Wie Frequenzumrichter und Motoren Automobil-Prüfstände antreiben

Prüfstände werden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie umfangreich eingesetzt, um eine Vielzahl von Fahrzeugen zu testen. Andy Pye betrachtet, wie Umrichter & Motoren in diesen Systemen eingesetzt werden.

Typische Anwendungen in der Automobilindustrie für Antriebssysteme umfassen:

• Rollenprüfstände für PKW- und Motorradindustrie
• Motorprüfstände – für Produktion von Elektro- und Verbrennungsmotoren
• Getriebeprüfstände für Zulieferer der Automobil- und Maschinenbauindustrie
• Elektrofahrzeug-Prüfstände – mit Gleichstromversorgung für den Fahrzeug-Inverter

Automobilhersteller wählen oft zufällig Motoren aus ihren Produktionslinien und unterziehen sie strengen Tests, um zu bestätigen, dass sie alle wichtigen Designanforderungen und Parameter erfüllen.

Zusätzlich zu Inhouse-Tests von Automobilherstellern und Erstausrüstern werden Automobil-Prüfstände auch von spezialisierten Testhäusern genutzt. Beispielsweise verfügt Horiba Mira über umfangreiche Erfahrung in der Bereitstellung von Test-Engineering-Dienstleistungen für die globale Automobilindustrie, Tests nach Vorschriften und Standards, kundenindividuellen Anforderungen und Entwicklung geeigneter Testverfahren und -methoden. Diese Organisation verfügt über nicht weniger als 37 große Testeinrichtungen, einschließlich umfassender Sicherheitslabore (Crash, Aufprallsimulation, Fußgänger); Fahrzeug- und Komponenten-Umgebungseinrichtungen; einen vollständigen aerodynamischen Windkanal; Fahrzeug- und Komponenten-EMV (elektromagnetische Verträglichkeit); sowie Komponenten- und Strukturtestlabore.

AC-Frequenzumrichter eignen sich hervorragend für Prüfstandanwendungen, da sie reale Bedingungen hochdynamisch, präzise, linear und reproduzierbar simulieren können. Sie sind sehr reaktionsschnell und können schnell stoppen und starten, um Hochgeschwindigkeitsereignisse zu replizieren.

Regenerative Umrichter werden oft eingesetzt, damit der Umrichter elektrische Energie regenerieren kann, wenn der Motor Energie aufnimmt oder Last bereitstellt, und diese Energie ins Netz zurückspeist, was Betriebskosten senkt.

Alle in diesen Anwendungen eingesetzten Umrichter sollten für Energieeffizienz und hohe Regelgenauigkeit optimiert sein, mit niedriger Welligkeit von Spannung und Strom. Exzellentes Drehmomentansprechverhalten ist entscheidend, da Umrichter oft als Drehmomentverstärker dienen – die Zeit vom Drehmomentsollwert zum tatsächlichen Drehmoment an der Motorwelle muss minimiert werden. Je näher das tatsächliche Drehmoment dem Sollwert folgt, desto einfacher ist es für das Regelsystem, zu steuern, und desto besser die Gesamtleistung des Prüfstands.

Der Fahrleistungsprüfstand (Chassis-Dynamometer)

Die häufigsten Arten von Automobil-Prüfständen sind Fahrleistungsprüfstände, Motordynamometer und Getriebeprüfstände. Fahrleistungsprüfstände setzen meist einen Umrichter und Motor pro Prüfstand-Achse oder -Rad ein, je nach Testart.

CP Engineering fertigt Motor- und Fahrleistungsprüfstände, Getriebeprüfsysteme und andere Prüfstände für die Automobilindustrie. Sie haben Systeme an viele führende Firmen geliefert, darunter Castrol, Cosworth Technology, Delphi und Shell.

Das Windows-NT-basierte Steuer- und Datenerfassungssystem ‚Cadet‘ von CP hat eine analoge Schnittstelle, die mit der geschlossenen Regelung des Umrichters synchronisiert ist. Die Tests erfordern Echtzeitsteuerung und -verarbeitung, die präzise synchronisiert ist, um dasselbe Last-/Drehzahlprofil wie ein reales Fahrzeug zu erzeugen. Die Reaktionszeit des Regelkreises muss konstant innerhalb eines gegebenen Zykluszeitraums bleiben – typischerweise 3,25 ms. Der Umrichter muss auch motorisch arbeiten können, um Überlaufbedingungen zu simulieren.

