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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
序号
Glyph
描述
1
TSInput
测试数据时域信号输入
2
ElectricPower
电驱动功率计算
3
XYDisplay
XY二维显示器
3
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
输入
测量信号
描述
交流电能
AC current signals (A)
AC电流信号（A）
AC current signals (A)
AC电压信号（V）
直流电能
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
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）
DC Power factor (-)
DC功率因数
Mechanical power (W)
机械能功率(W)
-
AC to Mechanical efficiency
AC转机械能效率
-
AC to DC efficiency
AC转DC效率
-
DC to Mechanical efficiency
DC转机械能效率
-
Shaft rotational Speed (RPM)
轴转速（RPM）
-
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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