Wie lassen sich Traktionsumrichter für unterschiedliche Kunden testen, ohne den Prüfaufbau jedes Mal neu konfigurieren zu müssen? VISPIRON SYSTEMS, ein Anbieter von Testdienstleistungen für Leistungselektronik, begegnet dieser Herausforderung mit einem flexiblen Ansatz auf Basis eines dSPACE Power-HIL-Testsystems, das reale Ströme und Spannungen mit modellbasierter Simulation kombiniert.
VISPIRON SYSTEMS erhält Anfragen für die unterschiedlichsten Umrichtertypen, Anwendungen und Anforderungen. Dazu zählen Traktionsumrichter für den Automotive-Bereich ebenso wie Leistungselektroniken für verschiedenste, nicht-automotive Einsatzfelder. Für einen Testdienstleister stellt sich damit die zentrale Frage: Wie lassen sich so unterschiedliche und hochdynamische Umrichter effizient testen, ohne für jede neue Anfrage einen eigenen Prüfstand aufzubauen?
In einem Automotive-Projekt zur Validierung von Traktionsumrichtern begegnete VISPIRON SYSTEMS dieser Herausforderung mit einem Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL)-System für die Prüfung von Hochvolt-Leistungselektroniken. Power-HIL-Tests kombinieren reale Spannungen und Ströme mit modellbasierter Simulation und ermöglichen so eine realitätsnahe Validierung ohne einen Prüfstand mit rotierender Maschine. Der entscheidende Vorteil liegt dabei nicht nur in der hohen Realitätsnähe, sondern auch in der Flexibilität: Statt die zugrunde liegende Infrastruktur neu aufzubauen, lassen sich Modelle und Parameter anpassen. Dadurch kann dieselbe Hardware schnell für unterschiedliche Umrichtertypen, Kundenanforderungen und Entwicklungsstände konfiguriert werden.
Flexible Umrichtertests als Dienstleistung
VISPIRON SYSTEMS ist auf die Prüfung von Hochvolt-Leistungselektronik spezialisiert. Die Validierung von Traktionsumrichtern für Automobilhersteller bildet dabei einen zentralen Schwerpunkt. Als Testdienstleister arbeitet das deutsche Unternehmen für diverse Kunden mit vielfältigen Umrichtertypen. Das erfordert eine Testumgebung, die sich schnell an neue Prüflinge anpassen lässt. Genau das ermöglicht eine Power-HIL Plattform: Mit ihr können Ingenieure Testszenarien für unterschiedliche Umrichter konfigurieren und ausführen, ohne den Prüfaufbau ändern zu müssen.
Warum konventionelle Testaufbauten an ihre Grenzen stießen
„Für VISPIRON SYSTEMS machte die zunehmende Komplexität von Umrichterprojekten einen neuen Testansatz erforderlich“, erklärt Michael Kressierer, Leiter des Leistungselektronik-Labors bei VISPIRON SYSTEMS. Er ergänzt: „Mit jeder Anfrage kommen neue Parameter, Schnittstellen und Betriebsbedingungen hinzu, die berücksichtigt werden müssen.“ Konventionelle Maschinenprüfstände sind typischerweise für bestimmte Anwendungsfälle ausgelegt und lassen sich oft nur mit erheblichem Aufwand an wechselnde Anforderungen anpassen.
Gleichzeitig soll die Validierung immer früher im Entwicklungsprozess beginnen – häufig zu einem Zeitpunkt, an dem nur begrenzte Systemdaten verfügbar sind. Vor diesem Hintergrund wollte VISPIRON SYSTEMS eine modulare Testplattform für aktuelle und zukünftige Traktionsumrichter schaffen, die frühe Tests, eine realitätsnahe E-Maschinen-Emulation und einen schnellen Wechsel zwischen verschiedenen Varianten mit möglichst geringem Aufwand ermöglicht.
„Die Power-HIL-Lösung von dSPACE hat unsere Testmöglichkeiten grundlegend erweitert. Sie bietet ein Maß an Flexibilität, das mit konventionellen Prüfaufbauten nicht erreichbar war, und ermöglicht es uns, ein deutlich breiteres Spektrum an Umrichterprojekten auf einer einzigen Plattform abzudecken.“
Flexibilität und Präzision in Einklang bringen
Aus diesem Ziel ergaben sich mehrere zentrale Anforderungen an das neue Testsystem. Neben einer möglichst breiten Testabdeckung sollte es:
- verschiedenste Umrichtervarianten und Entwicklungsstände unterstützen, einschließlich anspruchsvoller Technologien wie Dreilevel-Umrichtern,
- eine realitätsnahe E-Maschinen-Emulation mit höchster Präzision für unterschiedliche Maschinentypen ermöglichen,
- die Anforderungen gängiger Standards für elektrische Komponenten in Elektrofahrzeugen erfüllen, darunter LV 123, LV 124 und ISO 21498, und
- das Verhalten von Umrichtern unter dynamischen Betriebs- und Worst-Case-Bedingungen testbar machen.
