Inverter-Steuergeräte regeln die Umrichtung des Gleichstroms der Batterie in den Wechselstrom für den Motorbetrieb bzw. in umgekehrter Richtung im Generatorbetrieb (Rekuperation). Dazu berechnet es aus den verschiedenen Eingangsgrößen, wie zum Beispiel dem Fahrerwunsch, der Geschwindigkeit und dem Batterieladezustand, die notwendigen Ansteuerimpulse für die Leistungsschalter des Umrichters. Die hoch dynamischen Eigenschaften des elektrischen Systems stellen auch hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit des Testsystems. Es muss mit der für den Betrieb der Maschine notwendigen hohen elektrischen Leistung zuverlässig umgehen und diese sicher schalten. Der Produktbereich Elektro- und Hybridfahrzeuge bei Robert Bosch setzt Labcar-Hardware-in-the-Loop(HiL)-Systeme für den Test seiner Inverter-Steuergeräte ein. Neben den Tests auf Leistungsebene spielen auch die Tests auf Signalebene eine wichtige Rolle. Um die Leistungselektronik von Inverter-Steuergeräten vollständig zu testen, werden reale elektrische Lasten am HiL-System dargestellt. Für die Tests der Regelfunktionen ist dies jedoch nicht erforderlich. Die Leistungsendstufen des Inverters können umgangen und die Hochvoltkomponenten von Batterie und E-Maschine simuliert werden. Diese Tests auf Signalebene bieten einige Vorteile: Da die gesamte teure Hochleistungselektronik mit Drehstromanschluss und Kühlung entfällt, ist der Einsatz an einem einfachen Laborplatz möglich. Sicherheitsvorkehrungen für hohe elektrische Leistungen und Ströme entfallen. Somit kann man viele Funktionen im Steuergerät an relativ günstigen Testplätzen umfangreich testen. Da Motor und Batterie virtuell nachgebildet sind, lassen sich ihre Eigenschaften per Mausklick verändern. Das ermöglicht den schnellen Vergleich unterschiedlicher Varianten. Die Motormodelle können mit Simulink, ASCET oder auf C-Code-Basis realisiert werden. Dank der modularen Software-Architektur enthalten diese keine hardwareabhängigen Elemente und ermöglichen somit Single-Source-Modelle über die verschiedenen Testphasen und -varianten, einem für die komplexen Elektro- und Hybridantriebe wichtigen Bereich.
* ETAS
100.000-mal pro Wimpernschlag
Die Ansteuersignale der Gate-Treiber aus dem Steuergerät werden taktsynchron zum Steuergeräteraster vermessen. Das Modell wird nun innerhalb dieses Rechenrasters gerechnet. Damit stehen die aktualisierten Sensorwerte für Ströme, Spannungen, Rotorposition und Rotorgeschwindigkeit immer rechtzeitig zum nächsten Rechenzyklus am Steuergerät an. So ist ein fehlerfreier und realitätsnaher Betrieb des Steuergeräts am Testsystem möglich. Schnelle Rechenzeiten sind bei elektrischen Fahrzeugantrieben besonders wichtig, da das Moment des Elektromotors unmittelbar der Stromänderung folgt. Mit dem RTPC besitzt das Labcar eine leistungsfähige Simulationsplattform, die sich kontinuierlich mit dem Fortschritt der PC-Technik weiterentwickelt und somit auf lange Sicht genügend Rechenleistung auch für komplexe Modelle zur Verfügung stellt. Aktuell sind die Modellrechenzeiten deutlich kleiner als 10 µs. Ist eine noch geringere Latenz erforderlich, kommt das konfigurierbare, FPGA-basierte Inverter/E-Motor-Modell auf der E-Motor-Simulationskarte Etas ES5340 zum Einsatz. Mit diesem Modell reduzieren sich die Modelllaufzeiten nochmals drastisch auf ≤1µs. Das ist 1/100.000stel eines Wimpernschlags. Diese Geschwindigkeit lässt genügend Raum für zukünftige Anforderungen. Trotz dieser schnellen Rechenzeiten zeichnet sich das Modell auch durch eine gute Ausgewogenheit zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit aus. Wird dies nicht betrachtet und werden zum Beispiel Sättigungseffekte unterschlagen, können die Tests an Aussagekraft verlieren. Alle wichtigen Größen sind konfigurierbar (Abbildung 1).Da bei Bosch die HiL-Tests sowohl auf Signal- wie auf Leistungsebene mit Labcar realisiert sind, lassen sich die Konfiguration der Benutzeroberfläche und der Testfälle sowie die automatisierten Tests beliebig zwischen den Systemen austauschen.
Durchgängig auf Signal- und Leistungsebene
Somit wurde eine durchgängige, effiziente und zukunftssichere Testumgebung geschaffen. Durch den modularen Aufbau des Labcar-Systems konnte im Produktbereich Elektro- und Hybridfahrzeuge bei Bosch ein zukunftsweisendes HiL-Testsystem aufgebaut werden, das durchgängig Tests auf Leistung- und Signalebene abdeckt. So lassen sich die Tests bei Bosch wirtschaftlich und umfassend sicherstellen
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