红旗新能源智能装备开发与数智化应用

一、企业简介

       中国一汽集团研发总院，是中国第一汽车集团公司的主体研发机构，在前瞻技术、工程设计、仿真分析、试制和试验验证等方面处于国内领先行列；主要负责红旗品牌整车、动力总成、电子电控、底盘等产品开发，并负责集团公司的乘用车研发体系建设工作,同时负责《汽车振动噪声与安全控制综合技术》国家重点实验室等国家科研平台运行。当前自主研发完成L、S、H、Q四大平台整车，近年来陆续投放了多款全新红旗产品，包括中型豪华轿车红旗H5、中型豪华SUV红旗HS5、中大型豪华SUV红旗HS7、C级豪华轿车红旗H9、纯电动SUV红旗E-HS3、纯电动智能SUV红旗E-HS9、首款针对移动出行领域定制化开发的红旗E-QM5、红旗L5专属定制版、豪华礼宾车-红旗国悦等。

二、企业在智能制造方面的现状

       中国第一汽车股份有限公司研发总院全面实施数智化转型战略，转思维，变理念，规范红旗产品开发流程，提升红旗产品研发效率，保证红旗产品研发质量。

       汽车高智能核心检测装备是研发红旗高端产品的关键支撑。在汽车“新四化”的产业变革背景下，层出不穷的新产品技术离不开相应的检测技术来验证。为满足红旗高端产品跃迁发展带来的产品检测需求，摆脱在高智能装备领域的国外依赖，围绕新能源电驱系统高端研发装备，在装备自主开发和数智化应用两个领域进行攻关并取得突破性进展。实现了关键技术的自主掌控和国际领先，突破了汽车高端产品核心检测与验证能力瓶颈，支撑了红旗产品技术的“全国首发、崭新独创”，保证了E-HS9等高端豪华车型快速研发上市，推动实现新红旗“中国第一、世界著名”的新高尚品牌战略目标。

       项目团队创新性提出并研究了新能源高速电驱装备平台化开发技术，装备柔性化集成、多功能拓展技术，新能源电驱试验智能诊断及维护技术，打造了集装备开发、智能应用、智慧维护于一体的创新技术平台，满足了高精尖、多样化、快节奏的电驱产品验证与试制生产需求。

       项目节约大量研发成本，支撑了红旗E-HS9、EQM-5、E001等车型的电驱产品测试验证，为红旗“All in新能源”战略落地保驾护航。项目荣获2022年全国汽车行业智能制造成果特等奖、2022年一汽集团降本减费优秀项目一等奖、2023年一汽集团合理化建议优秀成果一等奖等荣誉，且已在一汽研发总院、长春汽车检测中心推广应用，并取得显著成效。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       1.项目背景介绍

       作为新能源汽车的一个重要应用领域，电机电驱动系统在行业中的地位越来越重要。随着新能源技术的不断发展和推广，对于电机电驱动的高转速、大扭矩、高精度需求也越来越高。为了满足这一需求，摆脱对国外的技术依赖，各个企业纷纷投入了大量的研发和生产资源，不断推进电驱技术的创新和发展。本项目根据红旗新能源电机电驱动产品的研发、试验与试制技术的发展需求，交流并对标了集团内、行业内多家公司，通过关键装备自主开发、多装备集成控制、运维智能化赋能等方法，达成了新能源电驱装备高性能测控系统平台开发技术、装备柔性化集成、多功能拓展技术和智能诊断及维护的目标，实现了关键技术的自主掌控和国际领先，保证了E-HS9、E-QM5等红旗高端豪华车型快速研发，推动集团“All in”新能源战略落地。

       2.项目实施与应用情况详细介绍

       本项目围绕新能源高速电驱装备开展了一系列技术攻关，通过2年来的研究与实践，结合行业内国际先进公司的最新理念和方法，创新运用平台化开发、集成通讯、智能分析等技术，实现三大创新突破：1）结合传统测试装备开发技术与最新数字化系统架构，创新打造智能化装备开发平台，高效推进了新能源高速电驱测控系统、高速转子去应力、扁线电机波绕成型等核心装备技术自主研发，突破多项“卡脖子”技术，支撑各类新能源高速电机装备快速开发；2）结合具体试验场景，攻克新能源高速电机装备主控系统、环境仓、试件温控系统、消防系统等通讯壁垒，开发高速电机试验集成控制系统，结合故障紧急处理机制，实现试验自动运行、安全智慧升阶。3）通过搭建智能感知网络，针对功率单元、电机转子等重点部件开发异常监测和故障诊断系统，推动新能源高速电机运维场景数智转型。项目累计节创价值千万余元，荣获2023年集团合理化建议优秀成果一等奖等，后续可在集团及行业内快速推广。详细技术方案如下：

