ZES ZIMMER Power Analyzer Applikationer

Fejlfri effektmålinger for E-mobilitet

Præcis og pålidelig effektmålingsteknologi er grundstenen i de teknologiske fremskridt indenfor e-mobilitet

Introduktion
På det seneste har næsten alle industrialiserede lande vedtaget og fremskudt investeringer i e-mobilitet. Brugen af elektriske køretøjer (EV) har, af mange, været anset som en måde at nedbringe afhængigheden af olie betragteligt, betjene køretøjer mere effektivt og reducere kulstofemissioner. Man forudsiger at antallet af EV fra år 2040 vil have nået 500 mio. Den forventede vækst af EV-markedet udgør mange udfordringer for R&D- og testingeniører, som bliver tilkaldt for at løse disse. De høje krav der i dag stilles til performance og effektivitet for de elektriske køretøjer (EV), drivlinjen (powertrain) og DC- & AC-ladere i særdeleshed, stiller ekstremt høje krav til måleudstyret. Som et gammelt ordsprog siger: “Hvis du ikke kan måle det, kan du ikke kontrollere det”. Det er her hvor ZES ZIMMER virkelig har deres styrke og leverer præcise effektmålinger, som opfylder hver applikation og behov.

Powertrain effektivitet
Målingerne af et systems totale effektivitet er nødvendige for at kunne optimere. Derfor skal forholdet af det mekaniske output power til det elektriske input power måles, for at kunne få et klart billede af effektiviteten. Power analyzeren fra ZES ZIMMER er udstyret med op til 7 kanaler, som muliggør ikke blot den totale effekt, men også individuel effekt som inverter, motor og DC-DC-konverteren. I figur 1 ses et forbindelsesdiagram hvor batteriet føder en bi-direktionel boost DC-DC konverter. DC-DC-konverteren er så forbundet til inverteren, som driver elmotoren. Alle 6 målekanaler i LMG600 og et Process Signal Interface (PSI), som forbindes til udgangen af moment- og speed-sensorer, kan udnyttes simultant for perfekt synkroniserede data.

_{Figur 1: Evaluering af effektiviteten af en motordrivlinje}

Målinger med høj nøjagtighed er en kritisk forudsætning for at evaluere effektiviteten af ​​enhver drivlinje (powertrain). Hvis målingerne af inverterens indgangs- og udgangseffekt indeholder en fejlkomponent, vil det påvirke effektivitets- og tabsværdierne voldsomt. For eksempel vil en fejl på 0,1% i inverterens inputeffekt med 99% effektivitet resultere i en fejl på 10% for tabet.

Udgangssignalet af inverteren indeholder både den momentrelevante fundamentale frekvens af motoren og inverterens switch-frekvens, de harmoniske og andre bi-produkter. For at muliggøre nøjagtige målinger på inverterens udgang, er det absolut nødvendigt at gøre brug af en analysator med høj båndbredde og en evne til parallelt at måle i to båndbredder simultant.
LMG600 serien kan opnå dette med deres DualPath teknologi. Behandlingen af det analoge signal forbliver uændret, men processeringen er revolutioneret: Hver eneste spændings- og strøm-kanal på LMG600 indeholder 2 analog/digital konvertere (ADC). Én til bredbåndede signaler uden filter og én med filter til narrow båndbredde med passende anti-aliasing filtre. Du kan endda vælge filtertypen til denne. Sampling værdierne fra begge AD-konvertere bliver parallelt processeret digital og simultant. Med denne nye DualPath tilgang kan brugeren tilgå både Narrow Band og Wide Band værdier simultant og helt uden risiko for aliasing.

_{Figur 2: DualPath} 

Batteritest, lade og afladning
Hybrid og elektriske køretøjer (EV) har et højspændingsbatteri-pakke som består af individuelle moduler og celler organiseret i seriel og parallel. At fastslå de basale elektriske karakteristika af et batteri under lade og afladning, er essentielt. LMG600 tillader implementeringen af en tilpasset, alsidig og kraftfuld batteritester, som leverer alt det nødvendige for detaljeret og præcise energibalancemålinger fra lade til afladning. Med det indbyggede Custom GUI (Graphic User Interface), som gør LMG600 utroligt nemt at bruge og overskue avancerede data på én gang. Man kan f.eks. have en intelligent Script Editor kørende samtidig med at vigtige målinger af batterikarakteristik, såsom spænding, strøm, energi-kapacitet (Wh) og coulometric kapacitet (Ah) og endda også den interne modstand og joule energispredning bliver opsamlet og vist på én side i skærmen.

