POWER MEASUREMENT for EV Inverter and Motor Development
การวัดกำลังงานในการพัฒนามอเตอร์และอินเวอร์เตอร์ สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า
โดย ผศ.ดร.ชนะ เยี่ยงกมลสิงห์ กรรมการวิชาการ สมาคมยานยนต์ไฟฟ้าไทย
By Dr.Chana Yiangkamolsing Academic Committee, Electric Vehicle Association
ความท้าทายหลักสองประการที่ต้องเผชิญกับการใช้พลังงานไฟฟ้าของยานยนต์ไฟฟ้าคือการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อนมอเตอร์และลดขนาดของระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ เพื่อพัฒนาระบบขับเคลื่อนเหล่านี้ จำเป็นต้องวัดกำลังไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ในระบบอย่างแม่นยำ เพื่อคำนวณประสิทธิภาพและการสูญเสียที่เชื่อถือได้ ในเร็วๆ นี้มีการนำสารกึ่งตัวนำไวด์แบนด์แกป (WBG) มาใช้อย่างแพร่หลาย WBG ผลิตจากวัสดุเช่น SIC และ GaN ทำให้สามารถเพิ่มความถี่สวิตชิ่งของอินเวอร์เตอร์และพัฒนาการออกแบบอินเวอร์เตอร์ที่มีการสูญเสียต่ำ การประเมินเทคโนโลยีใหม่เหล่านี้ต้องการการวัดพลังงานที่แม่นยำยิ่งขึ้นในช่วงกว้างกว่าในอดีต
Two key challenges facing electrification are increasing the efficiency of motor drive systems and decreasing their size. To resolve these issues, it is necessary to accurately measure the input and output power of the inverters in these systems as well as the power of their motors, and to use those measurements to calculate efficiency and loss. Recent widespread adoption of wide-bandgap (WBG) semiconductors manufactured from materials such as SiC and GaN is driving efforts to increase inverter switching frequencies and to develop lower-loss designs. Evaluating these new technologies requires more precise power measurement over a broader band than in the past.
1.POWERTRAIN ARCHITECTURE IN XEV
สถาปัตยกรรมระบบส่งกำลังใน XEV
รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างระบบส่งกำลังในรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEV) ส่วนประกอบหลักในระบบส่งกำลัง BEV คือแบตเตอรี อินเวอร์เตอร์ และมอเดอร์ มอเตอร์ ใน BEV ขับเคลื่อนโดยใช้พลังงานที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่ของรถยนต์ แบตเตอรี่จะส่งพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC)ไปยังอินเวอร์เตอร์โดยขับมอเตอร์ได้โดยตรงไม่ได้ จึงมีการใช้อินเวอร์เตอร์เพื่อแปลงเอาต์พุตของแบตเตอรี่เป็นสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) 3 เฟส ซึ่งจะนำไปใช้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์
Fig. 1 provides an example of a power train in a battery electric vehicle (BEV). As shown, the principal components in a BEV powertrain are the battery, inverter, and motor. Motors in BEVs are driven using energy stored in the vehicle’s battery. The battery outputs a direct-current (DC) signal that cannot be used directly to drive the motor. Consequently, an inverter is used to convert the battery’s output into a 3-phase alternating-current (AC) signal, which is then used to drive the motor
2.ISSUES IN THE DEVELOPMENT OF MOTORS AND INVERTERS
ประเด็นในการพัฒนามอเตอร์และอินเวอเตอร์
