Korumalı Kabloların Elektrikli ve Hibrit Araçlara Etkisi

Elektrikli araçların gerçek sürüş koşulları altında analiz edilmesi, elektrikli araç testinin geleceğidir. Dewesoft’un yenilikçi ölçüm çözümü, gerçek sürüş testi ölçümü sırasında ve aracın tüm elektrik sisteminin sonradan işlenmesinde tüm analizlerin yapılmasına olanak tanır.

Gerçek sürüş testleri yapılırken, korumalı kabloların ölçüm sonuçları üzerindeki etkisi gibi bazı zorluklar vardır. Bu etkiler ölçülmüş ve analiz edilmiştir ve bulgular bu makalede ele alınacaktır.

Elektrikli araçların gerçek sürüş koşulları altında analiz edilmesi, elektrikli araç testinin geleceğidir. Dewesoft’un yenilikçi ölçüm çözümü, gerçek sürüş testi ölçümü sırasında ve aracın tüm elektrik sisteminin sonradan işlenmesinde tüm analizlerin yapılmasına olanak tanır.

Gerçek sürüş testleri yapılırken, korumalı kabloların ölçüm sonuçları üzerindeki etkisi gibi bazı zorluklar vardır. Bu etkiler ölçülmüş ve analiz edilmiştir ve bulgular bu makalede ele alınacaktır.
Elektrikli araçların gerçek sürüş koşulları altında ölçülmesi giderek daha popüler hale gelmektedir, çünkü test düzeneği simülasyonlu sürüş döngüleri gerçek bir sürüş testinden alınan bütünsel verileri sağlayamamaktadır.

Bununla birlikte, gerçek sürüş testi mobil ve güçlü bir ölçüm sistemi gerektirir ve voltaj ve akım ölçümleri için farklı sensörlerin montajı test mühendisi için oldukça zorlu bir görev olabilir. Akü voltajına erişmek küçük bir iş değildir, çünkü sensörler takıldıktan sonra da korunması gerekir, çünkü 1 kV’a kadar voltajlar mevcuttur.

Akım ölçümleri de yüksek gerilim kablolarındaki kablo koruması nedeniyle bir zorluk teşkil etmektedir; motor ve akü kablolarındaki koruma, ölçüm sonuçları üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.

Bu nedenle Dewesoft, bu korumalı kabloların ölçüm sonuçları üzerindeki etkisini ölçmeye ve değerlendirmeye karar vermiştir. Kablo koruması elektromanyetik paraziti (EMI) önlemek için kullanılır.

Elektrikli bir VW Golf aracında güç ve enerji tüketimini ölçmek için CAN veri yolu verilerinin kullanımını doğrulamak üzere on ayrı gerçek sürüş testi yapılmıştır.

Bu ölçümler, yüksek voltajlı motor ve akü kablo korumalarının ölçüm sonuçları üzerindeki etkisini değerlendirmek amacıyla yapılmıştır. Gerçek sürüş testi şehir içi, otoyol, kara yolu ve üçünün kombinasyonu olmak üzere 4 ayrı güzergahta yapılmıştır. Ayrıca testler bir test tezgahı üzerinde de gerçekleştirilmiştir.

Elektrikli aracın güç ve enerji tüketim analizini yapmanın en kolay yolu, araçta kolayca bulunabildiği için verileri doğrudan araç CAN veri yolu sinyalinden okumak olacaktır. Ancak bu verilerin elektrikli bir araçta enerji analizi için kullanılmaması için birkaç neden vardır.

İlk olarak, aracın kendi dahili sensörlerinin kullanılmasına izin verilmez. Ayrıca, dahili sensörler tarafından ölçülen veriler genellikle çok düşük bir örnekleme hızında (yaklaşık 10 Hz) ölçülür ve senkronize değildir.

