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電驅(qū)動系統(tǒng)試驗規(guī)范和評價標準

2021-09-27 10:21:20·  來源：驅(qū)動視界  
　
一、電驅(qū)動系統(tǒng)試驗準備電驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車包括EV/HEV/PHEV/FCEV的關(guān)鍵核心部件，目前市場上純電動車用驅(qū)動電機目前廣泛使用的有直流電機、感應電機、開關(guān)磁阻
一、電驅(qū)動系統(tǒng)試驗準備
電驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車包括EV/HEV/PHEV/FCEV的關(guān)鍵核心部件，目前市場上純電動車用驅(qū)動電機目前廣泛使用的有直流電機、感應電機、開關(guān)磁阻電機和永磁電機這幾種。
主要性能指標統(tǒng)計對比如下表所示。
表1 各種類型電機性能比較


電機類型的選擇主要與目標車型的應用有關(guān)。早期開發(fā)的純電動汽車主要使用直流電機。車用電機發(fā)展至今，主要使用永磁同步電機和交流感應電機。其中，日韓汽車公司傾向于使用永磁同步電機，而在歐美開發(fā)的新能源汽車（包括混合動力汽車）則使用交流感應電機，這與其資源儲量和技術(shù)發(fā)展策略有關(guān)。
中國的稀土資源占世界儲量的80％以上。因此，作為電動汽車驅(qū)動電機的永磁同步電動機的開發(fā)具有更多的資源優(yōu)勢，從國家安全角度講，研究永磁同步電機還可減少國際石油資源緊缺對中國交通運輸造成沖擊。
目前國內(nèi)新能源汽車驅(qū)動電機選型多為永磁同步電機，表3.2所示為國家“863”計劃電機測試基地電機類型統(tǒng)計信息。其中，永磁電機所占比例逐年增大，而其他電機類型相對有所減少。
表2 國家“863”計劃電機測試基地電機統(tǒng)計類型


根據(jù)目前車用電機的發(fā)展趨勢，本文選擇主流的車用永磁同步電機作為目標試驗對象闡述。動力電池方面主要以汽車本體所用的電池包作為電動汽車動力總成試驗臺中的電源，用以接近電機真實工作情況的真實電流源。電驅(qū)動系統(tǒng)試驗過程中主要以直流穩(wěn)壓電源作為動力源，主要目的是減少因電源狀態(tài)發(fā)生變化對試驗結(jié)果產(chǎn)生不可控的影響；
目前市面上有二合一產(chǎn)品，也有三合一產(chǎn)品甚至有概念“五合一”產(chǎn)品，在開展電機系統(tǒng)試驗時，一般需要將控制器和電機單體分離，控制器和電機單體之間用盡可能短的耐高壓沖擊大電流的專用線束連接，目的是布置交流互感器及測量單向電流和相間電壓，用于計算控制器輸出的功率數(shù)據(jù)。
1、試驗準備


（1）機械工裝夾具的準備
在電驅(qū)動系統(tǒng)的測試時一般為了適配高速高扭瞬時高功率的特性，需要設(shè)計校核強度足夠的工裝夾具。需要根據(jù)被測試對象的接口圖紙，結(jié)合測試設(shè)備的工裝接口設(shè)計對應的支撐以及連接設(shè)備，如結(jié)構(gòu)設(shè)計圖中所示的圖7以及樣機輸入花鍵配套的花鍵適配軸。
（2）電氣系統(tǒng)適配
試驗過程前期準備需要根據(jù)本次試驗需求進行選擇對應量程及精度等級及適用范圍的傳感器測量單元，參考GB/T 18488.2-2015國標推薦的試驗儀器準確度要求如表3所示。但在測試過程中部分國家推薦標準無法滿足標定及測試的需求，在測試過程中考慮傳感器以及采集系統(tǒng)的量程誤差，組合采集精度滿足誤差要求，將電氣測量儀器精度提高到0.1級，電流傳感器0.1級，轉(zhuǎn)速測量儀器誤差小于±1r/min，轉(zhuǎn)矩法蘭扭矩測量精度0.1級，微歐計需備0.1精度等級。
表3 試驗儀器準確度


