miércoles, 13 de diciembre de 2023 · 0 min read
Pruebas de eficiencia del motor y NVH en el e-eje de alta velocidad
El proyecto HeAD (High-Performance Electric Austrian Drivetrain) desarrolló un motor/caja de cambios compacto e integrado para vehículos eléctricos. El accionamiento del eje eléctrico alcanza una velocidad máxima de 24.000 RPM y un par del eje de hasta 3.000 Nm. Todo en un formato compacto adecuado para la integración tanto en el eje delantero como en el trasero.
Para lograrlo, el líder del proyecto, Zoerkler Gears GmbH & CO KG , necesitaba complementar sus bancos de pruebas existentes con tipos adicionales de mediciones. Dewesoft proporcionó la solución para la integración del banco de pruebas de Kristl Seibt y las pruebas de eficiencia de conducción.
Hoy en día, los vehículos eléctricos e híbridos utilizan varios componentes centrales para su propulsión. Estos componentes, incluido un motor eléctrico, una electrónica de potencia y una caja de cambios, están integrados en una única unidad instalable en el conjunto del eje del vehículo.
De 2021 a 2023, el proyecto austriaco HeAD tuvo como objetivo desarrollar un eje motriz eléctrico de alta potencia y altamente integrado para automóviles utilizando una tecnología de control innovadora. El proyecto incluido innovaciones tales como:
Altas velocidades de conducción de 24000 RPM
Una batería novedosa enfriamiento sistema
Integración de la caja de cambios y el control de conducción.
El alcance del proyecto impulsó a Zoerkler a desarrollar y complementar sus bancos de pruebas existentes con tipos adicionales de mediciones. Los ingenieros buscaron un sistema de medición capaz de cubrir:
Análisis de potencia entre inversor y motor.
Alta frecuencia conmutación de voltaje, y
Recopilación de datos de vibración y bus CAN.
Para un funcionamiento más fluido, el sistema también debe poder integrarse con el banco de pruebas de Kristl Seibt.
El Proyecto HeAD
Además de Zoerkler Transmission Systems, el consorcio HeAD incluía otras tres empresas austriacas y el Instituto de Sistemas Energéticos y Accionamientos Eléctricos (ESEA) de la Universidad Técnica de Viena ( Technische Universität Wien (TU Wien).
La Agencia Austriaca de Promoción de la Investigación (FFG) y el Ministerio Federal de Acción por el Clima, Medio Ambiente, Energía, Movilidad, Innovación y Tecnología (BMK) apoyaron el proyecto HeAD en el marco del programa denominado Future Mobility .
HeAD desarrolló específicamente el eje electrónico para automóviles que requieren un diseño muy compacto. El proyecto desarrolló la unidad motriz y la batería en paralelo para crear un sistema completo con un rendimiento óptimo. Su estructura integradora permite su instalación tanto como eje delantero como trasero.
Especificaciones del eje electrónico HeAD
| Especificación | Valor |
|---|---|
| Sistema Tensión | 800 V DC |
| Interfaz HV-CC: | 420-870 V DC* |
| Máx. Rendimiento (10 s, 645 V CC) | 140 kW @ 350Arms |
| Máx. Torque (10 s, 645 V CC) | 3.020 Nm @ 350Arms |
| Máx. Torque del Motor (10 s, 645 V CC) | 200 Nm @ 350Arms |
| Máx. Velocidad (1.600rpm): | 180 km/h |
| Relación de transmisión (radio de rollo dinámico = 308 mm): | 15,04 |
| Masa: | 65 kg |
| Volumen de caja e-Eje: | 47,4l |
| Capacidad de la Batería: | 60 kWh |
| Flujo Volumétrico del Refrigerante: | 10 l/min |
| Planificado Gama WLTC | 450 km |
| Masa del módulo de batería (14 módulos incluidos) | 25 kg |
Zoerkler Engranajes GmbH & Co KG
Zoerkler desarrolla y fabrica sistemas de transmisión de alta calidad para la industria internacional, incluida la automovilística, la aeroespacial y la ferroviaria.
Los servicios de prueba de Zoerkler incluyen pruebas de varias cajas de cambios, transmisiones y otros componentes de la transmisión. Zoerkler dispone de bancos de pruebas para comprobar engranajes universales y ejes de rotor de cola, sistemas hidráulicos, bombas, límites de fatiga, frenos e incluso cajas de cambios principales de helicópteros.
Probando el Eje Eléctrico
Se requirió una amplia gama de tareas de medición y análisis de datos para probar el eje eléctrico, como análisis de potencia y eficiencia del motor y medición de NVH y temperaturas. Dewesoft ofreció una solución versátil y flexible, controlable de forma remota mediante un banco de pruebas Krist Seibt Tornado, y que permitió a los ingenieros adquirir todas las señales de forma sincrónica durante la medición; consulte la Figura 2.
