Test von Hochvoltkomponenten

Nach der Prüfstandsentwicklung testen Ingenieure und Techniker die Komponenten und werten die Daten mit verschiedenen Tools aus.ASAP

Die Automobilbranche steht im Rahmen der Elektrifizierung des Antriebstranges vor einer neuen Herausforderung: Hochvoltkomponenten verändern die Anforderungen an das Automotive Testing. Der Einsatz von bis zu 600 V Gleichspannung hat Auswirkungen auf Technik, Qualifikation der Mitarbeiter sowie Arbeitssicherheit. Bereits beim Aufbau kleiner Laborversuche ist daher bei Weitem mehr zu berücksichtigen als bislang. So müssen Mitarbeiter, um einen Hochvolttestaufbau in Betrieb zu nehmen oder Messungen während des Betriebs durchzuführen, heute eine Ausbildung zur Elektrofachkraft besitzen. Gleichzeitig ist aber auch der logistische Aufwand, der durch zusätzliche Kennzeichnungen und Dokumentationen zu erfolgen hat, wesentlich umfangreicher. Neben diesen strukturellen und organisatorischen Vorgaben gibt es zahlreiche technische Anforderungen. Derzeit existieren kaum Messsysteme und Module zur Erfassung aller relevanten Signale und Größen, um zum Beispiel eine Leistungselektronik oder andere vernetzte Hochvoltkomponenten lückenlos zu überwachen. Des Weiteren muss für den Betrieb von Hochvoltkomponenten meist zusätzlich ein Kühlkreislauf mit einem flüssigen Kühlmedium aufgebaut und angeschlossen werden, über welchen die Komponenten ihre Verlustleistung abführen können. Nicht zuletzt sind für den Betrieb des Prüfteils spezielle Versorgungsspannungen für den Hochvoltteil notwendig, die einerseits sehr kostenintensiv sind und deren Regelparameter andererseits exakt auf die Anwendung abgestimmt werden müssen.

Das Testen von Hochspannungskomponenten in der Automotive-Umgebung erfordert speziell qualifizierte Mitarbeiter.ASAP

HV-Prüflabor

Prüflabore, die in Zukunft Hochvoltkomponenten testen und validieren wollen, sehen sich also neben der Qualifikation der Mitarbeiter, der Ausarbeitung umfangreicher Sicherheitskonzepte und dem Aufbau von Prüfsystemen auch der Notwendigkeit massiver Investitionen ausgesetzt. Als internes Kompetenzzentrum für den Bereich Elektrik/Elektronik ist die ASAP Electronics GmbH für die Kunden der ASAP-Gruppe deutschlandweit in diesem Bereich tätig. Für viele unterschiedliche Anwendungen stehen dabei Prüfsysteme sowie Produkte für die Mess- und Prüftechnik zur Verfügung. Ingenieure und Techniker entwickeln zudem kundenspezifisch individuelle Hard- und Softwarelösungen. Daneben umfasst das Leistungsspektrum ein unabhängiges Test- und Erprobungszentrum für die Validierung von elektronischen und mechatronischen Komponenten zur Sicherstellung und Optimierung der Produktqualität.
Vor Beginn der eigentlichen Prüfstandskonzeption erfolgt die Abstimmung und Plausibilisierung der Testanforderungen im Detail mit dem Kunden. Beim Testen von Hochvoltkomponenten sind viele der Testbestimmungen jedoch bisher von den OEMs und Normengremien nicht bis ins Detail festgelegt, so dass für die jeweilige Komponente und deren Schnittstellen immer wieder individuell adaptierte Varianten erforderlich sind. Im Gespräch mit den Entwicklern legen die Experten die Belastungszustände und die zu erwartenden Reaktionen des Prüflings fest, so dass eine möglichst gute Skalierung der Peripherie auf das Prüfteil erfolgen kann. Dazu zählen beispielsweise die Auslegung von Strombelastungen und Spannungsbereichen sowie der benötigten Kühlleistung. In den nachfolgenden Schritten des Prüfstandsaufbaus stimmen die Ingenieure die zu überwachenden Signale ab und wählen die dafür geeigneten Messmittel sowie die Aktorik zur Stimulation des Prüfteils aus. Auch in punkto Belastung des Prüfteils durch physikalische Fehlersimulationen, wie Kurzschlüsse oder Überstrombelastungen ist eine sorgfältige Planung und Auslegung der erforderlichen Komponenten notwendig.

