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AUTOREN MORITZ KNEBEL ist Lead Engineer im Bereich E-Mobility bei der Bertrandt Technikum GmbH in Ehningen. JÖRG FEHRENBACHER ist Versuchsingenieur in der Abteilung E-Mobility bei der Bertrandt Technikum GmbH in Ehningen. SYSTEMINTEGRATION Die Integration von Hochvoltkomponenten in Hybrid- und Elektrofahrzeuge stellt nicht nur die Industrie vor große Herausforderungen. Der Einzug der Hochvolttechnologie in die automobile Welt stellt auch Werkstätten, Rettungskräfte und schlussendlich die Verbraucher vor neue Aufgaben und konfrontiert sie mit möglichen Gefahren. Beispielsweise erhält der Sicherheitsaspekt eine neue Bedeutung, da aufgrund neuer Antriebsstränge bei einem Unfall elektrische Spannung freigesetzt werden kann. Die wichtigsten Punkte für den Verbraucher sind Kosten, Reichweite, Sicherheit und Funktionalität. Die Industrie muss zusätzlich sowohl die einzelnen Komponenten als auch die komplette Fahrzeugumgebung betrachten und anpassen. Zur optimalen Entwicklung und Markteinführung werden mehrere Antriebsmöglichkeiten miteinander kombiniert. Nachfolgend wird auf zwei Praxisbeispiele näher eingegangen: : die Integration des Elektroantriebs als Hybridbauweise sowie : den vollelektrischen Antriebsstrang, ❶. Im Zuge der Hybridisierung werden Komponenten aktuell in bestehende Fahrzeuge implementiert. Dies wird sich mit den nächsten Fahrzeuggenerationen ändern. Mehrere Punkte, wie beispielsweise Sicherheit und Funktionalität, spielen dabei eine große Rolle. Es reicht heutzutage nicht mehr aus, die einzelnen Hochvoltkomponenten getrennt voneinander zu testen, da eine Aussage über die komplette Funktionalität mit realen Bauteilen fehlt. Sicherlich prüfen die Hersteller den gesamten Teil ihres Pflichtenhefts, aber Versuche mit allen realen Hochvoltbauteilen aus dem Fahrzeug sind ein wichtiger Bestandteil der System integration. Die Komplexität wird nicht zuletzt von der Anzahl der einzelnen Steuergeräte bestimmt, denn ein wesentliches Element ist die Kommunikation der Kontroller untereinander. Diese Flut an Informationen muss zum Teil simuliert, aber auch durch das Einbinden realer Signale im Gesamtsystem Mai 2013 Automotive Engineering Partners ❶ E-Maschine, Leistungselektronik sowie Energiespeicher mit On-Board-Charger 31
ENGINEERING HOCHVOLTKOMPONENTEN ❷ Batterietester, Batterieemulator (links) und Batterieprüfplatz (rechts) abgebildet werden. Dabei werden diejenigen Signale nachgestellt, deren Steuergerät nicht im Prüfstand integriert ist. Im Gesamt- oder auch Teilsystem werden diverse Betriebsarten und Fehlerfälle simuliert, um auf diese Weise die Reaktion der einzelnen Komponenten innerhalb des Systems zu erfassen. Jegliche Art von Soft- und Hardwareänderung macht solche Tests notwendig, um die Funktion und die daraus resultierenden Reaktionen auf bestimmte Ereignisse erneut zu überprüfen und einen Soll/Ist- Abgleich zu ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Thermodynamik. Sie ist wesentlicher Bestandteil der Tests. Die zu prüfenden Bauteile werden vor den elektrischen beziehungsweise funktionalen Tests in den Klimakammern einer bestimmten Temperatur und Luftfeuchte ausgesetzt. Durch die Überlagerung von elektrischen und klimatischen Umweltsimulationstests werden Grenzwerte der Komponenten angefahren, um deren Reaktion bei extremen Bedingungen zu prüfen. Als Basis werden Hochtemperatur- und Tieftemperaturtests durchgeführt, damit Schwachstellen im Thermo- oder im Energiemanagement aufgedeckt werden können. Das Ziel ist die Validierung des funktionalen und thermischen Verhaltens der Prüflinge, ❷. Lage, Komponenten sowohl einzeln als auch im Verbund zu prüfen. Dabei wird vor oder während der Prüfung der jeweilige Betriebszustand, also Energie- und Kommunikationszweige, ein- beziehungsweise umgestellt. Bei der Einzelprüfung sind jeweils eine Hauptkomponente (Netzemulation, Batterietester oder Bremsmaschine) des Prüfstands sowie ein Prüfling (On-Board- Charger, Leistungselektronik, Hochvoltenergiespeicher oder Antriebsmaschine) in Betrieb. Das bedeutet, Energiezweig und Kommunikation sind von den anderen Zweigen abgekoppelt, ❸. Bei der Auslegung des Verbundprüfstands wurde darauf geachtet, dass die Kabel- und Leitungswege möglichst kurz beziehungsweise fahrzeugnah sind, um Verfälschungen bei Messwerten und die Einstreuung von Stör größen möglichst gering zu halten oder ganz auszuschließen. Die Prüflinge werden mit dem Kabelsatz aus dem Fahrzeug verbunden. Als Adaption in das Testsystem wird dieser fahrzeugspezifische Leitungssatz an eine Übergabebox angeschlossen, um die Verbindung zum Prüfstand herzustellen. Bei Teilverbund- oder Verbundprüfungen werden die verschiedenen Betriebsarten aus dem Fahrzeug nachgestellt. Die Varianz bei den verschiedenen Betriebsarten ist dabei sehr komplex und stellt die Entwickler bei der Umsetzung der Funktionalität des Prüfstands vor große Herausforderungen. Der Prüfstand ist so aufgebaut, dass sogar „Parallelbetriebsfälle“ mit mindestens zwei Prüflingen gleichzeitig möglich sind. Bei zwei parallelen Betriebsfällen, ❹ (links), erfolgen die Versorgung des On-Board-Chargers (OBC) über Netzemulation und Laden über den Batterietester (als Senke) und der Betrieb des Hochvolt(HV)-Energiespeichers über Leistungselektronik und E-Maschine. Die Bremsmaschine stellt das Bremsmoment als Gegenmoment dar. Bei einem sequenziellen Verbundbetriebsfall, 4 (rechts), erfolgt zuerst die Stromversorgung des OBC über die Netzemulation und direktes Laden des Energiespeichers (Laden während des Parkens). Im Anschluss erfolgt der Betrieb der Antriebsmaschine über die Leis- FUNKTION DES VERBUNDPRÜFPLATZES Die Hauptkomponenten Netzemulation, Batterietester und Bremsmaschine des Verbundprüfplatzes sind energietreibend und -aufnehmend. Sie versorgen die zu prüfende Komponente zum jeweiligen Zeitpunkt mit der angeforderten Energie, die mechanischer oder elektrischer Natur sein kann. Der Prüfstand ist in der 32 ❸ Prüfung des Hochvoltenergiespeichers - dieser wird über den Batterietester geladen oder entladen
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