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Testes de eficiência do motor e NVH em E-axle de alta velocidade
O HeAD (Transmissão Elétrica Austríaca de Alto Desempenho) desenvolveu um acionamento compacto e integrado motor/caixa de engrenagens para veículos elétricos. O acionamento do eixo elétrico alcança uma velocidade máxima de 24.000 RPM e torque no eixo de até 3000 Nm. Tudo em um formato compacto adequado para integração tanto no eixo dianteiro quanto no traseiro.
Para alcançar isso, o líder do projeto, Zoerkler Gears GmbH & CO KG, precisava complementar suas bancadas de teste existentes com tipos adicionais de medições. A Dewesoft forneceu a solução para a integração do banco de testes Kristl Seibt e para os testes de eficiência do acionamento.
Atualmente, os veículos elétricos e híbridos utilizam vários componentes essenciais para a propulsão. Estes componentes, incluindo o motor elétrico, a eletrónica de potência e a caixa de velocidades, são integrados numa única unidade instalada no eixo do veículo.
Entre 2021 e 2023, o projeto austríaco HeAD teve como objetivo desenvolver um eixo elétrico altamente integrado e de elevada potência, utilizando tecnologias de controlo inovadoras. Entre as principais inovações destacam-se:
velocidades de rotação até 24 000 rpm
um novo sistema de arrefecimento da bateria
integração da caixa de velocidades com o controlo do acionamento
O âmbito do projeto levou a Zoerkler a expandir os seus bancos de ensaio com novos tipos de medições. Os engenheiros procuravam um sistema capaz de:
analisar potência entre o inversor e o motor
medir comutação de tensão em alta frequência
recolher dados de CAN bus e vibração
Para uma operação otimizada, o sistema também deveria ser compatível com integração no banco de ensaio Kristl Seibt.
O projeto HeAD
Além da Zoerkler Transmission Systems, o consórcio HeAD incluiu mais três empresas austríacas e o Instituto de Sistemas Energéticos e Acionamentos Elétricos (ESEA) da Universidade Técnica de Viena (TU Wien).
O projeto foi apoiado pela Agência Austríaca de Promoção da Investigação (FFG) e pelo Ministério Federal para Ação Climática, Ambiente, Energia, Mobilidade, Inovação e Tecnologia (BMK), no âmbito do programa Future Mobility.
O HeAD desenvolveu especificamente um eixo elétrico compacto para automóveis. O sistema de acionamento e a bateria foram desenvolvidos em paralelo para garantir um desempenho otimizado. A sua arquitetura integrada permite a instalação tanto no eixo dianteiro como no traseiro.
Especificações do eixo elétrico HeAD
| Specification | Value |
|---|---|
| Tensão do sistema | 800 V DC |
| Interface HV-DC: | 420-870 V DC* |
| Potência máxima (10 s, 645 V DC): | 140 kW @ 350Arms |
| Binário máximo (10 s, 645 V DC): | 3.020 Nm @ 350Arms |
| Binário máximo do motor (10 s, 645 V DC): | 200 Nm @ 350Arms |
| Velocidade máxima (1.600 rpm): | 180 km/h |
| Relação de transmissão (raio dinâmico da roda = 308 mm): | 15,04 |
| Massa: | 65 kg |
| Volume da caixa do eixo elétrico: | 47,4l |
| Capacidade da bateria: | 60 kWh |
| Caudal do líquido de arrefecimento: | 10 l/min |
| Autonomia prevista (WLTC) | 450 km |
| Massa do módulo de bateria (14 módulos incluídos) | 25 kg |
A Zoerkler Gears GmbH & Co KG
Desenvolve e fabrica sistemas de transmissão de alta qualidade para a indústria internacional, incluindo os setores automóvel, aeroespacial e ferroviário.
Os serviços de teste da Zoerkler incluem ensaios de diversas caixas de velocidades, transmissões e outros componentes do sistema de acionamento. A empresa dispõe de bancos de ensaio para engrenagens universais, eixos de rotor de cauda, sistemas hidráulicos, bombas, testes de fadiga, travões e até caixas de transmissão principais de helicópteros.
Teste do eixo elétrico
Para testar o eixo elétrico, foi necessário realizar uma ampla gama de medições e análises de dados, incluindo análise de potência e eficiência do motor, bem como medições de NVH e temperatura. A Dewesoft forneceu uma solução versátil e flexível, controlável remotamente pelo banco de ensaio Kristl Seibt Tornado, permitindo aos engenheiros adquirir todos os sinais de forma sincronizada durante a medição, conforme ilustrado na Figura 2.
