Test EV: La verifica dello stato di salute si sposta in prima linea

Dr. Mark Quarto CTO – Quarto Technical Services

Dopo aver lavorato per oltre 32 anni nella tecnologia dei veicoli elettrificati, ho sperimentato la maggior parte dei settori dello sviluppo e dell’ingegneria automobilistica. Queste esperienze sono passate da ingegnere di servizio, ingegnere di sviluppo diagnostico per la gestione della propulsione e dell’energia, Engineering Manager dei sistemi di elettrificazione dei veicoli, Engineering Group Manager dei sistemi di elettrificazione dei veicoli e ora (dopo il pensionamento nel 2012) consulente e istruttore/mentore per gli OEM, i rifabbricatori e il mercato dei ricambi per i sistemi elettrificati dei veicoli. Mi sono divertito molto a progettare alcuni dei veicoli elettrificati più avanzati della storia dell’automobile, come GM EV1, Chevrolet Tahoe/Yukon 2-Mode Hybrid, Chevrolet Spark Electric, Chevrolet Volt, Chevrolet Equinox Fuel Cell Demonstration Fleet e altri veicoli concept avanzati. Negli ultimi 20 anni ho osservato da vicino il settore, che sta vivendo una vera e propria rivoluzione nei sistemi di propulsione, in quanto i veicoli elettrificati (cioè ibridi, plug-in ed elettrici) continuano a popolarsi. Il mercato dei veicoli elettrificati usati e di seconda mano continua a suscitare preoccupazioni su come i tecnici possano analizzare e diagnosticare con sicurezza i sistemi di propulsione elettrici.

In particolare, la diagnostica dei motori e dei generatori (macchine elettriche – EM) e l’analisi dello stato di salute (SOH) hanno assunto un ruolo centrale nella diagnostica e nell’analisi del settore automobilistico. I tecnici del settore automobilistico hanno manifestato un elevato interesse per l’apprendimento di processi di analisi e diagnostica all’avanguardia per aiutare a determinare la SOH di un EM. Poiché i prodotti elettrificati continuano a invecchiare sul mercato, i primi proprietari di veicoli invecchiati, i secondi proprietari e le flotte si pongono ora la domanda “quali sono le condizioni del motore di trazione e del generatore (statore e rotore) nel determinare l’SOH di un veicolo?”. Inoltre, i tecnici sul campo desiderano un metodo per “confermare” la loro analisi e la loro diagnosi quando si tratta di una condizione di guasto del gruppo propulsore elettrico. In particolare, la diagnostica di bordo dei veicoli OEM potrebbe non fornire metodi di analisi completi necessari per determinare lo stato di salute di un EM invecchiato o per stabilire con chiarezza se un problema risiede nell’EM o nel suo sistema Power Inverter Module (PIM). Poiché il costo di un sistema EM o PIM può comportare migliaia di dollari di riparazioni, è essenziale identificare e determinare la causa principale del problema. Inoltre, il tempo di manodopera necessario per identificare e confermare la causa di un problema può essere notevole, aggiungendosi al costo del pezzo già sostanzioso della riparazione. Inoltre, se i sistemi vengono diagnosticati in modo errato, i costi dei ricambi e della manodopera aumentano notevolmente. Un’ultima considerazione da fare è che né l’Aftermarket né gli OEM hanno incorporato l’EM SOH come parte di un processo formale di test di assistenza, come avviene per la tecnologia dei motori a combustione interna (ICE). Ad esempio, se un tecnico automobilistico venisse interrogato sulle cause di una tradizionale accensione irregolare dell’ICE, sulle variazioni del numero di giri, sulle condizioni di magra/ricchezza, ecc. Alcune di queste prove del motore comprendono il bilanciamento dei cilindri, la compressione, la perdita dei cilindri, le forme d’onda del vuoto, le prove del sistema di accensione, ecc. Queste prove sono endemiche e inserite nel DNA del modo in cui i tecnici automobilistici testano, analizzano e diagnosticano i sistemi di trasmissione. Tuttavia, se questi stessi tecnici automobilistici dovessero essere interrogati su come testare un gruppo propulsore elettrico, la maggior parte di essi potrebbe essere in grado di citare uno o due tipi di test, ma non conoscere affatto gli elementi di prova aggiuntivi utilizzati nell’analisi EM e le modalità di guasto associate. È qui che si trova il divario principale tra l’attuale livello di analisi e diagnostica EM nel campo dell’assistenza automobilistica, rispetto alle aree di test che dovrebbero essere comprese per fornire un’analisi e una diagnostica approfondite. In sintesi, il settore dell’assistenza automobilistica è gravemente impreparato nel campo dell’analisi dei motopropulsori EM, della diagnostica e delle competenze per determinare l’EM SOH.

