Control y calibración de cadenas cinemáticas eléctricas para fabricantes de automóviles y proveedores de primer nivel

HBK ofrece a los fabricantes y proveedores de primer nivel de la industria del automóvil una solución de ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas, compuesta por sofisticadas herramientas de ensayo y medición en tiempo real. Esta solución contribuye a agilizar los procesos de evaluación de diseños y proporciona información útil de forma rápida y efectiva. Nuestros equipos para este tipo de ensayos son los mejores en su clase, reducen al mínimo la incertidumbre de medición y aportan resultados fiables, a partir de los cuales se puede optimizar la eficiencia y las prestaciones de las cadenas cinemáticas para, en última instancia, mejorar la experiencia del conductor.

Presentación

Para entender y optimizar el comportamiento de una cadena cinemática completa —desde la fuente de potencia hasta la brida medidora de par—, los ingenieros tienen que ir mucho más allá de las simulaciones HIL (hardware-in-the-loop) y efectuar ensayos físicos de los componentes comerciales. Las pruebas en bancos de ensayos sirven para verificar los parámetros de diseño obtenidos en las simulaciones virtuales. Igualmente, permiten validar la interacción entre los subsistemas y calibrar un sistema y sus controles. Con la información que se obtiene, los ingenieros pueden optimizar la eficiencia y el rendimiento de una cadena cinemática antes de pasar a la producción en serie.

La solución para ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas que ofrece HBK es una combinación de sensores, instrumentos y software idónea para analizar la cadena cinemática de un vehículo eléctrico (VE), entendida como un sistema integrado. Esta solución ayuda a los ingenieros a entender la complejidad de las cadenas cinemáticas híbridas y de las motorizaciones eléctricas. También permite abordar nuevos desafíos y poner a punto las técnicas de ensayo y análisis necesarias para evaluar y optimizar cadenas cinemáticas.

Por otro lado, esta solución de ensayo está adaptada a las realidades económicas del desarrollo de vehículos eléctricos. El entorno de ensayos de cadenas cinemáticas de HBK ofrece una serie de ventajas a los ingenieros de pruebas de la industria del automóvil: configuración rápida; datos precisos para llevar a cabo análisis fiables; estrategias eficientes de adquisición, almacenamiento y transferencia de datos; funciones de análisis prácticas y, por supuesto, integración con buena eficacia de costes en sistemas de TI ya existentes y en el proceso de desarrollo de productos de la empresa.
 

Análisis de cadenas cinemáticas

Soluciones para el análisis de cadenas cinemáticas complejas de vehículos híbridos y eléctricos

Las cadenas cinemáticas eléctricas se utilizan en todas las escalas de vehículos: desde el segmento B hasta turismos de altas prestaciones; desde furgonetas ligeras hasta vehículos articulados de 16 ruedas; desde carretillas elevadoras hasta excavadoras para vehículos todoterreno y maquinaria de construcción.

Incluso en vehículos del mismo tipo, no es raro ver distintos conceptos de cadena cinemática eléctrica. En los turismos, sin ir más lejos, se hacen ensayos de cadenas cinemáticas consistentes en un único eje eléctrico con dos ruedas motrices, dos ejes eléctricos con cuatro ruedas motrices e incluso dos o más motores dirigidos a mover ruedas individuales. Por tanto, a la hora de analizar cadenas cinemáticas en un banco de ensayos estático podemos estar hablando de entre uno y cuatro motores, entre uno y cuatro inversores y entre dos y cuatro dinamómetros. Hoy día, los diseños de las motorizaciones eléctricas son tan variados que se necesita una solución de ensayos y medición que sea a la vez flexible y ampliable.

