DE102023102270A1 - Testanordnung zum Test eines leistungselektronischen Steuergeräts - Google Patents

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Testanordnung (1) zum Test eines leistungselektronischen Steuergeräts (2), wobei das Steuergerät (2) Speiseanschlüsse (3) zur Energiespeisung und Lastanschlüsse (4) zur Ansteuerung einer elektrischen Last aufweist, mit einer Mehrzahl von Leistungselektronik-Modulen (5), wobei jedes Leistungselektronik-Modul (5) Speiseanschlüsse (6) zur Energiespeisung, wenigstens einen Lastanschluss (7) zur Bereitstellung wenigstens einer elektrischen Anschlussgröße und eine Schnittstelle (8) zur Ansteuerung des Leistungselektronik-Moduls (5) aufweist, wobei im einsatzfähigen Zustand der Testanordnung (1) die Speiseanschlüsse (3) des Steuergeräts (2) jeweils mit dem Lastanschluss (7) eines speiseseitigen Leistungselektronik-Moduls (5) verbunden sind und die Lastanschlüsse (4) des Steuergeräts (2) jeweils mit dem Lastanschluss (7) eines lastseitigen Leistungselektronik-Moduls (5) verbunden sind und wobei die Schnittstellen (8) der speiseseitigen und der lastseitigen Leistungselektronik-Module (5) von wenigstens einer Steuervorrichtung (11) zumindest mittelbar mit Stellwerten beaufschlagt werden, wobei die Steuervorrichtung (11) zur Einstellung von Soll-Strömen an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) mithilfe eines mathematischen Energiequellenmodells (12) und unter Verwendung von ermittelten Ist-Strömen (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) die Stellwerte (i­_t) für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) berechnet und wobei die berechneten Stellwerte (i­_t) durch eine Vorsteuerung (14) unter Verwendung der ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) abgeändert werden und die Schnittstellen (8) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) mit den abgeänderten berechneten Stellwerten (i'_t) beaufschlagt werden.Eine schnelle speiseseitige Stromregelung lässt sich auf einfachem Wege dadurch realisieren, dass die Steuervorrichtung (11) aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen (iu_l) der Lastanschlüsse (7) der lastseitigen Leistungselektronik-Module (5) zumindest die ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) zur Verwendung für die Vorsteuerung (14) berechnet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Testanordnung zum Test eines leistungselektronischen Steuergeräts, wobei das Steuergerät Speiseanschlüsse zur Energiespeisung und Lastanschlüsse zur Ansteuerung einer elektrischen Last aufweist, mit einer Mehrzahl von Leistungselektronik-Modulen, wobei jedes Leistungselektronik-Modul Speiseanschlüsse zur Energiespeisung, wenigstens einen Lastanschluss zur Bereitstellung wenigstens einer elektrischen Anschlussgröße und eine Schnittstelle zur Ansteuerung des Leistungselektronik-Moduls aufweist, wobei im einsatzfähigen Zustand der Testanordnung die Speiseanschlüsse des Steuergeräts jeweils mit dem Lastanschluss eines speiseseitigen Leistungselektronik-Moduls verbunden sind und die Lastanschlüsse des Steuergeräts jeweils mit dem Lastanschluss eines lastseitigen Leistungselektronik-Moduls verbunden sind und wobei die Schnittstellen der speiseseitigen und der lastseitigen Leistungselektronik-Module von wenigstens einer Steuervorrichtung zumindest mittelbar mit Stellwerten beaufschlagt werden, wobei die Steuervorrichtung zur Einstellung von Soll-Strömen an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module mithilfe eines mathematischen Energiequellenmodells und unter Verwendung von ermittelten Ist-Strömen an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module die Stellwerte für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module berechnet und wobei die berechneten Stellwerte durch eine Vorsteuerung unter Verwendung der ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module abgeändert werden und die Schnittstellen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module mit den abgeänderten berechneten Stellwerten beaufschlagt werden.
• Testanordnungen der vorgenannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen dem Test von leistungselektronischen Steuergeräten, wie sie in unterschiedlichen Bereichen der Technik eingesetzt werden, beispielsweise im automotiven Bereich, in der Luft- und Raumfahrt, aber auch in industriellen, wie zum Beispiel prozesstechnischen Anwendungen. Das leistungselektronische Steuergerät ist dazu ausgelegt, elektrische Lasten anzusteuern, wobei es auf die absolute Höhe der zu beherrschenden elektrischen Leistungen nicht ankommt. Es ist möglich, dass lediglich Leistungen von einigen Watt gehandhabt werden müssen, es kann aber auch sein, dass Leistungen im Bereich von einigen 100 kW (oder mehr) gesteuert werden müssen.
