Antriebe und Motoren in Kfz-Prüfständen

Prüfstände werden in großem Umfang in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, um eine Vielzahl von Fahrzeugen zu testen. Andy Pye untersucht, wie Antriebe und Motoren in diesen Systemen verwendet werden.

Typische Anwendungen in der Automobilindustrie, für die Antriebssysteme zum Einsatz kommen, sind

• Rollende-Straßen-Prüfstände für die Auto- und Motorradindustrie
• Motorenprüfstände – für die Produktion von Elektro- und Verbrennungsmotoren
• Getriebe-/Getriebeprüfstände für Zulieferer der Automobil- und Maschinenbauindustrie
• Elektrofahrzeug-Prüfstände – mit DC-Versorgung zur Versorgung des Fahrzeug-Wechselrichters

Automobilhersteller wählen häufig nach dem Zufallsprinzip Motoren aus ihren Produktionslinien aus und unterziehen sie strengen Tests, um zu bestätigen, dass sie alle wichtigen Konstruktionsanforderungen und -parameter erfüllen.

Neben hausinternen Tests von Automobilherstellern und First-Tier-Suppliern werden Automotive-Prüfstände auch von spezialisierten Testhäusern genutzt. Beispielsweise verfügt Horiba Mira über umfangreiche Erfahrung in der Erbringung von Prüftechnikdienstleistungen für die globale Automobilindustrie, der Prüfung nach Vorschriften und Normen, nach kundenspezifischen Anforderungen und in der Entwicklung geeigneter Prüfverfahren und -methoden. Diese Organisation verfügt über nicht weniger als 37 große Testeinrichtungen, darunter eine umfassende Reihe von Sicherheitslabors (Crash, Aufprallsimulation, Fußgänger); Umwelteinrichtungen für Fahrzeuge und Komponenten; ein aerodynamischer Windkanal in Originalgröße; Fahrzeug- und Komponenten-EMV (elektromagnetische Verträglichkeit); und Testlabors für Komponenten und Strukturen.

Frequenzumrichter sind sehr gut für Prüfstandsanwendungen geeignet, da sie verwendet werden können, um reale Bedingungen hochdynamisch, genau, linear und wiederholbar zu simulieren. Sie sind sehr reaktionsschnell und können schnell stoppen und starten, um Hochgeschwindigkeitsereignisse zu replizieren.

Regenerative Antriebe werden häufig verwendet, damit der Antrieb elektrische Energie regenerieren kann, wenn der Motor Energie aufnimmt oder eine Last bereitstellt, diese Energie in die Versorgung zurückführt und die Betriebskosten senkt.

Alle in diesen Anwendungen verwendeten Antriebe sollten auf Energieeffizienz und hohe Steuerpräzision mit geringer Restwelligkeit von Spannung und Strom optimiert sein. Eine hervorragende Drehmomentreaktion ist von entscheidender Bedeutung, da Antriebe häufig als Drehmomentverstärker verwendet werden, sodass die Zeit vom Drehmomentsollwert bis zum Drehmoment an der Motorwelle minimiert werden muss – je genauer das tatsächliche Drehmoment dem Drehmomentsollwert folgt, desto einfacher ist es je besser das zu steuernde Steuerungssystem und desto besser die Gesamtleistung des Prüfstands.

Der Rollenprüfstand

Die gängigsten Arten von Kfz-Prüfständen sind Rollenprüfstände, Motorprüfstände und Getriebeprüfstände. Beim Testen auf Rollenprüfständen werden je nach Art des durchgeführten Tests normalerweise ein Antrieb und ein Motor pro Achse oder Rad der Testeinheit verwendet.

CP Engineering fertigt Motor- und Rollenprüfstandsprüfsysteme, Getriebeprüfsysteme und andere Prüfstände für die Automobilindustrie. Es hat Systeme an viele führende Unternehmen in diesem Sektor geliefert, darunter Castrol, Cosworth Technology, Delphi und Shell.

Die analoge Schnittstelle des auf Windows NT basierenden Steuerungs- und Datenerfassungssystems „Cadet“ von CP wird mit der geschlossenen Vektorsteuerung des Antriebs synchronisiert. Die Testsysteme erfordern eine Echtzeitsteuerung und -verarbeitung, die genau synchronisiert sind, um das gleiche Last-/Geschwindigkeitsprofil wie bei einem realen Fahrzeug zu erhalten. Das Ansprechen des Regelkreises muss also konstant innerhalb einer vorgegebenen Zykluszeit – typischerweise 3,25 ms – bleiben. Der Antrieb muss auch motorisch betrieben werden können, um Schubbedingungen zu simulieren.

