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HBK數(shù)字算法助力繪制電動(dòng)汽車電機(jī)效率圖

2022-03-23 14:52:12·  來(lái)源：HBM測(cè)試與測(cè)量  
　
為了在特定電池容量和車輛重量下最大程度地提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，工程師們不斷努力，盡可能優(yōu)化電氣和機(jī)械系統(tǒng)的性能。

為了在特定電池容量和車輛重量下最大程度地提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，工程師們不斷努力，盡可能優(yōu)化電氣和機(jī)械系統(tǒng)的性能。他們采用效率映射過(guò)程，確定動(dòng)力系統(tǒng)的“最佳點(diǎn)”（即在扭矩-速度曲線中，系統(tǒng)以峰值效率運(yùn)行的區(qū)域），設(shè)計(jì)出盡可能在最大效率區(qū)運(yùn)行的部件。但是問(wèn)題在于，效率映射過(guò)程既昂貴又耗時(shí)，通常會(huì)連續(xù)幾周占用昂貴的設(shè)備。
他們采用效率映射過(guò)程，確定動(dòng)力系統(tǒng)的“最佳點(diǎn)”（即在扭矩-速度曲線中，系統(tǒng)以峰值效率運(yùn)行的區(qū)域）。這個(gè)過(guò)程既昂貴又耗時(shí)。
為了測(cè)試和優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)，汽車制造商求助于測(cè)試與測(cè)量設(shè)備供應(yīng)商HBK。HBK的系統(tǒng)可全方位評(píng)估電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，包括電機(jī)、控制器、變速箱和逆變器。HBK表示，其最新的產(chǎn)品線eDrive功率分析儀可以顯著縮短創(chuàng)建效率圖所需的時(shí)間。
Charged雜志近期采訪了HBK工程師Mitch Marks，他向我們描述了eDrive功率分析儀如何使用創(chuàng)新的數(shù)字算法繪制電機(jī)效率圖，且相比過(guò)去使用模擬方法所需要的時(shí)間，eDrive的耗時(shí)幾乎微不足道。
可進(jìn)行周期檢測(cè)的效率映射
Charged: HBK稱其工藝將測(cè)試時(shí)間縮短了近十倍。究竟是什么導(dǎo)致效率映射過(guò)程如此耗時(shí)呢？
Marks: 動(dòng)力系統(tǒng)效率主要因速度和扭矩，以及一些其他因素而異。我們的設(shè)備測(cè)量電池功率、逆變器功率和電機(jī)功率，以確定在不同扭矩-速度組合下每個(gè)部件的效率。我們使用測(cè)功機(jī)，為車輛運(yùn)行范圍內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)編寫扭矩和速度參數(shù)，測(cè)量各種部件的輸入和輸出功率，并使用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)部分的效率。繪制數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，我們就可以詳細(xì)看到整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，也可以對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化效率。
效率映射的原理聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，因?yàn)槲覀冎皇遣榭磁ぞ?速度范圍內(nèi)的幾百個(gè)工作點(diǎn)。但是，效率也會(huì)隨著傳動(dòng)比、溫度甚至電池的充電狀態(tài)而變化。突然之間，所有這些實(shí)際變量可能會(huì)擴(kuò)展成單個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的約50,000個(gè)獨(dú)特的場(chǎng)景，這可能會(huì)占用試驗(yàn)臺(tái)幾周的時(shí)間。
傳統(tǒng)的功率分析使用鎖相環(huán)技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)用于追蹤頻率的電路。由于這是一項(xiàng)模擬技術(shù)，其本質(zhì)上非常慢，通常調(diào)諧到60 Hz。于是我們就會(huì)好奇，“為什么每個(gè)人都用電線工具開發(fā)車輛？你的車可不止能跑12英里/小時(shí)?！?/span>

