EVパワートレイン試験を最適化する方法

カーディーラーのショールームでは、新しいEVの広告ステッカーが、潜在顧客に「エネルギー消費量」(ギャロンE換算のミルズ単位)と「走行距離」(バッテリーの充電が必要になるまでの走行距離)という2つの重要な情報を伝えています。 ドライバーにとって、低消費は低コストを意味し、より長い走行距離は利便性を意味します。

EVエンジニアは、異なる観点から同じ問題を見ることができます。  エネルギーロスを最小限に抑え、個々のコンポーネント、サブシステムレベル、および車両全体のレベルで最高の効率を達成することを目指しています。

EV試験の基本

技術者がドライブトレインを点検するときは、モーター効率だけではなく、より多くのことを考慮します。 例えば、エネルギー損失はどこで起こるのか?  AC からバッテリーに充電中ですか? エネルギー保存? DCバッテリから再びAC への変換中ですか? インバーターでは? それともモーターですか? 技術者は、電気エネルギーを機械的動力に変換するバッテリとインバータとモータの組み合わせ全体を最適化しようとします。 最後に、これら3つのユニット間の伝達を制御するモーターコントローラーが正しく動作することを確認する必要があります。

モーター効率計算の難しさ

「電力入力」対「機械的出力」の比として電動機効率を計算することは非常に容易に聞こえます。 しかしながら、それは違います。なぜなら、実際には、このようなシステムはダイナミックに考えなければいけません。 実際、電力を正確に測定し、変化する速度とトルクのもとでインバータとモーターの効率を最適化することは、電力試験において最も要求される課題の一つです。

モータ・インバータ試験で考慮すべき変数

これらのコンポーネントがそれぞれの効率に与える影響は、単なる電力よりも効率に影響を与えます。 個々のコンポーネントがどのように動作しますか?  その挙動は、異なる状況(温度、湿度)および動的状態(道路状況や運転スタイルの変化)でどのように変化しますか? もちろん、大きな帯域幅、広いダイナミックレンジ、ノイズが発生するEMC環境における高い測定精度など、相反する技術的要求があります。

物理的試験Vs. コンピュータシミュレーション

コンピュータシミュレーションは、電気モータ効率の理論的な指標を提供するが、計算値がテストベンチで得られた証拠と一致すること、および両方とも現実での実状を反映することを確かめるために、広範な物理的試験によってこれらを検証する必要があります。 高品質の測定データは、エンジニアが、コンポーネント、サブシステム、または完全な車両を、より多くの試験によって検証する必要があるかどうか、または生産に入る準備ができているかどうかを決定することを可能にする信頼性のある考察を提供します。

パワートレイン試験の複雑化

これが問題が始まる場所であり、コンポーネントファミリー内の複雑さは非常に大きい。  強力なバッテリーと効果的なインバーターと効率的なモーターを組み合わせることは、ドライブシステムがそれほど効率的であることを自動的に保証するわけではありません。バッテリーは200~400ボルトの範囲ですが、600~800ボルトの高さにすることができます。  低周波数で動作するインバータスイッチは、損失を低減しますが、可聴になることがあります。高周波数では損失が大きくなり、物理的なスイッチサイズによって制限されます。 新しく開発された高周波モデルでは高価で、まだ堅牢ではありません。

モータ種類別

モータの種類(永久磁石、誘導、巻線磁界、スイッチドリラクタンス)にモータサイズの範囲をかけたものは、無限の可能性を提供します。  さらに、複数のインバータを使用することにより、事実上、6つ以上のフェーズを有する機械を作り出すことが可能です。 それぞれの組み合わせには、個々の利点と欠点があります。 次に、EVは、1~4つの動力モータと、バッテリから電力を引き、車両の効率に影響を与える補助システム(窓、シートなど)のための多数の小型DCモータとを有することができます。

車両差

個々のクルマは、開発当初に明確に定義された顧客の期待に応えるよう設計されています。 例えば、スポーツカーの運転者の期待することは、範囲、快適さ、及び運転行動に関して、小型自動車運転者の期待とは異なっています。  テストでは、実際のパフォーマンスが落ちたり、効率性、損失、行動に対する期待値を満たしたり、上回ったりするかどうかを、それぞれの場合で明確にしなければなりません。

後方互換の作り込み

同時に、モータメーカーは、経済基準と設計要件のバランスをとることを目指しています。  また、生産単価に加えて、R&D、テストサイクルの短縮と市場投入までの時間の短縮による開発にも注力している。

