48-Volt-Mild-Hybridantrieb Hohe Ströme zuverlässig prüfen

Neue Fahrzeugkonzepte, wie Mild-Hybridantriebe und die zugehörigen Komponenten, ziehen eine ganze Reihe von peripheren Neuerungen mit sich. Viele Komponenten im Fahrzeug müssen schon beim Zulieferer auf Qualität und Sicherheit geprüft werden. Um die Module für die Steuerungs- und Leistungselektronik zuverlässig testen zu können, entwickelte das Unternehmen Engmatec eine Testeinheit. Dabei war Kreativität gefragt, da sowohl elektronisch wie auch mechanisch in vielen Bereichen Neuland betreten wurde.

Prinzip Mild-Hybridantrieb

In der Theorie hören sich alle Konzepte zum Elektroauto sehr schlüssig an. Sie sparen CO₂ und Schadstoffe ein und laufen leise. Sie sind gleichzeitig allerdings sehr teuer. Gerade die Kosten sind aber einer der Hauptfaktoren, ob sich eine Technik schnell und massenhaft durchsetzen kann. Die Kosten-Nutzen-Abwägung war für Kfz-Zulieferer und Hersteller der Anlass, eine preiswerte Übergangslösung zu entwickeln. Das Ergebnis ist eine kompakte hybride Antriebsvariante, die sowohl ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet als auch Einsparungen beim Schadstoffausstoß.

Statt auf die komplizierte Einbindung elektrischer Komponenten in den Antriebsstrang setzen Automobilhersteller auf Bewährtes. Lediglich der herkömmliche Anlasser wird durch einen kompakten, aber leistungsstarken E-Motor ersetzt. Dieser gibt im Betrieb bis zu 6 kW und bis zu 60 Nm als Unterstützung über eine Zahnriemenuntersetzung an die Schwung­scheibe des Verbrennungsmotors ab. Das entlastet den Verbrennungsmotor beim Anfahren und Beschleunigen und reduziert so den in dieser Phase besonders hohen Kraftstoffverbrauch beziehungsweise Schadstoffausstoß. Den Verbrennungsmotor kann der Startergenerator in nur 0,2 s anwerfen, wodurch kurze Motorstopps beim Halten möglich sind.

Seine Energie bezieht der Motor aus einem zusätzlichen 48-V-Akku. Dieser wird im Generatorbetrieb vom Elektromotor aufgeladen. Beim Bremsen, im sogenannten Rekuperationsmodus, kann dabei kurzzeitig eine Bremsleistung von bis zu 15 kW in den Akku eingespeist werden. Beim Anfahren steht diese Energie dann wieder zum Beschleunigen zur Verfügung. Mit dieser Lösung lassen sich je nach Fahrstil leicht bis zu zweistellige Prozentzahlen, etwa 13 Prozent beim EU-Normzyklus und bis über 21 Prozent in der Praxis, beim Verbrauch einsparen.

Preiswert und serientauglich aufgebaut

Die einzelnen Komponenten der Hybridlösung sind modular aufgebaut. Das 48-V-Netz ist unabhängig vom bestehenden 12-V-Bordnetz. Dadurch lassen sich die Mild-Hybridantriebe schnell und ohne große Anpassungen in herkömmliche Modelle integrieren. Ein Hybridmanagement in Form einer intelligenten Leistungselektronik verbindet Elektromotor, Akku und das bestehende 12-V-Bordnetz. Sie arbeitet einerseits wie ein Zwei-Quadranten-Frequenzumrichter für den Antrieb beziehungsweise die Rückspeisung, andererseits werden aus dem 48-V-Netz bis zu 3,5 kW Leistung entnommen, um die 12-V-Batterie und das 12-V-Bordnetz zu versorgen. Eine separate Lichtmaschine mit ihren Verlusten entfällt.

Eine Herausforderung bei diesem System sind die großen Ströme. Die bis zu 15 kW Rekuperationsleistung bei nur 48 V bedeuten, dass bis zu 350 A fließen. Deshalb sind der E-Motor und die Elektronik an die Wasserkühlung des Verbrennungsmotors angeschlossen. Zudem werden für geringe Übergangsverluste bei den hohen Strömen die Kupferschienen von Regler und Motor miteinander verschweißt. Dieses Vorgehen schließt einen Wiederausbau der Elektronik aus und erfordert deshalb eine hundertprozentige Qualität bei den Steuerungs-
modulen.

