Prozessthermostate als Schlüsselkomponenten beim Testen von Invertern
Steigende Anforderungen in der Elektromobilität, etwa wegen gestiegener Erwartungen in Bezug auf Reichweite, schnellere Ladefähigkeit, besseres Thermomanagement oder wegen neuer Sicherheitsstandards, führen zu entsprechend höheren Anforderungen an die Fahrzeugkomponenten. Ein zentraler Bestandteil des Antriebssystems ist der Inverter, ein elektronisches Hochleistungsbauteil. Die Firma AVL SET aus Wangen im Allgäu baut Prüfstände für diese und andere Leistungselektronik und setzt dabei als einen integralen Bestandteil auf Prozessthermostate von LAUDA für die Prüflingskonditionierung. Gemeinsam machen AVL SET und LAUDA umfangreiche elektrische und thermische Tests unter realitätsnahen Bedingungen möglich und leisten so einen Beitrag zur späteren Zuverlässigkeit und Funktionalität.
Vorstellung AVL SET und LAUDA
Mit Hauptquartier in Wangen im Allgäu (Deutschland) ist AVL SET ein weltweit etablierter Entwickler und Hersteller von Testsystemen für Leistungselektronik in der Elektromobilität. Für das Testen und Entwickeln von Invertern haben sie speziell das AVL Inverter TS (siehe Titelbild) entwickelt, mit dem alle Inverterfunktionen sicher und effizient getestet werden können. Das Testsystem basiert auf E-Motor-Emulationstechnologie mit Echtzeitsimulation und realer Leistung, welche zu hochgenauen Ergebnissen beim Testen des Inverters führt.
Im AVL Inverter TS werden sowohl der E-Motor als auch die Batterie durch Emulatoren ersetzt, um den Inverter unabhängig von weiteren Komponenten testen zu können.
LAUDA steht als Partner für die Temperierung zur Seite und liefert den leistungsstarken Prozessthermostat LAUDA Integral, der über das Thermomanagement viele thermische Testszenarien erst möglich macht.
Funktion und Thermomanagement von Invertern
Inverter oder auch Wechselrichter haben in einem Elektrofahrzeug zwei Aufgaben. Einerseits wandeln sie den Gleichstrom (DC), der in der Batterie gespeichert ist, in Wechselstrom (AC) für den Elektromotor um. Andererseits sind sie auch verantwortlich für den gegenläufige Prozess, die Rückführung der Energie bei der Rekuperation Der Motor fungiert als Generator, der freiwerdende kinetische Energie beim Bremsen, Bergabfahren oder Ausrollen in elektrische Energie umwandelt. Der hier fließende Wechselstrom muss für die Batterie wieder in Gleichstrom umgewandelt werden. Während des Betriebs erzeugen Inverter eine erhebliche Menge an Wärme, insbesondere unter hoher Last. Dies hat negative Auswirkungen auf ihre Effizienz und Lebensdauer. Um den Inverter im möglichst optimalen Wirkungsgrad zu halten und eine Überhitzung zu verhindern, sorgt das Thermomanagement über den Kühlkreislauf für einen angepassten Abwärmefluss.
Stresstests von Invertern
Für den später zuverlässigen und effizienten Einsatz werden Inverter und andere kritische Komponenten in der Entwicklung und zur Validierung intensiven und extensiven Tests unterzogen. Realistische Bedingungen wie Volllast (z.B. Durchbeschleunigen), extreme Umgebungstemperaturen (Winter/Sommer bzw. sehr heiße oder sehr kalte Klimazonen) und variierende Kältemitteldurchflüsse werden simuliert und so die Inverter den unterschiedlichsten Szenarien ausgesetzt. Dafür sind sowohl Klimakammern zur Simulation der äußeren klimatischen Bedingungen vonnöten als auch Prozessthermostate (siehe Abbildung 1), die das Thermomanagement (den Kühlkreislauf) des Fahrzeugs simulieren.
