Testes EV: A verificação do estado de saúde passa para a linha da frente

Dr. Mark Quarto CTO – Quarto Technical Services

Depois de trabalhar durante mais de 32 anos na tecnologia de veículos electrificados, tenho experiência na maioria das áreas do desenvolvimento automóvel e do espaço de engenharia. Estas experiências passaram de engenheiro de serviço, engenheiro de desenvolvimento de diagnósticos de gestão de propulsão/energia, gestor de engenharia de sistemas de eletrificação de veículos, gestor de grupo de engenharia de sistemas de eletrificação de veículos e agora (após a reforma em 2012) consultor e instrutor/mentor de OEM, fabricantes de peças sobresselentes e do mercado de reposição para sistemas de veículos electrificados. Gostei muito de conceber alguns dos veículos electrificados mais avançados da história do automóvel, como o GM EV1, o Chevrolet Tahoe/Yukon 2-Mode Hybrid, o Chevrolet Spark Electric, o Chevrolet Volt, o Chevrolet Equinox Fuel Cell Demonstration Fleet e outros veículos conceptuais avançados. Como observei de perto a indústria nos últimos 20 anos, esta tem vivido uma verdadeira revolução nos sistemas de propulsão, à medida que os veículos electrificados (ou seja, veículos híbridos, plug-in e eléctricos) continuam a povoar a população de veículos. O mercado de veículos electrificados usados e de segundo proprietário continua a suscitar preocupações sobre a forma como os técnicos irão analisar e diagnosticar com confiança os sistemas de grupos motopropulsores eléctricos.

Em particular, o diagnóstico do motor de acionamento e do gerador (Máquinas Eléctricas – EM) e a análise do estado de saúde (SOH) passaram a ocupar um lugar central no diagnóstico e na análise de automóveis. Os técnicos do sector automóvel manifestaram um grande interesse em aprender os processos de análise e diagnóstico mais avançados para ajudar a determinar o SOH de um EM. À medida que os produtos de veículos electrificados continuam a envelhecer no mercado, os primeiros proprietários de veículos antigos, os segundos proprietários e as frotas estão agora a levantar a questão “qual é o estado do motor de acionamento e do gerador (estator e rotor) quando se determina o SOH de um veículo?” Além disso, os técnicos no terreno desejam um método para “confirmar” as suas análises e diagnósticos quando se trata de uma condição de falha do grupo motopropulsor elétrico. Especificamente, os diagnósticos a bordo dos veículos OEM podem não fornecer métodos de análise abrangentes necessários para determinar o estado de um EM antigo ou para determinar claramente se um problema reside no EM ou no seu sistema de Módulo Inversor de Potência (PIM). Uma vez que o custo de um sistema EM ou PIM pode resultar em milhares de dólares de reparação, é essencial identificar e determinar a causa raiz do problema. Além disso, o tempo de trabalho necessário para identificar e confirmar a causa raiz de um problema pode ser extenso, aumentando o já substancial custo parcial da reparação. E, se os sistemas forem mal diagnosticados, os custos de peças e mão de obra aumentam significativamente. Uma última consideração a ter em conta é que nem o mercado de assistência nem os OEM incorporaram o EM SOH como parte de um processo formal de ensaio de serviço, como é o caso da tecnologia dos motores de combustão interna (ICE). Por exemplo, se um técnico automóvel fosse questionado sobre as causas de uma falha de ignição tradicional do ICE, variações nas rotações, condição de magra/rica, etc., seria natural que efectuasse testes específicos/dirigidos. Alguns destes ensaios de motores incluem o equilíbrio dos cilindros, a compressão, a fuga de cilindros, as formas de onda de vácuo, o ensaio do sistema de ignição, etc. Estes testes são endémicos e estão ligados ao ADN da forma como os técnicos automóveis testam, analisam e diagnosticam os sistemas de transmissão automóvel. No entanto, se estes mesmos técnicos de automóveis fossem questionados sobre como testar um grupo motopropulsor elétrico, a maioria poderia ser capaz de citar um ou dois tipos de testes, mas não estaria completamente familiarizada com os elementos de teste adicionais que são utilizados na análise EM e os modos de falha associados. É aqui que reside a raiz da lacuna entre o nível atual de análise e diagnóstico EM no domínio do serviço automóvel e as áreas de ensaio que devem ser compreendidas para fornecer uma análise e um diagnóstico completos. Em suma, o sector dos serviços de assistência automóvel está muito pouco iniciado no domínio da análise e do diagnóstico do grupo motopropulsor EM e das competências para determinar a SOH EM.

