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電動(dòng)汽車電機(jī)及控制器性能測試系統(tǒng)

2022-01-16 09:23:11·  來源：驅(qū)動(dòng)視界  作者：李懷珍 王傳軍等  
　
1 概述電動(dòng)汽車作為一種交通工具，以其清潔無污染、能量效率高、低噪聲、能源多樣化等優(yōu)點(diǎn)受到了全球各國和各大公司重視，研究發(fā)展非常迅速。在國家重大科技項(xiàng)目
1 概述
電動(dòng)汽車作為一種交通工具，以其清潔無污染、能量效率高、低噪聲、能源多樣化等優(yōu)點(diǎn)受到了全球各國和各大公司重視，研究發(fā)展非常迅速。
在國家重大科技項(xiàng)目的支持下，我國的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，研制出了一些新能源汽車，如混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、氫燃料電池汽車等，同時(shí)在電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件領(lǐng)域也取得突破，動(dòng)力電池和動(dòng)力電機(jī)及控制器等關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。


與此同時(shí)，為了滿足電動(dòng)汽車測試驗(yàn)證的需要，分別成立了電動(dòng)汽車電池、電機(jī)和整車的測試中心，制訂了一系列電動(dòng)車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)行業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。
其中，電機(jī)及控制器是電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的零部件之一，然而由于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不確定性和實(shí)車試驗(yàn)的局限性，許多汽車電機(jī)制造企業(yè)、檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)、專業(yè)科研院所都非常迫切希望建立體現(xiàn)核心競爭力的電動(dòng)汽車電機(jī)及其控制器測試裝備。
本文從動(dòng)力電機(jī)的不同類型出發(fā)，介紹了動(dòng)力電機(jī)的應(yīng)用情況， 對(duì)目前實(shí)行的電機(jī)及控制器國家標(biāo)準(zhǔn)中的主要項(xiàng)目進(jìn)行深入探究， 在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)測試設(shè)備和測試方法進(jìn)行了分析和總結(jié)。

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2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用
電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，它與整車動(dòng)力性能的好壞密切相關(guān)，是電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器兩部分組成。
電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置，為滿足整車動(dòng)力性能的需求，要求其具有瞬時(shí)功率大、過載能力強(qiáng)、加速性能好、使用壽命長、調(diào)速范圍廣、減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回饋、效率高、可靠性高等特點(diǎn)。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器是將電池的電量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的另一種電能變換控制裝置。通過這種變換和控制使電動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)，以滿足電動(dòng)汽車實(shí)際行駛工況的需要，驅(qū)動(dòng)控制器要求結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、系統(tǒng)高可靠、成本低。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器的性能好壞直接決定車輛的品質(zhì)好壞，所以在試驗(yàn)室中正確地進(jìn)行試驗(yàn)是必要的。


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永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)，其驅(qū)動(dòng)特性如圖2所示。永磁同步電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較寬，一直延伸到電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的約50%處，對(duì)提高汽車的低速動(dòng)力性能有很大幫助。
永磁同步電機(jī)功率密度高、調(diào)速性能好、在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行效率高（90%～95%），更加適合作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電機(jī)。

電力測功機(jī)既可以進(jìn)行電動(dòng)性能測試，也可以進(jìn)行饋電性能的測試。
開關(guān)磁阻電機(jī)是由電機(jī)本體和開關(guān)電路控制器組成的機(jī)電一體化新型電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是可控相數(shù)多，容易實(shí)現(xiàn)四象限控制、效率高等，其轉(zhuǎn)子上無繞組，適用于頻繁正反轉(zhuǎn)及沖擊的負(fù)載，而且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、電流較小，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、系統(tǒng)非線性、價(jià)格昂貴等，目前應(yīng)用不廣泛。
以電機(jī)為核心的電動(dòng)汽車，其專用電機(jī)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
  1. 相對(duì)普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言，額定轉(zhuǎn)速及峰值轉(zhuǎn)速均較高；
  2. 實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的負(fù)載工作狀態(tài)較復(fù)雜；
  3. 一般供電電源為直流蓄電池；
  4. 電動(dòng)汽車一般運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下，但是在剎車制動(dòng)的狀態(tài)下會(huì)運(yùn)行在發(fā)電回饋的狀態(tài)，具有再生能量回饋制動(dòng)的特性。
3 電機(jī)和控制器性能測試方案
為了保證電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件之一的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器的性能，國家發(fā)布實(shí)施了驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器專項(xiàng)檢測標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T18488.1《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器第1部分：技術(shù)條件》及GB/T18488.2《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器第2部分：試驗(yàn)方法》。

