Der Elektronik-Dienstleister Zollner Elektronik AG hat als Full-Service-Partner von einem führenden deutschen Automobil-Hersteller den Auftrag für die Großserienproduktion der zentralen Leistungselektronik für zwei neue Elektrofahrzeuge erhalten.
Zollner war schon beim Produkt- und Prozess-Engineering involviert und hat auch bei der Qualifizierung wesentliche Aufgaben übernommen. Am Standort Zandt im Bayerischen Wald baute Zollner eigens eine Produktionslinie in einem Sauberraum auf.
SOMA: zukunftsweisende Prüftechnik für automobile Leistungselektroniken
Auf der Suche nach einem geeigneten Lieferanten für die elektrische Prüftechnik innerhalb der Produktion wurde Zollner mit der SOMA GmbH aus Schalksmühle fündig. Als selbstständiger Geschäftsbereich der global ausgerichteten KOSTAL-Gruppe mit Stammsitz im nordrhein-westfälischen Lüdenscheid erstellt SOMA seit über 40 Jahren komplette prüftechnische Systeme für mechanische, mechatronische und elektronische Produkte. Das Produkt- und Leistungsspektrum reicht dabei von entwicklungsbegleitenden Spezifikations- und Lebensdauerprüfsystemen bis hin zu vollautomatisierten Funktionsprüfsystemen für den Einsatz in der Produktion. Über 50 hochqualifizierte Mitarbeiter arbeiten interdisziplinär an der Realisierung der prüf- und automationstechnischen Systemlösungen.
Der Prüfling: die integrierte Leistungselektronik
Die Leistungselektronik vereint alle Komponenten, die für das Energie-Management im Fahrzeug benötigt werden, in einem einzigen kompakten Gehäuse. Dies sind gleichermaßen der Inverter für die Dreiphasenmaschine (Antriebsmotor), Ladeschaltungen für Hochvolt- und Niedervoltbatterien, Kommunikationsschnittstellen und natürlich der zentrale Controller zur Steuerung aller Funktionsgruppen. Im Fahrzeug ist die Leistungselektronik direkt am Antriebsmotor montiert. Diverse steckbare Anschlüsse erlauben die Verbindung zur Hochvolt-Batterie im Fahrgestell, zum Range-Extender (dies ist ein optional erhältlicher Verbrennungsmotor mit Generator zur Erhöhung der Reichweite), zur Ladesteckdose und zu verschiedenen weiteren Verbrauchern im Fahrzeug. Die Leistungselektronik wird im Betrieb sowie in der Prüfanlage mit Wasser gekühlt und verfügt über entsprechende Schlauch-Anschlüsse.
Von der Idee zur Anlage
Viele Details der Prüfung und deren Umsetzung ergaben sich erst im Laufe des gemeinsamen Projektes, das im Mai 2012 von Zollner an SOMA beauftragt wurde. Eine der größten Herausforderungen war es, die mehrere tausend Schritte umfassende Prüfvorschrift in eine automatisierte Prüfanlage umzusetzen. Entsprechend wichtig war es von Anfang an, durch modulare Bauweise und durch clevere Detail-Lösungen die Möglichkeit zu schaffen, auch im weiteren Verlauf der Projektumsetzung angemessen flexibel auf Änderungen am Produkt, der Prüfvorschrift oder auf andere Faktoren reagieren zu können, ohne den engen Zeitplan und den gesetzten Kostenrahmen zu sprengen. In der Planungsphase wurde ein mehrstufiges Konzept für eine Prüfanlage entwickelt, die den gestellten Anforderungen gerecht wird.
Die sehr enge Zusammenarbeit zwischen den Projektingenieuren von SOMA, Zollner und dem Endkunden war ein maßgeblicher Faktor für das Gelingen der Serienprüfung und den Erfolg des Projektes. SOMA konnte sich hierbei wiederholt als kompetenter und flexibler Partner beweisen.
Key Facts
• Modulares Anlagekonzept mit autarker EOL (BEP)-Prüfanlage, Run-In-Prüfzelle, Flash-Zelle, Sicherheitsprüfzelle (HV, Kurzschluss, Ground-Bond-Test)
• Integrierter Motor/Batterie-Emulator mit einer Nennlast von 160 kW von SET/SPS Smart Power Systems
• Werkstückträger-Transfersystem mit einem WT-Gesamtgewicht von jeweils ca. 120 kg
• Erweiterbar im Hinblick auf Stückzahlentwicklungen und zukünftige Fahrzeugvarianten
• Logistische und datentechnische Anbindung an die vorgelagerte Montageanlage und den nachgelagerten Verpackungsprozess
• Betrieb im Sauberraum
Anlagenkonzept
Die Erfahrungen, die SOMA bereits im Bau zahlreicher Prüfanlagen für Leistungselektroniken, beispielsweise für Photovoltaik-Wechselrichter gesammelt hat, kamen Zollner bei der Konzeptfindung – etwa bei der Wahl eines Werkstückträger-Transfersystems zur Verkettung der einzelnen Prüfsysteme – zugute.
