Reale Fahrversuche für Elektrofahrzeuge 

Während die Automobilindustrie die Leistungsumwandlungs- und Batterietechnologien voranbringt, hat Dewesoft aktiv daran gearbeitet, flexible und leistungsstarke Messsysteme speziell für elektrische und hybride Antriebsstränge bereitzustellen. Messsysteme müssen immer mehr Anforderungen erfüllen. So müssen sie bei Elektrofahrzeugen für Hochspannungsumgebungen (bis 1000 V oder sogar höher) geeignet sein, damit ein sicheres und zuverlässiges Funktionieren gewährleistet ist. Die anspruchsvollste Anwendung sind reale Fahrversuche, bei denen die Messgeräte Belastungen durch raue Umgebungen, Temperaturen zwischen -30 °C und +60 °C und verschiedenste Geländetypen ausgesetzt sind. Und genau hier bietet Dewesoft mit ihren robusten und leistungsstarken Messsystemen die perfekte Lösung.

Effizienzanalyse bei realen Fahrversuchen

Die Bestimmung von Energieverbrauch und CO2-Emissionen erfolgt heutzutage an Prüfständen mittels standardisierter Fahrzyklen (NEFZ, WMTC usw.). Diese Fahrzyklen sind jedoch nicht geeignet, den Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen zu bestimmen, da sie grundlegende Einflussfaktoren wie Energierückgewinnung, Wetterbedingungen oder die enormen Auswirkungen von Nebenverbrauchern nicht berücksichtigen. Einfach ausgedrückt entsprechen selbst ideale Prüfstandsbedingungen nicht einmal annähernd den realen Fahrbedingungen. Dadurch kann der tatsächliche Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen bis zu 60 % höher sein als der am Prüfstand ermittelte.

Die Elektrifizierung der Antriebsstränge von Fahrzeugen verändert die Anforderungen an Fahrzeugtests, die über die Analyse des Verbrennungsprozesses hinausgehen. Elektro- und Hybridfahrzeuge können mit mehreren Motoren, Wechselrichtern und Akkupacks ausgerüstet sein, und bei einer umfassenden Energie- und Effizienzanalyse müssen alle Energiequellen und -verbraucher berücksichtigt werden. Abbildung 1 gibt einen Überblick über einige Antriebsstrangtypen für Elektro- und Hybridfahrzeuge.

Abbildung 1. Antriebsstränge von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Für die Analyse aller notwendigen Daten müssen diverse Anforderungen erfüllt sein. Das Messsystem muss in der Lage sein, die Leistung vollständig synchron an verschiedenen Stellen im Fahrzeug zu messen. Die Verwendung konventioneller Messgeräte würde den Einsatz mehrerer Leistungsanalysatoren, Verbrennungsanalysatoren, Datenlogger, GPS-Logger usw. erfordern. Herausforderungen wie die Datenzusammenführung, die Datensynchronisation, die (von der Fahrzeugbatterie unabhängige) Stromversorgung der Geräte usw. machen es beinahe unmöglich, zuverlässige Messergebnisse zu erhalten. Als weiterer wichtiger Punkt ist insbesondere bei realen Fahrversuchen zu berücksichtigen, dass die Stromversorgung der Messgeräte unabhängig von der Fahrzeugbatterie stattfinden muss, damit eine umfassende und klare Aussage über die Energieeffizienz getroffen werden kann.

Abbildung 2. Messsystem

Um alle diese Probleme auf komfortable Weise zu lösen, erlaubt der Dewesoft R2DB Power Analyser die gleichzeitige Messung mehrerer 3-Phasensysteme und vereint die Funktionen eines Leistungsanalysators, Oszilloskops, Datenloggers, FFT-Spektrumanalysators und Transientenrekorders in einem einzigen Gerät. Das System verfügt zudem über einen eingebauten Akkupack, der es ermöglicht, das Messgerät und alle Sensoren (Stromzangen, GPS, Video usw.) autonom zu versorgen. Die hohe Genauigkeit (0,03 %) und Abtastrate (bis zu 15 MS/s) der Hoch- und Niederspannungseingangsverstärker der Sirius-Reihe von Dewesoft gewährleisten die genaue Analyse von Elektrofahrzeugen (siehe Abb. 2).