Los nuevos desafíos de la validación de cadenas cinemáticas eléctricas

Aunque en las pruebas de una cadena cinemática eléctrica se examinan aspectos muy variados, el objetivo fundamental no es otro que optimizar las prestaciones y minimizar el consumo de energía:
 

  • ¿Tiene la cadena cinemática la caracterización prevista que requiere el vehículo en cuestión?
  • ¿El comportamiento real de la cadena cinemática coincide con los resultados de las simulaciones?
  • Una vez ensamblados los subsistemas de los diferentes proveedores, ¿funciona el conjunto con la eficacia deseada?
  • ¿Los subsistemas de alta tensión de la cadena cinemática interaccionan satisfactoriamente con la electrónica de control de baja tensión?
  • ¿Cómo deben calibrarse los subsistemas para obtener las prestaciones deseadas respetando los parámetros de eficiencia objetivo?
  • ¿Los sistemas de control ofrecen una experiencia de conducción convincente para los posibles compradores del vehículo?

Lo más característico de la solución de HBK es que es capaz de medir con precisión la potencia dinámica durante los transitorios. Los pasos de carga, las aceleraciones y las deceleraciones que caracterizan los ciclos de conducción estándar de las pruebas de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos) y del procedimiento WLTP de la UE son la razón por la que, en los vehículos eléctricos, se utilizan motores eléctricos controlados por inversores.

La solución de ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas de HBK mide y adquiere señales eléctricas y mecánicas, además de señales de la ECU y del bus CAN del vehículo, de forma simultánea y sincronizada. Las entradas pueden compararse con las salidas para calcular la eficiencia. Las pérdidas pueden rastrearse inequívocamente hasta su causa. Y se pueden examinar efectos indeseables, como sobrecalentamiento o rumorosidad.

En definitiva, la solución de HBK es mucho más que una simple combinación de sensores, instrumentos y software capaz de trabajar conjuntamente: es una herramienta que proporciona a los ingenieros una información práctica que les permite actuar y acortar los tiempos de desarrollo de los vehículos eléctricos.

La solución de ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas de HBK

El elemento central de la solución de HBK es un dispositivo básico (mainframe) de la serie GENESIS HighSpeed, una plataforma modular capaz de medir señales mecánicas y eléctricas, y de funcionar como analizador de potencia, registrador de transitorios, osciloscopio y sistema de adquisición de datos todo en uno.

La familia está formada por cinco modelos. Dos de ellos son instrumentos portátiles con pantalla táctil de alta resolución, diseñados como equipos de sobremesa. Los otros tres son equipos fijos para montaje en rack; pueden trabajar con o sin un PC. Estos dispositivos básicos pueden utilizarse de forma autónoma, como una sola unidad o combinados con otras unidades a través de Ethernet, con escalabilidad ilimitada. Cada dispositivo básico ofrece de 2 a 17 ranuras para tarjetas de entrada, con flexibilidad "Plug & Play".

 


En los análisis de cadenas cinemáticas eléctricas, la configuración básica utiliza una o más tarjetas de análisis de potencia GN310B. Cada tarjeta GN310B acepta 3 canales de potencia (con 5 rangos de tensión hasta ±1500 V CC y 7 rangos de corriente, desde ±75 mA hasta ±2 A), más 2 canales digitales para señales de par y velocidad. Proporciona cálculos en tiempo real de media cuadrática, P, S, Q, λ, η, cosϕ, THD, i_alfa, i_ beta (entre otros), cálculos de potencia con el ancho de banda completo y cálculos de potencia fundamental.

Las lecturas de par se obtienen mediante bridas medidoras de par de HBK. Por ejemplo, el modelo T40B es un transductor de par universal autónomo; transmite los valores medidos en forma de señales digitales y se encuentra disponible en versiones para distintos pares nominales:  100 Nm, 200 Nm, 500 Nm, 1 kNm, 2 kNm, 3 kNm, 5 kNm y 10 kNm. Opcionalmente, la brida T40B ofrece también una señal de tiempo (velocidad de rotación) para análisis de dq0, perfecta para analizar la ondulación del par.

 

El transductor de par T12HP ofrece una precisión excepcional a altas velocidades de giro de hasta 22.000 rpm. Tiene un rango único de medida comprendido entre 100 y 10.000 Nm (a diferencia de los sensores de doble rango).

