Innovative Lösungen für die E-Drive-Validierung

Von Mario Propst , Application Manager bei der AVL List GmbH in Graz

AVL E-Drive-Testsystem in Modularbauweise © AVL List GmbH

Mit modernster Technologie simulieren, entwickeln und testen die Experten der AVL List GmbH einzelne elektrische Komponenten und gesamte elektrifizierte Antriebsstränge. Um das perfekte E-Drive-System – bestehend aus Elektromotor und Inverter – für einen elektrifizierten Antrieb zu designen, sind einige Herausforderungen zu bewältigen. Zum einen muss das E-Drive-System mit den elektrischen Komponenten (wie z. B. der Batterie) in Bezug auf Kommunikation, Ladezustand, Temperatur, DC-Spannungsrippel und Rekuperation harmonieren, zum anderen muss auch die mechanische Seite optimiert sein. Synchronmaschinen weisen beispielsweise eine bestimmte Drehmomentwelligkeit auf. Diese sogenannten Torque Ripple können das Fahrgefühl bei Anfahrvorgängen negativ beeinflussen bzw. in Verbindung mit der E-Achse Geräusche und Vibrationen erzeugen oder den Antriebsstrang bei Resonanzfrequenzen sogar schädigen. Diese Torque Rippel gilt es, so gut wie moglich zu eliminieren.

E-Motoren werden fur unterschiedliche Konfigurationen konzipiert: P0 (Startermotor), P1 (ISG nach Verbrenner), P2 (ISG vor Getriebe), P3 (nach Getriebe), und P4 (Achsmotor). Dadurch sind die Bauweisen stark unterschiedlich; ebenso können Drehzahlen, Momente und Leistungen abhängig vom Fahrzeugtyp variieren.

Drehzahlen von 15-20.000 Umdrehungen pro Minute sind mittlerweile Standard und in Zukunft könnten die Drehzahlen auf 30.000 und höher steigen. Hohe Drehzahlen haben den Vorteil, dass der E-Motor kleiner gebaut werden kann, was eine Reduktion von Gewicht, Material und Kosten ermöglicht. Allerdings liegt hier eine große Herausforderung im mechanischen Design bzw. steigt die Gefahr, sich Geräusche oder Vibrationen (NVH) einzuhandeln.

Moderne E-Drive-Testsysteme von AVL sind daher in der Lage, E-Motoren mit unterschiedlichen Designs, Drehzahlen, Momenten, Spannungsniveaus bzw. Strömen zu validieren. In der Designphase werden E-Motoren häufig in mehreren Loops optimiert. Je präziser die Messungen auf einem Testsystem durchgeführt werden, desto grösser  und wertvoller ist der Input für das Entwicklungsteam, um Verbesserungen bezüglich Mechanik, elektromagnetischer Performance, Regelung bzw. thermischen Verhaltens vornehmen zu können.

Diese hohe Datenqualität sowie Mess- und Regelgenauigkeit ist essentiell, um ein E-Drive-System in kurzer Zeit entwickeln zu können.

Ein E-Drive-Testsystem besteht hauptsächlich aus folgenden Komponenten:

  • Automatisierungssystem (zur Automatisierung, Regelung, Datenablage; z. B. AVL PUMA Open 2™)
  • Batterie-Emulator bzw. konstante HV-Spannungsversorgung (z. B. AVL E-STORAGE BE™

  • Lastmaschine

  • Leistungsmesssystem (z. B. AVL X-ion™)

  • Basis-Messsystem

  • Kühlkonditionierung für Inverter und E-Motor

  • Klimakammer

Prinzipiell unterscheidet AVL drei Arten von EDrive-Testsystemen, je nach ihrer Anwendung: Sie kommen entweder in der Forschung und Entwicklung zum Einsatz, werden fur Dauerlauf-Prüfungen  oder fur End-of-Line-Tests verwendet.

Dieser Artikel behandelt vorrangig ein Forschungs- und Entwicklungs-Testsystem. Hierfür ist eine Lastmaschine mit ausgezeichneter Drehzahlregelung Voraussetzung, um beispielsweise die Drehmomentwelligkeit von Synchronmaschinen sowohl im niedrigen als auch im höheren Drehzahlbereich messen zu können. Die Messtechnik (und hierbei speziell das Leistungsmessgerät) spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Das Leistungsmesssystem AVL X-ion™ misst die AC- und DC-Spannungen und -Ströme und berechnet daraus die  Leistung von E-Motor und Inverter.

Um ein E-Drive-System zu optimieren, ist es neben der Leistungsmessung auch wichtig, die Harmonischen in Strom und Drehmoment zu erfassen und ihren Anteil zu berechnen. Die Harmonischen tragen in der Regel nicht zur Nutzleistung bei, sondern verursachen Verluste in Form von Wärme und sind für die Erzeugung von Schwingungen und Geräuschen mitverantwortlich. Diese Oberwellen gilt es, in der Messung gezielt zu detektieren. Nur damit ist es möglich, Simulation und Messung hinsichtlich dieser Effekte zu vergleichen, um die Effizienz des E-Drive Systems z. B. durch leichte Designanpassungen zu optimieren.

Neben den berechneten Werten ist es vorteilhaft, wenn die Rohdaten für eine spätere Analyse aufgezeichnet werden. Damit können sowohl die Spannungsrippel auf der DC-Seite als auch die Spannungsspitzen und Strome auf der AC-Seite bzw. die Taktung des Inverters und ihre Auswirkungen auf das Betriebsverhalten, Drehmomentwelligkeit, Verluste und Vibrationsanregungen analysiert und Abhilfemaßnahmen entwickelt werden. Ein gut optimiertes E-Drive-System bezieht weniger Energie aus der Batterie, was wiederum die Reichweite des Fahrzeuges erhöht.

Link:

AVL Electric Motor Test Systems

Quelle: OEM&LIeferant, Ausgabe 2/2018