การใช้แบตเตอรี่ความจุสูงทำให้ต้นทุนยานพาหนะสูงขึ้น และน้ำหนักที่เกี่ยวข้องจะเพิ่มขึ้นจะลดประสิทธิภาพการใช้พลังงานลง เป็นผลให้ผู้ผลิตอยู่ภายใต้แรงกดดันเพื่อเพิ่มระยะทางที่เพิ่มขึ้นโดยการติดตั้งแบตเตอรี่ที่น้ำหนักเบา ให้กับยานพาหนะของตน วิศวกรยังจำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน โดยการออกแบบระบบส่งกำลังที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น น้ำหนักเบา และกะทัดรัด การสูญเสียในระบบส่งกำลังสามารถลดลงได้โดยการเพิ่มประสิทธิภาพ การออกแบบที่มีน้ำหนักเบามากขึ้นเท่าที่เป็นไปได้ทำให้ยานพาหนะมีน้ำหนักโดยรวมน้อยลง และมีการสูญเสียในการขับขี่น้อยลง นอกจากนี้ การใช้ระบบส่งกำลังที่มีขนาดเล็กลง จะเพิ่มระดับของอิสระในการวางส่วนประกอบต่างๆ ในยานพาหนะง่ายขึ้น ในขณะที่ทำให้การออกแบบตัวถังเป็นไปได้โดยมีค่าสัมประสิทธิแรงเสียดทาน Cd ต่ำลง
Using high capacity battery drives up vehicle costs, and the associated increase in weight degrades energy efficiency. As a result, manufacturers are under pressure to realize increased range by equipping their vehicles with smaller batteries. Engineers need to improve energy efficiency by designing more efficient, lightweight, and compact powertrains. Loss in powertrains can be reduced by boosting efficiency. More lightweight designs make possible vehicles that weigh less overall and that have lower driving loss. Furthermore, use of more compact powertrains increases the degree of freedom with which components can be placed in vehicles while making possible body designs with lower Cd values.
3.MEASUREMENT OF INVERTER AND MOTOR POWER, EFFICIENCY AND LOSSES. การวัดกำลังของอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ ประสิทธิภาพ และการสูญเสีย
รูปที่ 2 แสดงบล็อกไดอะแกรมที่แสดงการวัดประสิทธิภาพในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ทั่วไป ตัวอย่างเช่น สมการ (1) และ (2) ให้สมการสำหรับประสิทธิภาพ 7 และการสูญเสีย P แสดงในรูปที่ 2
Pin หมายถึงกำลังไฟฟ้าอินพุตของอินเวอร์เตอร์ และ Pout คือกำลังไฟฟ้าเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์
เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์จะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ดังนั้น เมื่อคำนวณประสิทธิภาพและความสูญเสียตามการวัดตำแหน่งหลายแห่งที่ทำด้วยเครื่องมือวัดที่แยกจากกัน ด้วยความแตกต่างของเวลาการวัดและวิธีการคำนวณ ทำให้ไม่สามารถได้ค่าที่ถูกต้อง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ จำเป็นต้องทำการวัดทั้งหมดพร้อมกัน ไม่ว่าจะโดยใช้เครื่องมือวัดชุดเดียวแต่มีหลายช่องวัดหรือเครื่องมือหลายตัวที่สามารถควบคุมในลักษณะซิงโครไนซ์ เครื่องวิเคราะห์กำลังกำหนดช่วงเวลาในการคำนวณดังกล่าวโดยการตรวจหาเหตุการณ์ Zero-cross (จุดตัดค่าศูนย์) ในรูปคลื่นอินพุต โดยทั่วไปแล้ว ช่องใดๆ สามารถตั้งค่าเป็นสัญญาณที่ตรวจพบเหตุการณ์ Zero-cross ซึ่งเรียกว่าแหล่งที่มาของการซิงโครไนซ์
Inverter and motor output fluctuate over time. Consequently, when calculating efficiency and loss based on measurements of multiple locations made with separate instruments, differences in measurement timing and calculation methods make it impossible to obtain accurate values. To avoid this issue, it is necessary to make all measurements simultaneously, either by using one multichannel instrument or multiple instruments that can be controlled in a synchronized manner. Power analyzers determine the intervals across which such calculations are performed by detecting zero-cross events in the input waveform. Generally speaking, any channel can be set as the signal for which zero-cross events are detected, which is known as the synchronization source.
