전기차 테스트: 최첨단 상태 검증으로 최전선으로 이동하기

마크 쿼토 박사 – 쿼토 기술 서비스 CTO

전기 자동차 기술 분야에서 32년 이상 근무하면서 자동차 개발 및 엔지니어링 분야의 대부분의 분야를 경험했습니다. 서비스 엔지니어, 추진/에너지 관리 진단 개발 엔지니어, 차량 전기화 시스템 엔지니어링 매니저, 차량 전기화 시스템 엔지니어링 그룹 매니저를 거쳐 현재는(2012년 은퇴 후) 컨설턴트 및 강사/멘토로서 OEM, 리제조업체 및 전기화 차량 시스템 애프터마켓에 대한 다양한 경험을 쌓았습니다. GM EV1, 쉐보레 타호/유콘 2모드 하이브리드, 쉐보레 스파크 일렉트릭, 쉐보레 볼트, 쉐보레 이쿼녹스 연료전지 데모 차량 및 기타 첨단 콘셉트 차량 등 자동차 역사상 가장 진보된 전기자동차를 설계하는 것이 정말 즐거웠습니다. 지난 20년간 자동차 산업을 면밀히 관찰해 온 결과, 하이브리드, 플러그인, 전기차 등 전기화 차량이 지속적으로 보급되면서 파워트레인 시스템에 진정한 혁명이 일어나고 있습니다. 중고차 및 중고 전기차 시장에서는 기술자가 전기 파워트레인 시스템을 자신 있게 분석하고 진단하는 방법에 대한 우려가 계속 높아지고 있습니다.

특히 구동 모터 및 발전기(전기 기계 – EM) 진단 및 상태(SOH) 분석은 자동차 진단 및 분석의 중심이 되고 있습니다. 자동차 기술자들은 EM의 SOH를 결정하는 데 도움이 되는 최첨단 분석 및 진단 프로세스를 배우는 데 높은 관심을 표명했습니다. 전기 자동차 제품이 시장에서 계속 노후화됨에 따라 노후 차량의 최초 소유자, 두 번째 소유자 및 차량 소유자들은 이제 “차량의 SOH를 결정할 때 구동 모터와 발전기(고정자 및 회전자)의 상태는 어떤가?”라는 질문을 제기하고 있습니다. 또한 현장 기술자는 전기 파워트레인 고장 상태를 대상으로 할 때 분석 및 진단을 ‘확인’할 수 있는 방법을 원합니다. 특히, OEM 차량 온보드 진단은 노후화된 EM의 상태를 판단하는 데 필요한 포괄적인 분석 방법을 제공하지 않거나 문제가 EM 또는 파워 인버터 모듈(PIM) 시스템 내에 있는지를 명확하게 판단하지 못할 수 있습니다. EM 또는 PIM 시스템의 비용은 수천 달러의 수리 비용을 초래할 수 있으므로 문제의 근본 원인을 식별하고 결정하는 것이 필수적입니다. 또한 문제의 근본 원인을 식별하고 확인하는 데 필요한 노동 시간은 광범위할 수 있으며 이미 상당한 수리 부품 비용을 추가할 수 있습니다. 또한 시스템 진단이 잘못되면 부품 및 인건비가 크게 증가합니다. 마지막으로 고려해야 할 사항은 애프터마켓이나 OEM 모두 내연기관(ICE) 기술의 경우처럼 공식적인 서비스 테스트 프로세스의 일부로 EM SOH를 포함시키지 않았다는 점입니다. 예를 들어, 자동차 기술자에게 전통적인 ICE 오발화의 원인, rpm의 변화, 희박/풍부 상태 등에 대한 질문을 받는다면 특정/타겟팅된 테스트를 수행하는 것은 당연한 일입니다. 이러한 엔진 테스트에는 실린더 밸런스, 압축, 실린더 누출, 진공 파형, 점화 시스템 테스트 등이 포함됩니다. 이러한 테스트는 자동차 기술자가 자동차 파워트레인 시스템을 테스트, 분석 및 진단하는 방식에 내재된 고유한 DNA입니다. 그러나 동일한 자동차 기술자에게 전기 파워트레인을 테스트하는 방법에 대한 질문을 받으면 대부분 한두 가지 유형의 테스트를 인용할 수 있지만, EM 분석에 사용되는 추가 테스트 요소와 관련 고장 모드에 대해서는 완전히 익숙하지 않을 수 있습니다. 자동차 서비스 분야의 현재 EM 분석 및 진단 수준과 철저한 분석 및 진단을 제공하기 위해 이해해야 하는 테스트 영역 사이의 근본적인 격차가 바로 여기에 있습니다. 요약하면, 자동차 서비스 분야는 EM 파워트레인 분석, 진단 및 EM SOH를 결정하는 기술 분야에서 매우 미흡한 실정입니다.

