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Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge

Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE), oder gebräuchlicher Ladestationen, sind eine entscheidende Komponente bei der Umstellung von der internen Verbrennung. Die Verfügbarkeit (Betriebszeit und Zuverlässigkeit) von Stationen und die Geschwindigkeit, mit der sie aufladen werden können, sind wichtige Faktoren für die Einführung von Elektrofahrzeugen.

EVSE müssen auch wichtige Normen wie IEC 61851 und SAE J1772 erfüllen.

Ingenieure arbeiten auf Geräte-, Modul- und Systemebene daran, die Ladezeiten bei höheren Ladespannungen zu verkürzen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu verbessern und die Sicherheit zu gewährleisten. Intelligente, flexible Prüflösungen ermöglichen es Entwicklern, Fehler schnell zu beheben und ihre Konstruktionen zu validieren.

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Theorie und Techniken der EVSE-Messung

A block diagram of a DC fast charging station for electric vehicles​

Blockschaltbild der DC-Schnellladestation

EVSE-Technologie

Modernste DC-Schnellladegeräte wandeln 3-phasigen Wechselstrom aus dem Stromnetz in Hochspannungsgleichstrom um. Die Systeme bestehen aus:

  • Leistungsfaktorkorrektur und AC/DC-Wandler
  • DC/DC-Wandler
  • Steuersysteme und Energiemanagement
  • Benutzeroberflächen
  • LAN/Mobilfunk
  • Hochspannungslade- und Kommunikationsanschluss am Fahrzeug

Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) und AC/DC-Umwandlung

Ladestationen, die für den Anschluss an öffentliche Versorgungsunternehmen ausgelegt sind, müssen die Auswirkungen auf das lokale Netz begrenzen, da die Betreiber sonst mit höheren Energiepreisen oder Strafen rechnen müssen. Die meisten Versorgungsunternehmen berechnen einen Leistungsfaktor unter 90 bis 95 %, und viele verlangen die Einhaltung von Oberwellennormen.

Die Eingangsstufen von DC-Schnellladegeräten sind nicht nur für die Umwandlung von 3-phasigem Wechselstrom in Gleichstrom verantwortlich, sondern müssen auch einen hohen Leistungsfaktor und geringe Oberwellenverzerrung bei gleichzeitig hoher Effizienz und Zuverlässigkeit gewährleisten.

Oszilloskopbasierte Systeme mit fortschrittlicher Leistungsanalyse-Software ermöglichen genaue, wiederholbare Messungen, darunter:

A block diagram of a DC fast charging station for electric vehicles​

Die Leistungsfaktorkorrektur am Front-End von Ladegeräten verwendet Schaltungen, um Spannung und Strom auf den Leistungsfaktor Eins auszurichten. Sie glättet auch die Stromaufnahme, um die Oberwellenbelastung des Versorgungsunternehmens zu reduzieren.

Oscilloscope display showing voltage, current and power loss in a MOSFET

Detaillierte Messungen der Schaltverluste quantifizieren die Verluste in FETs und IGBTs in Leistungsumwandlungsschaltungen. ​​

DC/DC-Wandler und Gate-Treiber

Hochleistungs-DC/DC-Wandler sorgen für eine Isolierung zwischen dem PFC-Block und der Spannungsregelung für den Ladeanschluss des Fahrzeugs. Hochfrequenztransformatoren werden häufig zur Isolierung und als Energiespeicher eingesetzt. Neue Designs können schnelle SiC-MOSFETs verwenden, um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte zu erhöhen.

