Messdaten präzise erfassen Eine EMV-sichere Datenakquise bei 3.500 Volt und ein dezentraler Testansatz

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Die Elektrifizierung eines Trucks mit 240 Tonnen verschiebt die Grenzen der Leistungselektronik. Um Antriebssysteme mit einer Systemleistung bis zu 6 MW sicher zu validieren, hat Liebherr eine Testumgebung geschaffen, die herkömmliche Prüfstandsarchitekturen sprengt. Dabei spielt die dezentrale Erfassung von über 900 Messkanälen unter EMV-Belastung eine wichtige Rolle.

Im Tagebau herrschen extreme Bedingungen und das nicht nur für das Material der Baumaschinen, sondern auch für die Antriebstechnik. Wenn Liebherr einen batterieelektrischen Mining-Truck mit einem Gewicht von 240 entwickelt, sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Komponenten sehr streng.

Der elektrische Antriebsstrang muss im Megawatt-Bereich funktionieren, während er gleichzeitig Vibrationen, Staub und extremen Temperaturen standhält. Um die Entwicklungszeit eines solches Boliden zu verkürzen, verlagert Liebherr die Validierung in die kontrollierte Laborumgebung aus. Dafür wurde am Standort der Liebherr-Electronics and Drives eine neue Testhalle mit einer Grundfläche von 900 m² errichtet, die speziell für die Analyse von Hochvolt-Großantrieben konzipiert ist.

Thermische und elektrische Grenzbereiche

Das Vorhaben ist technisch komplex und das wird mit einem Blick auf die Leistungsdaten deutlich. Der Hauptantriebsstrang erfordert eine Validierung bei bis zu 3,6 MW Leistung und Spannungsniveaus, die mit bis zu 3.500 V weit über dem liegen, was im Automotive-Sektor üblich ist. Hintergrund: Die Nennleistung des Trucks beträgt 2 MW. Es können kurzzeitig bei kleiner zwei Minunten auch Leistungen bis 3,6 MW auftreten. Hinzu kommen Hilfsantriebe und Bordnetzversorgungen (Auxiliary Power Supplies), die allein schon die Leistung einer Kleinstadt-Ladesäule mit 500 kW erreichen.

Ein kritischer Aspekt der Entwicklung ist das Thermomanagement. Um die Lebensdauer der teuren Traktionsbatterien und der Leistungselektronik zu garantieren, müssen die Kühlsysteme unter realen Lastbedingungen geprüft werden. Der Prüfstand simuliert das durch leistungsstarke Luftkühlsysteme mit einem Durchsatz von 4 m³/s, wobei die Zuluft künstlich auf 55 °C vorgewärmt werden kann, um den Einsatz in heißen Klimazonen abzubilden. Parallel dazu bewältigen Wasserkühlsysteme Heiz- und Kühlleistungen im hohen dreistelligen Kilowattbereich. Die energetischen Flüsse müssen messtechnisch hochpräzise synchronisiert erfasst werden, um den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu optimieren.

Die elektromagnetische Verträglichkeit

Die größte Hürde für eine präzise Datenerfassung ist in einer solchen Umgebung die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die enormen Ströme und die hochfrequenten Schaltvorgänge der Umrichter induzieren Störsignale, die herkömmliche Analogmessungen über lange Kabelwege unmöglich machen würden. Liebherr löst das Problem zusammen mit imc Test & Measurement durch Dezentralisierung.

Anstatt die Signale analog in eine zentrale Messwarte zu führen, findet die Signalkonditionierung und Digitalisierung unmittelbar am Sensor statt. Die modularen Einheiten der von imc entwickelten Serien CRONOSflex und CANSASflex sind räumlich direkt an den Komponenten des Antriebsstrangs platziert. Das minimiert die analogen Leitungslängen und damit die Angriffsfläche für Einstreuungen.

Für die besonders kritische Temperaturmessung innerhalb der Elektromotoren geht Liebherr noch einen Schritt weiter: Hier werden nicht-leitende Glasfasersensoren eingesetzt. Da diese Sensoren auf optischen Prinzipien basieren, sind sie galvanisch getrennt und immun gegen elektromagnetische Felder.

900 Messkanäle aus 240 Sensoren

Die schiere Datenmenge von über 900 Kanälen, die aus rund 240 analogen Sensordaten und komplexen Feldbus-Informationen via CAN gespeist werden, erfordert eine leistungsfähige Software-Architektur. Mit der Plattform imc STUDIO steuert Liebherr nicht nur die Datenerfassung, sondern integriert auch Drittanbietersysteme, wie etwa hochpräzise Leistungsanalysatoren für die elektrische Leistungsberechnung.

Diese Offenheit des Systems ist entscheidend, da sich die Testanforderungen im Laufe eines Projekts ständig ändern können. Außerdem besteht die Möglichkeit, das Messsystem modular zu erweitern oder softwareseitig neue Schnittstellen zu definieren. Damit können Entwickler flexibel auf neue Erkenntnisse aus der Prototypenphase reagieren. Das Ergebnis ist eine ganzheitliche Validierung „von der Batterie bis zum Rad“, die Fehlerquellen identifiziert, lange bevor der erste Truck im Feld steht. (heh)

* Felix Lukasch ist Head of Test Center Biberach bei Liebherr-Electronics and Drives.

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