Test af elbiler: Verifikation af sundhedstilstand rykker frem i forreste række

Dr. Mark Quarto CTO – Quarto tekniske tjenester

Efter at have arbejdet i over 32 år med teknologi til elektrificerede køretøjer har jeg oplevet de fleste områder inden for biludvikling og ingeniørarbejde. Disse erfaringer er gået fra serviceingeniør, diagnostisk udviklingsingeniør inden for fremdrift/energistyring, Engineering Manager Vehicle Electrification Systems, Engineering Group Manager Vehicle Electrification Systems og nu (efter pensionering i 2012) konsulent og instruktør/mentor for OEM’er, genproducenter og eftermarkedet for elektrificerede køretøjssystemer. Jeg nød virkelig at konstruere nogle af de mest avancerede elektrificerede køretøjer i bilhistorien, såsom GM EV1, Chevrolet Tahoe/Yukon 2-Mode Hybrid, Chevrolet Spark Electric, Chevrolet Volt, Chevrolet Equinox Fuel Cell Demonstration Fleet og andre avancerede konceptkøretøjer. Jeg har fulgt branchen tæt i de sidste 20 år, og den har oplevet en sand revolution inden for drivlinjesystemer, efterhånden som elektrificerede køretøjer (dvs. hybrid-, plug-in- og elbiler) bliver ved med at fylde bilparken. Markedet for brugte og brugte elektrificerede køretøjer giver fortsat anledning til bekymring for, hvordan teknikere med sikkerhed kan analysere og diagnosticere elektriske drivlinjesystemer.

Især diagnostik af drivmotorer og generatorer (elektriske maskiner – EM) og SOH-analyse (State-of-Health) har fået en central plads i diagnostik og analyse af biler. Bilteknikere har udtrykt stor interesse for at lære de mest avancerede analyse- og diagnosticeringsprocesser, der kan hjælpe med at bestemme en EM’s SOH. Efterhånden som produkter til elektrificerede køretøjer bliver ældre på markedet, rejser førsteejere af ældre køretøjer, andenejere og flåder nu spørgsmålet “hvad er tilstanden af drivmotoren og generatoren (stator og rotor), når et køretøjs SOH skal bestemmes?” Derudover ønsker teknikere i marken en metode til at “bekræfte” deres analyse og diagnosticering, når de skal finde en fejltilstand i den elektriske drivlinje. Specifikt giver OEM-køretøjets indbyggede diagnostik måske ikke de omfattende analysemetoder, der er nødvendige for at bestemme helbredet for en ældre EM, eller giver klarhed over, om et problem ligger i EM eller dets Power Inverter Module (PIM)-system. Da omkostningerne ved et EM- eller PIM-system kan resultere i tusindvis af reparationsdollars, er det vigtigt at identificere og bestemme årsagen til problemet. Desuden kan den arbejdstid, der kræves for at identificere og bekræfte årsagen til et problem, være omfattende, hvilket øger den allerede betydelige del af reparationsomkostningerne. Og hvis systemerne er fejldiagnosticerede, stiger reservedels- og arbejdsomkostningerne betydeligt. En sidste overvejelse er, at hverken eftermarkedet eller OEM’erne har integreret EM SOH som en del af en formel servicetestproces, som det er tilfældet med forbrændingsmotorteknologi (ICE). Hvis en biltekniker f.eks. blev spurgt om årsagerne til en traditionel fejltænding, variationer i omdrejningstal, mager/rig tilstand etc., ville det være naturligt for dem at udføre specifikke/målrettede tests. Nogle af disse motortests omfatter cylinderbalance, kompression, cylinderlækage, vakuumkurver, test af tændingssystem osv. Disse tests er endemiske og indlejret i DNA’et for, hvordan bilteknikere tester, analyserer og diagnosticerer bilers drivlinjesystemer. Men hvis de samme bilteknikere bliver spurgt om, hvordan man tester en elektrisk drivlinje, kan de fleste måske nævne en eller to typer test, men de kender slet ikke til de ekstra testelementer, der bruges i EM-analyse og de tilhørende fejltilstande. Her ligger den grundlæggende kløft mellem det nuværende niveau af EM-analyse og diagnosticering inden for bilservice og de testområder, der skal forstås for at give en grundig analyse og diagnosticering. Sammenfattende kan man sige, at bilservicebranchen i høj grad er uindviet i EM-drivlinjeanalyse, diagnostik og færdighederne til at bestemme EM SOH.