Ao captar de forma sincronizada a potência elétrica de entrada e a potência mecânica de saída do eixo elétrico, a Dewesoft forneceu um sistema adequado para testes de eficiência do motor.
A potência elétrica de entrada é calculada com base nas medições entre o inversor e o motor. Estas envolvem tensões e correntes trifásicas de frequência variável, exigindo um analisador de potência de banda larga capaz de amostragem a altas taxas.
A potência mecânica de saída requer a medição de binário e velocidade, o que também implica entradas de alta frequência. Neste caso, os SuperCounters da Dewesoft, com largura de banda de 100 MHz, são ideais para tirar o máximo partido da resolução dos sensores.
Além disso, a Zoerkler procurava um sistema capaz de adquirir dados de vibração em diferentes cenários de teste, permitindo identificar estados críticos de operação, comportamentos indesejados de ruído e as suas causas.
A integração no banco de ensaio Tornado existente era essencial. Para transmissão de dados em tempo real, os engenheiros definiram cerca de 150 variáveis reduzidas, como eficiência, velocidade, frequência elétrica e valores RMS monofásicos. O DewesoftX registou os dados brutos em alta velocidade no formato padrão Dewesoft, com possibilidade de exportação para vários formatos.
Michael Skalka, responsável pelo banco de ensaio, afirma: “O apoio da Dewesoft durante a colocação em funcionamento e os testes foi simples, imediato e muito profissional.”
Instrumentação de aquisição de dados
Hardware de aquisição de dados
SIRIUSi-XHS-4xHV-4xLV: analisador de potência de alta velocidade (15 MS/s) e alta largura de banda (5 MHz) com porta CAN
SIRIUSi-PWR-MCTS2: unidade de alimentação para transdutores de corrente
MCTS-1000N: quatro transdutores de corrente, cada conjunto inclui sensores zero-flux IN-1000-S, cabos shunt DSI-MCTS-1000N e cabos de ligação de 5 m
SIRIUSi-4xHV-4xLV+: sistema universal de 8 canais para medição de binário e velocidade
SIRIUSi-6xACC-2xACC+: sistema de 8 canais para medições NVH (IEPE)
Transdutor de binário HBK T40: até três sensores para medição de potência mecânica
Acelerómetros IEPE: dois sensores para medição de vibração
PC: CPU AMD Ryzen 9 3900X (12x 3,80 GHz), 32 GB RAM, GPU ASUS RTX3060 12 GB, SSD para cálculo de potência em tempo real a 15 MHz via CUDA
Software de aquisição de dados
DewesoftX Professional: software padrão para aquisição, visualização e análise de dados
Módulo Power: plugin para medição de potência elétrica (P, Q, S, harmónicos, etc.)
Rotating Machinery Analyzer: conjunto de módulos para análise de máquinas rotativas, incluindo order tracking
Módulo CA-TESTBED: extensão para integração com o banco de ensaio Kristl Seibt Tornado
Análise de potência elétrica
O analisador Dewesoft SIRIUS XHS é responsável pelas medições de potência. Mede tensões e correntes na bateria (DC) e as tensões e correntes trifásicas entre o inversor e o motor.
Para sinais PWM de baixa percentagem, são necessárias entradas de 2000 V e uma taxa de amostragem de 15 MHz para captar impulsos muito curtos do inversor. Como o motor não possui ponto estrela acessível, foi utilizado um adaptador externo para criar uma referência virtual e permitir medições precisas das tensões trifásicas.
Para garantir máxima precisão na medição de eficiência, foram utilizados transdutores de corrente zero-flux com exatidão de 0,015%. A blindagem do cabo de alta tensão foi aberta para evitar influências na medição. A unidade compacta MCTS da Dewesoft assegurou uma alimentação estável para os transdutores.
Análise da eficiência do motor
Além das medições elétricas, o cálculo da eficiência do motor exige também a medição dos parâmetros mecânicos. Quanta potência mecânica será obtida? E qual será a velocidade final de funcionamento?
A engenharia calcula a eficiência do motor analisando vários parâmetros mecânicos e elétricos para avaliar com que eficácia um motor elétrico converte energia elétrica em trabalho mecânico. A eficiência de um motor elétrico é normalmente determinada pela fórmula:
Eficiência do motor (%) = (Potência mecânica de saída / Potência elétrica de entrada) x 100
Potência mecânica de saída
Este parâmetro representa o trabalho mecânico útil, ou seja, a potência de saída do motor elétrico. Pode ser determinado com a seguinte fórmula:
Potência mecânica de saída (em watts ou cavalos-vapor) = Binário (em Nm ou lb-ft) x Velocidade angular (em rad/s ou rpm)
Binário (Nm ou lb-ft) é a força rotacional gerada pelo motor e pode ser medida com sensores de binário ou calculada com base na força e no braço de alavanca.
