Messtechnik „Innovative Messtechnik für den elektrischen Antriebsstrang“ Neue messtechnische Fragestellungen und Anwendungen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen Bild 1: Messaufgaben an Elektrofahrzeugen Autor: Dipl. Ing. Martin Riedel, Leiter Technisches Produktmarketing, imc Test & Measurement GmbH www.imc-tm.de/ Bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen und deren Komponenten stehen Hersteller und Zulieferer vor neuen messtechnischen Herausforderungen, da der gesamte elektrische Antriebsstrang sowie die einzelnen Komponenten teilweise unter sehr hohen elektrischen Spannungen stehen. Für jede messtechnische Aufgabe sind spezielle Lösungen gefragt, wenn es um die Performance des gesamten Fahrzeugs oder den Energieverbrauch einzelner Komponenten geht, wie Umrichter (Inverter), Batterie oder Motor. Weitere Testaspekte betreffen die Funktionalität, Effizienz oder die Sicherheit, auch im Zusammenspiel von Komponenten, wie beispielsweise zwischen Antrieb und Batterie, elektrischen und mechanischen Bremsen oder zwischen Fahrzeug und Ladestationen. Weiterhin sind Sicherheitsfragen zum Betrieb der Batterie, darunter Kühlung und Heizung von elektrischen Subsystemen oder auch das Fahrempfinden („User Experience“) Gegenstand messtechnischer Untersuchungen (Bild 1). Das Messen im HV-Umfeld als besondere Herausforderung Ein Thema bei der Entwicklung von Messlösungen für ein Hochspannungsumfeld ist daher die Isolation von Geräten, Kabeln und Steckern gegenüber hohen Spannungen wie auch der Schutz gegen elektromagnetische und elektrostatische Störungen (EMV/ESD). So treten im Betrieb häufig Transienten, Hochfrequenzstörungen (HF Noise) oder magnetische Felder auf, die emp- Bild 2: Herkömmliches Messmodul für HV-Anwendungen: imc Messmodul imc CANSASflex-HISO8-T-8L 6 Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2019
Messtechnik Bild 3: Faser-Bragg- Prinzip findliche Messsysteme und Sensorik stören können. Ein anderes Thema ist die Personensicherheit beim Handling von Messtechnik und Prüflingen im Hochspannungsumfeld. Das eingesetzte Personal benötigt – wenn konventionelle elektrische Messtechnik verwendet wird – dementsprechend eine spezielle Qualifikation für das Rüsten und den Messbetrieb, da Komponenten und Kabel unter gefährlicher Spannung stehen können. Sicheres Messen von Temperaturen im HV-Umfeld Eine der wichtigsten Messgrößen im Elektrofahrzeug ist die Temperatur. Beispielsweise sorgen hohe Temperaturen in Elektromotoren für eine schnellere Alterung der für die Wicklungsisolierung verwendeten Materialien und begrenzen dadurch die Lebensdauer des Motors. Sie kann sich bei einem mittleren Anstieg der Betriebstemperatur von +10 °C bereits halbieren. Auch die Lebensdauer der Lagerschmierung wird durch hohe Temperaturen beeinträchtigt, ein weiteres Motiv für sorgfältiges Wärmemanagement. Neben dem Motor lassen sich an einem Elektrofahrzeug bis zu 400 weitere Temperaturmessstellen ausmachen. Etwa an Ladeeinheit und externer Lade-Infrastruktur, der Batterie, dem PTC-Heizgerät und dem E-Klima-Kompressor. Getestet werden neben komplexen Batteriesystemen, Brennstoffzellen und Antrieben auch Versorgungskreise, Leistungselektronik-Komponenten, Kabelbäume oder Stecker. Messtechnische Untersuchungen zielen hier darauf ab, die Beanspruchung bzw. Überlastung und die Performance, den Wirkungsgrad und das Wärmemanagement zu erfassen. Messtechnische Herausforderungen bei der Temperaturmessung im HV-Umfeld Allgemein bestehen die Herausforderungen von Temperaturmessungen im Hochspannungsumfeld darin, dass eine gesteigerte Aufmerksamkeit der Personensicherheit gelten muss. Konventionelle elektrische Messtechnik, basierend auf Thermoelementen und RTDs (PT100/1000) und NTCs trägt dem Rechnung durch galvanisch hochisolierende Messelektronik, Sensorik und aufwändig isolierte Kabel. Diese herkömmlichen Sensoren sind weit verbreitet und werden seit Jahrzehnten sicher beherrscht. Doch sowohl die Instrumentierung dieser elektrischen Sensorik als auch das Handling der Versuchsträger muss durch eine Elektrofachkraft vorgenommen werden. Alle Elemente des Messsystems – vom Modul über die Kabel bis hin zu den Sensoren - müssen personensicher ausgelegt sein (CAT-Spezifikation). Der Durchmesser herkömmlicher HV-Sensortypen von z. B. 3 - 4 mm kann zudem bei der Montage die Eigenschaften des Prüflings bereits in unzulässiger Weise beeinflussen, beispielsweise durch Bohrlöcher (Bild 2). Die dicke Isolierung der Kabel bedingt zudem, dass Vielkanalapplikationen sich nur sehr schwer durch ein Fahrzeug verlegen lassen. Darüber hinaus muss im Fall eines Auf einen Blick: Herkömmliche HV-Messtechnik und faseroptische Messtechnik Herkömmliche HV-Messtechnik FBG-Sensorik CAT Schutz notwendig (Modul + Sensor) nicht notwendig Montage, Installation durch Elektrofachkraft ohne Zusatzqualifikation Haftungsfragen kompliziert unproblematisch Unfallquellen bei Verwendung Sicherheitsvorkehrungen minimiert / ausgeschlossen Sensordurchmesser typ. 3,4 mm Ab 0,51 mm Instrumentierung beeinflusst Prüfling signifikant (Bohrlöcher) kaum Kabelverlegung im Fahrzeug aufwendig und voluminös benötigt 80 % weniger Platz Anfällig für EMV / ESD Störungen problematisch absolut immung Abtastraste 10 Hz/Kanal 1000 Hz/Kanal Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2019 7
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