Wie Tests von Traktionsumrichtern von Echtzeit-HIL-Simulationen Tests

Wichtigste Erkenntnisse

• Echtzeit-HIL liefert den Teams, die an Traktionsumrichtern arbeiten, bereits vor den Prüfstandstests Daten aus dem geschlossenen Regelkreis, wodurch spätere Nacharbeiten an Steuerungen, Sensoren und Schutzfunktionen vermieden werden.
• Der Wert von Tests deutlich Tests , wenn die Anlagengenauigkeit, die Schaltdetails und die Latenzbudgets mit dem Verhalten des Reglers übereinstimmen, das Sie validieren möchten.
• Ein stufenweiser Validierungsplan, der mit zeitkritischen Fehlern beginnt, führt zu glaubwürdigeren Bestehenskriterien als ein „Bench-First“-Verfahren, bei dem abgewartet wird, bis gekoppelte Fehler später auftreten.

Die Echtzeit-HIL-Simulation bietet Ihnen den schnellsten und zuverlässigsten Weg zur Validierung des Traktionsumrichters noch vor Tests Prüfstand- und Tests.

Ein Antriebsumrichter verbindet Steuerungscode, hardware, Sensor-und Datenfusion sowie Maschinenphysik miteinander, sodass Fehler selten isoliert bleiben. Netzteile und statische Lasten überprüfen die Grundfunktionen, zeigen jedoch nicht, wie Drehmomentbefehle, Gleichstrombus-Einbrüche, Schätzdrift und Schutzlogik beim Anfahren oder bei der Rekuperation zusammenwirken. Der Absatz von Elektroautos überschritt im Jahr 2024 die 17-Millionen-Marke, wodurch Elektrofahrzeuge auf über 20 % des weltweiten Pkw-Absatzes und erhöhte den Druck auf die Validierungsteams, Fehler früher zu erkennen. Echtzeit-HIL hat Einzug in den Haupttestablauf gehalten, da es ermöglicht, die Steuerung gegen ein Live-Anlagenmodell laufen zu lassen und Zeitgrenzen zu beurteilen, bevor es zu hardware oder Nacharbeiten auf dem Prüfstand kommt.

Echtzeit-HIL schließt die größte Lücke bei Tests von Traktionsumrichtern

„Echtzeit-HIL schließt die Lücke zwischen statischen Tests der vollständigen Antriebsstrangvalidierung, da die Steuerung in den Regelkreis eingebunden bleibt, während Motor, Batterie und Fahrzeuglast mit Betriebsgeschwindigkeit simuliert werden.“

Mit einem Prüfstand lassen sich der PWM-Ausgang, die Skalierung des Stromsensors und die Schaltfolge der Schütze überprüfen. Derselbe Regler im HIL-Umfeld kann mit einem plötzlichen Gaspedalanschlag, einem Spannungseinbruch der Busspannung durch ein Batteriemodell und einer Drehzahlumkehr des Motors während der regenerativen Bremsung konfrontiert werden. Diese Abfolge deckt Verzögerungen des Schätzverfahrens, Drehmomentüberschwinger oder unerwünschte Auslösungen der Schutzvorrichtungen auf, die in einem statischen Aufbau niemals auftreten würden.

Dieser Unterschied ist von Bedeutung, da späte Wechselrichterfehler selten auf einen einzelnen Block zurückzuführen sind. Sie entstehen durch Wechselwirkungen zwischen Regelkreisen, Zeitabläufen und den Grenzwerten der Leistungsstufen. Wenn Sie diese Wechselwirkungen frühzeitig testen, vermeiden Sie Nacharbeiten bei der Kalibrierung, den Schutzschwellenwerten und den Testskripten, bevor ein gekoppelter Fehler erstmals auf dem Prüfstand auftritt.

Bei Prüfstandstests werden Steuerungsfehler übersehen, die bei Lasttransienten auftreten

Prüfstandstests erkennen Fehler bei Lasttransienten nicht, da die meisten von ihnen die Anlage auf eine Stromquelle und eine passive Last vereinfachen. Mit diesem Aufbau lassen sich zwar grundlegende Schalt- und Schutzfunktionen überprüfen, jedoch werden Rotorbewegungen, Gegen-EMK, Lastverschiebungen bei den Reifen oder Umkehrungen des Regenerationsdrehmoments nicht nachgebildet.

Stellen Sie sich ein Fahrzeug vor, das aus einer starken Beschleunigungsphase herauskommt und bei einem niedrigen Ladezustand der Batterie in den Regenerationsmodus wechselt. Die Gleichstrombus-Spannung steigt an, die Phasenstromrichtung kehrt sich um, und software nur Millisekunden software , um das Drehmoment zu begrenzen, ohne dass hardware ausgelöst werden. Ein statischer Prüfstand kann zwar Stromgrenzwerte anzeigen, versäumt es jedoch zu erfassen, wie der Drehzahlregelkreis, der Beobachter und der Bus-Controller reagieren, während das Maschinenmodell dem Befehl entgegenwirkt.

