Im Power Show Room bei Caltest Instruments können Anwender sich das gesamte Portfolio an Test- und Simulationslösungen für die Elektromobilität demonstrieren lassen.

Im Power Show Room bei Caltest Instruments können Anwender sich das gesamte Portfolio an Test- und Simulationslösungen für die Elektromobilität demonstrieren lassen. (Bild: Frank Henning)

Von der Entwicklung über Qualifikationstests bis zur Normvalidierung und Endprüfung ist der Bedarf an Test-Geräten sehr vielfältig und unterschiedlich. Für den Entwickler stellt sich die Frage, welche Leistungs-Testgeräte für seine Anwendung überhaupt geeignet sind. Bei Betrachtung der typischen bzw. klassischen Aufbaus von E-Fahrzeugen ist festzustellen, dass zur Simulation von AC- bzw. DC-Leistungssignalen AC/DC-Quellen und AC/DC-Lasten notwendig sind (Bild 1). Es kommen programmierbare AC-Quellen, DC-Stromversorgungen/Netzgeräte und programmierbare Wechselstrom- und DC-Lasten in Frage. Diese simulieren optimale Versorgungs- bzw. Lastzustände, können aber auch Fehlerzustände wie Netzunterbrechung oder Überlast sowie eine Reihe unterschiedlicher Parameterabweichungen simulieren. Die genaue Definition und Auslegung dieser Testgeräte hängt also von einigen wichtigen Parametern ab. Spannungs-, Strom und Leistungscharakteristiken sind von primärer Bedeutung, aber längst nicht ausreichend.

Bild 1: Zur Simulation von AC- und DC-Leistungssignalen sind AC/DC-Quellen und -Lasten unabdingbar.
Bild 1: Zur Simulation von AC- und DC-Leistungssignalen sind AC/DC-Quellen und -Lasten unabdingbar. (Bild: Caltest)

Beispiel Wall-Box / Ladesäule

Als Beispiel für die möglichen und notwendigen Prüfanforderungen soll die Prüfung einer Wall-Box oder Ladesäule dienen, die auf der Eingangsseite vom AC-Netz versorgt wird. Zur Prüfung der Ladeelemente sind AC-Quellen zur Netzsimulation notwendig. Aufgrund der unterschiedlichen Welt-Spannungen und Frequenzen wird in diesem Fall prinzipiell ein elektrisches AC-Netz mit 50 Hz bzw. 60 Hz emuliert. Die weiteren Anforderungen und die benötigte Performance definieren dabei die Art der AC-Quelle für diese Aufgabe. Dabei sind eine ganze Reihe von Kriterien und Überlegungen zu berücksichtigen.

Phasenwinkel, Frequenz- und Spannungsbereich

Ein symmetrisches 3-phasiges Netz hat einen festen Phasenwinkel von 120°. Für die Simulation unsymmetrischer Netze ist eine stufenlose Einstellung des Phasenwinkels notwendig. Die Startphasenwinkel-Einstellung ermöglicht die Zuschaltung des AC-Ausgangs bei fest definiertem Winkel. Bezüglich des Frequenzbereichs sind 50 Hz und 60 Hz die weltweit standardisierten Frequenzen. Hier muss der Anwender entscheiden, ob die fix einstellbaren Frequenzen ausreichend sind oder ob es möglich sein soll, die Frequenzen stufenlos einzustellen, um z.B. Frequenz-Sweeps (Variationen) durchführen zu können und in welchen Schritten und mit welcher Auflösung die Frequenzen dabei einstellbar sein sollen. Die gleiche Frage stellt sich beim Spannungsbereich: Welche Spannungen werden benötigt, sind feste Spannungen „aus der Steckdose“ ausreichend oder soll eine stufenlose Einstellung möglich sein? Um Prüflinge hinsichtlich Übertoleranzen zu testen muss außerdem die Höhe der Spannungen festgelegt werden. Außerdem ist abzuklären, ob der Prüfling nur mit Spannung versorgt wird oder ob auch eine schnelle Spannungs-Unterbrechung bzw. Spannungs-Transienten für die Prüfaufgabe notwendig sind.