남들이 가지 않은 길

수년 동안 많은 자동차 기술자 및 강사와 대화를 나눈 결과, 대부분은 EM 시스템을 테스트, 분석 및 진단하는 방법에 대한 경험이 거의 없다는 사실을 금방 인정했습니다. 기술자들은 기존 자동차 파워트레인의 진단 방법론에 정통하지만, 전기 파워트레인 분야에서는 경험이 많지 않습니다. 32년간 전기 자동차 제품 엔지니어링 및 서비스 엔지니어링 분야에서 일하면서 저는 OEM 딜러나 애프터마켓 기술자 모두 교육과 경험을 통해 필수적인 EM 분석 또는 진단 기술을 배양하지 못했다는 결론을 내렸습니다. 이는 자동차가 전자 또는 전기 중심 시스템이 아닌 기계 시스템에 뿌리를 두고 있기 때문일 수 있습니다. 따라서 기존 기술자의 핵심 스킬셋은 전기/전자에 초점을 맞추지 않았기 때문에 전기 파워트레인 시스템의 분석 기술을 개선하는 데 필요한 전기/전자 개념에 대한 기술자의 노출이 제한적이었습니다. 이러한 의견은 판단을 내리기 위한 것이 아닙니다. 오히려 자동차 서비스 분야가 앞으로 나아가야 할 방향, 즉 가보지 않은 길에 대해 생각해 볼 수 있는 관찰 피드백을 제공하기 위한 것입니다.

또한 수십 년 동안 수많은 기술 학교, 대학 및 대학 자동차 기술 및 엔지니어링 프로그램과 긴밀한 제휴 관계를 맺어 왔으며, 전기 자동차 파워트레인 분석 및 진단을 핵심으로 하는 기관은 거의 없다고 보고할 수 있습니다. 교육 현장에서 이러한 상태가 발생하는 데에는 여러 가지 이유가 있을 수 있지만, 원인에 관계없이 그 결과 기술자가 탄탄한 분석 및 진단 프로세스를 통해 성능 및 SOH 지표를 식별하고 확인할 수 있도록 교육하는 데 도움이 되는 기술 격차를 메워야 합니다. 또한, 자동차 기술자에게 분석 기술을 배우고 전기 자동차 파워트레인을 테스트하는 시간을 줄여주는 분석 및 진단 방법을 제공하는 것은 첨단 전기 시스템에 대한 기술자의 기술을 향상시키고 발전시키는 데 있어 매우 중요한 다음 단계입니다.

EM 분석 및 진단 현황

자동차 서비스 기술 분야에서는 기술자가 EM 시스템의 분석 및 진단을 위해 습득하고 활용할 수 있는 리소스가 부족합니다. 자동차 OEM은 기술자 교육과 테스트 장비를 최소한으로 줄였습니다. 온보드 진단 시스템 내에는 EM SOH를 모니터링하는 진단 기능이 없습니다. 대부분의 진단은 치명적인 장애를 식별하는 데 맞춰져 있으며 EM의 일부에는 진단 모니터링 기능이 없습니다. 따라서 기술자가 향후 EM 고장을 예후적으로 식별하여 차량 소유자에게 전기 파워트레인 SOH에 대해 알릴 수 있도록 지원하는 기술에는 상당한 격차가 있습니다. 애프터마켓에는 더 많은 교육 옵션이 있지만, 대부분의 개인 또는 회사 교육 제공업체는 전기 파워트레인 시스템 기술에 대해 전문적으로 교육을 받지 못했습니다. 또한 OEM 딜러가 경험하게 될 고장 모드는 애프터마켓에서 경험하는 것과 크게 다를 수 있습니다. 교육 부문의 경우, 대부분의 애프터마켓 트레이너/제공업체는 일반적으로 독학으로 교육을 받고 전기 파워트레인의 전기 및 기계 과학에 대한 전문 교육이 부족하기 때문에 패턴 고장 진단을 가르치거나 사용하는 데 그치고 있습니다. 또한 애프터마켓에서 교육되고 있는 대부분의 진단 기술은 EM의 모든 가능한 고장 모드 중 극히 일부만 발견할 수 있습니다. 또한 애프터마켓과 OEM이 기술자에게 EM 오류 모드의 소수를 식별하는 방법을 어떻게 교육했는지에 대한 저의 관찰은 기껏해야 피상적인 수준에 그쳤습니다. 현재 기술자들은 기존(ICE) 시스템 장애의 근본 원인을 파악하는 방법으로 시스템의 패턴(인식) 장애에 크게 의존하고 있습니다. 안타깝게도 EM 파워트레인 기계, 전기 및 자기 기술은 매우 빠르게 반복되고 있어 패턴 고장은 덜 효과적인 진단 접근 방식으로 강등될 수 있습니다. EM 기술에 대한 확고한 기술적 기반이 없다면 분석 및 진단은 기술자에게 말 그대로 힘든 싸움이 될 것입니다. EM 분석 및 진단 기술을 배우려면 상당한 교육과 경험이 필요하며, 분석 및 테스트 장비가 전기 및 자기 데이터를 스크러빙하여 분석 및 진단 작업을 더 쉽게 수행할 수 없다면 숙련된 진단 전문가에게도 어려운 일입니다. 자동차 기술자들은 전통적인 내연기관(ICE) 기술을 최신 상태로 유지하기 위해 매년 수강해야 하는 엄청난 수의 교육 과정으로 이미 과중한 업무에 시달리고 있습니다. 또한, ICE 기술은 기술자의 일상적인 상호작용의 대부분을 차지하기 때문에 전기 파워트레인 시스템을 배우기 위해 상당한 교육 시간을 할당하는 것은 기술자(및 사업주)에게 부담스러운 작업입니다. 하지만 자동차 시장은 정점에 도달했습니다. 보증 기간이 임박했거나 만료된 전기 자동차 제품의 시장 규모가 상당한 수준에 도달하기 시작했습니다. 따라서 특히 자동차 애프터마켓에서 이러한 볼륨은 더 이상 무시할 수 없습니다. 요약하자면, 자동차 서비스 분야는 인식하든 인식하지 못하든 더 이상 전기화 차량 또는 EM 시스템을 무시할 수 없는 상태에 도달했습니다!

