Elektrofahrzeug mit seinen Komponenten und Windenergie-Erzeugung (Bild: dSPACE)

Systeme von Elektrofahrzeugen und Ladesysteme benötigen aufeinander abgestimmte Lösungskonzepte – angefangen bei den Testlösungen. (Bild: dSPACE)

| von Frank Puschmann

2020 wurden in Deutschland rund 200.000 reine Elektroautos zugelassen. Zusammen mit Plug-in-Hybriden waren es rund 400.000 elektrisch angetriebene Fahrzeuge, die eine Lademöglichkeit benötigen – eine große Herausforderung auch für die Energienetze. Denn Energie muss jederzeit verfügbar sein und ihre Erzeugung soll gleichzeitig nachhaltig geschehen. Förderprogramme der KfW setzen für die Förderung privater Ladeinfrastruktur die Nutzung von Ökostrom aus regenerativen Quellen voraus. Diese können den Bedarf jedoch nicht ohne intelligente Speicher decken.

Bei dieser Transformation geht es also nicht darum, zwei Industrien getrennt voneinander in Richtung Klimafreundlichkeit zu optimieren, sondern ein aufeinander abgestimmtes Lösungskonzept zu entwickeln. Zur Schnittstelle wird dabei die Ladesäule, denn sie kommuniziert sowohl mit den Energielieferanten als auch mit dem Fahrzeug. Heute ist der Energietransfer klar in Richtung Fahrzeug gerichtet. Künftig werden Elektrofahrzeuge vermehrt durch bidirektionales Laden auch Strom zurückspeisen.  

Komponenten für den Energietransfer

Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung der am Energietransfer beteiligten Komponenten. Auf der linken Seite sind die Komponenten einer regenerativen Energieerzeugung am Beispiel von Windkraft und Photovoltaik dargestellt.  

Um die unstetig erzeugte Energie zu puffern, sind große Energiespeicher notwendig. All diese Systeme wirken gemeinsam auf das Netz und liefern die Energie zur Ladestation. Die Ladestation passt die Energie an das angeschlossene Fahrzeug an. Unterschieden wird dabei in AC- und DC-Ladung. Beim AC-Laden übernimmt der On-Board Charger im Fahrzeug die nötige Gleichrichtung.

Schematische Darstellung von an einem Energietransfer zwischen Energieerzeugung und Elektroauto beteiligten Komponenten. (Bild: dSPACE)
Bild 1: Schematische Darstellung der am Energietransfer beteiligten Komponenten. (Bild: dSPACE)

Die Hochvoltbatterie

Heutige Fahrzeugbatterien sind leistungsstarke Energiespeichersysteme, die hohe Reichweiten und schnelles Laden ermöglichen und gleichzeitig höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen. Jedes batterieelektrische Fahrzeug benötigt daher ein Batteriemanagementsystem (BMS), um den sicheren Betrieb der Batterie zu gewährleisten. Das BMS übernimmt verschiedene Aufgaben, darunter die Spannungs- und Temperaturmessung, die Gesamtstrommessung, den Ausgleich des Ladezustands der einzelnen Zellen sowie den Betrieb von Relais und Sicherheitsroutinen.

Die Hochvoltbatterie liefert als zentrale Komponente die Energie an die verschiedenen elektrischen Systeme und Geräte im Fahrzeug. Eine effiziente Energieübertragung zwischen diesen Systemen sichern intelligent gesteuerte Leistungselektronik-Komponenten. Sie verbinden die unterschiedlichen Spannungsebenen.

Der Antriebsstrang

Der elektrische Antriebsstrang ist hingegen direkt mit der Hochspannungsbatterie verbunden. Der Antriebsstrang selbst und die darin verbauten Komponenten können aber stark variieren. Viele Autozulieferer und OEMs haben bereits sogenannte E-Achsen entwickelt, bei denen E-Motor, Getriebe, Leistungselektronik und Achse in einem Bauelement vereint sind.

Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor benötigen diese Lösungen weniger Bauraum, was ein völlig neues Fahrzeugdesign erlaubt. Die verwendeten Motorkonzepte variieren aber je nach Hersteller und Fahrzeug. Je nach geforderter Performance kommen ein oder mehrere Motoren zum Einsatz. Die Bandbreite der eingesetzten Motortypen reicht dabei von permanenterregten und fremderregten Synchronmotoren bis hin zu Asynchronmotoren oder geschalteten Reluktanzmotoren.

Schnelle Testlösungen sind gefragt

In der Entwicklung sind schnelle Testlösungen gefragt. Die zentralen Bauelemente, beginnend bei Energieerzeugung über Energiespeicherung bis hin zum Fahrantrieb, sind leistungselektronische Halbleiter. Diese Halbleiter werden sehr schnell getaktet, um beste Effizienz und hohe Performance zu gewährleisten.