Das sind die Fehler, die Zeit auf dem Prüfstand verschwenden. Oft verbringen Teams Tage damit, herauszufinden, ob das Problem in der Firmware, der Sensorik oder der Leistungsstufe liegt, weil den ursprünglichen Prüfstanddaten der Systemkontext fehlte. HIL liefert Ihnen diesen fehlenden Kontext bereits vor Tests, sodass sich die Ursachen schneller eingrenzen lassen und Ihre Testergebnisse direkt in die nächsten Schritte einfließen können.

Ein nützliches HIL-Setup für Traktionswechselrichter beginnt mit der Genauigkeit der Anlagenmodellierung

Bei der Einrichtung eines HIL-Systems für einen Traktionsumrichter steht die Anlagengenauigkeit im Vordergrund, da der Regler nur anhand der von Ihnen simulierten physikalischen Vorgänge bewertet werden kann. Das minimal erforderliche Modell muss das Ansprechverhalten der Batterie, das Ansprechverhalten des Gleichstromkreises, die Maschinendynamik, die Messpfade sowie die I/O erfassen, über die diese mit der Steuereinheit verbunden sind.

Eine sinnvolle Konfiguration für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen umfasst in der Regel ein Batteriemodell mit Spannungsabfall, ein Motormodell mit drehzahlabhängiger Gegen-EMK sowie eine Sensor-Emulation mit Offset oder Rauschen. Wenn Ihr Regler die Rotorposition anhand von Phasenmessungen schätzt, muss das Modell diesem Schätzer realistische Transienten statt idealer Wellenformen zuführen.

Genauigkeit bedeutet nicht, dass überall ein Höchstmaß an Detailgenauigkeit erforderlich ist. Detailgenauigkeit ist dort erforderlich, wo die Reaktion des Reglers davon abhängt, insbesondere bei der Totzeit, der Stromrekonstruktion, der Resolververzögerung und der Schützzeit.

Bei der Fehlerinjektion sollte der Schwerpunkt zunächst auf den zeitlichen Grenzen liegen

Bei der Fehlerinjektion sollte man mit den Zeitgrenzen beginnen, da Ausfälle des Traktionsumrichters häufig auftreten, wenn ein gültiger Befehl zu spät eintrifft, eine Messung eine Abtastung zu spät erfolgt oder eine Schutzfunktion einen Zyklus zu lange braucht. Diese zeitlichen Grenzwerte beeinträchtigen die Regelstabilität schon lange bevor katastrophale Fehler auf dem Prüfstand auftreten.

Bei einem praktischen ersten Durchlauf werden in der Regel fünf Fälle untersucht, die den Controller an seinen empfindlichsten Stellen belasten.

• Gleichstrom-Bus-Spannungsabfall bei einer Spitzenmomentanforderung
• Offset des Stromsensors nahe der Phasenstromumkehr
• Ausfall des Resolvers oder Encoders während der Beschleunigung
• Gate-Sperrverzögerung nach Überstromerkennung
• Kommunikationsjitter zwischen der übergeordneten Steuerung und der Umrichtersteuerung

Diese Fälle sind von Bedeutung, da sie die Grenze zwischen stabiler Erholung und instabiler Regelung aufzeigen. Ein Bus-Sag-Test zeigt, ob Drehmomentbegrenzung, Stromregelung und Schutzlogik unter Belastung miteinander harmonieren. Sobald diese Grenzen klar sind, werden spätere Fehleranalysen aussagekräftiger, da Sie sich zunächst auf Tests konzentrieren.

SiC-Wechselrichterprogramme erfordern schnellere Schaltmodelle

SiC-Wechselrichterprogramme erfordern schnellere Schaltmodelle, da sich Strom und Spannung in den Bauelementen so schnell ändern, dass grobe Modellannahmen das zu validierende Verhalten verschleiern. Wenn Ihr Simulationsschritt, Ihr Signalpfad oder Ihre Darstellung der Totzeit zu grob sind, wird das Regelungsteam Ergebnisse abnehmen, die hardware nicht funktionieren werden.

Das ist bei SiC umso wichtiger, da Siliziumkarbid elektrischen Feldern standhalten kann, die fast 10-mal höhere elektrische Felder als Silizium, was schnellere Schaltvorgänge und engere Zeitmargen ermöglicht. Ein bei einem älteren Wechselrichtermodell abgestimmter Stromkreis kann bei moderater Frequenz stabil erscheinen und dann Welligkeit oder Fehlauslösungen zeigen, sobald eine SiC-Leistungsstufe weitaus schneller schaltet, als es die ursprünglichen Annahmen zuließen.

Man braucht nicht für jedes Gerät ein Forschungsmodell. Man benötigt jedoch ausreichend detaillierte Schaltdaten, um Totzeiteffekte, Stromabtastfenster und Schutzzeitabläufe zu berücksichtigen. Teams, die diesen Schritt überspringen, müssen in der Regel Filter und Schwellenwerte nach hardware neu abstimmen, wobei jeder Reset und jeder erneute Test deutlich mehr Laborzeit in Anspruch nimmt.