기술자 및 강사를 위한 진단 ‘다음 단계’

현재 자동차 서비스 시장은 역사상 가장 과도기적인 시기를 겪고 있습니다. 자동차 업계가 내연기관 파워트레인을 전기 기반 파워트레인 시스템으로 전환하는 등 지각 변동이 일어나고 있습니다. 즉, 자동차 기술자는 기존 기술을 계속 서비스하는 동시에 새로운 전기 파워트레인 시스템에 대해 배우고 경험을 쌓아야 합니다. 기존 지식(즉, 이전 지식과 경험을 활용할 수 있는 능력)이 없고 ICE에서 전기 파워트레인으로의 기술 이전(현재 기술은 새로운 시스템에서 제한적으로 사용됨)이 미미하기 때문에 학습 기간이 가파르고 길어질 수 밖에 없습니다. 그 결과 기술자들은 새로운 전기 파워트레인 시스템을 분석하고 진단할 때 상당한 지원이 필요하게 됩니다. 또한, 현장에서는 전기 파워트레인 시스템을 분석하고 진단할 뿐만 아니라 올바른 부품을 수리하거나 교체해야 하는지 여부를 확인하기 위해 진단을 확인해야 할 필요성이 있습니다. 많은 전기 파워트레인 부품의 가격이 수천 달러 이상에 달할 수 있기 때문에 이는 매우 중요한 포인트입니다. 요약하면, 자동차 기술자는 EM의 전기적 및 자기적 측면을 테스트하는 데 필요한 모든 요소를 신속하게 통합하고 간소화된 테스트 결과와 결론을 제공할 수 있는 테스트 및 분석에 의존해야 합니다.

EM 분석 및 진단: 사례 연구

전기 트랜스액슬 또는 변속기 건강 상태(SOH)를 결정하거나 치명적인 사건이 발생했는지 확인하는 것은 애프터마켓 서비스 산업과 전기 파워트레인을 분석, 진단 및 서비스하는 산업에서 더욱 중요한 측면이 되고 있습니다. 애프터마켓이 서비스를 위해 하이브리드 소유자에게 계속해서 더 많은 옵션이 됨에 따라 SOH를 결정하거나 전기 모터 발전기 장치(MGU)가 수명이 다했음을 확인하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌습니다. EOL)은 반복 가능하고 신뢰할 수 있는 프로세스가 됩니다. 예를 들어, 엔진 압축, 실린더 누출, RPM 밸런스 등이 시간 또는 주행 거리에 따라 변화(열화)하여(노화) 제품의 EOL 단계로 이어질 수 있듯이, MGU도 노화 효과를 경험하여 궁극적으로 EOL을 초래할 수 있습니다. 그러나 엔진이 고장 나는 시간 또는 주행 거리(노화)는 매우 다양할 수 있고 여러 요인(주행 주기, 지리적 위치, 지형, 유지보수 이력 등)에 따라 달라질 수 있으므로 MGU 노화도 일반적인 EOL 기대치를 결정하는 데 (통계적으로) 도움이 될 수 있는 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 데이터를 빠르게 수집하려면 최근 차량에서 제거된 전기 파워트레인을 테스트하고 이 데이터를 취합하여 사례 연구와 전기 파워트레인 테스트의 중요성을 전달하는 방법을 구성하는 것보다 더 좋은 방법은 없습니다. 전기 구동 및 배터리 팩 시스템의 진단, 테스트, 서비스를 개발하면서 경험한 바에 따르면 주행 거리와 연식이 다양하고 하루 만에 테스트할 수 있는 동일한 유형의 MGU를 동일한 장소에서 테스트할 수 있는 기회는 거의 없습니다. 따라서 이 사례 연구에서는 동일한 구동 모터와 발전기를 사용하는 20대의 도요타 프리우스 하이브리드 차량 전기 트랜스액슬의 데이터를 활용합니다. 이 전동 트랜스액슬에는 구동 모터(MG2) 1개와 발전기(MG1) 1개 등 2개의 MGU가 있습니다.