• Ein typisches Beispiel für ein leistungselektronisches Steuergerät ist im automotiven Bereich ein Motorsteuergerät für einen elektrischen Motor. Im realen Anwendungsfall, also nicht im Test mit der Testanordnung, wird das Motorsteuergerät über seine Speiseanschlüsse üblicherweise mittels einer Gleichspannungsquelle gespeist, und die Lastanschlüsse des Motorsteuergeräts werden mit den entsprechenden Speiseanschlüssen des Motors verbunden. Bei der Gleichspannungsquelle handelt es sich zum Beispiel um eine Batterie. Je nachdem, ob der angeschlossene elektrische Motor motorisch oder generatorisch betrieben wird, kann der Energiefluss durch das leistungselektronische Steuergerät von seinen Speiseanschlüssen zu den Lastanschlüssen erfolgen, aber auch umgekehrt, von den Lastanschlüssen zu den Speiseanschlüssen.
• Bei der hier betrachteten Testanordnung wird die Umgebung des zu testenden Steuergeräts mit der Testanordnung leistungselektronisch simuliert, es wird also kein tatsächlicher Motor an die Lastanschlüsse des leistungselektronischen Steuergeräts angeschlossen, sondern entsprechende lastseitige Leistungselektronikmodule; der Anwendungsfall wird als Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL-Simulation) bezeichnet. Auch an die Speiseanschlüsse des leistungselektronischen Steuergeräts werden entsprechende speiseseitige Leistungselektronik-Module angeschlossen. Mit den Leistungselektronik-Modulen ist es möglich, sowohl elektrische Energiequellen als auch elektrische Energiesenken nachzubilden. Dazu kann das Leistungselektronik-Modul über eine Schnittstelle so angesteuert werden, dass an seinem Lastanschluss eine bestimmte elektrische Anschlussgröße eingestellt wird, also eine bestimmte Spannung oder ein bestimmter Strom.
• Aus dem zuvor Gesagten ergibt sich, dass die beanspruchte Testanordnung das zu testende leistungselektronische Steuergerät selbst nicht umfasst. Das zu testende leistungselektronische Steuergerät muss aber dem Wesen nach beschrieben werden, da ansonsten das Zusammenwirken mit der beanspruchten Testanordnung nicht verständlich ist. Wenn es heißt, dass im einsatzfähigen Zustand der Testanordnung die Speiseanschlüsse und die Lastanschlüsse des Steuergeräts jeweils mit dem Lastanschluss eines speiseseitigen bzw. lastseitigen Leistungselektronik-Moduls zur Bereitstellung einer elektrischen Anschlussgröße an den Speiseanschlüssen und den Lastanschlüssen des Steuergeräts verbunden sind, dann ist damit erkennbar gemeint, dass zur Herstellung des einsatzfähigen Zustands der Testanordnung eine Verbindung der von der Testanordnung umfassten Leistungselektronik-Module mit den entsprechenden Anschlüssen des nicht von der Testanordnung umfassten, aber zu testenden leistungselektronischen Steuergeräts herzustellen ist; mithin sind die Lastanschlüsse der Leistungselektronik-Module mit den Speiseanschlüssen und den Lastanschlüssen des zu testenden Steuergeräts verbindbar.
• Wie ein Leistungselektronik-Modul über seine Schnittstelle angesteuert, also mit Stellwerten beaufschlagt werden muss, damit sich die gewünschte elektrische Anschlussgröße an seinem Lastanschluss einstellt, ergibt sich speiseseitig durch Berechnung des zuvor genannten mathematischen Energiequellenmodells unter Verwendung von ermittelten Ist-Strömen an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module. Im Stand der Technik werden diese ermittelten Ist-Ströme (bei denen es sich im Betrieb der Testanordnung gleichzeitig um die Ströme in und aus den Speiseanschlüssen des Steuergeräts handelt) messtechnisch erfasst. Die messtechnische Erfassung der ermittelten Ist-Ströme ist mit einem gewissen gerätetechnischen Aufwand verbunden und damit auch mit entsprechenden Kosten. Die messtechnische Erfassung hat aber auch unvermeidbar Einfluss auf die damit verbundene Signalverarbeitung, beispielsweise in Form von Latenzen, die bei der Messwerterfassung (Abtastung, A/D-Wandlung) auftreten. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die messtechnische Erfassung der ermittelten Ist-Ströme besondere Maßnahmen erfordert, da die zu erfassenden Größen stark gestört sind, was damit zusammenhängt, dass die Leistungselektronik-Module üblicherweise Wechselrichter mit schnell schaltenden Halbbrücken umfassen. Die schnell veränderlichen Schaltsignale weisen naturgemäß hochfrequente Oberwellenanteile auf und müssen deshalb häufig aufwendig gefiltert werden, um verwendbar zu sein, was zu weiteren Latenzen in der Signalverarbeitung und damit auch in der Stromregelung führt.
