電動汽車逆變器和電機的實時效率測量
2025-02-05
里程焦慮是電動汽車行業(yè)的熱門話題之一，如何提升電動汽車的續(xù)航能力從而改善駕駛體驗對電動出行至關(guān)重要，其中優(yōu)化逆變器和電機的運行效率是電動汽車能量管理的基石之一。本文將介紹如何使用Vector-CSM的電動汽車高壓測量系統(tǒng)對逆變器和電機進行精確的實時效率分析。
一、背景介紹
為了提升續(xù)航里程，需要對電動汽車動力系統(tǒng)的組件進行優(yōu)化。逆變器在整個動力系統(tǒng)中起著重要作用，高效能的逆變器可以減少電池與電機的能量轉(zhuǎn)換過程中的損失，比如在驅(qū)動過程中，由于PWM開關(guān)性能和廢熱，會損失部分能量，而在制動過程中，逆變器可以將能量回收，按需給電池充電，這個過程也會有能量損失。測量逆變器和電機的效率為評估和驗證電動汽車動力總成設計和優(yōu)化控制軟件算法提供參考依據(jù)。
二、挑戰(zhàn)
為了對電動汽車動力總成進行精確的實時功率計算，需要以高采樣速率測量被測對象輸入和輸出端的電流、電壓，并要求信號同步和相位準確。為了綜合分析，需要同步獲取其他測量值，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，測量模塊應靠近傳感器布置，避免因信號傳輸電纜過長引發(fā)的電磁干擾。同時在高壓環(huán)境中進行測量，必須確保被測對象、測量設備和用戶的安全。
三、Vector-CSM解決方案
圖1:Vector-CSM電動汽車高壓測量系統(tǒng)
HV BM模塊可以同步測量單相、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，并通過互鎖保護裝置固定，且布線簡潔。測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進行傳輸。
圖2：HV BM 3.3 測量逆變器和電機之間的三相交流電
3、高壓安全溫度模塊（HV PTMM）測量逆變器中溫度。
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，實現(xiàn)兩個HV BM模塊同步精度小于1μs。
5、頻率測量模塊（CNT 4 evo）通過測量扭矩和轉(zhuǎn)速來計算電機的效率，可以直接連接到HV BM 3.3模塊的CAN接口。
6、VX1000可以采集電機控制器內(nèi)部變量，和HV BM測量數(shù)據(jù)通過PTP精準同步。
7、CANape和vMeasure自帶的eMobitlityAnalyzer函數(shù)庫進行實時的效率計算。
8、HV BM 3.3支持三相電功率計算功能。將同步測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，利用eMobilityAnalyzer函數(shù)庫實時完成電功率計算，如有功功率、視在功率、無功功率和功率因數(shù)等。
9、在進行逆變器效率分析的同時，eMobilityAnalyzer函數(shù)庫還會計算所有必要的參數(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)磁場頻率等。
圖3:vMeasure軟件自帶eMobilityAnalyzer函數(shù)庫進行功率分析
圖4:使用eMobilityAnalyzer函數(shù)庫對逆變器效率進行分析
圖5:根據(jù)Vector-CSM測量系統(tǒng)（圖1）得到的電動汽車（標稱功率為75KW）測試數(shù)據(jù)。速度曲線（白色）可以反映車輛加速和減速。相應的紅色顯示正向或反向電流。在驅(qū)動過程中，逆變器效率（亮綠色）在高負載時超過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90%。當負載變化至電流較小時，逆變器的效率和充電效率都會變差。通過eMobilityAnalyzer函數(shù)庫（圖4）可進行實時和離線功率計算，同時也能得到電機的電流頻率。
四、優(yōu)點
Vector-CSM 電動汽車高壓測量系統(tǒng)支持在臺架或者車輛上進行分布式測量。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試環(huán)境中，被測對象也可以快速的更換以滿足不同的測試配置。
此外，其他測量模塊可以直接和HV BM 3.3 或者HV BM 3.3C連接，進一步簡化測試環(huán)境配置。通過HV BM模塊直接測量電流和電壓，并進行實時功率分析，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電動汽車高壓測量系統(tǒng)不但確保了從傳感器到數(shù)據(jù)采集的測量鏈路安全，而且提供了測試模塊擴展的便捷性，并始終確保測量信號的同步。通過實時效率的計算，用戶可以便捷地檢查、優(yōu)化電驅(qū)測試臺架中的組件。除此之外，CSM模塊適合車載使用，方便臺架數(shù)據(jù)與實車數(shù)據(jù)對比。
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