Messtechnik Optimierung elektrischer Antriebsstränge mit Oszilloskop-Techniken

Der elektrische Antriebsstrang spielt eine zentrale Rolle in der laufenden Transformation der Automobilindustrie. Eine hohe Präzision bei Mess- und Analyseaufgaben ist entscheidend zur Verbesserung von Performance, Reichweite, Effizienz und Zuverlässigkeit.

Der Elektrifizierungstrend in der Automobilindustrie bringt einige neue Herausforderungen bei der Antriebsstrangoptimierung mit sich: von der Steuerung der Leistungsumwandlung und Effizienz über die Validierung von Motorsteueralgorithmen bis hin zur Abschwächung elektromagnetischer Störaussendungen (EMI) und Sicherstellung einer fehlerfreien digitalen Kommunikation für das Batteriemanagement. Moderne Mehrkanal-Oszilloskope (Bild 1) und insbesondere die Serie MXO von Rohde & Schwarz erweisen sich als unentbehrlich für Ingenieure, die diese Systeme mit Hilfe umfassender und präziser Messfunktionen optimieren möchten.

Elektrische Antriebsstränge erfordern ein mehrdimensionales Konzept der Performance-Charakterisierung. Dazu gehören die Spannungs- und Strommesskurven-Analyse, die Bewertung des Impulsverhaltens, die Validierung der Motorsteuerung sowie die Minderung harmonischer Verzerrungen. Durch ein gründliches Verständnis des Verhaltens eines Antriebsstrangs unter vielfältigen Einsatzbedingungen können Ingenieure eine nahtlose Integration und optimale Funktionalität sicherstellen.

Die Analyse der Spannungs- und Strommesskurven spielt eine bedeutende Rolle für die Optimierung des Leistungsumwandlungswirkungsgrads. Ingenieure analysieren die Spannung und den Strom an kritischen Punkten innerhalb des Antriebsstrangs, um die Effizienz und den Leistungsfaktor der verschiedenen Umwandlungsstufen zu ermitteln und Verbesserungspotenziale zu identifizieren. Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Antriebsstrang-Optimierung ist die Validierung der Motorsteuerung. Eine präzise Motorsteuerung ist entscheidend für einen reaktionsschnellen und effizienten Betrieb des elektrischen Antriebsstrangs. Ingenieure müssen Motorsteueralgorithmen validieren, um sicherzustellen, dass ein zuverlässig vorhersehbares Verhalten entsprechend den Steuereingaben erzielt wird. Dieser Validierungsprozess erfordert eine präzise Messung sowohl der Strom- als auch Spannungsmesskurven sowie eine Bewertung des Antwortverhaltens des Motorsteuersystems.

Mit der Transientenanalyse versteht man, wie der Antriebsstrang auf plötzliche Änderungen der Last- oder Leistungsbedingungen reagiert, und kann potenzielle Schwachstellen identifizieren, die eine weitere Optimierung erforderlich machen. Darüber hinaus ist die Reduzierung der harmonischen Verzerrung entscheidend für eine hohe Leistungsqualität und langfristige Zuverlässigkeit des Antriebsstrangs. Harmonische in elektrischen Systemen können die Leistungsqualität beeinträchtigen. Ihre Minderung spielt deswegen eine wichtige Rolle für die Gesamtperformance.

Mit den Oszilloskopen der MXO Serie von Rohde & Schwarz lässt sich die Komplexität der Optimierung elektrischer Antriebsstränge leicht bewältigen. Anders als traditionelle Leistungsanalysatoren, deren Domäne im Wesentlichen statische Messungen sind, ermöglichen Oszilloskope dynamische Einblicke in zeitvariantes Verhalten. Diese Fähigkeit ist von entscheidender Bedeutung für die Analyse der realen Performance eines elektrischen Antriebsstrangs, die Erfassung kurzfristiger Effekte in Echtzeit und die Kreuzkorrelation von Signalanomalien in verschiedenen Domänen mit Hilfe der acht Kanäle des Geräts.

Die neuen Oszilloskope sind für die Verarbeitung der komplexen Signaldetails elektrischer Antriebsstränge ausgelegt. Mit einer vertikalen Auflösung von 18 bit im High-Definition-Modus (HD) und einer Erfassungsrate von bis zu 4,5 Millionen Messkurven pro Sekunde unterstützen sie eine präzise und genaue Messkurvenanalyse. Dieser Detailgrad ist entscheidend für die Analyse des Verhaltens im Zeit- und Frequenzbereich und hilft Ingenieuren, komplexe Antriebssysteme effektiv zu diagnostizieren und zu optimieren.

Aufzeichnungen über lange Zeiträume

Das neue Oszilloskop von Rohde & Schwarz eignet sich perfekt für diese Anwendung. Zusätzlich zu einer hohen Erfassungsrate und der präzisen HD-Auflösung bietet die MXO 3 Serie standardmäßig einen Achtkanal-Eingang mit großer Aufzeichnungslänge von 125 Millionen Abtastpunkten pro Kanal. Diese Eigenschaften sind ideal für gleichzeitige Spannungs- und Strommessungen über drei Phasen (Bild 2).