A estrada menos percorrida

Quando converso com muitos técnicos e instrutores de automóveis ao longo dos anos, a maioria admite rapidamente que tem uma experiência mínima em termos de saber como testar, analisar e diagnosticar sistemas EM. Embora os técnicos estejam bem familiarizados com as metodologias de diagnóstico dos grupos motopropulsores automóveis tradicionais, as suas experiências são um caminho menos percorrido no espaço dos grupos motopropulsores eléctricos. Ao longo da minha carreira de 32 anos em engenharia de produtos e engenharia de serviços de veículos electrificados, concluí que nem os concessionários OEM nem os técnicos do mercado pós-venda cultivaram as técnicas de análise e diagnóstico EM necessárias, através da formação e da experiência. Grande parte desta situação pode dever-se ao facto de o sector automóvel ter estado enraizado em sistemas mecânicos e não em sistemas centrados na eletrónica ou na eletricidade. Por conseguinte, o conjunto de competências essenciais do técnico tradicional não se tem centrado na parte eléctrica/eletrónica, o que limitou a exposição do técnico aos conceitos eléctricos/electrónicos tão necessários para aperfeiçoar as técnicas de análise dos sistemas de grupos motopropulsores eléctricos. Estes comentários não pretendem ser um juízo de valor. Pelo contrário, destinam-se a fornecer um feedback de observação para que o sector do serviço automóvel reflicta sobre o caminho a seguir a partir daqui: um caminho menos percorrido.

Há décadas que mantenho alianças estreitas com um número significativo de escolas técnicas, faculdades e programas universitários de tecnologia e engenharia automóvel e posso afirmar que são poucas as instituições que se dedicam à análise e diagnóstico de grupos motopropulsores de veículos electrificados. Pode haver uma série de razões para o estado desta condição nas nossas fileiras educativas mas, independentemente das causas, o resultado é uma lacuna tecnológica que precisa de ser preenchida para ajudar os técnicos a formarem-se para identificar e confirmar o desempenho e as métricas SOH através de uma análise sólida e de processos de diagnóstico. Além disso, fornecer aos técnicos de automóveis métodos de análise e diagnóstico que reduzam o tempo de aprendizagem das técnicas de análise e de teste dos grupos motopropulsores dos veículos electrificados é o próximo passo fundamental para melhorar e desenvolver as competências dos técnicos em sistemas eléctricos avançados.

Estado atual da análise e diagnóstico EM

No domínio da tecnologia de serviço automóvel, existem poucos recursos para os técnicos adquirirem e utilizarem na análise e diagnóstico dos sistemas EM. Os OEM do sector automóvel reduziram a formação dos técnicos e o equipamento de ensaio ao mínimo indispensável. No sistema de diagnóstico de bordo, não existem diagnósticos que monitorizem o EM SOH. A maioria dos diagnósticos é orientada para identificar falhas catastróficas e algumas partes do EM não têm monitorização de diagnóstico. Por conseguinte, existe uma lacuna significativa na tecnologia para ajudar o técnico a identificar prognósticos de falhas EM futuras, para que o proprietário do veículo possa ser informado da SOH do grupo motopropulsor elétrico. O mercado de pós-venda tem mais opções de formação, mas a maioria dos indivíduos ou dos prestadores de formação das empresas não tem formação profissional em tecnologias de sistemas de propulsão eléctrica. Além disso, os modos de avaria que um concessionário OEM experimentará podem ser significativamente diferentes dos experimentados no mercado de assistência. Quanto ao segmento da formação, a maioria dos formadores/fornecedores do mercado pós-venda são normalmente autodidactas e não têm formação profissional nas ciências eléctricas e mecânicas dos grupos motopropulsores eléctricos, pelo que se limitam a ensinar ou a utilizar diagnósticos de falhas padrão. Além disso, a maior parte das técnicas de diagnóstico que estão a ser ensinadas no mercado pós-venda apenas revelariam uma pequena percentagem de todos os modos de falha possíveis de um EM. Além disso, a minha observação da forma como o mercado de reposição e os OEMs instruíram os técnicos sobre como identificar a pequena percentagem dos modos de falha EM foi superficial, na melhor das hipóteses. Atualmente, os técnicos baseiam-se fortemente nas falhas de padrão (reconhecimento) dos sistemas como método de identificação da causa principal das falhas dos sistemas tradicionais (ICE). Infelizmente, as tecnologias mecânicas, eléctricas e magnéticas do grupo motopropulsor EM estão a evoluir tão rapidamente que as falhas padrão seriam relegadas para uma abordagem de diagnóstico menos eficaz. Sem uma base técnica sólida em tecnologia EM, a análise e o diagnóstico serão uma batalha literalmente difícil para um técnico. A aprendizagem de técnicas de análise e diagnóstico EM requer uma formação e experiência significativas, que constituem um desafio mesmo para os técnicos de diagnóstico experientes, a menos que o equipamento de análise e ensaio possa depurar dados eléctricos e magnéticos para facilitar o trabalho de análise e diagnóstico. Os técnicos automóveis já estão sobrecarregados com um imenso número de cursos que frequentam anualmente, apenas para se manterem actualizados com as tecnologias tradicionais dos motores de combustão interna (ICE). E, uma vez que a tecnologia ICE compreende a maior parte da interação diária de um técnico, é uma tarefa onerosa para eles (e para o proprietário da empresa) justificar a atribuição de horas de formação significativas para aprender os sistemas de transmissão eléctrica. No entanto, o mercado automóvel atingiu o seu auge. O volume de produtos de veículos electrificados no mercado que estão perto ou fora do seu período de garantia começa a atingir números significativos. Por conseguinte, estes volumes não podem continuar a ser ignorados, especialmente pelo mercado de pós-venda automóvel. Em suma, o sector dos serviços automóveis chegou a um ponto em que não pode continuar a ignorar os veículos electrificados ou os sistemas EM, quer se apercebam disso ou não!

