屏蔽电缆对电动汽车和混合动力汽车测试的影响
Application note by the Dewesoft Power Group
分析电动汽车的实际行驶工况是电动汽车测试的发展方向。来自 Dewesoft 的创新测量解决方案允许在实际驾驶测试测量期间以及整个车辆电气系统的后处理中进行所有分析。
在进行实际驱动试验时会面临一些挑战，例如屏蔽电缆对测量结果的影响。这些影响进行了测量和分析，结果将在本文中提出。
标准化的驾驶循环系统，例如:
▶ NEDC - 新欧洲驾驶单车,
▶ WLTP - 测试程序,
▶ WMTC - 世界摩托车测试循环,
▶ 等等
并不是最适合测量电动汽车真正的能源消耗。这些测试纯粹是面向台架的测试，而且这种测试没有考虑影响电动汽车能源消耗的方方面面。
由于试验台模拟的行驶工况不能提供实际行驶试验所得到的整体数据，因此在实际行驶工况下对电动汽车进行测量变得越来越迫切。
然而，实驾测试需要一个移动的和强大的测量系统，安装不同的电压、电流传感器对于一个测试工程师来说也不是一个简单的任务。测量电池电压不是一个小任务，传感器即使在安装后也需要小心保护，因为有1千伏电压的存在。
高压电缆的电缆屏蔽对电流测量也提出了挑战，电机和电池电缆的屏蔽对测量结果有很大的影响。
因此，Dewesoft 决定测量和评估这些屏蔽电缆对测量结果的影响。注：电缆屏蔽用来防止电磁干扰。
实际驱动和测试台测试
所有的单独的电动大众高尔夫车辆实际驾驶测试是用来验证 CAN 总线数据，以衡量功率和能源消耗。
【案例：电动汽车实驾试验】
这些测量的目的是评估高压电机和电池电缆屏蔽对测量结果的影响。实际驾驶测试是在城市、高速公路、陆路以及这三条路线的组合4条独立路线上进行的。此外，还在试验台上进行了试验。
进行电动汽车功率和能耗分析的最简单的方法是直接从汽车 CAN 总线信号读取数据，因为这在汽车上很容易获得。但是有几个原因说明为什么这些数据不应该用于电动汽车的能源分析。
首先，不允许使用车辆本身的内置传感器。此外，由内部传感器测量的数据通常以非常低的采样率(约10赫兹)进行测量，并且不同步。
我们的测量结果表明，直接从 CAN 总线信号采集的数据并不能准确反映实际电流和电压值。参照图1和图2，分别测量了电池电流和电压。采用 Dewesoft 功率分析仪以1Ms/s 的采样率测量图上的绿线，黑线是直接从车载 CAN 总线上获得的数据。
图1: 电池电流测量: Dewesoft 功率分析仪，1 MS/s 采样率(绿色) ，车辆 CAN 总线数据记录在大约10 s/s (黑色)。
图2: 电池电压测量: Dewesoft 功率分析仪与1 MS/s 采样率(绿色)和车辆 CAN 总线数据记录在约10 s/s (黑色)。
图2中的电压测量显示，CAN 总线信号跟随实际 Dewesoft 信号，但是在两个信号之间有相当明显的可见偏查。较高的采样率产生平滑的曲率，并允许分析小偏差的信号。
显然分析这些信号并应用在实际驱动测试中评价能量平衡时，存在偏差。数据的偏差可高达15% 。这些显然突出了一个问题，如果不使用高精度的测量设备，混合动力和电动汽车的能量流分析是否可以被视为决定性的和真实的？答案是否定的，因为数据对于这样的分析来说太不准确了。
为了达到最高等级的精度，必须使用专业设备进行测量。这确保了混合动力和电池电动汽车的能量流分析具有最高的质量和数据提供了一个有意义的结果。如果情况不是这样，那么即使在较短的实际驾驶测试中，获得的数据也可能存在偏差，从而篡改测量结果。
电力分析仪/数据采集系统
对于这些测试，推荐来自 Dewesoft 的 R2DB 电能分析仪。该功率分析仪可以有多达16模拟输入通道的电压和电流，以及其他类型的输入通道，如热电偶，振动，CAN 总线等。
此外，全球定位系统和视频数据也增加到其中，因为这提供了宝贵的信息分析的实际驾驶测试。
图3: 安装在被测车辆上的电流钳(左)和测量系统 R2DB 功率分析仪(右)。
测量是在1 MS/s 的采样率下进行的，同时也包括了被测信号的高频成分。
电压直接测量在额定保护级 CAT III 600v 和 CAT II 1000v 的隔离式测量高压放大器上。
