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Vollintegrierte Messgeräte-Architektur erleichtert Tests

Umstieg auf 42-V-Bordnetz-Systeme bringt neue Herausforderungen
Vollintegrierte Messgeräte-Architektur erleichtert Tests

Um den Anforderungen im Hinblick auf den stetig steigenden elektrischen Leistungsbedarf entsprechen zu können, gehen die Autohersteller dazu über, die Fahrzeugspannung von heute 14 V auf etwa 42 V anzuheben. Bevor aber 42-V-Systeme breit eingesetzt werden können, müssen noch einige technische Probleme gelöst werden, wie beispielsweise die Entwicklung einer entsprechenden Systemarchitektur und einer Migrations-Strategie.

Qi Wang, Keithley Instruments, Germering

Zwar ist das grundlegende Design von bestehenden Baugruppen und Testeinrichtungen auch für 42-V-Komponenten geeignet, doch erfordert die höhere Spannung an einigen Stellen gewisse Modifikationen. So können zusätzliche Tests in der Produktion erforderlich sein, um beispielsweise Lichtbögen bei Schaltvorgängen zu vermeiden und die Einhaltung der EMB/EMV-Richtlinien sicherzustellen. Um neue 42-V-Komponenten richtig entwickeln zu können, müssen die Autohersteller und ihre Lieferanten die kritischen Aspekte dieser Technik berücksichtigen. Hierzu sind elektrische Messungen mit verschiedenen Messverfahren, wie die Überprüfung des Isolationswiderstands und das Erfassen sehr kleiner Widerstände, erforderlich.
Messungen vereinfachen und beschleunigen
Für viele 42-V-Tests werden nur die üblichen Instrumente wie Lastmodule, Stromversorgungen mit hohem Ausgangsstrom und DMMs benötigt. Spezielle Tests von Verbindungsleitungen und Isolatoren erfordern dagegen Instrumente, die für die Messung extrem niedriger Widerstände, hoher Widerstände und niedriger Ströme geeignet sind. Komplexe Komponenten, wie Airbag-Zündersysteme und andere Steuergeräte, setzten dagegen umfangreichere Tests und Testsysteme mit größerem Funktionsumfang voraus. Viele dieser Testobjekte verfügen über eine große Anzahl von Anschlüssen, z. B. für Sensoren, und damit werden umfangreichere Messungen erforderlich, sodass ein System zur Verschaltung der einzelnen Signale ein wertvolles Hilfsmittel darstellt. Mittels einer Schaltmatrix lassen sich vollautomatische Tests durchführen, wobei dadurch die Anzahl der benötigten Instrumente reduziert, der Prüfablauf vereinfacht, und die Testzeit verkürzt werden kann.
Die Messinstrumente, Schaltsysteme und andere kritische Komponenten sollten im Hinblick auf eine einfache Integration und eine optimale Leistungsfähigkeit ausgewählt werden. Noch besser ist der Einsatz eines voll integrierten Datenerfassungs- und Schaltsystems, wodurch sich die Integration vieler Einzelkomponenten des Testsystems vermeiden lässt (Bild 1).
Anwendungsspezifische Messungen
Viele elektrische Tests im Automobilbereich sind auf Widerstandsmessungen zurückzuführen, die eine Durchgangsprüfung und/oder eine Überprüfung kleiner Leckströme während des Isolationstest erfordern. Um die korrekte Montage oder Verdrahtung von Komponenten zu überprüfen, kann es beim Produktionstest erforderlich sein, dass mehrere Messungen in einer spezifischen Sequenz ausgeführt werden müssen, wodurch aber selbst einfache Widerstandsmessungen eine gewisse Komplexität erreichen können.
So wird beispielsweise beim Test des Airbag-Gasgenerators die elektrische Charakteristik des pyrotechnischen Zünders, eines Schmelzdrahts mit einem typischen Widerstand von ungefähr zwei bis drei Ohm, verifiziert. Ein zweiter Test überprüft die Kurzschlußbrücke und stellt damit sicher, dass die Anschlüsse des Zünders kurzgeschlossen ( 100 mOhm) sind. Dies ist eine Sicherheitsfunktion, die eine unabsichtliche Aktivierung des Airbags während der Handhabung und der Installation verhindert. Als dritter Test erfolgt eine Messung des Isolationswiderstands mittels Hochspannung, um sicherzustellen, dass keine elektrische Kriechstrecke (d.h. niedriger Widerstand) zwischen dem Zünder und dem geerdeten Metallgehäuse des Gasgenerators vorhanden ist, die sonst eine Auslösung verhindern könnte. Einige Hersteller führen zusätzliche elektrische Tests mit dem gleichen Testaufbau durch.
Oftmals verschlingt die Entwicklung eines solchen Systems aus mehreren individuellen Instrumenten und Schaltkomponenten, sowie die Implementierung dieses Systems in der Produktion, hohe Kosten. Falls ein entsprechendes fertiges anwendungsspezifisches Testsystem verfügbar ist, kann dieses dem Anwender viel Zeit und Kosten sparen, da die einzelnen Komponenten in ein einziges einsatzbereites Gerät integriert sind (Bild 2).
Ethernet-basierende Testlösung
Der Umstieg auf 42-V-Systeme wird relativ schnell erfolgen, sodass die Möglichkeit einer gemeinsamen Nutzung der Testdaten im gesamten Unternehmen ein entscheidender Aspekt ist. Heute werden die Daten meist über ein Ethernet-Bussystem an die einzelnen Abteilungen verteilt. Messgeräte, die bereits für das Ethernet vorbereitet sind, und über integrierte Mess- und Schaltfunktionen verfügen, vereinfachen diese Aufgabe. Ein zusätzlicher Vorteil von Ethernet-basierenden Messlösungen ist, dass kein Kompromiss zwischen Messgenauigkeit und einfacher, kostengünstige Datenerfassung notwendig ist. Dies ist besonders in einer Fertigungsumgebung wichtig, die viele Teststationen oder Messstellen umfasst. In einem derartigen Fall ist es oft kostengünstiger, ein Ethernet-basierendes Messgerät zu nutzen, anstatt mehrere PC-basierte Systeme mit Steckkarten zu installieren.
Der Blick in die Zukunft
Durch den Umstieg auf die 42-V-Architektur kann der Leitungsquerschnitt reduziert werden, schrumpfen die Kabelbündel, lassen sich kleinere Steckverbinder nutzen und das Gewicht der Verdrahtung wird deutlich geringer. Neben den geringeren Kabelkosten werden auch die Lohnkosten aufgrund der einfacheren Installation geringer ausfallen. Zu den Vorteilen der neuen Architektur gehören:
• mehr verfügbare elektrische Leistung für Mobiltelefone, GPS-Geräte, Audio-Systeme, etc.,
• Reduktion der Größe und des Gewichts von Motoren und anderem Zubehör,
• flexiblere, leichtere Gehäuse,
• effizienterer Betrieb (verbesserte Treibstoffnutzung und niedrigere Emissionen),
• Möglichkeit für redundante Stromquellen,
• schnellere Temperaturänderungen im HVAC-System (Heizung, Lüftung, Klimaanlage) und
• längere Wartungsintervalle für viele Komponenten und Baugruppen.
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