사례 연구 테스트 배경 정보

다음 정보는 이 사례 연구의 일부로 테스트한 도요타 프리우스 트랜스액슬 MGU의 모집단에 대한 배경 정보입니다:

– 테스트 장소: 하이브리드 전기 자동차 부품을 전문으로 하는 미드웨스트 중고 부품 업체

– 도요타 프리우스 트랜스액슬 유형: 2세대 (2004 – 2009)

– 테스트한 모든 트랜스액슬은 차량에서 분리되어 팔레트에 담겨 창고에 보관되었습니다(참고: MGU는 테스트 데이터의 변경 없이 트랜스액슬을 차량에 설치하거나 차량 외부에 설치한 상태로 테스트할 수 있었습니다).

– 테스트 모집단의 트랜잭슬 수: 20개

– 테스트 모집단의 주행거리 범위: 28,000~148,000마일

– 테스트 모집단의 모델 연도 범위: 2004~2009년

– MGU 테스트 완료: MG1 및 MG2

– 데이터를 수집하기 위한 각 MGU의 테스트 횟수입니다: 1개(1)

– 테스트 온도: 5.5°C(42°F)

– 습도: 58%

사례 연구 테스트 계측 및 데이터 수집

– MS Excel – 테스트 데이터 입력/컴파일 및 통계 값 계산용

– 모든 테스트 프로 33EV(AT33EV) – 모터 테스트 데이터 수집을 위한 모터 회로 분석 툴

– 테스트 표준 요구 사항: 전기전자기술자협회(IEEE) 56, 118 및 120에서는 계측을 통한 데이터 수집 방법을 포함한 모터 회로 분석 테스트 방법을 다루며, IEEE 1415-2006, “IM 유지보수 테스트 및 고장 분석 가이드”, IEEE 43-2000, “절연 테스트 권장 사례”를 참조합니다.

– 기기 선택의 근거: AT33EV는 2011년 제 팀이 MGU 테스트 기기의 예후 및 테스트 기능에 대한 전망을 확인하기 위해 수행한 제너럴 모터스(GM)의 내부 연구에서 5가지 MGU 테스트 방법론 중 가장 높은 점수를 받았습니다. 또한 테스트 결과와 기기 성능의 반복성을 보장하기 위해 GM의 외부 전기 모터 테스트 공급업체가 수행한 연구에서도 가장 높은 점수를 받았습니다. 따라서 AT33EV는 3상 EM 테스트 및 SOH 분석을 수행하는 데 탁월한 테스트 기기입니다. AT33EV 도구의 주요 장점 중 하나는 회전을 하지 않고도 EM 로터를 테스트할 수 있다는 점입니다. 요약하면 EM은 완전히 정적으로 테스트할 수 있습니다. 기술자에게 이것은 고전압 시스템을 비활성화한 상태에서 테스트를 수행할 수 있고 도로 테스트가 필요하지 않음을 의미합니다. 모든 테스트는 서비스 베이에서 수행할 수 있습니다.

– MGU SOH를 결정하기 위해 계측기에서 수집한 계측기 테스트 파라미터: 직류(dc) 저항(밀리옴), 인덕턴스, 임피던스, 커패시턴스, 위상각, 전류-주파수 비율, 소산 계수(오염) 및 절연 저항.