Diagnóstico “Próximos passos” para técnicos e instrutores

O mercado do serviço automóvel vive atualmente um momento de grande transição na sua história. Estamos a assistir a uma mudança de guarda, uma vez que a indústria automóvel está a passar de sistemas de propulsão ICE para sistemas de propulsão de base eléctrica. Isto significa que os técnicos automóveis devem continuar a prestar assistência à tecnologia atual, ao mesmo tempo que aprendem e adquirem experiência nos novos sistemas de propulsão eléctrica. Uma vez que não existe conhecimento herdado (ou seja, capacidade de aproveitar o conhecimento e a experiência anteriores) e uma transferência mínima de tecnologia (a tecnologia atual tem uma utilização limitada no novo sistema) dos grupos motopropulsores ICE para os eléctricos, o horizonte de aprendizagem é íngreme e longo. O resultado é que os técnicos necessitarão de um apoio significativo para analisar e diagnosticar os novos sistemas de transmissão eléctrica. Além disso, existe uma necessidade no terreno não só de analisar e diagnosticar os sistemas de transmissão eléctrica, mas também de confirmar (ou não) um diagnóstico para garantir que o componente correto tem de ser reparado ou substituído. Este é um ponto crítico, uma vez que muitos dos componentes do grupo motopropulsor elétrico podem custar vários milhares de dólares ou mais. Em resumo, os técnicos de automóveis terão de confiar em testes e análises que possam reunir rapidamente todos os elementos necessários para testar os aspectos eléctricos e magnéticos de um EM e fornecer resultados e conclusões de testes simplificados.

Análise e diagnóstico EM: Um estudo de caso

A determinação do transaxle eléctrico ou do estado de saúde da transmissão (SOH) ou, confirmando que ocorreu um evento catastrófico, está a tornar-se um aspecto mais importante da indústria de serviços pós-venda e daqueles que analisam, diagnosticam, e prestam serviços de transmissão de energia eléctrica. Como o aftermarket continua a tornar-se mais uma opção para os proprietários de híbridos para serviço, torna-se também mais importante do que nunca assegurar que a determinação de SOH ou, para confirmar uma unidade geradora de motor eléctrico (MGU) atingiu o seu fim de vida (EOL) se torne um processo repetível e fiável. Por exemplo, tal como a compressão do motor, a fuga de cilindros, o equilíbrio das rotações, etc., podem alterar-se (deteriorar-se) com o tempo ou a quilometragem (envelhecimento), resultando na fase de EOL do produto, uma MGU também pode sofrer efeitos de envelhecimento que acabarão por resultar na EOL. No entanto, como o tempo de calendário ou a quilometragem (envelhecimento) em que um motor falha pode variar drasticamente e pode depender de muitos factores (ciclo de condução, localização geográfica, terreno, historial de manutenção, etc.), o envelhecimento do MGU também pode ser afetado por numerosos factores que podem (estatisticamente) ajudar a determinar as expectativas gerais de EOL. Para obter dados rapidamente, não há melhor método do que testar grupos motopropulsores eléctricos que tenham sido recentemente retirados dos veículos e compilar esses dados para formar um estudo de caso e um método para transmitir a importância dos ensaios de grupos motopropulsores eléctricos. A minha experiência no desenvolvimento de diagnósticos, testes e manutenção de sistemas de acionamento elétrico e de baterias raramente permite testar MGUs do mesmo tipo no mesmo local, com uma vasta gama de quilometragem e idades cronológicas e que possam ser testadas num único dia. Por conseguinte, este estudo de caso utilizará dados de 20 eixos de transmissão eléctricos de veículos híbridos Toyota Prius que utilizam o mesmo motor de acionamento e gerador. Este transeixo elétrico tem dois MGU: um motor de acionamento (MG2) e um gerador (MG1).