Wellenformen und Sequenzer

Bei der Auswahl der Wellenformen muss der Anwender entscheiden, ob eine reine Sinus-Quelle ausreicht oder ob auch Arbiträrwellenformen generiert werden sollen, um z.B. eine verzerrte Sinuswelle oder spezifische Wellenformen mit THDv-Inhalten (Total Harmonic Distortion) zu erhalten. Außerdem gilt es festzulegen, bis zu welchem harmonischen Rang die Generierung harmonischer Signale möglich sein soll und welche Frequenzbandbreite erforderlich ist. Letzteres entscheidet darüber, ob eine getaktete Quelle ausreichend ist oder ob eine linear geregelte AC-Quelle benötigt wird.

Auch beim Sequenzer ist zunächst zu entscheiden, welche Tests überhaupt durchgeführt werden sollen. Wird eine reine stationäre Ausgangsspannung von z.B. 230 V/50 Hz ein- und ausgeschaltet oder muss die Quelle eine Möglichkeit der Zeitsteuerung mit Rampen-Funktion haben? Außerdem ist festzulegen, ob ein Sequenzer für den automatischen Ablauf von bestimmten Testroutinen notwendig ist, in denen sich Spannung, Frequenz und Wellenform über Transienten programmieren lassen. Hierzu gibt es graphische Software, Treiberfunktionen, Web-Server-Anwendungen – aber die Sequenzen lassen sich auch direkt manuell eingeben. Es stellt sich dabei die Frage, wie viele Sequenzen sich abspeichern lassen sollen und wie die Programme wieder aufgerufen werden sollen – das alles bei möglichst einfacher Bedienung. Teilweise sind auch Normtestroutinen verfügbar. Hier stellt sich dann jedoch die Frage, wie diese in der geforderten Prüfumgebung anwendbar sind.

Leistung, Strom und Einschaltstromfähigkeit

Die Nennleistung der Prüflinge gilt als Orientierung für die Auslegung einer AC-Quelle. Jedoch ist es wichtig zu wissen, unter welchen Testspannungen bzw. in welchen Spannungsbereichen die Prüfleistung benötigt wird. Eventuell sind auch AC-Quellen mit Konstant-Leistungskennlinien zu berücksichtigen. Auch die Lastart – charakterisiert durch den cos(phi) oder Leistungsfaktor – ist ein wichtige Variable für die Auslegung der Prüfleistung. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Überlastfähigkeit der AC-Quelle, welche weitere Tests über Nennbetrieb ermöglichen kann.

Wie für die Definition der Leistung sind auch grundlegende Überlegungen hinsichtlich des Strombedarfs zu treffen. Hier stellt sich die Frage, bei welchen Testspannungen der Strom benötigt wird, um welche Lastart es sich handelt und ob und wie lange die Quelle einen bestimmten höheren Einschaltstrom liefern muss.

Schnittstellen, Integrierbarkeit und Erweiterungen

Bei der Auswahl des Testgeräts muss klar sein, welche Ansteuerungs-Schnittstellen in Frage kommen und ob das Gerät manuell bedient wird und wie das User-Interface aussehen soll. Es kann auch vorkommen, dass ein Interface zur Kommunikation mit einem Steuerrechner bzw. eine übergeordnete Steuerung gefordert wird. Außerdem muss der Anwender entscheiden, ob er Labview oder andere Software-Treiber benötigt und ob er die AC-Quelle über SCPI-Befehle ansteuern will.

Zu definieren ist außerdem, ob sich das Testgerät in Testanlagen oder Testfelder integrieren lassen soll. Kommt ein 19-Zoll-Format zur Integration in eine bestehende Anlage in Frage oder eher eine mobile Schrank-Einheit auf Rollen oder ist am Ende ein Tischgerät ausreichend? Möglich wäre auch eine Black-Box ganz ohne Bedientasten und Bedieninterface. Wichtig ist es auch zu klären, ob sich das Testequipment bei wachsenden zukünftigen Testanforderungen erweitern lassen soll und welche Kriterien dabei am wichtigsten sind. So ist es z.B. möglich, die Leistung durch die Parallelschaltung und den Spannungsbereich durch eine Serienschaltung mehrerer Geräte zu erhöhen. Aber auch das Upgrade bestimmter Funktionen über Hard- oder Software sollte nicht außer Acht gelassen werden.

