EV DC/DC Convertoren en tractie omvormer
3.1 Overzicht AC-DC, DC-DC en DC-AC omvormers
In een elektrisch voertuig (EV) zijn er naast de On-Board Charger (OBC) verschillende soorten omvormers aanwezig die elk een specifieke functie vervullen binnen het energiebeheer en de aandrijving van het voertuig. Een van de belangrijkste omvormers is de tractie-omvormer (of inverter voor de aandrijflijn). Deze zet de gelijkstroom (DC) afkomstig van het batterijpakket om in wisselstroom (AC) om de elektromotor(en) aan te drijven. Afhankelijk van het type motor – zoals een driefasige inductiemotor of een permanent-magneet-synchroonmotor – genereert deze omvormer een nauwkeurige, variabele AC-spanning en frequentie om het koppel en toerental van de motor te regelen.
Daarnaast is er de DC/DC-converter, die de hoge spanning van het tractiebatterijsysteem (bijvoorbeeld 400 V of 800 V) omzet naar een lagere spanning (vaak 12 V of 48 V) voor het voeden van de conventionele elektrische systemen in de auto, zoals verlichting, infotainment, airco en ECU’s. In moderne EV’s kan deze converter ook bi-directioneel zijn, zodat de 12V-accu in noodgevallen door de hoogspanningsbatterij kan worden bijgeladen.
Verder kunnen er in sommige EV’s nog auxiliaire omvormers aanwezig zijn, bijvoorbeeld voor het aansturen van elektrische hulpcomponenten zoals elektrische aircocompressoren, elektrische stuurbekrachtiging of actieve chassiscomponenten. Deze systemen vereisen vaak specifieke spanningsniveaus en worden gevoed via speciale omvormers die nauwkeurig afgestemd zijn op hun belasting.
In high-performance of geavanceerde EV’s, vooral die met meerdere aandrijfeenheden (zoals bij vierwielaandrijving met onafhankelijke voor- en achterassen), zijn er vaak meerdere tractie-omvormers aanwezig – één per motor – om een nauwkeurige torque vectoring te kunnen uitvoeren. Elk van deze omvormers functioneert zelfstandig maar communiceert met de centrale regeleenheid om een optimale rijdynamiek te garanderen.
3.2 De tractie omvormer AC-DC en DC-AC testen
De tractie-omvormer, ook wel aandrijf inverter genoemd, is een cruciaal onderdeel in een elektrisch voertuig (EV), omdat deze verantwoordelijk is voor de directe aansturing van de elektromotor(en). De batterij van een EV levert gelijkstroom (DC), terwijl de meeste tractiemotoren wisselstroom (AC) nodig hebben om goed te functioneren. De taak van de tractie-omvormer is dan ook om deze DC-energie efficiënt om te zetten in een nauwkeurig gecontroleerde AC-spanning en -frequentie, afgestemd op de rijomstandigheden en de vereiste motorprestaties.
De omvormer bestaat meestal uit een drietal hoofdonderdelen: een vermogenselektronica-gedeelte, een aansturings- of besturingsmodule, en een koelsysteem.
- Het vermogensgedeelte bevat halfgeleidercomponenten zoals IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistors) of steeds vaker SiC-MOSFET’s (Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), die zorgen voor het schakelen van hoge stromen op hoge snelheid met minimale verliezen.
- De aansturingselektronica bepaalt hoe deze schakelingen verlopen en regelt daarmee het koppel, toerental en draairichting van de motor. Geavanceerde regelalgoritmes (zoals vectorcontrole of directe koppelregeling) zorgen ervoor dat de motor soepel, krachtig en efficiënt werkt.
- Omdat bij het schakelen warmte ontstaat, is een efficiënt koelsysteem (meestal vloeistof gekoeld) essentieel om oververhitting te voorkomen en de levensduur van de componenten te garanderen.
De tractie-omvormer speelt ook een rol bij regeneratief remmen. Hierbij wordt de functie omgekeerd: de elektromotor fungeert tijdelijk als generator en zet bewegingsenergie om in elektrische energie, die via de omvormer weer in de hoogspanningsbatterij wordt opgeslagen.
Het testen van de tractie controller gebeurt onder gecontroleerde omstandigheden, zonder dat daarbij een echte tractiebatterij of voertuig nodig is. Aan de linkerkant van de opstelling bevindt zich een batterijsimulator, zoals een ITECH IT6000C, die een stabiele hoogspanningsgelijkstroom levert – in dit voorbeeld 800 volt – om de accu van het voertuig na te bootsen.
De omvormer zet deze DC-spanning om naar een nauwkeurig geregelde wisselspanning, waarmee de elektrische aandrijfmotor wordt aangestuurd. Tijdens de test wordt een echte elektromotor aangesloten, of soms een motoremulator, zodat het gedrag van de omvormer onder verschillende belasting toestanden realistisch kan worden beoordeeld.
