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    Validierung des Hochvolt-Bordnetzes

    Schnelles und präzises Messen

    Validierung des Hochvolt-Bordnetzes

    Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs führt zu neuen und strengeren sicherheitstechnischen Anforderungen. Hochvoltkomponenten unterliegen beispielsweise nationalen und internationalen Vorschriften wie ECE-R 100 und Normen wie ISO 7637-4. Zudem müssen Systeme im Fahrzeug gleichzeitig funktional, sicher, robust, kompakt, leicht und effizient sein. Aus diesen Anforderungen ergibt sich eine hohe Systemkomplexität.

    Das Gesamtsystem besteht aus Komponenten, die von unterschiedlichen Lieferanten oder Entwicklungsabteilungen parallel entwickelt werden. Solche Komponenten für das Hochvolt-(HV)-Bordnetz sind unter anderem E-Maschine, Batterie, Wechselrichter, On-Board Charger, elektrische Heizer, E-Kompressor oder DC/DC-Wandler. 

    Sowohl die einzelnen Komponenten als auch das gesamte System müssen verifiziert und validiert werden. Dies geschieht in frühen Entwicklungphasen durch Simulation und am Prüfstand. Eine endgültige Freigabe kann jedoch erst in der realen Umgebung des Prüflings erfolgen. Aufgrund der beiden DC-Netze und des dazugehörigen DC/DC-Wandlers ist das Bordnetz eines Elektrofahrzeugs deutlich komplexer als das eines herkömmlichen Fahrzeugs. Die Auslegung des Antriebsstrangs, der Ladekomponenten und der HV-Verbraucher stellen völlig neue Anforderungen. Hier können Bordnetztopologie, Spannungspegel auf der Niederspannungs- und Hochvolt-Seite bis 800 V, sowie Anforderungen an Last und Dynamik von Fahrzeug zu Fahrzeug variieren.

    Grafik der Komponenten in einem Hochvolt-Bordnetz

    Die Herausforderung

    Die Validierung des HV-Bordnetzes stellt sehr hohe Anforderungen bezüglich Abtastrate, HV-Sicherheit und Skalierbarkeit des verwendeten Messsystems. Um sicherzustellen, dass alle HV-Systemkomponenten in jeder erdenklichen Fahrsituation in ihrem spezifizierten Spannungsbereich arbeiten und betriebsfähig sind, wird das gesamte HV-Bordnetz an zahlreichen Punkten instrumentiert und vermessen.

    Um zusätzlich Effekte wie Spannungsspitzen infolge von Leitungsinduktivitäten, durch abrupten Lastwechsel oder Koppelkapazitäten der schnellen Schaltvorgänge in der Leistungselektronik zu erfassen und zu quantifizieren, müssen diese Messungen mit sehr hoher Abtastrate erfolgen. Für eine Analyse der Fehlerursache müssen all diese Messungen zeitsynchron sein und können nicht von verschiedenen, nicht gekoppelten Messsystemen stammen. Auch die Steuergeräte im Fahrzeug liefern neben den Messgrößen auf den unterschiedlichen Fahrzeugbussen für die Validierung relevante und wichtige Informationen, weshalb auch diese zeitsynchron mit gemessen und in die Bewertung des Gesamtverhaltens einbezogen werden müssen.

    Selbstverständlich muss die eingesetzte Messtechnik HV-geeignet sein, um sowohl in der Werkstatt als auch im Betrieb jedwede Gefährdung für die Anwender auszuschließen. Die Validierung in extremen Fahr- oder Betriebsbedingungen stellt sicher, dass die konkrete Auslegung des HV-Bordnetzes ausreichende Reserven für den uneingeschränkten Betrieb des Fahrzeugs bietet. Bei den hierzu durchgeführten Fahrversuchen können auch die Effekte von 2 Elektromotoren überprüft werden, deren Störungen sich überlagern. 

    Da Spannungsspitzen ein sehr schneller und sporadischer Effekt sind, der Tester aber trotzdem während der Fahrt ebendiese Information benötigt, kommt auf die Messsoftware eine besondere Anforderung zu: Sie muss in der Lage sein, die Signale online auszuwerten und zu verrechnen, um beispielsweise Trigger für die Aufzeichnung auszulösen. Die Trigger-Bedingung kann dabei zum Beispiel auf der Ableitung des Spannungssignals nach der Zeit erfolgen, um zu erkennen ob ein Maximalwert für schnelle Spannungsänderungen überschritten wurde. Für eine spätere Detailanalyse oder zur Dokumentation muss das Messsystem selbstverständlich in der Lage sein, alle Daten (HV-Messgrößen, Steuergeräte-Messgrößen und berechnete Größen) aufzuzeichnen.