Die eigentliche Prüfung erfolgt in sogenannten Prüfzellen, von denen derzeit zwei in der Anlage integriert sind. Falls erforderlich, kann die Anlage um bis zu zwei weitere Prüfzellen erweitert werden, um durch gleichzeitiges Prüfen von mehreren Geräten die Kapazität der Anlage zu erhöhen bzw. die mittlere Prüfdauer zu reduzieren. Die Prüflinge gelangen mitsamt dem zugehörigen Werkstückträger in die jeweilige Prüfzelle, wo dann die benötigten elektrischen und hydraulischen Verbindungen zum Werkstückträger automatisch hergestellt werden. Angesichts der im Rahmen der Prüfungen zu übertragenden Leistungen und der Anforderungen an die Störfestigkeit stellten die automatischen Kontaktierungen und die Installation der Anlage die SOMA-Ingenieure vor besondere Herausforderungen.
Nach erfolgreicher Prüfung werden die Prüflinge mit ihrer spezifischen Firmware versehen. Hierbei wird aus den Geräten die Prüfsoftware entfernt und die eigentliche Fahrsoftware aktiviert. Damit dies den Ausbringungstakt der Anlage nicht verlängert und die Produktion verlangsamt, wurde eigens für diesen Flash-Prozess eine separate Zelle in die Anlage integriert.
Über ein Portal-Handling ist die SOMA-Prüfanlage an das Montagesystem von Zollner angebunden.
Prüfinhalte
Die Gesamtprüfung der Leistungselektronik beinhaltet Funktionsprüfungen aller im Gerät verbauten Module. Dies sind Kommunikations-Tests, Prüfungen der verschiedenen Ladepfade, Belastungstests in unterschiedlichen Betriebspunkten, Prüfung der Sicherheitsfunktionen, Prüfung der internen Messsensoren und vieles andere mehr.
Da viele Tests mit hohen elektrischen Leistungen durchgeführt werden müssen, wählten die SOMA-Ingenieure für den Einsatz in der Prüfanlage entsprechend leistungsfähige Stromquellen und -senken aus. Ein besonderes Highlight ist die elektronische Nachbildung des im Fahrzeug verbauten Elektromotors mit einem sogenannten Motor-Emulator, der für den Run-In-Test eingesetzt wird. Bei dieser Prüfung wird die zu prüfende Leistungselektronik von außen „gestresst“, mit einem in der Prüfanlage integrierten Temperiersystem auf 70°C erhitzt und über einen längeren Zeitraum an den Leistungsgrenzen betrieben. Am Emulator können beliebige und sehr dynamische Fahrprofile vorgegeben werden; auch solche, die mit einem realen Elektromotor schwierig oder gar nicht realisierbar sind. Der Motor-Emulator, der im Auftrag von SOMA von der Firma SET aus Wangen im Allgäu gebaut und von SOMA in die Prüfanlage integriert wurde, beinhaltet auch eine elektronische Nachbildung der Hochvolt-Batterie, die im Fahrzeug verbaut ist.
Um den Energieverbrauch der Prüfanlage zu minimieren, wurden von SOMA ausschließlich rückspeisefähige Komponenten eingesetzt. Beim simulierten Fahrbetrieb gibt der Prüfling die Energie an den Motor-Emulator ab; dieser speist sie zurück in die Batterie-Nachbildung. Beim Bremsbetrieb speist der Motor-Emulator Energie zurück in den Prüfling; dieser gibt sie an die Batterie-Nachbildung ab, was im realen Fahrzeug dem Aufladen der HV-Batterie beim Motor-Bremsen entspricht (Rekuperation).
Die Leistungselektronik wird nach der Montage speziellen Sicherheitsprüfungen unterzogen. Hierzu hat SOMA eine HV-Prüfzelle erstellt, die losgelöst von der großen Prüfanlage im Zollner-Montagesystem integriert wurde.
Leuchtturmprojekt
Die Realisierung der Prüfanlage für die integrierte KFZ-Leistungselektronik war eins der bislang größten Projekte für SOMA, das mit der im Dezember 2014 erteilten Endabnahme erfolgreich abgeschlossen werden konnte.
Weitere Informationen zum Unternehmen SOMA und zu den realisierten Prüfanlagen erhalten Sie unter www.soma.de.