       2.1 新能源试验装备高性能测控系统平台开发技术创新

       开发了新能源电驱试验装备高性能测试系统，技术水平达到国内领先水平。高性能的测控系统平台一直是试验装备的核心技术，也是国外厂家重要的技术壁垒，代表性的有AVL公司的PUMA、FEV公司的Mophee、MTS公司的MPT等系统。为攻克这一“卡脖子”技术难题，本项目创新打造了基于C/S架构的新能源高速电驱试验测控系统平台，通过上、下位机系统的组合实现了高精度控制、高动态响应、高速采集记录、智能自诊断、柔性化测试等关键技术的突破和自主掌控，保证了红旗EQM5等产品的技术领先和性能先进。

       上位机软件开发了标准组件实现功能解耦：灵活高效的软件显示界面，包含丰富的控件，可在线自定义显示界面，且以文件形式保存配置，方便多用户共享；可自由编辑的工况序列，自由调用软件内所有功能，如单步限值，控制数据记录，添加单步脚本等；拥有内嵌的基于C语言的脚本语言，可在线编写自定义脚本计算公式等；强大的报警监控设置，自由添加需要监控的变量，可自定义报警动作，报警延迟等，可在线显示所有报警条目状态，并可设置停机前后黑匣子数据。

       下位机软件采用RT-Linux开发搭建了高集成实时控制系统，可自由配置的通讯协议，如CAN，CANOpen，Profinet，Ethernet，Modbus等等，满足高动态、高精度、平台化的测控要求。以上功能实现满足了用户复杂的柔性化测试需求。

       2.2 新能源电驱试验装备柔性化集成、多功能拓展技术创新

       （1）新能源高速电机试验台集成开发

       为支撑一汽集团“All in”新能源战略落地，加速高速电机产品的测试和性能评估，基于电驱试验装备高性能测试系统改造开发了一套新能源高速电机试验台，开发了UNICO驱动器及电池模拟器、Yokogawa功率分析仪、Drycooler冷却系统的集成联动控制策略，实现了在16000rpm的极限工况下，转速控制精度达到±0.5rpm，测功机振动＜4mm/s。在带载条件下可持续运行平稳，满足高速电机试验台长时间安全稳定运行要求。

       借助测控系统平台高度的灵活性和可扩展性，还应用电驱系统的测试验证中，同时融合了伺服运动控制技术，可实现测功机快速精准移动，控制精度≤0.1mm，提高样件换装效率50%以上，装配失误率由8%降低到0，单台全年节省试验准备时长近300h。

       （2）新能源高速转子试验台集成开发

       攻克了电机转子高速试验时设备主轴系统共振的技术难题，技术水平达到国际先进水平。近年来，新能源汽车迅速发展，对于电机的转子也提出越来越严苛的要求；当电机达到23000r/min或更高的转速时，对电机转子的机械性能有着较大的考验；因此新能源汽车电机装车前，对电机的转子进行去应力处理是一道必不可少的环节。我们采用电驱高性能测控系统，自主开发一套新能源车高速转子试验台，模拟电机转子在实车中的运行状态，对转子进行去应力处理，产生预变形，从而保证高速电机的产品质量。

       （3）新能源电机平台物联控制系统开发

       鉴于新能源电机试验过程中装备和试件都存在故障、失效等异常情况，尤其是在新能源测试领域甚至存在起火冒烟、冷却液泄露等安全风险。针对上述痛点，首创了新能源试验装备智慧物联控制模型。基于自主测控系统平台开发了COMI接口程序，突破重点装备集成通信技术瓶颈，实现试验间全套试验装备的通讯物联；同时结合机器视觉技术设计了各类异常情况自识别和应急处理策略，保证试验过程安全、可靠。通过对试验信息的全系统交互，根据新能源不同试验场景定制开发试验管理界面，实现设备运行状态的线上监控，试验进度、故障报警、操作者等信息线上发布，为试验计划的编制、测试项目的管控，提供了数智化的管理手段。智慧物联系统的开发实现了研发装备运行自动化、安全智能化、诊断高效化等三方面的集成技术应用，有效提升了产品研发效率。

       同时为保证通讯物联技术的通用化，以一块标准NANO计算机主板为处理核心，针对性开发了装备集成物联控制器硬件平台；基于Linux操作系统和Python算法库实现边缘计算；最后将数据采集、数据解析、数据存储、网络传输等功能等集成在一个设备中，实现重要数据在物理链路层的稳定处理。解决了传统硬件高故障率和失效率的痛点，实现采、存、算、传一体，为研发装备的集成联动控制奠定了硬件基础。

       2.3 新能源高速电机平台智能诊断及维护技术创新

       （1）新能源高速电机装备智能监测及诊断系统设计

       随着大数据的集聚、理论算法的革新、计算能力的提升及网络设施的演进，行业上对于装备维护工作的数智化水平要求越来越高，希望能够在对设备和系统无损的前提下，通过科学的检测手段和分析方法来实现设备健康监测与故障诊断。为了解决新能源高速电机关键部位故障智能分析诊断问题，基于电机平台开发了智能监测及诊断系统，重点对电机模拟器IGBT、高速转子等关键部位进行温度、振动数据监控，建立运行数据库，再结合维修经验、关键故障数据生成故障数据模型，建立预测维护模型，当运行过程中出现超温、老化、烧损问题，可快速锁定故障点，远程报警，实现故障快速诊断，保证了电机模拟器各功率模块正常运行的安全性、长期运行的可靠性，其关键技术如下：