การเลือกแหล่งการซิงโครไนซ์ที่เหมาะสมที่สุดทำให้สามารถวัดพลังงานได้อย่างเสถียร ทำให้สามารถวัดประสิทธิภาพและการสูญเสียได้ด้วยความแม่นยำสูง การตรวจจับแบบ Zero-cross ที่เสถียรเป็นปัจจัยสำคัญในการได้ค่าที่วัดได้ที่มีความเสถียรมากขึ้น เมื่อรูปคลื่นที่วัดมีการแปลี่ยนแปลง เช่นเดียวกับกรณีที่มีเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ การตรวจหาเหตุการณ์ Zero-cross ที่เสถียรอาจทำได้ยากเป็นพิเศษ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เครื่องวิเคราะห์กำลังรุ่นล่าสุดส่วนใหญ่ตระหนักถึงการตรวจจับแบบ Zero-cross ที่เสถียรโดยใช้วงจรดิจิทัลเพื่อทำงานที่สำคัญนี้ให้สำเร็จ ตัวกรองดิจิทัลและเทคนิคการประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อนอื่นๆ ช่วยให้สามารถตรวจจับเหตุการณ์ที่เป็นศูนย์ในรูปคลื่นที่บิดเบี้ยวได้อย่างแม่นยำ รูปที่ 3 แสดงไดอาแกรมของการตรวจจับ Zero-cross ของเครื่องมือวิเคราะห์กำลังของ Hioki
Selecting an optimal synchronization source makes possible stable power measurement, allowing efficiency and loss to be measured with a high degree of precision. Stable zero-cross detection is an important factor in obtaining more stable measured values. When the waveforms being measured are distorted, as is the case with inverter output, it can be particularly difficult to detect stable zero-cross events. To address this issue, most of the latest power analyzers realize stable zerocross detection by using digital circuitry to accomplish this important task. Digital filters and other sophisticated signal processing techniques facilitate accurate detection of zero-cross events in distorted waveforms. Figure 3 shows the block diagram of Zero-cross detection of Hioki Power analyzer.
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การติดตั้งมอเตอร์ 2 ตัวได้รับความสนใจในฐานะระบบขับเคลื่อนสำหรับ XEV ระบบดังกล่าวรวมมอเตอร์ด้านหน้าและมอเตอร์ด้านหลังไว้ในแชสซีของรถยนต์คันเดียวเพื่อให้เกิดการขับเคลื่อนทุกล้อ นอกจากการเร่งความเร็วที่ทรงพลังแล้ว ระบบมอเตอร์ 2 ตัวยังให้ความคล่องตัวสูงและการสูญเสียพลังงานต่ำโดยให้แรงบิดแบ่งระหว่างล้อหน้าและล้อหลังอย่างอิสระ ในกรณีของยานยนต์สองคันดังที่แสดงในรูปที่ 4 จำเป็นต้องใช้ช่องวัดกำลังแปดช่องเพื่อวัดประสิทธิภาพและการสูญเสียของ XEV ทั้งหมด
In recent years, two-motor setups have been attracting attention as drive systems for xEVs. Such systems integrate a front motor and a rear motor into a single vehicle chassis to realize all-wheel drive. In addition to delivering powerful acceleration, dual motor systems provide high maneuverability and low energy loss by allowing torque to be freely apportioned between the front and rear wheels. In the case of a dual motor vehicle like the one shown in Fig. 4, eight channels of power measurement are needed in order to measure the entire xEV’s efficiency and loss.
