So testen Sie 800-V-Antriebsstränge für Elektrofahrzeuge mit Power- hardware -in-the-Loop-Verfahren

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Leistungsemulation im geschlossenen Regelkreis ist der sicherste Ansatzpunkt, um die Regelungsfehler aufzudecken, die sich in einem 800-V-Elektrofahrzeug zwischen Batterie, Wechselrichter und Motor verbergen.
• Batterie- und Antriebsmodelle müssen das transiente Verhalten originalgetreu nachbilden, da sonst der Prüfstand eine Abstimmung genehmigt, die ein Leistungsprüfstand ablehnen würde.
• PHIL verdient sich erst dann Vertrauen, wenn eine sorgfältige Latenzsteuerung und eine disziplinierte Korrelation zwischen Prüfstand und Leistungsprüfstand nachweisen, dass die Prüfstandsergebnisse die tatsächlichen Ergebnisse vorhersagen.

Tests Ein 800-V-Antriebsstrang für Elektrofahrzeuge wird zunächst sicher mit einer Leistungsemulation im geschlossenen Regelkreis gestartet, bevor der Prüfstand überhaupt in Betrieb genommen wird.

Eine 800-V-Architektur vereint höhere Schaltbelastungen, schärfere Transienten und eine engere Kopplung zwischen Batterie, Wechselrichter und Motor in einem einzigen Regelungsproblem. Der weltweite Absatz von Elektroautos überstieg im Jahr 2024 17 Millionen, und mehr als 20 % der Neuwagenverkäufe entfielen auf Elektrofahrzeuge. Bei dieser Größenordnung wird sich eine verspätete Fehlererkennung auf Zeitpläne, Kalibrierungsarbeiten und Nachbesserungen bei der „ hardware “ über gesamte Programme hinweg auswirken. Sie benötigen einen Prüfstand, der diese Wechselwirkungen unter Last aufdeckt, bevor die physische hardware des Antriebsstrangs Sie zu kostspieligen Fehlerbehebungsmaßnahmen zwingt.

„Tests : Ein 800-V-Antriebsstrang für Elektrofahrzeuge wird zunächst sicher mittels einer Leistungsemulation im geschlossenen Regelkreis gestartet, bevor der Prüfstand überhaupt in Betrieb genommen wird.“

PHIL betreibt den 800-V-Antriebsstrang im geschlossenen Regelkreis

Die Leistungs hardware -in-the-Loop-Methode hält den tatsächlichen Regler und die Leistungsschnittstelle in einem geschlossenen Regelkreis mit einer simulierten Batterie, einer simulierten Maschine und einer simulierten Straßenlast bei einer aussagekräftigen Leistung. So testet man einen 800-V-EV-Antriebsstrang, bevor „ hardware “ existiert: Man behält die Regel hardware -Real, hält die Anlage synthetisch und belastet das Zusammenspiel frühzeitig.

Ein Traktionsumrichter-Regler kann Strombefehle an eine Leistungsstufe senden, die die Gegen-EMK, die Drehzahl und das Lastdrehmoment des Motors nachbildet, während ein Gleichstrom-Emulator den Spannungsabfall des Akkupacks und die Strombegrenzungen nachbildet. In einem Regelkreis lassen sich die Stabilität des Stromreglers, die Drehmomentnachführung, Busabweichungen und die Schutzzeiten überwachen. So können Sie die Übergangslogik zwischen den „ software “-Zuständen überprüfen, bevor umfangreiche Zeit für die „ hardware “-Phase eingeplant wird. Ein Prüfstand überprüft zwar die fertige Baugruppe, ist jedoch nicht besonders hilfreich unterstützen , wenn das Batteriepaket-Team, das E-Achsen-Team und das Steuerungsteam noch nach unterschiedlichen Zeitplänen arbeiten.

Diese zeitliche Lücke spielt bei 800-V-Systemen eine entscheidende Rolle, da die schwerwiegendsten Fehler an den Schnittstellen auftreten. Drehmomentumkehr, Unterbrechung der Energierückgewinnung, Strombegrenzung des Akkupacks und Änderungen des Vorladestatus können in isolierten Tests harmlos erscheinen. Sobald dieselben Ereignisse jedoch unter Last in einem geschlossenen Regelkreis auftreten, werden Schwachstellen in den Annahmen schnell sichtbar. Sie überprüfen nicht nur, ob software läuft. Sie überprüfen, ob das gesamte Regelverhalten stabil bleibt, wenn sich Spannung, Strom und Maschinendynamik gleichzeitig verändern.