Eine 1-phasige AC-Quelle mit fixer Ausgangsspannung und Frequenz, z.B. der AC-AC-Frequenzwandler von Zenone, ist in der Fertigungs-Endprüfung ausreichend.
Eine 1-phasige AC-Quelle mit fixer Ausgangsspannung und Frequenz, z.B. der AC-AC-Frequenzwandler von Zenone, ist in der Fertigungs-Endprüfung ausreichend. (Bild: Caltest)

Rückspeisefähigkeit, Rauschen und Crest-Faktor

Es ist wichtig zu klären, ob für die Prüfaufgabe eine rückspeisefähige Quelle notwendig ist und welche Funktionen hierbei steuerbar sein sollen. Ist eine 4-Quadranten-Quelle mit Ansteuerung von Spannung und auch Strom notwendig, lässt sich diese Funktion erweitern und welche Betriebsarten sind möglich? Zusätzlich ist zu definieren, wie rauscharm die Signale aus der AC-Quelle sind und ob die Netz-Qualität in Verbindung mit der Testaufgabe und den Prüflingseigenschaften kompatibel ist. Wichtig ist es zu wissen, welche THDv-Werte zulässig sind und ob eher eine lineare Technologie oder eine getaktete Technologie in Frage kommt. Außerdem muss der Anwender festlegen, ob der Prüfling eine Testquelle mit hohem Crest-Faktor und hoher Peak-Stromfähigkeit benötigt.

Normenkompatibilität und Messtechnik

Gerade wenn Normtests durchzuführen sind, ist sicherzustellen, dass die AC-Quelle mit ihrer Performance dafür überhaupt geeignet ist, z.B. für Normprüfungen bei Störfestigkeits-Test nach IEC 61000-4xx. Hilfreich ist es auch, wenn Test- und Prüfroutinen als Testbibliothek verfügbar sind. Ist die entsprechende Messtechnik bereits integriert ist trotzdem zu prüfen, ob diese ausreichend für die Prüfaufgabe ist und ob tatsächlich auf externes Messequipment verzichtet werden kann. Hier muss der Anwender wissen, welche Werte zu messen und zu analysieren sind und mit welcher Auflösung und Genauigkeit die Messwerte z.B. über eine Schnittstelle abrufbar sind.

DC-Funktionalität, PHIL-Kompatibilität und Betriebsarten

Wird laut den Testanforderungen auch eine DC-Funktionalität benötigt, müssen Spannungsbereiche und Leistungen definiert werden. Wichtig ist hier auch, welche DC-Qualität die AC/DC-Quelle mit welcher Restwelligkeit liefern kann, wie sich AC- und DC-Funktionen steuern lassen und welche Betriebsarten möglich sind. In einer PHIL-Testumgebung (Power-Hardware-in-the-Loop) wird außerdem eine Echtzeit-Analoge-Schnittstelle benötigt. Hier stellt sich die Frage, ob die AC-Quelle PHIL-kompatibel ist und welche Parameter sich über den HIL-Controller steuern lassen.

Bezüglich der Betriebsarten muss der Anwender entscheiden, ob z.B. die 3-phasige AC-Quelle auch 1-phasig mit der vollen Leistung arbeiten muss und ob die drei Phasen unabhängig voneinander programmierbar oder sogar steuerbar sein müssen. Bei 4-Quadranten-AC-Quellen sind noch zusätzliche Funktionen möglich.

Sicherheit, Sense-Funktionen und Prüflings-Anschlüsse

In puncto Sicherheit muss klar sein, welche Grenzen an der AC-Quelle einstellbar sind, um sowohl den Prüfling als auch die AC-Quelle selbst zu schützen. Diese Einstellungen müssen aber auch kompatibel zur Prüfaufgabe sein. Idealerweise lassen sich Strom- und Leistungsgrenzen stufenlos einstellen und die AC-Quelle lässt sich in den Not-Aus-Kreis des Testlabors oder der Testanlage einbauen. Zur Regelung der Ausgangsspannung können bei Bedarf Sens-Anschlüsse notwendig sein. Zum Anschluss des Prüflings selbst ist zu klären, welche Anschlüsse generell notwendig sind, ob eine zusätzliche Adapter-Schnittstelle benötigt wird, ob Steckdosen oder spezielle Anschlussbuchsen bevorzugt werden und wie sich die AC-Quelle selbst in der Prüfumgebung anschließen lässt.

