Controllo del gruppo propulsore elettrico e taratura per fabbricanti del settore automobilistico e fornitori Tier 1

La soluzione HBK per i test del gruppo propulsore offre ai fabbricanti del settore automobilistico e ai fornitori Tier 1 una serie di strumenti sofisticati per la prova e la misura per ottimizzare il processo di valutazione e fornire conoscenze rilevanti in modo rapido ed efficace. La nostra attrezzatura per le prove su gruppo propulsore elettrico, la migliore della categoria, riduce al minimo l’incertezza di misura, con risultati affidabili per ottimizzare l'efficienza e la performance del gruppo propulsore e migliorare definitivamente l'esperienza alla guida.

Vista d’insieme

Comprendere e ottimizzare il comportamento di un gruppo propulsore completo, tipicamente dalla fonte di alimentazione (o emulatore) alla flangia della ruota, implica che gli ingegneri vadano oltre la simulazione HIL ed eseguano le prove fisiche sui componenti fabbricati. Le prove sui banchi verificano i parametri di progettazione forniti dalla simulazione virtuale, convalidano l’interazione tra sottosistemi e tarano il sistema e i suoi controlli. Le informazioni raccolte consentono agli ingegneri di ottimizzare l’efficienza e la performance prima di iniziare la produzione di massa.

La soluzione HBK per i test del gruppo propulsore è una combinazione di sensori, strumenti e software che consentono di analizzare i propulsori dei veicoli elettrici come sistemi integrati. Consente agli ingegneri di affrontare la complessità dei propulsori ibridi ed elettrici, affrontare le nuove sfide per la loro convalida e fornire le tecniche di prova e analisi necessarie per la loro valutazione e ottimizzazione.

Allo stesso tempo, HBK ha progettato una soluzione per i test del gruppo propulsore in modo da affrontare le realtà economiche dello sviluppo di veicoli elettrici. L’ambiente dei test sul gruppo propulsore di HBK fornisce agli ingegneri una configurazione rapida, dati accurati e precisi per un’analisi affidabile, una raccolta efficace dei dati, strategie di archiviazione e trasferimento, analisi significative e integrazione conveniente nei sistemi IT, oltre che nel processo di sviluppo del prodotto aziendale.

Analisi del gruppo propulsore

Soluzioni per analizzare gruppi propulsori complessi, ibridi ed elettrici per i veicoli

I gruppi propulsori elettrici sono utilizzati su veicoli di qualunque scala: dai compatti alle vetture ad alte prestazioni, dai van leggeri agli articolati da 16 ruote, dai carrelli elevatori agli escavatori per veicoli off-road e da costruzione.

Anche sui veicoli dello stesso tipo, il concetto di gruppo propulsore elettrico spesso è implementato in diversi modi. Sulle auto per il trasporto passeggeri, ad esempio, il gruppo propulsore testato può essere destinato a qualunque veicolo, da un assale elettrico singolo con due ruote motrici, passando per doppio assale elettrico con quattro ruote motrici fino a due (o più) singoli motori. L’analisi del gruppo propulsore su apparecchiatura di prova statica potrebbe quindi coinvolgere da uno a quattro motori, da uno a quattro inverter e da due a quattro dinamometri. La grande varietà dei design dei gruppi propulsori elettrici contemporanei richiede una soluzione per i test e le misurazioni che sia flessibile ed estensibile.

Le nuove sfide per la convalida del gruppo propulsore elettrico

Durante i test sui gruppi propulsori elettrici sono esaminati diversi punti, volti innanzitutto a ottimizzare la performance riducendo al minimo il consumo:
 

  • Il gruppo propulsore ha le caratteristiche previste e necessarie per questo veicolo?
  • L'effettivo comportamento del gruppo propulsore corrisponde al comportamento ottenuto dalle simulazioni?
  • I sottosistemi di diversi fornitori si possono abbinare davvero come sembrava?
  • I sottosistemi dei gruppi propulsori ad alta tensione interagiscono come previsto con l’elettronica di controllo a bassa tensione?
  • Come deve essere tarato il sottosistema per fornire la performance desiderata entro i parametri target di efficienza?
  • I sistemi di controllo garantiscono l'esperienza di guida necessaria per convincere i potenziali acquirenti dei veicoli?

