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Die zunehmende Elektrifizierung moderner Fahrzeuge verändert nicht nur die Fahrzeugarchitektur, sondern auch die Anforderungen an Entwicklung und Test. Insbesondere leistungselektronische Komponenten wie Inverter, Bordladegeräte oder Batteriesysteme arbeiten mit hohen Spannungen, komplexen Regelungsmechanismen und sehr kurzen Zykluszeiten. Damit steigen auch die Anforderungen an geeignete Testverfahren.
Während klassische Hardware-in-the-Loop-Systeme (HiL) seit vielen Jahren fester Bestandteil der Steuergeräteentwicklung sind, stoßen sie bei elektrischen Antriebs- und Ladesystemen zunehmend an Grenzen. Genau an dieser Stelle gewinnt Power-HiL als Erweiterung klassischer HiL-Tests an Bedeutung.
Power-HiL-Systeme kombinieren Echtzeitsimulationen mit realen elektrischen Leistungsflüssen und ermöglichen dadurch eine deutlich tiefere Absicherung leistungselektronischer Komponenten. Gerade im Umfeld der Elektromobilität und moderner Hochvolt-Architekturen wird diese Form des Tests zunehmend relevant.
Im Vergleich zu klassischen Fahrzeugarchitekturen mit Verbrennungsmotor enthalten Elektrofahrzeuge deutlich mehr leistungselektronische Komponenten. Dazu zählen unter anderem:
Diese Systeme verarbeiten hohe elektrische Leistungen und reagieren häufig in sehr kurzen Zeitintervallen. Steuergeräte im Bereich der Leistungselektronik arbeiten typischerweise mit Zykluszeiten im Mikrosekundenbereich oder darunter. Gleichzeitig müssen reale Spannungs- und Stromverläufe verarbeitet werden. Für Entwicklungs- und Testsysteme ergeben sich daraus zwei zentrale Herausforderungen:
Klassische Softwaretests reichen dafür nicht aus. Auch rein signalbasierte Tests stoßen bei der Absicherung komplexer Hochvolt-Systeme an ihre Grenzen.
Die klassische Hardware-in-the-Loop-Simulation ist heute ein etablierter Bestandteil moderner Entwicklungsprozesse im Automotive-Bereich. Ziel eines HiL-Systems ist es, ein Steuergerät in einer virtuellen Umgebung zu testen, ohne dass das vollständige Fahrzeug vorhanden sein muss. Dabei werden Fahrzeugkomponenten durch Simulationsmodelle ersetzt. Sensoren, Bussysteme und Aktoren werden über geeignete Schnittstellen emuliert. Typischerweise stehen dafür Kommunikationsschnittstellen wie CAN, LIN oder Automotive Ethernet sowie Sensorsimulationen zur Verfügung.
Ein großer Vorteil klassischer HiL-Systeme besteht darin, dass Software bereits in frühen Entwicklungsphasen getestet werden kann. Fehler lassen sich reproduzierbar analysieren, automatisierte Tests können aufgebaut werden und unterschiedliche Szenarien lassen sich vergleichsweise flexibel simulieren. Gerade im Bereich der Testautomatisierung haben sich HiL-Systeme deshalb als wichtiger Bestandteil moderner Entwicklungsprozesse etabliert.
Bei leistungselektronischen Komponenten reichen rein signalbasierte Tests jedoch häufig nicht mehr aus. Klassische HiL-Systeme arbeiten überwiegend auf Signalebene. Das bedeutet: Das Verhalten elektrischer Komponenten wird simuliert, reale Leistungsflüsse finden jedoch nicht statt. Für viele Steuergeräte ist das ausreichend. Bei Komponenten der Elektromobilität kann die physikalische Leistungsebene jedoch entscheidend sein.
Beispiele dafür sind:
Insbesondere beim Test von Bordladegeräten müssen unterschiedliche Netzsituationen und Batteriekonfigurationen berücksichtigt werden. Gleichzeitig stehen in frühen Entwicklungsphasen zentrale Komponenten wie Motor oder Batterie oft noch nicht vollständig zur Verfügung. Hier entsteht eine Lücke zwischen klassischem HiL-Test und aufwändigen Prüfstands- oder Fahrzeugtests (Abbildung 1).