Estudo de caso Informações gerais sobre o ensaio

A informação que se segue serve como informação de base sobre a população de MGUs de eixo de transmissão do Toyota Prius que foram testadas como parte deste estudo de caso:

– Local do teste: Empresa de peças usadas do Midwest especializada em componentes para veículos eléctricos híbridos

– Tipo de eixo de transmissão do Toyota Prius: Geração II (2004 – 2009)

– Todos os eixos de transmissão ensaiados foram retirados do veículo e armazenados em paletes no armazém (nota: os MGUs poderiam ter sido ensaiados com o eixo de transmissão instalado no veículo ou fora do veículo sem qualquer alteração dos dados de ensaio)

– Número de Transaxles na população de teste: 20

– Quilómetros da população de teste: 28k – 148k

– Gamas de ano do modelo da população de ensaio: 2004 – 2009

– MGUs testados: MG1 e MG2

– Número de ensaios em cada MGU para obtenção de dados: Um (1)

– Temperatura de teste: 5,5°C (42°F)

– Humidade: 58%

Estudo de caso Instrumentação de teste e aquisição de dados

– MS Excel – para introduzir/compilar dados de ensaio e calcular valores estatísticos

– All Test Pro 33EV (AT33EV) – Ferramenta de análise do circuito do motor para adquirir dados de teste do motor

– Requisitos das normas de ensaio: As normas 56, 118 e 120 do Instituto de Engenheiros Eléctricos e Electrónicos (IEEE) abrangem métodos de ensaio de análise de circuitos de motores, incluindo a forma como os dados são recolhidos por instrumentação; IEEE 1415-2006, “Guide for IM Maintenance Testing and Failure Analysis”; IEEE 43-2000, “Recommended Practice for Testing Insulation”

– Fundamentação para a seleção do instrumento: O AT33EV obteve a pontuação mais elevada de cinco (5) metodologias de ensaio de MGU num estudo interno da General Motors (GM) que a minha equipa realizou em 2011 para determinar a perspetiva das capacidades de prognóstico e de ensaio dos instrumentos de ensaio de MGU. Também obteve a pontuação mais elevada num estudo realizado por um fornecedor externo de testes de motores eléctricos para a GM, quando o estudo foi replicado para garantir a repetibilidade dos resultados dos testes e o desempenho do instrumento. Por conseguinte, o AT33EV é um instrumento de teste superior para efetuar testes EM trifásicos e análise SOH. Uma das principais vantagens da ferramenta AT33EV é a sua capacidade de testar um rotor EM sem a necessidade de rotação. Em resumo, o EM pode ser completamente testado de forma estática. Para o técnico, isto significa que os testes podem ser realizados com o sistema de Alta Tensão desactivado e que não são necessários testes em estrada – todos os testes podem ser realizados na baía de serviço.

– Parâmetros de ensaio do instrumento adquiridos pelo instrumento para determinar o SOH da MGU: corrente contínua (dc) Resistência (miliohms), indutância, impedância, capacitância, ângulo de fase, relação corrente-frequência, fator de dissipação (contaminação) e resistência de isolamento.