• Bei dem zu testenden leistungselektronischen Steuergerät handelt es sich abstrakt gesehen, um einen n-Pol, wobei die Summe der in seine Anschlüsse hineinfließenden und aus seinen Anschlüssen hinausfließenden Ströme zwingend null sein muss, da das Steuergerät quellen- und senkenfrei ist. Auch muss die Summe der speiseseitigen Ströme und der lastseitigen Ströme im Regelfall null sein. Diese Bedingungen müssen auch von der Testanordnung beim Test des Steuergeräts sehr genau eingehalten werden. Auch aus dieser Betrachtungsweise ist ersichtlich, dass eine schnelle Regelung der speiseseitigen und lastseitigen Ströme des zu testenden Steuergeräts bzw. an den Lastanschlüssen der dort vorgesehenen Leistungselektronik-Module schnell und präzise geregelt werden können müssen.
• Um schneller auf die Stellwerte für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module Einfluss nehmen zu können, ohne über den Umweg des Energiequellenmodells gehen zu müssen, ist im Stand der Technik eine Vorsteuerung realisiert, bei der die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module unmittelbar verwendet werden zur Beeinflussung der anhand des Energiequellenmodells berechneten Stellwerte für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module. Die Vorsteuerung umgeht also den Regler im Rahmen des Energiequellenmodells, wie dies allgemein typisch ist für Vorsteuerungen. Dadurch wird das Führungsverhalten verbessert, genau wie die Dynamik der Stromregelung. Die mit der messtechnischen Erfassung der ermittelten Ist-Ströme einhergehenden Effekte (Aufwand, Latenzen) bleiben davon jedoch unberührt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor beschriebene Testanordnung zum Test eines leistungselektronischen Steuergeräts so weiterzubilden, dass die Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module schneller und einfacher geregelt werden können.
• Die zuvor hergeleitete Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Testanordnung dadurch gelöst, dass die Steuervorrichtung aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module zumindest die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module zur Verwendung für die Vorsteuerung berechnet. Die elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module sind gleichzeitig die elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse des zu testenden leistungselektronischen Steuergeräts. Die Erfindung nutzt den Umstand, dass das zu testende Steuergerät ein n-Pol ist mit einer Stromsumme von null an seinen Anschlüssen. Die Bedingung für eine Stromsumme von null gilt demzufolge natürlich auch für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module, die mit den entsprechenden Speiseanschlüssen und Lastanschlüssen des Steuergeräts verbunden sind. Neben einer Stromsumme von null gibt es noch weitergehende elektrotechnische Zusammenhänge, die im Rahmen der Erfindung genutzt werden können. Dies ist beispielsweise der Umstand, dass die speiseseitige Leistung und die lastseitige Leistung am Steuergerät voneinander abhängen, im Wesentlichen nämlich identisch sind, bis auf die Energie, die das Steuergerät selbst verbraucht. Erkenntnis der Erfindung ist jedenfalls, dass die ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module dazu geeignet sind, die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module zu berechnen und diese durch Berechnung ermittelten Ist-Ströme dann für die Vorsteuerung zu verwenden, also um die anhand des Energiequellenmodells berechneten Stellwerte mit den ermittelten Ist-Strömen abzuändern.