試驗過程中，試驗電源主要由電池模擬器提供，結(jié)合目前市面上的主流控制器的電壓等級，覆蓋750V以下的電壓范圍，其穩(wěn)壓輸出下的電壓誤差不超過±1V，國標要求的精度等級為工作電壓的±1%，無法達到目標控制器的穩(wěn)壓范圍。同時功率覆蓋市面上80%的控制器工作功率，額定輸出功率250kw，同時為了滿足一些大功率雙電機組合的測試應用電源需求，還有需要350kw以上動力電源供需求；
試驗準備中的布線，一般分為高壓布線和低壓線束。低壓線束多為客戶配套整車或?qū)嶒炇覍Ｓ玫木€束，高壓一般提供整車高壓直流供電螺栓大小進行適配，或者出廠帶整車的隨機線束。目前根據(jù)測試應用的實際案例來看，某些場景下，尤其大功率輸出功率時，高壓輸出考慮響應滯后的情況，還需要配備一定功率的專用電容，用以彌補大功率輸出時，電壓瞬時降低的情況。
在低壓線束的連接時，還要充分考慮被測電驅(qū)動系統(tǒng)的接地以及信號屏蔽需求。MCU一般適配整車帶CAN通訊，就要在走線上避免高低壓并行的走線方式，同時應考慮設(shè)計要求，在CAN通訊另一端配備相應的終端電阻。同時電機及控制器金屬殼體需考慮充分接地；

（3）冷卻系統(tǒng)配備
冷卻系統(tǒng)的配備一般是根據(jù)測試對象的冷卻系統(tǒng)設(shè)計來相應適配。通常控制器為水冷，需配備專用的冷卻設(shè)備，某些設(shè)計為水冷方式的電機一般和控制器共用一路水循環(huán)道，當所測試的電機為風冷時，需配備相應的風冷設(shè)備。若為油冷設(shè)備那么還需配備相應的油冷設(shè)備。

（4）軟件系統(tǒng)準備
基于傳統(tǒng)的PLC與ABB ACS880 直接轉(zhuǎn)矩控制方案。ACS880是ABB公司全新推出的一款基于直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control—DTC)的全能型低壓交流傳動變頻控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，可以獲得更快動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。該種組合方案以工業(yè)用PLC為控制核心，要求控制器需要強大的實時計算能力、其工作可靠、穩(wěn)定，這種組合方式常常用在電機控制系統(tǒng)中。


圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其中工業(yè)計算機與被試件主要用基于CAN2.0b開發(fā)的CAN通訊來模擬整車控制器(VCU)來和MCU（Motorcontrol unit）之間通訊。軟件系統(tǒng)的準備，主要是為了適配被試件MCU的控制需求，主要需要委托方提供相應的CAN通信矩陣編碼，嵌入測試系統(tǒng)中，便于開展相應的輸入輸出特性測試以及其他相應測試的需求。
整個試驗過程需在下列實驗室環(huán)境條件下進行：
a) 溫度：18℃~28℃；
b) 相對濕度：45%~75%；
c) 氣壓：86kPa~106kPa；

二、電驅(qū)動系統(tǒng)試驗方法
電驅(qū)動系統(tǒng)全面的試驗內(nèi)容主要由靜態(tài)測試項目、動態(tài)測試項目兩部分，其中靜態(tài)測試項目主要包含一般性試驗和安全性試驗兩大項，動態(tài)測試項目主要包含溫升試驗、輸入輸出特性、環(huán)境適應性、可靠性試驗四大類測試項目。
1、靜態(tài)測試項目
（1）一般性試驗項目
一般試驗項目主要包含外觀目測、外形和安裝尺寸、質(zhì)量、驅(qū)動電機殼體機械強度、液冷系統(tǒng)冷卻回路密封性能、驅(qū)動電機定子繞組冷態(tài)直流電阻、絕緣電阻、耐電壓、超速試驗；
（2）安全性試驗
安全性試驗項目主要包含安全接地檢查、控制器保護功能、驅(qū)動電機控制器支撐電容放電時間測試。
2、動態(tài)測試項目
本文主要闡述動態(tài)試驗方法，下面就四大類測試方法分項闡述。
（1）溫升試驗
行業(yè)內(nèi)測試電機溫升曲線有測量電機繞組直流電阻法與額定工況工作連續(xù)記錄反饋溫度方法測量電機的溫升曲線。由于在實際應用中考慮到電機繞組預埋溫度傳感器多為NTC傳感器測量阻值記錄不變以及考慮測量方法的安全以及測試過程的一致性，普遍采用額定工況連續(xù)工作記錄電機溫升直至電機溫度在5分鐘內(nèi)溫度變化在±1度以內(nèi)則記錄電機穩(wěn)定的溫度以及溫度上升過程的連續(xù)數(shù)據(jù)并繪制溫升曲線。將被試電驅(qū)動電機與測試臺架良好連接，控制器冷卻系統(tǒng)工作正常，電池模擬器均正常工作，初始電機反饋溫度為室溫時開始控制被試電機輸出轉(zhuǎn)速扭矩均在額定工況點持續(xù)工作，此時開始記錄溫度及各項數(shù)據(jù)。