La strada meno battuta

Quando, nel corso degli anni, ho avuto modo di parlare con molti tecnici e istruttori del settore automobilistico, la maggior parte di loro ammette subito di avere un’esperienza minima nel testare, analizzare e diagnosticare i sistemi EM. Sebbene i tecnici abbiano una buona conoscenza delle metodologie diagnostiche per i gruppi propulsori automobilistici tradizionali, le loro esperienze rappresentano una strada meno battuta nel settore dei gruppi propulsori elettrici. In 32 anni di carriera nel settore dell’ingegneria dei prodotti e dell’assistenza per i veicoli elettrificati, sono giunto alla conclusione che né i tecnici dei concessionari OEM né quelli dell’Aftermarket hanno coltivato le tecniche di analisi e diagnostica EM richieste, grazie alla formazione e all’esperienza. Gran parte di questo potrebbe essere dovuto al fatto che l’industria automobilistica è stata radicata nei sistemi meccanici piuttosto che in quelli elettronici o elettrici. Pertanto, le competenze di base del tecnico tradizionale non si sono concentrate sull’aspetto elettrico/elettronico, il che ha limitato l’esposizione del tecnico ai concetti elettrici/elettronici così necessari per affinare le tecniche di analisi dei sistemi di propulsione elettrica. Questi commenti non vogliono essere un giudizio. Piuttosto, sono destinati a fornire un feedback di osservazione per il settore dell’assistenza automobilistica, affinché rifletta su dove deve andare da qui in poi: una strada meno battuta.

Da decenni ho stretto alleanze con un numero significativo di scuole tecniche, college e programmi universitari di tecnologia e ingegneria automobilistica e posso riferire che sono poche le istituzioni che si occupano di analisi e diagnostica dei motopropulsori dei veicoli elettrificati. Le ragioni di questo stato di cose nei nostri corsi di formazione possono essere molteplici ma, a prescindere dalle cause, il risultato è una lacuna tecnologica che deve essere colmata per assistere i tecnici nella formazione all’identificazione e alla conferma delle prestazioni e delle metriche SOH attraverso una solida analisi e processi diagnostici. Inoltre, fornire ai tecnici automobilistici metodi di analisi e diagnostica che riducano il tempo di apprendimento delle tecniche di analisi e di collaudo dei gruppi propulsori dei veicoli elettrificati è il prossimo passo fondamentale per migliorare e far progredire le competenze dei tecnici nei sistemi elettrici avanzati.

