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Auf dem Prüfstand: Wechselrichter für E-Fahrzeuge prüfen

| Redakteur: Hendrik Härter

Damit Wechselrichter für Elektrofahrzeuge in der Praxis problemlos funktionieren, muss entwicklungsbegleitend realitätsnah geprüft werden. ZF verfügt hierfür am Standort Auerbach über einen flexiblen Prüfstand.

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Martin Högner und Markus Toesko (ZF) erklären Johann Mathä (Yokogawa) den Prüfstand. Aus Sicherheitsgründen sind der Steuerstand und der Prüfstand durch eine Schutzwand getrennt.
Martin Högner und Markus Toesko (ZF) erklären Johann Mathä (Yokogawa) den Prüfstand. Aus Sicherheitsgründen sind der Steuerstand und der Prüfstand durch eine Schutzwand getrennt.
(Bild: ZF)

In Auerbach nordöstlich von Nürnberg entwickelt und produziert ZF Friedrichshafen unter anderem Schaltsysteme, Sensorik sowie Steuerungen für die Automobilindustrie. Für den stark wachsenden Markt der Elektromobilität werden hier auch Wechselrichter für verschiedene Fahrzeugtypen und Automobilhersteller entwickelt. Wechselrichter erzeugen aus der Batteriespannung eine variable dreiphasige Wechselspannung zur Ansteuerung des E-Antriebs.

Um eine sichere und fehlerfreie Funktion dieser Baugruppen unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen gewährleisten zu können, müssen die Prototypen in der Entwicklungsphase umfangreiche Tests durchlaufen.

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Batterie- und Lastseite elektronisch nachgebildet

ZF hat hierfür einen hochflexiblen Prüfstand im Einsatz. Für möglichst realistische Tests, enthalten derartige Prüfsysteme normalerweise den zum jeweiligen Wechselrichter gehörenden Elektromotor sowie einen Generator mit Drehzahl- und Drehmomentsensoren als Last. Beim ZF-Prüfstand wurde dagegen ein anderes Konzept verfolgt.

Hier werden sowohl die Batterie- als auch die Lastseite von Stromversorgungen bzw. Lastschaltungen elektronisch nachgebildet. Dies bietet entscheidende Vorteile. Da keine drehenden Teile und Batterien vorhanden sind, entfallen einige mechanische Sicherheitsmaßnahmen. Außerdem ist der Prüfstand flexibler, da für den Test von unterschiedlichen Wechselrichter-Motor-Kombinationen kein aufwendiger Austausch des Elektromotors notwendig ist.

Die Anpassung an die für den jeweiligen Test benötigte Fahrzeugbatterie und Antriebsmotor kann einfach über das Laden von entsprechenden Parametersätzen für diese Komponenten erfolgen. Der Prüfstand erlaubt zudem einen vollständigen Vier-Quadranten-Betrieb. Damit ist auch eine Simulation von Rekuperationsvorgängen möglich, also die Rückspeisung der bei Bremsvorgängen von der virtuellen Maschine erzeugten Energie in die virtuelle Batterie.

Strom, Spannung und Drehmoment genau einstellen

Darüber hinaus verfügt der Prüfstand über eine Klimakammer für das Prüfobjekt. Damit kann nicht nur bei unterschiedlichen Temperaturen getestet werden, sondern auch bei veränderlicher Luftfeuchte. Der Prüfstand wurde von ZF konzipiert und von der Firma Scienlab realisiert. Vergleichbare Prüfstände mit teilweise abweichenden Konfigurationen gibt es auch an anderen Standorten von ZF. Ein weiterer Ausbau der Prüfkapazitäten befindet sich bereits in der Realisierung.

„Mit dem Prüfstand können wir die Anforderungen des Prüflings hinsichtlich Strom, Spannung und Drehmoment sehr genau einstellen. Es lassen sich nicht nur komplexe Batteriemodelle für Anwendungen bis hin für einen Lkw nachbilden, sondern es ist auch eine vollständige Emulation motorischer und generatorischer Vorgänge möglich“, sagt Markus Toesko, Experte für Leistungselektronik im Test-Center bei ZF in Auerbach. „Die Last im Maschinen-Emulator ist ein verschaltetes Netzwerk aus Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten, das Modelle nachbilden kann und sich schnell schalten lässt. Dabei können wir Parameter wie Längs- und Querinduktivität, Wicklungswiderstände, Polpaarzahl und Trägheit einstellen.“

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