Como otimizar os testes do trem de força de veículos elétricos

A forma como esses componentes cooperam afeta mais a eficiência do que a mera energia. Como os componentes individuais se comportam? Como esse comportamento muda em diferentes circunstâncias (temperatura, umidade) e em estados dinâmicos (condições variáveis da estrada ou estilos de direção)? E, é claro, existem requisitos técnicos conflitantes, como grandes larguras de banda, uma ampla faixa dinâmica e altas precisões de medição em um ambiente EMC altamente estressado.

As simulações computacionais oferecem uma indicação teórica da eficiência do motor elétrico, mas elas precisam ser validadas por testes físicos extensivos para garantir que os valores calculados correspondam às evidências obtidas na bancada de testes - e que ambos reflitam as condições reais do mundo real. Dados de medição de alta qualidade fornecem informações confiáveis que permitem aos engenheiros decidir se componentes, subsistemas ou veículos completos precisam ser validados por mais testes ou se estão prontos para entrar em produção.

É aqui que o problema começa: a complexidade dentro das famílias de componentes é imensa. Combinar uma bateria potente com um inversor eficaz e um motor eficiente não garante automaticamente que um sistema de acionamento seja tão eficiente quanto poderia ser. As baterias variam de 200-400 volts, mas podem chegar a 600-800 volts. Os interruptores inversores que operam em baixas frequências reduzirão as perdas, mas podem se tornar audíveis; frequências mais altas resultam em perdas maiores e são limitadas pelos tamanhos físicos dos interruptores. Os modelos de alta frequência recém-desenvolvidos são altamente caros e ainda não robustos.

A variedade de tipos de motores elétricos (ímã permanente, indução, campo de enrolamento ou relutância comutada) multiplicada pela faixa de tamanhos de motor oferece possibilidades ilimitadas. Ainda mais complexidade é possível através do uso de vários inversores, criando máquinas com seis ou mais fases. Cada combinação tem seus próprios benefícios e desvantagens individuais. Em seguida, vem a configuração do veículo: um veículo elétrico pode ter entre um e quatro motores de tração, além de uma série de motores DC menores para sistemas auxiliares (janelas, assentos, etc.), que consomem energia das baterias e afetam a eficiência do veículo.

Como quase não existem padrões para testes no campo da eletromobilidade, cada configuração de teste é adaptada aos componentes individuais em teste. Como todos os veículos devem ser capazes de lidar com mudanças constantes de velocidade e carga, bem como condições de carga (condições da estrada, estilos de condução, condição da bateria ou condições ambientais como temperatura e clima), esses parâmetros precisam ser considerados na configuração de teste. Como vimos acima, o cenário se torna ainda mais complexo para veículos com não apenas um motor derivando um único eixo, mas em vários eixos com vários motores. Esse nível de complexidade multiplica o número de medições e o volume de dados a serem coletados se expande proporcionalmente.

Adicione a isso a construção complexa e demorada da bancada de testes, que geralmente é altamente personalizada. Coordenação e planejamento oportunos são, portanto, essenciais para garantir que os prazos para as etapas de desenvolvimento subsequentes até a produção em série sejam cumpridos. Para este fim, todas as partes da bancada de teste devem se encaixar suavemente. O que pode ser feito para atender a todos esses requisitos ao mesmo tempo? A resposta é escolher um equipamento de bancada de teste que se integre perfeitamente ao sistema de bancada de teste; isso não é apenas preciso, mas também aumenta a produtividade do engenheiro e, ao mesmo tempo, suporta a necessidade de fornecer resultados auditáveis para validação e certificação.

A solução de teste eDrive da HBM consiste em hardware durável e confiável, software avançado e sensores altamente precisos que são projetados para interoperabilidade perfeita. A solução se presta perfeitamente à tarefa de testar a eficiência do e-drive e é capaz de lidar com sinais elétricos, mecânicos, de controle e NVH da mesma forma.

A configuração modular e flexível permite que os engenheiros adaptem a bancada de testes à contagem de canais de entrada pequena ou alta. Para medição dinâmica de potência, até 51 canais de entrada podem ser manipulados simultaneamente em altas taxas de amostragem e com a maior precisão possível. A densidade do canal é obtida adicionando quantas placas de alimentação forem necessárias ao mainframe portátil ou conectado do GENESIS HighSpeed Power Analyzer - ou combinando vários analisadores de potência. A placa de alimentação GEN310B de três canais, por exemplo, apresenta uma precisão excepcional, uma taxa de amostragem de 2MS/s e cálculos de eficiência ideais. Suas entradas de tensão variam de até 1500 V DC, cobrindo até mesmo as aplicações de teste de veículos elétricos mais exigentes, ao mesmo tempo em que oferece a melhor classificação de segurança CAT IV de 1000 V da categoria. Como a temperatura é um dos fatores críticos da eficiência do motor elétrico (quanto mais frio o motor, melhor a eficiência), cartões universais também estão disponíveis para realizar medições em taxas de amostragem mais baixas. Combinar os dois tipos de placa em um único analisador de energia não é um problema. Mais importante ainda, toda a aquisição de sinal - elétrica ou mecânica - é sincronizada em uma única linha do tempo com base no padrão PTP v2. Não precisa se preocupar com o carimbo de data/hora de suas leituras.