Stato attuale dell’analisi e della diagnostica EM

Nel campo della tecnologia di assistenza automobilistica, le risorse che i tecnici possono acquisire e utilizzare per l’analisi e la diagnostica dei sistemi EM sono scarse. I produttori di automobili hanno ridotto al minimo la formazione dei tecnici e le attrezzature di prova. All’interno del sistema di diagnostica di bordo, non esiste una diagnostica che monitorizzi l’EM SOH. La maggior parte della diagnostica è orientata all’identificazione di guasti catastrofici e alcune parti dell’EM non hanno un monitoraggio diagnostico. Pertanto, esiste una significativa lacuna nella tecnologia che assiste il tecnico nell’identificazione prognostica dei guasti EM imminenti, in modo che il proprietario del veicolo possa essere informato del SOH del gruppo propulsore elettrico. L’Aftermarket ha più opzioni di formazione, ma la maggior parte dei singoli o delle aziende che offrono formazione non sono professionalmente preparati sulle tecnologie dei sistemi di propulsione elettrica. Inoltre, le modalità di guasto riscontrate da un concessionario OEM possono essere notevolmente diverse da quelle riscontrate nell’Aftermarket. Per quanto riguarda il segmento della formazione, la maggior parte dei formatori/fornitori dell’Aftermarket sono in genere autodidatti e non hanno una formazione professionale nelle scienze elettriche e meccaniche dei motopropulsori elettrici, e quindi sono relegati a insegnare o a utilizzare la diagnostica dei guasti. Inoltre, la maggior parte delle tecniche diagnostiche che vengono istruite nell’aftermarket rivelano solo una piccola percentuale di tutte le possibili modalità di guasto di un EM. Inoltre, ho osservato come l’Aftermarket e gli OEM abbiano istruito i tecnici su come identificare la piccola percentuale di modalità di guasto EM. Attualmente, i tecnici si affidano in larga misura ai guasti dei sistemi di tipo pattern (riconoscimento) come metodo per identificare la causa principale dei guasti dei sistemi tradizionali (ICE). Sfortunatamente, le tecnologie meccaniche, elettriche e magnetiche dei motopropulsori EM si stanno evolvendo così rapidamente che i guasti di modello sarebbero relegati a un approccio diagnostico meno efficace. Senza una solida base tecnica nella tecnologia EM, l’analisi e la diagnostica saranno una battaglia letteralmente in salita per un tecnico. L’apprendimento delle tecniche di analisi e diagnostica EM richiede una formazione e un’esperienza significative, che rappresentano una sfida anche per i diagnostici più esperti, a meno che l’apparecchiatura di analisi e test non sia in grado di analizzare i dati elettrici e magnetici per facilitare il lavoro di analisi e diagnostica. I tecnici automobilistici sono già oberati da un numero immenso di corsi che frequentano ogni anno, solo per rimanere aggiornati sulle tecnologie tradizionali dei motori a combustione interna (ICE). Inoltre, poiché la tecnologia ICE rappresenta la maggior parte delle interazioni quotidiane per un tecnico, è un compito oneroso per lui (e per il proprietario dell’azienda) giustificare lo stanziamento di ore di formazione significative per imparare i sistemi di propulsione elettrica. Tuttavia, il mercato automobilistico ha raggiunto l’apice. Il volume dei prodotti per veicoli elettrificati presenti sul mercato che stanno per terminare il periodo di garanzia inizia a raggiungere cifre significative. Pertanto, questi volumi non possono più essere ignorati, soprattutto dall’Aftermarket automobilistico. In sintesi, il settore dell’assistenza automobilistica ha raggiunto uno stato tale da non poter più ignorare i veicoli elettrificati o i sistemi EM, che se ne rendano conto o meno!

I “passi successivi” diagnostici per tecnici e istruttori

Il mercato dei servizi automobilistici sta vivendo un momento storico di grande transizione. Stiamo assistendo al cambio della guardia, in quanto l’industria automobilistica sta sperimentando il passaggio dai sistemi di propulsione ICE a quelli elettrici. Ciò significa che i tecnici del settore automobilistico devono continuare a occuparsi della tecnologia attuale, imparando e acquisendo esperienza nei nuovi sistemi di propulsione elettrica. Poiché non esiste una conoscenza pregressa (cioè la capacità di sfruttare le conoscenze e le esperienze precedenti) e un trasferimento tecnologico minimo (la tecnologia attuale ha un uso limitato nel nuovo sistema) dai sistemi di propulsione ICE a quelli elettrici, l’orizzonte di apprendimento è lungo e ripido. Il risultato è che i tecnici avranno bisogno di un supporto significativo per analizzare e diagnosticare i nuovi sistemi di propulsione elettrica. Inoltre, è necessario non solo analizzare e diagnosticare i sistemi di propulsione elettrica, ma anche confermare (o meno) una diagnosi per garantire che il componente corretto debba essere riparato o sostituito. Questo è un punto critico, poiché molti dei componenti del gruppo propulsore elettrico possono costare diverse migliaia di dollari o più. In sintesi, i tecnici automobilistici dovranno affidarsi a test e analisi in grado di riunire rapidamente tutti gli elementi necessari per testare gli aspetti elettrici e magnetici di un EM e fornire risultati e conclusioni semplificati.

Analisi e diagnostica EM: Un caso di studio

La determinazione dello stato di salute del transaxle o della trasmissione elettrica (SOH) o la conferma che si è verificato un evento catastrofico stanno diventando un aspetto sempre più importante per il settore dell’assistenza post-vendita e per coloro che analizzano, diagnosticano e assistono i gruppi propulsori elettrici. Poiché l’aftermarket continua a diventare un’opzione per i proprietari di ibridi per l’assistenza, diventa più importante che mai garantire che la determinazione dell’SOH o la conferma che un’unità motore-generatore elettrico (MGU) ha raggiunto il suo fine vita (EOL) diventi un processo ripetibile e affidabile. Ad esempio, come la compressione del motore, la perdita dei cilindri e il bilanciamento dei giri, ecc. possono cambiare (deteriorarsi) con il tempo o il chilometraggio (invecchiamento), portando alla fase di EOL del prodotto, anche un MGU può subire gli effetti dell’invecchiamento che, in ultima analisi, porteranno all’EOL. Tuttavia, poiché il tempo di calendario o il chilometraggio (invecchiamento) in cui un motore si guasta può variare drasticamente e può dipendere da molti fattori (ciclo di guida, posizione geografica, terreno, storia della manutenzione, ecc. Per raccogliere rapidamente i dati, non c’è metodo migliore che testare i propulsori elettrici che sono stati recentemente rimossi dai veicoli e compilare questi dati per formare un caso di studio e un metodo per trasmettere l’importanza dei test sui propulsori elettrici. In base alla mia esperienza nello sviluppo della diagnostica, nel collaudo e nella manutenzione dei sistemi di trazione elettrica e dei pacchi batterie, raramente si presenta l’opportunità di collaudare MGU dello stesso tipo nello stesso luogo, con un’ampia gamma di chilometraggi e di età cronologica e che possono essere collaudate in un solo giorno. Pertanto, questo caso di studio utilizzerà i dati di 20 transaxle elettrici di veicoli ibridi Toyota Prius che utilizzano lo stesso motore e generatore. Questo transaxle elettrico ha due MGU: un motore di trazione (MG2) e un generatore (MG1).

