Vergleich von Dynamometer- Tests n und Motoremulation bei E-Antriebsprogrammen

Wichtigste Erkenntnisse

• Das Dynamometer Tests validiert die komplette Antriebseinheit unter physikalischen hardware, während die Motoremulation den Umrichter und die Steuerungen unter Berücksichtigung zahlreicher Maschinen und Fehlerfälle validiert.
• Die Emulation kommt früh zum Einsatz, wenn das Design noch offen ist, und die Prüfstandstests kommen spät zum Einsatz, wenn Effizienz, thermische Grenzen und Haltbarkeit nachgewiesen werden müssen.
• Eine schriftliche Übergabe mit gemeinsamen Referenzpunkten sichert die Prüfstandstunden als Nachweis, wie es nur „ hardware “ leisten kann.

Dynamometer- Tests - und Motor-Emulation beantworten unterschiedliche Fragen, und Ihr E-Drive-Programm wird schneller fertig sein, wenn jede dieser Komponenten für die Frage eingesetzt wird, die sie am besten beantworten kann.

Ein Motorteststand prüft jeweils einen Wechselrichter im Vergleich zu einer physischen Maschine, wobei ein echtes Drehmoment auf eine echte Welle wirkt. Bei der Motoremulation wird diese Maschine durch eine Leistungsstufe ersetzt, die sich elektrisch wie die Maschine verhält, sodass derselbe Wechselrichter viele Maschinen, Betriebspunkte und Fehlerfälle durchläuft, ohne dass ein Austausch der „ hardware “ erforderlich ist. Die Emulation sollte frühzeitig und umfassend eingesetzt werden, der Teststand hingegen erst spät und für eingehende Prüfungen.

Der Druck, diese Abfolge richtig hinzubekommen, wächst stetig. Elektrofahrzeuge sollen im Jahr 2025 mehr als jedes vierte weltweit verkaufte Auto ausmachen, und jedes dieser Fahrzeuge verfügt über einen Antrieb, der hinsichtlich Geschwindigkeit, Drehmoment, Temperatur und Fehlerfällen validiert werden musste. Programme, die mit ungetesteter Steuerungs software n auf den Prüfstand kommen, zahlen dafür mit Leerlaufschaltvorgängen. Programme, die mit einem bewährten Wechselrichter ankommen, nutzen diese Zeit für das, was nur die rotierenden hardware zeigen.

Was ein Motorprüfstand nachweisen kann, was ein Modell nicht kann

Ein Motorprüfstand dient zur Überprüfung des gesamten elektromechanischen Systems. Er koppelt den zu prüfenden Motor über eine Welle und einen Drehmomentaufnehmer an eine Lastmaschine und misst während des Betriebs des Antriebs Drehmoment, Drehzahl, elektrische Leistung und Temperatur. Sie erhalten Daten zu Wirkungsgrad, Temperaturanstieg, Geräuschentwicklung und Schwingungen des hardware , der ausgeliefert wird.

Betrachten wir eine Wirkungsgradkarte für eine Antriebsmaschine. Die Zelle erfasst jeden Drehzahl- und Drehmomentpunkt, bis sich die Temperaturen eingependelt haben, und protokolliert anschließend die Wellenleistung in Abhängigkeit von der elektrischen Eingangsleistung, die von einem Leistungsanalysator gemessen wird. Lagerreibung, Temperaturdrift der Magnete, Überhitzungsstellen in der Wicklung und Kühlmittelströmung schlagen sich alle im Ergebnis nieder, da sie physikalisch vorhanden sind.

Für diese Direktheit bezahlen Sie. Sie setzt aber auch Grenzen, da ein Prüfstandsergebnis nur für eine bestimmte Maschinenkonfiguration, einen Rotor und einen Kühlkreislauf gilt. Ändert man die Wicklung oder die Magnetgüte, muss der Nachweis auf einem neuen Prüfstand erneut erbracht werden: hardware.

Welche Motor-Emulationstests werden von einer Prüfstandszelle nur selten durchgeführt?

Bei der Motoremulation werden der Wechselrichter und sein Steuer software us anhand eines als Modell vorliegendes Motors getestet. Eine Leistungsstufe wird an die Phasenanschlüsse des Wechselrichters angeschlossen und zieht die Ströme, die ein realer Motor bei voller Spannung und vollem Strom aufnehmen würde, während ein Echtzeitsimulator das Verhalten des Motors berechnet. Da sich der Rotor nicht dreht, gibt es keine mechanischen Einschränkungen für die durchzuführenden Tests.

