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nCode GlyphWorks电驱动系统功率计算和效率分析
2021-10-21 10:08:00· 来源：上海山外山机电工程科技有限公司
关键字：nCode，电功率，机械功率，效率分析类别：nCode GlyphWorks软件应用前言电动汽车的三电是指什么？通常所说的电动汽车三电，是指电机、电池和电控。这是
关键字：nCode，电功率，机械功率，效率分析
类别：nCode GlyphWorks软件应用
前言
电动汽车的“三电”是指什么？通常所说的电动汽车“三电”，是指电机、电池和电控。这是电动汽车的关键技术，“三电”技术也是电动车区别于传统汽车的新技术。这三项技术中，电池和电机都占据了极其重要的地位，影响到汽车单次充电的行驶里程、汽车生产成本等，需要充分考虑功率大小和能量效率。
下图1是典型的电动汽车驱动系统能量传递示意图。传递过程中能量的形式在变化，也伴随着能量损失。电池是动力源，将能量依次传递给逆变器、电机和车辆传动机构。逆变器将电池输出的直流电转变为三相交流电能，电机将三相交流电能转化为机械能。
图1 电动汽车驱动系统能量传递过程
nCode GlyphWorks 2021.1版本中增加了电驱动功率计算模块，通过输入电压、电流或者扭矩和转速时域信号，计算电功率和机械功率的，对电机效率和功率损失进行分析。工程师可以借助该模块进行电动汽车驱动系统的功率和能效分析。
电驱动功率分析案例
本文通过一个分析案例展示nCode软件中的Electric Power Glyph相关功能。测量数据包括应用于电机逆变器的三相电流和线对线电压，电机输出轴的速度和扭矩。
输入数据:
-
ElectricMotorMeasurements_Block1.s3t
-
ElectricMotorMeasurements_Block2.s3t
-
ElectricMotorMeasurements_Block3.s3t
目标：
-
通过测量的电压和电流计算电气功率，
-
通过扭矩和转速计算机械功率，
-
计算电机效率，
第一步，搭建分析流程。在nCode软件中搭建分析流程，如下图2所示。结果通过时域二维图和效率曲面图显示。
图2 电功率分析流程
表1：流程各glyph介绍
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序号
|
Glyph
|
描述
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|
1
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TSInput
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测试数据时域信号输入
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|
2
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ElectricPower
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电驱动功率计算
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3
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XYDisplay
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XY二维显示器
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|
3
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SurfacePlot
|
曲面图显示器
|
第二步，合并测量文件。在nCode软件中的Electric Power Glyph计算输出电功率和输出机械功率，要求按不同的扭矩和转速水平捕捉短测量块，计算电机效率。三组测量数据对应的三种不同的转速和扭矩运行工况。电压和电流通过高采样率的数据记录仪，通常分段记录为多个文件。在数据处理中，将这些分段串联后分析。操作步骤如下：
1. 在可选数据区选择3个电机测量数据，可单独查看各时域数据，包含三相电机的输入电流和电压信号，以及电机输出的转速和扭矩信号。
2. 将三个数据同时拖入nCode 软件的workspace，创建一个Time Series Input glyph，内含三组测试的数据。
3. 打开Time Series Input glyph，并在属性中设置CombineAllTests=True，然后点击Apply
图3 TSInput属性设置
4. 点击Apply之后，出现三个CombineAllTests相关属性。其中有两个属性需要设置，
CombineAllTestsNamingMethod=Specified；合并后的数据流名称CombineAllTestsNameText=ElectricMotorTest（默认情况下，组合文件名为CombineAllTests）。
图4 合并相关属性设置
5. 点击OK关闭属性对话框。在TSInput Glyph中查看数据已有效地连接，合并为一个测试文件，显示结果图下图所示。
图5 TSInput显示合并后数据
第三步，计算电驱动功率。打开Electric Power glyph属性。第一个标签页（OutputChannels），允许选择输出的计算结果。保持原状态不修改。默认输出的结果包括交流电功率（AC Electric Power），机械功率（Mechanical Power）和效率（Efficiency）。如果输入的测量信号来自电池的电压和电流，则选择输出直流电功率（DC Electric Power）。