Caso di studio Informazioni di base sui test

Le informazioni che seguono servono a fornire informazioni di base sulla popolazione di MGU transaxle della Toyota Prius che sono state testate nell’ambito di questo caso di studio:

– Luogo del test: Azienda di ricambi usati del Midwest specializzata in componenti per veicoli ibridi elettrici

– Toyota Prius Tipo di transaxle: Generazione II (2004 – 2009)

– Tutti i transaxle testati erano stati rimossi dal veicolo e stoccati in magazzino su pallet (nota: gli MGU avrebbero potuto essere testati con il transaxle installato nel veicolo o fuori dal veicolo senza alcuna modifica dei dati di prova)

– Numero di transaxle nella popolazione di prova: 20

– Intervalli di chilometraggio della popolazione in prova: 28k – 148k

– Gamma degli anni di modello della popolazione di prova: 2004 – 2009

– MGU testate: MG1 e MG2

– Numero di prove su ogni MGU per acquisire i dati: Uno (1)

– Temperatura di prova: 5,5°C (42°F)

– Umidità: 58%

Caso di studio Strumentazione di prova e acquisizione dati

– MS Excel – per inserire/compilare i dati dei test e calcolare i valori statistici

– All Test Pro 33EV (AT33EV) – Strumento di analisi del circuito motore per l’acquisizione di dati di prova del motore

– Requisiti degli standard di test: Le norme IEEE 56, 118 e 120 riguardano i metodi di prova dell’analisi del circuito del motore, comprese le modalità di raccolta dei dati tramite strumentazione; IEEE 1415-2006, “Guide for IM Maintenance Testing and Failure Analysis”; IEEE 43-2000, “Recommended Practice for Testing Insulation”.

– Motivazione della scelta dello strumento: L’AT33EV ha ottenuto il punteggio più alto tra le cinque (5) metodologie di prova delle MGU in uno studio interno della General Motors (GM) che il mio team ha condotto nel 2011 per determinare la prospettiva delle capacità prognostiche e di prova degli strumenti di prova delle MGU. Ha anche ottenuto il punteggio più alto in uno studio condotto da un fornitore esterno di test sui motori elettrici per GM, quando lo studio è stato replicato per garantire la ripetibilità dei risultati dei test e delle prestazioni degli strumenti. Pertanto, l’AT33EV è uno strumento di prova superiore per eseguire test EM trifase e analisi SOH. Uno dei principali vantaggi dello strumento AT33EV è la capacità di testare un rotore EM senza la necessità di rotazione. In sintesi, l’EM può essere completamente testato staticamente. Per il tecnico, ciò significa che i test possono essere eseguiti con il sistema ad alta tensione disattivato e che non è necessario eseguire prove su strada: tutti i test possono essere eseguiti nell’area di servizio.

– Parametri di prova acquisiti dallo strumento per determinare l’SOH dell’MGU: resistenza in corrente continua (dc) (milliohms), induttanza, impedenza, capacità, angolo di fase, rapporto corrente-frequenza, fattore di dissipazione (contaminazione) e resistenza di isolamento.

– Risultati dei test forniti dallo strumento AT33EV: o Resistenza dc dell’avvolgimento di fase espressa in Ohm di resistenza – questi dati saranno utilizzati per verificare la presenza di connessioni interne al motore (ad es. corrosione, connessioni a crimpare allentate ecc.). La resistenza CC può anche essere utilizzata per indicare un cortocircuito interno della bobina molto grave (rame-rame) o un cortocircuito fase-fase più grave (guasti agli avvolgimenti intra o interfase). Il test di resistenza in corrente continua è inefficace per identificare i cortocircuiti rame-rame meno invasivi e non è utile per determinare l’invecchiamento degli avvolgimenti e delle fessure dello statore.

