Als Alternative zu umweltbelastenden Verbrennungsmotoren werden heute gerne Hybrid- fahrzeuge angeführt. Sie bilden einen Kompromiss zwischen umweltfreundlichen, aber in der Reichweite beschränkten, rein akkubetriebenen Elektroautos und den herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Jedoch sind bestehende Hybridkonzepte vergleichsweise aufwendig konstruiert und damit teuer.
Prinzip Mild-Hybridantrieb – preiswerte Übergangslösung
Einen neuen Weg geht das 48-V-Mild-Hybridsystem, bei dem der Anlasser durch einen leistungsfähigeren E-Motor ersetzt wird. Das vergleichsweise preiswerte Konzept lässt sich einfach in bestehende Antriebskonzepte integrieren, muss aber in branchenüblichen Millionenstückzahlen sicher geprüft werden. Eine durchdachte Prüftechnik sichert dabei eine hundertprozentige Qualitätskontrolle der eingesetzten Leistungselektronik trotz Strömen von bis über 350 A. In der Theorie hören sich alle Konzepte zum Elektroauto sehr schlüssig an. Sie sparen CO2 und Schadstoffe ein, laufen leise und – sind sehr teuer. Gerade die Kosten sind aber der Hauptfaktor, ob eine Technik sich schnell und massenhaft durchsetzen kann. Der Kosten-Nutzen-Effekt war auch für führende PKW-Zulieferer und -Hersteller der Anlass, eine preiswerte Übergangslösung zu entwickeln. Heraus kam eine kompakte hybride Antriebsvariante, die sowohl beim Preis-Leistungs-Verhältnis als auch bei der Schadstoffeinsparung Massstäbe setzt.
Hersteller setzen auf Bewährtes
Statt komplizierter mechanisch-elektronischer Einbindung elektrischer Antriebskomponenten 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 bzw. Schadstoffausstoss. Den Verbrennungsmotor kann der Startergenerator in nur 0,2 s anwerfen, so sind kurze Motorstopps beim Halten möglich. Seine Energie bezieht der Motor aus einem zusätzlichen 48-V-Akku. Dieser wird im Generatorbetrieb vom Elektromotor aufgeladen. Beim Bremsen, im sogenannten Rekuperationsmodus, können dabei kurzzeitig bis zu 15 kW Bremsleistung 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 (13 % beim EU-Normzyklus, bis über 21 % in der Praxis) beim Verbrauch einsparen.
Modularer, serientauglicher und günstiger Aufbau
Die einzelnen Komponenten der neuen Hybridlösung sind modular aufgebaut. Das 48-V-Netz ist unabhängig vom bestehenden 12-V-Bordnetz. So 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 2-Quadranten-Frequenzumrichter für den Antrieb bzw. 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.
Neuland Hybridtester erfordert neue Verbindungstechnik
Deshalb sind der E-Motor und die Elektronik an die Wasserkühlung des Verbrennungsmotors angeschlossen. Zudem werden für geringste Übergangsverluste bei den hohen Strömen die Kupferschienen von Regler und Motor miteinander verschweisst. Diese Vorgehensweise schliesst einen Wiederausbau der Elektronik aus und erfordert deshalb 100 % Qualität bei den Steuerungsmodulen, die daher in der Produktion auf Herz und Nieren getestet werden müssen. 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 Elektronik 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 auch die grossen Stückzahlen in der Automobilbranche wirtschaftlich zu 100 % testen zu können.
Diese Herausforderung lösten die Spezialisten 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. Dies stellen besondere, 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 ist von zentraler Bedeutung
Die Leistungselektronik wird über Stromschienen an den Motor angeschlossen. Beim Test werden dazu Kupferschienen durch entsprechende Öffnungen im Prüfling eingeführt. Diese sind mit Strommesssensoren (Flusssammlern) versehen. Da die Schienen von Modul und E-Motor bei der Montage zu einer Einheit zusammengeführt, zusammengedrückt und verschweisst werden, ist das ebenfalls zu simulieren. 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 Prüfgerätes 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, d. h. auf die Lage in einer Steckerebene.
Hallsensoren messen E-Motor-Drehzahl
Die Leistungselektronik wird später direkt am E-Motor angeflanscht und misst 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 wird dann der Drehzahlsensor auf seine korrekte Funktion überprüft. Neben diesen Grundfunktionstests übernimmt eine vorgeschaltete Messstation noch den Leiterplattentest. Dabei werden u. a. auch die auf der Platine verbauten Strommesssensoren (Flusssammler) geprüft. Die beiden Prüfvorrichtungen sind so aufgebaut, dass sie sich leicht in den Fertigungsablauf integrieren lassen. Damit ist sichergestellt, dass der Prüfvorgang die Produktion nicht beeinträchtigt. Der Inlineaufbau kann so auch die branchenübliche Serienproduktion höchster Stückzahlen problemlos testen und die Qualitätssicherung der neuen Antriebskomponenten entspricht dabei dem gewohnt hohen Niveau der Automobilindustrie.
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