Elektrikli araçların verimlilik testi ve analizi

Giriş

Günlük hayatımızın vazgeçilmez bir parçası olan otomobillerin performansı, sürekli iyileştirme arayışındadır. Bu nedenle, icadından bugüne performans testleri yapılmaktadır. Test tezgahındaki sürüş döngüsü testi, 1980’lerden bu yana NEDC (Yeni Avrupa Sürüş Döngüsü) standardına göre yapılır ve 1997’deki son değişiklik ile birlikte otomobil motoru sistemlerinin yakıt ekonomisi ve emisyon seviyesi analizini içerir.

Bununla birlikte, gerçek koşullar altındaki sonuçlar, test tezgahındaki sonuçlardan farklıdır. Bu, sıklıkla meydana gelen olağan bir durumdur. Ayrıca Japonya’da 10-15 modu veya ABD ‘de FTP72 ve FTP75 gibi diğer sürüş döngüsü testlerinde de yaygındır.

Bu farklılıkların üstesinden gelmek ve gerçekçi sürüş koşullarına yaklaşmak için yeni bir standart – WLTP (Dünya Çapında Uyumlu Hafif Ticari Taşıtlar Test Prosedürü) – geliştirilmiştir. Bu standart, geleneksel otomobillerin ve hibrit, BEV (Akülü Elektrikli Araçlar), PHEV (Plug-In Hibrit Elektrikli) ve FCEV (Yakıt Hücreli Elektrikli Araçlar) gibi geleceğin elektrikli araçlarının değerlendirilmesi için daha gerçekçi bir prosedürü temsil etmektedir. WLTP standardı daha dinamiktir ve yol performansına göre daha yakın sonuçlar verir.

NEDC ve WLTP standardı arasındaki temel farklar aşağıda belirtilmiştir:

• Test çevrimi başına 30 dakika daha uzun süre
• 11 km yerine 23,3 km daha uzun mesafe
• 120 km /saat yerine 131 km /saat daha yüksek hız ve 34 km/saat ile 46,5 km/saat arası ortalama hız
• Soğuk başlatma
• Sürüş sırasında daha yüksek hızlanma ve yavaşlama

Şekil 1: DEWETRON ile otomobil  testi

Buna ek olarak, 2 bölge (şehir ve otoyol) testlerinden, 4 bölge ve gerçek sürüş değerlerine dayalı (düşük, orta, yüksek ve ekstra yüksek hızlı bölge) testlere geçiş,  sonuçları daha gerçekçi ve karşılaştırılabilir hale getirir.

Gerçek koşullar altında bir yol testi, test etmenin en iyi ve elbette en gerçekçi yoludur. Bu testler geliştirme sırasında değerlendirme için daha önemli hale gelir ve verimliliği artırıp maliyetleri düşürmeyi hedefler. Yol testleri, pil yönetimi ve otonom sürüş için tüm parametreler ve farklı görevlerin etkileşimi dahil olmak üzere otomobili kapsamlı inceleme avantajı getirir.

Aşağıdaki güç tüketim test tablosu, daha önce bahsedilen iki standart ve gerçek yol testi arasındaki farkları gösterir. Üretici veri sayfasından (NEDC) alınan değer, test tezgahından (WLTP) ve yol testinden gelen değerle karşılaştırılmıştır.

Tablo1: Farklı test prosedürlerinin karşılaştırılması

Hibrit, BEV, PHEV ve FCEV değerlendirme testleri, tüm elektriksel ve mekanik parametrelerin son derece hassas ölçümlerini gerektirir. Ek olarak, DGPS (Diferansiyel Küresel Konumlandırma Sistemi) ile hassas bir IMU (Atalet Ölçüm Birimi) ile kombinasyon halinde iletişim arayüzleri (örneğin CAN / CAN-FD ve otomotiv Ethernet) gereklidir. Atalet sensörlerinin ve GPS sinyallerinin değerlendirilmesi için Kalman filtreli bir işlemci birimi de kullanılır. Şekil 2, bazı test parametrelerine genel bir bakış sunar.

Şekil 2: Elektrikli Araç ölçüm konfigurasyonu örneği

Zorluklar

 1. Test esnasında mümkün olan en yüksek doğruluk için ölçüm sisteminin çevresel etkilerden etkilenmemesi gerekir. Bu sebeple ölçüm sistemi aracın kendi güç kaynağından değil, kendi içerisindeki pil sisteminden beslenmesi büyük önem taşır. Bu şekilde veri toplama sistemi ölçülen değerler üzerinde olumsuz etki oluşturmaz ve daha doğru sonuçları mümkün kılar.

2. Eş zamanlı verilerin tam olarak doğru bir şekilde zaman damgasına sahip olması için tek bir cihaz üzerinde toplanmaları gerekir. Eğer bu mümkün değilse her sistemin senkronizasyonu göz önünde bulundurulmalıdır. Tüm verileri tek bir sistemde toplamak, postproses işleminde zaman kazandırdığı gibi, insan hatası etkisini de minimum seviyeye çeker.

3. Gerekli olan tüm ölçümleri gerçekleştirebilmek için farklı çeşitlerde girişler için analog kanallar gerekmektedir. Her uygulama farklı türde analog giriş desteği ve farklı veri toplama hızlarına gereksinim duyar. Bu sebeple ölçüm sistemi her kanal için farklı örnekleme hızlarını destekleyen yüksek sayıda ölçüm kanalına sahip olmalıdır.