– AT33EV 기기에서 제공하는 테스트 결과: o 저항 옴으로 표시되는 상 권선 직류 저항 – 이 데이터는 내부 모터 연결(예: 부식, 느슨한 크림프 연결 등)을 테스트하는 데 활용됩니다. DC 저항은 매우 심각한 내부 코일(구리 대 구리) 단락 또는 더 심각한 위상 간 단락(상내 또는 상간 권선 고장)을 나타내는 데에도 사용할 수 있습니다. DC 저항 테스트는 덜 침습적인 구리 대 구리 단락을 식별하는 데 효과적이지 않으며 권선/고정자 슬롯 노화를 결정하는 데 도움이 되지 않습니다.

– 저항 옴으로 표시되는 절연 저항(IR) 테스트 – IR 테스트를 관찰하고 최고 저항 수준에 도달하기까지의 경과 시간과 비교하여 절연 대 접지 저항 장벽을 결정합니다.

– DF(손실 계수) 는 위상각 및 커패시턴스 측정에서 백분율로 표시되며 교류(전류) 필드에서 전기 절연 재료의 유전체(절연) 손실과 그 결과 열로 방출되는 에너지의 측정값입니다. DF는 오염 및/또는 열화(노화)로 인한 절연 손실을 식별하기 위해 MGU 상 권선 전선 코팅(유전체 바니시 또는 에나멜) 품질 상태, 전선 간 및 상 간 유전체 품질 상태, 고정자 슬롯 라이너 절연(유전체) 품질 상태의 변화를 측정하는 수단으로 사용됩니다. 오염은 알루미늄, 강철, 마찰 재료, 오일 오염 물질, 플라스틱, 습기 등의 미세 요소로 인해 발생하며, 이는 상 와이어, 상 권선 간, 상 권선과 고정자 슬롯 라이너 절연물 간 또는 상 권선과 슬롯 라이너 절연물 및 차량 섀시와 전기적으로 공통인 MGU 백철(즉, 고정자 적층 스택) 간에 에너지가 전달될 수 있는 매체를 제공하는 누적된 효과일 수 있습니다. 이로 인해 위상 권선 코팅 및/또는 슬롯 절연체(유전체) 재료가 약화되거나 노후화됩니다. MGU의 (최종) 치명적인 고장은 서비스 수명 동안 누적된 오염의 결과일 수 있으므로 DF 테스트 데이터 결과는 사용자가 MGU 절연 SOH를 결정하는 데 도움이 되는 중요한 예후/진단 지표입니다.

– 정적 테스트 값(TVS ) – 앞서 언급한 인덕턴스, 임피던스(AC 저항), 위상각, 전류-주파수 비율의 기기 테스트 매개변수 하위 집합을 사용하고 복잡한 알고리즘 분석으로 결과 메트릭을 스크러빙하여 구성된 차원이 없는 숫자입니다. 그런 다음 3상 권선 매개변수 테스트 데이터는 3상 MGU 고정자와 회전자 전기 및 자기 성능을 결정하기 위해 사용자에게 결과 수치 값을 제공하는 소프트웨어 알고리즘에 의해 계산됩니다. 사용자는 테스트된 MGU 데이터가 동일한 유형 또는 전송 세대의 새로운 MGU 테스트 데이터에서 얼마나 멀리 드리프트되었는지(또는 그렇지 않은지) 수치적으로 결정하기 위해 무차원 숫자를 참조 번호(테스터와 함께 제공되는 숫자)와 비교합니다. TVS 값은 또한 3상 고정자 권선, 회전자 자석 또는 회전자 바, 단락 링 등을 테스트하기 위해 MGU를 회전할 필요가 없습니다.

– MGU 하위 시스템 테스트: AT33EV는 로터(영구 자석 또는 유도 EM)를 회전(회전)시키지 않고도 MGU 로터 및 고정자 SOH를 테스트할 수 있습니다.

– 낮은 마이크로옴 범위의 저항, 널링 표면, 외부 나사산(3″ 길이 어댑터 2개, 4″ 길이 어댑터 1개)을 갖춘 3개의 0.375″ 직경 순수 구리 어댑터를 사용하여 MGU 케이블에 AT33EV를 연결하여 반복 가능한 계측기 연결이 가능하도록 했습니다.

사례 연구 데이터 프레젠테이션

MGU 테스트 데이터는 표 1과 표 2에 나와 있습니다. 표 1은 트랜스액슬 MG1(발전기)에 대한 테스트 데이터를, 표 2는 트랜스액슬 MG2(구동 모터)에 대한 테스트 결과를 제공합니다. 테이블 열은 다음과 같은 데이터를 제공합니다(왼쪽에서 오른쪽으로):

– 전송 샘플 번호

– 변속기가 제거된 차량 주행 거리계 수치

– 저항 3-2 / 2-1 / 1-3: 3단계에서 2단계, 2단계에서 1단계, 1단계에서 3단계를 측정할 때의 저항 값입니다. 저항 테스트의 결과는 위상 권선 값을 비교하여 전체 저항 균형을 결정하는 것입니다. IEEE(전기전자기술자협회) 표준 문서 1415-2006에 따르면 “세 가지 (저항) 값을 비교하며, 모든 수치는 세 가지 수치 평균의 3%~5% 이내여야 합니다.”라고 명시되어 있습니다. 표준 값은 모든 MGU 위상 권선 간에 전기적 DC(저항) 및 위상 전류 균형이 유지되도록 합니다.