Den mindre berejste vej

Når jeg har talt med mange bilteknikere og instruktører i årenes løb, vil de fleste hurtigt indrømme, at de har minimal erfaring med at teste, analysere og diagnosticere EM-systemer. Selvom teknikere er velbevandrede i diagnosticeringsmetoderne til traditionelle drivlinjer i biler, er deres erfaringer en vej, der er mindre berejst i det elektriske drivlinjeområde. I løbet af min 32-årige karriere inden for produkt- og serviceteknik til elektrificerede køretøjer har jeg konkluderet, at hverken OEM-forhandlere eller eftermarkedsteknikere har opdyrket de nødvendige EM-analyse- eller diagnoseteknikker gennem uddannelse og erfaring. Meget af dette kan skyldes, at bilindustrien har været forankret i mekaniske systemer snarere end elektroniske eller elektriske systemer. Derfor har den traditionelle teknikers kernekompetencer ikke fokuseret på det elektriske/elektroniske, hvilket har begrænset teknikerens eksponering for de elektriske/elektroniske koncepter, der er så nødvendige for at forfine analyseteknikkerne for elektriske drivlinjesystemer. Disse kommentarer er ikke ment som en dom. Det er snarere meningen, at de skal give observationsfeedback, så bilservicebranchen kan reflektere over, hvor den skal hen herfra: en mindre befærdet vej.

Jeg har også haft tætte alliancer med et stort antal tekniske skoler, gymnasier og universitetsuddannelser i bilteknologi og ingeniørvidenskab i årtier og kan fortælle, at der er få institutioner, der er målrettet hard core Electrified Vehicle-drivlinjeanalyse og -diagnostik. Der kan være mange årsager til denne tilstand i vores uddannelsesinstitutioner, men uanset årsagerne er resultatet et teknologisk hul, der skal udfyldes for at hjælpe teknikere med at uddanne dem til at identificere og bekræfte ydeevne og SOH-målinger gennem en solid analyse og diagnostiske processer. At give bilteknikere analyse- og diagnosticeringsmetoder, der reducerer den tid, det tager at lære analyseteknikker og teste elektrificerede køretøjers drivlinjer, er desuden det næste kritiske skridt i forbedringen og udviklingen af teknikeres færdigheder inden for avancerede elektriske systemer.

