Sähköautojen moottorien testaus ja teholuokitukset
Sähköauton moottoria koskevat luvut ovat merkityksellisiä vain, kun testin järjestelmäraja, kesto, lämpötila, jännite ja toimintapiste tunnetaan. Huipputeho, jatkuva teho, moottorin hyötysuhde, voimansiirtoyksikön hyötysuhde, akselin vääntömomentti ja pyörien vääntömomentti kuvaavat eri mittauksia, eikä niitä voi korvata toisillaan.
Aloita mittauksen järjestelmärajasta
Moottori voidaan testata yksin dynamometrissä, yhdessä invertterin kanssa, alennusvaihteineen, kokonaisena akselina tai ajoneuvon sisällä. Kukin järjestelmäraja sisältää erilaiset häviöt.
Moottorin hyötysuhteessa mekaanista akselitehoa verrataan moottorin liittimissä mitattuun sähkötehoon. Moottorin ja invertterin yhteinen hyötysuhde alkaa invertterin tasavirtatulosta. Voimansiirtoyksikön hyötysuhteeseen voidaan lisäksi sisällyttää hammaspyörät, tasauspyörästö, laakerit, tiivisteet, voitelupumput ja ohjausjärjestelmän tehontarve. Akusta pyörille laskettava hyötysuhde sisältää vielä enemmän: akun sisäisen vastuksen, kaapelit, kontaktorit, apulaitteet, renkaat ja muut ajoneuvon kuormat.
Kaksi samaan prosenttilukuun päätyvää tulosta eivät ole vertailukelpoisia, ennen kuin niiden tulo- ja lähtörajat vastaavat toisiaan. Myös suunta on tärkeä, koska moottorikäytössä ja regeneroinnissa virta-, jännite- ja häviöolosuhteet ovat erilaiset.
Vääntömomentti, pyörimisnopeus ja teho
Akseliteho on vääntömomentin ja kulmanopeuden tulo:
power = torque × rotational speed
Suuri vääntömomentti nopeudella nolla tuottaa sillä hetkellä nollan mekaanisen tehon. Teho kasvaa nopeuden noustessa vakion vääntömomentin alueella. Perusnopeuden yläpuolella jännitteen ja vastasähkömotorisen voiman rajat pakottavat vääntömomentin yleensä laskemaan, jolloin syntyy likimain vakiotehon alue.
Dynamometri mittaa akselin vääntömomentin ja pyörimisnopeuden. Sähköiset mittalaitteet mittaavat samanaikaisesti vaihe- tai tasajännitteen ja virran. Tarkka hyötysuhteen määritys edellyttää synkronoituja mittauksia, koska pieni ajoitus- tai kalibrointivirhe voi hallita laskettua häviötä hyötysuhteen ollessa korkea.
Moottorin vääntömomenttia ei pidä sekoittaa akselin tai pyörien vääntömomenttiin. Alennusvaihde moninkertaistaa vääntömomentin likimäärin välityssuhteensa ja hyötysuhteensa mukaisesti. Pyörävoima riippuu tämän jälkeen renkaan tehollisesta säteestä.
Huippu-, jatkuva ja 30 minuutin teho
Huipputeho on suurin määritellyissä olosuhteissa käytettävissä oleva lähtöteho. Sitä voi rajoittaa akun purkausteho, invertterivirta, moottorivirta, jännite, roottorin nopeus, renkaiden pito tai ohjelmisto eikä pelkästään moottori. Huippuarvo ilman kestoa ja alkulämpötilaa kertoo vähän toistettavuudesta.
Jatkuva teho perustuu lämpötasapainoon: toimintapisteessä syntyvä lämpö voidaan poistaa ilman, että lämpötilat jatkavat nousuaan yli rajojen. Arvo muuttuu jäähdytysnesteen lämpötilan ja virtauksen, ympäristöolosuhteiden, öljyn lämpötilan, ajoneuvon nopeuden sekä saman lämpöpiirin jakavien komponenttien mukaan.
