeit im Verhältnis zur Gleichtaktspannung, sind die Tests jedoch anspruchsvoll in der Durchführung und zudem kostenintensiv.

Ein Akkusatz verfügt über ein eigenes Steuergerät, das so genannte Batterie-Management-System (BMS). Das BMS wird mithilfe eines simulierten Akkusatzes auf Komponentenebene sowie zusammen mit dem Akkusatz auf Subsystemebene getestet. Der Akkusatz führt dabei die Steueralgorithmen und -funktionen aus. Zu den in Klimakammern durchgeführten Tests gehören sowohl Charakterisierungen als auch Lebensdauertests, da die Akkuleistung stark vom Lade-/Entladeverhalten sowie den Zykluszeiten über die Lebensdauer abhängt. Um die Menge an Testgeräten und erzeugten Daten effizient zu verwalten, sind spezielle Tools für die Testautomatisierung sowie die System- und Datenverwaltung notwendig. Sie gewährleisten zudem die Reproduzierbarkeit, Nachverfolgbarkeit sowie die Gültigkeit der Mess- und Prüfdaten.