Elektromobilität oder E-Mobility ist in fast allen Medien ein sehr präsentes Thema. Typischerweise wird hier meist verallgemeinert und hauptsächlich über die Elektrifizierung von Pkw berichtet.
Genau genommen beinhaltet der Begriff aber alle elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. Das heißt, dass auch U- und S-Bahnen, Züge, Busse, Straßenbahnen, aber auch E-Bikes und E-Scooter einbezogen werden müssten.
Das Thema um E-Mobilität ist insgesamt weitaus größer, denn neben der Fahrzeugtechnik (Antrieb, Batterie und On-Board-Ladetechnik) sind noch Ladeinfrastruktur, Abrechnung sowie die klimaneutrale Stromerzeugung, Verteilung und effiziente Speicherung (Smart Grid) einzubeziehen. In diesem Beitrag soll aber nicht jeder Teilbereich separat besprochen, sondern auf die Querschnittsthemen und im speziellen auf die messtechnischen Herausforderungen eingegangen werden.
Spannungswandler und Konverter
Die Spannungswandlung ist hierbei der größte Themenkomplex. Im Bereich der Fahrzeuge, Ladetechnik und erneuerbarer Energiegewinnung müssen immer wieder Spannungen konvertiert werden. Zum einen in Wert und Amplitude, zum anderen vom Typ.
Hier wären AC auf DC wie zum Beispiel bei On-Board-Charging (OBC) Units oder DC auf AC bei den elektrischen Antrieben oder bei der Wandlung von DC-Solarspannung auf AC-Netzspannung. Um die Aufzählung zu komplettieren, seien hier auch noch die ebenfalls häufig zu findende DC/DC- und die AC/DC-Wandlung genannt.
Der größte Teil aller Konverter- beziehungsweise Inverterschaltungen basieren auf dem Prinzip der „Schaltwandllung“. Es gibt einige verschiedene Realisierungen, aber im Kern befindet sich hier immer mindestens ein Schaltelement. Diese Art von Wandler hat sich aufgrund der Flexibilität, niedrigen Kosten und der hohen Effizienz durchgesetzt.
Die Grafik zeigt das Prinzip eines DC/DC-Abwärtswandlers. Die hier gezeigte Realisierung beinhaltet zwei Schaltelemente (MOSFETs), welche abwechselnd geschaltet werden. Durch Verändern des Tastverhältnisses lässt sich die Ausgangsspannung variieren. Aus messtechnischer Sicht gibt es hier bereits wichtige Parameter, welche zur Optimierung bestimmt werden müssen.
Dies gilt nicht nur für DC/DC-Wandler. Zuerst interessiert die Effizienz vor der Optimierung. Hier wird die Eingangsleistung durch Spannungs- und Strommessung bestimmt und zur Ausgangsleistung ins Verhältnis gesetzt. Diese Messung kann mit einem Vier-Kanal-Oszilloskop mit zwei differenziellen Tastköpfen und zwei Stromzangen durchgeführt werden.
Power Analyzer und Multimeter
Wer genauere Ergebnisse, zum Beispiel für Datenblattwerte, benötigt, sollte zum Power Analyzer oder einer Kombination von Multimetern greifen. Zur Erfassung der Wirksamkeit von Optimierungsänderungen ist die Genauigkeit ausreichend. Zu den Schritten der Optimierung gehört unter anderem die Totzeit zwischen dem Ausschalten des High-Side-Schalters und dem Einschalten des Low-Side-Schalters. Sie sind so lang wie nötig, aber so kurz wie möglich einzustellen.
Dies erfolgt durch Anpassung der Gate-Treibersteuerung/-programmierung. Die Schwierigkeit besteht hier bei der Erfassung der Schaltspannung des High-Side-Schalters, da diese Messung floatend (ohne Erdbezug) durchgeführt werden muss. Das klassische Oszilloskop ist hier grundsätzlich wegen des Erdbezugs ungeeignet. Nach der Aufrüstung mit differenziellen Tastköpfen kann es aber sehr gut verwendet werden. Eine Alternative zu dieser Kombination ist die Verwendung eines Oszilloskops mit gegeneinander und gegen Erde isolierten Eingängen.