El resto de las ranuras del dispositivo básico pueden equiparse con tarjetas adicionales para ampliar el alcance del análisis e incluir, por ejemplo, señales de temperatura o rumorosidad (NVH). Por ejemplo, HBK ofrece tarjetas de adquisición de datos universales para 8 o 16 canales. Cada entrada es compatible con 9 tipos de sensores y es perfecta para llevar a cabo ensayos mecánicos dinámicos. Tiene una frecuencia de muestreo de 500 kS/s por canal y una resolución de 24 bits, lo que la convierte en una solución muy solvente para registrar señales de ensayos mecánicos procedentes de micrófonos, acelerómetros o termopares.

Interfaz especializada para análisis de rendimiento óptimo de transmisiones

El usuario controla la solución de ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas a través del software Perception de HBK. Este sofisticado entorno de software cubre la totalidad del proceso, desde la configuración del banco de ensayos hasta la elaboración de informes personalizados, y la totalidad de la cadena cinemática objeto del ensayo; desde la batería (o el emulador), hasta el inversor, la máquina, el eje de transmisión y la brida medidora de par.

La interfaz ha sido diseñada por expertos con el objetivo de que un ingeniero pueda manejar fácilmente toda la funcionalidad del analizador de potencia. El usuario puede cambiar de función con un solo clic del ratón: adquisición de datos en bruto, osciloscopio o analizador FFT. También ofrece funciones de visualización rápida (hasta 10 GB en 10 segundos) en varios monitores, para que el usuario pueda presentar esta información en tantas pantallas como admita su PC.

El software Perception está diseñado para adquirir datos a alta velocidad (400 MB/s). Asimismo, es capaz de procesar grandes volúmenes de datos de forma rápida. Y lo que es más, adquiere datos y los procesa simultáneamente. Los ingenieros pueden acceder a los datos guardados y visualizarlos incluso con la medición en curso, lo cual resulta muy útil para para gestionar y optimizar los experimentos en tiempo real.

Perception combina la adquisición de datos en bruto con los cálculos de potencia en tiempo real. De este modo, los ingenieros pueden confirmar —en vivo y en la pantalla— si han definido correctamente el diseño o los parámetros de su experimento. Esta realimentación intuitiva maximiza la productividad de los ingenieros.

Otra característica clave de Perception es su base de datos de fórmulas, que contiene más de 100 expresiones predefinidas, con análisis avanzados como vectores espaciales o transformaciones dq0 (también llamada transformación de Park). La base de datos puede ampliarse con fórmulas definidas por el usuario, creadas sobre la marcha o combinando elementos de listas de selección.

Perception también puede procesar datos guardados por lotes, dando a los ingenieros la posibilidad de efectuar análisis posteriores al proceso con fines de verificación y certificación, ahorrándose el tiempo y el esfuerzo que supone volver a realizar un ensayo. Por último, aunque no sea su característica menos importante, Perception permite transferir los datos desde sistemas RAID de almacenamiento seguro bajo Linux hasta paquetes de software de terceros tan conocidos como Matlab o LabVIEW.

Elaboración más rápida de mapas de contornos para mejorar la eficiencia de las cadenas cinemáticas

Los mapas de eficiencia son un método habitual para obtener información sobre las posibilidades de optimización de una cadena cinemática eléctrica. El proceso de observar, registrar y analizar el comportamiento de un cadena cinemática como un sistema completo en diferentes condiciones de velocidad y carga exige realizar múltiples series de ensayos iterativos con la mayor rapidez posible. En la práctica, es esencial gestionar estos ensayos de forma automática.

En la solución de ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas de HBK, el software Perception se encarga de la automatización. El usuario define dónde empieza y dónde terminan los puntos de consigna mediante teclas y macros, y las secuencias de ensayo y análisis se llevan a cabo de forma automatizada. Las activaciones se pueden controlar manualmente, mediante software o mediante control remoto TTL. Durante la ejecución del ensayo, Perception automatiza la recogida de datos para cada uno de los miles de puntos de consigna. Gracias a la capacidad de almacenamiento en tiempo real del dispositivo básico Genesis HighSpeed y a su capacidad para registrar las activaciones sin tiempos muertos intermedios, se puede completar en unos minutos todo el proceso de adquisición de datos en bruto, el cálculo y la visualización de los resultados en forma de un mapa del motor. Este sistema reduce notablemente el esfuerzo humano y genera mapas en tiempos más cortos.