 

La caratteristica distintiva della soluzione HBK è che misura la potenza dinamica con precisione durante i transienti. Le fasi di carico, i run-up e run-down che caratterizzano i cicli standard dei test di guida dell’US Environmental Protection Agency (EPA) e dello European WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure) sono il motivo per cui per i gruppi propulsori destinati ai veicoli elettrici si usano motori elettrici controllati da inverter.

La soluzione HBK per i test del gruppo propulsore elettrico misura e cattura segnali elettrici e meccanici, oltre a segnali ECU e CAN simultaneamente e su un’unica traccia temporale. Gli input possono essere confrontati con gli output per calcolare l'efficienza, mentre le perdite possono essere tracciate senza ambiguità fino alla loro causa. È inoltre possibile indagare effetti a valle, come temperatura o NVH su altri sottosistemi.

La soluzione HBK per i test del gruppo propulsore elettrico è più che una combinazione di sensori, strumenti e software che funzionano efficacemente insieme. Ottimizza la comprensione e consente agli ingegneri di agire in base alle conoscenze acquisite, anticipando l’ingresso sul mercato dei veicoli.

Soluzione HBK per i test del gruppo propulsore elettrico

Al cuore della soluzione HBK per i test del gruppo propulsore elettrico vi è la serie GENESIS HighSpeed di mainframe. Si tratta di una piattaforma modulare che misura i segnali meccanici ed elettrici e funziona come analizzatore di potenza, registratore di transienti, portata e sistema di acquisizione dati tutto in uno.

La gamma comprende cinque modelli: due strumenti portatili con touchscreen ad alta risoluzione progettati per l’uso su banco e  tre strumenti collegati disponibili per il montaggio a rack, utilizzabili con o senza un PC. Questi mainframe possono essere usati in modalità stand-alone, come singolo mainframe o uniti ad altri mainframe tramite Ethernet, per una scalabilità illimitata. Ogni strumento fornisce da 2 a 17 slot per schede d’ingresso, con una flessibilità ‘plug-and-play’.

 

Per l'analisi del gruppo propulsore, la configurazione di base impiega una o più schede ‘analizzatore di potenza’ GN310B. Ogni GN310B accetta 3 canali di potenza (5 intervalli di tensione a ± 1500 V DC e 7 intervalli di corrente a partire da ± 75 mA fino a ± 2 A), più 2 canali digitali per coppia e velocità. Fornisce calcoli in tempo reale di RMS, P, S, Q, λ, η, cosϕ, THD, i_alpha, i_ beta (e altro) con calcoli di potenza a piena larghezza di banda e calcoli di potenza fondamentali.

Le misurazioni della coppia sono fornite dalla gamma dei trasduttori HBK a flangia. T40B, ad esempio, è un trasduttore di coppia universale stand-alone che trasmette i valori misurati come segnali digitali in un intervallo di coppie nominali:  100 Nm, 200 Nm, 500 Nm, 1 kNm, 2 kNm, 3 kNm,5 kNm e 10 kNm. T40B è disponibile come optional con un segnale temporale (velocità di rotazione) per l’analisi dq0 e consente l’analisi della variazione di coppia.

 

 

 

Per una precisione eccezionale a velocità di rotazione fino a 22.000 giri/min, il trasduttore di coppia T12HP fornisce valori precisi in tutto l’intervallo di misura, da 100Nm a 10.000Nm, senza la necessità di cambiare l’intervallo di misura (come i cosiddetti sensori dual range).

Gli slot liberi nei mainframe sono quindi equipaggiati con schede aggiuntive per ampliare la portata dell’analisi in modo da comprendere, ad esempio, la temperatura o NVH. Le schede di acquisizione dati universali, ad esempio, sono disponibili per 8 o 16 canali. Ogni ingresso supporta 9 diversi tipi di sensore ed è perfettamente adatto ad effettuare test meccanici dinamici. L’elevata frequenza di campionamento di 500 kS/s per canale e la risoluzione da 24 bit la rende la soluzione perfetta per registrare i segnali delle prove meccaniche attraverso microfoni, accelerometri o termocoppie.