Den aktuelle status for EM-analyse og -diagnostik

Inden for bilserviceteknologi er der kun få ressourcer, som teknikere kan tilegne sig og bruge til analyse og diagnosticering af EM-systemer. Bilproducenterne har reduceret teknikeruddannelsen og testudstyret til et absolut minimum. Inden for det indbyggede diagnosesystem er der ingen diagnoser, der overvåger EM SOH. De fleste diagnoser er gearet til at identificere katastrofale fejl, og dele af EM har ingen diagnostisk overvågning. Derfor er der et stort hul i teknologien til at hjælpe teknikeren med prognostisk at identificere kommende EM-fejl, så køretøjets ejer kan blive informeret om SOH i den elektriske drivlinje. Eftermarkedet har flere uddannelsesmuligheder, men de fleste enkeltpersoner eller uddannelsesudbydere er ikke professionelt uddannet i teknologier til elektriske drivlinjesystemer. Desuden kan de fejltilstande, som en OEM-forhandler vil opleve, være væsentligt forskellige fra dem, der opleves på eftermarkedet. Hvad angår uddannelsessegmentet, er de fleste undervisere/udbydere på eftermarkedet typisk selvlærte og mangler professionel uddannelse i de elektriske og mekaniske videnskaber om elektriske drivlinjer, og derfor er de henvist til at undervise i eller bruge mønsterfejldiagnostik. Desuden vil de fleste diagnoseteknikker, der instrueres i på eftermarkedet, kun afdække en lille procentdel af alle mulige fejltilstande i en EM. Derudover har min observation af, hvordan eftermarkedet og OEM’erne har instrueret teknikere i, hvordan man identificerer den lille procentdel af EM-fejltilstandene, i bedste fald været overfladisk. I øjeblikket er teknikere meget afhængige af mønsterfejl (genkendelse) i systemer som en metode til at identificere den grundlæggende årsag til traditionelle (ICE) systemfejl. Desværre udvikler EM-drivlinjens mekaniske, elektriske og magnetiske teknologier sig så hurtigt, at mønsterfejl vil blive henvist til en mindre effektiv diagnostisk tilgang. Uden et solidt teknisk fundament i EM-teknologi vil analyse og diagnosticering være en bogstavelig kamp op ad bakke for en tekniker. At lære EM-analyse og diagnostiske teknikker kræver betydelig træning og erfaring, som er en udfordring for selv erfarne diagnostikere, medmindre analyse- og testudstyret kan skrubbe elektriske og magnetiske data for at gøre arbejdet med analyse og diagnostik lettere. Bilteknikere er allerede overvældede af det enorme antal kurser, de deltager i hvert år, bare for at holde sig ajour med traditionelle forbrændingsmotorteknologier (ICE). Og da ICE-teknologi udgør størstedelen af den daglige interaktion for en tekniker, er det en tung opgave for dem (og virksomhedsejeren) at retfærdiggøre at afsætte betydelige uddannelsestimer til at lære elektriske drivlinjesystemer. Men bilmarkedet har nået et højdepunkt. Mængden af elektrificerede køretøjsprodukter på markedet, der nærmer sig eller er ude af deres garantiperiode, begynder at nå et betydeligt antal. Derfor kan disse mængder ikke længere ignoreres, især ikke af bilindustriens eftermarked. Sammenfattende kan man sige, at bilservicebranchen har nået en tilstand, hvor den ikke længere kan ignorere elektrificerede køretøjer eller EM-systemer, uanset om de er klar over det eller ej!

Diagnostiske “næste skridt” for teknikere og instruktører

Markedet for bilservice befinder sig i øjeblikket i en historisk brydningstid. Vi er vidne til et vagtskifte, hvor bilindustrien er ved at skifte fra forbrændingsmotorer til elektrisk baserede drivsystemer. Det betyder, at bilteknikere skal fortsætte med at servicere den nuværende teknologi, samtidig med at de lærer og får erfaring med de nye elektriske drivlinjesystemer. Da der ikke er nogen arv af viden (dvs. mulighed for at udnytte tidligere viden og erfaring) og minimal teknologioverførsel (nuværende teknologi har begrænset anvendelse i det nye system) fra forbrændingsmotorer til elektriske drivlinjer, er læringshorisonten stejl og lang. Resultatet er, at teknikere får brug for betydelig støtte, når de skal analysere og diagnosticere de nye elektriske drivlinjesystemer. Desuden er der et behov for ikke kun at analysere og diagnosticere elektriske drivsystemer, men også at bekræfte (eller ikke bekræfte) en diagnose for at sikre, at den korrekte komponent skal repareres eller udskiftes. Det er et kritisk punkt, da mange af komponenterne til den elektriske drivlinje kan koste flere tusinde dollars eller mere. Kort sagt bliver bilteknikere nødt til at stole på test og analyse, der hurtigt kan samle alle de elementer, der er nødvendige for at teste de elektriske og magnetiske aspekter af en EM, og give strømlinede testresultater og konklusioner.

