optimierte entwicklung von alternativen antriebssystemen - MBtech

MESS- UND PRÜFTECHNIK PRÜFSTÄNDE
OPTIMIERTE ENTWICKLUNG VON
ALTERNATIVEN ANTRIEBSSYSTEMEN
Alternative Antriebskonzepte unterscheiden sich durch verschiedene E-Maschinen- und Getriebetypen, Batteriesysteme
sowie unterschiedliche Kühl- und Packagekonzepte nicht nur konzeptionell, sondern auch technisch
sehr stark. Der Entwicklungsdienstleister MBtech Group bietet mit einem Antriebssystemprüfstand eine umfassende
Lösung für die Neu- und Weiterentwicklungen von Antriebs- und Fahrzeugsystemen und optimiert so
gleichzeitig die oft komplizierte Fahrzeugintegration und -absicherung in Bezug auf Zeit und Kosten.
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AUTOREN
MARTIN W. OTT
ist Senior Manager E-Drive Systems
und E-Mobility bei der MBtech Group
in Sindelfingen.
MICHAEL BARTZSCH
ist Manager Systemintegration und
Validierung E-Drive bei der MBtech
Group in Sindelfingen.
CHRISTIAN HOLTKÖTTER
ist Entwicklungsingenieur im Bereich
Systemintegration und Validierung
E-Drive bei der MBtech Group
in Mönsheim.
ENTWICKLUNGSPHASEN
Bei der Antriebsstrangentwicklung werden klassisch in drei
Phasen verschiedene Schwerpunkte beim Testen gesetzt, ❶. In
Phase 1 werden erste Musterstände von Komponenten schrittweise
in einem Gesamtsystemverbund in Betrieb genommen
und erste Funktionstests durchgeführt. Ziel ist es, das Zusammenspiel
der Komponenten abzusichern, um so für Phase 2
einen Reifegrad zu erreichen, der die Darstellung eines Testaufbaus
(Entwicklungsfahrzeug) ermöglicht. Hier werden dann
zunächst Antriebsstrang- und Fahrzeugfunktionen im Fahrbetrieb
getestet und vorappliziert. Sollte dies nicht im Zielfahrzeug
erfolgen, schließt eine Phase 3 an, in der die finale Applikation
erarbeitet wird.
Um den hohen Zeitbedarf zwischen den Entwicklungsphasen
und die hohen Kosten für Entwicklungsfahrzeuge zu reduzieren,
wurde ein neuartiger Antriebssystemprüfstand (ASP) aufgebaut.
Innerhalb dieser Prüfstandsumgebung können nunmehr
die Elektrik/Elektronik (Hochvolt und Niedervolt) und
der gesamte Antriebsstrang integriert, echt betrieben und vollklimatisiert
getestet werden. Aufgrund der flexiblen Einbringung
der Prüflinge können so Fahrzeug- und Antriebskonzepte
schon ab der frühen Musterphase, zum Beispiel als Teilaufbau,
bis zum fertigen Serienfahrzeug auf einem Prüfstand durchgängig
betreut werden. Dies spart erhebliche Applikationszeit
ein und reduziert zudem die Komplexität bei der Synchronisation
der Entwicklungsphasen sowie der darin parallel erfolgenden
Entwicklungsaktivitäten, ❷.
Bei der Entwicklungsarbeit bietet ein ASP vielfach auch Vorteile,
um die Vielschichtigkeit neuer und stärker vernetzter Systeme
zu beherrschen, indem nur der Antriebsstrang für sich
oder einzelne Teilsysteme betrachtet werden müssen.
Abhängigkeiten wie beispielsweise die Berechnung des Batterieladezustands
und der aktuellen Prognose der Fahrzeugrestreichweite
in Kombination mit die aktuelle Außentemperatur
und der zu erwartenden Reisegeschwindigkeit zeigen, dass verschiedenste
Regelsysteme in Abhängigkeit stehen können. Solche
Zusammenhänge haben gegebenenfalls direkte Auswirkung auf
die vom Kunden wahrzunehmenden Fahrzeugeigenschaften.
