Verbundprüfplatz zur Optimierung des elektrischer Antriebsstrangs im Komplettfahrzeug

Die Spannung steigt

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Fahrzeughersteller arbeiten intensiv an neuen Lösungen, um Autos umweltfreundlicher zu gestalten. Um diese zu realisieren, findet eine kontinuierliche Weiterentwicklung konventioneller Verbrennungsmotoren und Getriebe sowie einzelner Komponenten bis hin zu hybriden oder vollelektrischen Antriebssträngen statt. In der Vernetzung neuer Anforderungen rund um den elektrischen Antriebsstrang erschließt der hier vorgestellte Entwicklungsdienstleister seinen Kunden ein komplettes Leistungsspektrum zwischen Entwicklung, Versuch und Versuchsbau.

Autoren: Moritz Knebel ist Leed Engineer E-Mobility und Jörg Fehrenbacher Versuchstechniker E-Mobility Energiespeicher, beide im Bertrandt Technikum in Ehningen; Max Bernholz ist Versuchstechniker Exterieur bei Bertrandt in Wolfsburg

E-Fahrzeug im Verbund prüfen: Neue Antriebskonzepte beziehen ihre Energie aus modernen Hochvoltenergiespeichern. Mit Fokus auf dem Ziel, bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen, nimmt der Bedarf für die Entwicklung und die daraus resultierenden Prüfszenarien und -kapazitäten stark zu. In diesem Zuge werden neue Anforderungen an das Fahrzeugenergiesystem sowie an den elektrischen und hybridisierten Antriebsstrang gestellt.
Um in diesem Umfeld einzelne Komponenten zu prüfen, ist es wichtig, die Systemintegrität zu berücksichtigen, damit in einem komplett vernetzten Fahrzeug die einzelnen Komponenten zuverlässig ihren Dienst verrichten. Entwicklungsdienstleister Bertrandt bildet diese komplexe Thematik innerhalb eines Verbundprüfplatzes ab. Dabei können Komponenten im Zusammenspiel oder auch nur einzeln geprüft werden. Hierzu gehören die Leistungselektronik des Traktionsantriebs, der Hochvolt-Energiespeicher, die Nachbildung des E-Maschinen- emulators eines Traktionsantriebs, das On- boardladegerät sowie eine Ladesäule oder Wallbox (auf Wunsch mit Netzemulation). Falls für die Verbundprüfung nur eine Komponente zur Verfügung steht, ersetzt eine Restbussimulation die anderen Bauteile. Einzelne Komponenten, wie Hochvoltenergiespeicher, können jederzeit auch autark vom Verbundprüfplatz auf einem separaten Batterieprüfplatz getestet werden.
Hochvolt-Energiespeicher klimaüberlagert testen
Weiterhin besteht die Möglichkeit, in einem konditionierten Prüfumfeld Hochvolt-Energiespeicher wie Komplettbatterien, Module und Einzelzellen an mehreren Prüfplätzen zu testen. Derzeit können bis zu drei Energiespeicher gleichzeitig in einer Klimakammer geprüft werden. Zudem besteht die Möglichkeit, das Prüfvolumen innerhalb der Klimakammer mit Stickstoff zu inertisieren. Diese Spülung mit Stickstoff hält ein gewisses Sicherheitslevel aufrecht, um bei einer Ausgasung der Batterie keine explosive Atmosphäre in der Klimakammer entstehen zu lassen. Elektrik, physikalische als auch CAN-basierte Daten des Energiespeichers werden zusammen mit den Messdaten des Batterie-Testsystems und gegebenenfalls weiteren relevanten Daten über zur Verfügung stehende Systemkanäle zeitsynchron erfasst und können in der Datenauswertung einzeln als auch in Korrelation zueinander dargestellt werden. Zur Sicherheit des Energiespeichers können einzelne Safety Limits innerhalb der Testsoftware sowie übergeordnet im Prüfstandwächter programmiert und parametriert werden. So wird gewährleistet, dass die definierten Grenzwerte nicht überschritten werden.