 

Live Daten

In der Messsoftware können alle Daten (Elektrik, Mechanik, Video, GPS, CAN usw.) gemeinsam dargestellt und einzelne Anzeigen generiert und angepasst werden. Dies ermöglicht die Analyse realer Fahrversuche auf dem neuesten Stand der technischen Entwicklung.

Abbildung 3. Screenshot der Messsoftware, DEWESoft®

Grid-to-Wheel-Effizienz

Im vorliegenden Testfall wurde die Grid-to-Wheel-Effizienz (Wirkungsgrad am Rad) eines batterieelektrischen Fahrzeugs (BEV) bestimmt.  Die Strecken für die Straßenfahrversuche wurden so gewählt, dass Abschnitte mit verschiedenen repräsentativen Merkmalen (Stadt, Autobahn, bergauf, bergab usw.) vertreten waren, um ihrem Einfluss auf den Energieverbrauch und die Leistung der BEVs unter realen Fahrbedingungen möglichst wirklichkeitsnah widerzuspiegeln.

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse in einem Sankey-Diagramm, das den Energieverbrauch einschließlich der Einflussfaktoren aussagekräftig darstellt.

Abbildung 4. Grid-to-Wheel-Effizienz eines Elektrofahrzeugs als Sankey-Diagramm

In diesem Fall wurde die Leistung (u. a. die Batterieleistung, die Motorleistung und die Leistung großer Verbraucher) an sechs verschiedenen Punkten gemessen. Der durchschnittliche Energieverbrauch auf der Teststrecke betrug 24,6 kWh/100 km.

Wie im Diagramm zu sehen, ist der Lade-/Entladevorgang in diesem Fall bereits für einen großen Energieverlust (15 %) verantwortlich.

Zusätzlich zu den 15% Lade-Entladeverlusten werden weitere 15% der Energie für Nebenverbraucher benötigt wodurch letztendlich 60% der aufgenommenen Netzleistung am Motor ankommen. Allerdings geht diese Energie nicht verloren, da sie von Nebenverbrauchern wie Heizung, Klimaanlage usw. genutzt wird. 54 % der Netzenergie kommen schließlich am Rad an. Der Motorverlust beläuft sich auf 7 %. Die Rückgewinnungsrate über den gesamten Testzyklus war mit 20 % recht hoch.

Das Diagramm zeigt deutlich, wie wichtig die Bestimmung des Wirkungsgrads des gesamten Systems vom Netz bis zum Rad ist, da sie die Erfassung der Hauptfaktoren für Energieverluste und damit auch für Effizienzsteigerungen erlaubt. Mit dem R2DB Power Analyser von Dewesoft können einfach zuverlässige Aussagen zur Effizienzanalyse unter realen Fahrbedingungen für alle Arten von elektrischen Antrieben getroffen werden. Für eine detaillierte Energieverbrauchsanalyse ist es wichtig, Video- und GPS-Daten aufzuzeichnen und neben den elektrischen Parametern auch mechanische Daten zu messen. So lässt sich jede Energiequelle und jeder Verbraucher für alle Betriebs- und Fahrsituationen detailliert analysieren.

Fazit

Durch die Elektrifizierung von Fahrzeugen verändern sich die Anforderungen an Messsysteme. Hardwareseitig müssen die Instrumente für Hochspannungsumgebungen geeignet sein und rauen Umgebungen standhalten, während die synchrone Erfassung verschiedener elektrischer und mechanischer Parameter, aber auch von GPS-, Video- und anderen Daten, also die Verfügbarkeit leistungsfähiger Datenverarbeitungs- und Visualisierungsfunktionen, eine wesentliche Anforderung an die Software ist. Die Instrumente der Power-Produktlinie von Dewesoft sind genau auf diese Bedürfnisse zugeschnitten und erleichtern das Leben der Messtechniker.

Für weitere Informationen zu Power-Anwendungen wenden Sie sich bitte an Bernhard Grasel, Product Manager Power & E-Mobility, DEWESoft GmbH.