Die schnellen Schaltgeschwindigkeiten und die Spannungspegel von SiC-MOSFETs stellen die Messung aufgrund der hohen Bandbreite und der Gleichtaktspannungen vor Herausforderungen. Oszilloskope mit optisch isolierten Tastköpfen und Analysesoftware liefern genaue Messungen auch bei hohen Anstiegsraten und hohen Gleichtaktspannungssignalen. Hierzu gehören:

Steuersysteme und Energiemanagement

Eingebettete Controller sind die Köpfe hinter dem Ladevorgang. Während des Ladevorgangs übernehmen sie die Kommunikation mit dem Fahrzeug, regeln den Stromfluss und überwachen die Sicherheitsbedingungen. Außerdem kommunizieren sie mit der Benutzeroberfläche und digitalen Netzwerken.

Zu diesen Subsystemen gehören in der Regel Prozessoren oder FPGAs, Taktgeber, Stromschienen, Speichersysteme und Kommunikations-ICs, die häufig mit GHz-Signalen mit geringer Amplitude arbeiten. Da diese Systeme in rauen physikalischen und elektrischen Umgebungen betrieben werden, erfordern sie eine hohe Störfestigkeit und Leistungsintegrität.

Zu den wichtigsten Messungen für Validierung und Debugging dieser Systeme gehören:

Oscilloscope waveforms showing noise on power rails​

Welligkeitsmessungen quantifizieren Rauschen in Leistungsschienen.

A Tesla (NACS) electric vehicle charging plug showing power connections, communications and protective earth.

EV-Schnittstellen verwenden mindestens zwei große Stifte für die Stromversorgung und die Schutzerde. Kleinere Stifte werden für die Kommunikation verwendet und können Control Pilot (CP), Proximity Pilot (PP) oder Controller Area Network (CAN) sein.​

Fahrzeugschnittstelle

Eine zuverlässige Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Akkumanagementsystem des Fahrzeugs ist entscheidend, um den Ladevorgang zu steuern und die Sicherheit zu gewährleisten.

Ladegeräte, die der IEC61851 entsprechen, verfügen über ein Steuerpilotsignal (CP-Signal). Das Tastverhältnis des CP-Signals überträgt den maximal verfügbaren Strom von der EVSE an das Elektrofahrzeug. Dieses Signal kann mit einem Oszilloskop verifiziert werden. Diese Leitung kann auch von der Powerline-Schnittstelle (PLC) für die Kommunikation während des Ladevorgangs überlagert werden. Einige Schnittstellen basieren auf seriellen Daten, die über CAN für die Kommunikation zwischen der EVSE und dem Elektrofahrzeug übertragen werden.

In beiden Fällen sind Oszilloskope von unschätzbarem Wert, um die Signalqualität im gesamten System zu prüfen und nach Dämpfung, Rauschen und fehlerhaften Abschlüssen zu suchen. Die meisten Oszilloskope von Tektronix können mit CAN-Bus-Dekodierung und -Triggerung ausgestattet werden, um Transaktionen anzuzeigen, die mit anderen Aktivitäten auf Systemebene synchronisiert sind.

Neben der Datenkommunikation muss die Ladeschnittstelle Strom und Spannung innerhalb der vorgegebenen Grenzen halten. Beispielsweise muss das Ladegerät die Auswirkungen von Netzspannungsänderungen, Überspannungen und Einbrüchen am Gleichstromausgang des Fahrzeugs auf bestimmte Werte und eine bestimmte Dauer begrenzen.

Dies umfasst die folgenden wichtigen Messungen:

  • Integrität/Rauschen des Kommunikationssignals
  • Tastverhältnis des DP-Signals
  • System-Timing
  • Rauschen am DC-Ausgang
  • Ausgangsregelung

Benutzeroberfläche und Netzwerkkommunikation

Geräte mit Benutzerschnittstelle werden häufig über serielle Standardbusse wie RS-232, SPI oder USB an das Steuersystem angeschlossen. Die Netzwerkkommunikation liefert wichtige Informationen sowohl für die Betreiber als auch für die Nutzer von Ladestationen. Oszilloskope und aktive Tastköpfe eignen sich gut, um die Signale und das Timing von Benutzerschnittstellenverbindungen, LAN und drahtloser Kommunikation auszuwerten. Tektronix Oszilloskope unterstützen die Dekodierung auf über 25 seriellen Bussen von RS-232 bis hin zu drahtlosen NFCs.