Im Vergleich zum Verbrennungsmotor ergeben sich für die Elektromobilität zwei wesentliche Unterschiede. Erstens, die Zeitkonstanten der elektrischen Systeme sind um Größenordnungen kleiner als bei den klassischen Antriebssystemen. Zweitens müssen die Elektromotorsteuergeräte die volle Leistung liefern. Im Vergleich dazu muss das Steuergerät beim Verbrennungsmotor ausschließlich Signale wie Drücke, Temperaturen und die Kurbelwellenposition messen, um daraus Zündung und Einspritzung zu generieren. Die eigentliche Leistung entsteht durch die Explosion im Verbrennungsraum.

Das bedeutet zum einen, dass Entwicklungswerkzeuge für Elektromotoren schneller rechnen müssen. Das geschieht häufig dadurch, dass Algorithmen und Modelle in sehr schnellen Tasks synchron auf dem Prozessor gerechnet oder gar vollständig auf den FPGA verlagert werden. Zum anderen müssen die Werkzeuge geeignete Schnittstellen für die Verarbeitung der Leistungssignale bereitstellen.

Entwicklung von Regelalgorithmen

Für die Entwicklung neuer Regelalgorithmen kommen häufig hoch performante Rapid-Control-Prototyping-Systeme (RPC) zum Einsatz. Mit ihrer hohen Performance und vergleichsweise vielen Schnittstellen schaffen sie die sehr gute Voraussetzung, um neue Regelungsansätze modellbasiert in der realen Umgebung zu entwickeln. Anschließend generieren Seriencode-Generatoren wie TargetLink von dSPACE sowohl für klassische als auch für Autosar-basierte Architekturen C-Code automatisch direkt aus der grafischen Entwicklungsumgebung Simulink/Stateflow heraus.

Wie bei jeder anderen Anwendung auch müssen Steuergeräte für die Anwendung in der Elektromobilität vor der Markteinführung umfangreiche Tests bestehen. Eine rein PC-basierte Simulation, zum Beispiel mit dem Tool VEOS, ermöglicht frühe Integrations- und Funktionstests basierend auf dem Software-in-the-Loop-Ansatz (SIL) – unabhängig von jeglicher Hardware. Ist die reale Steuergeräte-Hardware verfügbar, bildet die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL) heute einen Standardbestandteil im Fahrzeugentwicklungsprozess als Methode zum Testen von Steuergeräte-Software (ECU). Die HIL-Simulation wird für alle Aspekte der Entwicklung eingesetzt, vom Funktionstest bis zum Freigabetest oder vom Test eines einzelnen Steuergeräts bis zum Testen eines kompletten Steuergeräteverbunds.

Nachgefragt bei: Markus Plöger, Director Electromobility & Electric Drives bei dSPACE

Markus Plöger, Director Electromobility & Electric Drives bei dSPACE

Der Markt für Elektromobilität hat im letzten Jahr enorm Fahrt aufgenommen. Wie wirkt sich das auf das Geschäft eines Anbieters von Testlösungen aus?

Mit Blick auf das Geschäft erfreulicherweise mit großer Nachfrage. Technisch werden unsere Aufgaben immer anspruchsvoller, denn unsere Kunden müssen bei ihren Entwicklungs- und Testaufgaben zunehmend die Komplexität des Zusammenspiels von Motoren Batteriemanagement, Leistungselektronik und Ladeinfrastruktur im Blick haben. Dazu benötigen sie einen Partner, der all diese Themen mitdenkt und eine End-to-End-Lösung dafür bereitstellt.

Wie profitieren Ihre Kunden davon?

Sie profitieren von steigender Entwicklungsproduktivität. Aufeinander abgestimmte Lösungen mit einheitlichen Bedienkonzepten und die durchgängige Wiederverwendbarkeit von Modellen und Software bei SIL-, HIL- und Testlösungen auf Leistungsebene machen die Arbeit der Entwicklungsabteilungen effizienter.  

Unterstützen Sie auch bei der Entwicklung von Brennstoffzellen-Systemen?

Für den Test der Brennstoffzellentechnologie bieten sich HIL-Lösungen an, wobei die Hardware der HIL-Systeme unverändert übernommen werden kann. Die passenden Simulationsmodelle haben wir entwickelt und bereits in Pilotprojekten eingesetzt. In unserer Simulations-Toolsuite ASM stellen wir unseren Kunden die Modelle zeitnah bereit.

Welche Anforderungen stellen anspruchsvolle BMS an die Testsysteme?

Im Bereich BMS-Systeme sind wir etabliert und bleiben selbstverständlich Innovationspartner unserer Kunden. Noch in diesem Jahr planen wir präzisere und schnellere Testlösungen für höhere Spannungen und Ströme bereitzustellen.