Die Erprobung der Komponenten erfolgt bei ASAP Electronics im eigenen, unabhängigen Test- und Erprobungszentrum.ASAP

Grundsätzlich unterscheidet sich diese Vorgehensweise kaum vom Prozedere bei bereits bekannten Systemen. Die Auswirkungen im Fall einer falschen Auslegung sind bei Hochvolt-Tests hingegen sehr viel weit reichender: Durch eine fehlerhafte Applikation von Systemen mit mehreren 10 kW Leistung kann es nicht nur zu Schäden am mitunter äußerst teuren Equipment kommen, sondern auch zur Gefährdung von Mitarbeitern; Arbeitsunfälle im Hochvoltbereich können im schlimmsten Fall sogar tödlich enden. Über die gesamte Projektlaufzeit hinweg ist deshalb immer wieder ein besonderes Augenmerk auf das Thema Arbeitssicherheit erforderlich. Bereits in den ersten Projektzügen bedarf es neben einer Bewertung der Gefahrenpotenziale auch einer davon abgeleiteten Definition von Sicherheitsmaßnahmen. Im weiteren Verlauf werden diese immer wieder überprüft und bei Bedarf angepasst. Wichtig ist, die Sicherheitstechnik so auszulegen, dass ein effektiver Ablauf von Prüffolgen ebenso gewährleistet werden kann wie der Schutz von Mensch und Maschine.
Zur Grundausstattung gehören bei ASAP der Einsatz von Verriegelungssystemen, die in ein prüfstandsübergreifendes Not-Aus-System integriert sind, sowie der Verbau von zusätzlichen Abdeckungen am Prüfstand. Teilweise müssen auch zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um beispielsweise Personen im Prüfbereich vor dem Kontakt mit heißen oder kalten Materialien und Stoffen zu schützen. Letztlich wird jedes Prüfsystem sukzessive in Betrieb genommen und muss diverse Abnahme- und Sicherheitsprüfungen bestehen.

Komponenten-Erprobung

Mit der Fertigstellung und Inbetriebnahme des Prüfstands beginnt die eigentliche Erprobung der Komponenten. Die Versuchsingenieure und Techniker des eigenen, unabhängigen Test- und Erprobungszentrums der ASAP Electronics überprüfen die Komponenten dann in dem neu entwickelten Prüfsystem sowie in verschiedenen Umweltsimulationseinrichtungen. Die Auswertung und vor allem die Aufbereitung der Messdaten erfordert Erfahrung im Umgang mit Auswertetools, bei der Interpretation von analogen Messdaten und Signalen sowie von Busbotschaften.
Im Vergleich zu altbekannten 12-V-Systemen sind Tests von Hochvoltkomponenten viel komplexer. So stellt der Antriebsstrang, bestehend aus Leistungselektronik und Elektromotor, einen geschlossenen Regelkreis dar, wobei die Interpretation des Regelkreis-Verhaltens auf simulierte Einflüsse und Veränderungen der Temperatur nicht trivial ist. Da viele Funktionen nicht intuitiv zu deuten sind, ist somit eine enge Abstimmung mit den Entwicklungsingenieuren des Kunden wesentlich. Oft muss bei der Auswertung zudem auf scheinbar unwichtige Details geachtet werden. Die Kombination aus hohem Messdatenvolumen und geforderter Tiefe in der Betrachtung und Plausibilisierung macht die Berichtserstellung erfahrungsgemäß dementsprechend aufwändig.
Das Team der ASAP Electronics setzt dafür spezielle Auswerteroutinen mit einer teil- oder vollautomatisierten Messdatenaufbereitung ein, um zeitnah fundierte und aussagekräftige Ergebnisse sowie Dokumentationen zur Verfügung zu stellen. Letztlich zeichnet sich ein kompetenter Erprobungspartner durch eine Berichterstattung aus, die Entwickler des Kunden in die Lage versetzt, ihre Produkte auf dieser Basis zu optimieren und weiter zu entwickeln.

Chancen und Risiken

Die Spezialisierung auf das Testen von Hochvoltkomponenten bietet somit große Chancen, birgt aber auch auf Grund von hohen Investitionen in Equipment und Personal erhebliche Risiken. Wie schnell und intensiv sich der Markt für die Elektromobilität entwickeln wird, lässt sich derzeit nur schwer vorhersagen. Sicher ist, dass die Automobilhersteller in den kommenden Jahren weitere Modelle mit Hybrid- und Elektroantrieben konstruieren werden und damit auch die Vielzahl der notwendigen Derivate von Hochvoltkomponenten weiter steigen wird. Viele Labore stehen vor der Entscheidung, ob und in welchem Rahmen sie ihr Leistungsportfolio dieser Entwicklung anpassen. Die ASAP Electronics hat diese Frage für sich schon beantwortet: Der Test von Hochvoltkomponenten wird nachhaltig ein fester Bestandteil des Leistungsspektrums sein. Gleichzeitig werden so die notwendigen Ressourcen mit Blick in die Zukunft und entsprechend der Markterfordernisse erweitert.

(av)