Darüber hinaus benötigte VISPIRON SYSTEMS eine modulare Architektur, die sich einfach auf weitere Anwendungsfälle wie die Prüfung von Onboard-Ladegeräten erweitern lässt. Eine zusätzliche Herausforderung lag in der Verfügbarkeit und Qualität der Eingangsdaten. „Auch in frühen Entwicklungsphasen, wenn detaillierte Systeminformationen noch nicht vollständig vorliegen, müssen aussagekräftige Tests möglich sein, um potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen“, berichtet Michael Kressierer.
Eine konfigurierbare Power-HIL-Plattform
Um diese Anforderungen zu erfüllen, hat VISPIRON SYSTEMS ein von dSPACE entwickeltes Power-HIL-Testsystem implementiert. Die Lösung basiert auf SCALEXIO, der modularen und skalierbaren Echtzeitplattform von dSPACE. In Kombination mit einer Leistungsschnittstelle in Form von elektronischen Lasten ermöglicht das System die Prüfung von Traktionsumrichtern mit realen Strömen und Spannungen. Mehrere elektronische Lasten lassen sich flexibel parallel schalten, um die Systemleistung bei Bedarf zu erweitern. Dank dieses modularen Konzepts lässt sich der Prüfaufbau für zusätzliche Anwendungsfälle und unterschiedliche Umrichterkonzepte skalieren, ohne die Gesamtarchitektur neu gestalten zu müssen.
Im Kern handelt es sich um eine softwarekonfigurierbare, generisch ausgelegte Plattform, die mit Hilfe von Maschinenmodellen und Parametrierung verschiedene Umrichtertypen und Entwicklungsstände unterstützt. Dadurch können Tests bereits mit begrenzten Eingangsdaten begonnen und schrittweise verfeinert werden, sobald weitere Informationen verfügbar sind.
Implementierung der Testumgebung
Der Prüfaufbau bietet die Echtzeitfähigkeit und Flexibilität, die für Power-Level-Tests erforderlich sind. Das elektrische Verhalten des umgebenden Systems wird dabei an den Leistungsschnittstellen emuliert, wodurch sich die Umrichter auch unter dynamischen Bedingungen realitätsnah validieren lassen. Für einen realistischen Leistungsfluss werden sowohl Batterie als auch Elektromotor durch elektronische Lasten ersetzt.
Softwareseitig definieren FPGA-basierte Echtzeitmodelle das elektrische Verhalten an den Leistungsschnittstellen. Hierfür nutzt VISPIRON SYSTEMS hochpräzise dSPACE Simulationsmodelle aus der XSG Electric Components Library sowie die Generic Drive Models (GDM). Mit diesen FPGA-basierten Modellen lassen sich unterschiedliche Maschinentypen und elektrische Eigenschaften in Echtzeit mit hoher Dynamik und Präzision simulieren. Die Parametrierung erfolgt auf Basis von Motordaten aus Messungen oder Datenblättern.
„Das dSPACE Testsystem vereint elektrisches Verhalten, Sensorsignale und kundenspezifische Kommunikationsschnittstellen in einer gemeinsamen Umgebung. Diese Kombination aus realer Leistung, konfigurierbaren Simulationsmodellen und Parametrierung ermöglicht konsistente und realitätsnahe Umrichtertests für unterschiedlichste Anwendungen“, betont Michael Kressierer.
Validierung unter realen Bedingungen
Mit dem neuen Testsystem kann VISPIRON SYSTEMS eine Vielzahl von Validierungsaufgaben unter dynamischen Betriebs- und Worst-Case-Bedingungen innerhalb eines einzigen Prüfaufbaus durchführen. Dazu gehören:
- Tests gemäß den Standards LV 123, LV 124 und ISO 21498
- Kundenspezifische und anforderungsbasierte Testszenarien auf Grundlage von OEM-Spezifikationen
Für die automatisierte Testausführung setzt VISPIRON SYSTEMS ein Drittanbieter-Tool ein, mit dem sie auch umfangreiche Testkampagnen über Nacht oder am Wochenende durchführen. Dank offener und standardisierter Schnittstellen lässt sich das dSPACE Power-HIL-System nahtlos in bestehende Toolketten integrieren.