Allgemein gesehen diktiert der Einsatzbereich den Performance-Level für die AC(DC)-Quelle. In eine Fertigungs-Prüfung absolviert die Quelle immer wieder die gleiche Aufgabe, während in einer Test-Umgebung für Validierungs-Tests eine hohe Performance, Flexibilität und Erweiterbarkeit am wichtigsten ist. In einer Fertigungs-Endprüfung ist eine 1-phasige AC-Quelle mit fixer Ausgangs-Spannung und Frequenz ausreichend, z.B. die AC-AC-Frequenzwandler von Zenone (Bild 2). In der Normvalidierung kommt eine universelle Testeinheit in Frage, die den Performance Level auch für weitergehende Anwendungen bietet. Ein Beispiel hierfür ist die universelle High-Performance-4-Quadranten-AC/DC-Quelle/Last der AZX-Serie von Pacific Power Source (Bild 3).

Bild 3: In der Normvalidierung wird eine universelle Testeinheit benötigt, die auch die hier notwendige Performance bietet. Ein Beispiel hierfür ist die universelle High-Performance-4-Quadranten-AC/DC-Quelle/Last der AZX-Serie von Pacific Power Source.
Bild 3: In der Normvalidierung wird eine universelle Testeinheit benötigt, die auch die hier notwendige Performance bietet. Ein Beispiel hierfür ist die universelle High-Performance-4-Quadranten-AC/DC-Quelle/Last der AZX-Serie von Pacific Power Source. (Bild: Caltest)

Schnelles, besseres und sparsames Testen

Neben AC-Quellen sind für den Test der Leistungselektronik-Systeme im E-Auto weitere Testmittel notwendig. Ähnlich wie bei AC-Quellen sind auch hier eine Reihe an Auswahlkriterien zu berücksichtigen. Highlights im Bereich der AC- und DC-Testmittel sind heute die regenerativen Testgeräte. Diese sehr effizienten Systeme sind in der Lage, in der Regel über 96 Prozent der Energie ins Netz zurückzuspeisen, die ansonsten in Wärme umgewandelt würde. Mit immer weiter steigenden Leistungen und langen Burn-In- und Testphasen hilft diese Technologie dabei, die Energiekosten niedrig zu halten.

Programmierbare DC-Stromversorgungen, programmierbare DC-Lasten, bidirektionale DC-Stromversorgungen und Hochleistungs-Quelle-Senken finden überwiegend Einsatz bei der Prüfung der DC/DC-Wandler, welche die DC-Signale aus dem OBC in Niederspannung für das Bordnetz bzw. in Hochspannung für die Batterie umwandeln. Eingangsseitig werden DC-Signale simuliert, ausgangsseitig wird das Bordnetz bzw. die Batterie simuliert. Mittlerweile sind DC/DC-Wandler auch bidirektional ausgeführt, um Energie der Fahrzeug-Batterie ins Netz zurückspeisen zu können (Vehicle-to-Grid bzw. Vehicle-to-Home). Ein weiterer großer Einsatzbereich für DC-Testgeräte ist die Simulation der Batterie bzw. die Zyklisierung des Energiespeichers auf Zell-, Modul- und Packebene.

Progammierbare AC-Lasten kommen bei der Prüfung von Ladekabeln bzw. Wall-Boxen und Ladestationen zum Einsatz. Auf Ausgangseite wird hier der OBC simuliert. Die programmierbaren AC-Lasten sind auch mit DC-Funktionen verfügbar und lassen sich somit auch universeller als DC-Quellen/Lasten nutzen. AC-Lasten mit aktueller SiC-Technologie sind mittlerweile auch als Motor-Emulator für den Test von Invertern/Wechselrichtern einsetzbar.