EM-analyse og -diagnostik: Et casestudie

At bestemme den elektriske transaksels eller transmissions sundhedstilstand (SOH) eller bekræfte, at der er sket en katastrofal hændelse, bliver et stadig vigtigere aspekt for eftermarkedets serviceindustri og dem, der analyserer, diagnosticerer og servicerer elektriske drivlinjer. I takt med at eftermarkedet bliver en stadig større mulighed for hybridejere til at få udført service, bliver det også vigtigere end nogensinde at sikre, at bestemmelsen af SOH eller bekræftelsen af, at en elektrisk motor-generator-enhed (MGU) har nået sin end-of-life (EOL), bliver en gentagelig og pålidelig proces. For eksempel kan en MGU også opleve aldringseffekter, der i sidste ende vil resultere i EOL, da motorens kompression, cylinderlækage og omdrejningsbalance osv. kan ændre sig (forringes) med tiden eller kilometertal (aldring), hvilket resulterer i produktets EOL-fase. Men da den kalendertid eller det kilometertal (ældning), som en motor fejler, kan variere dramatisk og kan afhænge af mange faktorer (kørecyklus, geografisk placering, terræn, vedligeholdelseshistorik osv.), kan MGU’ens ældning også påvirkes af mange faktorer, der (statistisk) kan hjælpe med at bestemme de generelle EOL-forventninger. For at indsamle data hurtigt er der ingen bedre metode end at teste elektriske drivlinjer, der for nylig er blevet fjernet fra køretøjer, og samle disse data for at danne et casestudie og en metode til at formidle vigtigheden af test af elektriske drivlinjer. Min erfaring med at udvikle diagnostik, teste og servicere elektriske driv- og batterisystemer er, at der sjældent er mulighed for at teste MGU’er af samme type på samme sted, som har en bred vifte af kilometertal og kronologiske aldre, og som kan testes på en enkelt dag. Derfor vil dette casestudie bruge data fra 20 Toyota Prius hybridbilers elektriske transaksler, der bruger den samme drivmotor og generator. Denne elektriske transaksel har to MGU’er: en drivmotor (MG2) og en generator (MG1).

Test af casestudie Baggrundsinformation

Følgende oplysninger tjener som baggrundsinformation om den population af Toyota Prius transaxle MGU’er, der blev testet som en del af dette casestudie:

– Teststed: Brugtvareforretning i Midtvesten, der specialiserer sig i komponenter til hybridelektriske køretøjer

– Toyota Prius Transaxle Type: Generation II (2004 – 2009)

– Alle testede transaksler var fjernet fra køretøjet og opbevaret på paller på lageret (bemærk: MGU’erne kunne have været testet med transakslen monteret i køretøjet eller ude af køretøjet uden nogen ændring i testdataene).

– Antal transaksler i testpopulationen: 20

– Testpopulationens kilometertal: 28 km – 148 km

– Modelår for testpopulationen: 2004 – 2009

– MGU’er testet: MG1 og MG2

– Antal test på hver MGU for at indsamle data: En (1)

– Testtemperatur: 5,5 °C (42 °F)

– Luftfugtighed: 58

Casestudie Testinstrumentering og dataindsamling

– MS Excel – til indtastning/kompilering af testdata og beregning af statistiske værdier

– All Test Pro 33EV (AT33EV) – Analyseværktøj til motorkredsløb til indsamling af motortestdata

– Krav til teststandarder: Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) 56, 118 og 120 dækker testmetoder til motorkredsløbsanalyse, herunder hvordan data indsamles med instrumenter; IEEE 1415-2006, “Guide for IM Maintenance Testing and Failure Analysis”; IEEE 43-2000, “Recommended Practice for Testing Insulation”.

– Begrundelse for valg af instrument: AT33EV scorede den højeste score af fem (5) MGU-testmetoder i en intern undersøgelse fra General Motors (GM), som mit team udførte i 2011 for at bestemme udsigten til MGU-testinstrumenters prognose- og testfunktioner. Den scorede også højest i en undersøgelse udført af en ekstern leverandør af test af elmotorer for GM, da undersøgelsen blev gentaget for at sikre, at testresultaterne og instrumenternes ydeevne kunne gentages. Derfor er AT33EV et overlegent testinstrument til udførelse af 3-faset EM-test og SOH-analyse. En af de primære fordele ved AT33EV-værktøjet er dets evne til at teste en EM-rotor uden krav om rotation. Sammenfattende kan EM testes fuldstændigt statisk. For teknikeren betyder det, at testen kan udføres med højspændingssystemet deaktiveret, og at der ikke er behov for test på vejen – al test kan udføres i serviceværkstedet.

– Instrumenttestparametre, der registreres af instrumentet til bestemmelse af MGU SOH: jævnstrømsmodstand (milliohm), induktans, impedans, kapacitans, fasevinkel, strøm-frekvensforhold, spredningsfaktor (kontaminering) og isolationsmodstand.