Interfaccia Expert per un’analisi ottimale della performance del propulsore

L’utente controlla la soluzione HBK per i test del gruppo propulsore elettrico tramite il software Perception di HBK. Questo ambiente software sofisticato copre l’intero processo del test del gruppo propulsore, dalla configurazione del banco prova attraverso l’emissione di report personalizzati e l'intera portata del gruppo propulsore testato, dalla batteria (o emulatore) attraverso inverter, macchina e trasmissione, fino alla flangia della ruota.

L’interfaccia è stata progettata da esperti UI per consentire agli ingegneri di usare facilmente tutte le funzionalità dell'analizzatore di potenza. Con un solo clic del mouse, gli utenti possono passare tra le funzioni di un DAQ per un'acquisizione di dati grezzi, portata o un analizzatore FFT. Visualizzazione rapida (fino a 10 GB in 10 secondi) e capacità multi-monitor consentono agli utenti di visualizzare questa informazione attraverso tutti gli schermi supportati dal PC.

Il software Perception è progettato per un'acquisizione dati ad alta velocità (400 MB/s). Fornisce anche una lavorazione rapida e affidabile di grandi quantità di dati e lo fa simultaneamente. Gli ingegneri possono accedere e visualizzare i dati salvati anche durante le misurazioni del gruppo propulsore elettrico, per una gestione in tempo reale e un’ottimizzazione degli esperimenti.

Unendo l’acquisizione di dati grezzi al calcolo della potenza in tempo reale, Perception consente agli ingegneri di confermare, dal vivo e sullo schermo, che il design o i parametri per qualunque esperimento sul gruppo propulsore sono correttamente definiti. Questo loop di feedback intuitivo aumenta al massimo la produttività degli ingegneri.

Una funzione chiave di Perception è il database con oltre 100 formule predefinite, che comprende analisi avanzate, come la trasformazione vettore spaziale o dq0 (ovvero trasformazione Park). Il database può essere ulteriormente espanso con formule definite dall’utente, create sul momento o unendo elementi da liste di selezione.

L’elaborazione in batch dei dati salvati tramite Perception consente agli ingegneri di eseguire analisi post-process per eseguire verifiche e certificazioni senza che siano necessari i tempi e la fatica di ripetere un test. Inoltre, Perception consente agli ingegneri di trasferire i dati da RAID array Linux sicuri a sistemi di terze parti, come Matlab o LabVIEW.

Produzione più rapida delle mappe di superficie per una maggiore efficienza del propulsore

Le mappe di efficienza sono un metodo standard per acquisire informazioni sulle opportunità e ottimizzare un propulsore elettrico. Il processo di osservazione, registrazione e analisi del comportamento del gruppo propulsore come sistema completo attraverso diverse condizioni di velocità e di carico significa eseguire set multipli di test in loop iterativi il più velocemente possibile. In pratica, la gestione automatica del test è essenziale.

Nella soluzione HBK per i test del gruppo propulsore elettrico, l'automazione è garantita dal software Perception. L’inizio e la fine del set point sono definite dall’utente attraverso tasti e macro, così come pure le sequenze di prova e analisi automatiche. La serie di trigger può essere controllata manualmente, tramite software o con comando remoto TTL. Durante il funzionamento, Perception automatizza la raccolta di dati per ognuna delle migliaia di set point. Le capacità di archiviazione in tempo reale del mainframe Genesis HighSpeed e la capacità di registrare trigger senza tempi morti nel mezzo permettono di eseguire il processo di acquisizione dei dati grezzi, il calcolo e la visualizzazione dei risultati per una mappa motore in pochi minuti. Questo approccio riduce in modo significativo lo sforzo del personale e garantisce la produzione di ogni mappa in un tempo più breve.

Alcune tecniche aggiuntive nella nuova versione di Perception consentono di accelerare la produzione di mappe di superficie.