第二标签页（Advanced），设置更详细属性。比较重要的属性设置Channels分类，其输入如下：
-
ACCurrentChannels 属性输入1-3
-
ACVoltageChannels 属性输入4-6
-
SpeedChannel 属性输入90
-
TorqueChannel 属性输入89
-
保持DCCurrentChannel和DCVoltageChannel属性为空（未采集DC数据）
图6 ElectricPower属性输入通道设置
第四步，结果显示。运行流程，查看XYDisplay中的输出结果，包含的通道如下，详细信息可参考技术背景资料。
-
AC Active Electric Power (in W)
-
AC Apparent Electric Power (in VA)
-
AC Reactive Electric Power (in VAR)
-
AC Power Factor
-
Mechanical Power (in W)
-
Shaft Torque (in N.m)
-
Shaft Rotational Speed (in RPM)
-
AC to Mechanical Efficiency (in %)
曲面图（Surface Plot）结果显示，可以通过曲面图查看扭矩、转速和效率通道的结果，分析电机在不同转速和扭矩情况下的能量效率。Surface Plot属性中，选择Speed、Torque和Efficiency通道做为X、Y和Z列对应数据。
图7 Surface Plot显示选项设置
图8 分析结果曲面图显示
技术背景介绍
-
描述
Electric Power Glyph是nCode2021.1版本新增功能，通过测量的电流、电压、转速和扭矩信号计算电能和机械能功率。通常用于电驱动系统的效率分析。
图9 电驱动系统能量传递
-
输入
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输入
|
测量信号
|
描述
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|
交流电能
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AC current signals (A)
|
AC电流信号（A）
|
|
AC current signals (A)
|
AC电压信号（V）
|
|
|
直流电能
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DC current (A)
|
DC电流信号（A）
|
|
DC voltage (V)
|
DC电压信号（V）
|
|
|
机械能
|
Shaft rotational Speed
|
驱动轴转速（RPM或RPS）
|
|
Shaft Torque
|
驱动轴扭矩
|
-
输出
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输出信号
|
描述
|
关系
|
|
AC Active electric power (W)
|
AC有功功率（W）
|
视在功率＝根号下（有功功率的平方＋无功功率的平方）有功功率＝视在功率×功率因数
|
|
AC Reactive electric power (VAR)
|
AC无功功率（VAR）
|
|
|
AC Apparent electric power (VA)
|
AC视在功率（VA）
|
|
|
AC Power factor (-)
|
AC功率因数
|
|
|
DC Active electric power (W)
|
DC有功功率（W）
|
视在功率＝根号下（有功功率的平方＋无功功率的平方）有功功率＝视在功率×功率因数
|
|
DC Reactive electric power (VAR)
|
DC无功功率（VAR）
|
|
|
DC Apparent electric power (VA)
|
DC视在功率（VA）
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|
|
DC Power factor (-)
|
DC功率因数
|
|
|
Mechanical power (W)
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机械能功率(W)
|
-
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AC to Mechanical efficiency
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AC转机械能效率
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-
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|
AC to DC efficiency
|
AC转DC效率
|
-
|
|
DC to Mechanical efficiency
|
DC转机械能效率
|
-
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Shaft rotational Speed (RPM)
|
轴转速（RPM）
|
-
|
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Shaft Torque (Nm)
|
轴扭矩（Nm）
|
-
|
计算方程
机械功率P（单位：W）与扭矩M（单位：Nm）和转速S（单位：RPM）的基本公式：
直流电功率和平均交流电功率基本公式：
参考文献
[1] GlyphWorks Worked Examples, HBK-nCode , 2021.1
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