Latenzbudgets bestimmen, was die Ergebnisse Ihres Wechselrichters tatsächlich bedeuten

Latenzbudgets beeinflussen die Ergebnisse von Wechselrichtern, da jede Abtastung, jede Übertragungsverzögerung, jeder Solver-Schritt und jede I/O die Sicht des Reglers auf das System verschiebt. Wenn man diese Verzögerungen nicht berücksichtigt, kann ein stabiler Traktionswechselrichter im HIL-Betrieb auf hardware instabil werden, oder ein schwacher Entwurf kann im Labor einwandfrei erscheinen.

Nehmen wir eine Stromregelschleife, die für eine Regelperiode von 50 μs ausgelegt ist. Rechnet man die Verzögerung des Solvers, die Verzögerung des analogen Eingangs, die Verzögerung des Impulsausgangs und den Task-Jitter hinzu, kann die Schleife ihre Phasenreserve verlieren, bevor es jemand bemerkt. Bei mäßiger Auslastung sehen die Kurven noch ordentlich aus, doch sobald die Geschwindigkeit steigt und der Bus einbricht, treten Schwingungen auf.

„Die Arbeit an den Latenzwerten ist weniger glamourös als die Arbeit an den Modellen, aber sie gibt Aufschluss darüber, was die Ergebnisse bedeuten.“

Sie benötigen ein genau kalkuliertes Budget für Sensorik, Rechenleistung und Aktorik sowie Akzeptanzgrenzen, die an die Bandbreite des Reglers gekoppelt sind. Teams, die diese Grenzen frühzeitig dokumentieren, können sich auf ihre HIL-Abnahmekriterien verlassen und verbringen weniger Zeit damit, die Testanlage zu hinterfragen.

Offene Toolchains reduzieren den Nacharbeitsaufwand in allen Entwicklungsphasen von Elektrofahrzeugen

Offene Toolchains reduzieren den Nacharbeitsaufwand, da die Entwicklung von Traktionsumrichtern mehrere Teams umfasst, darunter die Bereiche Steuerung, Anlagenmodelle, Automatisierung und Datenauswertung. Eine Plattform wie OPAL-RT eignet sich am besten, wenn sie Standardmodelle und Labor-Workflows unterstützt, sodass Sie die Konsistenz Ihrer Testressourcen von den ersten Steuerungsprüfungen bis hin zu Regressionstests gewährleisten können.

Stellen Sie sich ein Programm vor, in dem Ingenieur:innen die feldorientierte Regelung Ingenieur:innen , Ingenieur:innen automatisierte Fehlerabläufe Ingenieur:innen und Systemleiter verschiedene Versionen über verschiedene Fahrzeugzustände hinweg vergleichen. Wenn jede Phase ein neues Modellformat oder eine maßgeschneiderte Schnittstellenschicht erfordert, verbraucht das Team seine Energie damit, Signale zu übersetzen, anstatt den Wechselrichter zu validieren. Offene Schnittstellen sorgen dafür, dass die Testabsicht über alle Phasen hinweg erhalten bleibt.

Das ist wichtig, weil sich Nacharbeit oft in manuell erstellten Schnittstellen, den Grenzen von Tabellenkalkulationen und einmalig erstellten Skripten verbirgt. Wenn die Toolchain Ihre bestehenden Modelle und Ihren Automatisierungsansatz unterstützt, können Sie Testfälle schneller erneut ausführen, Ergebnisse übersichtlich versionieren und Regressionen erkennen, bevor sie in die Dyno-Planung einfließen.

Ein stufenweiser Validierungsplan senkt das Risiko vor Tests

Ein stufenweiser Validierungsplan senkt das Risiko vor Tests er den Testumfang an den technischen Reifegrad anpasst. Man beginnt mit Plausibilitätsprüfungen der Steuerung, geht dann zu transienten und Schutzfällen über und erhöht anschließend die Zeit- und Fehlerabdeckung, bis der Traktionsumrichter mit klaren Bestehenskriterien und nachvollziehbaren Nachweisen die Hochleistungsphase erreicht hat.

Ein praktischer Ablauf beginnt mit der Überprüfung der Sensorskalierung und der Gating-Funktionen, gefolgt von Drehmoment-Schritten im Regelkreis, Übergängen in den regenerativen Betrieb, Störungen am Gleichstrombus und der Wiederherstellung nach Schutzauslösungen. Der Prüfstand kommt erst zum Einsatz, nachdem der Regler bereits die Fehlerfälle überstanden hat, die am ehesten zu hardware führen hardware das Debugging zum Stillstand bringen könnten. Durch diese Abfolge werden teure Geräte ausschließlich für Fragen reserviert, die nur mit physikalischer hardware beantwortet hardware .

Gute Tests auf einer disziplinierten Abfolge von Schritten und eindeutigen Belegen. Teams, die HIL als formelle Validierungsphase betrachten, gelangen zu Tests weniger Diskussionen über Modellvertrauen, Zeitabläufe und Schutzziele. Aus diesem Grund nutzen Gruppen, die mit OPAL-RT arbeiten, die Echtzeitsimulation als Nachweis für die Ausführungsqualität und nicht als Präsentationswerkzeug.