Mai 2013
Automotive Engineering Partners
❶ Prozessübersicht zur Validierung eines klassischen Antriebsstrangs
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MESS- UND PRÜFTECHNIK PRÜFSTÄNDE
Für die Wiederaufladung der Batterien
können verschiedene Ansätze wie das AC-
Laden (dreiphasig bis zu 43 kW), DC-Laden
oder induktives Laden in der Prüfkammer
entwickelt und realisiert werden. Für die
spezielle Zielmarkterprobung der Ladeinfrastruktur
steht eine Netzsimulation zur
Verfügung. Sie er möglicht es, unterschiedliche
länderspezifische Spannungsniveaus
und Frequenzen darzustellen.
Anhand der neuen Prüfstandsregelung
lassen sich Lastzyklen und Fahrmanöver
realisieren, die vorher nicht möglich oder
mit zusätzlichem Regelungsaufwand
verbunden waren. Die drehzahlbasierte
Regelung führt hierbei zu einer genauen
Simulation der Straßenbelastung und
erlaubt sogar, Extremsituationen wie Eisplatte
und Bremsen mit ABS-Eingriff am
Prüfstand darzustellen.
❷ Prozessübersicht zur Validierung eines Antriebsstrangs mit Antriebssystemprüfstand
AUFBAU UND HOHE
DYNAMIK DES PRÜFSTANDS
Der Prüfstand besteht aus einer großen
Klimakammer, in der ein vollständiger
Antriebsstrang oder ein gesamtes Fahrzeug
zur Prüfung montiert wird. Ein
zweiter Raum steht speziell für Batteriesystemtests
zur Verfügung. Die
Größe der Klimakammer erlaubt es,
große Traktionsbatterien in dieser
Kammer zu betreiben.
Zur Simulation der Achslast sind in
der aktuellen Ausbaustufe zwei Asynchron-Lastmaschinen
installiert, durch
die definierte Drehzahl-/Drehmoment-
Punkte oder eine Straßensimulation eingestellt
werden können, ❸.
Neu ist die Verwendung des Prüfstands
für die Simulation hochdynamischer
Fahrmanöver, die mithilfe des neu
entwickelten Antriebsumrichters und
eines komplexen Regelalgorithmus möglich
sind. Die Gesamtleistung beider
Lastmaschinen auf einer Achse liegt bei
nominal 500 kW und das Nenndrehmoment
bei circa 2100 Nm je Lastmaschine.
Für Umwelttests können beide Kammern
separat voneinander von – 30 bis
+ 50 °C temperiert werden. Für spezielle
Komponententests können die Bauteile
Temperaturen bis zu 140 °C ausgesetzt
werden.
Über die zusätzliche Batteriesimulation
werden jeweils beide Klimakammern
mit einer Spannung von bis zu
850 V (Leistungen bis zu 500 kW sind
möglich) versorgt.
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❸ Übersicht Antriebssystemprüfstand (mögliche Prüflinge in Orange)
VOLLLASTANFAHRT
Bei diesem Test fährt ein Fahrzeug mit
Vorderachsantrieb im Vorwärtsgang auf
einer geraden Straße und befindet sich
anfangs im Kriechmodus. Der Reibwert,
der am Prüfstand vorgegeben wird, entspricht
einer trockenen Straße.
Die gemessenen Drehmomente an den
Seitenwellen, ❹, weisen auf ein starkes
Schwingen im Antriebsstrang hin.
Erkennbar ist die ungleiche Drehmomentverteilung
zwischen rechts und links, die
sich am Prüfstand automatisch einstellt.
Durch Variation von Umgebungsparametern
kann dieser Test auf einfache Weise
verändert und in kürzester Zeit wiederholt
werden. Durch die Änderung der Reibwertvorgaben
an jedem einzelnen Rad
kann das Verhalten des Antriebsstrangs
bei unterschiedlichem Untergrund untersucht
werden. Die Einstellung des Steigungswinkels
der Straße kann im Fahrzeugmodell
vorgegeben werden, was in
Kombination als Testfall „Anfahren am
Berg mit unterschiedlichen Fahrbahnbelägen“
zum Beispiel für eine Funktionsüberprüfung
der Anfahrhilfe verwendet werden
kann.