– DF%(소산 계수) – AT33EV 소프트웨어 알고리즘에서 파생된 수치로, 사용자에게 오염 테스트 결과를 백분율(%) 형식으로 제공합니다. MGU DF를 결정하는 데 사용되는 데이터는 커패시턴스(DF 테스트의 기본 요소), 인덕턴스, 임피던스, 위상각 및 전류 대 주파수 비율로 소프트웨어가 데이터를 스크러빙하는 데 사용되는 추가 전기 요소입니다. 데이터에서 DF는 백분율 및 커패시턴스 단위(%)로 표시됩니다. 그러나 이 글에서는 데이터 보고를 간소화하기 위해 백분율을 세 가지 범위로 사용합니다:

o ≤ 6% = 양호(OK) – 허용 한도 내 오염

o 6% – 10% = 경고(W) – 오염이 높지만 한계를 벗어나지는 않음

o 10% 이상 = 불합격/실패(F) – 오염이 과도하고 한계를 벗어났으며 더 심각한 고장 모드를 유발할 수 있는 조건일 수도 있습니다.

MGU 권선 오염 테스트는 IEEE 표준 43-2000에서 다룹니다. IEEE 56, 118 및 120에서는 계측을 통해 데이터를 수집하는 방법을 포함하여 모터 회로 분석 테스트 방법을 다룹니다.

– TVS(정적 테스트 값) – TVS 값을 사용하면 테스트 데이터를 참조(새) 단위와 비교하여 MGU를 테스트할 수 있습니다. 적격 참조 번호를 활용하면 이 비교 방법을 사용하여 모든 MGU SOH를 확인할 수 있습니다. 특히 TVS 값은 권선, 고정자 슬롯 절연, 회전자/고정자 자기 상태 등의 MGU 노화(열화) 수준 또는 이미 고장난 장치의 여부를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다. TVS 메트릭 사용의 핵심 개념은 최종 드라이브에 직접 연결, 단일 또는 다중 유성 기어 세트 또는 내부 유압 클러치 시스템 등을 사용하는 차량의 트랜스액슬/변속기를 테스트할 수 있다는 것입니다. 그러나 TVS 데이터는 3상 MGU 문제의 원인이 고정자 또는 회전자에 있는지 여부를 판단하지 않습니다. 로터 또는 고정자에 전기적 또는 자기적 불균형이 있는지 여부만 확인할 수 있습니다.

– TVS 데이터 결과는 다음과 같이 보고됩니다:

o 3% 이하 = OK – 고정자 및 회전자 균형 양호

o 3% 이상 5% 미만 = 고정자 또는 회 전자가 전기적 또는 자기적으로 균형이 맞지 않기 시작했다는 경고(W)

o ≤ 5% = 실패(F) – 고정자 또는 회전자 전기적 또는 자기적 특성이 균형을 잃고 테스트 범위 내에 머물지 못함. 장애 범위는 더 심각한 장애 모드를 유발할 수 있는 조건일 수도 있습니다.

자동차 시스템에서는 트랜스액슬/변속기를 차량에서 분해하거나 차량에서 제거해야 하므로 문제가 로터인지 스테이터인지 여부는 중요하지 않습니다. 두 경우 모두 로터와 고정자를 제거하고 테스트에 실패했거나 노화가 진행된 데이터를 나타내는 장치를 교체하기 위해 새롭거나 알려진 양호한 고정자 및 로터 어셈블리를 사용할 수 있습니다. 고정자와 회전자를 모두 교체하면 오진 가능성이나 더 많은 비용이 드는 테스트를 줄일 수 있습니다.