Al capturar de forma síncrona la entrada de energía eléctrica y la salida de energía mecánica del eje electrónico, Dewesoft proporcionó un sistema para las pruebas de eficiencia del motor requeridas.
La potencia eléctrica de entrada se calcula en función de la medición entre el inversor y el motor. Se trata de tensiones y corrientes trifásicas de frecuencia variable que requieren un analizador de potencia de banda ancha capaz de muestrear a altas velocidades.
La potencia de salida mecánica implica la medición del par y la velocidad. Nuevamente, esto requiere entradas de alta frecuencia. En este caso, los Dewsoft SuperCounters con ancho de banda de 100 MHz son perfectos para sacar el máximo partido a la resolución del sensor.
Zoerkler buscaba además un sistema capaz de adquirir los datos de vibración de los diferentes escenarios de prueba. Datos para identificar estados operativos críticos y comportamientos ruidosos no deseados e indicar su causa raíz.
Finalmente, la integración en el banco de pruebas Tornado existente era imprescindible. Para la transmisión de datos en tiempo real, los ingenieros especificaron una lista de alrededor de 150 variables reducidas, como eficiencia, velocidad, frecuencia eléctrica y valores RMS monofásicos. DewesoftX almacenó los datos sin procesar de alta velocidad en el formato de datos estándar de Dewesoft, exportable en múltiples formatos de archivo.
Michael Skalka, jefe del banco de pruebas, dice: "La asistencia de Dewesoft durante la puesta en marcha y las pruebas fue sencilla, espontánea y muy profesional".
Instrumentación de Adquisición de Datos.
Hardware de adquisición de datos
SIRIUSi-XHS-4xHV-4xLV: Analizador de potencia de 8 canales de alta velocidad (15 MS/s) y gran ancho de banda (5 MHz) con puerto de entrada CAN.
SIRIUSi-PWR-MCTS2: Unidad de alimentación para los transductores de corriente.
MCTS-1000N: cuatro transductores de corriente, cada juego compuesto por transductores de flujo cero IN-1000-S, cables de derivación DSI-MCTS-1000N y cables conectores de 5 m.
SIRIUSi-4xHV-4xLV+: Sistema universal de adquisición de datos de 8 canales para medición de torque y velocidad.
SIRIUSi-6xACC-2xACC+: Sistema de adquisición de datos de 8 canales para mediciones de NVH (IEPE).
Transductor de par HBK T40: Hasta tres sensores para medir la potencia mecánica.
Acelerómetros IEPE: Dos acelerómetros IEPE para medición de vibraciones.
PC: CPU AMD Ryzen 9 3900X, 12x 3,80 GHz, 32 GB de RAM, GPU: ASUS RTX3060 O12G V2 de 12 GB, SSD utilizado para cálculo de potencia en tiempo real de 15 MHz en la GPU Nvidia (CUDA).
Software de adquisición de datos
DewesoftX professional: paquete de software estándar de Dewesoft para registro, visualización y análisis de datos.
DewesoftX módulo de potencia: complemento SW para medición de potencia eléctrica (P, Q, S, armónicos, etc.).
Módulo DewesoftX Análisis de Máquina Rotativa: un conjunto de opciones de DewesoftX para el análisis de maquinaria rotativa. El módulo de análisis de ordenextrae principalmente los armónicos del lado de CC (batería).
DewesoftX CA-TESTBED : complemento de DewesoftX para conectarse al banco de pruebas Tornado de Kristl Seibt (KS Engineers).
Análisis de Energía Eléctrica
El analizador de potencia Dewesoft SIRIUS XHS maneja las mediciones de potencia. El analizador mide voltajes y corriente en la batería (CC) y los voltajes y corriente trifásicos entre el inversor y el motor.
Cuando se trabaja con una señal PWM de bajo porcentaje, se requieren entradas de 2000 V y una alta frecuencia de muestreo de 15 MHz para adquirir los cortos pulsos de aguja del inversor. Dado que el motor no tiene ningún punto de estrella accesible, un adaptador de punto de estrella externo proporcionó una referencia cero virtual para medir los voltajes trifásicos individuales exactos.
Dado que la medición de la eficiencia requiere la mayor precisión posible, aplicamos transductores de corriente de flujo cero con una precisión de medición del 0,015%. Abrimos el blindaje naranja del cable de alto voltaje (HV) para mantener la medición de mayor precisión en la línea sin su influencia. La unidad compacta del Sistema de transductor de corriente multicanal (MCTS) de Dewesoft proporcionó un voltaje de suministro estable para los transductores.
