Anwendungsfälle 
Weltweit E-Fahrzeuge laden zu können, ist ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung und der Verbesserung von Komponenten, die an den Ladevorgängen beteiligt sind. Nationale Unterschiede der Stromnetze sowie individuelle Eigenschaften der Ladegeräte stellen dabei die größten Herausforderungen dar. Bei der Prototypen-Entwicklung eines neuen E-PKWs mit modifiziertem On-Board-Charger (OBC) mussten international Ladevorgänge und deren Rückwirkungen auf die Stromnetze messtechnisch genau untersucht werden. Dafür kam insbesondere das HV Breakout-Modul (HV BM) 3.1 OBC von CSM zum Einsatz.
Für die Attraktivität der Elektromobilität ist es entscheidend, wie viele unterschiedliche Lademöglichkeiten genutzt werden können. Die Idee: Zeit und Wege für die Suche nach einer passenden Ladestelle für den Endverbraucher reduzieren. Daher arbeiten Fahrzeughersteller daran, die Kompatibilität ihrer On-Board-Charger (OBC) mit den unterschiedlichen AC-Lademöglichkeiten zu verbessern. Dabei muss der Strom zunächst vom OBC, der wie ein Stromrichter funktioniert, in den für die HV-Batterie passenden Gleichstrom umgewandelt werden. Deshalb ist diese Komponente eine wichtige „Stellschraube“ für die Verbesserung der Ladequalität.
Ebenso ist relevant, dass die Ladevorgänge überall, unabhängig von lokalen oder nationalen Gegebenheiten sicher und einwandfrei funktionieren. Auch müssen mögliche Rückwirkungen auf das Stromnetz innerhalb bestimmter Grenzen bleiben.
Messaufgabe
Weltweite Messung von Strom und Spannung zwischen Ladestationen und Elektrofahrzeugen für die Analyse von Ladevorgängen.
Wie muss der OBC ausgelegt sein, damit E-Fahrzeuge weltweit im Einsatz sein können? Um diese Frage beantworten zu können, müssen die Ladesituationen national und international genauer betrachtet und untersucht werden. Es gibt entscheidende Unterschiede, die auch bei der messtechnischen Erfassung der Ladevorgänge eine Rolle spielen. Dabei handelt es sich um Varianzen der Spannungen und Frequenzen, die Unterschiede in den Phasensystemen der Länder, verschiedene Stromkabel und Steckervarianten und natürlich generell die Stabilität der Verteilnetze.
Nicht nur viele Messsituationen in kurzer Zeit sind eine Herausforderung, sondern auch, dass die Tests in hoher Qualität mit derselben Messtechnik durchgeführt werden. Nur so ist eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse möglich.
Johann Mathä, Manager E-Mobility, CSM GmbH
Bei den Messungen wurden drei Prototypen getestet – jeweils ein Fahrzeug war in Nordamerika, eines in Asien und ein drittes in Europa im Einsatz. Die Spannungen und Ströme aus den Ladesäulen wurden mit einem HV BM 3.1 OBC gemessen. Mit der bereits integrierten Sternschaltung waren sowohl einphasige als auch zwei- und dreiphasige Messungen problemlos möglich.
Das sehr schnelle Messen mit dem HV BM 3.1 OBC bei einer Datenrate über Ethernet von bis zu 2 MHz bietet eine hohe Auflösung – so können beispielsweise auch sehr kurze Ereignisse, wie Spannungsspitzen beim Ein- und Ausschalten oder Unterbrechungen der Stromversorgung, besonders genau untersucht werden.
Jürgen Braunstein, Leiter Business Development, CSM GmbH
Auch in den E-PKWs waren Messmodule verbaut. Zwischen OBC und der HV-Batterie wurde zur Strom- und Spannungsmessung für die Leistungsberechnung ein HV BM 1.2 verbaut. Mit diesen Messungen konnte unter anderem die Verlustleistung des jeweiligen Ladezyklus analysiert werden. Um parallel die Steuergerätedaten einzusehen, wurde der Fahrzeugbus über eine Vector-Schnittstelle ebenfalls in die Messung integriert. Die Datenweitergabe erfolgte über XCP-on-Ethernet mit einer Synchronisierung über das Precision Time Protocol (PTP – IEEE1588) direkt an ein Notebook.
Für ein unkompliziertes Handling der mobilen Messtechnik außerhalb der Fahrzeuge war das HV BM 3.1 OBC vom Nutzer in einem passenden Messkoffer verbaut worden, zu dem auch verschiedene Adapterkabel, für unterschiedliche AC-Stecker und AC-Ladekabel, gehörten. So mussten die Testfahrzeuge nur einmal messtechnisch ausgestattet werden und konnten dann einfach an den verschiedenen Ladestellen angeschlossen werden. Außerdem konnte der Messkoffer durch seine kompakten Abmessungen auch als Fluggepäck mitgenommen werden und war vor Ort sofort einsatzbereit. Die Stromversorgung des Messkoffers erfolgte über die Niedervolt-Fahrzeugbatterie oder über die Netzseite. Durch die Verwendung einer anwendungsspezifischen Messtechniklösung mit passenden Adapterkabeln entfiel die fehleranfällige und zeitintensive Installation durch Personal vor Ort.
Mit dem HV BM 3.1 OBC mit integrierter Sternschaltung können verschiedene ein- bis dreiphasige AC-Ladevorgänge messtechnisch untersucht werden. Die dreiphasige Messung mit nur einem einzigen Messmodul bietet dabei erhebliche Kosten- und Platzvorteile. Durch die robuste und kompakte Messkofferlösung des Nutzers auf Basis des HV BM 3.1 OBC ließen sich viele Messungen in kurzer Zeit durchführen, denn mit den dazugehörigen Adapterkabeln war ein schneller Anschluss der Messtechnik möglich. Außerdem ist durch die hohe Messdatenrate sichergestellt, dass auch schnelle Ereignisse, wie kurze Spannungsausfälle, erfasst werden können.
Das HV Breakout-Modul (HV BM) 3.1 OBC (On-Board-Charger) eignet sich aufgrund seiner Strommessbereiche insbesondere für Messungen während AC-Ladevorgängen von Elektro- und Hybridfahrzeugen.
Die HV Breakout-Module (BM) vom Typ 1.2 wurden speziell für die sichere und präzise einphasige Messung in getrennten HV+ und HV- Kabeln konzipiert. Innenleiterstrom und Spannung werden direkt erfasst und die Momentanleistung online im Modul berechnet.
vMeasure von Vector Informatik ist die einfach zu bedienende Datenerfassungs-Software für CAN- und EtherCAT®-basierte Messmodule von CSM. vMeasure bietet den vollen Umfang an Funktionen, die Sie von einer modernen DAQ-Software erwarten.
Messketten schnell konfiguriert: CSMconfig (mit CSMview) ist die verlässliche Konfigurationssoftware für alle CAN- und EtherCAT®-basierten Messmodule von CSM. Die einheitliche und komfortable Oberfläche ermöglicht ein einfaches Einstellen aller Messparameter. Das beschleunigt den Messaufbau.