（2）輸入輸出特性
工作電壓范圍
臺架試驗時，將驅(qū)動電機系統(tǒng)的直流母線電壓分別設(shè)定在最高工作電壓處和最低工作電壓處，在不同工作電壓下，測試在不同工作轉(zhuǎn)速下的最大工作轉(zhuǎn)矩，記錄穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩數(shù)值。在驅(qū)動電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的測量點數(shù)不少于10個，繪制轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線，檢査轉(zhuǎn)矩輸出是否能符合產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定。
轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性及效率
試驗時，在驅(qū)動電機系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一般取不少于 10 個轉(zhuǎn)速點，最低轉(zhuǎn)速點宜不大于最髙工作轉(zhuǎn)速的 10%，相鄰轉(zhuǎn)速點之間的間隔不大于最高工作轉(zhuǎn)速的 10%,測試點選擇時應包含必要的特征點，如：
——額定工作轉(zhuǎn)速點； ——最高工作轉(zhuǎn)速點； ——持續(xù)功率對應的最低工作轉(zhuǎn)速點；——其他特殊定義的工作點等。
在驅(qū)動電機系統(tǒng)電動或饋電狀態(tài)下，在每個轉(zhuǎn)速點上一般取不少于 10 個轉(zhuǎn)矩點，對于高速工作狀態(tài) ，在每個轉(zhuǎn)速點上選取的轉(zhuǎn)矩點數(shù)可以適當減少，但不宜低于 5 個。測試點選擇時應包含必要的特征點 ，如：a) 持續(xù)轉(zhuǎn)矩數(shù)值處的點；b) 峰值轉(zhuǎn)矩(或最大轉(zhuǎn)矩)數(shù)值處的點；c) 持續(xù)功率曲線上的點；d) 峰值功率(或最大功率）曲線上的點：
在試驗過程中根據(jù)試驗目的，在相關(guān)的測試點處可以全部或者部分選擇測量以下數(shù)據(jù)：a) 驅(qū)動電機控制器直流母線電壓和電流；b 驅(qū)動電機的電壓、電流、頻率及電功率；c) 驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及機械功率；d) 驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制器或驅(qū)動電機系統(tǒng)的效率；e) 驅(qū)動電機電樞繞組的電阻和溫度；f)冷卻介質(zhì)的流量和溫度；
試驗時，可以根據(jù)試驗目的設(shè)置試驗條件，驅(qū)動電機系統(tǒng)可以在實際冷狀態(tài)或者熱狀態(tài)條件下試驗，驅(qū)動電機控制器的直流母線電壓可以設(shè)置在最高工作電壓、最低工作電壓、額定工作電壓或其他工作電壓處，試驗的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以是一個工作點，也可以是一條特性曲線或者全部工作區(qū)。

控制精度試驗
試驗時，驅(qū)動電機控制器直流母線電壓宜設(shè)定為額定電壓，驅(qū)動電機系統(tǒng)宜處于空載、熱態(tài)、電動工作狀態(tài)。對具有轉(zhuǎn)矩控制功能的驅(qū)動電機系統(tǒng)，在設(shè)定轉(zhuǎn)速條件下的 10%~90%峰值轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，均勻取 10 個不同的扭矩點作為目標值。按照某一轉(zhuǎn)矩目標值設(shè)定驅(qū)動電機控制器或上位機軟件，驅(qū)動電機由靜止狀態(tài)工作至轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定狀態(tài)，記錄驅(qū)動電機系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)矩值，并計算實時轉(zhuǎn)矩值與目標轉(zhuǎn)矩的差值，或者實際轉(zhuǎn)矩與目標轉(zhuǎn)矩的偏差占目標轉(zhuǎn)矩值的百分數(shù)，此值即為特定轉(zhuǎn)速條件下，這一轉(zhuǎn)矩目標值對應的轉(zhuǎn)矩控制精度。
響應時間
試驗時，驅(qū)動電機控制器直流母線電壓宜設(shè)定為額定電壓，驅(qū)動電機系統(tǒng)宜處于空載、熱態(tài)、電動工作狀態(tài)。對具有轉(zhuǎn)矩控制功能的驅(qū)動電機系統(tǒng)，在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，按照轉(zhuǎn)矩期望值設(shè)定驅(qū)動電機控制器或上位機軟件，對電機進行轉(zhuǎn)矩控制，使驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩從零快速增大，此過程中不應對驅(qū)動電機控制器或上位機軟件做任何調(diào)整 ，記錄驅(qū)動電機控制器從接受到轉(zhuǎn)矩期望指令信息開始至第一次達到規(guī)定容差范圍的期望值所經(jīng)過的時間。試驗時，應改變驅(qū)動電機定子和轉(zhuǎn)子的相對起始位置，沿圓周方向等分取 5 個點，在同一轉(zhuǎn)矩期望值條件下分別重復以上試驗，取5次測量結(jié)果中記錄時間的最大值作為該驅(qū)動電機系統(tǒng)對該轉(zhuǎn)矩期望值的轉(zhuǎn)矩響應時間。