La última versión de Perception ofrece técnicas adicionales que aceleran la producción de mapas de contornos.

  • El registro basado en ciclos proporciona un registro selectivo de datos. Por ejemplo, se pueden registrar datos de temperatura en continuo con una frecuencia de muestreo baja y, simultáneamente, adquirir señales eléctricas de interés con frecuencias de muestreo elevadas solo en los puntos de consigna necesarios para el mapa de contornos. Con ello se optimiza la recopilación de datos más concentrados.
  • La opción autorrango selecciona automáticamente el mejor rango para una señal dada, basándose en la intensidad de la señal, según la identifica el analizador de potencia. Así, por ejemplo, cuando se confecciona un mapa de eficiencia, la opción autorrango se encarga de seleccionar automáticamente el rango apropiado después de cada cambio incremental de par; con ello se reduce al mínimo la incertidumbre de medición.

Aparte de automatizar los procesos de medida y adquisición de datos, Perception automatiza la exportación de datos, el análisis o la elaboración de informes.

Datos exactos, precisos y fiables

Uno de los principales argumentos de la solución de ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas de HBK es que proporciona datos exactos, precisos y altamente granulares, con los que es posible entender más a fondo la máquina que estamos probando.

  • Las tarjetas de análisis de potencia GN310B ofrecen la mejor precisión en su clase en medidas de potencia: 0,015% de la lectura, 0,02% del rango.
  • Las bridas medidoras de par ofrecen la mejor precisión de su clase: la T40B tiene una clase de precisión de 0,05 y la T12HP una clase de precisión de 0,02.

Conocer mejor la máquina que ensayamos nos permite explotar mejor las posibilidades de optimización de la cadena cinemática del vehículo eléctrico y conseguir mayores niveles de control.

Las realidades económicas del desarrollo de vehículos

Aumento de la inversión al principio del ciclo de desarrollo

Los aspectos económicos del desarrollo de vehículos evolucionan constantemente. La introducción de los motores eléctricos ha eliminado una serie de cuestiones (emisiones de gases de escape, ruido del motor) pero, a cambio, ha puesto otras sobre la mesa (ruido del inversor y de la caja de cambios). Algunos problemas que ya existían antes (incompatibilidad entre componentes o subsistemas, imperfecciones debidas al diseño, causadas por efectos de carga o temperatura o asociadas a variaciones en la fabricación) adquieren ahora una nueva dimensión.

Cada vez más, los fabricantes de automóviles y los proveedores de primer nivel que trabajan para ellos invierten más al principio del ciclo de desarrollo, buscando una mayor eficiencia económica y plazos de comercialización más cortos. Como resultado de ello, los departamentos de pruebas de motorizaciones eléctricas están adaptando sus procedimientos y metodologías de ensayo a estos nuevos desafíos. La solución de ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas de HBK está adaptada a estas tendencias en el proceso de desarrollo de productos: configuración rápida, mayor velocidad a la hora de obtener información, estrategias más potentes de manejo de datos, adaptación al proceso de desarrollo de productos y seguridad laboral.

Configuración acelerada

Los ingenieros que trabajan en procesos de ensayo de cadenas cinemáticas necesitan integrar un amplio espectro de herramientas en sus bancos de ensayos: sensores para señales eléctricas y mecánicas, PC de automatización, analizadores de potencia, sistemas de adquisición de señales de temperatura o NVH, software de análisis y visualización, etc. Cualquier incompatibilidad entre los sensores, los instrumentos y el software consume innecesariamente recursos de personal.

Precisamente por eso, los productos de HBK están diseñados y construidos pensando en la interoperabilidad y tienen un diseño que facilita la integración de sensores e instrumentos. Siguen un concepto "plug & play" que garantiza que los componentes individuales de la cadena de medida sean fáciles de integrar. HBK suministra incluso elementos como cables y consumibles que, aunque puedan parecer secundarios, garantizan una señal de alta calidad y contribuyen a la productividad del personal.