Dies umfasst die folgenden wichtigen Messungen:

CAN serial bus decoded on an oscilloscope display​

Die CAN-Bus-Dekodierung kann verwendet werden, um die Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Elektrofahrzeug anzuzeigen.​​

Referenzlösung für EVSE-Prüfungen

Diese Ausgangskonfiguration kann an Ihre Anforderungen angepasst werden.

Gerät/Tastkopf/Option Menge Beschreibung
EA 10000 Series 1 Bidirectional DC power supply and battery simulator
MSO56B 1 5 MSO der Serie B mit 6 Eingangskanälen
Opt. 5-BW-500 1 500 MHz Bandbreite
Opt. 5-SRAUTO 1 CAN, CAN-FD, LIN, FlexRay-Busdekodierung und -Triggerung
Opt. 5-PWR 1 Leistungsmessung und -analyse
Opt. 5-SV-RFVT 1 Spektrumansicht HF- vs. Zeitverläufe und Trigger für die EMI/EMV-Fehlerbehebung
TCP0030A 2 Zwei Stromtastköpfe
TMDP0200 oder THDP0200 2 Zwei Hochspannungs-Differentialtastköpfe
TLP58 1 8-Kanal-Logiktastkopf für Protokoll- und gemischte Signalanalyse
TPP0500B 1 Sechs passive Spannungstastköpfe für Spannung (im Lieferumfang des Oszilloskops enthalten)
Keithley DMM6500 1 6,5-stelliges Multimeter für Präzisionsmessungen

FAQs – Häufig gestellte Fragen

Warum ist es wichtig, die Kommunikation zwischen EV- und EVSE-Systemen zu prüfen?​

  • Verbessertes Benutzererlebnis: Effektive Kommunikationsprüfungen stellen sicher, dass Elektrofahrzeuge (EV) und Ladestationen nahtlos interagieren können und den Besitzern von Elektrofahrzeugen ein reibungsloses und problemloses Ladeerlebnis bieten. Dies ist entscheidend für die Zufriedenheit der Nutzer und das Vertrauen in die Ladeinfrastruktur.
  • Sicherheit und Zuverlässigkeit: Kommunikationsprüfungen helfen dabei, potenzielle Sicherheitsprobleme und Schwachstellen im Ladesystem zu erkennen und zu beheben. Durch die Identifizierung und Minderung von Risiken trägt dies zur allgemeinen Sicherheit und Zuverlässigkeit der Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen bei.
  • Interoperabilität: Interoperabilitätsprüfungen stellen sicher, dass verschiedene EV-Modelle und Ladestationen effektiv kommunizieren können. Dies ist entscheidend für die Schaffung eines offenen und zugänglichen Ökosystems für das Laden von Elektrofahrzeugen, in dem die Nutzer aus verschiedenen Ladeoptionen wählen können.
  • Einhaltung von Standards: Viele Länder und Regionen haben spezifische Standards für Kommunikationsprotokolle beim Laden von Elektrofahrzeugen. Durch die Einhaltung dieser Standards durch Prüfungen können Ladesysteme die gesetzlichen Anforderungen erfüllen.

Welche gängigen Prüfungen werden zur Überprüfung von Leistungswandlern durchgeführt?​