Kurbelsoftware schützt die Antriebswelle. Wenn der Motor zündet und beschleunigt, schaltet der Umrichter auf Nullmoment, um Motorenlauf im Leerlauf zu simulieren. Anscheinend ist dies mit herkömmlichen Dynamometern nicht möglich und gibt CP einen Wettbewerbsvorteil.

Rollenprüfstände und Bremsprüfstände

Hier werden verschiedene Testprofile und Strecken simuliert und vorprogrammiert, um Fahrwiderstände so realistisch wie möglich nachzubilden, einschließlich Bremsen, Anfahren, Kurvenfahrt, Gelände- und Offroad-Fahrt. Interne und sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktionen wie Antiblockiersysteme (ABS) und Elektrische Servolenkung (EPS) werden ebenfalls getestet. Durch schnelle Kompensation werden hochgenaue und reproduzierbare Messungen erzielt, indem Reibung, elektrische und thermische Abhängigkeiten sowie Trägheitsmomente über den gesamten Antriebsstrang berücksichtigt werden.

Motorprüfstände

Antriebssysteme werden in Motorprüfständen eingesetzt, sowohl in Entwicklungszentren als auch in der Motorenfertigung. Wie bei jedem Prüfstand ist der Schlüssel die präzise Simulation alltäglicher Betriebsbedingungen.

Es gibt spezifische Anforderungen für die Qualitätsbewertung von Verbrennungs- und Elektromotoren, wie verschiedene Testmuster und Drehzahlen, Drehmoment- und Gegendrehmomentzyklen, Dauertests oder Kurzzeitbelastungen.

Frequenzumrichter können die erforderliche Drehmomentkurve präzise erzeugen, während sie die im Verbrennungsmotor erzeugte Energie zurückspeisen und so das Stromnetz von sinusförmigen Netzströmen entlasten.

Testingenieure können das Testobjekt auch spezifischen Drehzahlen und Drehmomenten aussetzen, die Resonanzen und technologische Grenzen aufdecken.

Getriebeprüfstände

Hier werden die Drehmomentpulsationen und Laufcharakteristiken eines Verbrennungsmotors auf das zu testende Getriebe angewendet. Durch Vernetzung aller Umrichtercontroller über Echtzeit-Ethernet wird die notwendige Synchronisation der Inverter-Strom- und Drehzahlregelkreise sichergestellt, sodass die Testergebnisse reale Bedingungen widerspiegeln. Dies vermeidet die Notwendigkeit unerwünschter Ausgleichsanpassungen im Regelsystem.

Leistungselektronik dient als Ein- und Ausgangsumrichter für eine Vielzahl von Getriebetypen. Vier Lastmaschinen ersetzen das Rad/Straßen-System und repräsentieren das Fahrprofil, während ein Eingangs-Umrichter den Verbrennungsmotor simuliert.

Engine Torque Pulsation Simulation (ETPS) stellt den Verbrennungsmotor auf einem Entwicklungsprüfstand nach. Um die hohen Anforderungen für diese Art von Prüfstand zu erfüllen, werden niedrig-träge Permanenterregte Synchronmotoren und Asynchronmotoren eingesetzt.

Prüftechnik für Elektrofahrzeuge

Neue Entwicklungen erfordern neue Testtechniken. Der Antriebsstrang bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen – bestehend aus Fahrzeug-Inverter, Motor/Antrieb und Getriebe – kann als komplettes System getestet werden, alles in einer gemeinsamen DC-Zwischenkreis-Konfiguration verbunden, die regenerierte Leistung (z. B. beim Bremsen) zurück in den Kreis führt.

Für eine gegebene installierte Motorleistung bedeutet dies, dass die Nennleistung des netzseitigen Inverters minimiert wird, was sowohl Investitions- als auch Energiekosten spart. Ein Schlüsselfeature des Systems ist, dass alle Regelkreise synchronisiert sind, was das Risiko von Systemresonanzen erheblich reduziert.