Análisis de eficiencia del motor.
Además de las mediciones eléctricas, para calcular la eficiencia del motor es necesario medir los parámetros mecánicos. ¿Cuánta potencia mecánica sacaremos? ¿A qué velocidad podrá correr al final?
La ingeniería calcula la eficiencia del motor analizando varios parámetros mecánicos y eléctricos para evaluar la eficacia con la que un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en trabajo mecánico. La eficiencia de un motor eléctrico normalmente se determina mediante la fórmula:
Eficiencia del motor (%) = (Potencia mecánica de salida / Potencia eléctrica de entrada) x 100.
Potencia Mecánica de Salida
Este parámetro representa el trabajo mecánico beneficioso o la potencia de salida del motor eléctrico. Se puede determinar usando la siguiente fórmula:
Potencia mecánica de salida (en vatios o caballos de fuerza) = Torque (en Nm o lb-ft) x Velocidad angular (en radianes por segundo o revoluciones por minuto).
El par (Nm o lb-ft) es la fuerza de rotación generada por el motor y puede medirse mediante sensores de par o calcularse en función de las mediciones de fuerza y brazo de palanca.
La velocidad angular (radianes por segundo o RPM) es la velocidad de rotación del eje de salida del motor y se puede medir directamente mediante tacómetros o codificadores.
Energía Eléctrica de Entrada
Este parámetro representa la energía eléctrica consumida por el motor para producir la salida mecánica. Se puede determinar usando la siguiente fórmula:
Potencia eléctrica de entrada (en vatios) = Voltaje (V) x Corriente (A).
El voltaje (volts) es la diferencia de potencial eléctrico entre las terminales del motor, que generalmente se mide con un voltímetro.
La corriente (ampers) es la corriente eléctrica que fluye a través de los devanados del motor, generalmente medida con un amperímetro.
Una vez que tenga estos valores, puede calcular la eficiencia del motor introduciéndolos en la fórmula de eficiencia.
El valor de eficiencia resultante se expresa como porcentaje y representa qué tan bien el motor convierte la energía eléctrica en trabajo mecánico beneficioso. Una mayor eficiencia del motor indica que el motor convierte la energía de manera más efectiva y produce menos calor residual.
El par es un parámetro crítico que describe la fuerza de rotación generada por un motor o motor. Por lo general, se mide en unidades como Newton metros (Nm) o libras-pie (pie-lb).
Los sensores de par de HBK proporcionaban datos de par (Nm) y velocidad (RPM) como un tren de impulsos. Por ejemplo, frecuencia base de 60 kHz +/- 30 kHz. Esto fue captado por las entradas del contador SIRIUS que trabajaban a 100 MHz y decodificado en la configuración de medición del contador Dewesoft.
El Análisis NVH (ruido, vibración y aspereza)
Al principio, Zoerkler quería utilizar su sistema NVH con motor eléctrico existente para medir las vibraciones. Recopilaron los datos por separado y los fusionaron posteriormente mediante la exportación a otro software. Pero después de tres semanas, los ingenieros de Zoerkler se dieron por vencidos y nos pidieron ayuda: "¿Podríamos prestarnos un sistema de adquisición de datos SIRIUS NVH por un corto tiempo?"
¡Con seguridad! Zoerkler solo necesitaba apilar la unidad SIRIUS adicional con entradas IEPE encima de los otros sistemas. Las unidades se unen de forma muy sencilla con las patas de esquina negras/naranjas. Además, solo se necesitan el cable USB y de sincronización y todo el sistema DAQ ahora funciona como uno solo y está completamente sincronizado.
La familia de sistemas DAQ SIRIUS DualCoreADC ofrece un alto rango dinámico de 160 dB. Aplica dos ADC de 24 bits por canal en segundo plano. Con la tecnología de sincronización IRIG, varias tecnologías SIRIUS pueden funcionar como un solo sistema. En lugar de fusionar datos de sistemas separados, los ingenieros ahora tienen una solución integrada.
Integración del Banco de Pruebas Tornado
Conectarse al banco de pruebas Tornado de Kristl Seibt/KS Engineers es sencillo. Dewesoft proporciona el módulo Testbed , que actúa como una interfaz entre el software DewesoftX y los sistemas de control del banco de pruebas. El protocolo AK estandarizado ejecuta la comunicación a través de TCP/IP.
Hay más información disponible en el manual del módulo Testbed .
Zoerkler hizo una lista de parámetros específicos necesarios para solicitar o transmitir datos desde Dewesoft al banco de pruebas en tiempo real. Algunos de estos parámetros (los nombres de los canales de Dewesoft entre paréntesis) fueron:
Potencia Efectiva del 5º Armónico de la Fase L1 (P_L1_H5).