Die Gleichstromquelle muss das Verhalten der Batteriesammelschiene nachbilden.

Ein brauchbarer 800-V-Gleichstrom-Emulator muss die Batteriespannung, den Innenwiderstand, die Strombegrenzungen, die Vorladung und die Schützzustände mit ausreichender Geschwindigkeit nachbilden, um den Wechselrichter genauso zu beeinflussen, wie es eine Batterie tun würde. Wenn das Busverhalten zu sanft, zu langsam oder zu ideal ist, werden Ihre Stromregelkreise und Fehlerlogik zwar die Prüfstandstests bestehen, diese später jedoch nicht überstehen.

Führen Sie einen Vollgasstart bei niedrigem Ladezustand mit einem Modell mit kaltem Akku durch. Der Wechselrichter fordert Strom an, die emulierte Batterie fällt ab, und die Steuerung muss den Drehmomentbedarf gegen die Spannungsgrenzen abwägen. Wenn die Gleichstromquelle unabhängig vom Strom konstant 800 V liefert, verschleiert der Prüfstand genau das Problem, das Sie abstimmen müssen. Gleichstrom-Schnellladegeräte haben üblicherweise eine Leistung von 50 kW bis 350 kW, sodass moderne 800-V-Steuerungen bereits auf aggressive Strom- und Spannungsgrenzen ausgelegt sind.

Die Vorladung und die Schützabfolge erfordern die gleiche Sorgfalt. Ein Batteriepackmodell sollte die Zustände „offen“, „Vorladung“, „geschlossen“ und „Fehler“ mit realistischen Zeitabläufen und Impedanzen durchlaufen. So können Sie die Störungsunempfindlichkeit, die Logik zur sicheren Drehmomentsperre und das Neustartverhalten testen, noch bevor die Batteriepack- hardware überhaupt bereit ist. Die Busemulation ist keine Aufgabe der Stromversorgung. Sie ist Teil des Anlagenmodells, und der Wechselrichter verhält sich nur so realitätsnah, wie es dieses Modell zulässt.

Das Lastmodell muss die Transienten des Antriebsmoments nachbilden

Das Traktionslastmodell muss Drehmomentsprünge, Trägheit, drehzahlabhängige Gegen-EMK sowie Vorzeichenwechsel bei der Rekuperation nachbilden. Eine Motoremulation, die lediglich das konstante Drehmoment nachbildet, lässt die Momente außer Acht, die die 800-V-Steuerlogik aus der Bahn werfen, da die größten Herausforderungen nicht während des gleichmäßigen Fahrbetriebs, sondern beim Anfahren, beim Beschleunigen und beim Übergang zur Rekuperation auftreten.

Ein Anfahrvorgang an einer Gefällestrecke eignet sich gut zur Überprüfung. Der Drehmomentbefehl schwankt ins Negative, die Akkuspannung steigt durch die regenerative Bremsung an, und die Drehzahlschätzung muss stabil bleiben, während sich die Stromrichtung ändert. Wenn Ihr Prüfstand nur eine feste Widerstandslast anlegt, wirkt der Regler ruhiger, als er tatsächlich ist. Das gleiche Problem tritt bei Eingriffen der Traktionskontrolle auf, bei denen das Soll-Drehmoment innerhalb weniger Millisekunden abfallen und sich wieder erholen kann.

Diese Transienten sind von Bedeutung, da sie die Entscheidungen bei der Abstimmung beeinflussen. Ist das Lastmodell zu einfach, fügt man Filter hinzu, verringert die Verstärkung oder vergrößert die Sicherheitsmargen, um eher den Prüfstand als den Antriebsstrang zu kompensieren. Diese schwache Abstimmung besteht in der Regel die grundlegenden Tests, versagt jedoch, sobald die physische Maschine mit ihrer eigenen Trägheit und Gegen-EMK zurückschlägt. Ein zuverlässiges Lastmodell gibt Ihnen die Sicherheit, den Regelkreis präzise abzustimmen, ohne raten zu müssen. Dadurch wird der erste Durchlauf von „ hardware “ zu einem Bestätigungsschritt statt zu einer Suche nach grundlegender Stabilität.

Validierung der Startsteuerung unter Nennbetriebsbedingungen

Beginnen Sie die Validierung an Nennpunkten, da stabile Betriebsfenster Modellierungsfehler, Skalierungsfehler und eine Sättigung der Regelung mit geringerer Mehrdeutigkeit aufdecken. Sie sollten zunächst die Drehmomentnachführung, die Gleichstrom-Bus-Regelung, die Drehzahlschätzung und die Schutzschwellen bei moderater Spannung, moderatem Strom und wiederholbaren thermischen Annahmen überprüfen, bevor Sie den Prüfstand in „ Vorteil “-Szenarien belasten.