  • Effizienzprüfung: Stromrichter und PV-Wechselrichter werden auf ihren Wirkungsgrad getestet, wodurch beurteilt wird, wie effektiv sie elektrische Energie umwandeln. Ein hoher Wirkungsgrad ist unerlässlich, um Energieverschwendung zu reduzieren und eine optimale Systemleistung zu gewährleisten.
  • Sicherheitsprüfungen: Bei Sicherheitsprüfungen werden Leistungsblöcke auf potenzielle Risiken wie Überhitzung, Kurzschlüsse oder elektrische Fehler untersucht. Die Gewährleistung der Sicherheit dieser Komponenten ist entscheidend, um Unfälle und Systemausfälle zu vermeiden.
  • Leistungsvalidierung: Bei Leistungsprüfungen wird die Fähigkeit der Leistungsblöcke bewertet, unter verschiedenen Bedingungen zu arbeiten, einschließlich Lastschwankungen und Umgebungsfaktoren. Dies trägt dazu bei, eine zuverlässige und konsistente Leistung zu gewährleisten.
  • Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV): Bei der EMV-Prüfung wird geprüft, ob Leistungsblöcke elektromagnetische Störungen aussenden und gegen äußere Störungen immun sind. Die Einhaltung der EMV-Normen ist für einen störungsfreien Betrieb in Gegenwart anderer elektronischer Geräte unerlässlich.
  • Bestimmung des Temperaturprofils: Die Überwachung der Temperatur ist unerlässlich, um eine Überhitzung zu verhindern, die zur Beschädigung von Bauteilen führen kann. Mithilfe der Bestimmung des Temperaturprofils werden potenzielle thermische Probleme identifiziert und der sichere Betrieb aufrechterhalten.

What are the applications of EVSE test equipment?

  • Conformance Verification: EVSE test equipment is used to rigorously validate the conformance of electric vehicle supply equipment (EVSE) with international charging standards. This involves evaluating grid interaction, communication protocols, voltage levels and current levels, as well as compliance with safety standards.
  • Interoperability Evaluation: The test equipment is also used to assess the compatibility between various EV models and charging stations. Interoperability testing is crucial to ensure seamless communication and reliable charging experiences for all users.
  • Safety Assurance: Safety tests are conducted to test systems that protect users and equipment from shock or damage, including isolation, grounding and ground fault interrupters such as RCDs or GFCIs.
  • Performance Optimization: EVSE test equipment aids in optimizing the performance of charging stations. Engineers utilize these tools to improve efficiency and reduce charging times, while ensuring safety and reliability.

How is EVSE testing equipment used in Research and Development?

During the EVSE design process engineers use test equipment to bring up and validate subsystems and the system as a whole:

  1. Simulate Various Charging Scenarios: The engineer would use the EVSE testing equipment to simulate various charging scenarios, mimicking different vehicle types and charging conditions.
  2. Monitor Communication: They would monitor the communication between the EVSE and the simulated vehicle, checking for any irregularities in the signal integrity or timing.
  3. Measure Power Output: The engineer would also measure the power output under different load conditions, ensuring that the EVSE can deliver the required power safely and efficiently.
  4. Debugging and Validation: Designers use test equipment during the design process to bring up prototypes and validate the performance of new products.
  5. Verify Reliability: Finally, engineers would verify that the charging station can reliably serve a wide range of electric vehicles under a variety of environmental conditions.

Was sind die typischen Messungen im Bereich von Leistungselektronik und EV-Systemen?​

