Anwendungen für hochleistungsfähige bidirektionale Stromversorgungen

Einführung: Mehr als nur eine einfache Stromquelle

Wenn wir über Leistungswandlung in moderner Technologie sprechen, zeichnet sich eine bestimmte Klasse von Geräten durch ihre Vielseitigkeit und hohe Komplexität aus: die bidirektionale Hochleistungsstromversorgung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stromversorgungen, die lediglich Energie liefern, fungieren diese fortschrittlichen Einheiten als intelligente Energieaustausch-Hubs. Sie können sowohl präzise Leistung bereitstellen als auch aufnehmen – und zwar in erheblichem Umfang – wodurch sie zu unverzichtbaren Werkzeugen in spezifischen, anspruchsvollen Entwicklungs- und Validierungsprozessen werden. Obwohl Hersteller diese hochentwickelten Stromversorgungseinheiten konstruieren, obliegt die entscheidende Aufgabe, deren Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit unter realistischen, anspruchsvollen Bedingungen zu gewährleisten, spezialisierten Test- und Messtechnik-Lösungen. Hier kommt es entscheidend auf tiefes Fachwissen in Hochleistungstestmethoden an.

Kernfunktion: Was leistet sie genau?

Im Kern handelt es sich bei einer bidirektionalen Hochleistungsstromversorgung um einen vollständig steuerbaren Vier-Quadranten-Verstärker. Einfacher ausgedrückt kann sie nicht nur als Stromquelle (zur Bereitstellung von Strom und Spannung) fungieren, sondern auch als elektronische Last (zum Aufnehmen von Strom und Spannung). Durch diesen bidirektionalen Energiefluss lässt sich sowohl eine Versorgungssituation als auch eine Rekuperationssituation simulieren. Beispielsweise kann sie ein zu prüfendes Gerät (DUT) mit Energie versorgen und anschließend nahtlos die Energie aufnehmen, die das DUT zurückführt – etwa beim Bremsvorgang eines Elektrofahrzeugmotors oder bei der Entladung eines Batteriepacks. Diese Fähigkeit ist entscheidend, um energieeffiziente, geschlossene und realistische Prüfumgebungen zu schaffen.

Hauptanwendungsgebiet: Fahrzeuge mit neuartigem Antrieb (NEV) und Batterie-Ökosystem

Die prominenteste und anspruchsvollste Anwendung, die den Einsatz hochleistungsfähiger bidirektionaler Stromversorgungen für Prüfzwecke vorantreibt, ist der Bereich der Fahrzeuge mit neuartigem Antrieb (NEV) und deren zugehörige Infrastruktur.

• Prüfung von Antriebssträngen und Komponenten für Elektrofahrzeuge traktionswechselrichter, Antriebsmotoren und Onboard-Ladegeräte (OBC) sind von Natur aus bidirektional. Sie wandeln die Batterie-Gleichspannung in Motor-Wechselstrom um und umgekehrt während des Rekuperationsbremsens. Umfassende Prüfungen erfordern ein Prüfsystem, das sowohl die Batterie simulieren (Quellbetrieb) als auch die rekuperierte Energie aufnehmen kann (Senkenbetrieb), während präzise, hochgeschwindigkeitsfähige Messungen von Wirkungsgrad, dynamischem Verhalten und Dauerfestigkeit durchgeführt werden. Eine robuste Prüfplattform validiert, dass diese Komponenten die strengen automobilen Anforderungen an Leistung und Sicherheit erfüllen.
• Energiespeichersystem (ESS) und stationäre Batterieprüfung großskalige Batteriebanken für die Netzspeicherung oder Notstromversorgung müssen sowohl hinsichtlich ihrer Ladefähigkeit als auch ihrer Entladeleistung unter verschiedenen Lastprofilen getestet werden. Ein Prüfsystem mit bidirektionalem Leistungsfluss ist unverzichtbar für die Zykluslebensdauerprüfung, die Nachbildung realer Netzzusammenhänge (z. B. Frequenzregelung) sowie die Bewertung der Effizienz der gesamten Leistungsumwandlungskette (PCS – Power Conversion System). Genauigkeit und Stabilität der Prüfgeräte stehen in direktem Zusammenhang mit den validierten Angaben zur Lebensdauer und Leistung des ESS.

