Leistungselektronik: Wie mobile Messtechnik die Datenauswertung erleichtert

Das erhöhte Aufkommen von elektrischen Verbrauchern in Fahrzeugen fordert auch in Hinblick auf eine Senkung der CO₂-Emissionen eine Steigerung der Effizienz bei der Leistungsumsetzung. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades bedarf es einer genauen Erfassung der Ströme, Spannungen und Temperaturen an leistungsintensiven Fahrzeugkomponenten wie elektrische Heizer, Pumpen, Scheinwerfer und Stellantriebe, um deren Leistungsaufnahme optimieren zu können. Bei Fahrzeugen mit 48-V-Bordnetz sind relevante Komponenten beispielsweise der DC/DC-Wandler, die elektrische Antriebsmaschine oder die 48-V-Batterie selbst, da hier kurzzeitig extrem hohe Leistungen auftreten. Die folgenden Abschnitte erläutern einige Beispiele zu Messungen an leistungsintensiven Komponenten.

Intelligente Messmodule und Kombi-Messköpfe

Bild 1: Klari-Fuse-3-Messkomponenten erfassen leistungselektrische Größen sowie Temperaturen im Fahrzeug, berechnen Zwischengrößen und geben die Daten per Ethernet oder CAN aus. Klaric

Anstelle einer Umwandlung der gesamten Bewegungsenergie in Wärme gewinnt die Rekuparation beim Bremsen des Fahrzeugs elektrische Energie zurück und und speist damit die Batterie. Während der Entwicklungs- und Testphasen sind hier Spannungen und Ströme beziehungsweise Leistungen immer wieder zu messen und zu validieren. Neue Messmodule berechnen aus den Strom- und Spannungsmessungen simultan Werte wie die Lade-, Entlade- und Gesamtbilanz, Leistung und die Arbeit, und geben sie wahlweise auf zwei unterschiedlichen Schnittstellen aus. Fehlerströme oder zu hohe Stromimpulse frühzeitig erkennen zu können, stellt für die Messwerterfassung eine große Herausforderung dar. Hochauflösende Messtechnik für extrem weite Strom-, Spannungs- und Temperaturbereiche hilft Test- und Entwicklungsingenieuren diese schwierige Aufgabe erfolgreich umzusetzen.

Für die Entwicklung des Energie- und Batteriemanagements sind Spannungen und Ströme des Gesamtsystems und an einzelnen Verbrauchern zu messen. Eine gemeinsame Messung von Strom- und Spannung mit einem einzelnen I/U-Kombi-Messkopf benötigt in Verbindung mit Klari-Fuse-3-Messmodulen nur einen Messeingang, denn pro Eingang stehen zwei synchron abtastende AD-Wandler zur Verfügung. Die Messung des Stromes erfolgt über einen niederohmigen Messshunt, die Spannungsmessung über einen Spannungsteiler. Die einzigartige Auto-Range-Funktion ermöglicht es Ruhe-, Betriebsströme und Spannungen mit der bestmöglichen Auflösung zu erfassen. Weil beim Vorbereiten der Messtechnik die Vorauswahl des Messbereiches entfällt, verkürzen sich die Rüstzeiten deutlich. Tabelle 1 gibt eine Übersicht zu Messbereichen, Auflösungen und Vorverstärkungen eines I-/U-Kombi-Probes.

Der maximale Dauerstrom des 1-mΩ-Probes beträgt 120 A bei der maximal erreichbaren Auflösung von 300 µA/Bit und einem Vorverstärkungsfaktor 100, während die Auflösung unter Volllast bei 7 mA/Bit liegt.

Integrierte Messdatenverarbeitung berücksichtigt Kalibrierwerte

Tabelle 1: Messbereiche und Auflösungen von Klari-Probs. Klaric

Die Kalibrierwerte des Shunts und des Spannungsteilers sind im Probe abgelegt – sie gelangen beim Verbinden automatisch ins Messmodul und stehen damit der Messwertverarbeitung zur Verfügung. Der Kalibrierwert des Shunts ist der reale, am Prüfstand ausgemessene Widerstandswert. Die Ausgabeschnittstelle der Messdaten ist frei konfigurierbar – hierfür stehen zwei CAN- und eine 100-MBit/s-Ethernet-Schnittstelle über XCP-on-Ethernet oder als Verbindung zum Klaric-Server zur Verfügung. Die Erzeugung einer DBC- oder A2L-Datei erfolgt automatisch per Mausklick in der Klari-Tool-Box mit allen angeschlossenen Messköpfen. Insgesamt reduziert das Plug-and-Measure-Prinzip die Rüstzeit erheblich. Eine Online-Berechnung bestimmt Leistung, Lade-, Entlade wie auch die Gesamtbilanz aus den gemessenen Rohdaten, sodass sich die Messdatenauswertung einfach gestaltet und eine nachträgliche Berechnung dieser Größen entfällt.

In Bild 2 sind die zeitlichen Strom- und Spannungsverläufe beim Startvorgang eines konventionellen 6-Zylinder-Diesel-Fahrzeugs mit 12-V-Bordnetz zu sehen, aufgezeichnet vom Messsystem Klari-Cord 4 während einer Langzeitmessung. Der gemessene Spitzenstrom während des Startens beträgt -757 A wobei die Bordnetzspannung auf 8,7 V einbricht. Diese Werte sind auch abhängig von der gewählten Abtastrate. Da im konventionellen 12-V-Bordnetz die Leistungen und Ströme rasant gestiegen sind, sind künftig mehr Fahrzeuge mit 48-V-Bordnetz zu erwarten.

Das Datenvolumen durch dynamische Abtastraten reduzieren

Bild 2: Strom und Spannung während des Startvorgangs (U_min = 8,7 V; I_max = -757 A). Klaric

Bei näherer Betrachtung fällt auf, dass die Abtastrate nicht konstant gleich ist und sich dynamisch ändert. In allen neuen Messmodulen lässt sich eine Schwelle für Strom, Spannung oder Temperatur einstellen, bei der die Abtastrate wechseln soll. Dies führt beispielsweise bei Ruhestrommessungen zu einer Abtastung mit nur einem Hertz. Steigt der Messwert nun über die eingestellte Schwelle, erlaubt eine Auswertung von Spitzenstrom und Signalform aus hochauflösenden Messdaten einen Rückschluss auf die Ursache.

Bei eine Langzeitmessung von Strom und Spannung der elektromechanischen Lenkung hilft eine dynamische Abtastrate das auszuwertende Datenvolumen erheblich zu reduzieren ohne die Messtechnik jedesmal ein- oder auszuschalten zu müssen. Dies gilt prinzipiell für alle Messaufgaben, auch bezüglich des DC/DC-Wandlers, bei dem die Ströme größtenteils nahezu statisch sind.

Das mobile Messsystem von Klaric bietet eine Vielzahl untersterschiedlicher Mess-Probes und Messmodule für den Einsatz in Fahrzeugen. Viele nützliche Funktionen ermöglichen eine unkomplizierten Messaufbau und entlasten den Anwender.

(jwa)