  • Spannungsmessungen: Spannungsmessungen sind für die Beurteilung des elektrischen Potenzials in Leistungselektronik- und EV-Systemen unerlässlich. Sie vermitteln Einblicke in das Verhalten elektrischer Schaltkreise und stellen sicher, dass diese innerhalb sicherer Spannungsgrenzen arbeiten.
  • Strommessungen: Strommessungen messen den Fluss elektrischer Ladung in Leistungselektronik- und EV-Systemen. Genaue Strommessungen sind für die Überwachung des Stromverbrauchs und die Gewährleistung der Sicherheit elektrischer Komponenten entscheidend.
  • Temperaturüberwachung: Die Temperaturüberwachung ist von entscheidender Bedeutung, um Überhitzung zu verhindern und die Langlebigkeit von Leistungselektronik und Batteriesystemen in Elektrofahrzeugen zu gewährleisten. Sie trägt zur Aufrechterhaltung eines sicheren und effizienten Betriebs bei.
  • Leistungsfaktoranalyse: Die Messungen von Leistungsfaktoren (PF) bewerten den Wirkungsgrad der elektrischen Energieumwandlung in der Leistungselektronik. Ein hoher Leistungsfaktor weist auf eine effiziente Energienutzung hin, wodurch Abfall und Energiekosten reduziert werden.
  • Oberwellenanalyse: Oberwellen sind unerwünschte Verzerrungen in elektrischen Wellenformen, die die Systemleistung beeinträchtigen können. Die Oberwellenanalyse hilft dabei, diese Verzerrungen zu identifizieren und zu mindern, um die Netzqualität aufrechtzuerhalten.
  • Effizienzmessungen: Effizienzmessungen bewerten, wie effektiv Energie in Leistungselektronik- und EV-Systemen umgewandelt und genutzt wird. Ein hoher Wirkungsgrad ist unerlässlich, um Energieverschwendung zu reduzieren und kostengünstig zu arbeiten.
  • Spannungswelligkeit: Spannungswelligkeit oder -schwankungen können den Betrieb empfindlicher Elektronik beeinträchtigen. Die Überwachung und Minimierung der Welligkeit ist wichtig, um eine stabile und zuverlässige Systemleistung zu gewährleisten.
  • Messungen des Ladezustands: Messungen des Ladezustands (State of Charge, SoC) sind insbesondere für das Batteriemanagement in Elektrofahrzeugen relevant. Sie ermitteln die in der Batterie verfügbare Energie, ermöglichen eine genaue Reichweitenschätzung und verhindern eine Tiefentladung.
  • Messung der DC-Bus-Spannung: Die Überwachung der DC-Bus-Spannung gewährleistet die Systemstabilität und schützt kritische Komponenten wie Wechselrichter und Stromrichter. Sie ist für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb entscheidend.
  • Überwachung des Energieverbrauchs: Die Messung des Energieverbrauchs gibt Aufschluss darüber, wie effizient Energie genutzt wird, und ermöglicht so Optimierungen und Kosteneinsparungen in EV- und Leistungselektronikanwendungen. Sie hilft dabei, den Energieverbrauch effizient zu verwalten und Bereiche mit Verbesserungspotenzial zu identifizieren.
  • Isolationsprüfung: Isolationsprüfungen gewährleisten die elektrische Sicherheit und helfen, elektrische Gefahren zu vermeiden. Sie bestätigen, dass Stromkreise und Komponenten ordnungsgemäß isoliert und frei von potenziellen Fehlern sind, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

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MSO (Mixed-Signal-Oszilloskop) der Serie 5 B

Das MSO der Serie 5 ist ein Mixed-Signal-Oszilloskop mit einem hochauflösenden Touchscreen-Display, bis zu 8 Eingängen, 12-Bit-Analog-Digital-Wandler und einer Bandbreite von bis zu 2 GHz.

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Keithley 6500 series

Elektrometer der Keithley-Serie 6500 und 6430

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Keithley DMM7510: Đồng Hồ Vạn Năng Lấy Mẫu Đồ Họa 7.5 Chữ Số

7,5-stelliges grafisches Abtastmultimeter DMM7510 von Keithley

  • 0,0014  % Gleichspannungsgenauigkeit (auf ein Jahr)
  • Digitalisierer mit 1.000.000 Messwerten/s
  • Touchscreen-Anzeige
2470 SMU front image for product series

Grafische Touchscreen-SMU-Serie 2400 von Keithley

  • Forschung über nanostrukturierte Materialien
  • Leistungshalbleiter GaN, SiC
  • Entwicklung von Biosensoren
  • Halbleiter-Gerätedesign
  • Entwicklung von Fahrzeugsensoren

EA 10000 series DC Power Supplies

  • Power (wattage)
  • Max Voltage and current
  • Autoranging for max power across a range of voltages
  • Constant V/I/P/R modes
  • Built-in function generator