Nuovo banco di prova per la caratterizzazione dei motori elettrici In-Wheel per veicoli elettrici

"“È stato sviluppato un banco di prova per la caratterizzazione di motori elettrici In-Wheel. La piattaforma NI CompactRIO e LabVIEW ha permesso lo sviluppo di un sistema di controllo e acquisizione modulare e flessibile, per la generazione di modelli e monitoraggio in tempo reale delle variabili di processo.”"

- Marta Millan, MAPRO Sistemas de Ensayo, S.A.

The Challenge:

Sviluppare un banco di prova flessibile per lo studio e la caratterizzazione all’interno del laboratorio dei motori In-Wheel, riproducendo le condizioni dei motori in un ambiente di prova controllato che permette di effettuare dei test per applicazioni su veicoli elettrici.

The Solution:

Sistema di acquisizione compatto, multivariabile e modulare basato sulla piattaforma NI CompactRIO 9024 con 8 moduli C Series, con 10 canali per la generazione di segnali e modelli di prova dei motori, e 24 canali per l’acquisizione e il monitoraggio delle variabili di processo e dello stato del sistema.

MAPRO, con la partecipazione del centro di ricerca Fundació CTM Centre Tecnològic (CTM), ha partecipato al progetto CENIT VERDE, con l’obiettivo di studiare nuove architetture elettroniche e

 

di propulsione per veicoli ibridi (PHEV) ed elettrici (EV). Il progetto, voluto da SEAT e sviluppato congiuntamente a un consorzio di aziende, università e Enti Pubblici di Ricerca (OPIs), ha avuto il sostegno del Ministerio de Economia y Competitividad all’interno del programma CENIT, grazie al Centro para el Desarrollo Tecnologico Industrial (CDTI). All’interno della fase di ricerca e sviluppo di una nuova soluzione dei sistemi di trazione elettrica per PHEV/EV, MAPRO ha contribuito alla progettazione e allo sviluppo di una nuova soluzione di test per la caratterizzazione e validazione
di nuovi progetti di sistemi di trazione basati su motori a magneti permanenti di flusso assiale (PM-AF) per applicazioni In-Wheel su veicoli elettrici.

I motori PM-AF, il cui rotore è posizionato nella parte esterna affinché possa trasmettere la trazione alla ruota, consentono un uso migliore dello spazio e della distribuzione del peso, e fanno sì che il veicolo abbia la trazione elettronica su tutte e quattro le ruote, migliorando così la frenata e la stabilità e permettendo un miglior livello di trazione e controllo anti-slittamento, con un netto miglioramento delle prestazioni del veicolo e una riqualificazione energetica durante la frenata.
Rispetto a un motore con flusso radiale, questo sistema offre molti vantaggi che lo rendono adatto ad applicazioni all’interno di una catena di trazione, come la ruota motrice, grazie anche alla sua maggiore densità di potenza (soprattutto l’aumento delle coppie disponibili) e la sua conformazione (idoneo anche per l’inserimento in una ruota).

 

Descrizione della sfida

Il banco deve permettere la validazione delle interfacce comuni di inverter e sistemi di controllo di motori, le comunicazioni e i protocolli di controllo. Sarà possibile così progettare un piano di test di caratterizzazione che include: prove di carico e registrazione della curva caratteristica, prove di marcia a vuoto, momento di inerzia, prove di riscaldamento, e inerzia termica, isolamento e resistenze (avvolgimento), misure su rumori e vibrazioni, prove di cortocircuito e di rendimento.
Inoltre si devono sviluppare gli algoritmi di post-elaborazione dati, necessari per la caratterizzazione dei sistemi sviluppati, che permettono il calcolo delle perdite nel ferro e per attrito, calcolo di curve caratteristiche, determinazione di perdite e calculo del rendimento, e analisi spettrale del rumore di test e identificazione del comportamento vibrazionale.

 

 

Concetto e diagramma di blocchi del banco di prova 

Per la caratterizzazione del nuovo motore del flusso assiale, si deve progettare un sistema che soddisfi certe condizioni di carica del motore sotto test, simulando il comportamento nelle condizioni reali. Bisogna effettuare prove sul motore PM-AF, con un motore di carica che applicherà i diversi modelli di prova, sia per il freno che per le motrici, per la caratterizzazione della coppia inverter-motore su quattro quadranti: modo motrice (motore) e modo rigenerativo (freno).

I principali elementi del progetto del sistema di prova sono: 
■ Motore con flusso assiale per prova, con il suo sistema inverter-controllo
■ Motore di carica per la generazione di modelli di prova, con il suo sistema inverter-controllo
■ Sistema di strumentazione e misura: trasduttori, elettronica di raffreddamento, strumentazione e acquisizione
■ Sistema di controllo e potenza
■ Sistema di trasmissione meccanica tra il motore di prova e di carica
■ Gruppo di prova e meccanica specifica di supporto, soggezione e posizionamento
La Figura 1 mostra il progetto e il diagramma a blocchi per la prova del motore di flusso assiale, con gli elementi principali che lo compongono e le principali variabili di misura, con i sensori e la strumentazione:

 

 

Sistema di strumentazione, misura e controllo

La grande mole di variabili fisiche da misurare (tensione, corrente, temperatura, par, velocità, vibrazione, etc.) caratterizzate da un range molto ampio implica la necessità di utilizzare un sistema di acquisizione e misura flessibile che permetta di includere il controllo delle diverse parti elettroniche, trasduttori e strumenti di misura, come mostrato nello schema di controllo della Figura 2.

Per questo si richiede una soluzione di controllo e acquisizione compatta e flessibile, riconfigurabile per la programmazione che si adatta ai diversi scenari di prova. Inoltre, considerando che è necessario disporre di uno strumento robusto per il laboratorio che realizza i test, è stata scelta una soluzione modulare basata sulla
piattaforma CompactRIO di National Instruments, che combina la funzionalità di un PC industriale e l’affidabilità di un PLC.
Il sistema include il controller cRIO-9024 e 8 moduli di misura della Serie C (Figura 3), con 10 canali di output per la generazione di segnali e modelli di prova dei motori, e 24 canali di input per l’acquisizione e il monitoraggio delle variabili di processo e dello stato del sistema.

 

L’applicazione PC per la gestione e la configurazione del banco di test è stata sviluppata in LabVIEW per Windows. Gli algoritmi di controllo eseguiti dal controller NI CompactRIO per la generazione di segnali di controllo e i modelli di test, e il monitoraggio e l’acquisizione deterministica dei segnali di tutte le schede del sistema sono stati programmati in ambiente LabVIEW Real-Time. 



Conclusioni

È stato sviluppato un banco di test per la caratterizzazione di motori elettrici In-Wheel. La piattaforma NI CompactRIO e
LabVIEW hanno permesso lo sviluppo di un sistema di controllo e acquisizione modulare e flessibile, per la generazione di modelli e monitoraggio in tempo reale di variabili di processo

 

Author Information:

Marta Millan
MAPRO Sistemas de Ensayo, S.A.
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Figura 1: Diagramma a blocchi del banco di test e variabili principali del processo
Figura 2: Schema di controllo, strumentazione e acquisizione del banco di test
Figura 3: Sistema di test e applicazione software in LabVIEW per la caratterizzazione di motori elettrici In-Wheel