Deze configuratie maakt het mogelijk om de werking van de omvormer te analyseren bij verschillende spanningsniveaus en belastingcondities, inclusief het testen van vermogensverliezen, temperatuurgedrag, en de prestaties van de motor aansturingsalgoritmes. Ook regeneratief remmen kan worden gesimuleerd, waarbij de omvormer energie terug levert aan de batterijsimulator. Hierbij is het belangrijk dat er een regeneratieve bi-directionele DC bron wordt gebruikt die ook energie kan absorberen en terug het net kan opsturen.
3.3 DC/DC convertoren testen
De DC/DC-convertoren in een elektrisch voertuig (EV) zijn een essentieel onderdeel dat de verbinding vormt tussen het hoogspanningssysteem van het batterijpack en het traditionele laagspanningsboordnet van de auto. Waar het batterijsysteem spanningen levert van typisch 400 volt of zelfs 800 volt bij moderne EV’s, werken veel conventionele voertuigsystemen – zoals verlichting, infotainment, sensoren, airconditioningbediening, ruitenwissers en de regeleenheden (ECU’s) – nog steeds op 12 en 24 volt (of in sommige gevallen op 48 volt). De DC/DC-converter zorgt ervoor dat deze systemen veilig en betrouwbaar worden gevoed.
Deze converter is in feite een elektronische spanningsomvormer die gelijkstroom op hogere spanning omzet naar gelijkstroom op lagere spanning, met een hoge efficiëntie en nauwkeurige regeling. Binnenin de DC/DC-converter bevindt zich doorgaans een combinatie van schakelaars (zoals MOSFET’s), een transformator of spoel voor energieoverdracht, en een regelcircuit dat continu de uitgangsspanning en -stroom bewaakt en bijstuurt.
Een bijkomende taak van de DC/DC-converter is het opladen van de 12V-accu in het voertuig. Hoewel deze lood- of lithiumbatterij veel kleiner is dan het hoogspanningspakket, blijft het een belangrijke energiebron, vooral voor het opstarten van het voertuig, het activeren van veiligheidssystemen, en het tijdelijk overbruggen van piekbelastingen of storingen in het hoogspanningscircuit. In die zin vervult de DC/DC-converter een soortgelijk functie als de dynamo in een verbrandingsmotorvoertuig.
In moderne EV-architecturen kan de converter bi-directioneel zijn, wat betekent dat niet alleen energie van hoog naar laag kan worden omgezet, maar ook andersom in specifieke situaties – bijvoorbeeld voor het ondersteunen van de tractiebatterij via een externe lader op 12V-niveau, of voor diagnostische doeleinden.
Afhankelijk van het voertuig kunnen er ook meerdere DC/DC-converters zijn, bijvoorbeeld één voor het 12V-systeem en één voor een 48V-systeem (voor zwaardere elektrische hulpsystemen zoals actieve stabilisatie of luchtvering). In sommige gevallen is de converter geïntegreerd in andere componenten, zoals de OBC of de tractie-omvormer, om ruimte, gewicht en kosten te besparen.
Deze testopstelling is bedoeld voor het testen van DC/DC-converters die in elektrische voertuigen worden gebruikt om hoge spanning om te zetten naar een lagere spanning, of andersom. De converter die centraal staat in deze opstelling (Device Under Test) is aangesloten op zowel een hoogspanningszijde als een laagspanningszijde, waarbij beide kanten gevoed en gemeten worden door programmeerbare vermogenselektronica.
Aan de hoogspanningszijde wordt de DC/DC-converter gevoed door een batterijsimulator die een spanningsniveau van bijvoorbeeld 800 volt of 48 volt levert, afhankelijk van het type converter dat getest wordt. Aan de laagspanningszijde zijn één of meerdere DC bronnen aangesloten die de 12 volt boordsystemen van het voertuig representeren. Deze simulatoren kunnen zowel als belasting fungeren (om de stroomafgifte van de converter te meten), als spanningsbron bij bi-directionele tests.
De opstelling maakt het mogelijk om het gedrag van de DC/DC-converter te analyseren bij verschillende spannings- en stroomcondities, zoals tijdens opstart, bij variabele belasting, of tijdens spanningsschommelingen. Ook de efficiëntie, temperatuurgedrag en stabiliteit van de uitgangsspanning kunnen nauwkeurig worden geëvalueerd. Indien de converter bi-directioneel is, kan er ook getest worden hoe deze energie terugvoert naar de hoogspanningszijde. Hiervoor hebben we dan een bi-directioneel en regeneratieve DC bron voor nodig.
Voor een overzicht van de bi-directionele voedingen / batterij simulatoren binnen het product portfolio van TTMS van de leveranciers H&H, NF Corp, Itech en Cinergia verwijzen wij graag naar onze overzichtspagina.