Verfügbarkeit von Testlösungen

Mit dem Boom der E-Mobilität steigt auch die Nachfrage nach Test- und Prüfmitteln – seien es Einzelgeräte oder schlüsselfertige Testsysteme – für eine sehr breite Vielfalt von Anwendungen in den Bereichen F&E, Qualifikation und Validierung bis hin zur Massenfertigung. Die Entwicklungszyklen sind immer kürzer, sodass die Verfügbarkeit von Testmitteln für leistungselektronische Systeme eine sehr große Rolle spielt. Gefragt sind hier kurzfristige Verfügbarkeiten von Prüfmitteln für Klima-Testphasen über mehrere Wochen und von stationären Testsystemen für lange Burn-In-Prüfungen über mehrere Monate, die Anpassung von Prüfgeräten mit Sonderfunktionen oder die passgenaue Testsystem-Integration. Die Vielfalt der Anfragen ist groß und es bedarf auch Spezialisten, die gerade hier passende Testlösungen und den entsprechenden Pre- und Aftersales-Support bieten können.

Caltest Instruments bietet maßgeschneiderte Testlösungen für die Entwicklung und den Test von elektronischen Komponenten nach den Standards für E-Fahrzeuge. Mit einem großen Portfolio an AC/DC-Testlösungen mit Leistungen ab 500 W bis >1 MW ist das Unternehmen in der Lage, nach einer tiefgehenden Analyse der Anforderungen für alle Anwendungen die passende Lösung zu realisieren. Zu den Partnern und Herstellern gehören Pacific Power Source, Cinergia, EA-Elektro-Automatik, NHResearch und Zenone Elettronica. Anwender können sich im Power Show Room vor Ort oder digital die gesamte Produktpalette demonstrieren lassen. Es ist auch möglich, Prüflinge gemeinsam vor Ort testen zu lassen und die Prüfergebnisse gemeinsam zu analysieren und zu diskutieren, um daraus die passenden Testmittel schneller und konsequenter zu definieren.  Viele Testgeräte mit hohen Ausgangsleistungen sind auch als Mietgeräte verfügbar. Der Service und das Kalibrierlabor runden die Dienstleistungen von Caltest ab.

Bild 4: Weil immer wieder verschiedene Testgeräte für eine Aufgabe in Frage kommen, steigt die Nachfrage nach schlüsselfertigen, anwenderspezifischen Testlösungen. Typischerweise handelt es sich dabei um komplett integrierte Testsysteme in Schrank-Aufbau.
Bild 4: Weil immer wieder verschiedene Testgeräte für eine Aufgabe in Frage kommen, steigt die Nachfrage nach schlüsselfertigen, anwenderspezifischen Testlösungen. Typischerweise handelt es sich dabei um komplett integrierte Testsysteme in Schrank-Aufbau.

Anwenderspezifische Lösungen

Weil immer wieder verschiedene Testgeräte für eine Aufgabe in Frage kommen, steigt die Nachfrage nach schlüsselfertigen, anwenderspezifischen Testlösungen. Typischerweise handelt es sich dabei um komplett integrierte Testsysteme in Schrank-Aufbau. Neben dem rein mechanischen Einbau und der Verdrahtung von z.B. 19-Zoll-Komponenten, werden bei der Systemintegration unter anderem auch die Power-Distribution im Schrank, der Einsatz von Isolationswächtern, die Realisierung von Not-Aus/Not-Halt-Funktionen nach unterschiedlichen Sicherheits-Leveln, die Prüflingsanschlüsse und mechanischen Adapter-Schnittstellen und Schutzeinrichtungen realisiert. Möglich sind auch Sonderfeatures wie z.B. die Wasserkühlung, Klimatisierung, Wärmetauscher und Software-Testlösungen. Abschließend werden elektrische Sicherheitsprüfungen durchgeführt und eine Dokumentation erstellt (Bild 4).

Der Bereich Systemintegration bei Caltest Instruments analysiert, realisiert, kalibriert, testet und dokumentiert die Testanlage nach Anwender-Anforderungen. FAT bei Caltest und die finale Inbetriebnahme vor Ort inklusive Schulungen runden die Dienstleistungen ab.

Autor

Francois Epp, Caltest
Francios Epp, Caltest (Bild: Caltest)

Francois Epp ist Mitgründer und Vertriebsleiter bei Caltest Instruments.

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