• Dadurch kann beispielsweise die messtechnische Ermittlung der ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module entfallen. Dazu kommt, dass sich durch die Berechnung der ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module die durch einen Messvorgang verursachten Latenzen vermeiden lassen, wodurch die Dynamik der speiseseitigen Stromregelung erhöht wird.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Testanordnung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung aus den ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module die lastseitige elektrische Wirkleistung berechnet und aus der lastseitigen elektrischen Wirkleistung die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module berechnet. Wenn die Spannungen und die Ströme der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module bekannt sind, lässt sich die Wirkleistung an der Lastseite berechnen, nämlich anhand von Spannung-Strom-Produkten. Die Berechnung von Wirkleistungen an sich ist bekannt, auch für den Fall nicht-harmonischer Strom- und/oder Spannungsverläufe. Wenn die Wirkleistung dann dividiert wird durch die Spannung zwischen den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module, folgen unmittelbar auf rechnerischem Wege die Werte für die Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module.
• Eine andere Ausgestaltung der Testanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuervorrichtung ein mathematisches Lastmodell einer durch die lastseitigen Leistungselektronik-Module nachzubildenden Last berechnet, aus dem Lastmodell eine Information über die mechanische Leistung der nachgebildeten Last ermittelt und aus der mechanischen Leistung der nachgebildeten Last unter Verwendung des Wirkungsgrads des Steuergeräts die lastseitige elektrische Wirkleistung berechnet. Wie im vorherigen Fall können aus der lastseitigen elektrischen Wirkleistung die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module berechnet werden. Diese rechnerische Ermittlung der ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module hat die gleichen Vorteile wie die zuvor genannte Berechnung aus den ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module. Auch hier ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Steuervorrichtung zur Berechnung der ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module aus der berechneten lastseitigen elektrischen Wirkleistung eine gemessene Spannung zwischen den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module verwendet.
• Alternativ ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung zur Berechnung der ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module aus der berechneten lastseitigen elektrischen Wirkleistung eine mit dem Energiequellenmodell berechnete Spannung zwischen den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module verwendet. Damit ließe sich auch die messtechnische Erfassung der Spannung zwischen den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module ersetzen. Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass das Energiequellenmodell die Informationen über die elektrischen Anschlussgrößen der lastseitigen Leistungselektronik-Module erhält, die auch das lastseitige Lastmodell erhält.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Testanordnung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung sowohl die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module zur Berechnung der Stellwerte für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module mit dem Energiequellenmodell wie auch die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module zur Verwendung mit der Vorsteuerung zur Abänderung der mit dem Energiequellenmodell berechneten Stellwerte aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module berechnet. Wenn diese beiderseitige Verwendung der ermittelten Ist-Ströme ohne Messung erfolgt, kann die messtechnische Erfassung der ermittelten Ist-Ströme vollständig unterbleiben. Diese Vorgehensweise ist gleichzeitig und prinzipbedingt latenzfrei bzw. nur mit minimalen Latenzen in der Signalverarbeitung verbunden.
• Dadurch ist es insgesamt möglich, die speiseseitige Berechnung von Stellgrößen anhand des Energiequellenmodells und die lastseitige Berechnung von Stellgrößen anhand des Lastmodells auf einer gemeinsamen - weil zeitgleich ermittelten - Zeitbasis zu berechnen, und es lassen sich speiseseitig wie lastseitig synchron entsprechende Stellwerte ausgeben und einsetzen. Dadurch wird die Möglichkeit erheblich gesteigert, den Summenstrom an dem zu testenden Steuergerät auf null zu regeln.