– Test di resistenza dell’isolamento (IR) espresso in Ohm di resistenza – il test IR viene osservato e confrontato con il tempo trascorso per raggiungere il livello di resistenza più alto per determinare la barriera di resistenza dell’isolamento a terra.

– Fattore di dissipazione (DF) – espresso in percentuale (derivato dalle misure dell’angolo di fase e della capacità) è la misura delle perdite dielettriche (isolanti) in un materiale isolante elettrico in un campo alternato (di corrente) e dell’energia risultante dissipata come calore. Il DF è utilizzato per misurare le variazioni dello stato qualitativo del rivestimento dei fili dell’avvolgimento di fase dell’MGU (vernice dielettrica o smalto), dello stato qualitativo del dielettrico da filo a filo e da fase a fase e dello stato qualitativo dell’isolamento (dielettrico) del rivestimento della fessura dello statore, per identificare eventuali perdite di isolamento dovute a contaminazione e/o deterioramento (invecchiamento). La contaminazione è/può essere un effetto cumulativo e deriva da microelementi di alluminio, acciaio, materiale di attrito, contaminanti dell’olio, plastica, umidità, ecc. che costituiscono un mezzo in cui l’energia può essere trasferita tra i fili di fase, gli avvolgimenti di fase, tra gli avvolgimenti di fase e l’isolamento del rivestimento della scanalatura dello statore, o tra i fili degli avvolgimenti di fase, l’isolamento del rivestimento della scanalatura e il ferro posteriore dell’MGU (cioè, la pila di laminazione dello statore) che è elettricamente comune con il telaio del veicolo. Ciò comporta un indebolimento/ invecchiamento del rivestimento dell’avvolgimento di fase e/o dei materiali isolanti (dielettrici) delle fessure. Poiché un guasto catastrofico (finale) di un MGU può essere il risultato di una contaminazione cumulativa durante la sua vita di servizio, i risultati dei test DF sono un’importante metrica prognostica/diagnostica per l’utente, per aiutare a determinare l’isolamento SOH dell’MGU.

– Test Value Static (TVS) – un numero adimensionale composto da un sottoinsieme dei parametri di test degli strumenti sopra citati, ovvero induttanza, impedenza (resistenza CA), angolo di fase e rapporto corrente-frequenza, e da un’analisi algoritmica complessa delle metriche risultanti. I dati di prova dei parametri degli avvolgimenti trifase vengono quindi calcolati da algoritmi software che forniscono all’utente un valore numerico risultante per determinare le prestazioni elettriche e magnetiche dello statore e del rotore dell’MGU trifase. L’utente confronta il numero adimensionale con un numero di riferimento (numeri forniti con il tester) per determinare numericamente quanto i dati dell’MGU testato si siano discostati (o meno) dai dati di test di nuove MGU dello stesso tipo o generazione di trasmissione. Il valore TVS elimina anche la necessità di ruotare l’MGU per testare gli avvolgimenti dello statore trifase, i magneti del rotore o le barre del rotore, gli anelli di cortocircuito, ecc.

– Test del sottosistema MGU: AT33EV è in grado di testare il rotore e lo statore SOH dell’MGU senza far ruotare (girare) il rotore (sia esso a magnete permanente o a induzione EM).

– Il collegamento dell’AT33EV ai cavi MGU è stato realizzato utilizzando tre (3) adattatori in rame puro da 0,375″ di diametro con resistenza nell’intervallo dei micro-Ohm, superfici zigrinate e filettature esterne (due adattatori da 3″ di lunghezza e un adattatore da 4″ di lunghezza) per consentire un collegamento ripetibile della strumentazione ai cavi MGU.

Presentazione dei dati del caso di studio

I dati del test MGU sono presentati nelle Tabelle 1 e 2. La Tabella 1 fornisce i dati di prova per il transaxle MG1 (generatore) e la Tabella 2 fornisce i risultati delle prove sul transaxle MG2 (motore di azionamento). Le colonne della tabella forniscono i seguenti dati (da sinistra a destra):

– Numero di campione di trasmissione

– Lettura del contachilometri del veicolo da cui è stata rimossa la trasmissione

– Resistenza 3-2 / 2-1 / 1-3: valori di resistenza quando si misurano le fasi da 3 a 2, da 2 a 1, e poi da 1 a 3. I risultati del test di resistenza sono il confronto dei valori degli avvolgimenti di fase per determinare il bilanciamento della resistenza complessiva. Il documento 1415-2006 dell’Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) afferma che “i tre valori (di resistenza) vengono confrontati – tutte le letture devono rientrare nel 3% – 5% della media delle tre letture”. I valori standard assicurano l’equilibrio elettrico dc (resistenza) e di corrente di fase tra tutti gli avvolgimenti di fase dell’MGU.