Erweiterung der Anwendungsfelder: Fortgeschrittene Forschung und netzferne Technologien

Über den Mainstream-Bereich von Elektrofahrzeugen (EV) und Energiespeichersystemen (ESS) hinaus dehnen sich die Anwendungen auf zukunftsweisende Forschungs- und Entwicklungsgebiete aus.

• Mikronetz- und dezentrale Energiequellen-(DER-)Simulation forscher, die Steuerungsalgorithmen für Mikronetze entwickeln, müssen verschiedene Erzeugungsquellen (Solar-, Windenergie) und Lasten im Labor simulieren. Eine hochleistungsfähige bidirektionale Stromversorgung, die in ein Prüfsystem integriert ist, kann diese Quellen und Senken dynamisch emulieren und ermöglicht so die Validierung von Software zur Netzstabilität und Energiemanagement unter kontrollierten, aber realistischen Leistungsflussbedingungen.
• Prüfung von Brennstoffzellen und Wasserstoff-Elektrolyseuren die Wasserstoffwirtschaft umfasst Geräte, die entweder elektrische Energie verbrauchen, um Wasserstoff zu erzeugen (Elektrolyseure), oder elektrische Energie aus Wasserstoff erzeugen (Brennstoffzellen). Die Prüfung dieser Systeme – insbesondere ihrer Leistungselektronik-Schnittstellen – erfordert eine Plattform, die bidirektionale Leistung beherrschen kann, um verschiedene Betriebszustände sowie die Wirkungsgradkennlinie über den gesamten Eingangs-/Ausgangsbereich hinweg zu simulieren.

Die entscheidende Schnittstelle: Spezialisierte Prüflösungen für Leistungselektronik

Die Implementierung von Tests mit leistungsstarken bidirektionalen Stromversorgungen ist keine einfache Aufgabe. Sie erfordert mehr als nur die Leistungshardware. Vielmehr ist eine vollständige, integrierte Prüflösung erforderlich, die speziell auf Genauigkeit, Sicherheit und Datenintegrität ausgelegt ist. Zu den zentralen Herausforderungen zählen:

• Präzise Messung bei hoher Leistung : Die genaue Messung von Spannung, Strom und Leistung mit hoher Bandbreite im Bereich von Hunderten von Kilowatt oder Megawatt ist eine Spezialdisziplin. Sie erfordert kalibrierte Mess-Subsysteme, die gegenüber Störungen durch leistungsstarke Schaltvorgänge immun sind.
• Sicherheits- und Schutzsequenzierung : Hochleistungstests bergen inhärente Risiken. Ein professionelles Prüfsystem umfasst mehrstufige Hardware- und Software-Sicherheitsverriegelungen, fortschrittliche Schutzeinrichtungen (gegen Überspannung, Überstrom und Kurzschlüsse) sowie ausfallsichere Sequenzen zum Schutz sowohl des wertvollen Prüflings als auch der Prüfeinrichtung.
• Simulation dynamischer Lastprofile und Datenerfassung reale Bedingungen sind nicht statisch. Das Prüfsystem muss in der Lage sein, komplexe, transiente Leistungsprofile (z. B. Fahrzyklen für Kraftfahrzeuge, Simulationen von Netzstörungen) zu programmieren und auszuführen, während gleichzeitig umfangreiche Mengen an Leistungsdaten für die Analyse synchron erfasst werden. Dies wird üblicherweise mithilfe dedizierter, robuster Kommunikationsprotokolle erreicht, wie z. B. Ethernet-basierten Standards (z. B. IEEE 488, TCP/IP), um eine zuverlässige und schnelle Steuerung sicherzustellen.

Fazit: Partnerschaft mit Fachkompetenz für Vertrauen in die Validierung

Die Entwicklung der Leistungselektronik hin zu bidirektionalen Hochleistungsanwendungen stellt einen bedeutenden technologischen Fortschritt dar. Die Validierung der Komponenten und Systeme, die hochleistungsfähige bidirektionale Stromversorgungen nutzen, ist eine komplexe Aufgabe, die das Fundament für Produktzuverlässigkeit und Innovation bildet. Der Erfolg in diesem Bereich hängt davon ab, mit Prüfexperten zusammenzuarbeiten, die nicht nur über die entsprechenden technologischen Werkzeuge, sondern auch über tiefes Anwendungswissen und prozedurale Sorgfalt verfügen, um Vertrauen in Ihre Prüfergebnisse aufzubauen. Erst durch diesen sorgfältigen Validierungsprozess gelangen sicherere, effizientere und zuverlässigere Energietechnologien auf den Markt.