HIL-Test von E-Motor-ECUs

Bei der HIL-Simulation wird das reale Steuergerät an einen Echtzeitrechner mit passenden I/O-Schnittstellen angeschlossen. Typischerweise bieten HIL-Systeme Kleinsignalschnittstellen für Kommunikationsprotokolle, Sensorsimulationen (Drehgeber, Stromsensoren, Spannungssensoren etc.) und die Vermessung der Ansteuersignale der Leistungselektronik. Somit wird auf klassischen HIL-Systemen ein an der Leistungsschnittstelle freigeschnittenes Steuergerät verwendet, das Zugriff auf die internen Signale für Gate, Treiber und Stromwandler bietet.

Unter Verwendung von FPGA-basierten Motor- und Leistungselektronik-Modellen lassen sich die Abläufe in Echtzeit prüfen und absichern. Die modellbasierte Absicherung erlaubt es, jeden erdenklichen Parameter zur Laufzeit zu manipulieren oder gefahrlos Fehler aufzuschalten. Darüber hinaus ist es sehr einfach, zwischen unterschiedlichen Systemkonfigurationen hin und her zu wechseln. Unterschiedliche Motortypen, die Anzahl der Motorphasen, die Topologien der Leistungselektronik oder die Drehgeberkonfigurationen lassen sich per Mausklick ändern.

Power-HIL-Technologie

In der Vergangenheit schlossen sich an die Hardware-in-the-Loop-Tests die Absicherung auf dem Prüfstand oder Tests direkt im Fahrzeug an. Bereits beim Prüfstandtest mit dem realen Motor geht aber die Flexibilität des HIL-Tests verloren und jeder Drehgeber- oder Motortausch endet in immensen Rüstzeiten auf dem Prüfstand. Dieses führt zu hohen Betriebskosten und langen Testzeiten.

Genau hier kommt die Power-HIL-Technologie ins Spiel: Power-HIL kombiniert die Flexibilität klassischer HIL-Systeme mit der echten Leistung – das bedeutet: Obwohl der reale Motor durch ein flexibles Modell ersetzt wird, fließen die Ströme eines echten Elektromotors. Modelle, Bedienoberflächen und auch die Testautomatisierungen sind aus dem HIL-Test wiederverwendbar.  Mit Power-HIL vergrößert sich die Testtiefe der Leistungselektronik, da reale Spannungen und Ströme zum Einsatz kommen. Gleichzeitig bleibt der übrige Teil des Antriebssystems, insbesondere der Motor, rein virtuell und erlaubt ein hohes Maß an Flexibilität. Ein Power-HIL hat also keine drehenden Teile und bietet im Leistungsbereich von wenigen Kilowatt bis zu einigen Megawatt sehr gute Bedingungen für den Test der Leistungselektronik (Bild 2).

Power-HIL-Test eines Umrichters auf Leistungsebene. (Bild: dSPACE)
Bild 2: Test eines Umrichters auf Leistungsebene (Power-HIL-Testing). Testumgebungen bietet dSPACE in Form von Simulationsmodellen für Batterie- und E-Motor-Modelle an. (Bild: dSPACE)

Test von Ladesystemen

Für eine nahtlose Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und den Ladestationen müssen Onboard-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge alle weltweiten Standards wie CHAdeMO (Japan), GB/T (China) und ISO 15118 beherrschen. Lösungen für die Entwicklung und den Test der Ladekomponenten müssen diese Standards gleichermaßen abdecken. Zusätzlich ermöglichen standardisierte Testbibliotheken automatisierte Konformitätstests der Ladesteuergeräte. Durch eine Kombination mit passender Leistungselektronik lässt sich der vollständige Ladevorgang, ob AC oder DC, mit echter Leistung testen.

Für die Validierung von Regelalgorithmen der leistungselektronischen Komponenten in einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung werden zudem echtzeitfähige Modelle der Leistungselektronik benötigt. Je nach Komplexität und Dynamik der Anwendung können dies fertige Modelle, generische und einfach zu bedienende Tools oder schaltungsspezifische Implementierungen sein. Eine topologiebasierte Modellierung auf Basis des Schaltplans vereinfacht in vielen Fällen die Erzeugung des entsprechenden Modells deutlich, egal ob komplexe DC/DC-Topologie oder kompakter Gleichrichter.

Fazit

Der Wandel der Automobilindustrie zur Elektromobilität stellt neue Anforderungen an die Entwicklung und den Test von Motoren, Batterien, Ladesystemen und Ladeinfrastruktur. Als erfahrener Partner für Simulation und Validierung deckt dSPACE die Anforderungen an das Testen sämtlicher Komponenten ab. Durchgängig einsetzbare Modelle und Werkzeugketten sorgen für die Wiederverwendbarkeit von Parametrierungen und definierten Testsystemen, reduzieren die Kosten und beschleunigen die Entwicklung.

Autor

Frank Puschmann ist Product Manager E-Mobility Solutions bei dSPACE.

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