– DF% (fattore di dissipazione) – È un numero derivato dagli algoritmi del software AT33EV che fornisce all’utente i dati risultanti dai test di contaminazione in formato percentuale (%). I dati utilizzati per determinare il DF dell’MGU sono la capacità (l’elemento principale per il test DF), l’induttanza, l’impedenza, l’angolo di fase e il rapporto corrente/frequenza come elementi elettrici aggiuntivi utilizzati dal software per analizzare i dati. Nei dati, il DF è presentato in percentuale e in unità di capacità (%). Tuttavia, per semplificare la comunicazione dei dati in questo articolo, le percentuali saranno utilizzate in tre fasce:

o ≤ 6% = Buono (OK) – contaminazione entro limiti accettabili

o 6% – 10% = Avvertenza (W) – la contaminazione è elevata ma non fuori dai limiti

o ≥ 10% = guasto/fallimento (F) – la contaminazione è eccessiva, fuori dai limiti e potrebbero anche essere presenti condizioni che causano una modalità di guasto più grave

I test di contaminazione degli avvolgimenti MGU sono trattati nello standard IEEE 43-2000. Le norme IEEE 56, 118 e 120 riguardano i metodi di prova dell’analisi del circuito motore, comprese le modalità di raccolta dei dati tramite strumentazione.

– TVS (Test Value Static) – Il valore TVS consente di testare le MGU confrontando i dati di prova con un’unità di riferimento (nuova). Utilizzando un numero di riferimento qualificato, qualsiasi MGU SOH può essere determinato con questo metodo di confronto. In particolare, il valore TVS può aiutare a determinare il livello di invecchiamento (deterioramento) degli avvolgimenti dell’MGU, l’isolamento delle fessure dello statore, le condizioni magnetiche di rotore e statore, ecc. Il concetto chiave dell’utilizzo della metrica TVS è la possibilità di testare un transaxle/trasmissione sul veicolo, sia che utilizzi un collegamento diretto alla trasmissione finale, sia che utilizzi set di ingranaggi planetari singoli o multipli o sistemi di frizione idraulica interna, ecc. Tuttavia, i dati del TVS non determinano se il problema di un MGU trifase sia lo statore o il rotore. Può solo determinare se c’è uno squilibrio elettrico o magnetico nel rotore o nello statore.

– I risultati dei dati TVS sono riportati di seguito:

o ≤ 3% = OK – Buon bilanciamento di statore e rotore

o ≥ 3% ma ≤ 5% = AVVISO (W) che lo statore o il rotore stanno iniziando a sbilanciarsi elettricamente o magneticamente.

o ≤ 5% = FALLIMENTO (F) – Le proprietà elettriche o magnetiche dello statore o del rotore non sono bilanciate e non sono riuscite a rimanere all’interno del campo di prova. L’intervallo di guasto potrebbe anche essere costituito da condizioni che sono presenti per causare una modalità di guasto più grave.

Nei sistemi automobilistici, è irrilevante che il problema riguardi il rotore o lo statore, perché il cambio deve essere smontato nel veicolo o rimosso dal veicolo. In entrambi i casi, il rotore e lo statore vengono rimossi e si può utilizzare un gruppo statore e rotore nuovo o di qualità nota per sostituire le unità che non hanno superato i test o che indicano dati coerenti con un invecchiamento avanzato. Sostituendo sia lo statore che il rotore si eviterebbe una possibile diagnosi errata o un test più costoso.