Ölçümlerimiz, doğrudan CAN veri yolu sinyalinden elde edilen verilerin gerçek akım ve gerilim değerlerini doğru bir şekilde yansıtmadığını göstermektedir. Şekil 1 ve Şekil 2’ye bakıldığında sırasıyla akü akımı ve voltajı ölçülmüştür. Grafikteki yeşil çizgi Dewesoft güç analizörü ile 1 MS/s örnekleme hızı ile ölçülmüştür ve grafikteki siyah çizgi doğrudan araç CAN veriyolundan alınan veridir.

Şekil 1: Akü akımı ölçümü: Dewesoft Power Analyzer ile 1 MS/s örnekleme hızı (Yeşil) ve araç CAN veri yolu verileri yaklaşık 10 S/s’de kaydedilmiştir (Siyah). 10 S/s (Siyah).

Bu verilere bakıldığında, araç CAN veri yolu tarafından kaydedilen verilerin Dewesoft verilerine kıyasla önemli sapmalar gösterdiği açıktır, bunun başlıca nedeni CAN veri yolu tarafından alınan verilerin düşük örnekleme hızıdır. Şekil 1’deki akım ölçümünde, özellikle hızlı pozitif ve negatif sinyal değişimlerinin meydana geldiği yerlerde büyük farklılıklar görülebilir.

Şekil 2: Akü voltajı ölçümü: Dewesoft Power Analyzer ile 1 MS/s örnekleme hızı (Yeşil) ve araç CAN veri yolu verileri yaklaşık 10 S/s’de kaydedilmiştir (Siyah). 10 S/s (Siyah).

Şekil 2’deki voltaj ölçümü, CAN veri yolu sinyalinin gerçek Dewesoft sinyalini takip ettiğini, ancak iki sinyal arasında oldukça belirgin ofsetler olduğunu göstermektedir. Daha yüksek örnekleme hızı daha yumuşak bir eğrilik üretir ve sinyaldeki küçük sapmaların analiz edilmesini sağlar.

Bu sinyaller analiz edildiğinde ve gerçek sürüş testleri sırasında enerji dengesinin değerlendirilmesinde sapmalar olduğu ortaya çıkmaktadır. Veri dizilerindeki sapmalar %15’e kadar çıkabilmektedir. Bu bulgular, hibrit ve elektrikli araçların enerji akışı analizlerinin, son derece hassas ölçüm ekipmanları kullanılmadığında kesin ve doğru olarak görülüp görülemeyeceği sorusunu akla getirmektedir. Bu sorunun cevabı hayırdır, çünkü veriler böyle bir analiz için çok hatalıdır.

En yüksek doğruluk derecesine ulaşmak için ölçümün profesyonel ekipmanlarla yapılması esastır. Bu, hem hibrit hem de akülü elektrikli araçlarda enerji akışı analizinin en yüksek kaliteye sahip olmasını ve verilerin anlamlı bir sonuç vermesini sağlar. Aksi takdirde, elde edilen veriler, daha kısa gerçek sürüş testlerinde bile ölçüm sonuçlarını yanlışlayan sapmalara sahip olabilir.

Bu testler için Dewesoft’un R2DB Güç Analizörü seçilmiştir. Bu güç analizörü, voltaj ve akım için 16 adede kadar analog giriş kanalının yanı sıra termokupl, titreşim, CAN veri yolu vb. gibi diğer giriş kanallarına da sahip olabilir.

Ayrıca, gerçek sürüş testlerinin analizi için değerli bilgiler sağladığından GPS ve video verileri de eklenmiştir.

Şekil 3: Test edilen araca monte edilmiş ölçüm kelepçesi (solda) ve ölçüm sistemi R2DB Güç Analizörü (sağda).

Ölçümler, ölçülen sinyallerin daha yüksek frekanslı bileşenlerini de dahil etmek için 1 MS/s örnekleme hızında yapılmıştır.

Gerilim doğrudan CAT III 600 V ve CAT II 1000 V koruma sınıfı ile derecelendirilmiş izole yüksek gerilim amplifikatörlerinde ölçülmüştür.