El propio software Perception está diseñado para aumentar la productividad de los ingenieros durante la configuración del banco de ensayos:

  • El configurador de bancos de ensayos permite a los ingenieros crear una configuración arrastrando y soltando en la pantalla los símbolos de las fuentes de potencia, los inversores y los motores. Es posible reproducir en cuestión de minutos cualquier cadena cinemática real.
  • Durante la configuración se crean automáticamente indicadores y representaciones. Todas las fórmulas oportunas se aplican automáticamente. Perception identifica automáticamente los dispositivos a medida que se conectan, con el objetivo de simplificar la fase de configuración de los ensayos. Es intuitivo y ahorra tiempo.

La solución de HBK está construida con los mejores productos en su género, para ofrecer la máxima precisión posible y los resultados más fiables. El diseño modular y la integración garantizada de los componentes garantizan una instalación sin problemas. Las soluciones son flexibles y pueden ampliarse con facilidad, lo que garantiza la rentabilidad a largo plazo de la inversión.

Obtener información de interés más rápidamente

La solución de ensayos de cadenas cinemáticas eléctricas de HBK ayuda a los ingenieros a comprender el rendimiento, las pérdidas y la eficiencia de un sistema electromecánico de manera más rápida y precisa que nunca.

Para ello, HBK ha adaptado sus técnicas de medida; por ejemplo: adquisición más rápida de puntos de consigna estáticos para una elaboración más eficiente de mapas de motores; recopilación de datos cada medio ciclo que la adquisición resulte más dinámica durante los transitorios y proporcione datos más precisos.

Sincronización y transferencia de datos

A la hora de evaluar el rendimiento de una cadena cinemática, adquirir simultáneamente señales eléctricas y mecánicas ahorra tiempo y esfuerzo, además, reduce errores causados por incompatibilidad entre componentes. La solución de HBK tampoco descuida las estrategias de manejo de datos; por ejemplo, la sincronización de señales y la transferencia de datos:

  • Los dispositivos de la cadena de medida de HBK utilizan la versión 2 del protocolo de tiempo de precisión (PTP v2, también conocido como IEEE 1588-2008) para sincronizar los relojes de varios dispositivos conectados a una red Ethernet.
  • Los datos en bruto que recoge el sistema de adquisición, los resultados de las medidas y los resultados prácticos del análisis del comportamiento de la cadena cinemática se pueden transferir empleando estándares de la industria. La transferencia "plug & play" (utilizando el protocolo en tiempo real EtherCAT, el bus CAN FD o una API de software) proporciona un flujo eficaz de datos sincronizados a puntos distribuidos de la red.

Seguridad laboral

Las características de los vehículos eléctricos no dejan de evolucionar en respuesta a las necesidades de los clientes. Una de las tendencias más llamativas es el uso de tensiones eléctricas más altas. Actualmente se está produciendo una transición desde los sistemas de 400 V a los de 800 V, motivada en gran medida por el deseo de acortar los tiempos de recarga de los vehículos. En consecuencia, los equipos de los bancos de ensayos deben adaptarse a estos nuevos voltajes.


En la solución de HBK:

  • Los analizadores de potencia Genesis HighSpeed cumplen las categorías más altas de sobretensión y pueden utilizarse sin problemas a niveles de hasta 1500 V.
  • El divisor de alta tensión HVD50R para aplicaciones de más de 1000 V cumple la norma de seguridad IEC 61010-031:2002.

Servicios

HBM ofrece una transferencia de conocimientos normalizada e individualizada, para que los profesionales de nuestros clientes resulten productivos a la mayor brevedad. Podemos impartir cursos de formación tanto online como a domicilio, o en las instalaciones de nuestra HBM Academy.

La formación puede adaptarse a necesidades específicas:

  • Técnicas de ensayos de potencia eléctrica
  • Consideraciones sobre incertidumbre de medición
  • Prevención de interferencias electromagnéticas
  • Adquisición de datos de medición: elección correcta de los parámetros de medida
  • Optimización de la adquisición de datos mediante "detección de ciclos"
  • Filtros y frecuencias de muestreo
  • Medición de fuerza y par
  • Análisis avanzados y personalizados con el software Perception