Mobile Messtechnik für Power Anwendungen im Fahrzeug

Durch die steigende Zahl der elektrischen und elektronische Verbraucher in Fahrzeugen besteht die Anforderung durch die Steigerung der Effizienz von Elektrik und Elektronik die CO2 Emissionen und den Verbrauch zu senken. Um dieses Ziel langfristig zu erreichen müssen Ströme, Spannungen und Temperaturen an Leistungsintensiven Fahrzeugkomponenten wie beispielsweise, elektrische Heizer, Pumpen, Scheinwerfer gemessen und validiert werden. Bei Fahrzeugen mit 48V Bordnetz sind relevante Komponenten beispielsweise der DC/DC-Wandler, die elektrische Maschine oder die 48V Batterie selbst, da hier kurzzeitig extrem hohe Leistungen auftreten. Im Folgenden werden einige Beispiele für Messungen an leistungsintensiven Komponenten erläutert.

Während der Rekuparation, beim Bremsen des Fahrzeugs wird Energie rückgewonnen und nicht in Wärme umgewandelt, indem in die Batterie rückgespeist wird. Aber auch für die oben erwähnten Komponenten müssen während der Entwicklungs- und Testphasen Spannungen und Ströme beziehungsweise Leistungen gemessen und validiert werden. Mit den neuen Messmodulen können bei Strom- und Spannungsmessungen auch berechnete Werte, wie die Lade- Entlade- und Totalbilanz, Leistung und die Arbeit online in während der Messung berechnet und auf der gewünschten Schnittstelle ausgegeben werden. Einerseits ist es notwendig Fehlerströme oder zu hohe Ströme frühzeitig zu erkennen, andererseits stellt es eine große Herausforderung dar dies umzusetzen. Hochauflösende Messtechnik für extrem weite Strom-, Spannungs- und Temperaturbereiche hilft Test- und Entwicklungsingenieuren diese Herausforderung erfolgreich umzusetzen.

Für das Energie- und Batteriemanagement müssen Spannungen und Ströme des Gesamtsystems und an einzelnen Verbrauchern gemessen werden. Durch die gemeinsame Messung von Strom- und Spannung mit einer einzelnen I/U-Kombi-Probe wird in Verbindung mit der KLARI-FUSE 3 nur ein Messeingang benötigt, da zwei synchron abtastende AD-Wandler pro Messeingang zur Verfügung stehen. Die Messung des Stromes erfolgt über einen niederohmigen Messshunt, die Spannungsmessung über einen Spannungsteiler. Durch die einzigartige Auto-Range-Funktion ermöglicht die Messung von Ruhe- und Betriebsströmen und Spannungen mit der bestmöglichen Auflösung. Dabei muss beim Set-Up der Messtechnik keine Vorauswahl des Messbereiches erfolgen, was die Rüstzeiten erheblich reduziert. In der untenstehenden Tabelle sind die Messbereiche, Auflösungen der AD-Wandler sowie von einer 1 mΩ und 200 µΩ HI/U-Kombi-Probe:

Der maximal Dauerstrom der 1 mΩ Probe beträgt 120 A bei der maximal erreichbaren Auflösung von 300 µA/Bit im Gain 100, während die Auflösung unter Volllast bei 7 mA/Bit liegt.

Die Kalibrierwerte des Shunts und des Spannungsteilers sind in der Probe abgelegt und wird beim Verbinden der Probe mit dem Messmodul automatisch ausgelesen und in der Messwertverarbeitung verrechnet. Der Kalibrierwert des Shunts ist der reale, am Prüfstand ausgemessene Widerstandswert. Die Ausgabeschnittstelle der Messdaten ist frei konfigurierbar, hierfür stehen zwei CAN Schnittstellen und eine 100 Mbit/s Ethernet Schnittstellen mit XCP-on-Ethernet bzw. dem KlaricServer zur Verfügung. Die DBC- oder A2L-Datei wird automatisch per Mausklick in der KlariToolBox mit allen angeschlossenen Proben erzeugt. Durch das „plug and measure“ Prinzip wird die Rüstzeit erheblich reduziert. Durch die online-Berechnung der Leistung, Lade-, Entlade und Totalbilanz werden alle notwendigen Werte während der Messung berechnet und ausgegeben, die ermöglicht eine besonders einfache Auswertung ohne, dass nachträglich unzählige zusätzliche Berechnungen durchgeführt werden müssen.

In der folgenden Darstellung ist der Startvorgang eines konventionellen 6 Zylinder Diesel Fahrzeugs mit 12V Bordnetz zu sehen, der mit einem KLARI-CORD 4 während einer Langzeitmessung aufgezeichnet wurde. Der gemessene Spitzenstrom während des Startens beträgt -757A wobei die Bordnetzspannung auf 8,7V einbricht. Diese Werte sind auch abhängig von der gewählten Abtastrate. Da im konventionellen 12V Bordnetz die Leistungen und somit auch die Ströme rasant gestiegen sind, werden in der Zukunft mehr und mehr Modelle mit 48V Bordnetz geben.

U_min = 8,7V I_max = -757A

Bei der näheren Betrachtung fällt auf, dass die Abtastrate nicht konstant gleich ist, sondern dynamisch. In allen neuen Messmodulen kann eine Schwelle für Strom, Spannung oder Temperatur eingestellt werden, bei der die Abtastrate geändert wird. Dies führt dazu, dass bei beispielsweise Ruhestrommessungen mit nur einem Hertz abgetastet wird. Steigt der Messwert jetzt über die eingestellte Schwelle kann der Spitzenstrom und die Signalform ausgewertet und eventuell Rückschluss auf die Ursache gezogen werden. Bei der Messung des Stromes und Spannung der elektromechanischen Lenkung hilft die dynamische Abtastrate das auszuwertende Datenvolumen erheblich zu reduzieren, da z.B. bei Messfahrten dauerhaft aufgezeichnet werden kann ohne die Messtechnik ein- oder auszuschalten. Dies gilt prinzipiell für alle Messaufgaben, auch den DC/DC-Wandler, bei dem die Ströme nahezu statisch sind.