DYNAMISCHER
LASTFALL EISPLATTE
Das Fahrzeug fährt dazu auf einer geraden,
trockenen Straße und beschleunigt.
Während des Beschleunigungsvorgangs
fährt die linke Fahrzeugseite über eine
kurze, rutschige Stelle, wie beispiels-

Um die realistische Darstellung dieser
Belastungen für den Prüfling am Prüfstand
mit den Belastungen auf der Straße
vergleichen zu können, wurde dieser Test
mit einem Fahrzeug mit geeigneter Messtechnik
auf einem Testgelände wiederholt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Nachbildung
am Prüfstand jetzt möglich ist, ❺.
LASTZYKLUS MIT
ANTRIEBSSTRANGSCHWINGEN
❹ Gemessene Drehmomente an den Seitenwellen bei Volllastfahrt
weise eine Eisplatte. Zunächst dreht das
linke Vorderrad durch und wird gleich
wieder von der trockenen Straße
ab gebremst. Auf grund der enormen
Drehmomentstöße ist dieses Szenario
eine Herausforderung für den Antriebsstrang
ge nauso wie für den Prüfstand.
Diese Belastung ist durch die starken
Schwingungen der Drehmomente auf
der Achse zu erkennen.
In diesem Szenario fährt das Fahrzeug
auf gerader trockener Straße einem vorgegebenen
Geschwindigkeitsprofil nach. Im
Verlauf des Drehmoments ist das Schwingen
des Antriebsstrangs zu erkennen. Im
normalen Fahrbetrieb ist eine Analyse
des Seitenwellenmoments nur mit empfindlicher
Drehmomenterfassung möglich
und lässt sich auch nicht auf Basis der
Raddrehzahlen erschließen, ❻.
Wenn solche unerwünschten Effekte
erst im Gesamtaufbau im Fahrzeug auftreten,
werden diese Schwingungen eventuell
gar nicht oder zu spät erkannt und beein-

MESS- UND PRÜFTECHNIK PRÜFSTÄNDE
trächtigen Qualität und Dauerhaltbarkeit.
Durch den speziellen Aufbau des ASP ist
die Entdeckung und Analyse solcher Probleme
im Gesamtfahrzeug möglich. Der
Prüfstand eignet sich daher auch gut für
Fahrdynamiktests und -applikationen von
E- über Hybrid- bis hin zu konventionellen
Antrieben mit Automatikgetriebe.
TESTSYSTEM FÜR REIFEGRAD-
UND AUFWANDSERMITTLUNG
Bei der Betrachtung aktueller Entwicklungsprozesse
nach dem V-Modell ist
ersichtlich, dass die Entwicklungslandschaft
durch ihren Aufbau, verschiedene
Abteilungen und Entwicklungsphasen
von einer hohen Anzahl an Software-
Tools und Prozessen geprägt ist. Die Koordination
und Überwachung erfordert
einen hohen administrativen Einsatz.
Das Ziel hinter diesen Prozessen ist,
von der Spezifikation bis zur finalen
Freigabe alle Anforderungen nachvollziehbar
in Testfälle zu übertragen, zu
testen und für die Freigabe zu bewerten.
Für diese einzelnen Phasen werden
unterschiedliche Tools verwendet, die
nicht vollständig durchgängig und
untereinander verknüpft sind. Eine automatische
Übertragbarkeit und Pflege der
Daten ist somit kaum möglich. Die Be -
wertung des Entwicklungsfortschritts
und des Reifegrads ist daher mit hohem
manuellen Aufwand für das Zusammenfassen
und Interpretieren von Informationen
aus den einzelnen Bereichen verbunden.