（3）環(huán)境適應性試驗
低溫試驗
進行低溫貯存試驗時，將驅(qū)動電機和驅(qū)動電機控制器正確連接，按照 GB/T 2423.1—2008 的規(guī)定，放人低溫箱內(nèi)，使箱內(nèi)溫度降至-40℃，并保持2 h。試驗過程中 ，驅(qū)動電機系統(tǒng)處于非通電狀態(tài)，對于液冷式驅(qū)動電機及驅(qū)動電機控制器，不通人冷卻液。低溫貯存2h后，在低溫箱內(nèi)復測絕緣電阻，復測絕緣電阻期間，低溫箱內(nèi)的溫度應保持在-40℃。
低溫貯存2h后,低溫箱內(nèi)的溫度繼續(xù)保持在-40℃在低溫箱內(nèi)為驅(qū)動電機系統(tǒng)通電，檢查能否正?？蛰d啟動。對于液冷式驅(qū)動電機及驅(qū)動電機控制器，若要求在啟動過程中通入冷卻液 ，冷卻液的成分、溫度及流量按照產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定。
試驗結(jié)束，按照 GB/T 2423.1—2008 的規(guī)定恢復常態(tài)后，將驅(qū)動電機控制器直流母線工作電壓設(shè)定為額定電壓，驅(qū)動電機工作于持續(xù)轉(zhuǎn)矩、持續(xù)功率條件下，檢査系統(tǒng)能否正常工作。
高溫試驗
進行髙溫貯存試驗時，將驅(qū)動電機和驅(qū)動電機控制器放入髙溫箱內(nèi)，按照 GB/T 2423.2—2008的規(guī)定，使箱內(nèi)溫度升至85℃，并保持2h,試驗過程中，驅(qū)動電機系統(tǒng)處于非通電狀態(tài)，對于液冷式驅(qū)動電機及驅(qū)動電機控制器，不通人冷卻液。高溫貯存2h后，檢査驅(qū)動電機軸承內(nèi)的油脂是否有外溢，同時在高溫箱內(nèi)復測絕緣電阻，復測絕緣電阻期間，高溫箱內(nèi)的溫度應保持在85℃高溫貯存2h按照 GB/T2423.2—2008的規(guī)定恢復常態(tài)后，將驅(qū)動電機控制器直流母線工作電壓設(shè)定為額定電壓，驅(qū)動電機工作于持續(xù)轉(zhuǎn)矩、持續(xù)功率條件下，檢査系統(tǒng)能否正常工作。
進行高溫工作試驗時，將驅(qū)動電機和驅(qū)動電機控制器正確連接，按照 GB/T 2423.2—2008 的規(guī)定，放人髙溫箱內(nèi)，按照 GB/T 18488.1—2015 中5.6.2.2 的要求設(shè)置髙溫箱內(nèi)的試驗環(huán)境溫度，驅(qū)動電機控制器直流母線工作電壓設(shè)定為額定電壓，驅(qū)動電機工作于持續(xù)轉(zhuǎn)矩、持續(xù)功率條件下，檢查驅(qū)動電機系統(tǒng)能否正常工作2h對于液冷式驅(qū)動電機及驅(qū)動電機控制器，應在試驗過程中通入冷卻液，冷卻液的成分、溫度及流量按照產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定。高溫工作 2 h 后，按照 5.7 的方法在高溫箱內(nèi)復測絕緣電阻，復測絕緣電阻期間高溫箱內(nèi)的溫度應繼續(xù)保持不變。

三、電驅(qū)動系統(tǒng)試驗結(jié)果評價
以某電驅(qū)動系統(tǒng)試驗結(jié)果展示，根據(jù)需求方提供的評判標準對測試結(jié)果進行判定。
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