Drivetrain Testing, also das Testen von bewährten und neuen Antriebssystemen, gehört zu den wesentlichen Aufgaben im Entwicklungsprozess eines Automobils oder seiner Komponenten. Das Alsdorfer Unternehmen Atesteo beschäftigt sich seit 30 Jahren mit diesem Thema. Jetzt entstand ein neues Konzept für noch flexiblere Prüfstände, das für die Antriebssteuerung auf modulare Frequenzumrichter setzt.

Atesteo, Anbieter im Drivetrain Testing, genießt weltweit das Vertrauen bekannter Automobilhersteller sowie von deren Zulieferern. Um die Testergebnisse dauerhaft auf einem hohen Level halten zu können, entwickelt das Unternehmen die Verfahren kontinuierlich weiter. So müssen Hardware, Software und Know-how immer auf dem aktuellen Stand sein. Im Rahmen dieser stetigen Verbesserung und Optimierung vorhandener und neuer Systeme hat Atesteo an seinem Standort in Aachen ein neues Konzept für die Teststände entwickelt. Mit dabei: Modulare NXP-Antriebe von Danfoss Drives, die im Rahmen der Ausstattung des Testlabors neue Flexibilität bieten sollen.

Die Dienstleistungen von Atesteo konzentrieren sich auf Prüfaufgaben am Antriebsstrang zwischen Kurbelwellen- und Radflansch. Das Angebot reicht hier von den üblichen AWD-, FWD-, RWD-Applikationen für PKW-Getriebe über Getriebe für Nutzfahrzeuge und Arbeitsmaschinen bis hin zu Getrieben für Hochgeschwindigkeitszüge. Das flexible Konzept der Prüfstände ermöglicht es, alle Getriebe und Getriebearten zu testen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Teilbereiche aus dem Antriebsstrang zu prüfen.

Für maximale Flexibilität kann der Kunde je nach Anwendung entscheiden, ob Atesteo die Prüfungen quasistationär oder dynamisch durchführen soll. Dazu ist es möglich, Originalmessdaten aus dem entsprechenden Fahrzeug nachzufahren oder geographische Daten von Prüfstrecken am Prüfstand zu modellieren. Zudem kann Atesteo Hybrid- oder Elektrofahrzeugapplikationen parallel im Betrieb mit Gleichstrom versorgen.

Warum für Vacon-NXP entscheiden?

Um die Tests für valide Ergebnisse optimal fahren zu können, erfordert es hohe Dynamik und Flexibilität bei den eingesetzten Komponenten. So nutzt das Unternehmen Sondermaschinen für die Prüfstände. Im hier beschriebenen Prüfstand kommen Maschinen mit bis zu 8.000 Umdrehungen und 3.000 Nm Moment zum Einsatz. Das Steuersystem, das die original im Vorfeld aufgezeichneten, leicht geglätteten Fahrdaten von der einzusetzenden Prüfstrecke ins Steuerprogramm einliest, gibt dann dem Vacon-NXP-Frequenzumrichter Drehzahl und das gewünschte Moment vor. Nur die Steuereinheit ist schnell genug, alle notwendigen Daten rechtzeitig zu berechnen – sie regelt das Drehmoment nahezu im Sekundentakt. Dabei fahren die Frequenzumrichter im Bereich von 0 bis 200 Hz, was enorme Anforderungen auch an ihre Leistungsfähigkeit mit sich bringt. Nach umfangreicher Prüfung verschiedener Lösungen entschieden sich die Ingenieure von für eine Vacon-NXP-Lösung:

• Drehzahl und Drehmoment müssen im Einklang mit dem Original-Fahrzeug sein, ansonsten hätte man eine leichte Verschiebung der Signale,
• zweipolige Maschinen mit 266 Hz,
• interne Regler können Leistung hochschrauben, sodass man gefordertes Drehmoment erreicht,
• Atesteo hat einen großen Pool an Maschinen je nach Anforderung (hohe Drehzahl, hohes Moment), sodass mit mehreren Maschinen diese Bereiche abgedeckt werden können und sie schnell zu wechseln sind.

Konzipiert, aufgebaut und getestet: Frequenzumrichter verbaut in einem Container

In der vorliegenden Anwendung sollte ein Allrad-Getriebe getestet werden. Das Verteilgetriebe erhält seine Drehzahl und sein Drehmoment direkt aus einem leistungsfähigen Elektromotor, der eine Sonderanfertigung für hohe Drehzahlen mit hohen Momenten ist. Da es sich um ein Verteilgetriebe für ein Allradfahrzeug handelt, gibt es je eine Abtriebswelle für den Frontantrieb sowie den Heckantrieb. Beide Abtriebsmaschinen fahren drehmomentgeregelt und simulieren so die Drehzahl der Räder sowie das resultierende Moment, das auf das Verteilgetriebe wirkt.
Wechselnde Zusammenstellungen der Elektromotoren in den Prüffeldern erfordern eine flexible Antriebslösung. Zum einen müssen sich die Frequenzumrichter schnell für den jeweiligen Motor parametrieren lassen, zum anderen muss auch die Verkabelung zwischen Motor und Frequenzumrichter(n) schnell und einfach erfolgen. Atesteo geht hier einen neuen Weg.