– Testresultater fra AT33EV-instrumentet: o Faseviklingens jævnstrømsmodstand udtrykt i ohm modstand – disse data vil blive brugt til at teste for interne motorforbindelser (dvs. korrosion, løse crimpforbindelser osv.). DC-modstanden kan også bruges til at indikere meget alvorlige kortslutninger i den interne spole (kobber-til-kobber) eller mere alvorlige fase-til-fase-kortslutninger (fejl i viklinger inden for eller mellem faser). DC-modstandstesten er ineffektiv til at identificere mindre invasive kortslutninger mellem kobber og kobber og vil ikke hjælpe med at bestemme ældning af vikling/statoråbning.

– Isolationsmodstandstest (IR ) udtrykt i ohm modstand – IR-testen observeres og sammenlignes med den tid, det tager at opnå det højeste modstandsniveau for at bestemme isolationsmodstandsbarrieren til jord.

– Dissipation Factor (DF) – udtrykt i procent (afledt af fasevinkel- og kapacitansmålinger) er et mål for det dielektriske (isolerende) tab i et elektrisk isolerende materiale i et vekslende (strøm)felt og den resulterende energi, der spredes som varme. DF bruges som et middel til at måle ændringer i MGU-faseviklingens trådbelægning (dielektrisk lak eller emalje), tråd-til-tråd og fase-til-fase dielektrisk kvalitet og statorspalteforingens isolering (dielektrisk) for at identificere eventuelle isolationstab på grund af forurening og/eller forringelse (ældning). Forurening er/kan være en kumulativ effekt og stammer fra mikroelementer af aluminium, stål, friktionsmateriale, olieforurening, plast, fugt osv., som udgør et medium, hvor energi kan overføres mellem fasetråde, faseviklinger, mellem faseviklinger og statorens slotliner-isolering eller mellem faseviklingstråde, slotliner-isoleringen og MGU-bagjernet (dvs. statorens lamineringsstabel), som er elektrisk fælles med køretøjets chassis. Dette resulterer i svækkede/ældede faseviklingsbelægninger og/eller spalteisolatormaterialer (dielektriske). Da et (endeligt) katastrofalt svigt af en MGU kan være et resultat af kumulativ kontaminering i løbet af dens levetid, er DF-testdataresultater en vigtig prognostisk/diagnostisk metrik for brugeren til at hjælpe med at bestemme MGU-isoleringens SOH.

– Test Value Static (TVS) – et dimensionsløst tal, der består af en delmængde af de førnævnte instrumenttestparametre induktans, impedans (AC-modstand), fasevinkel og strømfrekvensforhold, og som er renset for de resulterende målinger med en kompleks algoritmisk analyse. Testdataene for 3-fasede viklingsparametre beregnes derefter af softwarealgoritmer, der giver brugeren en numerisk værdi til bestemmelse af 3-faset MGU-stator og -rotors elektriske og magnetiske ydeevne. Brugeren sammenligner det dimensionsløse tal med et referencetal (tal, der følger med testeren) for at bestemme numerisk, hvor langt de testede MGU-data har afveget (eller ikke) fra nye MGU-testdata af samme type eller generation af transmission. TVS-værdien eliminerer også behovet for at dreje MGU’en for at teste 3-fasede statorviklinger, rotormagneter eller rotorstænger og kortslutningsringe osv.

– Test af MGU-undersystemer: AT33EV er i stand til at teste MGU rotor og stator SOH uden at rotere (dreje) rotoren (hvad enten det er permanent magnet eller induktions EM).

– Tilslutning af AT33EV til MGU-kabler blev udført ved hjælp af tre (3) 0,375″ diameter adaptere i rent kobber med modstand i det lave mikro-Ohm-område, riflede overflader og udvendige gevind (to adaptere 3″ i længden og en adapter 4″ i længden) for at muliggøre repeterbar instrumenttilslutning til MGU-kabler.

Præsentation af casestudie-data

MGU-testdataene er vist i Tabel 1 og Tabel 2. Tabel 1 viser testdata for transaksel MG1 (generator), og tabel 2 viser testresultater for transaksel MG2 (drivmotor). Tabellens kolonner indeholder følgende data (fra venstre mod højre):

– Nummer på transmissionsprøve

– Kilometerstand på det køretøj, som transmissionen blev fjernet fra

– Modstand 3-2 / 2-1 / 1-3: Modstandsværdier ved måling af faserne 3 til 2, 2 til 1 og derefter 1 til 3. Resultaterne af modstandstesten er en sammenligning af faseviklingsværdierne for at bestemme den samlede modstandsbalance. Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) Standards Document 1415-2006 siger, at “de tre (modstands)værdier sammenlignes – alle aflæsninger skal ligge inden for 3% – 5% af gennemsnittet af de tre aflæsninger.” Standardværdierne sikrer, at der er elektrisk jævnstrøm (modstand) og fasestrømsbalance mellem alle MGU-faseviklinger.