– Resultados dos testes fornecidos pelo instrumento AT33EV: o Resistência dc do enrolamento de fase expressa em Ohms de resistência – estes dados serão utilizados para testar as ligações internas do motor (ou seja, corrosão, ligações frouxas, etc.). A resistência dc também pode ser utilizada para indicar um curto-circuito muito grave na bobina interna (cobre-cobre) ou um curto-circuito mais grave fase a fase (falhas no enrolamento intra ou inter-fase). O teste de resistência dc é ineficaz na identificação de curto-circuitos menos invasivos entre cobre e cobre e não ajuda a determinar o envelhecimento do enrolamento/ranhura do estator.

– Ensaio de resistência do isolamento (IR) expresso em Ohms de resistência – o ensaio IR é observado e comparado com o tempo decorrido para atingir o seu nível de resistência mais elevado para determinar a barreira de resistência do isolamento à terra.

– Fator de dissipação (DF) – expresso em percentagem (derivado de medições de ângulo de fase e capacitância) é a medida das perdas dieléctricas (isolantes) num material isolante elétrico num campo (corrente) alternado e a energia resultante dissipada como calor. O DF é utilizado como meio de medir as alterações do estado de qualidade do revestimento (verniz ou esmalte dielétrico) dos fios do enrolamento de fase da MGU, do estado de qualidade dieléctrica fio a fio e fase a fase e do estado de qualidade do isolamento (dielétrico) do revestimento da ranhura do estator, a fim de identificar eventuais perdas de isolamento devidas a contaminação e/ou deterioração (envelhecimento). A contaminação é/pode ser um efeito cumulativo e deriva de microelementos de alumínio, aço, material de fricção, contaminantes de óleo, plásticos, humidade, etc., que fornecem um meio no qual a energia pode ser transferida entre os fios de fase, os enrolamentos de fase, entre os enrolamentos de fase e o isolamento do revestimento da ranhura do estator, ou entre os fios de enrolamento de fase, o isolamento do revestimento da ranhura e o ferro traseiro do MGU (ou seja, pilha de laminação do estator) que é eletricamente comum com o chassis do veículo. Isto resulta no enfraquecimento/envelhecimento do revestimento do enrolamento de fase e/ou dos materiais isoladores (dieléctricos) das ranhuras. Uma vez que uma falha catastrófica (final) de um MGU pode ser o resultado de contaminação cumulativa durante a sua vida útil, os resultados dos dados do teste DF são uma importante métrica de prognóstico/diagnóstico para o utilizador para ajudar a determinar o SOH do isolamento do MGU.

– Valor de teste estático (TVS) – um número adimensional composto pela utilização de um subconjunto dos parâmetros de teste de instrumentos acima mencionados de indutância, impedância (resistência CA), ângulo de fase e relação corrente-frequência e pela depuração das métricas resultantes com uma análise algorítmica complexa. Os dados de teste do parâmetro de enrolamento trifásico são então calculados por algoritmos de software que fornecem um valor numérico resultante ao utilizador para determinar o desempenho eléctrico e magnético do estator trifásico da MGU e do rotor. O utilizador compara o número sem dimensão com um número de referência (números fornecidos com o testador) para determinar numericamente até onde os dados de MGU testados se afastaram (ou não) dos novos dados de teste de MGU do mesmo tipo ou geração de transmissão. O valor TVS também elimina a necessidade de rodar a MGU para testar enrolamentos do estator trifásico, ímanes de rotor ou barras de rotor, e anéis de curto-circuito, etc.

– Ensaio do subsistema MGU: O AT33EV é capaz de ensaiar a SOH do rotor e do estator da MGU sem rodar o rotor (quer se trate de um íman permanente ou de um EM de indução)

– A ligação do AT33EV aos cabos MGU foi efectuada utilizando três (3) adaptadores de cobre puro de 0,375″ de diâmetro com resistência na gama baixa de micro-Ohm, superfícies serrilhadas e roscas externas (dois adaptadores de 3″ de comprimento e um adaptador de 4″ de comprimento) para permitir uma ligação repetível dos instrumentos aos cabos MGU.

Apresentação dos dados do estudo de caso

Os dados do ensaio MGU são apresentados no Quadro 1 e no Quadro 2. O quadro 1 apresenta os dados de ensaio do eixo MG1 (gerador) e o quadro 2 apresenta os resultados de ensaio do eixo MG2 (motor de acionamento). As colunas do quadro fornecem os seguintes dados (da esquerda para a direita):

– Número da amostra de transmissão

– Valor odométrico do veículo do qual a transmissão foi retirada

– Resistência 3-2 / 2-1 / 1-3: Valores de resistência ao medir as fases 3 a 2, 2 a 1 e depois 1 a 3. Os resultados do teste de resistência são a comparação dos valores do enrolamento de fase para determinar o equilíbrio global da resistência. O documento de normas 1415-2006 do Instituto de Engenheiros Eléctricos e Electrónicos (IEEE) indica que “os três valores (de resistência) são comparados – todas as leituras devem situar-se entre 3% e 5% da média das três leituras”. Os valores padrão asseguram que existe um equilíbrio elétrico dc (resistência) e corrente de fase entre todos os enrolamentos de fase do MGU.