    Die Lösung

    Eine perfekt abgestimmte Werkzeugkette aus HV-sicheren Messmodulen, Steuergeräte-Messtechnik und Software für synchronisierte Online-Messdaten-Erfassung und Datenanalyse während des Fahrversuchs:

    • Vector und CSM bieten ein modulares, HV-sicheres Messsystem zur gleichzeitigen Erfassung von Messgrößen aus dem HV-Netz und Steuergeräten
    • Die HV Breakout-Module (HV BM) von CSM sind speziell für dezentrale und sichere Messanwendungen an HV-spannungsführenden Kabeln konzipiert. Für die bestmögliche Adaption an das HV-Netz stehen verschiedene HV BM Shunt-Module zur Verfügung. Diese sind fest eingebaut und werden im Nennstrombereich von 50 A bis 800 A angeboten. 
    • Strom und Spannung werden im HV BM synchron und mit einer Datenrate von bis zu 1 MHz (1 μs) erfasst. Die Genauigkeit der Strom- und Spannungsmessung ist besser als 0,2 %.
    • Mit den leistungsfähigen und flexiblen Vector Netzwerk-Interfaces lassen sich Informationen der Steuergeräte über alle verfügbaren Bustechnologien und Protokolle erfassen.
    • Bei der Validierung des Gesamtsystems sind je nach Anzahl der verwendeten HV-Komponenten deutlich mehr Messpunkte notwendig als bei der Messung zur Überprüfung der Effizienz oder der Dynamik einer Komponente beispielsweise des Elektromotors. Für einen Pkw liegt dies im Bereich von 10 bis 20 Messpunkten, für Lastkraftwagen steigt diese Zahl noch an. Die Signale werden von der Vector Software vMeasure exp synchron erfasst und können direkt online verarbeitet werden, um beispielsweise bestimmte Aufzeichnungen auszulösen oder weitere für den Test relevante Größen zu berechnen.

    Alle Bilder Videos
    Foto CSM HV Breakout-Module (BM)
    Die HV Breakout-Module (BM) wurden speziell für sichere Messanwendungen an HV-Spannung führenden Kabeln konzipiert. Strom und Spannung werden erfasst und die Leistung online im Modul berechnet.
    Screenshot vMeasure exp Auswertung der Messdaten
    vMeasure exp: Schnelle Auswertung der Messdaten mit benutzerdefinierbaren Anzeigefenstern
    Screenshot vSignalyzer Messdatenauswertung
    vSignalyzer ist das komfortable Werkzeug zur effizienten Auswertung von Messdaten aller Art
    Foto der leistungsfähigen und flexiblen Netzwerk-Interfaces
    Leistungsfähige und flexible Netzwerk-Interfaces für CAN (FD), LIN, J1708, Ethernet/IP, FlexRay, 802.11p und MOST.

    Die Vorteile

    Innovatives, schnelles, präzises und flexibles Messen für die Validierung und Verifikation des HV-Bordnetzes im Labor und im Fahrversuch:

    • Wie alle Messmodule von CSM sind auch die BM-Module klein, robust und für die direkte Montage im Fahrzeug ausgelegt. Dadurch kann die Erfassung direkt an der Messstelle vorgenommen werden. Zusätzliche Stromsensoren, lange Messkabel und Messgeräte im Fahrzeug sind nicht notwendig. Dies spart nicht nur Zeit und reduziert das Risiko, sondern verkürzt die Messkette und verbessert die Qualität der Messung. 
    • Synchrone Erfassung aller Signale, auch von Steuergeräten oder von Fahrzeugbussen
    • Die leistungsfähige Messsoftware vMeasure exp führt auf Kanälen während der Messung komplexe mathematische Operationen durch. So erfolgt neben der Aufzeichnung der direkt erfassten Messgrößen auch gleichzeitig die Filterung oder Ableitung von Signalen. Diese wird ebenfalls zeitsynchron aufgezeichnet oder dem Messsystem als Trigger-Signal zur Verfügung gestellt.
    • Der Anwender ist in der Lage die Strom- und Spannungsdynamik im Bordnetz und an den Verbrauchern direkt zu messen und erhält unmittelbares Feedback während des Fahrversuches, was die Erprobung und eine spätere tiefere Analyse deutlich effizienter macht.

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