Drehmomentmessung an Hybridantrieben

An der Hochschule Darmstadt führt man im Rahmen einer Projektarbeit im Master-Studiengang Automobilentwicklung Untersuchungen an einem Fahrzeug mit leistungsverzweigtem Hybridantrieb durch. Dabei werden die komplexen Energieflüsse zwischen sämtlichen elektrischen und mechanischen Komponenten innerhalb des Antriebsstrangs bei verschiedenen Fahrzuständen synchron und in Echtzeit erfasst und so letztlich der Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems und dessen Teilkomponenten untereinander bestimmt.

Durch eine unmittelbare Messung an den Antriebswellen können die übertragenen Drehmomente und damit die Antriebsleistung am Ende der mechanischen Antriebskette im jeweiligen Fahrzustand ermittelt werden. In Kombination mit anderen Parametern, wie Fahrdynamikgrößen, elektrischen Leistungen der Antriebsmotoren und Drehzahl des Verbrennungsmotors, lässt sich somit auf die Energieflüsse schließen und der Energieverbrauch für jeden Fahrzustand berechnen. Hierzu hat man jeweils Dehnmessstreifen (DMS) in Vollbrückenschaltung auf den beiden Antriebswellen (links und rechts) appliziert.

Eine besondere Herausforderung stellt dabei die berührungslose und störungsfreie Übertragung der Messwerte, sowie die kontinuierliche Sensorversorgung der DMS auf der rotierenden Messwelle dar. Eine Signal- und Energieübertragung über Schleifringe scheidet auf Grund der schwierigen Einbauverhältnisse und der großen Federwege von Rad und Welle im Fahrbetrieb aus. Das Team der Hochschule Darmstadt hat sich daher für das digitale Telemetriesystem DX aus dem Hause CAEMAX Technologie entschieden.

Dx_Einbau_RingstatorBei der eingesetzten DX-Telemetrie wandelt ein an der Karosserie (Radkasten o.ä.) befestigtes Statorsystem den verfügbaren Gleichstrom aus dem Bordnetz zunächst in einen Wechselstrom um und erzeugt mit Hilfe einer flexiblen Ringantenne – dem sogenannten „Ringstator“ – ein magnetisches Wechselfeld. Dieses induziert in einer auf der Welle applizierten Kupferwicklung eine Wechselspannung, mit der die Sendeelektronik und Signalaufbereitung gespeist wird. Diese versorgt wiederum die DMS mit der nötigen konstanten Brückenspannung.

Als besonderer Vorteil hat sich dabei erwiesen, dass sich der biegsame Ringstator relativ einfach und in weiten Grenzen an die schwierigen Einbauverhältnisse anpassen lässt und somit eine unterbrechungsfreie Versorgung gewährleistet ist (siehe Bild). Da die Datenübertragung völlig unabhängig von der Spannungsversorgung erfolgt, kann der Ringstator an beliebiger Stelle entlang der Welle angebracht werden. Die Qualität der Versorgung ist dabei zunächst sekundär, da der nachgeschaltete Sender über einen eigenen DC/DC-Wandler verfügt.

Digitale HF-Übertragung und Fernsteuerung

Die analogen Sensorsignale werden im Sendemodul SCT digitalisiert, über eine Funkstrecke zur Empfangsstation übertragen und stehen dort beispielsweise wieder als analoge Signale zum Abgriff bereit. Mit einem einzigen Telemetriesender lassen sich bis zu sechs Sensorsignale – davon maximal zwei DMS-Vollbrücken bzw. vier DMS-Halbbrücken, sowie Spannungen und Temperaturen – erfassen und übertragen. Zusätzlich, zum Beispiel als Referenz oder zur Kompensation, noch die Umgebungstemperatur der Messstelle und die anliegende Speisespannung. Die Abtastrate pro Kanal kann bis zu 4,8 kS/sec betragen.

Dx_BlockschaltbildDie digitale HF-Übertragung der Messsignale bietet gegenüber der herkömmlichen Analogtechnik (FM-Übertragung) nicht nur eine wesentlich höhere Genauigkeit und eine verringerte Störempfindlichkeit, sondern auch einen deutlich höheren Bedienkomfort: Der bidirektionale Betrieb ermöglicht die programmierbare Fernsteuerung der Signalaufbereitung in allen Funktionen. Dazu zählen die stufenweise Verstärkung, ein automatischer Offsetabgleich über ein Mehrfaches des Messbereiches, digitale Filter und ein Test-Shunt (siehe Systemübersicht).