基于霍尔效应和零磁通技术，用电流传感器测量电流。选择这些传感器是因为它们具有高带宽、高精度和低相位误差。
对于不同的测量——试验台和实际驱动——使用了相同的传感器。下表显示了测量设置和使用的传感器。
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描述 |
环境 |
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采样率 |
1 MS/s |
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分辨率 |
6 Bit |
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电流传感器 |
真实驾驶测试: DS-CLAMP-500DCS 电流钳 精确度 0.3%, 带宽 200kHz(测量链)
试验台测试: |
Dewesoft 测量系统将多种测量仪器的功能结合到一个设备中，其中包括:
▶ 一个电功率分析仪，
▶ 一个望远镜,
▶ 一个 FFT 分析器，
▶ 电能质量分析仪
使 Dewesoft 测量解决方案有这些类型的测量强大的工具。
图4: DewesoftX 测量软件的屏幕截图。
由于车辆 CAN 总线传输的数据不能为车辆能量的深入分析提供足够的数据结果，必须对外部电流和电压进行测量，以确保分析的数据具有最高的质量。
为了确定在测量过程中屏蔽所产生的差异，测量了电池、电动机和辅助负载电流的电缆屏蔽和没有电缆屏蔽。
由于逆变器的开关频率发生在高频，有可能在电缆屏蔽上有泄漏电流，这可能会对电力电子产生不利影响。泄漏电流也会对车辆的能量储存产生负面影响，因为泄漏电流会耗尽电池电量。我们决定进一步研究屏蔽电缆与非屏蔽电缆对测量结果的影响。
图5说明了测量配置，以确定的影响，屏蔽电机电缆有测量结果从逆变器到电动机。
电流传感器1安装在非屏蔽电缆上，电流传感器2安装在屏蔽电缆上。
通过对采集数据的分析，如图6所示，屏蔽电机电缆上(红色信号线)的电流测量信号与非屏蔽电缆上(绿色信号线)的电流测量信号相比是平滑的。在两个被测电流之间也有明显的相移。
此外，电流信号测量屏蔽电机电缆是抑制在更高的频率，请参阅图7，其中两个 fft 光谱的比较。信号的阻尼与屏蔽开始在频率超过1千赫。除了阻尼，在屏蔽电机电缆上还有一个值得注意的直流分量。
相移也是频率依赖的，如图8所示，显示了屏蔽和非屏蔽电缆信号之间的频率和相移。
图8: 屏蔽和非屏蔽电缆之间的相移(绿色)和频率(红色)。
在 FFT 谱和频率相关相移中所看到的阻尼是指电缆屏蔽时的低通滤波。
屏蔽电池电缆的影响
不仅电机电缆受屏蔽的影响，而且这种现象也可以在测量电池输电时观察到同样的影响。图9说明了用于评估屏蔽对电池电缆的影响的测量配置。
图10显示了屏蔽电池电缆的影响的一个典型例子，其中辅助电流(PTC)是在电动汽车启动过程中测量的。在启动阶段，测量到的屏蔽电流比未屏蔽的电缆高5倍。
屏蔽对电池电缆测量的影响如图11所示。
绿色信号表示用非屏蔽电缆进行的测量，红色和蓝色信号分别表示正极端电流测量和带屏蔽的负极端电流测量。在340安培电流时，在两个方向都测得了1.5% 的误差。这会导致电池两电极之间的总误差为3% 。在实际驱动测试中计算能量时，这个错误会导致额外的偏差。
如前所述，屏蔽电缆在更高的频率阻尼更大，当电缆屏蔽时电流更大。这些电容泄漏具有低通特性，会显著影响测量结果，从而影响总体分析的有效性。
图12显示了正负端子信号的 fft 频谱，包括电动机的基频，包括基频的谐波倍数和逆变器的开关频率。
总结
进行这些测试是为了阐明在测量电动汽车和混合动力汽车的能源消耗时所面临的一些主要挑战。
结果还表明，直接从车载 CAN 总线读出数据不足以准确测定能耗。为了得到更好的结果，应该使用功率分析仪，因为它产生更好的测量结果，以便进行更准确的分析。
这种解决方案带来了它自己的挑战，因为电流必须用电流传感器测量，为此必须拆除屏蔽。屏蔽层对测量结果的影响非常显著。负载环路的偏差可高达50% ，电机和电池电缆的偏差可高达5% 。