カスタムパワートレインテストワークフローの必要性

電気自動車の分野における試験の標準はほとんどないので、すべての試験設定は、試験中の個々の構成要素から導き出されます。 すべての車両は、定速および荷重の変化、ならびに荷重条件(道路条件、駆動スタイル、バッテリ条件、または気温や天候などの周囲条件)に対処できる必要があるため、これらのパラメータは、テスト設定で考慮する必要があります。 以上見てきたように、1つの車軸だけではなく、複数のモータを搭載した複数の車軸においても、設定はさらに複雑になります。 この複雑さのレベルは、測定の数を倍増させ、収集されるデータの量は、比例して増大します。

通常は高度にカスタマイズされた複雑で時間のかかるテストベンチビルドを追加します。 したがって、シリーズ生産までの開発段階の継続期限を確実に満たすためには、タイムリーな調整と計画が不可欠です。 このためには、テストベンチのすべての部分がスムーズにメッシュ化されている必要があります。 これらすべての要件を同時に満たすためには何ができるか? その答えは、テストベンチシステムにシームレスに統合するテストベンチ装置を選択することであり、これは正確であるだけでなく、エンジニアの生産性を向上させると同時に、検証と認証のために監査可能な結果を提供する必要性をサポートします。

図5: HBKのeDriveソリューションは、高精度センサー、強力なハードウェア、直感的なソフトウェアなど、測定チェーン全体をカバーしています。 機械信号(トルクなど)と電気信号(電流と電圧)は同時に取得され、エンジニアがモータドライブとその損失を以前よりも早く正確に理解できるようになります。

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HBMのeDriveテストソリューション

HBM eDrive Testing Solution は、耐久性があり、信頼性の高いハードウェア、高度なソフトウェア、および完全な相互運用性のために設計された高精度のセンサで構成されています。  このソリューションは、モータ効率をテストするタスクに役立ち、電気的、機械的、制御的、およびNVH信号を同様に処理することができます。

モジュール式のフレキシブルなセットアップにより、エンジニアはテストベンチを小さな入力チャンネル数または高い入力チャンネル数に適合させることができます。 ダイナミックパワー測定では、最大51 の入力チャネルを高いサンプリングレートと最高の精度で同時に処理できます。 チャネル密度は、ポータブルまたはテザー接続されたGENESIS High Speed Power Analyzerメインフレームに必要な数のパワーカードを追加するか、複数のPower Analyzer を組み合わせることによって実現されます。 たとえば、GEN310B  3 チャンネルパワーカードは、優れた精度、2MS/s サンプリングレート、最適な効率計算を備えています。 その電圧入力範囲は最大1500 V DC です。これにより、最も要求の厳しい電気自動車試験アプリケーションをカバーしながら、クラス最高の1000 V CAT IV 安全定格を実現します。 温度は 電気モータ効率 (モータが冷却するほど効率が良くなる)の重要なファクタの一つであるので、ユニバーサルカードは低速のサンプリングレートで測定を行うことができます。 1 台のパワー・アナライザで両方のカード・タイプを組み合わせることは問題ありません。 最も重要なことに、電気的または機械的なすべての信号取得は、PTP v2 標準に基づいて1 つ時間基準で同期されます。読み値のタイムスタンプを気にする必要はありません。

システムは、実波形データを同時に取得し、保存するため、テストに必要な時間が大幅に短縮されます。  技術者が後で測定値を追加することを決めても、テストを再実行する必要はありません。 ある課題を解くために、すべてのデータが利用可能な状態にあります。

この時間短縮効果は、Perceptionにおける結果のリアルタイム計算と可視化によって強化されます。 LiveオシロスコープとFFT ディスプレイを使用すると、エンジニアは測定中にテスト内容を確認できるため、テストの実行後の調整に必要な時間を大幅に節約できます。 Perception は完全な分析ツールボックスを提供するだけでなく、カスタム演算式を追加することもできます。 これにより、柔軟なカスタマイズ演算と演算式の透明性をユーザーに提供されます。 Perceptionは、データレコーディングにおいて、イベントベースでのトリガ設定も可能です。

最後に、 電動パワートレイン・テスト のHBKソリューションは、テスト・ベンチ・オートメーション・システムにシームレスに統合され、API、CAN FD、EtherCATなどのインタフェースを介したリモート・テスト制御を可能にします。 

