Optimierung elektrischer Antriebsstränge mit MXO Oszilloskopen

Ihre Anforderung

Bei der Charakterisierung der Antriebsstrang-Performance sind viele verschiedene Aspekte wie nahtlose Integration und optimale Funktionalität zu berücksichtigen. An kritischen Punkten innerhalb des Antriebsstrangs müssen die Spannungs- und Stromwellenformen analysiert werden, um eine Bewertung der Leistungsumwandlung in den verschiedenen Stufen, des Wirkungsgrads und Leistungsfaktors zu erlauben und Bereiche mit Verbesserungsbedarf zu identifizieren. Eine Validierung der Motorsteueralgorithmen ist notwendig, um ein präzises und reaktionsschnelles Motorverhalten gemäß den Steuereingaben sicherzustellen. Die Transientenanalyse gibt Aufschluss über die Reaktion des Antriebsstrangs auf plötzliche Last- oder Leistungswechsel. Die Identifizierung und Reduzierung harmonischer Verzerrungen im System trägt zur Verbesserung der Leistungsqualität und allgemeinen Zuverlässigkeit des Antriebsstrangs bei. Dieser systematische Ansatz gewährleistet ein umfassendes Verständnis des Antriebsstrangverhaltens als Grundlage für die Performance-Optimierung.

Lösung von Rohde & Schwarz

Für präzise Messergebnisse bei derart vielfältigen Messanforderungen werden entsprechende Messgeräte benötigt. Leistungsanalysatoren, niederfrequente Vektoranalysatoren oder Bus-Decodierer können für genaue Messungen eingesetzt werden. Oszilloskopen kommt eine einzigartige Funktion zu, da sie in der Lage sind, die Zeit- und Amplitudenbeziehungen zu visualisieren. Sie verfügen außerdem über eine breite Palette von Tools, z. B. schnelle Fourier-Transformation (FFT), Mathematikfunktionen, Harmonischenanalyse, Decodierung digitaler Kommunikationsprotokolle und Frequenzganganalyse.

Die Oszilloskope der nächsten Generation aus der MXO-Serie sind ideal für die Optimierung elektrischer Antriebsstränge: Sie bieten eine grundlegende Zeitanalyse, die schnellste verfügbare Messkurvenerfassung, 18-bit-HD-Auflösung, eine extrem hohe FFT-Spektrumleistung sowie äußerst lange Aufzeichnungslängen. Die MXO 5 Oszilloskope sind die ersten Achtkanal-Geräte für die Dreiphasenanalyse mit gleichzeitiger Messung von Spannung und Strom.

Vorteile

• 4,5 Millionen Messkurven pro Sekunde: höchste Erfassungsrate für bis zu 99 % der Signalaktivität
• 18-bit-HD-Modus: unübertroffen bei Präzision und Genauigkeit
• 400 MPunkte/500 MPunkte pro Kanal: mehr Zeit mit hohen Abtastraten erfassen
• 45 000 FFT/s: reaktionsschnelle Spektrumfunktion für die EMI-Analyse
• Digitaler Trigger: höchste verfügbare Trigger-Empfindlichkeit von 0,0001 Div

Mehr Kanäle erforderlich für Analysen der Wechselrichter-Antriebssteuerung

Die Umwandlung der Gleichstromleistung der Batterie in Wechselstrom-Antriebsleistung für den Elektromotor ist ein zentrales Element des Antriebsstrangs. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads schalten geeignet getaktete Wechselrichter-Gates (in Totempfahl-Anordnung) DC-Pulse in unterschiedliche Breiten, wobei die Pulsbreitenmodulation (PWM) zum Antrieb des Motors gefiltert wird, sodass Wechselstromformen entstehen. Dreiphasen-Elektromotoren benötigen drei Wechselrichter-Gate-Sätze, deren Schaltlogik und Schaltzeitpunkte die Performance des Antriebs beeinflussen. Die Spannung und der Strom werden in jeder Wechselrichterphase gemessen. Sensoren, die Drehmoment und Motordrehzahlen messen, liefern wertvolle Informationen. Die MXO 5 Serie bietet mehr Kanäle, um ein vollständiges Bild der Wechselrichter-Antriebssteuerung zu erfassen.

Herausforderungen durch schnelles Schalten der Gates

Um einen höheren Wirkungsgrad und schnellere Reaktionen des Antriebsstrangs zu erreichen, stellt die Branche allmählich von traditionellen Designs auf Basis von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) auf Transistoren mit großer Bandlücke um, sog. Wide-Bandgap-Transistoren (z. B. Siliziumcarbid; SiC), die schnellere Schaltvorgänge ermöglichen. Vor allem aber bieten diese Transistoren einen niedrigeren dynamischen Einschaltwiderstand und tragen so zur Effizienzsteigerung bei.

Schnellere steigende und fallende Flanken stellen eine Design-Herausforderung dar, da sie EMI-Rauschen in ein System einführen können. Parasitäre Signale können Ringing-Effekte verstärken und schädliche Shoot-Through-Ereignisse verursachen, wenn Highside- und Lowside-Gates gleichzeitig aktiviert werden. Für die Transistoren und Wechselrichterschaltungen ist eine zusätzliche Zeitanalyse erforderlich.

Der digitale Trigger der MXO Serie ist äußerst hilfreich zum Aufspüren von Störspitzen in den Transistor-Gates. Die 18-bit-HD-Auflösung erleichtert dank hochgenau triggerbarer Messkurve mit ausgezeichneter Trigger-Empfindlichkeit die Fehlersuche an Designs. Die schnelle FFT hilft beim Erkennen von EMI-Emissionen und ermöglicht bessere Schaltungsfilterdesigns.

Fazit

Für die Optimierung elektrischer Antriebsstränge sind unterschiedliche Testansätze vonnöten – von der allgemeinen Reduzierung harmonischer Verzerrungen im Dreiphasenstrom bis hin zur Gate-Treiber-Schaltanalyse. Im Gegensatz zu Leistungsanalysatoren, die für hochpräzise Spezifikationsmessungen gedacht sind, liefern Oszilloskope eine Darstellung im Zeitverlauf, anhand deren der Benutzer das zeitvariante Verhalten für verschiedene Zeitsteuerungen verstehen kann. Oszilloskope sind auch äußerst vielseitig und verfügen über Testfunktionen im Zeit- und Frequenzbereich für die Messung des elektrischen Wirkungsgrads, die EMI-Fehlersuche, Oberschwingungsanalyse und Bus-Decodierung.

Die Oszilloskope der MXO Serie unterstützen standardmäßig eine große Aufzeichnungslänge, die sie zum idealen Hilfsmittel für die Analyse elektrischer Antriebsstränge mit ihren meist langsamen Reaktionen macht. Der digitale Trigger, die HD-Präzision, Track-Funktion, schnelle Spektrumanalyse und Achtkanal-Technik bieten nahezu grenzenlose Messmöglichkeiten zur Bewertung der Performance elektrischer Antriebsstränge.