High Voltage – E-Motor-HiL mit kompletter Leistungselektronik

Elektromotoren stellen mittlerweile eine ernsthafte Konkurrenz zu klassischen Verbrennungsmotoren dar. In den Fahrzeugen von Morgen werden Elektroantriebe daher eine immer größere Rolle spielen. Der Einsatz von Elektromotoren in Hybrid- und Elektrofahrzeugen erfordert jedoch komplexe Steuerungs- und Regelsysteme. Gleichzeitig steigen auch die Anforderungen an Testsysteme kontinuierlich. Damit Sie auf diese Situation reagieren können, erweiterte MicroNova in Kooperation mit der SET GmbH die Produktfamilie NovaSim4Hybrid um eine Emulation von Elektromotor-Steuergeräten.

Stehen auch Sie vor der Aufgabe, die Funktionen und Regel-Algorithmen Ihrer E-Motor-Steuergeräte zu optimieren und abzusichern? Es stehen Ihnen aber nicht genügend Testaufbauten zur Verfügung, an denen Sie Ihr Steuergerät mit allen Funktionalitäten testen können? Die Lösung ist ein „Power-Hardware-in-the-Loop“-System (P-HiL) mit integrierter Emulation Ihres E-Motors. Mit dem NovaSim4Hybrid-System können Sie Ihre Steuergeräte im Bereich Elektroantrieb mit kompletter Leistungselektronik effizient und kostengünstig testen ohne die Problematik rotierender Motoren betrachten zu müssen. Die Unterstützung realer Leistung geht über herkömmliche HiL-Systeme hinaus, bei denen der Zustand des E-Motors nur durch Signalinformationen simuliert wird. Auch bereits bei Ihnen bestehende NovaSim-Systeme können nachgerüstet werden.

Bei der Wahl eines Testsystems für Elektroantriebe stellt sich als Erstes die Frage, auf welche Weise der Elek­tromotor nachgebildet werden soll. Dafür gibt es prinzipiell drei Alternativen, deren Vor- und Nachteile im Folgenden beschrieben werden. MicroNova verfolgt mit der P-HiL-Lösung die zuletzt genannte Variante.

Simulation des E-Motors ohne Leistungselektronik
Bei der Simulation ohne Leistungselektronik wird nicht nur der Motor selbst, sondern auch der Leistungsteil des Prüflings bzw. des Steuergerätes mittels eines Modells nachgebildet. Dazu wird der Prüfling manipuliert und eine neue Schnittstelle zum Testsystem geschaffen. Die Problematik bei dieser Variante ist, dass ein „interessanter“ Teil des Prüflings durch Manipulation umgangen wird, so dass die Auswirkungen von realen elektrischen Gegebenheiten nicht getestet werden können. Die Grenze zwischen Prüfling und Prüfmittel ist hier aufgeweicht.

Anschluss eines realen E-Motors mit einem Dynamometer-Prüfstand
Der Anschluss eines echten E-Motors an das Steuergerät ist die realistischste Möglichkeit zum Aufbau einer Testumgebung. Zusätzlich ist für Tests im generatorischen Betrieb eine gebremste Last oder ein zweiter E-Motor zur Erzeugung des Drehmoments notwendig. Nachteilig wirkt sich die geringe Flexibilität bei diesem Testaufbau aus. So können Fehlerzustände wie Überhitzung, Phasenbrüche oder defekte Sensoren nur sehr schwer nachgebildet werden. Auch eine Veränderung der Motorparameter während der Laufzeit ist kaum möglich. Die rotierenden Teile solcher Vorrichtungen erzeugen zudem einen erheblichen Lärmpegel und stellen ein Gefahrenpotential dar. Beides stört im Laboreinsatz.

Die Lösung – Emulation des E-Motors
Mit der Emulation von E-Motoren verlagern Sie die Tests vom Prüffeld ins Labor. Hiermit haben Sie die Möglichkeit, Ihr Steuergerät im Laborumfeld ohne große und teure mechanische Aufbauten zu prüfen, sowie alle Betriebs- und Fehlerzustände Ihres Steuergeräts unter realen Strombelastungen zu erproben. Durch eine sehr realitätsnahe Abbildung und originale Schnittstellen zum Prüfling können Sie mit einem NovaSim4Hybrid-System alle Anwendungsbereiche in Ihrem Testprozess abdecken – von Funktionstests über Integrationstests bis hin zu End-of-Line-Tests (EOL) in der Produktion.