– DF% (Fator de Dissipação) – É um número derivado dos algoritmos do software AT33EV que fornece ao utilizador os dados de teste de contaminação resultantes num formato de percentagem (%). Os dados utilizados para determinar a DF da MGU são a capacitância (o elemento principal para o teste de DF), a indutância, a impedância, o ângulo de fase e a relação corrente-frequência como elementos eléctricos adicionais utilizados pelo software para depurar os dados. Nos dados, o DF é apresentado em percentagem e em unidades de capacitância (%). No entanto, para simplificar a comunicação de dados neste artigo, as percentagens serão utilizadas em três intervalos:

o ≤ 6% = Bom (OK) – contaminação dentro de limites aceitáveis

o 6% – 10% = Aviso (W) – a contaminação é elevada mas não está fora dos limites

o ≥ 10% = Falha/Falha (F) – a contaminação é excessiva, está fora dos limites e pode também estar presente em condições que causam um modo de falha mais grave

O ensaio de contaminação do enrolamento MGU é abrangido pela norma IEEE 43-2000. As normas IEEE 56, 118 e 120 abrangem os métodos de ensaio de análise de circuitos de motores, incluindo a forma como os dados são recolhidos por instrumentação.

– TVS (Test Value Static) – O valor TVS permite testar as MGUs comparando os dados de teste com uma unidade de referência (nova). Utilizando um número de referência qualificado, qualquer MGU SOH pode ser determinado através deste método de comparação. Em especial, o valor TVS pode ajudar a determinar o nível de envelhecimento (deterioração) dos enrolamentos da MGU, o isolamento da ranhura do estator, o estado magnético do rotor/estator, etc., ou se a unidade já falhou. O conceito-chave da utilização da métrica TVS é a possibilidade de testar um eixo/transmissão no veículo, quer utilize uma ligação direta à transmissão final, conjuntos de engrenagens planetárias simples ou múltiplas ou sistemas de embraiagem hidráulica interna, etc. No entanto, os dados do TVS não determinam se o problema de um MGU trifásico é o estator ou o rotor. Só pode determinar se existe um desequilíbrio elétrico ou magnético no rotor ou no estator.

– Os resultados dos dados TVS são apresentados do seguinte modo:

o ≤ 3% = OK – Bom equilíbrio do estator e do rotor

o ≥ 3% mas ≤ 5% = AVISO (W) de que o estator ou o rotor está a começar a ficar eléctrica ou magneticamente desequilibrado

o ≤ 5% = FALHA (F) – As propriedades eléctricas ou magnéticas do estator ou do rotor estão desequilibradas e não se mantêm dentro do intervalo de teste. A gama de falhas pode também ser constituída por condições que estão presentes para causar um modo de falha mais grave

Nos sistemas automóveis, é irrelevante se o problema é o rotor ou o estator, porque o eixo/transmissão tem de ser desmontado no veículo ou retirado do veículo. Em ambos os casos, o rotor e o estator são removidos e um conjunto de estator e rotor novo ou em bom estado pode ser usado para substituir unidades que falharam nos testes ou que indicam dados consistentes com o envelhecimento avançado. A substituição do estator e do rotor evitaria um possível diagnóstico incorreto ou a realização de testes mais dispendiosos.