사례 연구 데이터 및 결과 토론

이 연구의 일환으로 총 20대의 2세대(2004~2009년) 전기 트랜스액슬이 사용되었습니다. 데이터에는 보고되지 않았지만(데이터 페이지에 명시되어 있음), 각 트랜스액슬은 500Vdc에서 절연 저항(IR) 테스트를 거쳤습니다. IR 테스트에 실패한 트랜스액슬은 0개였습니다. 그러나 트랜스액슬 중 두 개(샘플 12 및 16)는 최대 500Vdc IR 레벨( > 10초)에 도달하는 속도가 느렸는데, 테스트 경험에 따르면 이는 절연 누설의 초기 시작과 MGU 권선 절연 또는 고정자 슬롯 절연 재료의 약점을 나타냅니다. 권선이 계속 노화되면 권선, 슬롯 라이너 및 고정자 라미네이션(백 아이언) 사이의 에너지 누출로 인해 최대 IR 레벨에 도달하는 시간이 크게 증가합니다(예: 45초~1분 이상). 이러한 유형의 데이터 결과는 결국 MGU 장애로 발전하게 되지만, 장애까지 걸리는 시간을 예측하는 것은 이 글의 범위에 포함되지 않습니다. 그러나 전기 테스트 특성, 작동 환경 등의 결과를 기반으로 MGU의 고장 시간을 예측하는 데 도움이 되는 품질 통계 방법(예: 웨이불 분석 또는 신뢰성 통계 사용)이 있습니다.

주행 거리계 데이터

이 사례 연구의 주행거리 데이터는 매우 광범위하며 보고하기 쉽도록 가장 가까운 1000마일로 반올림했습니다. 주행거리계 데이터 포인트가 가장 낮은 트랜스액슬은 23,000마일이고 가장 높은 데이터 포인트는 148,000마일입니다.

위상 저항 측정 데이터

위상 저항 데이터는 DC 밀리옴(mOhm) 단위로 보고됩니다. 트랜스액슬 샘플 8은 96.40 – 96.90m옴의 가장 낮은 저항을 보였습니다. 트랜스액슬 샘플 3, 4, 7, 8은 MG2에 대해 120.00 – 121.00m옴의 가장 낮은 저항을 보였습니다. 모든 트랜스액슬 샘플 위상 저항 측정값은 < 위상 저항 밸런스에 대한 3% 저항 변동이었으며, 따라서 DC 저항 밸런스 전기 기계에 대한 IEEE 1415 – 2006 표준 내에 있었습니다.

손실 계수 측정 데이터

손실 계수 % 데이터에 따르면 트랜스액슬 MG1 샘플 13이 7.06%로 정상 범위에 속하지 않는 유일한 유닛이었습니다(경고 범위). Transaxle MG1 샘플 16 데이터는 5.99%로 샘플 13과 함께 거의 경고 범주에 속했습니다. Transaxle MG2 장치 데이터 중 DF% 경고 또는 실패를 초래한 데이터는 없습니다. 그러나 Transaxle 샘플 16 DF% 5.66은 허용 가능한 테스트 범위 내에 있지만 경고 데이터의 경계에 있습니다. 샘플 16의 MG1 및 MG2 데이터는 두 MGU 모두에서 거의 경고 데이터 범주에 속합니다.

테스트 값 정적 측정 데이터

TVS(무차원수) 측정값은 보고해야 하는 가장 복잡한 측정 데이터 수치입니다. 2세대 MG1 및 MG2의 목표 TVS 기준값입니다:

– MG1 = 5.80

– MG2 = 13.30

MG1 트랜스액슬 샘플에 대해 수집한 데이터는 샘플 12와 5가 경고 상태(기준 데이터 목표와 3% 이상 5% 미만 차이)였고, 샘플 11은 실패 상태(기준 데이터 목표와 5% 이상 차이)였음을 나타냈습니다. MG2 트랜스액슬 샘플에 대해 획득한 데이터는 샘플 1,2,4,10,11,13이 경고 상태(기준 데이터 목표와 3% 이상 5% 미만 차이)였고, 샘플 15는 실패 상태(기준 데이터 목표와 5% 이상 차이)였음을 나타냈습니다.

사례 연구 결론

이 사례 연구에는 20개라는 작은 표본 크기가 포함되었지만, 데이터는 수백 개의 MGU(도요타 제품 또는 경쟁사 제품)에 대해 완료된 테스트와 일치합니다. ≈150만 대의 2세대 차량 모집단이 있는 경우, 95% 데이터 신뢰도(신뢰 구간 +/- 3%) 수준을 제공하는 데 필요한 샘플 크기는 ≈1100트랜스액슬이라는 것을 알 수 있습니다.

이 연구의 표본 크기는 2004~2009년 MG1 및 MG2 MGU 전기 기계의 신뢰할 수 있는 통계 모델링을 달성하는 데 필요한 수와는 거리가 멀습니다. 통계적 결론을 도출할 수 있을 만큼 신뢰할 수 있는 통계적 수치를 얻기 위한 높은 신뢰 수준 및 신뢰 구간과 함께 충분히 큰 통계적 모집단(표본 크기)은 이 사례 연구 범위에서 벗어났습니다. 그러나 이 사례 연구(및 이와 유사한 다른 사례 연구)에서 나온 테스트 증거의 우세는 현장 기술자가 치명적인 장애가 발생하기 전에 MGU의 SOH를 결정하는 데 예후 및 진단적 가치를 제공한다는 다른 사례 연구 결과와 일치합니다.