Die Funkübertragung der Telemetriedaten kann wahlweise in verschiedenen ISM-Frequenzbändern erfolgen: 433 MHz, 866 MHz, 915 MHz oder auch im 2,4 GHz-Band. Speziell der GHz-Bereich ist weltweit für den lizenzfreien Betrieb freigegeben und wird beispielsweise auch für drahtlose PC-Netzwerke nach Bluetooth- oder WLAN-Standard verwendet. Das erspart – insbesondere beim Einsatz in Fernost – langwierige Zulassungsverfahren. Bei ungünstigen Sende- und Empfangsverhältnissen durch Abschattungen oder Reflexionen können statt der Stabantennen zwei Satellitenempfänger RSU angeschlossen werden. Diese übertragen ihre Daten über bis zu 30 Meter digital via Kabel sicher zur Empfangsstation. Daneben werden auch verschiedene Antennenlösungen angeboten: Besonders praktisch ist eine Variante, bei der man die Antennen mit einer Gummizughalterung einfach und schnell an den seitlichen Außenspiegeln befestigt.

Das Display der Empfangseinheit RCI zeigt neben den übertragenen Messsignalen in physikalischen Einheiten auch andere Statusinformationen wie zum Beispiel die Umgebungstemperatur, Feldstärke oder Energiezustand der jeweiligen Sender an. Für die Wiedergabe der übertragenen Signale stehen nicht nur die sechs frei nutzbaren Analogausgänge, sondern auch eine Ethernet- bzw. eine CAN-Schnittstelle zur digitalen Online-Übertragung der Messdaten an einen Rechner zur Verfügung. Mittels einer integrierten SD-Speicherkartenschnittstelle lässt sich das System sogar optional als kleiner autarker Datenlogger aufrüsten.

Dx_AnwendungsfälleDas nebenstehende Bild zeigt verschiedene Anwendungsfälle und die variablen Einsatzmöglichkeiten der DX-Telemetrie im Versuchsbetrieb auf: Eine DX-Empfangsstation kann parallel bis zu vier Sender synchronisieren und die Telemetriesignale simultan erfassen, anzeigen, zwischenspeichern oder weiter übertragen. Das bedeutet, dass etwa bei einem Allrad-Fahrzeug die Drehmomente an allen vier Antriebsachsen gleichzeitig gemessen und erfasst werden können (1).

Sollen für die Betrachtung des gesamten Antriebsstrangs zusätzlich noch die Momente an den beiden Längswellen bestimmt werden, benötigt man insgesamt sechs Sendemodule (2). Für diesen Fall oder auch noch größere Messaufgaben lassen sich zwei oder mehrere Empfänger synchronisieren. Zur Erfassung von Temperaturen – beispielsweise an den Bremsscheiben – bietet CAEMAX darüber hinaus wiederverwendbare, wasserdichte Gehäusevarianten zur einfachen Montage an beliebigen Felgen mittels Peiselerplatte an (3). Ein Sendemodul kann bis zu drei Temperaturen differenziell erfassen, jedes Gehäuse bis zu zwei Sender plus Batterie oder Akku aufnehmen.

Komfortable Handhabung

Die Erfahrungen in der praktischen Anwendung haben gezeigt, dass die neue Telemetrie ein sehr schnelles Aufrüsten des Messsystems und eine flexible Anpassung an die jeweilige Messaufgabe erlaubt. Durch die komfortable Programmierung und die Eigenkonfiguration stehen die Messdaten sofort nach dem Einschalten zur Verfügung. Mit Hilfe des Online-Displays und der Statusanzeigen für die Empfangs- und Versorgungsqualität lässt sich die Funktionsfähigkeit des Systems unabhängig von der Datenerfassung einfach überprüfen. Durch den Einsatz der Webserver-Technologie für die Konfiguration entfällt zudem die Installation einer speziellen Parametriersoftware. Selbst der ungeübte Anwender kann das System sofort bedienen!