Neuland Hybridtester

Die hohen Ströme, die für einen aussagekräftigen Test notwendig sind, sowie die dazu nötige Kühlung erfordern eine völlig neue Verbindungstechnik an der Prüfvorrichtung. Einerseits sollen die Übergangswiderstände an den Stromschienen möglichst gering ausfallen, andererseits müssen die Verbindungen sich schnell und leicht schließen und lösen lassen, ohne dass dabei mechanische Verformungen eintreten. Auch die Kühlung muss sich schnell, sicher und tropffrei verbinden lassen. Das Kühlmittel darf sich zudem weder auf die Elek-
tronik noch das spätere Motorkühlmittel negativ auswirken. Neben diesen robusten Anschlüssen gilt es noch dutzende von Sensorleitungen zu verbinden, Steuerungsplatinen zu testen und den integrierten Hallgeber für den E-Motor zu prüfen. Das alles in möglichst kurzer Zeit, um die großen Stückzahlen in der Automobilbranche testen zu können.

Das lösten die Mitarbeiter von Engmatec, indem sie für die Prüfumgebung als erstes ein geeignetes Kühlmedium auswählten. Da in der Prüfanlage laufend die Prüflinge gewechselt werden, war es wichtig, dass nach dem Abkoppeln kein Kühlmedium in die Anlage dringen kann und dort verbleibt. Das stellen platzsparende Kupplungen mit automatischem Verschluss sicher, die zudem ein mögliches Austreten des Mediums durch Leckagen vermeiden. Da hohe Ströme fließen, überwacht die Testvorrichtung darüber hinaus laufend die Temperatur, um Beschädigungen des Steuerungsmoduls beim Test auszuschließen. Auf engstem Raum müssen auch verschiedene Stecker kontaktiert werden. Die hohen Ströme hier sicher zu messen, ist eine Herausforderung, da die spannungsführenden Verbindungen aufgrund der relativ kleinen Größe des Prüflings und des speziellen Aufbaus schlecht zugänglich und daher schwer abzugreifen sind.

Kontaktierung der Stromschienen

Die Leistungselektronik wird über Stromschienen an den Motor angeschlossen. Beim Test werden dazu Kupferschienen durch entsprechende Öffnungen im Prüfling eingeführt. Sie sind mit Strom-Mess-Sensoren, in diesem Fall Flusssammler, versehen. Da die Schienen von Modul und E-Motor bei der Montage zu einer Einheit zusammengeführt, zusammengedrückt und verschweißt werden, muss das ebenfalls simuliert werden. Dabei wird über die Flusssammler gleichzeitig der Stromfluss gemessen und die Funktion überprüft. Ausschlaggebend für die richtige Funktion ist dabei die Anpresskraft der Kupferschienen des Prüfgeräts auf die Stromschienen des Leistungsmoduls. Der Greifer für die Verbindung misst daher die Andruckkraft bei jedem Test mit. Auf relativ kleiner Fläche werden zusätzlich eine Vielzahl von Stellen angefahren und diverse Kontakte hergestellt, die im späteren Betrieb das Modul mit Sensoren, Nebenaggregaten und 12-V-Bordnetz verbinden. Um sicherzustellen, dass alle diese Steckerpins korrekt ausgerichtet sind, prüft das System alle Pins auf Anwesenheit, korrekte Position und Komplanarität, also die Lage in einer Stecker-Ebene.

Hallsensoren prüfen

Die Leistungselektronik flanschen die Ingenieure später direkt am E-Motor an und messen dessen Drehzahl mit einem Hallsensor über die am Motormantel austretenden Magnetfelder. Im Test wird dazu der Motorbetrieb simuliert. Dafür wird ein externer E-Motor von der Prüfvorrichtung möglichst dicht an den modulinternen Hallsensor herangefahren. Über Drehzahlvariation des externen Prüfmotors lässt sich dann der Drehzahlsensor auf seine korrekte Funktion überprüfen. Neben diesen Grundfunktionstests übernimmt eine vorgeschaltete Messstation noch den Leiterplattentest. Dabei werden unter anderem auch die auf der Platine verbauten Strom-Mess-Sensoren geprüft. Die beiden Prüfvorrichtungen sind so aufgebaut, dass sie sich leicht in den Fertigungsablauf integrieren lassen. Der Prüfvorgang beeinträchtigt die Produktion deshalb nicht. Der In-Line-Aufbau kann auch die branchenübliche Serienproduktion von sehr hohen Stückzahlen problemlos testen.