• Eine alternative Ausgestaltung der Testanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module zur Berechnung der Stellwerte für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module mit dem Energiequellenmodell messtechnisch bestimmt werden. Dies bietet sich für Testanordnungen an, die schon so eingerichtet sind, dass sie die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module ohnehin schon messtechnisch erfassen und für die die Berechnung der Stellwerte für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module mit dem Energiequellenmodell einsetzen. Hier kann eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens der speiseseitigen Stromregelung aber alleine dadurch erzielt werden, dass erfindungsgemäß die im Rahmen der Vorsteuerung verwendeten ermittelten Ist-Ströme durch Berechnung aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module ermittelt werden. Es gibt hier also auf zweierlei Art ermittelte Ist-Ströme, zum einen durch Messung, zum anderen durch Berechnung.
• Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Testanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
• 1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Testanordnung mit einer Vorsteuerung der speiseseitigen Leistungselektronik-Module unter Verwendung von speiseseitig messtechnisch ermittelten Ist-Strömen an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module,
• 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Testanordnung mit einer Vorsteuerung, bei der die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module berechnet werden aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module, nämlich anhand der lastseitigen elektrischen Wirkleistung,
• 3 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Testanordnung mit einer Vorsteuerung, bei der die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module berechnet werden aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module, nämlich anhand der im Lastmodell berechneten mechanischen Leistung der simulierten Last,
• 4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Testanordnung mit einer Vorsteuerung, bei der die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module berechnet werden aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module und aus der berechneten Spannung zwischen den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module und
• 5 schematisch ein letztes Ausführungsbeispiel der Testanordnung mit einer Vorsteuerung, bei der die ermittelten Ist-Ströme an den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module berechnet werden aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module, wobei auch mit gemessenen Strömen in den Lastanschlüssen der speiseseitigen Leistungselektronik-Module gearbeitet wird.
• In den 1 bis 5 ist jeweils eine Testanordnung 1 zum Test eines leistungselektronischen Steuergeräts 2 gezeigt. Das Steuergerät 2 ist nicht Bestandteil der Testanordnung 1, die Testanordnung 1 kann aber nur sinnvoll beschrieben werden, wenn der Verwendungsfall der Testanordnung 1 im Zusammenhang mit einem leistungselektronischen Steuergerät 2 erläutert wird.
• Das Steuergerät 2 weist Speiseanschlüsse 3 zur Energiespeisung und Lastanschlüsse 4 zur Ansteuerung einer elektrischen Last auf. Im realen Einsatz des leistungselektronischen Steuergeräts 2, der hier nicht dargestellt ist, also der Einsatz des Steuergeräts 2 nicht im Zusammenhang mit der Testanordnung 1, würden die Speiseanschlüsse 3 beispielsweise mit einer Batterie 3 verbunden sein und die Lastanschlüsse 4 beispielsweise mit den Anschlüssen eines elektrischen Antriebs, zum Beispiel eines Asynchronmotors. In allen dargestellten Ausführungsbeispielen ersetzt die Testanordnung 1 dieses Umfeld des leistungselektronischen Steuergeräts 2, um dem Steuergerät 2 eine echte Arbeitsumgebung vorzutäuschen. Die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen demnach Hardware-in-the-Loop-Testszenarien.
• Jedes Leistungselektronik-Modul 5 weist Speiseanschlüsse 6 zur Energiespeisung, wenigstens einen Lastanschluss 7 zur Bereitstellung wenigstens einer elektrischen Anschlussgröße und eine Schnittstelle 8 zur Ansteuerung des Leistungselektronik-Moduls 5 auf.
• Im einsatzfähigen Zustand der Testanordnung 1, also mit vorhandenem leistungselektronischen Steuergerät 2, wie in den Figuren dargestellt, treten an die Stelle der „echten“ Energiequelle (zum Beispiel Batterie) und an die Stelle der „echten“ Last (beispielsweise Asynchronmotor) jeweils Leistungselektronik-Module 5. Im einsatzfähigen Zustand der Testanordnung 1 sind also die Speiseanschlüsse 3 des Steuergeräts 2 jeweils mit dem Lastanschluss 7 eines speiseseitigen Leistungselektronik-Moduls 5 zur Bereitstellung einer gewünschten elektrischen Anschlussgröße an den Speiseanschlüssen 3 des Steuergeräts 2 verbunden. Ebenso sind im einsatzfähigen Zustand der Testanordnung 1 die Lastanschlüsse 4 des Steuergeräts 2 jeweils mit dem Lastanschluss 7 eines lastseitigen Leistungselektronik-Moduls 5 zur Bereitstellung einer Anschlussgröße an den Lastanschlüssen 4 des Steuergeräts 2 verbunden.