Insgesamt kann das Entwicklungsteam mit dem neuen Testsystem sowohl normbasierte als auch kundenspezifische Tests in einer einheitlichen Testumgebung durchführen. So lassen sich Ergebnisse zuverlässig vergleichen und jederzeit reproduzieren.
Bewertung des Power-HIL-Systems
Für VISPIRON SYSTEMS bedeutet das neue Power-HIL-System eine grundlegende Erweiterung der eigenen Testmöglichkeiten. „Während sich das Verhalten elektrischer Maschinen mit klassischen Prüfaufbauten und aktiven Lasten nur eingeschränkt abbilden ließ, ermöglicht der Power-HIL-Ansatz eine realitätsnahe Maschinenemulation unter dynamischen Bedingungen“, erklärt Michael Kressierer.
Sein Fazit: „In der neuen Testumgebung kann das Team Traktionsumrichter bereits in frühen Entwicklungsphasen über eine Vielzahl von Szenarien hinweg validieren. Selbst bei einer begrenzten Datenbasis lassen sich Tests frühzeitig starten und im weiteren Projektverlauf schrittweise verfeinern.“ Gleichzeitig ermöglichen die offenen und parametrierbaren dSPACE Modelle eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Anforderungen, ohne Kompromisse bei der Genauigkeit einzugehen. Dadurch ist VISPIRON SYSTEMS heute in der Lage, seine Testdienstleistungen flexibel auf unterschiedlichste Anwendungen auszuweiten.
„Das dSPACE Power-HIL-System kombiniert reale Ströme und Spannungen mit modellbasierter Simulation. Dadurch können wir gemeinsam mit unseren Kunden deutlich früher in der Umrichterentwicklung mit dem Testen beginnen – selbst bei begrenzter Datenbasis – und dabei ein hohes Maß an Realitätsnähe und Präzision erreichen.“
Ausblick
VISPIRON SYSTEMS wird die Möglichkeiten seiner Power-HIL-Testumgebung künftig weiter ausbauen. Zu den nächsten Schritten zählen die Erweiterung der Testautomatisierung, der Aufbau größerer automatisierter Testkataloge sowie der Übergang von Komponententests hin zu Integrationstests. Darüber hinaus soll der Ansatz auf weitere Umrichtertypen sowie zusätzliche Anwendungen der Leistungselektronik in Branchen außerhalb des Automotive-Bereichs ausgeweitet werden. Perspektivisch denkbar sind außerdem:
- Remote-Zugriff auf das Testsystem als Bestandteil des Testing-as-a-Service-Angebots
- Verlagerung von Funktionsentwicklung und Reglerentwurf von Dynamometer-Prüfständen hin zu Power-HIL-Tests
- Integration neuer Prüflinge wie DC-Ladestationen
Insgesamt soll die Plattform sowohl hinsichtlich ihres Einsatzspektrums als auch ihrer Funktionalität weiter wachsen, um ihre Rolle beim Testen anspruchsvoller Leistungselektronik zu stärken.
Mit freundlicher Genehmigung von VISPIRON SYSTEMS
dSPACE MAGAZIN, VERÖFFENTLICHT IM JUNI 2026
Michael Kressierer
Michael Kressierer ist Leiter des Leistungselektronik-Labors bei VISPIRON SYSTEMS in München.
System-Highlights auf einen Blick
Das bei VISPIRON SYSTEMS eingesetzte Power-HIL-System vereint mehrere wichtige Funktionen für flexible Umrichtertests:
- Emulation verschiedener Motortypen: Beispielsweise nichtlineare dreiphasige fremderregte Synchronmotoren (SESM) oder doppelt dreiphasige Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM)
- Validierung von Dreilevel-Umrichtern: Prüfung anspruchsvoller Umrichtertopologien mit verbesserter Effizienz und Spannungsqualität
- Ripple-Generator: Einspeisung kontrollierter Spannungs- und Stromwelligkeiten bis zu 250 kHz zur Nachbildung von Ripple-Effekten gemäß ISO/DIS 21498
- Umwelttests: Eine integrierte Klimakammer ermöglicht die Validierung unter wechselnden Temperatur- und Feuchtebedingungen.
