Elektromobilität auf dem Prüfstand

Das Ziel der Bundesregierung ist ehrgeizig: Bis zum Jahr 2020 sollen eine Million Elektroautos auf Deutschlands Straßen unterwegs sein. Vorher sind jedoch noch zahlreiche Fragen zur technischen Basis zu klären – bei vollelektrischen Antrieben ebenso wie bei Hybriden. Unabhängig vom gewählten Antriebskonzept geht es für die Automobilindustrie in den nächsten Jahren darum, serientaugliche Traktionsantriebe zu entwickeln und diese durch umfassende Prüfungen und Tests technisch abzusichern.

Im Moment sind viele Fahrzeughersteller, Zulieferer und Entwicklungsdienstleister allerdings noch dabei, die erforderliche Prüfstandstechnik für eine weitreichende Validierung aufzubauen. Derzeit sind fast ausschließlich komponentenbasierte Prüf- und Testsysteme im Einsatz, die lediglich Grundfunktionalitäten abdecken und noch kaum automatisierte Laboraufbauten unterstützen. Viele Anbieter konzentrieren sich zunächst auf Antriebssysteme und Komponenten mit geringer elektrischer beziehungsweise antriebsdynamischer Leistung oder sind noch mit Grundlagenforschung und dem Nachweis der grundsätzlichen Machbarkeit beschäftigt. Dauerlauftests und Stresstests, die für eine Absicherung der Serientauglichkeit unverzichtbar sind, spielen in der Praxis heute noch eine untergeordnete Rolle.

Doch benötigen Hersteller, Zulieferer und Dienstleister Prüfstandskonzepte und -lösungen, die standardisierte und in der Industrie bewährte Hardware- und Schnittstellentechnologien mit flexiblen, innovativen und zukunftssicheren Applikationen für E-Mobility in Einklang bringen. Für die Entwicklung serienreifer elektrischer Antriebe müssen Unternehmen künftig in der Lage sein, nicht nur einzelne Komponenten zu validieren, sondern die Zuverlässigkeit des Antriebsgesamtsystems abzusichern. Als einer der ersten Anbieter hat Kratzer Automation daher ein Gesamtkonzept entwickelt, das sowohl den Test einzelner Onboard-Komponenten als auch den Test des kompletten Antriebsstrangs unterstützt. Dafür steht eine ganze Palette an Prüfstandslösungen bereit, die sich kombinieren lassen – von Batterie-Testern und -Simulatoren über Emulatoren und Prüfstände für Elektromotoren bis hin zu Prüfanlagen für Brennstoffzellen, Umrichtern und DC/DC-Wandlern.

Anwender haben damit die Möglichkeit, unterschiedliche Varianten von elektrischen Antrieben und verschiedene Verfahren der Energieerzeugung und Energiespeicherung auf ihrer Prüfanlage abzubilden. Innerhalb des Verbundaufbaus lassen sich einzelne Prüflingskomponenten sicher und flexibel zu- und abschalten, um zum Beispiel temporär den Batterie-Prüfling durch einen Batterie-Simulator zu ersetzen. Zudem können nach Bedarf Subsysteme wie Klimakammern oder Shaker integriert werden.

Hohe Flexibilität ist bei Prüfständen für elektrische Antriebe auch im Detail gefragt. So werden etwa für die realistische Nachbildung von Batterien und die Umsetzung weiterer Testszenarien DC-Steller mit extrem hoher Dynamik und einem weiten Stellbereich benötigt. Die Fahrzeugenergiesysteme von Kratzer decken ein Leistungsspektrum von 30 kW bis 500 kW ab und unterstützen Spannungslagen von bis zu 1000 V sowie Ströme bis 1500 A. Durch Parallelschaltung lässt sich die Maximalleistung erhöhen. Darüber hinaus erlaubt die DC-Quelle/Senke für die Darstellung von Transienten mitunter Sollwertsprünge von 10 % auf 90 % des Skalenendwertes in weniger als 0,4 ms.

Angesichts der hohen elektrischen Spannungen und Ströme gelten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge neue und teilweise deutlich höhere Sicherheitsanforderungen als bei konventionellen Antrieben. Mit Prüfeinrichtungen müssen Unternehmen die Erfüllung dieser Standards nachweisen können. Zu den möglichen Gefahren gehören vor allem die Entzündung oder Explosion von Batterien oder Brennstoffzellen durch Überladung oder der Kontakt mit den tödlichen Spannungen und Strömen im Hochvolt-Leistungskreis. Auch das Personal im Prüffeld, die Prüflinge und die Prüfsysteme selbst müssen vor Risiken zuverlässig geschützt werden. So sollten sich Ausnahmesituationen am Prüfstand, wie zum Beispiel die Havarie eines Batterie-Prüflings, durch ineinander greifende Überwachungs- und Abschaltfunktionen und entsprechende Hardware- und Software-technische Schutzeinrichtungen sicher beherrschen lassen.

Ein entscheidender Faktor für die Effizienz von Prüf- und Testprozessen ist der Automatisierungsgrad eines Prüfstands. Das Automatisierungssystem Patools ermöglicht reproduzierbare automatisierte Prüfungen mit hoher Wiederholungsgenauigkeit. Durch seinen modularen Aufbau lässt es sich an individuelle Kundenbedürfnisse anpassen und unterstützt auch die Anbindung von Fremdsystemen über Schnittstellenstandards wie CAN, Ethercat, Ethernet oder Profibus. Zudem steht dem Anwender der Quelltext der Automatisierungssoftware offen. So hat er die Möglichkeit, die Parametrierung und Programmierung von Applikationen selbst zu übernehmen. Für das Management der gewonnenen Prüfdaten steht die Software Testxplorer zur Verfügung. Damit können alle Testergebnisse flexibel organisiert und unternehmensweit zugänglich gemacht werden. Zudem bietet sie Funktionen für die Planung und Standardisierung von Testabläufen und trägt somit dazu bei, den Entwicklungsprozess weiter zu beschleunigen.

Kratzer Automation, Unterschleißheim www.kratzer-automation.com