电动汽车逆变器和电机的实时效率测量

背景介绍

为了提升续航里程，需要对电动汽车动力系统的组件进行优化。逆变器在整个动力系统中起着重要作用，高效能的逆变器可以减少电池与电机的能量转换过程中的损失，比如在驱动过程中，由于PWM开关性能和废热，会损失部分能量，而在制动过程中，逆变器可以将能量回收，按需给电池充电，这个过程也会有能量损失。测量逆变器和电机的效率为评估和验证电动汽车动力总成设计和优化控制软件算法提供参考依据。

挑战

为了对电动汽车动力总成进行精确的实时功率计算，需要以高采样速率测量被测对象输入和输出端的电流、电压，并要求信号同步和相位准确。为了综合分析，需要同步获取其他测量值，如逆变器中的温度，以观察、捕捉部件的工作阈值和特定温度下的效率。理想情况下，测量模块应靠近传感器布置，避免因信号传输电缆过长引发的电磁干扰。同时在高压环境中进行测量，必须确保被测对象、测量设备和用户的安全。

Vector-CSM解决方案

HV BM 1.2模块通过格兰头或者PL500型接插件连接在电池和逆变器之间。HV BM 1.2模块可以测量HV+和HV-中的单相直流和电压，并通过EtherCAT以1 MHz的数据传输速率传递数据。（通过安装合适的接插头，可以实现模块的即插即用）

HV BM 3.3模块通过格兰头或者PL300型接插件连接在逆变器和电驱之间，并通过互锁保护装置固定，且布线简洁。测量模块支持三相交流电的电流和电压相位的同步，并能以2 MHz数据速率通过XCP-on-Ethernet进行传输。

高压安全温度模块（HV PTMM）测量逆变器中温度。

HV BM 3.3（带XCP网关）模块提供额外的EtherCAT和CAN接口，允许HV BM 1.2模块（通过EtherCAT）和高压温度模块（通过CAN）连接至HV BM 3.3模块，实现两个HV BM模块同步精度小于1µs。

频率测量模块（CNT 4 evo）通过测量扭矩和转速来计算电机的效率，可以直接连接到HV BM 3.3模块的CAN接口。

VX1000可以采集电机控制器内部变量，和HV BM测量数据通过PTP精准同步。

CANape和vMeasure自带的eMobitlityAnalyzer函数库进行实时的效率计算。

HV BM 3.3支持三相电功率计算功能。将同步测得的相电流和线电压，通过XCP以２ ＭS/ｓ速率发送到上位机，利用eMobilityAnalyzer函数库实时完成电功率计算，如有功功率、视在功率、无功功率和功率因数等。

在进行逆变器效率分析的同时，eMobilityAnalyzer函数库还会计算所有必要的参数，如输入功率和能量、输出功率和能量、功率耗散、能量损失、效率和旋转磁场频率等。

图3:vMeasure软件自带eMobilityAnalyzer函数库进行功率分析

图4:使用eMobilityAnalyzer函数库对逆变器效率进行分析

图5:根据Vector-CSM测量系统（图1）得到的电动汽车（标称功率为75KW）测试数据。速度曲线（白色）可以反映车辆加速和减速。相应的红色显示正向或反向电流。在驱动过程中，逆变器效率（亮绿色）在高负载时超过90%；而在能量回收过程中，逆变器反向充电效率（亮绿色）也可高达90%。当负载变化至电流较小时，逆变器的效率和充电效率都会变差。通过eMobilityAnalyzer函数库（图4）可进行实时和离线功率计算，同时也能得到电机的电流频率。

优点

近期举办的在线研讨会