MicroNova verbindet somit die Vorteile von Simulation und realem Motor. Im Gegensatz zur E-Motor-Simulation ohne Leistungselektronik wird bei der Emulation das elektrische Anschlussverhalten der Motorphasen und Sensoren hochdynamisch nachgebildet. Während bei einer Simulation die Ströme lediglich als berechnete Größen in einem Modell vorliegen, ist die elektrische Schnittstelle der Emulation völlig identisch zum Originalmotor.
Somit können Sie Ihr Originalsteuergerät ohne Modifikationen am P-HiL-Prüfstand betreiben und mit Leistungselektronik testen.

Darüber hinaus kann der emulierte Elektromotor während der Laufzeit jederzeit in seinen Kennwerten verändert werden, und es wird ein vollständiger Vierquadrantenbetrieb unterstützt. Generatorische Betriebsfälle lassen sich ebenso darstellen wie der motorische Betrieb. Für E-Motor-Emulationen mit hoher Leistung ist eine Netzrückspeisung vorhanden.

Leistungsmerkmale der E-Motor-Emulation:

• Emulation verschiedenster Motorvarianten und -größen, z.B. von Gleichstrom-, Asynchron- und Synchronmotoren mit einem Leistungsbereich von wenigen Watt bis hin zu mehreren Kilowatt
• Parametrierung des Motormodells zur Laufzeit, z.B. für den Test von Serienstreuungen
• Nachbildung des elektrischen Anschlussverhaltens durch exakte Generierung der Gegen-EMK (Gegen-Elektromotorische Kraft/Gegeninduktionsspannung) und Modellierung des Wirkwiderstands und Induktivität
• Unterstützung unterschiedlicher Spannungsebenen vom Niedervoltbereich bis zu mehreren hundert Volt
• Betrieb über alle vier Quadranten mit originalen Leistungswerten
• Geringe Wärmeentwicklung durch Energiekreislauf über Zwischenkreise oder Netzrückspeisung

Ihre Vorteile mit der E-Motor Emulation:

• Kostengünstige Alternative zu teuren mechanischen Aufbauten
• Anpassung an Ihre Bedürfnisse durch Flexibilität und Parametrierbarkeit
• Hohe Skalierbarkeit und Aufrüstung bestehender NovaSim-Systeme auf
• NovaSim4Hybrid
• Einsatz von originalen Steuergeräten ohne Modifikation
• Erweitertes Einsatzgebiet von Funktionstests bis zu HW-/SW-Integrationstest und EOL
• Erhöhung der Testtiefe durch Betrieb der gesamten Wirkkette
• Aussagekräftige Ergebnisse durch reale elektrische Bedingungen
• Möglichkeit der Simulation von komplexen Fehlern

NovaSim-Testumgebung für Hybrid-Fahrzeuge

Worin unterscheidet sich Emulation zur Simulation?
Als Emulator wird ein System bezeichnet, welches ein anderes System nachahmt. Das nachgeahmte System verhält sich möglichst ähnlich dem Originalsystem. Die Schnittstellen zur Außenwelt sind dabei identisch zum Original.

Im Gegensatz dazu steht der Begriff Simulation für eine rein virtuelle Darstellung eines Systems. Die Werte an den Schnittstellen des Originalsystems stehen bei einem Simulator als berechnete Größen im Simulationsmodell zur Verfügung.

Phasenlage der Spannungen eines dreiphasigen Motors: Die Drehung des Rotos induziert in den Motorphasen Spannungen − die Gegen-EMK. Je nach Bauart des Motors entstehen so in Abhängigkeit von Rotor-Winkel und Drehzahl typisch geformte Spannungskurven. Simulationen, die auf die Modellierung der Gegen-EMK verzichten, bilden das Verhalten der Elektomotoren nur unzureichend ab.

Fazit
Mit dem beschriebenen NovaSim4Hybrid-P-HiL-System bietet Ihnen MicroNova in Zusammenarbeit mit SET eine umfassende Lösung für den Tests Ihres E-Motor-Steuergerätes, die sich nahtlos in bestehende HiL-Simulationen integrieren lässt. Mit diesem System können Sie Ihre Regelalgorithmen und Funktionen optimieren und die Testtiefe und -qualität merklich steigern. Dies gibt Ihnen die notwendige Sicherheit, dass Ihre Steuergeräte im realen Einsatz unter allen auftretenden Betriebszuständen sicher und zuverlässig funktionieren.