• In den Ausführungsbeispielen sind die Speiseanschlüsse 6 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 und die Speiseanschlüsse 6 der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 über ein elektrisches Zwischennetz 9 miteinander verbunden, sie stehen also galvanisch miteinander in Verbindung. Diese Ausführung der Testanordnung 1 hat den Vorteil, dass über das elektrische Zwischennetz 9 elektrische Energie zwischen den speiseseitigen und lastseitigen Leistungselektronik-Modulen 5 ausgetauscht werden kann, sodass von extern, also über die angedeutete externe Energieversorgung 10, nur die Energie nachgespeist werden muss, die für den reinen Betrieb der Testanordnung 1 und des Steuergeräts 2 gebraucht wird, es muss aber nicht ständig die elektrische Energie von extern in die Testanordnung 1 eingespeist werden, die im echten Anwendungsfall von der elektrischen Last verbraucht würde. Auf das elektrische Zwischennetz 9 kommt es hier jedoch nicht an, die Ausführungsbeispiele wären genauso denkbar ohne das Zwischennetz 9.
• Die Schnittstellen 8 der speiseseitigen und der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 werden von wenigstens einer Steuervorrichtung 11 zumindest mittelbar mit Stellwerten beaufschlagt, wobei die Steuervorrichtung 11 zur Einstellung von Soll-Strömen an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 mithilfe eines mathematischen Energiequellenmodells 12 und unter Verwendung von ermittelten Ist-Strömen i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 die Stellwerte i_t für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 berechnet. Die berechneten Stellwerte i_t werden durch eine Vorsteuerung 14 unter Verwendung der ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 abgeändert. Diese Maßnahme dient der Verbesserung des Führungsverhaltens und der Dynamik der speiseseitigen Stromregelung. Die Schnittstellen 8 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 werden mit den abgeänderten berechneten Stellwerten i'_t beaufschlagt. Weil es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die Vorsteuerung 14 ankommt, ist speiseseitig in den Figuren deutlich gemacht, dass jedes speiseseitige Leistungselektronik-Modul 5 separat mit den abgeänderten berechneten Stellwerten i'_t an seiner Schnittstelle 8 beaufschlagt wird. Diese Unterscheidung ist lastseitig zeichnerisch nicht gemacht worden zur Wahrung einer besseren Übersichtlichkeit; die lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 werden also üblicherweise mit einer separaten Vorgabe für den einzustellenden Strom beaufschlagt. Über die eine dargestellte Signallinie zwischen dem mathematischen Lastmodell 13 und den Schnittstellen 8 der drei lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 kann also jedes der drei lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 separat angesteuert werden.
• Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet mit durch Messung ermittelten Ist-Strömen i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5, die in 1 deshalb mit i_a_m bezeichnet sind. Die Messung der ermittelten Ist-Ströme i_a (i_a_m) ist mit gerätetechnischem Aufwand verbunden und geht stets mit Signalverzögerungen einher (Abtastung, Filterung), die sich nachteilig auf die Schnelligkeit der Stromregelung auswirken.
• Den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 bis 5 ist gemein, dass die Steuervorrichtung 11 aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen iu_l der Lastanschlüsse 7 der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 zumindest die ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 zur Verwendung für die Vorsteuerung 14 berechnet. In den Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den ermittelten elektrischen Anschlussgrößen iu_l der Lastanschlüsse 7 der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 um gemessene Spannungen an den Lastanschlüssen 7 der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 und vorgegebene Ströme für die lastseitigen Leistungselektronik-Module 5. Es sind auch andere Konstellationen denkbar, beispielsweise gemessene Spannungen zwischen den Lastanschlüssen 7 oder gemessene Ströme durch die lastseitigen Leistungselektronik-Module 5. Durch diese Maßnahme kann die messtechnische Ermittlung der ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 entfallen. Dadurch lassen sich auch die durch einen Messvorgang verursachten Latenzen vermeiden, wodurch die Dynamik der speiseseitigen Stromregelung erhöht wird.