效率圖采樣的30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)
電動(dòng)汽車電機(jī)的運(yùn)行速度各不相同，因此功率分析儀需要在一定的頻率范圍內(nèi)掃描，以便在所有這些速度下測(cè)試電機(jī)。問(wèn)題是，每次頻率變化，功率分析儀都必須等待系統(tǒng)穩(wěn)定后才能進(jìn)行下一次讀數(shù)。這樣一來(lái)，每次測(cè)量的時(shí)間大約增加10秒。將這個(gè)時(shí)間乘以50,000個(gè)設(shè)定值，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，單單測(cè)功機(jī)的時(shí)間就以周計(jì)了，而且這還是在假設(shè)一切按計(jì)劃順利進(jìn)行的前提下。
針對(duì)這個(gè)痛點(diǎn)，我們開發(fā)了一種數(shù)字算法，可以實(shí)時(shí)讀取輸入至電機(jī)的正弦波基頻，對(duì)其進(jìn)行跟蹤，每半個(gè)正弦波周期提供一次測(cè)量結(jié)果。這種極其穩(wěn)健的算法只需半個(gè)基頻周期就能提供結(jié)果；基頻是機(jī)器旋轉(zhuǎn)一圈的一小部分。例如，一臺(tái)20極的機(jī)器每旋轉(zhuǎn)十分之一圈就要進(jìn)行一次測(cè)量。我們稱之為周期檢測(cè)，并使用一種很強(qiáng)大的數(shù)字算法來(lái)實(shí)現(xiàn)周期檢測(cè)。
繪制一張包含50,000個(gè)場(chǎng)景的效率圖大約需要10個(gè)小時(shí)，而傳統(tǒng)的方法可能需要10個(gè)工作日或更長(zhǎng)時(shí)間。
周期檢測(cè)算法測(cè)量逆變器正弦波的每個(gè)過(guò)零點(diǎn)，每個(gè)周期進(jìn)行兩次測(cè)量。這樣一來(lái)，只需幾分鐘就能完成一張具有300個(gè)唯一條件的效率圖。繪制一張包含50,000個(gè)場(chǎng)景的效率圖大約需要10個(gè)小時(shí)，而傳統(tǒng)的方法可能需要10個(gè)工作日或更長(zhǎng)時(shí)間。
實(shí)時(shí)機(jī)械和電氣測(cè)量
Charged：在效率圖測(cè)試中，您具體測(cè)量的是什么？
Marks：我們測(cè)量DC總線電壓和電流、逆變器電壓和電流、逆變器輸入功率和逆變器輸出功率。逆變器連接到電機(jī)，因此我們測(cè)量電機(jī)的扭矩和速度輸出。一旦知道輸入電機(jī)的電功率和從電機(jī)輸出的機(jī)械功率后，我們就能確定電機(jī)的效率。如果是變速箱，我們可以測(cè)量機(jī)械功率輸出，并計(jì)算效率。這些測(cè)試與溫度緊密相關(guān)，因?yàn)樽儫岬臋C(jī)器會(huì)損耗更多的能量，效率也會(huì)隨之降低。因此，工程師們力求將機(jī)器保持在極其嚴(yán)格的溫度范圍內(nèi)。
HBK設(shè)計(jì)的eDrive產(chǎn)品可以同時(shí)測(cè)量所有機(jī)械和電氣值——扭矩、速度、溫度、電壓、電流等。這些測(cè)量值，以及動(dòng)力系統(tǒng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，均被即時(shí)存儲(chǔ)。后處理分析將實(shí)際數(shù)量與控制器正在“思考”或估計(jì)的值進(jìn)行比較，便于工程師設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制系統(tǒng)。