Akımlar, hall etkisi ve sıfır akı teknolojisine dayalı akım transdüserleri kullanılarak ölçülmüştür. Bu transdüserler yüksek bant genişlikleri, yüksek doğrulukları ve düşük faz hataları nedeniyle seçilmiştir.

Farklı ölçümler için – test yatağı ve gerçek sürücü – aynı sensörler kullanılmıştır. Aşağıdaki tabloda ölçüm ayarları ve kullanılan transdüserler gösterilmektedir.

Dewesoft ölçüm sistemi, birden fazla ölçüm cihazının işlevlerini tek bir cihazda birleştirir. Bunlar şunları içerir:

• Güç Analizörü,
• Scope
• FFT Analizörü
• Güç Kalitesi Analizörü

Dewesoft ölçüm çözümünü bu tür ölçümlerde kullanılması gereken güçlü bir çözüm haline getirmektedir.

Şekil 4: DewesoftX ölçüm yazılımının ekran görüntüsü.

Araç CAN veri yolu tarafından sağlanan veriler, aracın derinlemesine enerji analizi için yeterli veri sonuçları sağlamadığından, analiz edilen verilerin en yüksek kalitede olmasını sağlamak için harici akım ve voltaj ölçümleri yapılmalıdır.

Ölçümler sırasında korumanın yarattığı farkı belirlemek için hem akü, hem motor hem de yardımcı yük akımları kablo korumalı ve korumasız olarak ölçülmüştür.

İnvertörlerin yüksek frekanslarda gerçekleşen anahtarlama frekansları nedeniyle, kablo blendajı üzerinde kaçak akımlar olması mümkündür, bu da güç elektroniği üzerinde zararlı bir etkiye sahip olabilir. Kaçak akımlar, akü gücünü tüketebileceğinden aracın enerji depolaması üzerinde de olumsuz bir etkiye sahip olabilir. Blendajlı ve blendajsız kabloların ölçümler üzerindeki etkilerine daha yakından bakmaya karar verdik.

Şekil 5, korumalı motor kablolarının invertörden elektrik motoruna giden ölçüm sonuçları üzerindeki etkisini belirlemek için ölçüm yapılandırmasını göstermektedir.

Akım dönüştürücü 1 korumasız kablonun üzerine, akım dönüştürücü 2 ise korumalı kablonun üzerine monte edilmiştir.

Şekil 5: Kablolarda korumalı ve korumasız ölçüm için ölçüm yapılandırması.

Elde edilen veriler analiz edildiğinde, Şekil 6’da gösterildiği gibi, blendajlı motor kablosundaki akımın ölçüm sinyali, blendajsız kablodaki akımın ölçüm sinyaline (Turkuaz dalga formu) kıyasla düzgündür (Kırmızı Dalga Formu). Ayrıca ölçülen iki akım arasında belirgin bir faz kayması vardır.

Şekil 6: Korumalı (kırmızı) ve korumasız (turkuaz) ölçülen akımın dalga şekli.

Ayrıca, korumalı motor kablosunda ölçülen akım sinyali daha yüksek frekanslarda sönümlenir, iki FFT spektrumunun karşılaştırıldığı Şekil 7’ye bakın. Korumalı sinyaldeki sönümlenme 1 kHz’in üzerindeki frekanslarda başlar. Sönümlemeye ek olarak, korumalı motor kablosunda fark edilebilir bir DC bileşeni de vardır.

Şekil 7: Ölçülen akım sinyallerinin FFT spektrumları Üst: korumalı kablo (kırmızı) Alt: korumasız kablo (turkuaz).

Faz kayması da Şekil 8’de gösterildiği gibi frekansa bağlıdır ve korumalı ve korumasız kabloların sinyalleri arasındaki frekans ve faz kaymasını göstermektedir.

Şekil 8: Korumalı ve korumasız kablo (yeşil) ve frekans (kırmızı) arasındaki faz kayması.