Por último, mas não menos importante, as soluções HBK para testes de trem de força elétrico integram-se perfeitamente a qualquer sistema de automação de bancada de teste e permitem o controle remoto de teste por meio de interfaces de software como API, CAN FD ou EtherCAT. 

A solução de teste eDrive da HBM contribui para um tempo de preparação de teste mais curto, testes mais rápidos, menos ciclos de teste e, finalmente, uma redução significativa de custos no desenvolvimento de novos veículos.

O carregamento antecipado do ciclo de desenvolvimento devido a restrições de tempo e orçamento também implica que os engenheiros precisam capturar simultaneamente o maior número possível de sinais de dados. Nos estágios iniciais do desenvolvimento de novos veículos, pode haver muito conhecimento sobre a interoperabilidade dos componentes eletrônicos do trem de força - em particular a combinação de inversor e motor. Na prática, isso se traduz em medir o maior número possível de sinais e armazenar os dados - apenas para estar no lado seguro. Para caracterizar os componentes do inversor, o escopo dos sinais a serem adquiridos abrange:

• Corrente DC e tensão entre a bateria e o inversor
• Corrente AC trifásica e tensão entre o inversor e o motor
• Torque e velocidade como a conversão de energia elétrica em mecânica
• Temperatura da bateria, temperatura do inversor e temperatura do motor
• Barramento CAN (controlador de motor)
• Sinais ambientais, como ruído e vibração

para listar apenas os mais importantes. É fácil imaginar que a quantidade de dados gerados pela captura desses sinais durante um período de teste de dias ou até semanas é enorme.

Em vez de olhar para os resultados individuais, os engenheiros usarão mapas de eficiência para visualizar as leituras e determinar a eficiência dos componentes individuais. Esses mapas também os ajudam a decidir onde operar o inversor e o motor na maioria das vezes para alcançar a maior eficiência e, portanto, o maior alcance. A potência é medida com base em uma faixa predefinida de pontos de ajuste para torque e velocidade. Multiplicar as medições nesses pontos de ajuste por vários estados de engrenagem (no caso de um híbrido), por vários estados de temperatura e/ou bateria gera literalmente dezenas de milhares de pontos de medição. Uma série de experimentos como esses pode levar dias ou semanas para serem executados. A captura simultânea de todos os sinais relevantes garante que os dados de teste estejam disponíveis para pós-processamento e análise off-line. Essa abordagem também fornece a capacidade de auditoria necessária tanto para a documentação interna quanto para a validação externa de métodos de certificação.

As soluções de teste da HBM para transmissões elétricas usam a chamada tecnologia de “detecção de ciclo” para tornar o mapeamento de eficiência dez vezes mais rápido. Ao acelerar o tempo de medição para pontos de ajuste individuais na faixa de 0,5 a 1 segundo, a produção de mapas de eficiência multidimensionais pode ser cortada de semanas para dias ou até horas. Como os dados brutos estão disponíveis a qualquer momento, o engenheiro pode fazer referência a testes anteriores se algo der errado - sem precisar executar novamente a série de testes.

Outro fator importante entra em jogo aqui - precisão:  Para atingir uma incerteza de medição razoável para valores derivados, como perda de energia ou eficiência, somente o analisador de potência mais preciso e os sensores mais precisos serão bons o suficiente. Considere um inversor com uma potência nominal de entrada de 500 kW e saída de 475 kW, o que equivale a uma perda de 25 kW. Se o erro da cadeia de medição for 1%, os valores medidos são +/- 5 kW de entrada, +/- 4,75 kW de saída, dando uma incerteza de medição cumulativa para perdas de energia de +/- 9,75 kW - a incerteza de medição cumulativa de 39% está longe de ser satisfatória. Se, no entanto, o erro da cadeia de medição for de 0,1%, a incerteza de medição cumulativa para a perda de energia será de 3,9%. Obviamente, quanto mais preciso for o equipamento, mais confiáveis serão os resultados do teste e mais significativos serão os insights sobre a calibração do motor.

O analisador de potência e alta precisão da HBM é complementado por uma gama de sensores para medir tensão, corrente, torque/velocidade com as melhores classificações de precisão da categoria e os mais altos padrões de segurança. Eles são certificados para sistemas de teste de e-drive e se misturam perfeitamente com o hardware GENESIS HighSpeed para uma solução integral.

Uma solução de teste como a da HBM que captura, armazena, correlaciona, processa e visualiza esses dados de forma contínua e confiável é indispensável para garantir testes rápidos, válidos e auditáveis. Treinamentos personalizados, seja nas instalações da HBM ou nas instalações do cliente, garantem um rápido processo de integração. Para treinamento no próprio lazer do cliente, um conjunto de cursos de autoaprendizagem está disponível no site da HBM ou pela Internet. Nossos engenheiros altamente qualificados estão à disposição para ajudar na transferência de conhecimento, suporte à integração de sistemas e um conjunto de outros serviços em torno da solução de teste de motores elétricos da HBM.