데이터 유형 비교 – 이 사례 연구에서 제공된 데이터에 따르면 권선 저항 데이터는 다른 MGU SOH 고장 모드의 추세(또는 추적)를 따르지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이 사례 연구에서 MGU에 대한 모든 위상 저항 테스트 결과 모든 MGU 위상 간에 균형이 유지되고 있으며 각 위상이 IEEE 1415-2006 표준을 준수하는 것으로 나타났습니다. 각 MGU에서 수집한 DF 데이터는 DC 저항 테스트 데이터와 함께 추세를 보이거나 추적하지 않았으며 TVS 데이터와도 추세를 보이지 않았습니다. 따라서 MGU에는 균형 잡힌 위상 저항, 허용 오차 대역 내에 있는 DF% 데이터가 포함될 수 있지만 TVS 테스트에는 실패할 수 있습니다. 이 테스트는 계측을 통해 데이터를 수집하는 방법을 포함하여 모터 회로 분석 테스트 방법을 다루는 IEEE 56, 118 및 120을 준수합니다. 또한 사례 연구 데이터를 기반으로 균형 잡힌 위상 저항, 허용 오차 범위 내에 있지만 DF%에 대한 경고 수준을 획득하는 TVS 데이터를 포함할 수 있습니다. 이 테스트는 IEEE 표준 43-2000에 포함된 MGU 권선 오염 테스트를 준수합니다.

요약하면, 저항 데이터, DF% 데이터, TVS 데이터는 MGU의 SOH를 결정할 때 분리됩니다. 고급 수학 및 소프트웨어 알고리즘과 결합된 기본 전기 공학 원리를 사용하여 데이터를 스크러빙하면 MGU SOH에 대한 전체적인 그림이나 치명적인 장애를 확인할 수 있습니다. 과거에는 MGU 작동/성능 문제, 권선 또는 슬롯 절연 노화 측정 또는 어려운 간헐적 상태를 파악하는 데 많은 어려움이 있었기 때문에 현장의 기술자에게 희소식입니다. 밀리옴미터만 사용하거나, 밀리옴미터와 IR을 함께 사용하거나, 밀리옴미터, IR, 임피던스 미터를 함께 사용하는 등 신뢰할 수 없는 진단 기술은 위상 권선 또는 고정자 슬롯 절연의 미묘한 변화를 감지할 수 없으므로 전기 또는 절연 고장 모드의 발병을 감지할 수 없습니다. 이러한 방법은 좁은 범위의 고장 모드를 식별하거나 치명적인 상태를 확인하는 데는 적합할 수 있지만, 고급 MGU 권선 및 슬롯 라이너 SOH 테스트는 제공하지 못합니다.

요약

이 사례 연구를 통해 다양한 SOH 및 장애 모드에 대해 MGU를 테스트하는 방법에 대한 더 많은 통찰력을 얻으셨기를 바랍니다. 전기 파워트레인 테스트는 모든 OEM 또는 애프터마켓 서비스 비즈니스의 표준 검사 지표가 되어야 합니다. 자동차 산업이 ICE 기반 파워트레인에서 전기 파워트레인 경제로 계속 이동함에 따라 자동차 기술자는 테스트 및 분석을 수행하는 방법과 분석을 통해 식별할 수 있는 고장 모드를 이해하는 것이 매우 중요합니다. 또한 전기 파워트레인으로 인해 차량의 점검 및 서비스가 어떻게 달라지는지 고객에게 알리고 교육하는 것은 서비스 사업자의 책임입니다. 현재 전기 파워트레인 SOH 검사에 대해 소비자에게 교육하는 서비스 업체는 거의 없으며, 높은 수준의 고객 관계 관리(CRM)를 보장하기 위해서는 조만간 이러한 교육이 주류가 되어야 할 것입니다. EM의 정기적인 테스트는 전기 파워트레인의 SOH를 결정하는 중요한 요소이며, 하이브리드 및 전기 자동차를 서비스하는 모든 업체는 전기 자동차 소유자에게 이 서비스를 제공하는 것을 표준 관행으로 삼아야 합니다. 차량 고객은 귀사가 교육을 실시하기 전까지는 정기적인 EM SOH 분석에 대해 알지 못합니다. 서비스 비즈니스가 새로운 서비스를 만들어 수익을 창출하는 동시에 고객에게 탄탄한 서비스를 제공할 수 있는 훌륭한 세그웨이입니다!