– DF% (Dissipation Factor) – Er et tal, der stammer fra AT33EV-softwarealgoritmer, som giver brugeren de resulterende kontamineringstestdata i et procentformat (%). De data, der bruges til at bestemme MGU DF, er kapacitans (det primære element til DF-test), induktans, impedans, fasevinkel og strøm-til-frekvens-forhold som yderligere elektriske elementer, der bruges af softwaren til at scrubbe dataene. I dataene præsenteres DF i procent og kapacitansenheder (%). Men for at forenkle datarapporteringen i denne artikel vil der blive brugt procentsatser i tre intervaller:

o ≤ 6% = God (OK) – kontaminering inden for acceptable grænser

o 6% – 10% = Advarsel (W) – forureningen er høj, men ikke uden for grænserne.

o ≥ 10% = Failed/Failure (F) – forureningen er for stor, uden for grænserne og kan også være betingelser, der er til stede for at forårsage en mere alvorlig fejltilstand.

Kontamineringstest af MGU-vindinger er omfattet af IEEE Standard 43-2000. IEEE 56, 118 og 120 dækker testmetoder til motorkredsløbsanalyse, herunder hvordan data indsamles med instrumenter.

– TVS (Test Value Static) – TVS-værdien gør det muligt at teste MGU’er ved at sammenligne testdataene med en referenceenhed (ny). Ved at bruge et kvalificeret referencenummer kan enhver MGU SOH bestemmes ved hjælp af denne sammenligningsmetode. TVS-værdien kan især hjælpe med at bestemme niveauet for MGU’ens ældning (forringelse) af viklinger, statorspalteisolering, rotor/stator magnetisk tilstand osv. eller om enheden allerede har svigtet. Det centrale koncept ved at bruge TVS-metrikken er at kunne teste en transaksel/transmission på køretøjet, uanset om den bruger direkte forbindelse til slutdrevet, enkelt eller flere planetgearsæt eller interne hydrauliske koblingssystemer osv. TVS-data kan dog ikke afgøre, om et 3-faset MGU-problem skyldes statoren eller rotoren. Den kan kun afgøre, om der er en elektrisk eller magnetisk ubalance i rotoren eller statoren.

– Resultaterne af TVS-data rapporteres som følger:

o ≤ 3% = OK – God balance mellem stator og rotor

o ≥ 3% men ≤ 5% = ADVARSEL (W) om, at stator eller rotor er ved at komme ud af elektrisk eller magnetisk balance.

o ≤ 5% = FAILURE (F) – Statorens eller rotorens elektriske eller magnetiske egenskaber er ude af balance og holder sig ikke inden for testområdet. Fejlområdet kan også være forhold, der er til stede for at forårsage en mere alvorlig fejltilstand.

I bilsystemer er det irrelevant, om problemet er rotoren eller statoren, fordi transakslen/transmissionen skal skilles ad i køretøjet eller fjernes fra køretøjet. I begge tilfælde fjernes rotoren og statoren, og en ny eller kendt god stator- og rotorenhed kan bruges til at erstatte enheder, der ikke har bestået test eller viser data, der er i overensstemmelse med fremskreden ældning. Ved at udskifte både stator og rotor kan man undgå en mulig fejldiagnose eller dyrere test.