Ein moderater Fahrabschnitt im Stadtverkehr reicht in der Regel aus, um mangelhafte Skalierung der „ I/O “, Vorzeichenfehler oder eine instabile Stromregelung aufzudecken. Sie können die Maschinendrehzahl konstant halten, das Drehmoment in einem engen Bereich schrittweise variieren und überprüfen, ob sich Busspannung, Phasenstrom und geschätzte Drehzahl wie vorgesehen einpendeln. Wenn diese Messkurven unter Nennbedingungen verrauscht sind oder Verzögerungen aufweisen, werden strengere Tests die Ursache nur unter einer Vielzahl weiterer Variablen verbergen. Diese erste Basislinie bietet den Kalibrierungs- und Regelungsteams zudem eine gemeinsame Referenz für spätere Überprüfungen.

Diese Vorgehensweise bietet den Teams zudem eine klare Ausgangsbasis für Korrelationsanalysen. Sobald die Nennfälle stabil sind, können Sie die erwarteten Kurvenverläufe festlegen und diese als Akzeptanzkriterien für „ software “-Abfälle, Controller-Überarbeitungen oder Aktualisierungen des Anlagenmodells verwenden. Sie werden weniger Zeit damit verbringen, über den Testaufbau zu diskutieren, und mehr Zeit damit, den durch den Aufbau aufgedeckten Fehler zu beheben. Außerdem verkürzt sich dadurch der Überprüfungszyklus, da jede neue Kurve anhand eines bekannten Referenzsatzes beurteilt werden kann.

Bei der Fehlerinjektion sollten zunächst die Transienten mit den schwerwiegendsten Auswirkungen ins Visier genommen werden

Die Fehlerinjektion sollte mit Transienten beginnen, die hohe Spannung, hohen Strom und Steuerungsverzögerungen kombinieren, da diese Ereignisse hardware am schnellsten beschädigen und software in die Irre führen. Sie werden mehr Nutzen aus einer kurzen, heftigen und wiederholbaren Reihe von Fehlern ziehen als aus einem langen Katalog einfacher Fälle, die den Regelkreis nie belasten.

Im ersten Durchgang sollte der Schwerpunkt auf den Ereignissen liegen, bei denen am ehesten unsichere Drehmomente oder Fehler in der Bussteuerung auftreten können:

• Ein Einbruch der Gleichstrom-Sammelschiene während Tests bei maximaler Drehmomentanforderung prüft die Strombegrenzung und die Drehmomentverteilung.
• Eine Überspannung im Bus während Tests zur abrupten Unterbrechung der regenerativen Bremsung beeinträchtigt die Bremsmischung und das Schutzzeitverhalten.
• Ein Ausfall des Resolvers oder Encoders bei Tests mit mittlerer Drehzahl dient zur Überprüfung des Ausweichverhaltens des Beobachters und des Drehmomentabfalls.
• Der Phasenstromsensor-Offset unter Last prüft die Fehlererkennung und die Regelung bei verminderter Leistung.
• Nichtübereinstimmung des Schützstatus nach der Abfolge von Vorladetests und der sicheren Drehmomentsperre.

Jeder Fall sollte so gut reproduzierbar sein, dass „ software “-Teams die Ablaufverläufe über verschiedene Builds hinweg vergleichen können. Beginnen Sie mit einem engen Fehlerfenster, zeichnen Sie die Reaktion des Controllers auf und erweitern Sie erst dann den Störungsbereich. Diese Vorgehensweise ist wichtig, denn bei PHIL geht es nicht darum, Drama zu erzeugen. Vielmehr soll ermittelt werden, welche Interaktion als Erstes ausfällt – und zwar, bevor eine physische Maschine oder ein Antriebsstrang den Schaden davonträgt. Außerdem schützt dies Ihren Zeitplan, da derselbe Ablaufverlauf nach jedem „ software “-Update erneut abgespielt werden kann.

Die Latenz bestimmt die Zuverlässigkeit von Leistungsprüfungen im geschlossenen Regelkreis

Die Latenz bestimmt, ob sich ein PHIL-Prüfstand wie ein Antriebsstrang oder wie eine „höfliche“ Demonstration verhält. Die Gesamtverzögerung über Simulation, I/O, Leistungsstufe und Messung hinweg beeinflusst die Phasenreserve, die Stromwelligkeit und das Fehlerzeitverhalten. Daher müssen Sie diese messen und die Kompensation abstimmen, bevor Sie einem bestandenen Testergebnis vertrauen können.