Die Integral Prozessthermostate finden in Test- und Prüfständen wie jenen von AVL SET weltweit Anwendung. Dabei ermöglichen sie unter anderem folgende Testszenarien.
Thermische Belastungs- und Zyklustests
Durch den Wechsel zwischen niedrigen und hohen Temperaturen werden thermomechanische Spannungen simuliert und die Robustheit des Inverters geprüft. Prozessthermostate ermöglichen die Einstellung und Regelung der Kühlmitteltemperatur mit hoher Genauigkeit (±0,1°C) und simulieren extreme Temperaturzyklen zwischen -40 und 140 °C.
Effizienztests
Mittels Effizienztests wird der Einfluss untersucht, den Kühlflüssigkeitstemperatur und -durchfluss auf den Wirkungsgrad des Inverters haben. Prozessthermostate sorgen für stabile Betriebsbedingungen, indem sie die Kühlmitteltemperatur präzise regeln und thermische Schwankungen minimieren. Dies ist entscheidend, um die Effizienz und Robustheit des Inverters unter verschiedenen Lastbedingungen zu testen.
Grenztests
Zur Überprüfung der vollen Funktionalität wird der Inverter auch bei Grenzsituationen wie zum Beispiel einem Kaltstart getestet. Bei diesem wird durch den hohen Leistungsabruf der E-Motoren beim Anfahren am Inverter eine hohe Abwärme produziert. Um das kompakte Bauteil vor dem Überhitzen zu schützen, muss unmittelbar eine entsprechende Wärmeabfuhr sichergestellt sein. Hierzu muss ein Prozessthermostat in Kombination mit einer Durchflussregeleinheit sehr schnell den Volumenstrom des vortemperierten Kühlmediums bereitstellen. So wird aus der Temperatur des Kühlmediums und dem variablen Volumenstrom zügig die Wärmeabfuhr kontrolliert und der Inverter auf Betriebstemperatur gebracht bzw. gehalten.
Lebensdauertests
Durch Temperaturwechselprofile und kontrollierte Volumenstromregelung werden die Lebensdauer der Inverter-Komponenten und seine elektronische Funktionalität realistisch geprüft. Beim thermischen Regulieren müssen die Prozessthermostate sowohl die Abwärme des Inverters als auch die Einflüsse der Umweltsimulation in der Klimakammer ausgleichen. Für realitätsnahe Ergebnisse muss in den Tests die gleiche Kühlflüssigkeit verwendet werden, die auch im späteren Aktivsystem zum Einsatz kommt. LAUDA Integral Prozessthermostate können mit den realen Kühlflüssigkeiten gefahren werden und erfüllen die Anforderungen an ein Temperaturspektrum von -40 bis 140 °C sowie an die Regelgenauigkeit (±0,1°C). Sowohl eine Durchflussregel- als auch eine Befüll- und Entleereinheit sind als Systemerweiterungen erhältlich (siehe Abbildung 2).
Fazit
Prozessthermostate wie der LAUDA Integral vervollständigen Prüfstände (beispielsweise das AVL Inverter TS) und Testzentren und ermöglichen es Herstellern, das Thermomanagement der Inverter zu validieren und deren Leistung während unterschiedlichster Betriebszuständen zu analysieren.
Die Reproduzierbarkeit und Verlässlichkeit der Daten von Analyse und Validierung hängen entscheidend vom Prozessthermostat in Verbindung mit einem Durchflussregelsystem ab.
Zusätzliche Systemerweiterungen wie eine Befüll- und Entleereinheit machen den Integral auch bestens geeignet für Serientests, da sie den Prüflingswechsel standardisieren, die Effizienz des Teststandes erhöhen und reproduzierbare Ergebnisse sichern.
Dieser Beitrag entstand in Zusammenarbeit mit AVL SET und wurde verfasst von Ayla Wolf, Content Managerin bei LAUDA DR. R. WOBSER GMBH & CO. KG.
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