Casestudiedata og diskussion af resultater

Der indgik i alt 20 elektriske transaksler af generation II (2004-2009) i denne undersøgelse. Selvom det ikke er rapporteret i dataene (men noteret på datasiderne), blev hver transaksel testet for isolationsmodstand (IR) ved 500Vdc. Der var nul (0) transaksler, der ikke bestod IR-testen. To af transakslerne (prøve 12 og 16) var dog langsomme til at opnå det maksimale IR-niveau på 500 Vdc @ > 10 sekunder), hvilket ud fra testerfaring indikerer den allerførste begyndelse af isolationslækage og en svaghed i MGU-vindingens isolering eller statorsporets isoleringsmaterialer. Efterhånden som viklingerne ældes, vil tiden til at opnå det maksimale IR-niveau stige betydeligt (dvs. 45 sekunder – mere end 1 minut) på grund af energilækage mellem viklingen, spalteforingen og statorlamellerne (back iron). Denne type dataresultat vil i sidste ende udvikle sig til en MGU-fejl, men at forudsige tid til fejl er ikke inden for rammerne af denne artikel. Der findes dog statistiske kvalitetsmetoder (såsom Weibull-analyse eller brug af pålidelighedsstatistik), der kan hjælpe med at forudsige MGU’ens tid til svigt baseret på resultaterne af elektriske testegenskaber, driftsmiljø osv.

Data fra kilometertælleren

Kilometerdataene i dette casestudie er meget brede og er blevet afrundet til de nærmeste 1000 miles for at lette rapporteringen. Transakslen med det laveste datapunkt på kilometertælleren er 23.000 miles og det højeste datapunkt på 148.000 miles.

Data for måling af fasemodstand

Data for fasemodstand rapporteres i enheder af DC-milliohm (mOhms). Transakselprøve 8 rapporterede de laveste modstande på 96,40 – 96,90 mOhms. Transakselprøve 3, 4, 7 og 8 rapporterede de laveste modstande for MG2 på 120,00 – 121,00 mOhms. Alle målinger af transakslens fasemodstand var < 3% modstandsvariation for fasemodstandsbalance og var derfor inden for IEEE 1415 – 2006-standarden for jævnstrømsmodstandsbalancerede elektriske maskiner.

Måledata for spredningsfaktor

Data for Dissipation Factor % viser, at transaksel MG1 prøve 13 var den eneste enhed, der ikke scorede inden for normalområdet med 7,06% (ADVARSEL-område). Transaxle MG1 prøve 16-data på 5,99% placerede den næsten i WARNING-kategorien med prøve 13. Ingen af Transaxle MG2-enhedens data resulterede i en DF% WARNING eller FAILURE. Transaxle prøve 16 DF% på 5,66 er dog inden for grænserne af acceptabel test, men er på grænsen af ADVARSEL-data. Både MG1- og MG2-data for prøve 16 placerer den næsten i WARNING-datakategorien for begge MGU’er.

Testværdi Statiske måledata

TVS-målingen (dimensionsløst tal) er den mest komplekse numeriske værdi for måledata, der skal rapporteres. Den ønskede TVS-referenceværdi for en Generation II MG1 og MG2 er:

– MG1 = 5,80

– MG2 = 13,30

Data fra MG1-transakselprøverne viste, at prøve 12 og 5 var i en WARNING-tilstand (≥ 3 % men ≤ 5 % afvigelse fra referencedatamålet), mens prøve 11 viste en FAILED-tilstand (≥ 5 % afvigelse fra referencedatamålet). Data fra MG2-transakselprøverne viste, at prøve 1,2,4,10,11 og 13 var i en WARNING-tilstand (≥ 3%, men ≤ 5% afvigelse fra referencedatamålet), mens prøve 15 viste en FAILED-tilstand (≥ 5% afvigelse fra referencedatamålet).

Konklusioner af casestudiet

Selvom dette casestudie involverer en lille stikprøvestørrelse på 20, er dataene i overensstemmelse med test, der er gennemført på hundredvis af MGU’er (hvad enten det er Toyota-produkter eller deres konkurrenter). Det er underforstået, at hvis der var en generation II-køretøjspopulation i området på ≈1,5 mio. køretøjer, er den stikprøvestørrelse, der er nødvendig for at give et 95% datasikkerhedsniveau (med +/- 3% konfidensinterval), ≈1100 transaksler.

Stikprøvestørrelsen i denne undersøgelse er langt fra det antal, der er nødvendigt for at opnå en pålidelig statistisk modellering af 2004-2009 MG1 og MG2 MGU elektriske maskiner. En stor nok statistisk population (stikprøvestørrelse) kombineret med et højt konfidensniveau og konfidensinterval for at opnå statistiske tal, der er pålidelige til at drive en statistisk konklusion, var uden for dette casestudies rækkevidde. Men den overvejende del af testresultaterne fra dette casestudie (og andre lignende) har været i overensstemmelse med andre casestudieresultater med hensyn til at give prognostisk og diagnostisk værdi til teknikere i marken, når de skal bestemme en MGU’s SOH før et katastrofalt svigt.