Velocidade angular (rad/s ou rpm) é a velocidade de rotação do eixo de saída do motor e pode ser medida diretamente com tacómetros ou encoders.
Potência elétrica de entrada
Este parâmetro representa a potência elétrica consumida pelo motor para produzir a saída mecânica. Pode ser determinado com a seguinte fórmula:
Potência elétrica de entrada (em watts) = Tensão (V) x Corrente (A)
Tensão (volts) é a diferença de potencial elétrico nos terminais do motor, normalmente medida com um voltímetro.
Corrente (ampères) é a corrente elétrica que percorre os enrolamentos do motor, normalmente medida com um amperímetro.
Depois de obter estes valores, é possível calcular a eficiência do motor aplicando-os na fórmula.
O valor de eficiência resultante é expresso em percentagem e mostra quão bem o motor converte energia elétrica em trabalho mecânico útil. Quanto maior for a eficiência, mais eficaz é a conversão de energia e menor é a geração de calor desperdiçado.
O binário é um parâmetro crítico para descrever a força rotacional gerada por um motor. É normalmente medido em unidades como newton-metro (Nm) ou libra-pé (ft-lb).
Os sensores de binário da HBK forneceram dados de binário (Nm) e velocidade (RPM) sob a forma de um trem de impulsos, por exemplo, com frequência base de 60 kHz ± 30 kHz. Estes sinais foram captados pelas entradas de contador do SIRIUS, que operam a 100 MHz, e descodificados na configuração de medição por contadores do Dewesoft.
Análise NVH (ruído, vibração e aspereza)
Inicialmente, a Zoerkler pretendia utilizar o seu sistema NVH existente para medições de vibração. Os dados eram recolhidos separadamente e posteriormente combinados através de exportação para outro software. No entanto, após três semanas, os engenheiros decidiram procurar ajuda e questionaram se poderiam utilizar um sistema SIRIUS NVH por um curto período.
A solução foi simples. Bastou adicionar uma unidade SIRIUS adicional com entradas IEPE ao sistema existente. Os módulos encaixam-se facilmente entre si através dos suportes nos cantos. Com apenas a ligação USB e o cabo de sincronização, todo o sistema de aquisição de dados passou a funcionar como uma única unidade totalmente sincronizada.
A família de sistemas DAQ SIRIUS DualCoreADC oferece uma elevada gama dinâmica de 160 dB, utilizando dois ADCs de 24 bits por canal em paralelo. Com a tecnologia de sincronização IRIG, diferentes sistemas SIRIUS podem funcionar como uma única unidade. Em vez de combinar dados de sistemas separados, os engenheiros passaram a dispor de uma solução totalmente integrada.
Tornado testbed integration
Connecting to the Tornado testbed from Kristl Seibt/KS Engineers is simple. Dewesoft provides the Testbed module, which acts as an interface between DewesoftX software and testbed control systems. The standardized AK protocol executes the communication over TCP/IP.
More information is available within the Testbed module manual.
Zoerkler made a list of specific parameters needed to request or transmit data from Dewesoft to the test bed in real-time. Some of these parameters (Dewesoft channel names in brackets) were:
Effective Power of 5th Harmonic of Phase L1 (P_L1_H5).
Speed - The HBK T40 speed signal.
The component of the 13th harmonic, which we coupled back over the inverter on the DC side (U_dc/OrderH13) - we used the Order tracking module for this.
Total mechanical power (Pmech_Gesamt) calculated live by the DewesoftX math.
Mechanical efficiency in % (eta_m).
Inverter calibration
Integração com o banco de ensaio Tornado
A ligação ao banco de ensaio Tornado da Kristl Seibt (KS Engineers) é simples. A Dewesoft disponibiliza o módulo Testbed, que funciona como interface entre o software DewesoftX e os sistemas de controlo do banco de ensaio. A comunicação é realizada através do protocolo padronizado AK via TCP/IP.
Mais informações podem ser encontradas no manual do módulo Testbed.