其中分別規(guī)定了動(dòng)力電機(jī)及控制器的工作制、工作條件、技術(shù)要求、需要檢驗(yàn)的項(xiàng)目以及相關(guān)的試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)從機(jī)械、電安全性能、環(huán)境試驗(yàn)、電機(jī)性能以及電磁兼容等方面對(duì)產(chǎn)品提出了要求。
電機(jī)性能測試是電機(jī)及控制器試驗(yàn)中最重要的，電機(jī)的性能主要考核電機(jī)在額定負(fù)載和峰值負(fù)載下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性及效率、電機(jī)的再生能量回饋能力、最高工作轉(zhuǎn)速和超速能力、工況運(yùn)行的溫升及噪聲的大小。
3.1 試驗(yàn)設(shè)備
目前常用的測功機(jī)主要有直流電力測功機(jī)、交流電力測功機(jī)、電渦流測功機(jī)和水力測功機(jī)。
  • 直流電力測功機(jī)：由直流電機(jī)、測力計(jì)和測速發(fā)電機(jī)組合而成。直流電機(jī)的定子由獨(dú)立的軸承座支承。它可以在某一角度范圍內(nèi)自由擺動(dòng)。機(jī)殼上帶有測力臂，它與測力計(jì)配合，可以檢測定子所受到的轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩可以由定子上量測。與直流電機(jī)類似，直流測功機(jī)調(diào)速性能好，控制簡單，但由于換向器的原因，不適合高速運(yùn)行，而且大功率的測功機(jī)相對(duì)于其他類型，體積較大。不適用于動(dòng)力電機(jī)測試。
  • 交流電力測功機(jī)：由1臺(tái)三相交流電動(dòng)機(jī)和測力計(jì)、測速發(fā)電機(jī)組成。它的測功原理與直流測功機(jī)相同，但不存在換向問題，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。目前交流測功機(jī)在動(dòng)、靜態(tài)性能上已經(jīng)得到了很大提高。
3.2 測試方法
通過安裝夾具及聯(lián)軸器將被測電機(jī)與測功機(jī)連接，適當(dāng)調(diào)整使軸與軸的對(duì)中度符合試驗(yàn)要求，對(duì)個(gè)別超高速電機(jī)，為防止試驗(yàn)過程中因?yàn)檩S振動(dòng)或?qū)χ胁粔蚓_引起軸承發(fā)熱失效或者損壞電機(jī)的情況，可以考慮在適當(dāng)位置安裝振動(dòng)傳感器及溫度傳感器，對(duì)試驗(yàn)過程中局部情況實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦有異常立即停止。
針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗(yàn)時(shí)測試額定及峰值負(fù)載下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率特性，以及額定負(fù)載下的饋饋電特性。溫升試驗(yàn)也是在臺(tái)架上進(jìn)行，分別測量電機(jī)繞組的溫升和控制器的溫升。

電機(jī)和控制器都配備有散熱系統(tǒng)，或水冷或風(fēng)冷。電機(jī)及控制器從冷機(jī)狀態(tài)下啟動(dòng)開始工作，溫度會(huì)隨之慢慢增加，在固定負(fù)載的情況下，溫度最終會(huì)趨于穩(wěn)定，這段時(shí)間內(nèi)溫度的變化量就是溫升值。
標(biāo)準(zhǔn)中有3種方法：電阻法、埋置檢溫計(jì)（ETD）法和溫度計(jì)法。試驗(yàn)電機(jī)不宜拆開。因此選用電阻法比較適合，通過比較試驗(yàn)前后環(huán)境溫度、冷卻水溫度以及繞組直流電阻的變化來計(jì)算電機(jī)不同工況下的溫升值。
控制器的溫升通過溫度計(jì)即可測量。溫升值根據(jù)不同產(chǎn)品的工作制要求進(jìn)行測試。應(yīng)用在不同類型系統(tǒng)上的電機(jī)應(yīng)選用不同的工作制，比如純電動(dòng)汽車，串聯(lián)式、并聯(lián)式以及混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，PLUG-IN混合動(dòng)力汽車等不同類型的應(yīng)用。
在該項(xiàng)目中，標(biāo)準(zhǔn)里除了對(duì)溫升值的要求外，對(duì)試驗(yàn)過程中電機(jī)的最高溫度也有要求，根據(jù)電機(jī)不同的絕緣等級(jí)，要求也不一樣。
3.3 測試具體的試驗(yàn)設(shè)備
電動(dòng)汽車傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)主要由電源模塊、電機(jī)和變速器模塊、整車慣量模擬模塊、電渦流加載模塊、各類傳感器和控制臺(tái)等六部分組成，可以完成電動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力電池、整車性能等相關(guān)內(nèi)容的試驗(yàn)研究。
3.4 電動(dòng)汽車電機(jī)及控制器專用測試裝備分析
電動(dòng)汽車電機(jī)-控制器專用測試裝備通用性較好，可以滿足多種型號(hào)、規(guī)格的電機(jī)和控制器試驗(yàn)。它主要由陪試電機(jī)、大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、高性能嵌入式控制系統(tǒng)、智能工況模擬系統(tǒng)、能源系統(tǒng)（電池系統(tǒng)）、系統(tǒng)工作參數(shù)檢測和采集系統(tǒng)等構(gòu)成，能全方位展示電動(dòng)汽車在不同工況下的工作狀況。
智能模擬車輛負(fù)載系統(tǒng)與電機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，模擬電動(dòng)車系統(tǒng)的不同工況（起動(dòng)、怠速、勻速、加速、減速、停車及爬坡等），并實(shí)時(shí)、自適應(yīng)、智能調(diào)節(jié)負(fù)載大小。測試裝備整合了計(jì)算機(jī)仿真快速、靈活的動(dòng)態(tài)模擬優(yōu)勢(shì)和道路試驗(yàn)準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點(diǎn)來進(jìn)行電動(dòng)汽車電機(jī)及控制器的研究。