Velocidad: la señal de velocidad del HBK T40.
para esto utilizamos el módulo de análisis de orden.
Potencia mecánica total (Pmech_Gesamt) calculada en tiempo real por las el módulo matemático de DewesoftX.
Eficiencia mecánica en % (eta_m).
Calibración del Inversor
El inversor es un componente crítico del sistema electrónico de potencia. Convierte la energía CC de la batería en energía CA para accionar el motor eléctrico. También controla la velocidad y dirección del motor. En mayo de 2022, los ingenieros de Zoerkler realizaron la primera prueba calibrando la unidad de control electrónico (ECU) del inversor.
Cuando el servomotor funciona alrededor de 5000 rpm, la caja de cambios del adaptador genera un factor de 5:1, lo que da un máximo de 25.000 rpm. Siguiendo las recomendaciones del fabricante del inversor, la primera prueba se realizó hasta 16.000 rpm.
Los ingenieros mantuvieron unas RPM constantes mientras controlaban el par en un perfil escalonado (consulte la Figura 9). Capturaron los voltajes y las corrientes de las tres fases junto al par, la velocidad y el circuito intermedio. Las fases se distribuyeron por igual. No hubo ninguna anormalidad.
Los ingenieros exportaron los datos de medición de Dewesoft a Matlab porque ya tenían algunos scripts de análisis preparados en este software.
Prueba de Carga y Vibración.
La segunda medición tuvo lugar en noviembre de 2022. El objetivo principal de la prueba de carga es evaluar qué tan bien el e-drive maneja las fuerzas y tensiones durante el funcionamiento sin fallar ni experimentar una degradación inaceptable del rendimiento.
Los ingenieros pusieron un perfil de carga controlado en el motor mientras mantenían unas rpm estables. Pasando de un nivel de RPM al siguiente, capturaron la energía mecánica y eléctrica. Y también la eficiencia del eje motriz eléctrico, para tener una visión completa.
El motor estaba en una carcasa nueva que lo combinaba con la caja de cambios. Esta vez, los ingenieros colocaron el conjunto en el centro del banco de pruebas. Los servomotores de ambos lados proporcionaron carga suficiente para probar la posible potencia/par mecánico según las especificaciones.
DewesoftX visualizó la vibración medida en aceleración (m/s²) en medidores digitales, registradores y FFT.
Perfil del ciclo de ensayo de vehículos ligeros armonizado a nivel mundial (WLTC)
Finalmente, los ingenieros expusieron el sistema de eje electrónico HeAD a varias pruebas WLTC (ciclos de prueba de vehículos ligeros armonizados a nivel mundial ) para determinar las emisiones y el consumo de combustible. La prueba simula condiciones de conducción del mundo real e incluye una amplia gama de velocidades de conducción, aceleraciones y desaceleraciones para reflejar patrones de conducción típicos.
Cada prueba WLTC duró 30 minutos. Está dividido en secciones que van desde velocidad baja hasta velocidad extra alta. La velocidad máxima en el banco de pruebas es de 131 km/h. Durante las pruebas, el motor mostró una potencia máxima de 50 kW, lo que significaba que aún no había alcanzado el límite de potencia del eje E.
Conclusión
El hardware y el software de adquisición de datos de Dewesoft admiten varios datos de bus automotriz, por ejemplo, bus CAN, CAN FD, LIN Bus, FlexRay , XCP, etc. En este caso, Zoerkler no necesitó utilizar ninguna de estas funcionalidades, pero los ingenieros ahora poseen el potencial para tareas futuras.
Mientras tanto, Dewesoft puede realizar por sí solo un análisis completo de la eficiencia del motor que puede analizar:
Transformada dq ,
Medición de resolución ,
Mapeo de eficiencia, etcétera.
Se amplió una función matemática especial llamada mapeo 2D y se introdujo un widget de trazado de contorno para visualización. Controlar afuera el Manual en línea de Análisis de motores .
La solución de Dewesoft demostró ser eficiente y aseguró una rápida innovación en el desarrollo de motores. Lo más beneficioso fue contar con un sistema integral de adquisición de datos para todas las señales, como energía eléctrica, NVH y bus CAN. El hardware y el software de Dewesoft garantizaron una fácil integración con el banco de pruebas de Kristl Seibt y la disponibilidad de datos sin procesar rápidos para ajustar los cálculos y generar informes fácilmente.
La tecnología de medición de alta precisión de Dewesoft y los resultados e interpretaciones resultantes son la base para la evaluación de datos de medición más precisa posible. Gracias por eso.
El módulo Dewesoft Motor Analysis es una solución completa que respalda el desarrollo de motores, unidades de control e inversores incluso por parte de los fabricantes más exigentes.