電動(dòng)汽車逆變器和電機(jī)的實(shí)時(shí)效率測(cè)量

里程焦慮是電動(dòng)汽車行業(yè)的熱門話題之一，如何提升電動(dòng)汽車的續(xù)航能力從而改善駕駛體驗(yàn)對(duì)電動(dòng)出行至關(guān)重要，其中優(yōu)化逆變器和電機(jī)的運(yùn)行效率是電動(dòng)汽車能量管理的基石之一。本文將介紹如何使用Vector-CSM的電動(dòng)汽車高壓測(cè)量系統(tǒng)對(duì)逆變器和電機(jī)進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)效率分析。

一、背景介紹

為了提升續(xù)航里程，需要對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的組件進(jìn)行優(yōu)化。逆變器在整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)中起著重要作用，高效能的逆變器可以減少電池與電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程中的損失，比如在驅(qū)動(dòng)過程中，由于PWM開關(guān)性能和廢熱，會(huì)損失部分能量，而在制動(dòng)過程中，逆變器可以將能量回收，按需給電池充電，這個(gè)過程也會(huì)有能量損失。測(cè)量逆變器和電機(jī)的效率為評(píng)估和驗(yàn)證電動(dòng)汽車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制軟件算法提供參考依據(jù)。

二、挑戰(zhàn)

為了對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)功率計(jì)算，需要以高采樣速率測(cè)量被測(cè)對(duì)象輸入和輸出端的電流、電壓，并要求信號(hào)同步和相位準(zhǔn)確。為了綜合分析，需要同步獲取其他測(cè)量值，如逆變器中的溫度，以觀察、捕捉部件的工作閾值和特定溫度下的效率。理想情況下，測(cè)量模塊應(yīng)靠近傳感器布置，避免因信號(hào)傳輸電纜過長引發(fā)的電磁干擾。同時(shí)在高壓環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，必須確保被測(cè)對(duì)象、測(cè)量設(shè)備和用戶的安全。

三、Vector-CSM解決方案

圖1:Vector-CSM電動(dòng)汽車高壓測(cè)量系統(tǒng)

HV BM模塊可以同步測(cè)量單相、三相電壓和電流，配合使用vMeasure軟件中的功率分析函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)精確分析。

1、HV BM 1.2模塊通過格蘭頭或者PL500型接插件連接在電池和逆變器之間。HV BM 1.2模塊可以測(cè)量HV+和HV-中的單相直流和電壓，并通過EtherCAT以1 MHz的數(shù)據(jù)傳輸速率傳遞數(shù)據(jù)。（通過安裝合適的接插頭，可以實(shí)現(xiàn)模塊的即插即用）

2、HV BM 3.3模塊通過格蘭頭或者PL300型接插件連接在逆變器和電驅(qū)之間，并通過互鎖保護(hù)裝置固定，且布線簡(jiǎn)潔。測(cè)量模塊支持三相交流電的電流和電壓相位的同步，并能以2 MHz數(shù)據(jù)速率通過XCP-on-Ethernet進(jìn)行傳輸。

圖2：HV BM 3.3 測(cè)量逆變器和電機(jī)之間的三相交流電

3、高壓安全溫度模塊（HV PTMM）測(cè)量逆變器中溫度。

4、HV BM 3.3（帶XCP網(wǎng)關(guān)）模塊提供額外的EtherCAT和CAN接口，允許HV BM 1.2模塊（通過EtherCAT）和高壓溫度模塊（通過CAN）連接至HV BM 3.3模塊，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)HV BM模塊同步精度小于1µs。

5、頻率測(cè)量模塊（CNT 4 evo）通過測(cè)量扭矩和轉(zhuǎn)速來計(jì)算電機(jī)的效率，可以直接連接到HV BM 3.3模塊的CAN接口。

6、VX1000可以采集電機(jī)控制器內(nèi)部變量，和HV BM測(cè)量數(shù)據(jù)通過PTP精準(zhǔn)同步。

7、CANape和vMeasure自帶的eMobitlityAnalyzer函數(shù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)的效率計(jì)算。

8、HV BM 3.3支持三相電功率計(jì)算功能。將同步測(cè)得的相電流和線電壓，通過XCP以２ ＭS/ｓ速率發(fā)送到上位機(jī)，利用eMobilityAnalyzer函數(shù)庫實(shí)時(shí)完成電功率計(jì)算，如有功功率、視在功率、無功功率和功率因數(shù)等。

9、在進(jìn)行逆變器效率分析的同時(shí)，eMobilityAnalyzer函數(shù)庫還會(huì)計(jì)算所有必要的參數(shù)，如輸入功率和能量、輸出功率和能量、功率耗散、能量損失、效率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率等。

圖3:vMeasure軟件自帶eMobilityAnalyzer函數(shù)庫進(jìn)行功率分析

圖4:使用eMobilityAnalyzer函數(shù)庫對(duì)逆變器效率進(jìn)行分析

圖5:根據(jù)Vector-CSM測(cè)量系統(tǒng)（圖1）得到的電動(dòng)汽車（標(biāo)稱功率為75KW）測(cè)試數(shù)據(jù)。速度曲線（白色）可以反映車輛加速和減速。相應(yīng)的紅色顯示正向或反向電流。在驅(qū)動(dòng)過程中，逆變器效率（亮綠色）在高負(fù)載時(shí)超過90%；而在能量回收過程中，逆變器反向充電效率（亮綠色）也可高達(dá)90%。當(dāng)負(fù)載變化至電流較小時(shí)，逆變器的效率和充電效率都會(huì)變差。通過eMobilityAnalyzer函數(shù)庫（圖4）可進(jìn)行實(shí)時(shí)和離線功率計(jì)算，同時(shí)也能得到電機(jī)的電流頻率。

四、優(yōu)點(diǎn)

Vector-CSM 電動(dòng)汽車高壓測(cè)量系統(tǒng)支持在臺(tái)架或者車輛上進(jìn)行分布式測(cè)量。Vector的軟件方案可以精確同步處理CSM模塊采集的數(shù)據(jù)和ECU的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

HV BM模塊可以通過即插即用接插件接入測(cè)試環(huán)境中，被測(cè)對(duì)象也可以快速的更換以滿足不同的測(cè)試配置。

此外，其他測(cè)量模塊可以直接和HV BM 3.3 或者HV BM 3.3C連接，進(jìn)一步簡(jiǎn)化測(cè)試環(huán)境配置。通過HV BM模塊直接測(cè)量電流和電壓，并進(jìn)行實(shí)時(shí)功率分析，取代繁瑣的傳統(tǒng)功率分析儀及電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

在高壓環(huán)境下，Vector-CSM電動(dòng)汽車高壓測(cè)量系統(tǒng)不但確保了從傳感器到數(shù)據(jù)采集的測(cè)量鏈路安全，而且提供了測(cè)試模塊擴(kuò)展的便捷性，并始終確保測(cè)量信號(hào)的同步。通過實(shí)時(shí)效率的計(jì)算，用戶可以便捷地檢查、優(yōu)化電驅(qū)測(cè)試臺(tái)架中的組件。除此之外，CSM模塊適合車載使用，方便臺(tái)架數(shù)據(jù)與實(shí)車數(shù)據(jù)對(duì)比。

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