Die maximalen Leistungseckdaten liegen bei
  • Ausgangsleistung: ±300 kW
  • Ausgangsspannung: 0 bis 850 V
  • Ausgangsstrom: ±1200 A
Für die Umweltkonditionierung der Energiespeicher setzt Bertrandt begehbare Klimakammern mit Abmessungen von bis zu 2500 mm x 2000 mm x 2000 mm (10 m³) ein. Diese können mit einer Änderungsgeschwindigkeit von bis zu 5 K/min Temperaturbereiche von -40° bis +140 °C abbilden. Dadurch werden verschiedene klimatische Bedingungen simuliert – bis hin zur zyklischen Simulation der Jahreszeiten bei Langzeittests. Die interne Kühlung/Konditionierung der Energiespeicher erfolgt über eine zusätzliche Temperiereinheit in einem Temperaturbereich (Vorlauf) von -20° bis +120 °C. Hierbei kann die Durchflussmenge zwischen 160 und 1600 l/h geregelt werden. Außerdem kann die Kühlung des Energiespeichers direkt über das vom Fahrzeug nachgebildete Klimasystem mit R1234yf und R134a erfolgen.
E-Traktion im Versuch und im Prototypenbau
Mit umfangreichen Versuchsreihen baut der Bertrandt-Konzern seine Kenntnisse aus. Beispielsweise kann der Entwicklungsdienstleister seine Kunden bei der Auswahl von Isola- tionsmaterialien für Elektroantriebe unterstützen. Dabei werden die Statoren künstlich gealtert und die Wicklungen mit speziellen Prüfverfahren vermessen. Des Weiteren werden Komponenten, Batteriedummies und komplette Antriebe unter elektrischem Betrieb Vibrationsbelastungen bei Extremtemperaturen ausgesetzt. Auf diese Weise können fundierte Erkenntnisse über die Haltbarkeit kompletter E-Antriebe zur Verfügung gestellt werden. Als wesentlicher Bestandteil von Prüfungen an Elektromotoren profitieren Kunden zusätzlich vom dynamischen Vermessen von Rotorwellen unter Temperatur bis zur Drehzahlgrenze.
Die Vernetzung von Entwicklung, Versuch und Versuchsbau erschließt dem Auftraggeber ein gesamtheitliches Leistungsspektrum vom Aufbau bis zum Test kompletter E-Antriebe. Nach Fertigstellung einer weiteren Versuchshalle mit Fokus auf Versuch und Entwicklung im Bereich E-Traktion und Akustik wird sich das Leistungsspektrum in Kürze deutlich erweitern. Auf einem E-Maschinenprüfstand können dann auch Belastungsprofile dynamisch nachgefahren werden, wobei ein 24-Stunden-Betrieb durch eine leistungsfähige Automatisierung und Messtechnik möglich ist.
Leistungsdaten des E-Maschinenprüfstands:
  • Antriebsleistung: 180 kW + 1,3-fache Überlast
  • Batteriesimulation: 250 kW (max. 999 V, 700 A)
  • Medienkonditionierung: -30° bis 120 °C
Gerade im Bereich der E-Traktion wurden dem Portfolio einige Neuerungen hinzugefügt, wie die Fertigung von Hochvoltleitungen oder die Erstellung von Hochvoltkomponenten wie Traktionsnetzverteiler und Ladenetzverteiler. Auch die Anpassung des Fahrzeugbordnetzes und die Bauteilfertigung für Hochvoltbatterien, deren Zusammenbau sowie die Fertigung und Inbetriebnahme kompletter E-Fahrzeuge erweitern das Spektrum. Besondere Aufgaben liegen darin, gemeinsam mit Kunden erforderliche Prüfungen für noch in der konstruktiven Entwicklung befindliche Komponenten zu erörtern, die die entsprechenden Gesetzesvorgaben erfüllen müssen. So entsteht sukzessiv ein sicheres Prüfpaket für ein komplettes E-Fahrzeug.
Bertrandt; Telefon: 07034 656-0; E-Mail: anja.schauser@de.bertrandt.com

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