Anlasssoftware schützt die Antriebswelle. Wenn der Motor zündet und beschleunigt, schaltet der Antrieb auf Nulldrehmoment um, um den Motorleerlauf zu simulieren. Offensichtlich ist dies mit herkömmlichen Dynamometern nicht möglich und verschafft CP einen Wettbewerbsvorteil.

Rollende Landstraße und Bremsprüfstände

Dabei werden verschiedene Testprofile und Strecken simuliert und vorprogrammiert, um Fahrwiderstände möglichst realitätsnah abzubilden, darunter Bremsen, Anfahren oder Kurvenfahrten, Cross-Country und Offroad. Auch interne und sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktionen wie Antiblockiersysteme (ABS) und elektrische Servolenkung (EPS) werden getestet. Durch die reaktionsschnelle Kompensation werden hochgenaue und reproduzierbare Messungen erzielt, indem Reibung, elektrische und thermische Abhängigkeiten sowie Trägheitsmomente über den gesamten Antriebsstrang berücksichtigt werden.

Motorenprüfstände

Antriebssysteme werden in Motorenprüfständen sowohl in Entwicklungszentren als auch in der Motorenfertigung eingesetzt. Wie bei jedem Prüfstand liegt der Schlüssel darin, alltägliche Betriebsbedingungen genau zu simulieren.

Für die Qualitätsbeurteilung von Verbrennungs- und Elektromotoren gibt es spezifische Anforderungen, wie z. B. unterschiedliche Testmuster und Drehzahlen, Drehmoment- und Gegendrehmomentzyklen, Dauertests oder Kurzzeitbelastungen.

Frequenzumrichter können den erforderlichen Drehmomentverlauf exakt erzeugen und gleichzeitig die im Verbrennungsmotor erzeugte Energie zurückgewinnen, wodurch das elektrische Netz von sinusförmigen Netzströmen verschont wird.

Prüfingenieure können den Prüfling auch bestimmten Drehzahlen und Drehmomenten aussetzen, die Resonanzen und technologische Grenzen aufzeigen.

Getriebe-/Getriebeprüfstände

Dabei werden die Momentenimpulse und Laufeigenschaften eines Verbrennungsmotors auf das zu prüfende Getriebe/Getriebe aufgebracht. Durch die Vernetzung aller Antriebsregler über Echtzeit-Ethernet sorgt die notwendige Synchronisation der Strom- und Drehzahlregelkreise des Umrichters dafür, dass die Testergebnisse reale Bedingungen widerspiegeln. Dies vermeidet die Notwendigkeit unerwünschter Ausgleichsanpassungen im Steuersystem.

Leistungselektronik dient als An- und Abtrieb für verschiedenste Getriebetypen. Vier Lastmaschinen ersetzen das System Rad/Straße und bilden das Fahrprofil ab, während ein Eingangsantrieb den Verbrennungsmotor simuliert.

Die Engine Torque Pulsation Simulation (ETPS) bildet den Verbrennungsmotor auf einem Entwicklungsprüfstand nach. Um den hohen Anforderungen für diese Art von Prüfständen gerecht zu werden, werden permanenterregte Synchronmotoren und Asynchronmotoren mit geringer Massenträgheit eingesetzt.

Prüfgeräte für Elektrofahrzeuge

Neue Entwicklungen erfordern neue Prüftechniken. Der Antriebsstrang von Hybrid- und Elektrofahrzeugen, bestehend aus Fahrzeug-Wechselrichter, Motor/Motor und Getriebe/Getriebe, kann als komplettes System getestet werden, das alle in einer gemeinsamen DC-Bus-Konfiguration verbunden ist, die eine Rückspeisung (z. B. beim Bremsen) ermöglicht wieder in Umlauf gebracht.

Für eine gegebene installierte Motorleistung bedeutet dies, dass die Nennleistung des netzgekoppelten Wechselrichters minimiert wird, wodurch sowohl Kapital als auch Energiekosten gespart werden. Ein wesentliches Merkmal des Systems ist, dass alle Regelkreise synchronisiert sind, wodurch das Risiko von Systemresonanzen erheblich reduziert wird.