YK:n sääntö nro 85 määrittelee ajoneuvojen tyyppihyväksynnässä käytettävien sähköisten voimansiirtojen nettotehon ja suurimman 30 minuutin tehon mittausmenettelyt. Kolmenkymmenen minuutin teho on säännelty mittaustulos, ei yleinen synonyymi rajattoman ajan jatkuvalle teholle. Myös ajoneuvon akku voi rajoittaa kokonaisen ajoneuvon testissä saavutettavaa tehoa.
Nämä määritelmät selittävät, miksi sähköautolle voidaan ilmoittaa suuri kiihdytysteho mutta tyyppihyväksyntätiedoissa selvästi pienempi jatkuva tai 30 minuutin teholuokitus. Molemmat voivat olla oikein.
Hyötysuhdekartat
Moottorilla ei ole yhtä hyötysuhdetta. Dynamometrikartta tallentaa hyötysuhteen pyörimisnopeus- ja vääntömomenttipisteiden ruudukossa. Samakäyrät osoittavat, missä kone toimii tehokkaimmin ja kuinka laaja tämä alue on.
Pienellä nopeudella ja suurella vääntömomentilla virta on suuri ja kuparihäviö korostuu. Suurella nopeudella ja pienellä vääntömomentilla rauta-, ilmanvastus- ja laakerihäviöt, invertterin kytkentähäviö sekä kentänheikennysvirta voivat olla hallitsevia. Lähellä nollavääntömomenttia kiinteät häviöt ovat suuria hyötytehoon nähden, joten prosentuaalinen hyötysuhde voi olla matala, vaikka absoluuttinen tehohäviö olisi vähäinen.
Hyötysuhdekartasta tulisi ilmoittaa:
- kattaako se moottorin, moottorin ja invertterin vai koko voimansiirtoyksikön;
- tasajännite ja invertterin kytkentäolosuhteet;
- jäähdytysnesteen ja öljyn lämpötilat ja virtaukset;
- moottorikäyttö, regenerointi tai molemmat;
- suurimman ja jatkuvan vääntömomentin rajat;
- sisältyvätkö apupumput ja ohjaimet mittaukseen;
- mittausepävarmuus ja interpolointimenetelmä.
Paras yksittäisen pisteen hyötysuhde auttaa arvioimaan teknistä potentiaalia, mutta ajosyklin energiankulutus riippuu siitä, missä kartan kohdissa ajoneuvo todellisuudessa toimii.
Lämpötestaus
Lämpötesteissä antureita sijoitetaan käämeihin, staattoriin, jäähdytysnesteeseen, öljyyn, laakereihin, invertterimoduuleihin ja joskus roottoriin. Osa lämpötiloista mitataan suoraan; osa perustuu resistanssiin, estimaattoreihin tai kalibroituihin malleihin.
Vakiotilatestaus määrittää jatkuvan suorituskyvyn. Transienttitesteillä selvitetään, kuinka paljon huippuvääntömomenttia voidaan tuottaa eri alkulämpötiloista ja kuinka nopeasti järjestelmä palautuu. Toistuvat kiihdytykset, pitkäkestoinen suuri nopeus, vuoristonousut, perävaunun veto, maastoajo hitaalla nopeudella ja toistuva regenerointi kuormittavat järjestelmää eri tavoin.
Kuumin komponentti voi vaihtua toimintapisteen mukaan. Suuri virta voi rajoittaa staattorin käämejä tai puolijohteita, kun taas suuri nopeus voi rasittaa roottorin magneetteja, laakereita, öljyä tai sähköterästä. Ohjausjärjestelmä käyttää näitä malleja vääntömomentin vähentämiseen ennen kuin laitteisto saavuttaa vahingoittavan lämpötilan.
Mekaaniset ja sähköiset rajat
Ylinopeustestauksessa tarkastetaan roottori, akseli, laakerit ja kiinnitysjärjestelmät normaalin enimmäisnopeuden yläpuolella sopivalla turvamarginaalilla. Pyöritystestejä voidaan tehdä ilman sähkömagneettista kuormaa, kun taas yhdistetyt dynamometritestit lisäävät vääntömomentin ja lämmön.