Sammenligning af datatyper – baseret på dataene i dette casestudie kan det konkluderes, at data om viklingsmodstand ikke viser tendenser (eller sporer) andre MGU SOH-fejltilstande. Alle fasemodstandstests på MGU’erne i dette casestudie viste, at der var balance mellem alle MGU-faserne, og at de alle overholdt IEEE 1415-2006-standarden. De DF-data, der blev indsamlet fra hver af MGU’erne, viste ingen tendens eller spor i forhold til testdata for jævnstrømsmodstand, og de viste heller ingen tendens i forhold til TVS-data. Derfor kan en MGU indeholde balancerede fasemodstande, DF%-data, der ligger inden for tolerancebåndene, men ikke bestå TVS-testen. Denne test er i overensstemmelse med IEEE 56, 118 og 120, der dækker testmetoder til motorkredsløbsanalyse, herunder hvordan data indsamles ved hjælp af instrumenter. Baseret på casestudiedataene er det også muligt at indeholde balancerede fasemodstande, TVS-data, der ligger inden for tolerancebåndet, men få advarselsniveauer for DF%. Denne test er i overensstemmelse med MGU-vindingskontamineringstest indeholdt i IEEE Standard 43-2000.

Sammenfattende er modstandsdata, DF%-data og TVS-data afkoblet ved bestemmelse af en MGU’s SOH. Ved at bruge grundlæggende elektrotekniske principper kombineret med avanceret matematik og softwarealgoritmer til at skrubbe dataene er det muligt at få et samlet billede af MGU SOH eller en bekræftelse af en katastrofal fejl. Det er godt nyt for teknikere i marken, for tidligere har mange af MGU’ens drifts-/ydelsesproblemer, måling af viklingens eller spalteisoleringens ældning eller forsøg på at identificere vanskelige intermitterende tilstande været upålidelige. Upålidelige diagnoseteknikker som f.eks. kun at bruge et MilliOhmmeter, at bruge et MilliOhmmeter og IR eller at bruge en kombination af et MilliOhmmeter, IR og impedansmåler er ikke i stand til at registrere de subtile ændringer i faseviklingen eller statorspalteisoleringen og kan derfor ikke registrere starten på elektriske eller isoleringsmæssige fejltilstande. Disse metoder kan være acceptable til at identificere et snævert bånd af fejltilstande eller bekræfte en katastrofal tilstand, men ingen er i stand til at levere avanceret MGU-vinding og SOH-test af spalteforinger.

Sammenfatning

Jeg håber, at du har nydt dette casestudie, og at det har givet dig mere indsigt i, hvordan MGU’er kan testes for en bred vifte af SOH og fejltilstande. Test af den elektriske drivlinje bør blive et standardinspektionsmål for enhver OEM- eller eftermarkedsservicevirksomhed. Efterhånden som bilindustrien bevæger sig fra forbrændingsbaserede drivlinjer til en elektrisk drivlinjeøkonomi, er det vigtigt, at bilteknikere forstår, hvordan test og analyse skal udføres, og hvilke fejltilstande der kan identificeres med analysen. Det vil også være servicevirksomhedens ansvar at informere og uddanne kunden i, hvordan elektriske drivlinjer ændrer inspektionen og serviceringen af køretøjet. I øjeblikket er der kun få servicevirksomheder, der uddanner forbrugerne i SOH-inspektioner af elektriske drivlinjer, og det bliver nødt til at blive mainstream snart for at sikre høje niveauer af Customer Relations Management (CRM). Den periodiske test af EM’erne er et vigtigt element i bestemmelsen af den elektriske drivlinjes SOH, og alle virksomheder, der servicerer hybrid- og elbiler, bør gøre det til en standardpraksis at tilbyde denne service til ejeren af den elektrificerede bil. Kunden kender ikke til periodisk EM SOH-analyse, før de bliver informeret af dig. Sikke en fantastisk mulighed for en servicevirksomhed til at skabe nye tjenester for at generere indtægter, samtidig med at man tilbyder en solid service til kunden!