如何对电动汽车电源控制器实现精确测试

如何对电动汽车电源控制器实现精确测试电动汽车正处于高速发展期。特斯拉、宝马等厂家都已开始生产实用型的高性能电动汽车。上海交通大学汽车工程研究院副院长殷承良教授在“2015汽车电子技术创新论坛（AETF）”上提到：“未来汽车的创新将集中于功能和应用的创新，这就带来汽车电子的高速发展。而互联网企业，也开始集中进入汽车行业，并以电动汽车为切入点，这样就绕开了技术难度最高的发动机与变速箱两大件。互联网企业有着雄厚的资金，这必将带来汽车行业的颠覆。”汽车电驱化发展带来测试方面新的挑战。电动汽车的测试有其特殊性：一是交流、直流、变频驱动、温度、转速、转矩等众多电参量、非电参量需要同步测量；二是除了实验室的分立部件离线测试，也需要整车系统在线测量。这对测试系统提出了非常高的要求。有些公司采用客制化或自行开发的系统，专为某个测试场景而设计，但是这些系统通常缺乏灵活性，难以扩展功能和维护，并且测试系统的整体精度溯源非常困难。这些缺点会导致测试阻碍，拖延产品开发过程并且在测试标的发生改变之后，如电机驱动从直流变为交流，从同步变为异步之后，测试系统无法兼容，导致先前投资受损！电动汽车的电源控制器相当于传统汽车动力控制器，电源控制器由充电模块和电力电子调速模块构成，共同协作实现对电池包的温度控制、充放电控制和对电机的驱动，是电动汽车的核心组件。由于电源控制器的输入输出电量通道数较多，信号波形多样化，而且未来有向变频异步电机发展的趋势，所以测试系统不仅需要良好的可扩展性，而且需要专业的变频电量的计量仪器来确保测试的准确度！特斯拉电源控制器系统构成传统功率分析仪针对的测试对象是正弦波。但是对于电动汽车的电源控制器，其要测试的参量，却不是那么简单，至少涉及三个方面：1、电池包交流充电时输入的工频电量2、电池包放电输出的直流电量3、电机驱动器输出的变频电量电机驱动器输出电量可能是经过整流的直流电，但随着特斯拉为代表的高性能电动车的发展，采用变频技术驱动的交流电动机所占比重越来越大，被测对象的变化导致了对测试仪器的需求同步变化。要明确的是，变频电量可不仅仅是频率发生了变化那么简单！如频率为50Hz、有效值为100V的PWM波，采用不同仪表，测量结果可在100~1000V甚至更宽的范围内变化！频率测量5%的误差，对于正弦电量的影响一般在0.01%之内，而对变频电量的影响可能达到100%！传统功率分析仪如日本横河、美国福禄克、泰克、德国ZES等，在面对电动汽车测试时，电压、电流经过信号变送后，转化为适合采集的电参量输入到二次仪器进行AD转换和频率测量。市面上绝大多数示波器及功率分析仪都是这样的构架，但该构架在应用到变频功率分析仪上至少存在以下两个问题：一是信号变送、信号传输和信号采集阶段的误差是累积的，系统精度受传感器、传输线缆和采集设备三个阶段的影响，且每个阶段又与被测信号带宽、基波频率、功率因数和外部的电磁干扰、温度等有关，这导致系统精度难以评定。二是变频测量往往在电磁环境恶劣的工业现场。为尽量减少线缆引入的干扰，一次端传感器与二次仪表的距离需要尽量靠近，导致部署要求高，难度大。就算这样，在实验室校准的仪器实际测量时精度也容易出现偏差。传统功率分析仪组成及精度分析所以，若采用传统功率分析仪对电动汽车电源控制器高精度测试需满足以下三个要素：1、选择系统精度可溯源的测试系统；2、选择合适的传感器与量程；3、最大限度减少测试过程中的电磁干扰。但是如果采用以银河电气WP4000为代表的变频功率分析仪，这些要素就全部由一台仪器满足了。WP4000全系列具有从0.1mA~7000A、1mV~15KV、100kHz带宽的直测能力和全局可溯源精度！这样宽的量程和带宽指标使其能够适应现在和未来的电动汽车测试场景。基于前端数字化的仪器架构，可以最大限度体现测量前端的通用性，更改后端计算机系统中的软件，就可以更改仪器的属性。例如：在带宽和测量范围满足的前提下，银河电气的DT数字变送器加上必要的软件，可以构建出任意电量的、非电量（需要增加对应的传感器）的测试仪器系统。更改软件并对硬件略作配置，WP4000功率分析仪可变为电动汽车电机测试仪、电池测试仪、整车在线监控系统等。下面就WP4000变频功率分析仪的电动汽车驱动系统效率测量的方案进行分析。由于支持转矩、扭矩、温度等非电参量的同步测量，使得电机测试在WP4000上能够一站解决。该方案被广泛应用在各型电机实验台中。电动汽车电池组为整个系统提供直流电源，直流进入电机控制器逆变成三相交流电给汽车电机供电，汽车电机带动轴承旋转实现电动汽车的移动，电机控制器接收电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加速行为时，控制器控制变频器频率的升降，从而达到加速或者减速的目的。SP1变频功率传感器测量电池组的电压、电流、功率等电量参数，SP2测量电机控制器逆变输出的电量参数，扭矩传感器测量汽车电机的轴功率，SP1和SP2组成的测试系统用来测量电机控制器的效率，SP2与轴功率测试系统用来测量汽车电机的效率。WP4000构建的电动汽车驱动测试系统电机驱动系统只是电源控制器的一部分功能，接下来我们来看以WP4000变频功率分析仪为基础构建的电动汽车电源控制器测试系统。特斯拉电源控制器系统测试方案单台WP4000支持6回路电参量的测量，其前端功率单元---SP系列功率传感器或DT数字变送器将电压/电流测量通道集成于一体。所以，我们用一或两台功率单元即可实现对两相或三相交流输入电量的准确测试，另外两台实现对电池系统的输入输出电量监测，最后两台实现对电机的监测。此外，转速、温度等非电参量还可以通过485接口同步输入。这样，依托一台WP4000，整个电动车电源控制器的输入输出参量尽在掌握之中。银河电气的SP系列传感器及DT系列数字变送器都具有很宽的准确限值测量范围，如选用SP系列690V的最基础模块，SP691201X，该模块支持从5V到1035V电压，1A至400A电流，从直流到400Hz基频的电量测试，功率因数从0.01到1的范围内其测量准确度指标保持在标称指标。因此，无论是直流电机、同步电机还是异步电机，都能够适应！提高测试精度，关键在于选择合适的测试设备和方案！实现对电动汽车电源控制器的精确测试，适应未来测试潮流，保护现有投资，选择能组准确测量变频电量的功率分析仪是关键。