4.MULTI-INPUT POWER ANALYZER
เครื่องมือวิเคราะห์กำลังแบบอินพุตหลายช่อง
เครื่องมือวิเคราะห์กำลังแบบอินพุตหลายช่องของ HIOKI power analyzer PW 6001 ที่นำมาต่อใช้งานในการวัดความละเอียดสูงร่วมกับเซ็นเซอร์วัดแรงบิดสำหรับมอเตอร์หนึ่งตัวและพัลซ์เอนโคดเดอร์ แสดงดังรูปที่ 5 และเครื่องมือวิเคราะห์กำลังแบบหลายช่องที่นำมาต่อใช้งานในการวัดความละเอียดสูงร่วมกับเซ็นเซอร์วัดแรงบิดสำหรับมอเตอร์สองตัวตัวและพัลซ์เอนโคดเดอร์ของ HIOKI power analyzer PW 6001 แสดงดังรูปที่ 6 ทำให้การวัดมีการซิงโครไนซ์ ด้วยเทคนิคการตรวจจับ Zero Cross ทำให้ค่าที่วัดได้มีค่าการวัดที่แม่นยำสูงขึ้น
The multi-input power analyzer HIOKI power analyzer PW 6001 is connected for high-resolution measurements in conjunction with a single motor torque sensor and pulse encoder . shown in Figure 5. and a multi-channel power analyzer integrated for high-resolution measurements with two motor torque sensors and a pulse encoder of the HIOKI power analyzer PW 6001 is shown in Figure 6. make measurements synchronized with zero-cross detection technique, the measured value has a higher accuracy measurement.
5.CONCLUSION
สรุป
ในการวิเคราะห์กำลังงานของอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์สำหรับการวิเคราะห์ยานยนต์ไฟฟ้าสมัยใหม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือวัดกำลังงานที่มีช่องสัญญาณที่มากขึ้น โดยเฉพาะการวิเคราะห์การทำงานของยานยนต์ไฟฟ้าแบบสองมอเตอร์ แต่อย่างไรก็ตาม เพื่อให้การวัดกำลังงานมีความแม่นยำที่สูงขึ้นไปอีก ยังจำเป็นต้องพิจารณาในรายละเอียดของเครื่องวิเคราะห์กำลังงาน เช่น แบนวิดที่สามารถวัดฮาโมนิกได้ถึงระดับที่ 5 หรือ 7 ของความถี่สวิตชิ่ง และยังจำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์วัดกระแสที่มีความแม่นยำสูง เป็นเซ็นเซอร์ที่มีออฟเซ็ตต่ำและมีเสถียรภาพของอุณหภูมิที่ดี เซ็นเซอร์และเครื่องมือวัดควรมีความสามารถในการชดเชยความถูกต้องในการใช้งานย่านวัดความถี่สูง ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างการวัดจะต้องมากกว่าความถี่อนาล็อกของอินเวอร์เตอร์ก็จะทำให้มีการวัดได้อย่างแม่นยำ สำหรับท่านผู้สนใจรายละเอียดของเครื่องมือวิเคราะห์พลังงาน Power Analyzer PW 6001 ( 6 channel) หรือ PW 8001 (8 channel) รุ่นล่าสุด ติดต่อได้ที่ บริษัท อินโนวาแพค จำกัด ตัวแทนจำหน่ายอย่างเป็นทางการของ HIOKI (ประเทศไทย) จำกัด http://www.innovapack.co.th
To analyze the power of inverters and motors for the analysis of modern electric vehicles, it is necessary to use power measuring instruments with larger channels. In particular, an analysis of the operation of two-motor electric vehicles. However, to make the power measurement even more accurate. It is also necessary to consider the details of the power analyzer, such as the bandwidth that can measure harmonics down to the 5th or 7th degree of the switching frequency. And a high-precision current sensor is also required. It is a sensor with low offset and good temperature stability. Sensors and measuring instruments should be able to compensate for accuracy in high frequency applications. The measurement sampling frequency must be greater than the analog frequency of the inverter to make accurate measurements. For those who are interested in the details of the Power Analyzer PW 6001 (6 channel) or latest model PW 8001 (8 channel), please contact Innova-Pack Co.LTD Official dealer of HIOKI (Thailand) Co., Ltd.