Nehmen wir als Beispiel einen Phasenschluss oder einen Fehler des Positionssensors bei Höchstgeschwindigkeit. Auf einem Prüfstand birgt dieser Test das Risiko, dass ein Prototyp, eine Kupplung und manchmal sogar die Zelle selbst beschädigt werden; daher führen die Teams ihn nur einmal durch oder lassen ihn ganz weg. Eine emulierte Maschine durchläuft denselben Fehler Dutzende Male an einem Nachmittag, wobei zwischen den Durchläufen ein Parameter angepasst wird.

Die gleiche Flexibilität gilt auch für die Maschinenvielfalt. Der Wechsel von einer Permanentmagnetmaschine zu einer Induktionsmaschine ist ein Modellwechsel und kein Umbau. Sie können Induktivitätstoleranzen und teilweise entmagnetisierte Rotoren abdecken, die kein einzelner Prototyp abbilden könnte.

Was man dabei außer Acht lässt, ist alles Mechanische. Die Simulation sagt nichts über Lager, Rotorbelastung, Geräuschentwicklung oder die Wärmeableitung aus dem Gehäuse aus.

„Da sich kein Rotor dreht, gibt es keine mechanischen Einschränkungen bei dem, was man ausprobieren möchte.“

Der Hauptunterschied zwischen Dynamometer- Tests n und Motoremulation

Tests Der Hauptunterschied zwischen dem Dynamometer- Tests und der Motoremulation besteht darin, was sich auf der anderen Seite des Wechselrichters befindet. Beim Dynamometer- kommen eine physische Maschine und eine mechanische Last zum Einsatz, sodass die gesamte Antriebseinheit validiert wird. Bei der Motoremulation wird eine Leistungsstufe verwendet, auf der ein Maschinenmodell läuft, sodass der Wechselrichter und seine Steuerung unter weitaus mehr Bedingungen validiert werden.

Ein Programm, das bei einer bereits festgelegten Kalibrierung Drehmomentgenauigkeit benötigt, wählt die Zelle aus. Ein Programm, das noch Stromschleifen an drei in Frage kommenden Maschinen abstimmt, wählt den Emulator aus.

Wie viel kostet der Elektromotor-Prüfstand Tests pro Programm?

Der Preis für einen Elektromotor-Prüfstand Tests ist nicht pauschal festlegbar, da die Kosten stärker von der Nutzungszeit der Prüfzelle, dem Prototyp hardware und den Umrüstungen abhängen als von den Tests selbst. Externe Labore berechnen ihre Preise pro Schicht oder pro Tag, und eine eigene, dedizierte Prüfzelle ist ein Investitionsvorhaben, das mit eigenen baulichen Maßnahmen verbunden ist.

Ein einfaches Beispiel verdeutlicht, wohin das Geld fließt. Nehmen wir an, ein Programm umfasst drei Maschinenvarianten, und jeder Umbau erfordert zwei Tage für die Vorrichtungsmontage, die Wellenausrichtung und die Wiederinbetriebnahme. Das sind sechs Tage gebuchte Zellzeit, bevor überhaupt ein einziger neuer Datenpunkt vorliegt. Rechnet man noch einen Steuerungsfehler hinzu, der „ Tests “ pro Variante für einen Tag lahmlegt, sind insgesamt neun Tage für Arbeiten verstrichen, die keinerlei Ergebnisse erbracht haben. Diese Zahlen dienen lediglich der Veranschaulichung.

Die Budgets lassen wenig Spielraum für solche Verschwendung. Die Kostenziele für Traktionsantriebe in den Vereinigten Staaten sinken von 4,00 $/kW im Jahr 2025 auf 3,00 $/kW bis 2030, und die Validierungsbudgets stehen unter dem gleichen Druck. Die Motoremulation ist zwar mit eigenen Investitionskosten verbunden, doch sind die Betriebskosten pro Test gering, da nichts verschleißt und nichts neu montiert werden muss. 

„Die Einsparung ergibt sich daraus, dass man mit weniger Unbekannten auf den Prüfstand kommt.“

Wann ein Motor-Emulator der bessere erste Schritt ist

Ein Motoremulator ist die bessere erste Wahl, wenn der Umrichter bereits vor der Maschine einsatzbereit ist oder wenn die Testmatrix umfangreicher ist, als ein Prototyp abdecken kann. Damit können Sie die Leistungsstufe belasten, die Stromregelkreise schließen und die Schutzfunktionen bei voller Leistung testen, während die mechanischen Teile noch in der Bestellung sind.

Fünf Situationen sprechen eindeutig dafür, zunächst eine Emulation durchzuführen.