  • La registrazione basata su ciclo fornisce una registrazione selettiva dei dati. Ad esempio, i dati sulla temperatura possono essere registrati in via continuativa a una bassa frequenza di campionamento, mentre le alte frequenze di campionamento per segnali elettrici chiave sono applicate soltanto nei setpoint necessari per la mappa superficiale. In questo modo viene agevolata una raccolta di dati maggiormente focalizzata.
  • L’opzione Auto Range seleziona automaticamente l’intervallo migliore per un segnale sulla base della potenza del segnale così come individuato dall’analizzatore di potenza. Quando si crea una mappa di efficienza, ad esempio, la funzione Auto Range selezionerà automaticamente l’intervallo adeguato dopo ogni cambiamento di step in coppia, per ridurre l’incertezza di misura.

Oltre all'automatizzazione dei processi di misurazione e acquisizione dati, Perception consente agli ingegneri di automatizzare l’esportazione dati o la generazione di report.

Dati precisi, accurati e affidabili

Una considerazione primaria di cui tenere conto per scegliere la soluzione HBK Electric Powertrain Testing è che fornisce dati precisi, accurati e altamente granulari, che promuovono una migliore comprensione della macchina sottoposta a prova.

  • La scheda dell'analizzatore di potenza GN310B fornisce una precisione massima per la misurazione della potenza: 0,015% di lettura, 0,02% di intervallo.
  • I trasduttori di coppia a flangia forniscono una precisione massima: T40B ha una classe di precisione di 0,05, mentre per T12HP è di 0,02

Comprendere meglio la macchina sottoposta a prova consente di porsi domande più corrette per ottimizzare i propulsori dei veicoli elettrici, con livelli di controllo mai raggiunti prima.

Le realtà economiche dello sviluppo veicoli

Accelerazione del ciclo di sviluppo

Le considerazioni economiche nello sviluppo dei veicoli stanno cambiando in continuazione. L’introduzione di propulsori elettrici ha eliminato alcuni problemi (emissioni di scarico, rumore del motore) ed evidenziato altri (rumore dell’inverter, del riduttore). Alcuni problemi precedenti (incompatibilità tra componenti o sottosistemi, imperfezioni causate dal design, effetti di carico o temperatura o modifiche di fabbricazione) ora si presentano con una forma diversa.

Sempre più OEM del settore automotive e fornitori Tier 1 cercano di raggiungere efficienze economiche e time to market più brevi, velocizzando il ciclo di sviluppo. A livello pratico, chi si occupa di prove sul propulsore elettrico sta adeguando le proprie procedure e metodologie di prova per affrontare queste nuove sfide. La soluzione HBK Electric Powertrain Testing è allineata a queste transizioni nel processo di sviluppo prodotto del settore automobilistico: l'attenzione è soprattutto sulla rapidità di configurazione, l’aumento della velocità di comprensione, il supporto delle strategie di dati, il processo di sviluppo prodotto e la sicurezza del posto di lavoro.

Configurazione rapida

Quando si gestisce la procedura di prova del propulsore, gli ingegneri devono integrare un numero importante di strumenti per il banco prova: sensori per segnali elettrici e meccanici, PC per l'automazione, analizzatori di potenza, sistemi DAQ per segnali quali la temperatura o NVH, software per l’analisi e la visualizzazione, ecc. Qualunque incompatibilità tra sensori, strumenti e software è un inutile consumo di risorse umane.

I prodotti di HBK dall'altro lato sono progettati e costruiti per l’interoperabilità: i sensori e gli strumenti sono integrati nel design. L’approccio ‘plug-and-play’ garantisce la facilità di integrazione dei singoli componenti della catena di misura. Usare cavi minori o essenziali o consumabili HBK consente di ottenere un’elevata qualità del segnale e garantisce la produttività del personale.