Dies gilt im Besonderen, wenn
stark verteilte beziehungsweise vernetzte
Funktionen und Systeme ohne
durchgängiges Fehler- und Change-
Management zu entwickeln sind. Bei
jeglichen durchgeführten oder geplanten
Änderungen während der Entwicklung
und nach jedem Fehlerfall ist der Aufwand
und Umfang von Nachtests nur
manuell und sehr aufwendig ermittelbar.
Daher sind auch die Kosten und
Zeitverluste häufig nicht vor einem
Änderungsbeschluss verfügbar.
Um in einem komplexen Prüfstandsumfeld
wie dem des ASP für unterschiedlichste
Kunden schnell, vollständig und
möglichst automatisiert testen und auswerten
zu können, wird zukünftig ein
übergeordnetes Testsystem ergänzend zu
den schon bestehenden Prozessen und
Tools der Entwickler eingesetzt. Auf
diese Weise kann final eine durchgängig
nachvollziehbare Erprobung unabhängig
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von Entwicklungsphase, Erprobungsplattform
und -tool ermöglicht werden.
SYSTEMATIK UND VERNETZUNG
DES TESTSYSTEMS
Testsystembeschreibungen und deren
Anforderungen werden analog zu der
Systematik des V-Entwicklungsmodells
für die jeweils zu prüfenden Umfänge aus
den Einzeltestbereichen erstellt; im Falle
eines Antriebssystems also zum Beispiel
für die E-Maschine, die Leistungselektronik
oder das Hochvolt-Batteriesystem. Die
Verbindung zwischen dem Komponenten-,
System- und Gesamtfahrzeugtest ist
mit den aktuellen Testtools am Markt
grundsätzlich um setzbar, muss aber im
Einsatzfeld eines Prüfstands generisch
bleiben, um kundenspezifische Anforderungen
flexibel berücksichtigen zu können.
Die Kenntnis der funktionalen
Zusammenhänge auf und zwischen den
jeweiligen Systemebenen (Antrieb und
Fahrzeug) sowie die Verfügbarkeit eines
Testsystems, das konkrete Testfälle hierfür
bereithält, erlauben der MBtech,
zukünftig noch mehr Unterstützung bei
der Gestaltung einer vollumfänglichen
Absicherung anzubieten.
Die möglichen Testfälle auf dem ASP
lassen sich in sechs Hauptgruppen zu -
sammenfassen, die einzeln oder in Kombination
verwendet werden können:
❺ Gemessene Drehzahlen und Drehmomente beim Überfahren einer Eisplatte (1 m)

:Straßensimulationen
(Kunden- und Normzyklen)
:Dauerläufe/-tests
:dynamische Lastfälle
:Fahrzeugfunktions-/applikationstests
:Klimatests (zum Beispiel
Thermomanagement, Kaltstart)
:Elektrik und Elektronik (zum Beispiel
Laden, Vernetzung, Isolation).
Die Verknüpfungen von Testtool-APIs
(Programmierschnittstellen) und Environment-Steuerungen,
wie beispielsweise
für unterschiedlichste Prüflingskonditionierungen
erforderlich, sind in den Systemen
der Prüfstandssteuerungen frei
programmierbar integriert. Die dazu
noch benötigten Informationen der
Anforderungen, des Konfigurations- und
des Change-Managements sind hierzu
aber noch nicht immer kombinierbar.
Der Prüfstandsingenieur muss also für
neue Testumfänge aus den vom Kunden
vorgegebenen Testbeschreibungen die
jeweils notwendigen Prüfstandsbefehle
beziehungsweise Prüfabläufe ableiten
und zusätzlich die Konfiguration des
Prüflings planen, um so die benötigte
Prüfzeit abschätzen zu können.
Die gestartete Entwicklung ist Ausgangspunkt
für eine spezifische Testsystemtopologie,
die eine Vernetzung
mit der Testsystemkonfiguration, der
Testdurchführung und des Reportings
der erhaltenden Ergebnisse vorsieht.
❻ Gemessene Schwingungen
Mai 2013
Automotive Engineering Partners