Dati e risultati dello studio di caso Discussione

Lo studio ha riguardato un totale di 20 transaxle elettrici di II generazione (2004-2009). Anche se non è riportato nei dati (ma è annotato nelle pagine dei dati), ogni transaxle è stato testato per la resistenza di isolamento (IR) a 500Vdc. I transaxle che non hanno superato il test IR sono stati zero (0). Tuttavia, due dei transaxle (campioni 12 e 16) hanno tardato a raggiungere il livello massimo di 500 Vdc IR @ > 10 secondi) che, in base all’esperienza dei test, indica l’inizio della perdita di isolamento e un punto debole nell’isolamento dell’avvolgimento MGU o nei materiali isolanti della fessura dello statore. Con l’invecchiamento degli avvolgimenti, il tempo per raggiungere il livello massimo di IR aumenterà in modo significativo (ad esempio, 45 secondi – più di 1 minuto), a causa della dispersione di energia tra l’avvolgimento, il rivestimento della fessura e le lamelle dello statore (ferro posteriore). Questo tipo di dati si evolve in un guasto dell’MGU, ma la previsione del tempo di guasto non rientra nello scopo di questo articolo. Tuttavia, sono disponibili metodi statistici di qualità (come l’analisi di Weibull o l’utilizzo di statistiche di affidabilità) che possono aiutare a prevedere il tempo di guasto dell’MGU in base ai risultati delle proprietà dei test elettrici, dell’ambiente operativo, ecc.

Dati del contachilometri

I dati del contachilometri in questo studio di caso sono molto ampi e sono stati arrotondati alle 1000 miglia più vicine per facilitare la stesura dei rapporti. Il transaxle con il punto più basso del contachilometri è di 23.000 miglia e il punto più alto di 148.000 miglia.

Dati di misurazione della resistenza di fase

I dati sulla resistenza di fase sono riportati in unità di milliohm in corrente continua (mOhm). Il campione 8 del transaxle ha registrato le resistenze più basse, pari a 96,40 – 96,90 mOhms. I campioni dei transaxle 3, 4, 7 e 8 hanno riportato le resistenze più basse per MG2, pari a 120,00 – 121,00 mOhms. Tutte le misure di resistenza di fase del transaxle campione erano < 3% di variazione di resistenza per il bilanciamento della resistenza di fase e, pertanto, rientravano nello standard IEEE 1415 – 2006 per le macchine elettriche bilanciate con resistenza in corrente continua.

Dati di misura del fattore di dissipazione

I dati relativi al fattore di dissipazione % indicano che il campione 13 del transaxle MG1 è l’unica unità che non rientra nell’intervallo normale, con il 7,06% (intervallo di ATTENZIONE). I dati del campione 16 del Transaxle MG1, pari al 5,99%, lo collocano quasi nella categoria ATTENZIONE con il campione 13. Nessuno dei dati dell’unità Transaxle MG2 ha dato luogo a un’AVVERTENZA o a un FALLIMENTO DF%. Tuttavia, il DF% del campione Transaxle 16, pari a 5,66, rientra nei limiti di un test accettabile, ma è al limite dei dati di ATTENZIONE. Entrambi i dati MG1 e MG2 per il campione 16 lo collocano quasi nella categoria dei dati di ATTENZIONE per entrambi gli MGU.

Valore di prova Dati di misura statici

La misura TVS (numero adimensionale) è il valore numerico più complesso da riportare. Il valore di riferimento del TVS per un MG1 e MG2 di II generazione è:

– MG1 = 5,80

– MG2 = 13,30

I dati acquisiti per i campioni del transaxle MG1 hanno indicato che i campioni 12 e 5 erano in uno stato di AVVERTIMENTO (≥ 3% ma ≤ 5% di scostamento dal target dei dati di riferimento), mentre il campione 11 indicava uno stato di FALLIMENTO (≥ 5% di scostamento dal target dei dati di riferimento). I dati acquisiti per i campioni del transaxle MG2 hanno indicato che i campioni 1,2,4,10,11 e 13 erano in uno stato di AVVERTIMENTO (≥ 3% ma ≤ 5% di variazione rispetto al target dei dati di riferimento), mentre il campione 15 indicava uno stato di FALLIMENTO (≥ 5% di variazione rispetto al target dei dati di riferimento).

Conclusioni dello studio di caso

Sebbene questo caso di studio riguardi un campione ridotto di 20 unità, i dati sono coerenti con le prove eseguite su centinaia di MGU (sia del prodotto Toyota che della concorrenza). Resta inteso che, se la popolazione di veicoli di II generazione è di ≈1,5 milioni di veicoli, la dimensione del campione necessaria per fornire un livello di confidenza del 95% (con un intervallo di confidenza del +/- 3%) è di ≈1100 transaxle.

La dimensione del campione in questo studio è lontana dal numero necessario per ottenere una modellazione statistica affidabile delle macchine elettriche MG1 e MG2 del 2004-2009. Una popolazione statistica sufficientemente ampia (dimensione del campione), associata a un livello di confidenza e a un intervallo di confidenza elevati per ottenere numeri statistici affidabili per giungere a una conclusione statistica, non rientrava nell’ambito di questo studio di caso. Tuttavia, la preponderanza delle prove di questo caso di studio (e di altri simili) è stata coerente con i risultati di altri casi di studio per quanto riguarda il valore prognostico e diagnostico per i tecnici sul campo nel determinare l’SOH di un MGU prima di un guasto catastrofico.