Il software Perception è anche progettato per aumentare la produttività degli ingegneri durante la configurazione del banco prova:

  • La funzione di configurazione del banco prova consente agli ingegneri di creare una configurazione tramite drag and drop sullo schermo dei simboli di sorgenti di alimentazione, inverter, motori. È possibile rispecchiare in pochi minuti qualunque propulsore reale.
  • Durante la configurazione, misuratori e schermate vengono creati automaticamente e tutte le formule sono applicate automaticamente. Per semplificare la fase di impostazione di una prova, Perception riconosce automaticamente i dispositivi quando sono collegati. È intuitivo e consente di risparmiare tempo.

La soluzione Electric Powertrain Testing è realizzata dal basso, con i prodotti migliori della categoria, che forniscono la massima precisione possibile, in modo da garantire risultati affidabili. Il design modulare e l’integrazione garantita dei componenti garantiscono un’installazione ‘senza grattacapi’. Le soluzioni sono flessibili e facilmente estese, garantendo così un ritorno sugli investimenti a lungo termine.

Aumento della velocità di comprensione

L’obiettivo della soluzione HBK Electric Powertrain Testing è aiutare gli ingegneri a comprendere la preferenza, le perdite e l’efficienza dei sistemi elettromeccanici più rapidamente e precisamente che mai.

HBK pertanto adatta le sue tecniche di misura per acquisire dati di alta qualità. Per esempio: acquisizione più rapida dei setpoint statici per una produzione più efficiente delle mappe del motore, raccolta di dati sul semiciclo per fornire un’acquisizione dinamica di dati precisi durante i transienti.

Sincronizzazione e trasferimento dati efficace

Una volta valutata la performance del propulsore, acquisire i segnali elettrici e meccanici simultaneamente consente di risparmiare tempo e sforzi, riducendo gli errori inutili provocati dall’incompatibilità dei componenti. La soluzione HBK Electric Powertrain Testing supporta anche strategie di dati efficaci, come la sincronizzazione dei segnali e il trasferimento dei dati:

  • I dispositivi nella catena di misura HBK utilizzano la versione 2 del Precision Time Protocol (PTP v2, denominato anche IEEE 1588-2008) per sincronizzare gli orologi di più dispositivi collegati tramite Ethernet.
  • I dati grezzi raccolti da DAQ, i risultati di misura e le informazioni acquisite dall’analisi del comportamento del propulsore sono tutti trasferibili tramite standard del settore. Trasferimento plug-and-play tramite protocollo EtherCAT in tempo reale, bus CAN FD o software API forniscono dati sincroni efficienti a punti distribuiti attraverso la rete

Sicurezza del posto di lavoro

Le caratteristiche EV continuano a evolvere in risposta alle esigenze dei clienti. Tra le tendenze più evidenti vi sono tensioni più alte per i propulsori elettrici. L’attuale interesse nella transizione da sistemi di 400V a 800V sembra essere guidato in gran parte dall’obiettivo di ottenere tempi di ricarica più brevi. A livello di sviluppo prodotto, ne consegue che l’attrezzatura per i banchi prova deve avere una sicurezza commisurata.


Nella soluzione HBK:

  • Gli analizzatori di potenza Genesis HighSpeed rispondono alle massime categorie di sovratensioni, consentendo un utilizzo senza problemi fino a 1500 V
  • Il divisore alta tensione HVD50R per le applicazioni superiori a 1000V è conforme alla norma di sicurezza IEC 61010-031:2002

Servizi

HBM offre un trasferimento di conoscenze standardizzato e personalizzato per garantire ai professionisti di diventare produttivi prima possibile. Le sessioni di addestramento si possono tenere online oppure presso la sede del cliente o ancora negli ambienti di HBM Academy.

Il contenuto dell'addestramento e delle istruzioni può essere personalizzato per soddisfare esigenze specifiche:

  • Tecniche di Electric Power Testing
  • Considerazione dell’incertezza di misura
  • Gestione dell’interferenza elettromagnetica (CEM)
  • Acquisizione di dati misurati – la scelta giusta dei parametri di misura
  • Ottimizzazione dell’acquisizione dati con “rilevamento ciclo”
  • Filtri e frequenze di campionamento
  • Misurazione di forza e coppia
  • Analisi avanzata e personalizzata con software Perception