三張效率圖，一個(gè)顯示屏
我們將電池、逆變器和電機(jī)放在測(cè)功機(jī)上，輸入多個(gè)設(shè)定值，從而確定動(dòng)力系統(tǒng)全范圍內(nèi)的扭矩和速度。接下來(lái)，我們針對(duì)每種情況，測(cè)量電池功率、逆變器功率和電機(jī)的機(jī)械功率輸出，以確定逆變器效率和電機(jī)效率。這樣一來(lái)，我們便得到一張效率圖，其中，速度設(shè)為X軸，扭矩設(shè)為Y軸。我們想弄清楚最有效的點(diǎn)在哪里，以便使動(dòng)力系統(tǒng)大部分時(shí)間內(nèi)都運(yùn)行在最有效的點(diǎn)。
然后工程師將使用這些數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)，以及定義車輛的駕駛模式參數(shù)。例如，他們可以看著效率圖說(shuō)，“好吧，在環(huán)境溫度為20℃的無(wú)約束模式下，我的電池充電狀態(tài)是這樣的。我可以自由自在地駕駛?！被蛘哒f(shuō)，“40℃——非常熱。我的電池電量非常低，而我迫切需要去個(gè)地方，我會(huì)更保守地駕駛?！边@一切都得益于效率圖，它告訴我們，“在這些精確的條件下，我需要這樣駕駛。”
測(cè)試設(shè)置
Charged：電池組的充電狀態(tài)對(duì)這些測(cè)量和效率有何影響？
Marks：隨著電池電量逐漸下降，您可能會(huì)降低總線電壓，節(jié)約能源?；蛘唠姵刂械囊恍┗竟δ軙?huì)調(diào)低其電壓水平。因此，充電狀態(tài)會(huì)影響DC總線的狀態(tài)或者你愿意提供的電流大小。
在測(cè)試過(guò)程中，工程師使用電源來(lái)模擬電池組，市面上有很多非常好的電池仿真系統(tǒng)。使用真正的電池進(jìn)行測(cè)試的問(wèn)題之一在于，其中涉及很多安全問(wèn)題，而且成本很高。
Charged：對(duì)于其他測(cè)試設(shè)置呢？電動(dòng)汽車制造商通常并行運(yùn)行多少個(gè)試驗(yàn)臺(tái)？
Marks：這取決于汽車制造商的規(guī)模。例如，通用汽車有專門的場(chǎng)地，其通道上有120臺(tái)幾乎一模一樣的測(cè)功機(jī)。這些儀器就可以用于動(dòng)力系統(tǒng)效率映射、NVH測(cè)試等。通用汽車還使用手推車運(yùn)入電機(jī)，由技術(shù)人員連接電機(jī)，然后就可以關(guān)上門進(jìn)行測(cè)試。這就是通用汽車公司——可謂是盡善盡美。反觀許多初創(chuàng)企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，他們的設(shè)備可能是七拼八湊的，操作員的本職工作并不是測(cè)試。因此各不相同。
裝載機(jī)的運(yùn)行相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化。例如，如果運(yùn)行一臺(tái)100千瓦的在試設(shè)備，負(fù)載電機(jī)將是200千瓦，在此情況下運(yùn)行峰值功率，機(jī)器就會(huì)過(guò)載并在整個(gè)范圍內(nèi)運(yùn)行。那些測(cè)功機(jī)系統(tǒng)可以嚴(yán)格保持速度，吸收扭矩，且不會(huì)造成太大的波動(dòng)。好的測(cè)功機(jī)價(jià)格非常高，但差的測(cè)功機(jī)可靠性很低。但通常情況下，您的機(jī)器足以承載即將安裝于其上的大部分電機(jī)。
此外，通過(guò)對(duì)eDrive公式的編輯，你可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相及以上的電機(jī)測(cè)試或針對(duì)擁有一臺(tái)以上的多電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試。額外的輸入通道可幫助用戶接入溫度傳感器、加速度計(jì)、麥克風(fēng)、CAN總線等。我們還提供了一套分析工具，用戶也可以創(chuàng)建自定義分析。
由于我們對(duì)機(jī)械和電氣效率進(jìn)行全方位測(cè)量，因此我們可以幫助設(shè)計(jì)單個(gè)部件（電池、逆變器、電機(jī)和控制系統(tǒng)）的工程師優(yōu)化這些部件，促進(jìn)部件的協(xié)同工作，打造更卓越的整體動(dòng)力系統(tǒng)。
所有原始數(shù)據(jù)都是即時(shí)存儲(chǔ)，因此可以按需隨時(shí)詳細(xì)檢查測(cè)量結(jié)果，無(wú)需在某些操作點(diǎn)重新運(yùn)行測(cè)試。借助新增的傳感器，eDrive還可以計(jì)算鐵損耗和銅損耗。由于我們對(duì)機(jī)械和電氣效率進(jìn)行全方位測(cè)量，因此我們可以幫助設(shè)計(jì)單個(gè)部件（電池、逆變器、電機(jī)和控制系統(tǒng)）的工程師優(yōu)化這些部件，促進(jìn)部件的協(xié)同工作，打造更卓越的整體動(dòng)力系統(tǒng)。
下一代測(cè)試
Charged：您認(rèn)為效率映射行業(yè)未來(lái)將走向何方？
Marks：測(cè)試成本高昂。舉個(gè)例子，一臺(tái)測(cè)功機(jī)要耗費(fèi)上百萬(wàn)美元。測(cè)量設(shè)備也不便宜，測(cè)試時(shí)間更加寶貴，因此人們開始轉(zhuǎn)而使用計(jì)算機(jī)模型或數(shù)字孿生。這樣一來(lái)，您就有了一個(gè)電機(jī)的數(shù)字孿生，一個(gè)逆變器的數(shù)字孿生和一個(gè)控制算法。很多時(shí)候，您只是讓計(jì)算機(jī)模型盡可能接近現(xiàn)實(shí)，以便在計(jì)算機(jī)上點(diǎn)擊回車鍵就能運(yùn)行所有這些測(cè)試，并在測(cè)試臺(tái)上驗(yàn)證算法。所有企業(yè)都在向著硬件在環(huán)、模擬電機(jī)和模擬逆變器的方向轉(zhuǎn)型。對(duì)于開發(fā)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很酷的階段，對(duì)于測(cè)試人員來(lái)說(shuō)也很有趣。但是我們會(huì)一直在這里，因?yàn)槊恳粋€(gè)突破極限的過(guò)程都需要驗(yàn)證。

Charged：在這些場(chǎng)景中，在轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)模型或數(shù)字孿生的過(guò)程中，客戶會(huì)不斷使用HBK的設(shè)備，對(duì)照現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行檢查。是這樣嗎？


Marks：沒(méi)錯(cuò)。我們需要進(jìn)行驗(yàn)證，以便現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以快速識(shí)別出癥結(jié)所在。另一方面，我們的人員竭盡全力找出最好的算法，完善模型，輕松點(diǎn)擊“Go”之后便進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)然，目前這還只是夢(mèng)想。道阻且長(zhǎng)，但未來(lái)可期。



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