AC & DC-lade test
Den forventede vækst i EV-markedet er nødt til at blive opfulgt/ledsaget af en tilsvarende udvikling af en passende lade-infrastruktur.  Forsyningsnettets AC-power skal altid konverteres til DC for at lade en EV. Det sker på 2 måder. AC konverteret før EV, starter EV automatisk DC-ladning af batteriet. Omvendt ved AC-ladning sker konverteringen til DC internt i EV. Samlet set tillader DC-ladning en meget hurtigere opladning sammenlignet med AC – og det er den foretrukne metode for EV, specielt ved langdistance rejser.
LMG600-seriens evne til at udføre op til 7 strømindgangsmålinger samtidigt, gør det muligt at teste og evaluere effektmålinger og effektivitet af alle forskellige konverter-topologier, som er placeret i enhver EV-oplader. En praktisk implementering er illustreret i figur 3. Det er trods alt i vores interesse, at lette design og test af EV-opladere, ved at give adgang til vigtige målinger effektivt – og vigtigst uden kompromiser.

_{Figur 3: Logisk tilslutning af DC-opladningssystemet}

Endelig tilbyder LMG600 en bekvem måde at tilpasse skærm-setup iht. applikationens krav, for at hjælpe med at fokusere på bestemte resultater. Måleresultaterne kan gøres mere meningsfulde ved at tilføje en beskrivende titel og illustrere de numeriske resultater med en skematisk afbildning af opsætningen og andre grafiske elementer. For applikationer til EV-opladning kan alle resulterende effektiviteter mellem de forskellige ind- og udgange, vises på en nem og ligetil måde (fig. 4).

_{Figur 4: Fuldt tilpasset menu}

Kraftfulde Interfaces
I forbindelse med testopstilling skal power analyzeren ofte dele sine målinger med andre eksisterende computer- og softwaremiljøer. Smarte grænseflader skal sikre uafbrudt dataudveksling, fjernbetjening og endda automatisering af testproceduren.
E-mobilitetsapplikationer kræver høj samplingshastighed, hvilket igen skaber en stor mængde data. Kraftfuldt Gigabit Ethernet LAN-interface, kan bruges til at undgå flaskehalse til udveksling af data. Det er vigtigt at bemærke her, at moderne analysatorer skal tilbyde fjernbetjeningsfunktioner i en automatisk testopsætning.
I bl.a. bilindustrien er CAN Bus-systemer standard, der leverer kommunikation mellem forskellige elektroniske styreenheder (ECU) til styring af et stort antal funktioner.

_{Figur 5: CAN-bus tovejs datatransmission}

Hvad angår effektmåling, hvordan kan disse måleenheder integreres i køretøjernes CAN-netværk? LMG600-serien er udstyret med et CAN-businterface, som muliggør datakommunikation iht. ISO 11898-2 High-speed CAN-Bus. CAN-busgrænsefladen understøtter tovejs datatransmission og triggerkonfiguration på 256 slots i alt. Det er ofte nødvendigt at foretage yderligere målinger ud over elektriske parametre for at kunne give en meningsfuld samlet erklæring om ydeevnen og effektiviteten af ​​den enhed, der testes. Derfor er det vigtigt at være i stand til perfekt at synkronisere disse målte værdier med RMS-værdierne for at etablere pålidelig timing mellem elektriske og mekaniske events. En typisk anvendelse er analysen af ​​elektriske drivsystemer, hvor drejningsmoment og hastighed skal måles og afstemmes med de elektriske parametre. Desuden kan det også være nødvendigt for power analyzeren at afgive resultater som analoge signaler til yderligere behandling eller at trigge switch-operationer afhængigt af målte variabler eller afledte værdier.

LMG600-serien blev konstrueret med de ovennævnte krav i tankerne og tilbyder en lang række forskellige input / output-funktioner til analoge og digitale signaler via optionen PSI, Process Signal Interface.

_{Figur 6: Process Signal Interface (PSI)}

Oversat til dansk af Jan Hansen.
Originalartikel: ”Flawless Power Measurements for E-Mobility”, skrevet og publiceret af ZES ZIMMER Electronic Systems GmbH d. 23.11.2020
Artiklen kan tilsendes på engelsk.

Kontakt os på tlf. 75522020 eller info@blichfeld.dk for mere info.