• Der Maschinenprototyp ist verspätet oder liegt nur in einer Stückzahl von 1 oder 2 Exemplaren vor.
• Mehrere Maschinentypen oder Wicklungsvarianten nutzen eine gemeinsame Umrichterplattform.
• Fehlerreaktionen müssen wiederholt bei hoher Geschwindigkeit und unter Volllast geprüft werden.
• Die Test software n werden noch optimiert, und bei Regressionen sind automatisierte Wiederholungsläufe erforderlich.
• Die erforderlichen Betriebspunkte liegen außerhalb des Drehzahl- oder Leistungsbereichs des verfügbaren Prüfstands.

Die Genauigkeit des Maschinenmodells entscheidet darüber, wie aussagekräftig diese Ergebnisse sind. Ein Modell mit konstanten Parametern blendet magnetische Sättigung und räumliche Oberschwingungen aus, sodass Strom- und Drehmomentwelligkeit sauberer erscheinen als bei hardware. Die OPAL-RT-Motoremulationsplattformen koppeln die Leistungsstufe mit Maschinenmodellen aus der FPGA Electric Machine Library, sodass der Wechselrichter mit einer virtuellen Maschine konfrontiert wird, die detaillierter ist als ein fester Satz von Induktivitäten.

Fragen Sie bei jedem Simulationsergebnis nach, welche Maschinendaten in das Modell eingeflossen sind. Finite-Elemente-Daten oder gemessene Flussdichtekarten liefern Ihnen eine Antwort, die Sie bei einer Konstruktionsprüfung verteidigen können.

Kann die Motoremulation die Dynamometer Tests en für die Freigabe ersetzen?

Die Motoremulation kann die Prüfstand Tests en für die endgültige Freigabe nicht ersetzen, da Nachweise hinsichtlich Lebensdauer, thermischer und mechanischer Eigenschaften nur durch einen sich drehenden Motor ( hardware ) erbracht werden können. Sie ersetzt jedoch einen großen Teil der Prüfstandstunden, die für Arbeiten an Wechselrichtern und Steuerungen aufgewendet werden – also genau jene Arbeiten, bei denen eine sich drehende Welle am wenigsten erforderlich ist. Die Freigabe hängt nach wie vor von den gemessenen Werten für Wirkungsgrad, Drehmomentgenauigkeit und Lebensdauer ab.

Die Langlebigkeit zeigt, warum. Kein Maschinenmodell kann beweisen, dass ein Lager, ein Wicklungsisolationssystem oder ein Rotor jahrelange Temperaturwechselbelastungen überstehen wird; daher finden Dauerlaufversuche, Thermostabilisierungstests und Geräuschmessungen in der Testzelle statt. Diese Stunden beginnen nun mit einem Wechselrichter, dessen Schutzvorrichtungen und Regelkreise bereits getestet wurden, sodass eine Woche Dauerlauf nicht durch einen Fehler vom Typ „ software “ unterbrochen wird.

Beide Methoden nacheinander in einem E-Drive-Programm ausführen

Bei den Programmen, die einwandfrei ablaufen, wird zunächst die Emulation und anschließend der Prüfstand ausgeführt, wobei eine gezielte Übergabe zwischen beiden erfolgt. Die Emulation schließt die Wechselrichter hardware, die Regelungsoptimierung und das Fehlerverhalten ab. Der Prüfstand überprüft anschließend den Wirkungsgrad, die thermischen Grenzwerte und die Lebensdauer an der realen Antriebseinheit, ohne dass dabei Zeit für die Fehlersuche aufgewendet werden muss.

Diese Übergabe funktioniert, wenn man sie schriftlich festhält. Legen Sie fest, welche Testfälle auf dem Emulator beendet werden, welche auf dem Prüfstand als Korrelationspunkte wiederholt werden und welche Abweichung zwischen beiden Sie akzeptieren. Eine Handvoll Betriebspunkte, die auf beiden Prüfständen ablaufen, geben Aufschluss darüber, inwieweit Sie dem Modell vertrauen können.

Wir sehen, dass sich diese Disziplin in kleinen Schritten auszahlt, die sich summieren. Ingenieur:innen , die Wechselrichter auf einem OPAL-RT-Prüfstand anhand virtueller Maschinen testen, bevor sie Prüfstandzeit buchen, betreten die Prüfzelle mit einer kürzeren Liste. Jedes Programm rechtfertigt seine Kosten, wenn es die Frage beantwortet, für deren Beantwortung es entwickelt wurde, und gute Programme geben offen zu, welche Frage sie in dieser Woche stellen.