Besonders wichtig ist das für die Analyse von Dreiphasen-Wechselrichtern, die Elektromotoren antreiben (Bild 3), weil so eine ganzheitliche Betrachtung des Gate-Schaltverhaltens des Wechselrichters und dessen Einfluss auf die Motorperformance möglich ist. Dank der großen Speichertiefe über mehrere Kanäle ermöglicht das Gerät hohe Abtastraten auch für Aufzeichnungen über lange Zeiträume. Diese Fähigkeit ist insbesondere für die Analyse der typischerweise langen Reaktionszeiten elektrischer Antriebsstränge von hohem Wert, weil Ingenieure detaillierte Messkurvendaten über längere Zeitachsen erfassen und auswerten können. So lassen sich Anomalien oder Ineffizienzen identifizieren, die bei geringerer Aufzeichnungslänge möglicherweise unentdeckt blieben.

Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) zur Spektrumanalyse ist eine weitere essenzielle Funktion für die Optimierung elektrischer Antriebsstränge. Der Hardware-beschleunigte Prozessor des MXO 3 analysiert mehr als 40.000 FFTs pro Sekunde und ermöglicht so eine schnelle Identifikation von EMI-Problemen und Messung von Harmonischen. Diese Daten sind wichtig für die Entwicklung effektiver Filter- und Abschirmkonzepte zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen, insbesondere beim Einsatz von Wide-Bandgap-Technologien wie Siliziumkarbid-Transistoren, die zwar schnellere Schaltvorgänge ermöglichen, jedoch auch ein erhöhtes EMI-Potenzial mit sich bringen.

Dank dem in der Hardware implementierten ASIC (MXO-EP) bietet das Oszilloskop zudem ein digitales Trigger-System mit sehr hoher Empfindlichkeit (bis 0,0001 einer vertikalen Unterteilung). Damit lassen sich äußerst kleine Störspitzen und Anomalien im Transistor-Gate-Betrieb detektieren. Diese Präzision ist entscheidend, um ausreichende Totzeiten zwischen Schaltvorgängen in Wechselrichterschaltungen sicherzustellen und Zustände wie sogenannte Shoot-Through-Ereignisse zu vermeiden, bei denen High-Side- und Low-Side-Gate unbeabsichtigt gleichzeitig leitend sind. Die standardmäßige Zonentriggerung ermöglicht darüber hinaus eine besonders einfache Einrichtung von Trigger-Bedingungen. Dazu wird direkt auf dem Touchscreen ein Bereich definiert. Durchläuft eine Messkurve diesen Bereich, wird ein Trigger-Ereignis ausgelöst.

Während die Serie MXO 5 ebenfalls eine Achtkanal-Architektur sowie höhere Bandbreitenoptionen von bis zu 2 GHz und eine noch leistungsfähigere Signalverarbeitung bietet – ideal für anspruchsvolle Analysen zum Debuggen von Motorantrieben –, zeichnet sich die Baureihe MXO 3 durch ihre kompakte Bauform aus. Sie kann problemlos in unmittelbarer Nähe des Prüflings positioniert werden und eignet sich sogar für Messungen im Feld.

Wechselrichter-Antriebssteuerung optimieren

Eine der zentralen Optimierungsaufgaben bei elektrischen Antriebssträngen ist die Umwandlung der Gleichspannung der Batterie in eine für den Motor geeignete Wechselspannung mittels Wechselrichter. Die Leistungsfähigkeit des Wechselrichters hängt dabei maßgeblich vom zeitlichen Verhalten und den Schaltvorgängen der Totem-Pole-Gates ab, die mittels Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert werden. Eine korrekte Analyse der Schaltlogik und des Timings über alle drei Phasen ist entscheidend für einen hohen Wirkungsgrad und eine optimale Antriebsperformance. Die MXO Oszilloskope unterstützen diese Analyse durch Werkzeuge für den Zeit- und Frequenzbereich. Der digitale Trigger sowie der Zonentrigger helfen bei der Detektion von Störspitzen in Gate-Signalen, während die HD-Auflösung eine präzise Beobachtung feinster Messkurvendetails ermöglicht. Die Tracking-Funktion für Standardmessungen visualisiert die über die gesamte Erfassungsdauer gemessenen Pulsbreiten als zeitabhängige Messlinie (Track Waveform) und liefert so tiefere Einblicke in das PWM-Verhalten (Bild 4).

Mit dem MXO können Anwender so viele Track Waveforms aktivieren, wie automatisierte Messungen zur Verfügung stehen. Darüber hinaus sind die FFT-Funktionen unverzichtbar für die Analyse des Spektralgehalts von PWM-Signalen. Sie unterstützen Ingenieure bei der Entwicklung von Steueralgorithmen, die Schaltverluste und elektromagnetische Störungen minimieren.

Die Umstellung von IGBT auf Wide-Bandgap-Transistoren, etwa auf Basis von Siliziumkarbid (Silicon Carbide, SiC), ist durch höhere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Leitungsverluste motiviert. Dieser Wandel bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich, insbesondere im Hinblick auf Störemissionen und eine zuverlässige Gate-Ansteuerung. Die schnellen FFT-Analysen und der hochempfindliche digitale Trigger der MXO-Oszilloskope sind in diesem Zusammenhang entscheidende Hilfsmittel (Bild 5).

Sie ermöglichen es, EMI-Probleme infolge schnellerer Schalttransienten und Shoot-Through-Ereignisse wegen unzureichender Totzeitsteuerung zu identifizieren. Durch die Visualisierung des gesamten Schaltvorgangs lassen sich die Designs gezielt verfeinern, um maximale Effizienz und Stabilität zu erreichen. (se)

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* Choong Cheong Wong ist R&D Software Engineer bei Rohde & Schwarz Asia.

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