4. Bir aracın elektrikli tahrik sisteminin geliştirme süreci kilit bir noktadır ve değerlendirme için çok sayıda ölçüm verisi gerektirir. Bu ihtiyaç sebebiyle yüksek örnekleme hızlarında toplanmış verilerin kayıpsız olarak kaydedilmesi gerekir. Yüksek hızda kaydedilen ve SSD diskte deponanan bu veriler bir sonraki test için bir temel oluşturur ve kayıpsız bir veri kaydı ile testin gereksiz yere tekrarlanmasını önler.

5. Test tezgahları ve yol testlerinde, invertör ve motor iki önemli test elementidir. Yazılım üzerinde hesaplanan güç ölçümü parametreleri bir önceki frekans hesabına bağlı olduğu için kesin frekansın belirlenmesi çok önemli bir faktördür. Birçok veri toplama sistemi ve güç analizörü manuel kesim frekansları böyle bir dinamik süreçte kesin frekansı garanti edemez. Filtre gecikmesinin kompanzasyonunun ( zero-crossing algoritması kesim frekansı ve AAF kesim frekansı) ve mekanik değerlerle birlikte senkron olarak yapılması ile doğru sonuç elde edilir.

6. Ölçüm sisteminin, periyodik değerleri dinamik olarak yüksek doğruluklu hesaplama yeteneği, ani hızlanma ve yavaşlama gereksinimleri nedeniyle çok önemlidir. Sabit “güncelleme oranı”, örneğin içinde birden fazla periyot bulunduran zaman penceresi dahil, bu kadar dinamik bir süreç için yeterli doğruluk sunamaz.

7. Birçok ölçümde, ölçülen verinin doğruluğu kullanılan sensör ile doğrudan ilgilidir. Sensor verisindeki hata ölçüm zincirini etkileyecektir. Bu hatalar ayrıca sıcaklık ve sensör yerleşimleri ile hızlı değişen sinyallar için daha da artacaktır. Akım verisi verimlilik analizindeki temel bileşendir. Büyük faz kaymalarından, AC ölçümlerdeki yanlış genliklerden ve HV bataryasındaki DC ölçümlerdeki artık mıknatıslanma etkisinden kaçınmak için sıfır-Akı prensibi ile çalışan yeni nesil akım sensörleri kullanılmalıdır.

8. İnventörlerin analizi ve geliştirilmesi durumunda yüksek örnekleme hızı büyük bir avantajdır. PWM sinyalindeki voltaj tepelerinin görselleştirilmesi ve kaydedilmesi yalıtımın iyileştirilmesi ve yüksek frekans testlerindeki verim için oldukça önemlidir. Bu iş için gereken sistem güçlü bir iç veri yoluna, yüzlerce MB/s veri transfer edip işleyecek CPU gücüne ve yüksek seviyeli bir analiz yazılımına sahip olmalıdır.

Ölçüm Konfigürasyonu

Elektrikli araç testinde ana elemanlar elektrik güç elemanı, mekanik parametreler ile GPS verisi destekli bir IMU ve araç veri yolundan (CAN bus, LIN Bus gibi) elde edilen parametrelerdir. Elektriksel kısım için gerekli olan kanal sayısı motorun faz sayısına bağlıdır. ( örneğin 6 Faz PMSM) .Elektiksel tahrik sisteminin örneği ve gerekli olan kanal sayısı şekil 3’ te gözükmektedir.

Şekil3: Elektrik Tahrik sistemi örneği

Şekil 4: DEWETRON ÖLÇÜM SİSTEMİ

Bu örnek için kullanılan ve Şekil 4’te görülen ölçüm sistemi, “Zorluklar” bölümünde belirtilen tüm gereksinimleri karşılayan batarya tabanlı bir DAQ ölçüm sistemidir, DEWE3-A4 (Şekil 5’te daha ayrıntılı resim). Ölçüm sistemi,  ADMA-IMU ile kombinasyon halinde kullanılır. Veri toplama ve analiz yazılımı olarak DEWETRON’un OXYGEN’i kullanılır.

Şekil 5: DEWETRON DEWE3-A4 ölçüm sistemi

Bu örnekteki DEWE3-A4, kompakt bir tasarıma sahiptir ve yol ölçümleri için en uygun çözümdür. Test tezgahlarındaki uygulamalar için, daha fazla giriş kanalına sahip bir DEWE3-PA8 gibi sabit bir sistemin kullanılması ise daha uygun olacaktır.

Ölçüm Verisinin Görselleştirilmesi

 Toplanan verinin anlaşılabilmesi için görselleştirme ve raporlama önemli bir role sahiptir. Sadece post processing kısmı için değil, aynı zamanda test sırasında yapılan ölçümlerin tutarlılığının da görülmesi ve bu durumdaki zaman kayıplarının engellenmesini sağladığı içinde veri toplama yazılımı, ölçüm sisteminin vazgeçilmez unsurudur.

Şekil 6: Trafikte gerçekleştirilmiş bir WLTP testinin hız diyagramı, OXYGEN yazılımından

Şekil 6,  test esnasındaki gerçek hız ile arka planda standart bir WLTP döngüsüne sahip bir arabanın karşılaştırmasını göstermektedir.
Şekil 7, zamana bağlı grafikte hız ve pil gücünü, XY grafiğinde hız ve gücün birbirleri ile direk ilişkisini göstermektedir.

Şekil 7:Zamana bağlı Güç- Hız grafigi ve XY grafiğinde Hız-Güç grafiği, OXYGEN yazılımından

Son önemli faktör olarak, daha doğru sonuçlar elde etmek için analog ve veri yolu (CAN bus, LIN bus gibi) verilerinin yanı sıra başka verilere de ihtiyaç duyulabilir. Karşılaştırma yapabilmek ve başka testler için, hassas konum takibi ve hava şartlarının ölçümü de ön koşuldur (Şekil 8).

Şekil 8: OXYGEN yazılımında konum görüntülemesi