Alle Vacon-NXP-Umrichter bzw. die einzelnen Module des NXP-Systems sind in einem Übersee-Container verbaut und bieten so Schutz, auch vor Kälte und Nässe. Der Vorteil dieser Lösung: Der Container, der in Finnland von einem auf solche Container spezialisierten Partnerunternehmen von Danfoss Drives gebaut wurde, kommt komplett konzipiert, aufgebaut und getestet. Vor Ort mussten die Spezialisten nur noch Versorgung, Motor- und Steuerleitungen sowie den Kühlkreislauf verlegen und anschließen, dann war das System einsatzbereit.

Der Container nimmt das gesamte System der Vacon-NXP-Systemumrichter auf. Es besteht aus einer Active-Front-End-Einheit, die die notwendige Energie in das System einspeist, aber auch beim Bremsen generatorisch erzeugte Energie wieder ins Netz zurückschiebt. Sie speist den Zwischenkreis, auch DC-Bus genannt, der als Versorgung für die Umrichter-Einheiten dient. Insgesamt arbeiten vier „kleine“ Umrichtereinheiten mit je 730 A und zwei große Umrichter mit je 1640 A im Container. Atesteo entschied sich für diesen Aufbau, um damit je nach Leistung des angeschlossenen Motors, die kleinen Umrichter einzeln oder zwei parallel schalten zu können. Die beiden Umrichter laufen im Master-Follower-Modus. Im hier dargestellten Testaufbau treibt einer der leistungsstärkeren Umrichter einen weiteren Motor. Der zweite 1.640A-Umrichter ist noch frei und lässt sich beispielsweise für einen anderen Aufbau verplanen. Die in einem doppelten Boden des Containers verlaufenden Verbindungen lassen sich recht einfach vom Container zum Prüfstand herstellen.

Flexibles System, einfache Bedienung, kompakt durch Wasserkühlung

Atesteo entschied sich nach dem Test mehrerer Umrichterfabrikate für die Vacon-NXP-Liquid-Cooled-Serie von Danfoss Drives. Das modulare System zeichnete sich durch die von den Anforderungen benötigten hohe Agilität aus. Zudem sorgt die Wasserkühlung für die kompakte Bauform der einzelnen Umrichtermodule, so dass die Installation im Container realisierbar war. Zusätzlich verfügt Atesteo über einen eigenen Kühlturm, was ebenfalls für die Wasserkühlung sprach. Danfoss entwickelte die Module von Grund auf neu für diese Art der Kühlung. Diese geben nur 0,1 - 0,15 Prozent ihrer Wärmeverluste an die Luft ab (Beispiel für einen flüssigkeitsgekühlten Frequenzumrichter mit 400 kW, 690 VAC). Durch einen hochmodernen Kühlkörper wird für die Komponenten eine nie zuvor gekannte Kühleffizienz erzielt.

Die Ansteuerung der Umrichter vom Leitsystem des Prüfstandes erfolgt über eine Ethercat-Anbindung, während die Parametrierung und das Monitoring der NXP-Frequenzumrichter über einen eigenen CANopen-Bus ebenfalls vom Leitrechner des Teststands erfolgt. Dazu bieten die Vacon-Geräte einen sehr flexiblen Aufbau, so dass Atesteo bei Bedarf das skalierbare System mit zusätzlichen E/A-, Feldbus- und Funktionssicherheitskarten über die fünf eingebauten Erweiterungssteckplätze an die Teststände anpassen kann.

Aufgabe war es, eine AFE-Einheit mit Wechselrichtern an einen gemeinsamen DC-Bus anzuschließen und das komplette System über den Feldbus zu steuern und zu überwachen. Sicherungen, LCL-Filter, Vorlade-Gleichrichter und Widerstände können separat spezifiziert und bestellt werden. Der LCL-Filter garantiert, dass die Oberschwingungen kein Problem in einem Netz verursachen. Mit einem Leistungsfaktor > 0,99 und oberschwingungsarmem Design können die Versorgungskettentransformatoren, Generatoren usw. präzise ausgelegt werden. Ebenso ist die Amortisierungsdauer kürzer, da regenerative Energie in das Netz zurückgespeist wird.