• Bei der Testanordnung 1 gemäß 2 berechnet die Steuervorrichtung 11 aus den ermittelten elektrischen Anschlussgrößen iu_l der Lastanschlüsse 7 der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 die lastseitige elektrische Wirkleistung Pw. Aus der lastseitigen elektrischen Wirkleistung Pw werden die ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 berechnet und für die Vorsteuerung 14 verwendet.
• Die Testanordnung 1 gemäß 3 zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuervorrichtung 11 ein mathematisches Lastmodell 13 einer durch die lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 nachzubildenden Last berechnet und aus dem Lastmodell 13 eine Information über die mechanische Leistung Pm der nachzubildenden Last ermittelt. Aus der mechanischen Leistung Pm der nachzubildenden Last und einer Information über den Wirkungsgrad eta_d des Steuergeräts 2 wird dann die lastseitige elektrische Wirkleistung Pw berechnet. Aus der lastseitigen elektrischen Wirkleistung Pw berechnet die Steuervorrichtung 11 die ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5. Diese Variante ist vorteilhaft, weil viele Lastmodelle 13 ohnehin die momentane lastseitige mechanische Leistung Pm berechnen, die Information also vorhanden und ohne Mehraufwand verfügbar ist.
• Bei den Testanordnungen 1 gemäß den 2, 3 und 5 verwendet die Steuervorrichtung 11 zur Berechnung der ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 aus der berechneten lastseitigen elektrischen Wirkleistung Pw zusätzlich eine gemessene Spannung u_m zwischen den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5. Dies ist sinnvoll, weil die elektrische Wirkleistung stets unter Verwendung von Spannungen und Strömen als Anschlussgrößen berechnet wird.
• Die Testanordnung 1 gemäß 4 geht etwas anders vor, hier verwendet die Steuervorrichtung 11 zur Berechnung der ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 aus der berechneten lastseitigen elektrischen Wirkleistung Pw zusätzlich eine mit dem Energiequellenmodell 12 berechnete Spannung u_m_calc zwischen den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5. In einer nicht dargestellten Ausgestaltung werden zur Berechnung der Spannung u_m_calc insbesondere auch die ermittelten elektrischen Anschlussgrößen iu_l der Lastanschlüsse 7 der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 herangezogen.
• Bei den Testanordnungen 1 gemäß den 2 bis 4 berechnet die Steuervorrichtung 11 die ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 zur Berechnung der Stellwerte i_t für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 mit dem Energiequellenmodell 12. Die Steuervorrichtung 11 berechnet auch die ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 zur Verwendung mit der Vorsteuerung 14, also zur Abänderung der mit dem Energiequellenmodell 12 berechneten Stellwerte i_t zu den abgeänderten Stellwerten i'_t. In beiden Fällen erfolgt die Berechnung anhand ermittelter elektrischer Anschlussgrößen iu_l der Lastanschlüsse 7 der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5. Diese Vorgehensweise ist prinzipbedingt latenzarm, da die sonst durch eine Messung hervorgerufenen Verzögerungen entfallen.
• Die Testanordnung 1 gemäß 5 weist die Besonderheit auf, dass die ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 zur Berechnung der Stellwerte i_t für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 mit dem Energiequellenmodell 12 messtechnisch bestimmt werden, weshalb sie in 5 mit i_a_m bezeichnet sind. Der Weg ist hier beschritten worden, weil die Testanordnung 1 schon so eingerichtet war, dass sie die ermittelten Ist-Ströme i_a an den Lastanschlüssen 7 der speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 messtechnisch erfasst und für die die Berechnung der Stellwerte i_t für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module 5 mit dem Energiequellenmodell 12 einsetzt. Gleichwohl kann eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens der speiseseitigen Stromregelung erzielt werden, indem die im Rahmen der Vorsteuerung 14 verwendeten ermittelten Ist-Ströme i_a (in 5 mit i_a_calc bezeichnet zur Unterscheidung von i_a_m) durch Berechnung aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen iu_l der Lastanschlüsse 7 der lastseitigen Leistungselektronik-Module 5 ermittelt werden.
• Bezugszeichen