A Zoerkler definiu uma lista de parâmetros específicos para envio e receção de dados em tempo real entre o Dewesoft e o banco de ensaio. Alguns desses parâmetros, com os nomes de canais Dewesoft entre parênteses, incluem:
Potência efetiva da 5ª harmónica da fase L1 (P_L1_H5)
Velocidade, sinal proveniente do sensor HBK T40
Componente da 13ª harmónica, retransmitida pelo inversor no lado DC (U_dc/OrderH13), utilizando o módulo de order tracking
Potência mecânica total (Pmech_Gesamt), calculada em tempo real no DewesoftX
Eficiência mecânica em percentagem (eta_m)
Calibração do inversor
O inversor é um componente crítico do sistema de eletrónica de potência. Converte a energia DC da bateria em energia AC para alimentar o motor elétrico, além de controlar a sua velocidade e direção. Em maio de 2022, os engenheiros da Zoerkler realizaram o primeiro teste de calibração da unidade de controlo eletrónico (ECU) do inversor.
Quando o servomotor opera a cerca de 5000 rpm, a caixa de engrenagens adaptadora com relação 5:1 permite atingir até 25 000 rpm. Seguindo as recomendações do fabricante do inversor, o primeiro teste foi realizado até 16 000 rpm.
Os engenheiros mantiveram uma rotação constante enquanto controlavam o binário em perfil escalonado. Durante o teste, registaram as tensões e correntes das três fases, juntamente com o binário, a velocidade e o circuito intermédio. As fases estavam equilibradas e não foram detetadas anomalias.
Os dados de medição do Dewesoft foram exportados para o Matlab, onde já existiam scripts de análise preparados.
Teste de carga e vibração
A segunda medição teve lugar em novembro de 2022. O principal objetivo do teste de carga foi avaliar a capacidade do sistema de acionamento elétrico para suportar forças, tensões e esforços durante o funcionamento, sem falhas ou degradação de desempenho.
Os engenheiros aplicaram um perfil de carga controlado ao motor, mantendo uma rotação estável. Ao variar entre diferentes níveis de rpm, registaram a potência mecânica e elétrica, bem como a eficiência do eixo elétrico, para obter uma visão completa do desempenho.
O motor foi instalado numa nova carcaça integrada com a caixa de velocidades. Desta vez, o conjunto foi colocado no centro do banco de ensaio. Os servomotores em ambos os lados forneceram a carga necessária para testar o binário e a potência mecânica de acordo com as especificações.
O DewesoftX visualizou a vibração medida em aceleração (m/s²) através de medidores digitais, registador e FFT.
Perfil WLTC (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle)
Por fim, os engenheiros submeteram o sistema de eixo elétrico HeAD a vários testes WLTC para avaliar emissões e consumo de energia. Este ciclo simula condições reais de condução, incluindo diferentes velocidades, acelerações e desacelerações.
Cada teste WLTC teve a duração de 30 minutos e é dividido em várias fases, desde baixa até extra-alta velocidade. A velocidade máxima no banco de ensaio foi de 131 km/h. Durante os testes, o motor atingiu uma potência máxima de 50 kW, indicando que ainda não tinha alcançado o limite de potência do eixo elétrico.
Conclusão
O hardware e software de aquisição de dados da Dewesoft suportam vários protocolos de comunicação automóvel, como CAN, CAN FD, LIN, FlexRay e XCP. Neste caso, a Zoerkler não necessitou destas funcionalidades, mas passa a ter essa capacidade disponível para futuras aplicações.
Entretanto, a Dewesoft consegue realizar uma análise completa da eficiência do motor, incluindo:
transformação dq
medição com resolver
mapeamento de eficiência
Foi também ampliada uma função matemática específica de mapeamento 2D, juntamente com a introdução de um widget de visualização em gráfico de contorno. Para mais detalhes, consulte o manual online do Motor Analysis.
A solução Dewesoft demonstrou elevada eficiência e permitiu uma rápida inovação no desenvolvimento de motores. Um sistema único de aquisição de dados para todos os sinais, como potência elétrica, NVH e CAN bus, revelou-se extremamente vantajoso. O hardware e software da Dewesoft garantiram uma integração simples com o banco de ensaio Kristl Seibt, bem como o acesso a dados brutos de alta velocidade para ajustes de cálculo e geração de relatórios.
A tecnologia de medição de alta precisão da Dewesoft, juntamente com os resultados e interpretações obtidos, constitui a base para uma avaliação extremamente rigorosa dos dados de medição. Obrigado por isso.
O módulo Motor Analysis da Dewesoft é uma solução completa que apoia o desenvolvimento de motores, unidades de controlo e inversores, mesmo para os fabricantes mais exigentes.