Estudo de caso Dados e resultados Discussão

Este estudo incluiu um total de 20 eixos de transmissão eléctricos da Geração II (2004-2009). Apesar de não constar dos dados (mas de estar anotado nas páginas de dados), cada transaxle foi testado quanto à resistência de isolamento (IR) a 500Vdc. Houve zero (0) eixos de transmissão que não passaram no teste IR. No entanto, dois dos transeixos (amostras 12 e 16) demoraram a atingir o nível máximo de 500Vdc IR @ > 10 segundos), o que, com base na experiência de ensaio, indica o início muito inicial da fuga de isolamento e uma fraqueza no isolamento do enrolamento MGU ou nos materiais de isolamento da ranhura do estator. À medida que os enrolamentos envelhecem, o tempo para atingir o nível máximo de IR aumentará significativamente (ou seja, 45 segundos – mais de 1 minuto), devido à fuga de energia entre o enrolamento, o revestimento da ranhura e as laminações do estator (ferro traseiro). Este tipo de resultado de dados acabará por evoluir para uma avaria da MGU, mas a previsão do tempo até à avaria não faz parte do âmbito deste artigo. No entanto, existem métodos estatísticos de qualidade disponíveis (como a análise de Weibull ou a utilização de estatísticas de fiabilidade) que podem ajudar a prever o tempo até à avaria da MGU com base nos resultados das propriedades dos ensaios eléctricos, do ambiente de funcionamento, etc.

Dados do conta-quilómetros

Os dados do conta-quilómetros neste estudo de caso são muito amplos e foram arredondados para as 1000 milhas mais próximas para facilitar a comunicação. O eixo de transmissão com o ponto de dados de odómetro mais baixo é de 23.000 milhas e o ponto de dados mais alto é de 148.000 milhas.

Dados de medição da resistência de fase

Os dados de resistência de fase são comunicados em unidades de miliohms dc (mOhms). A amostra do eixo de transmissão 8 registou as resistências mais baixas de 96,40 – 96,90 mOhms. As amostras de eixo de transmissão 3, 4, 7 e 8 registaram as resistências mais baixas para MG2 de 120,00 – 121,00 mOhms. Todas as medições de resistência de fase da amostra do transaxle foram < 3% de variação de resistência para o equilíbrio da resistência de fase e, por conseguinte, estavam dentro da norma IEEE 1415 – 2006 para máquinas eléctricas equilibradas por resistência dc.

Dados de medição do fator de dissipação

Os dados relativos à % do fator de dissipação indicam que a amostra 13 do transaxle MG1 foi a única unidade que não obteve resultados dentro do intervalo normal, com 7,06% (intervalo de ADVERTÊNCIA). Os dados da amostra 16 do transaxle MG1, com 5,99%, colocam-no quase na categoria ADVERTÊNCIA com a amostra 13. Nenhum dos dados da unidade Transaxle MG2 resultou num DF% WARNING ou FAILURE. No entanto, o DF% da amostra do eixo 16 de 5,66 está dentro dos limites de um teste aceitável, mas está na fronteira dos dados de AVISO. Os dados MG1 e MG2 da amostra 16 quase a colocam na categoria de dados ADVERTÊNCIA para ambas as UGM.

Valor de teste Dados de medição estática

A medição TVS (número sem dimensão) é o valor numérico de dados de medição mais complexo a comunicar. O valor de referência TVS alvo para uma MG1 e MG2 da Geração II é:

– MG1 = 5,80

– MG2 = 13,30

Os dados adquiridos para as amostras do eixo de transmissão MG1 indicaram que as amostras 12 e 5 estavam num estado WARNING (≥ 3% mas ≤ 5% de variação em relação ao objetivo dos dados de referência), enquanto a amostra 11 indicou um estado FAILED (≥ 5% de variação em relação ao objetivo dos dados de referência). Os dados adquiridos para as amostras do eixo de transmissão MG2 indicaram que as amostras 1,2,4,10,11 e 13 se encontravam num estado WARNING (≥ 3% mas ≤ 5% de variação em relação ao objetivo dos dados de referência), enquanto a amostra 15 indicava um estado FAILED (≥ 5% de variação em relação ao objetivo dos dados de referência).

Conclusões do estudo de caso

Embora este estudo de caso envolva uma pequena amostra de 20 pessoas, os dados são coerentes com os ensaios efectuados em centenas de MGU (quer se trate de produtos Toyota ou dos seus concorrentes). Entende-se que, se houvesse uma população de veículos da Geração II no terreno de ≈1,5 milhões de veículos, a dimensão da amostra necessária para fornecer um nível de confiança de dados de 95% (com um intervalo de confiança de +/- 3%) é de ≈1100 eixos de transmissão.

A dimensão da amostra neste estudo está longe do número necessário para obter uma modelação estatística fiável das máquinas eléctricas MG1 e MG2 MGU de 2004-2009. Uma população estatística suficientemente grande (dimensão da amostra), associada a um nível de confiança e a um intervalo de confiança elevados para obter números estatísticos fiáveis que permitam chegar a uma conclusão estatística, não se enquadrava no âmbito deste estudo de caso. No entanto, a preponderância das provas de teste deste estudo de caso (e de outros semelhantes) tem sido consistente com os resultados de outros estudos de caso para fornecer valor de prognóstico e diagnóstico aos técnicos no terreno na determinação do SOH de uma MGU antes de uma falha catastrófica.