1

Testanordnung

2

leistungselektronisches Steuergerät

3

Speiseanschlüsse des Steuergeräts

4

Lastanschlüsse des Steuergeräts

5

Leistungselektronik-Modul

6

Speiseanschlüsse des Leistungselektronik-Moduls

7

Lastanschlüsse des Leistungselektronik-Moduls

8

Schnittstelle des Leistungselektronik-Moduls

9

elektrisches Zwischennetz

10

externe Energieversorgung

11

Steuervorrichtung

12

mathematisches Energiequellenmodell

13

mathematisches Lastmodell

14

Vorsteuerung

i_a

ermittelte Ist-Ströme

i_a_m

ermittelte Ist-Ströme durch Messung

i_a_calc

ermittelte Ist-Ströme durch Berechnung

i_t

berechneter Stellwert

i'_t

abgeänderter berechneter Stellwert

u_m

gemessene Spannung

u_m_calc

berechnete Spannung

Pw

elektrische Wirkleistung lastseitig

Pm

mechanische Leistung

eta_d

Wirkungsgrad des Steuergerätes

iu_l

Anschlussgrößen der Lastanschlüsse der lastseitigen Leistungselektronik-Module

Claims (7)

1. Testanordnung (1) zum Test eines leistungselektronischen Steuergeräts (2), wobei das Steuergerät (2) Speiseanschlüsse (3) zur Energiespeisung und Lastanschlüsse (4) zur Ansteuerung einer elektrischen Last aufweist, mit einer Mehrzahl von Leistungselektronik-Modulen (5), wobei jedes Leistungselektronik-Modul (5) Speiseanschlüsse (6) zur Energiespeisung, wenigstens einen Lastanschluss (7) zur Bereitstellung wenigstens einer elektrischen Anschlussgröße und eine Schnittstelle (8) zur Ansteuerung des Leistungselektronik-Moduls (5) aufweist, wobei im einsatzfähigen Zustand der Testanordnung (1) die Speiseanschlüsse (3) des Steuergeräts (2) jeweils mit dem Lastanschluss (7) eines speiseseitigen Leistungselektronik-Moduls (5) verbunden sind und die Lastanschlüsse (4) des Steuergeräts (2) jeweils mit dem Lastanschluss (7) eines lastseitigen Leistungselektronik-Moduls (5) verbunden sind und wobei die Schnittstellen (8) der speiseseitigen und der lastseitigen Leistungselektronik-Module (5) von wenigstens einer Steuervorrichtung (11) zumindest mittelbar mit Stellwerten beaufschlagt werden, wobei die Steuervorrichtung (11) zur Einstellung von Soll-Strömen an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) mithilfe eines mathematischen Energiequellenmodells (12) und unter Verwendung von ermittelten Ist-Strömen (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) die Stellwerte (i_­_t) für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) berechnet und wobei die berechneten Stellwerte (i_­_t) durch eine Vorsteuerung (14) unter Verwendung der ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) abgeändert werden und die Schnittstellen (8) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) mit den abgeänderten berechneten Stellwerten (i'_t) beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (11) aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen (iu_l) der Lastanschlüsse (7) der lastseitigen Leistungselektronik-Module (5) zumindest die ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) zur Verwendung für die Vorsteuerung (14) berechnet.
2. Testanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (11) aus den ermittelten elektrischen Anschlussgrößen (iu_l) der Lastanschlüsse (7) der lastseitigen Leistungselektronik-Module (5) die lastseitige elektrische Wirkleistung (Pw) berechnet und aus der lastseitigen elektrischen Wirkleistung (Pw) die ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) berechnet.
3. Testanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (11) ein mathematisches Lastmodell (13) einer durch die lastseitigen Leistungselektronik-Module (5) nachzubildenden Last berechnet, aus dem Lastmodell (13) eine Information über die mechanische Leistung (Pm) der nachzubildenden Last ermittelt und aus der mechanischen Leistung (Pm) der nachzubildenden Last und einer Information über den Wirkungsgrad (eta_d) des Steuergeräts (2), die lastseitige elektrische Wirkleistung (Pw) berechnet und aus der lastseitigen elektrischen Wirkleistung (Pw) die ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) berechnet.
4. Testanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (11) zur Berechnung der ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) aus der berechneten lastseitigen elektrischen Wirkleistung (Pw) eine gemessene Spannung (u_m) zwischen den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) verwendet.
5. Testanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (11) zur Berechnung der ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) aus der berechneten lastseitigen elektrischen Wirkleistung (Pw) eine mit dem Energiequellenmodell (12) berechnete Spannung (u_m_calc) zwischen den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) verwendet.
6. Testanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (11) sowohl die ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) zur Berechnung der Stellwerte für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) mit dem Energiequellenmodell (12) wie auch die ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) zur Verwendung mit der Vorsteuerung (14) zur Abänderung der mit dem Energiequellenmodell (12) berechneten Stellwerte (i_­_t) aus ermittelten elektrischen Anschlussgrößen (iu_l) der Lastanschlüsse (7) der lastseitigen Leistungselektronik-Module (5) berechnet.
7. Testanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Ist-Ströme (i_a) an den Lastanschlüssen (7) der speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) zur Berechnung der Stellwerte (i_­_t) für die speiseseitigen Leistungselektronik-Module (5) mit dem Energiequellenmodell (12) messtechnisch bestimmt werden.

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