上圖所示為根據(jù)電動(dòng)汽車電機(jī)及控制器的試驗(yàn)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車電機(jī)及控制專用測試裝備框圖。
3.5 電渦流測功機(jī)
電渦流測功機(jī)是利用渦流產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來測量機(jī)械轉(zhuǎn)矩的裝置，測量示意圖如圖4所示。
電渦流測功機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便、制動(dòng)力矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，缺點(diǎn)是只能產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不能反拖作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。一般用來測量轉(zhuǎn)速上升而轉(zhuǎn)矩下降，或轉(zhuǎn)矩變化而轉(zhuǎn)速基本不變的動(dòng)力機(jī)械。因此只能用于測試動(dòng)力電機(jī)的性能曲線，不能用于饋電特性的測試。

3.6 對(duì)拖測試法
對(duì)拖測試一般需要2臺(tái)完全一樣或相近的電機(jī)及其控制器，2個(gè)電機(jī)通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器將2個(gè)電機(jī)輸出軸機(jī)械連接，當(dāng)被測電機(jī)為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，另一臺(tái)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出的電能通過控制器轉(zhuǎn)化為直流輸入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入端，循環(huán)使用。
圖5所示為帶AFE四象限整流的電機(jī)及控制器對(duì)拖測試方案，交流電網(wǎng)電源經(jīng)AFE整流成直流母線電源輸入至控制器的輸入端，同時(shí)AFE整流單元也可將測試制動(dòng)過程中多余的能量回饋至電網(wǎng)。
這種測試方法具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，但是通用性不是太好，一般來說，需要對(duì)電機(jī)和控制器的試驗(yàn)方法和操作都非常熟悉的試驗(yàn)人員才能完成相應(yīng)的測試試驗(yàn)。目前這種方法在電機(jī)和控制器生產(chǎn)企業(yè)用得比較普遍。

各模塊功能和作用分別如下：
（1）電源模塊：根據(jù)不同的試驗(yàn)電機(jī)或控制器提供可控的交直流電源；
（2）電機(jī)及控制器性能測試模塊：測試動(dòng)力電機(jī)或控制器的性能，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制；
（3）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量模塊：用來測量動(dòng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等機(jī)械特性參數(shù)；
（4）電參數(shù)測量模塊：用來測量動(dòng)力電機(jī)的電壓、電流等電力性能指標(biāo)；
（5）行駛阻力模擬模塊：模擬電動(dòng)汽車道路行駛過程中的各種行駛阻力；
（6）能量管理模塊：實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的能量管理，并采取一定的控制策略使測試系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的能量控制。

這種測試方案設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高，但是比較適合檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)、專業(yè)科研院校采用。
系統(tǒng)工作原理如下：單相整流電源產(chǎn)生幅值可調(diào)的直流電，逆變器將直流電逆變成三相交流電給電機(jī)供電，用轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器測量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；減速器用來降低被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，他勵(lì)直流電機(jī)工作在4個(gè)象限自動(dòng)切換的轉(zhuǎn)速閉環(huán)模式下，由于控制器是雙向可逆的，可以將電機(jī)發(fā)回的電回饋至電網(wǎng)，產(chǎn)生一個(gè)阻力矩與被測電機(jī)發(fā)出的電磁轉(zhuǎn)矩相平衡，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

4 結(jié)語
隨著能源危機(jī)的加深，環(huán)境污染的不斷加劇，使用清潔環(huán)保能源取代石化能源已經(jīng)成為全球急需和正在解決的熱點(diǎn)問題，電動(dòng)汽車因其具有綠色環(huán)保、能量來源多元化、能源利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，世界各國都在積極努力地研究發(fā)展能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的電動(dòng)汽車。
電動(dòng)汽車是汽車可持續(xù)發(fā)展的方向，混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車正在迅速發(fā)展，在可預(yù)見的未來將獲得大發(fā)展，結(jié)合試驗(yàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和測試方法的分析有助于詳細(xì)地評(píng)價(jià)電機(jī)和控制器的各方面性能，有利于電動(dòng)汽車行業(yè)整體質(zhì)量水平的提升。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)和控制器也在不斷發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)和測試技術(shù)也應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展水平，為電動(dòng)汽車零部件提供更好的測試服務(wù)。

5 參考文獻(xiàn)
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