Confronto tra i tipi di dati – Sulla base dei dati forniti in questo studio di caso, si può concludere che i dati sulla resistenza dell’avvolgimento non hanno un andamento (o una traccia) di altre modalità di guasto dell’MGU SOH. Tutte le prove di resistenza di fase sugli MGU in questo caso di studio hanno indicato che c’era equilibrio tra tutte le fasi dell’MGU e che ognuna era conforme allo standard IEEE 1415-2006. I dati DF acquisiti da ciascuna MGU non hanno avuto un andamento o una corrispondenza con i dati delle prove di resistenza in corrente continua, né con i dati TVS. Pertanto, un MGU può contenere resistenze di fase bilanciate, dati DF% che rientrano nelle bande di tolleranza, ma non superare il test TVS. Questo test è conforme alle norme IEEE 56, 118 e 120 relative ai metodi di test dell’analisi del circuito del motore, comprese le modalità di raccolta dei dati tramite strumentazione. Inoltre, sulla base dei dati del caso di studio, è possibile contenere resistenze di fase bilanciate, dati TVS che rientrano nella banda di tolleranza, ma acquisire livelli di allarme per il DF%. Questo test è conforme ai test di contaminazione degli avvolgimenti MGU contenuti nello standard IEEE 43-2000.

In sintesi, i dati di resistenza, i dati DF% e i dati TVS sono disaccoppiati nel determinare l’SOH di un MGU. Utilizzando i principi fondamentali dell’ingegneria elettrica, combinati con algoritmi matematici e software avanzati per lo scrub dei dati, è possibile ottenere un quadro completo dell’SOH dell’MGU o la conferma di un guasto catastrofico. Questa è una buona notizia per i tecnici sul campo perché, in passato, molti problemi di funzionamento/prestazioni dell’MGU, la misurazione dell’invecchiamento dell’avvolgimento o dell’isolamento della fessura o il tentativo di identificare condizioni intermittenti difficili sono stati inaffidabili. Tecniche diagnostiche inaffidabili, come l’uso del solo MilliOhmmetro, l’uso di un MilliOhmmetro e di un IR, o l’uso combinato di un MilliOhmmetro, di un IR e di un impedenziometro, non sono in grado di rilevare i sottili cambiamenti nell’isolamento dell’avvolgimento di fase o della fessura dello statore e, pertanto, non possono rilevare l’insorgere di modalità di guasto elettrico o dell’isolamento. Questi metodi possono essere accettabili per identificare una banda ristretta di modalità di guasto o confermare una condizione catastrofica, ma nessuno è in grado di fornire test avanzati sull’avvolgimento dell’MGU e sulla fodera della fessura SOH.

Sintesi

Spero che questo caso di studio vi sia piaciuto e che vi abbia fornito maggiori informazioni su come le MGU possono essere testate per un’ampia gamma di SOH e modalità di guasto. La verifica del gruppo propulsore elettrico dovrebbe diventare una metrica di ispezione standard per qualsiasi OEM o attività di assistenza post-vendita. Poiché l’industria automobilistica continua a passare da un sistema di propulsione basato sulla tecnologia ICE a un sistema di propulsione elettrico, è fondamentale che i tecnici automobilistici comprendano come devono essere eseguiti i test e le analisi e le modalità di guasto che possono essere identificate con l’analisi. Sarà inoltre responsabilità del servizio di assistenza informare ed educare il cliente su come i propulsori elettrici cambiano l’ispezione e la manutenzione del veicolo. Attualmente sono poche le aziende di servizi che educano i consumatori alle ispezioni SOH dei motopropulsori elettrici, e questo dovrà diventare presto mainstream per garantire alti livelli di Customer Relations Management (CRM). Il test periodico degli EM è un elemento importante per determinare la SOH del gruppo propulsore elettrico e tutte le aziende che si occupano di manutenzione di veicoli ibridi ed elettrici dovrebbero offrire questo servizio al proprietario del veicolo elettrificato. Il cliente del veicolo non saprà dell’analisi periodica EM SOH finché non sarà istruito da voi. Un ottimo modo per un’azienda di servizi di creare nuovi servizi per generare entrate, offrendo al contempo un servizio solido per il cliente!