HBMのeDrive Testing Solutionは、テスト準備時間の短縮、テストの迅速化、テストサイクルの短縮、最終的には新車開発の大幅なコスト削減に貢献します。

精度と速度

時間と予算の制約のために開発サイクルをフロントローディングすることは、エンジニアができるだけ多くのデータ信号を同時に取り込む必要があることを意味します。  新車開発の初期段階では、電子ドライブトレイン部品、特にインバータとモータの組合せの相互動作について知る必要があるかも知れません。 – 実際には、これは、できるだけ多くの信号を測定し、データを保存することになります。これは、安全性を見込んで実行されるようです。 ドライブ・コンポーネントを特長付けるために、取得する信号の範囲には以下が含まれます。

  • バッテリとインバータ間の直流電流と電圧
  • インバータとモータ間の三相交流電流・電圧
  • 電気から機械的エネルギーへの変換としてのトルクと回転速度
  • バッテリー温度、インバーター温度、モーター温度
  • CAN バス(モータコントローラ)
  • 騒音・振動等の周囲信号

最も重要なものだけをリストすること。 これらの信号を数日または数週間にわたって捕捉することによって生成されるデータの量は、膨大であると想像に難くありません。

個々の結果を見るのではなく、エンジニアは効率マップを使用して読み取り値を視覚化し、個々のコンポーネントの効率を決定します。 また、これらのマップは、インバータとモータをどこで動作させるかを決定するのに役立ち、最も高い効率、したがって最も広い範囲を達成するのに最も時間がかかります。 出力は、トルクと速度の設定値の事前定義された範囲に基づいて測定されます。 これらの設定点での測定値に、様々なギア状態(ハイブリッドの場合)を乗算すると、複数の温度および/またはバッテリ状態によって、文字通り、数万の測定点が生成されます。 これらのような一連の実験は、実行に数日または数週間かかることがあります。 関連するすべての信号を同時にキャプチャすることで、後処理およびオフライン分析にテストデータを使用できるようになります。 また、このアプローチは、内部文書化及び認証方法の外部バリデーションの両方に必要な監査可能性を提供します。

 

HBMのエンドツーエンドeモビリティソリューション

HBMの電気ドライブトレインのテストソリューションは、効率マッピングを10倍速くするために、いわゆる「サイクル検出」技術を使用しています。 個々の設定点の測定時間を0.5~1秒の範囲に短くすることで、多次元効率マップの作成を数週間から数日に、さらには数時間に短縮することができます。 生データはいつでも入手可能であるため、エンジニアは、テストシリーズを再実行する必要なしに、何らかの問題が発生した場合に、以前のテストを参照することができます。

もう一つの重要な要素-正確さ: 電力損失や効率などの派生値の妥当な測定の不確実性を達成するには、最も正確なパワーアナライザと最も正確なセンサーだけで十分です。 定格出力500kW、出力475kW、損失25kWのインバータを考えます。  測定チェーン誤差が1%の場合、測定値は入力±5kW、出力±4.75kWであり、エネルギー損失の累積測定の不確実性は±9.75kWであり、累積測定の不確実性は39%と十分ではありません。 しかし、測定チェーン誤差が0.1%の場合、電力損失の累積測定不確かさは3.9%になります。 明らかに、装置の精度が高ければ高いほど、試験結果の信頼性が高まり、モータキャリブレーションに関する考察がより有意義になります。

HBM の高精度 Power Analyzer は、電圧、電流、トルク/速度を測定するセンサの範囲と、最高クラスの精度定格と最高の安全基準で補完されています。 これらは、e-drive テストシステム用に認定されており、統合ソリューション用にGENESIS HighSpeed ハードウェアに完全に統合されています。

これらのデータを継続的かつ確実に取り込み、保存、相関、処理、可視化するテストソリューションは、迅速で有効な監査可能なテストを確実にするために不可欠です。  HBK本社またはお客様サイトでのカスタマイズされたトレーニングにより、迅速な取り扱いプロセスが保証されます。 お客様のご都合でのトレーニングのために、HBKのウェブサイトやインターネットを通じて、一連の自己学習コースが利用可能です。 当社の高度な技術者は、技術問い合わせ、システム統合サポート、およびHBM 電動モータテスト ソリューション周辺の一連の他のサービスを支援するために待機しています。