Comparação dos tipos de dados – com base nos dados fornecidos neste estudo de caso, pode concluir-se que os dados relativos à resistência do enrolamento não apresentam tendências (ou seguem o rasto) de outros modos de avaria do SOH da MGU. Todos os testes de resistência de fase nas MGUs neste estudo de caso indicaram que havia equilíbrio entre todas as fases da MGU e cada uma delas estava em conformidade com a norma IEEE 1415-2006. Os dados DF adquiridos a partir de cada uma das MGUs não apresentaram tendência ou rastreamento com os dados de teste de resistência dc nem tendência com os dados TVS. Por conseguinte, um MGU pode conter resistências de fase equilibradas, dados DF% que estão dentro das bandas de tolerância, mas falhar o teste TVS. Estes ensaios estão em conformidade com as normas IEEE 56, 118 e 120 que abrangem os métodos de ensaio de análise de circuitos de motores, incluindo a forma como os dados são recolhidos por instrumentação. Além disso, com base nos dados do estudo de caso, é possível conter resistências de fase equilibradas, dados de TVS que estão dentro da banda de tolerância, mas adquirir níveis de alerta para o DF%. Este teste está em conformidade com o teste de contaminação do enrolamento MGU contido na Norma IEEE 43-2000.

Em resumo, os dados de resistência, os dados DF% e os dados TVS são dissociados na determinação do SOH de uma MGU. Utilizando princípios fundamentais de engenharia eléctrica combinados com matemática avançada e algoritmos de software para depurar os dados, é possível obter uma imagem total do SOH da MGU ou a confirmação de uma falha catastrófica. Esta é uma boa notícia para os técnicos no terreno porque, no passado, muitos dos problemas de funcionamento/desempenho da MGU, a medição do envelhecimento do isolamento do enrolamento ou da ranhura ou a tentativa de identificar uma condição intermitente difícil não eram fiáveis. As técnicas de diagnóstico pouco fiáveis, como a utilização apenas de um MilliOhmmeter, a utilização de um MilliOhmmeter e IR, ou a utilização de uma combinação de um MilliOhmmeter, IR e medidor de impedância, não conseguem detetar as alterações subtis no isolamento do enrolamento de fase ou da ranhura do estator e, por conseguinte, não conseguem detetar o início dos modos de falha eléctrica ou de isolamento. Estes métodos podem ser aceitáveis para identificar uma faixa estreita de modos de falha ou confirmar uma condição catastrófica, mas nenhum é capaz de fornecer ensaios avançados de enrolamento de MGU e de SOH de revestimento de ranhuras.

Resumo

Espero que tenham gostado deste estudo de caso e que vos tenha dado mais informações sobre como as MGUs podem ser testadas para uma vasta gama de SOH e modos de falha. O ensaio do grupo motopropulsor elétrico deve tornar-se uma métrica de inspeção normalizada para qualquer empresa de serviços OEM ou pós-venda. À medida que a indústria automóvel continua a passar de grupos motopropulsores baseados em ICE para uma economia de grupos motopropulsores eléctricos, é vital que os técnicos automóveis compreendam como os ensaios e análises devem ser realizados e os modos de falha que podem ser identificados com a análise. Será também da responsabilidade da empresa de serviços informar e educar o cliente sobre a forma como os grupos motopropulsores eléctricos alteram a inspeção e a manutenção do veículo. Atualmente, são poucas as empresas de serviços que informam o consumidor sobre as inspecções SOH dos grupos motopropulsores eléctricos, e isto terá de se tornar comum em breve para garantir níveis elevados de gestão das relações com os clientes (CRM). O ensaio periódico dos EMs é um elemento importante para determinar a SOH do grupo motopropulsor elétrico e todas as empresas que prestam serviços de manutenção a veículos híbridos e eléctricos devem tornar este serviço uma prática corrente para o proprietário do veículo electrificado. O cliente do veículo não saberá da análise periódica EM SOH até ser informado por si. Que excelente forma de uma empresa de serviços criar novos serviços para gerar receitas, oferecendo ao mesmo tempo um serviço sólido ao cliente!