       动态超温诊断：诊断系统包括固定发射端、旋转接收端和信号接收采集处理端，固定发射端用于形成高频电磁场，并与旋转接收端形成电磁谐振耦合，旋转接收端用于采集热电偶传感器的温度信号并传送至信号接收采集处理端，信号接收采集处理端用于控制固定发射端的启动，将接收的信号转换为实际温度，转换成台架采集系统可识别的电流信号，完成从控制到采集显示再到存储和分析的流程，解决了动态温度无法定点采集、采集点少和数据不准确的关键问题，进而保证电机台架运转过程中的动态特性。

       转子谐振诊断：通过专业的有限元分析软件Abaqus或Ansys计算出试验台的固有频率，通过上位机平台实时控制系统控制转速上升斜率，当诊断系统监测到试验台转速将要达到固有频率转速时，发送信号到上位平台快速通过此转速，从而最大程度减小试验台的振动，保证试验台正常运行，同时通过诊断平台机器视觉技术监测转子的运行状态，当试验台振动过大或转子有碎片、爆裂的迹象发生时，试验台可快速停机保证试验安全。

       （2）新能源高速电机装备智能维护系统设计

       在智能监测及诊断系统的基础上，基于丰富维修经验和装备运行机理，开发智能维护系统，其关键技术如下：

       酸、碱闭环自动冲洗：打造了一套新能源电机模拟器自动冲击清洗系统，攻克了功率单元散热导流机构清洗酸、碱闭环控制技术，可实现酸碱中和，防止腐蚀导流机构，达到彻底清洁的目的。系统具有温度闭环，酸度闭环、碱度闭环、冲击闭环多种智能控制模式，各种模式逐步递进，以除垢为主，防护结合的举措，实现电机模拟器智能维护。

       工况监测智能润滑：打造了一套新能源高速测功机智能润滑系统，通过综合监测轴承温度、运行时间、台架转速、扭矩等工况进行计算，自动、智能根据需求和工况，适时、适量油脂加注，保证运行过程中润滑效果满足设计要求，保持良好运行状态。实现测功机科学智能润滑维护，大大降低了新能源高速试验设备故障率。

       3.效益分析

       1）经济效益

       本项目通过自主开发的高性能测控系统、新能源电机高端测试装备、新能源智能诊断及维护系统直接节约投资成本850余万元。在汽车智能研发装备领域，随新能源汽车快速发展，三电领域高端测试装备需求越来越急迫，高速电机测试装备成为各整车制造、试验检测、电机供应商的必备装备，随之而来的是装备行业巨头对于高端三电测试装备核心技术把控和居高不下的服务费用。因此行业内各公司对于性能先进、价格“亲民”、低维护成本的高速电机装备需求十分强烈。后续计划通过双创平台孵化，将新能源高速电机综合试验测试系统、新能源高速电机平台物联及诊断系统整体解决方案向外部汽车制造企业销售推广，实现盈利的快速裂变。

       2）社会效益

       行业认可：本项目培养了一支高智能装备开发与数智化应用的专业队伍，基于成果申报国家专利13项，发表核心期刊论文3篇，创新性及效果受到一汽集团、汽车行业一致认可。

       创新引领：项目首创性将控制平台、试验测试、运维技术深度融合，大幅增强新能源电驱装备的数智化水平，创新性地开发出了新策略、新结构、新方法、新功能且更智能的装备。通过成果应用大幅度提高了电机、电驱动汽车产品开发技术水平和效率，有效降低了汽车高端产品开发成本，为后续汽车制造行业装备国产化及装备数智化转型指明了方向。

       未来影响：本项目成果已广泛应用在一汽集团E-HS9、EQM-5等车型的开发验证中，满足了多项红旗高端产品验证需求，大幅提高了试验效能。对加快“All in新能源”战略实现，推进汽车制造业高端化、智能化、绿色化发展具有重要意义。

       3）获奖情况

       项目团队通过多年技术深耕，在新能源高速电驱高性能测控系统自主开发、柔性化集成及智能诊断方面实现重大突破，创新性的自主开发了高速电驱高精度测控系统、高速转子去应力装置、U型扁线连续波绕柔性成型设备、测功机无线智能调整装置、装备集成物联装置及组件等10余种自主开发产品，获得2022年全国汽车行业智能制造创新成果特等奖、2022年一汽集团降本减费优秀项目一等奖，为一汽集团技术创新、数智化转型、开源节流降成本作出巨大贡献。