Ein bei 10 kHz arbeitender Stromregelkreis hat pro Zyklus nur 100 Mikrosekunden zur Verfügung. Wenn zu viel dieser Zeit durch Signalaufbereitung, digitale Schnittstellen oder Verstärkerverzögerungen verloren geht, verlagert sich die Abstimmung vom physikalischen System auf den Prüfstand. Der Prüfstand begünstigt dann konservative Verstärkungswerte und überdeckt Schwingungen, die ein physikalischer Antriebsstrang sofort zeigen würde. Aus diesem Grund messen die Teams die Regelkreisverzögerung direkt, anstatt davon auszugehen, dass die Werkzeugkette schnell genug ist.

Hier kommt es auf die Umsetzung an, und eine Plattform wie OPAL-RT OP1430 PHIL Prime ist nützlich, da die simulierte Batterie, die Traktionslast und die Leistungsschnittstelle unter Last synchronisiert bleiben, anstatt langsame Überwachungssollwerte auszutauschen. Sie müssen dennoch die Gesamtverzögerung des Regelkreises charakterisieren, bei Bedarf kompensieren und die Stabilität nach jeder Modellaktualisierung erneut überprüfen. Die Glaubwürdigkeit von PHIL beruht auf der gemessenen zeitlichen Genauigkeit, nicht auf dem Etikett am Rack. Die gemessene Verzögerung sollte zu einem Freigabekriterium werden, da Zeitfehler jedes andere Ergebnis auf dem Prüfstand verfälschen.

Die Korrelation auf dem Prüfstand muss die Ergebnisse auf dem Leistungsprüfstand vor der Veröffentlichung von „ hardware “ vorhersagen

Die Korrelation auf dem Prüfstand ist das Signal, das Ihnen zeigt, dass Ihr PHIL-Setup vertrauenswürdig ist. Wenn Drehmomentverhalten, Busauslenkungen, Schutzzeitpunkte und thermische Annahmen mit späteren Prüfstanddaten innerhalb der vereinbarten Fehlerbänder übereinstimmen, können Sie zuversichtlich fortfahren. Ist dies nicht der Fall, müssen das Modell oder die Schnittstelle noch überarbeitet werden, bevor der nächste Schritt „ hardware “ erfolgen kann.

Eine gute Korrelationsanalyse nutzt bei beiden Konfigurationen dieselben Start-, Abhebe-, Regenerations- und Fehlerfälle. Man vergleicht Wellenformen, Zeitabläufe und Schwellenwertüberschreitungen, anstatt sich auf ein einzelnes „Bestanden“- oder „Nicht bestanden“-Flag zu verlassen. Wenn der Prüfstand vorhersagt, an welcher Stelle der Leistungsprüfstand das Drehmoment begrenzen, die Schutzschaltung auslösen oder den Bus überlasten wird, ist er nicht mehr nur ein praktisches Hilfsmittel, sondern wird zu Ihrer ersten Validierungsstufe. Durch diese Umstellung sparen Sie Zeit auf dem Leistungsprüfstand, die Sie nun für die Bestätigung und Dauerhaltbarkeitsprüfung nutzen können, anstatt sie für die erste Fehlererkennung aufwenden zu müssen.

Das ist der Maßstab, an dem sich disziplinierte Teams orientieren sollten. Wenn der Prüfstand die Ergebnisse auf dem Leistungsprüfstand nicht vorhersagen kann, hat er sich keinen zentralen Platz in Ihrem Validierungsablauf verdient. Wird OPAL-RT als Testumgebung auf Leistungsniveau eingesetzt, liegt der Nutzen auf der Hand: Das Regelverhalten wird getestet, noch bevor ein physischer Antriebsstrang existiert, und die ersten schwerwiegenden Fehler treten dort zutage, wo ihre Behebung sicherer und kostengünstiger ist. Diese Vorgehensweise sorgt für bessere Prüfstandstests, da der Prüfstand die kostspieligsten Überraschungen bereits aus dem Weg geräumt hat.

„Wenn OPAL-RT als Testumgebung für diese Leistungsstufe genutzt wird, liegt der Nutzen auf der Hand: Das Regelverhalten wird getestet, noch bevor ein physischer Antriebsstrang existiert, und die ersten schwerwiegenden Fehler treten dort zutage, wo ihre Behebung sicherer und kostengünstiger ist.“