Die Auswahl der Schaltelemente ist ebenfalls ein wesentlicher Faktor, wenn es um die Steigerung der Effizienz geht. Unterschiedliche Halbleitertechnologien haben unterschiedliche Verluste. Hier sind zwei Arten zu beachten: zum einen die Verluste, die durch das Schalten entstehen, und zum anderen die Verluste, welche am Durchgangswiderstand beim „durchgeschalteten“ MOSFET entstehen. Abhängig davon, wie oft geschaltet wird oder wie lange ein Element durchgeschaltet ist, ist es wichtig, entweder einen Schalter mit niedrigem On-State-Widerstand oder mit niedrigen Schaltverlusten einzusetzen.
EMV-Messungen mit Spektrumanalysatoren
Neue Halbleiter, die sogenannten Wide-Band-Gap-Elemente (WBG), bieten sehr viel bessere Werte und sind stark auf dem Vormarsch. Steilere Flanken und mögliche, höhere Schaltfrequenzen bringen einige Herausforderungen mit sich.
Ein kritischer Punkt ist hierbei die EMV. Die beim schnellen Schalten entstehenden höheren Frequenzanteile können sehr schnell zu einem Problem bei der Zulassung führen. Ein EMV-gerechtes Design und frühzeitige Kontrolle / Überwachung mittels Messungen helfen, böse Überraschungen zu vermeiden.
Siglent bietet auch hierfür geeignete Spektrumanalysatoren mit Bandbreiten ab 1,5 GHz an. In Kombination mit Nahfeldsonden können kritische „Strahler“ gefunden werden. Ein wichtiger Teil der Zulassungsprüfung ist auch die Messung der harmonischen des Eingangsstromes.
Bei AC/DC-Netzteilen ist der Eingangsstrom aufgrund der Schaltvorgänge des Netzteils oftmals kaum noch sinusförmig. Dieser Stromverlauf kann in Harmonische zerlegt, dargestellt und vermessen werden. Die Norm gibt maximale Werte für die einzelnen Harmonischen vor. Die Leistungsanalyse-Funktion der Siglent-Oszilloskope hat diese Messung und auch die Limits integriert, sodass diese Messung automatisiert bei verschiedenen Ausgangslastbedingungen durchgeführt werden kann.
Ausgangsseitig muss die Restwelligkeit der DC-Spannung bestimmt werden, denn eine zu hohe Welligkeit beeinflusst die nachfolgenden Schaltungen. In Batteriedatenblättern sind teilweise auch Limits für Rippleströme angegeben. Diese müssen eingehalten werden, da der Ripple zur vorzeitigen Alterung bei Batterien oder der Zwischenkreiskondensatoren führen kann.
Batterien mit DC-Lasten messen
Der Themenbereich Batterie allein bietet bereits Stoff für einige Artikel, daher wird hier nur ein kurzer Überblick gegeben. Im Rahmen der Herstellung werden an Batterien einige Lade- und Entladezyklen durchgeführt und damit unter anderem die Parameter der Zellen bestimmt. Hierfür werden Spannungs- und Stromquellen und DC-Lasten eingesetzt, meist in automatisierten Systemen.
Die Bestimmung des State of Charge (SOC) und des State of Health (SOH) sind weitere wichtige Messungen, da Zellen in einem Modul idealerweise alle identisch sein müssen, um Ladungsverschiebungen zwischen Zellen zu vermeiden, aber auch, um beim Aufladen des Moduls das Überladen von Zellen und damit eine Leistungs- und Lebenszyklusverringerung zu vermeiden.
In modernen Automotive-Batteriesystemen werden alle Zellen deshalb durch einen Batterie-Controller überwacht. Für einfache Überprüfungen von Zellen oder Modulen bietet Siglent deshalb elektronische DC-Lasten mit einem Batterieentlade-Testmodus.
Fazit
Es wurden in diesem Beitrag einige wichtige Herausforderungen angesprochen, aber bei Weitem nicht alles, was Entwickler im Bereich E-Mobility bewegt. Wie eingangs erwähnt, ist der gesamte Komplex der E-Mobility riesengroß und jede einzelne Anwendung bringt ihre eigene Herausforderung mit sich.
Das oberste Ziel der Hersteller von Messtechnik ist aber immer, den Entwickler mit Produkten bei seiner Arbeit zu unterstützen.
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