Schnelle Messungen in Hochvolt-Umgebung

Anwendungsfälle, Besonderheiten, Voraussetzungen

Moderne elektrische Fahrzeugtechnologien stellen hohe Anforderungen an das Hochvolt-Bordnetz und die verbundenen Baugruppen. Die im elektrischen Antriebsstrang eingesetzte Invertertechnologie verwendet sehr schnelle Schaltvorgänge, deren Einfluss auf das Bordnetz eine genaue Analyse benötigt.

Entscheidend für die Auslegung elektrischer Fahrzeugkomponenten in Hochvolt-Umgebungen ist der dort vorherrschende Verlauf von Spannung und Strom. Während des Betriebs gibt es Situationen, in denen kurzzeitige Spannungs- und Stromspitzen auftreten. Die Länge dieser Peaks liegt oft nur im Bereich von Milli- oder Mikrosekunden. Trotzdem können Komponenten durch solche extremen Spannungs- und Stromspitzen beschädigt werden, da sie oft weit höher als die dort dauerhaft anliegenden Werte sind. Es ist essentiell, diese Peaks zu erkennen. Erst eine Abtastung mit hohen Messdatenraten ermöglicht deren Detektion.

Die Messung des realen Spannungsverlaufs aller drei Phasen am Inverter im Fahrversuch ist dabei eine naheliegende Messaufgabe. Auch die Optimierung von Elektromotor und Inverter am Prüfstand stellt einen Anwendungsfall für schnelle Messungen dar. Interessant ist neben der Erfassung von Transienten im Spannungsverlauf vor allem der Effektivwert der modulierten Sinus-Wechselspannung. Der Wechselrichter (Inverter) arbeitet mit Frequenzen im zweistelligen kHz-Bereich und erzeugt einen zerhackten Spannungsverlauf. Die Umrechnung in einen Effektivwert erfordert daher ein hohes Oversampling.

Die Berechnung des Effektivwerts der Spannung wird besonders dann relevant, wenn gleichzeitig auch ein Effektivwert des Stroms zur Verfügung steht. Hier muss im Regelfall nicht derart hoch abgetastet werden, da sich der Strom nicht so schnell ändert. Eine Multiplikation beider Werte am exakt gleichen Zeitpunkt ergibt einen Verlauf der Effektivleistung.

Die synchrone High-Speed-Datenerfassung über das EtherCAT®-Protokoll mit robuster dezentraler Messtechnik ermöglicht völlig neue Analysemöglichkeiten im Fahrversuch. Durch die Synchronität der Messdaten befinden sich die einzelnen Messpunkte alle Spannungen und Ströme exakt auf der gleichen Zeitachse. Durch die hohe zeitliche Abtastung von Spannung und Strom werden so hochgenaue Leistungsberechnungen möglich.

Auch Messungen an HV-Komponenten außerhalb des Fahrzeugs, wie Ladestationen und Umrichtern, können wegen ihrer Wechselwirkungen mit dem Bordnetz interessant sein. Hier stellt sich die Frage, inwiefern sich Störungen im Versorgungsnetz auf das Bordnetz auswirken – und umgekehrt.

Im Fahrzeug selbst werden Messungen an HV-Verbrauchern, wie Klimaanlage, Lenkung und Bremsen, durchgeführt. Zukünftig werden immer mehr Komponenten elektrifiziert und eine steigende Anzahl an Verbrauchern über das Hochvolt-Bordnetz versorgt. Auch hier müssen Einflüsse auf das Bordnetz validiert werden.

Die Leistungsverbraucher werden im Regelfall getaktet, also über Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert und geregelt. Relevant ist hier ebenfalls die Darstellung der Effektivleistung, oft auch parallel und synchron zu anderen physikalischen Größen, wie etwa Bremsdrücken, Gierraten etc. Zur Visualisierung dieser Vorgänge sind Messdatenraten im dreistelligen kHz-Bereich nötig. Eine Abtastung mit niedrigeren Frequenzen reicht hier nicht mehr aus.

Die messtechnische Herausforderung besteht nun darin, die richtigen Geräte zur Datenerfassung zu finden. Die CSM GmbH bietet ein breites Portfolio von Messmodulen für den Einsatz in Hochvolt-Umgebungen an. Die Bandbreite der bewährten CAN-Messtechnik ist für die Erfassung der hier beschriebenen Phänomene und Messaufgaben nicht mehr ausreichend

Mit den CSM ECAT Messmodulen für Hochvolt-Anwendungen sind Messdatenraten bis zu 1 MHz pro Messkanal verfügbar. CSM bietet dabei das Messmodul HV AD4 XW1000 für kontinuierliche Spannungsmessung bis zu 1.000 V an. Für die Erfassung transienter Überspannung sind die Messbereiche der Analogeingänge auf ±2.000 V dimensioniert.

Die Erfassung des Stromverlaufs muss ebenfalls mit einem geeigneten Sensor erfolgen. Hier bieten sich Hall-Effekt-basierte Sensoren an, da ein solcher Stromwandler hohe Grenzfrequenzen ermöglicht. Zusätzlich wird eine galvanische Trennung zwischen Versuchsaufbau und Messtechnik gewährleistet. Hier hat CSM die LEM Sensorpakete entwickelt, die auf die ECAT Messmodule abgestimmt sind und anschlussfertig geliefert werden.

Die Datenerfassung erfolgt mit den neuen Software-Tools vMeasure CSM/EXP oder mit bewährten und bekannten Programmen wie CANape von Vector und INCA von ETAS. Zusätzlich können Steuergerätevariablen zeitlich synchron aufgezeichnet werden.