FFT spektrumunda görülen sönümleme ve frekansa bağlı faz kayması, bir kablo korumalı olduğunda alçak geçiş davranışını ifade eder.

Sadece motor kabloları korumadan etkilenmez, aynı zamanda bu durum akü kabloları ölçülürken de gözlemlenebilir. Şekil 9, korumanın akü kabloları üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi için kullanılan ölçüm konfigürasyonunu göstermektedir.

Şekil 9: Korumalı ve korumasız Batarya Kablosunun ölçüm sonuçlarına göre değerlendirilmesi için ölçüm konfigürasyonu.

Korumalı bir akü kablosunun sahip olduğu etkinin karakteristik bir örneği, elektrikli aracın çalıştırılması sırasında bir Yardımcı (PTC) üzerindeki akımın ölçüldüğü Şekil 10’da gösterilmektedir. Çalıştırma aşamasında, korumasız kablolara kıyasla korumalı akımların 5 kat daha yüksek olduğu ölçülmüştür.
Şekil 10: Korumalı kablo (turkuaz) ve korumasız kablonun (yeşil) akım ölçümü. Referans hattı (siyah) konumunda %35’lik bir sapma hesaplanmıştır.

Korumanın akü kablolarının ölçümü üzerindeki etkisi Şekil 11’de gösterilmektedir.

Yeşil sinyal korumasız bir kablo ile yapılan ölçümü gösterirken, kırmızı ve mavi sinyaller sırasıyla artı terminal ölçümünü ve korumalı eksi terminal ölçümünü temsil etmektedir. Her iki yönde de 340 A’de %1,5 hata ölçülmüştür. Bu da akü kutupları arasında toplam %3’lük bir hataya yol açmaktadır. Bir hata, gerçek sürüş testi sırasında enerji hesaplanırken ek sapmalara neden olur.

Şekil 11: Korumalı ve korumasız akü kablolarının etkisi. Yeşil: Korumasız kablo ölçümü, Mavi: Akü Eksi terminalinde ölçüm, Kırmızı: Akü Artı terminalinde ölçüm.

Daha önce de belirtildiği gibi, korumalı kablolar daha yüksek frekanslarda sinyali sönümleme eğilimindedir ve kablolar korumalı olduğunda akımlar daha yüksektir. Bu kapasitif sızıntılar düşük geçiş özelliklerine sahiptir ve ölçüm sonuçlarını ve buna bağlı olarak bütün analizin geçerliliğini önemli ölçüde etkileyebilir.

Şekil 12, motorun temel frekansı, temel frekansın harmonik katları ve inverterin anahtarlama frekansı dahil olmak üzere hem artı hem de eksi terminal sinyallerinin bir FFT spektrumunu göstermektedir.

Şekil 12: Akü akım sinyallerinin temel frekans (1), temel frekansın harmonik katları (2) ve eviricinin anahtarlama frekansı (3) ile FFT analizi.

Bu testler, elektrikli ve hibrit araçların enerji tüketimini ölçerken karşılaşılan bazı temel zorlukları açıklığa kavuşturmak için gerçekleştirilmiştir.

Sonuçlar ayrıca verilerin doğrudan araç CAN veri yolundan okunmasının doğru bir enerji tüketimi tespiti için yetersiz olduğunu göstermektedir. Daha iyi sonuçlar elde etmek için, daha doğru bir analiz için daha iyi ölçüm sonuçları veren bir güç analizörü kullanılmalıdır.

Bu çözüm kendi zorluklarını da beraberinde getirir, çünkü akımların akım dönüştürücülerle ölçülmesi gerekir ve bunu yapmak için korumaların çıkarılması gerekir. Korumalar ölçümleri oldukça önemli ölçüde etkiler. Yardımcı yüklerdeki sapmalar %50’ye kadar, motor ve akü kablolarındaki sapmalar ise %5’e kadar çıkabilir.