Power-HiL-Systeme schließen genau diese Lücke (siehe Abbildung 1). Die Technologie erweitert klassische HiL-Systeme um die Möglichkeit, reale elektrische Leistungen in den Testaufbau einzubinden. Dadurch können Komponenten nicht nur auf Signalebene, sondern zusätzlich unter realistischen elektrischen Bedingungen getestet werden. Die Grundarchitektur ähnelt zunächst einem klassischen HiL-System:
Zusätzlich kommt jedoch ein Leistungsverstärker zum Einsatz (siehe Abbildung 2). Das Echtzeitsystem übergibt seine berechneten Signale an den Leistungsverstärker. Dieser erzeugt daraus reale Spannungen und Ströme für das DUT. Das Verhalten der getesteten Komponente wird anschließend wieder in die Echtzeitsimulation zurückgeführt. Dadurch entsteht ein geschlossener Regelkreis zwischen virtueller Simulation und realer Leistungsebene.
Komponenten wie Elektromotoren oder Batteriesysteme können dabei weiterhin virtuell modelliert werden. Gleichzeitig arbeitet das DUT jedoch mit realen elektrischen Leistungsgrößen. Dadurch lässt sich die Testtiefe gegenüber klassischen HiL-Tests deutlich erweitern.
Typische Einsatzbereiche von Power-HiL: Power-HiL-Systeme kommen insbesondere dort zum Einsatz, wo reale elektrische Lasten und dynamische Leistungszustände relevant sind. Typische Beispiele sind:
Test von Bordladegeräten: On-Board-Charger müssen mit unterschiedlichen Netzsituationen umgehen können. Dazu zählen beispielsweise variierende Netzspannungen oder unterschiedliche Ladeinfrastrukturen. Mit Power-HiL lassen sich solche Szenarien reproduzierbar emulieren.
Absicherung von Inverter- und Antriebskomponenten: Leistungselektronik im Antriebsstrang arbeitet mit hohen Dynamiken. Power-HiL ermöglicht es, elektrische Lastsituationen bereits früh im Entwicklungsprozess nachzubilden.
Entwicklung von Batteriesystemen: Auch Batteriesysteme und ihre Steuergeräte profitieren von realitätsnahen Last- und Ladeprofilen. Gleichzeitig bleibt ein Teil der Fahrzeugumgebung weiterhin virtuell, wodurch Tests flexibel angepasst werden können.
Power-HiL-Systeme bieten mehrere Vorteile gegenüber rein klassischen Testansätzen. Ein wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit, reale elektrische Effekte bereits frühzeitig im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen. Dadurch können bestimmte Fehlerbilder erkannt werden, bevor vollständige Prüfstände oder Fahrzeugprototypen verfügbar sind.
Hinzu kommt die Wiederverwendbarkeit bestehender HiL-Infrastrukturen. Modelle, Bedienoberflächen und automatisierte Testabläufe aus klassischen HiL-Umgebungen können häufig weiter genutzt werden. Gerade im Zusammenspiel mit moderner Testautomatisierung ermöglicht dies reproduzierbare und skalierbare Testprozesse. Gleichzeitig bleibt ein hoher Grad an Flexibilität erhalten, da große Teile des Fahrzeugs weiterhin virtuell simuliert werden können.
Power-HiL ersetzt klassische HiL-Systeme nicht grundsätzlich. Vielmehr erweitert die Technologie bestehende Testmethoden um die Möglichkeit, reale elektrische Leistungsflüsse in die Simulation einzubinden. Dadurch entsteht eine zusätzliche Testebene zwischen signalbasierten Simulationen und vollständigen Prüfstands- oder Fahrzeugtests.
Gerade im Umfeld der Elektromobilität und moderner Hochvolt-Systeme wird diese Form der Absicherung zunehmend wichtiger. Die Kombination aus Echtzeitsimulation, Leistungselektronik und Testautomatisierung ermöglicht es, komplexe Systeme bereits in frühen Entwicklungsphasen unter realitätsnahen Bedingungen zu testen.
ITPower Solutions verfügt über langjährige Erfahrung in den Bereichen HiL, Embedded Systems und Testautomatisierung. Auch bei der Integration moderner Power-HiL-Ansätze unterstützen wir Unternehmen bei der Entwicklung und Absicherung komplexer elektrischer Fahrzeugsysteme.
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Sebastian Stritz
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