Sähkötesteihin kuuluvat eristysresistanssi, läpilyöntilujuus, tarvittaessa osittaispurkaukset, käyttäytyminen jänniteimpulsseissa, vaiheresistanssi, induktanssi, vastasähkömotorinen voima, resolverin kohdistus ja toiminta invertterin jännitetransienttien aikana. Kestomagneettimoottoreista on tarkastettava myös palautumaton demagnetoituminen ja turvallinen tyhjäkäyntijännite.
Kestävyyskoeohjelmiin lisätään tärinä, mekaaniset iskut, lämpötilasyklit, kosteus, suola, altistuminen jäähdytysnesteelle tai öljylle, epäpuhtaudet ja toistuvat vääntömomentin suunnanvaihdot. Hammaspyörien ja laakerien kestävyys on olennaista, kun luokiteltava tuote on integroitu voimansiirtoyksikkö eikä erillinen moottori.
NVH ja vääntömomentin laatu
Keskimääräinen vääntömomentti voi peittää vaihtelun. Tarkan erotuskyvyn vääntömomenttimittaus ja kertalukuanalyysi tunnistavat sähkömagneettiset yliaallot, hammastusmomentin, invertterin vaikutukset, hammaspyöräkosketuksen, laakeritaajuudet ja rakenteelliset resonanssit.
Akustisissa testeissä käytetään mikrofoneja, kiihtyvyysantureita, virtamittapäitä ja nopeusreferenssejä yhdistämään kuultavat äänet niiden lähteen kertalukuun. Testaus positiivisella vääntömomentilla, rullauksessa, regeneroinnissa, eri lämpötiloissa ja erilaisilla kytkentästrategioilla on tarpeen, koska hiljainen täyden kuorman piste ei välttämättä ennusta matkustamon melua kevyellä kuormalla.
Standardit ja toistettavuus
SAE J2907 antaa suositellun käytännön sähköistettyjen voimansiirtojen moottori-käyttölaiteosajärjestelmien suorituskyvyn toistettavaan karakterisointiin. YK:n sääntö nro 85 käsittelee nettotehon ja suurimman 30 minuutin tehon tyyppihyväksyntämittauksia. Nämä menettelyt vastaavat eri kysymyksiin.
Tutkimuslaboratoriot ja valmistajat käyttävät myös sisäisiä menetelmiä hyötysuhdekartoitukseen, lämpörajoihin, kestävyyteen ja NVH-ominaisuuksiin. Yhden yleisen julkisen testin puuttuminen tarkoittaa, että julkaistuja tuloksia tulisi pitää vertailukelpoisina vain, kun menetelmä ja järjestelmäraja ilmoitetaan.
Riippumaton toistettavuus edellyttää kalibroituja mittalaitteita, vakiintuneita lämpötiloja, määriteltyjä nesteitä, dynamometrin ja kytkimen häviöiden korjaamista sekä riittävää stabilointiaikaa. Epävarmuuden ilmoittaminen on osa tulosta etenkin verrattaessa järjestelmiä, joiden hyötysuhteet eroavat prosenttiyksikön kymmenesosilla.
Ajoneuvon teknisten tietojen tulkinta
Kun arvioit sähköauton moottoria koskevaa väitettä, tarkista:
- Koskeeko arvo yhtä moottoria, yhtä akselia vai koko ajoneuvoa?
- Onko kyse moottorin akselilta, vaihteiston lähdöstä vai pyöriltä mitatusta tehosta ja vääntömomentista?
- Onko teho huippu-, 30 minuutin vai jatkuva teho?
- Mitkä akkujännite ja varaustila olivat käytettävissä?
- Olivatko moottori ja akku jo lämpimiä?
- Sisältääkö hyötysuhde invertterin, vaihteiston, pumput ja apulaitteet?
- Onko luku yhden toimintapisteen arvo vai ajosyklin tulos?
Jos nämä vastaukset puuttuvat, luku voi kuvata ajoneuvoa oikein, mutta sillä ei voi perustella yksityiskohtaista teknistä vertailua.
Jatka moottorisarjaa
Palaa kohtaan Electric Motors and Drive Units ja tutustu lukuun motor cooling, jotta ymmärrät, miksi ylläpidettävä teho muuttuu lämpöolosuhteiden mukana.