一、電驅(qū)動系統(tǒng)臺架試驗的意義

相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，電動汽車具有零排放、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，已成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的主流，其產(chǎn)業(yè)化進程飛速發(fā)展；同時，電動汽車相關(guān)的法律法規(guī)及整車性能對零部件技術(shù)要求日益提高，對汽車動力總成的性能測試要求也越來越嚴(yán)格。電動汽車車用驅(qū)動電機系統(tǒng)作為電動汽車動力總成的關(guān)鍵零部件之一，其性能參數(shù)、控制精度和可靠性直接影響整車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性，臺架試驗不僅能夠?qū)崟r精確測量電機系統(tǒng)的性能，而且能夠?qū)ζ淇刂茀?shù)進行在線標(biāo)定測量；基于電機測試臺架或動力總成測試臺架，能夠?qū)崿F(xiàn)整車道路循環(huán)測試工況的模擬，從而縮短其開發(fā)測試周期、降低開發(fā)測試風(fēng)險與成本；因此，實現(xiàn)電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的臺架試驗研究的必要性日益凸顯。

1.1電機系統(tǒng)測試臺架的組成

電機系統(tǒng)試驗臺架的功能模塊主要包括電力測功機系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電池模擬器、功率分析儀、自動控制系統(tǒng)，及被測電機系統(tǒng)、環(huán)境倉等。

1)  電力測功機系統(tǒng)包括測功機（永磁同步電機或異步電機等）、變頻器、扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器、聯(lián)軸器等部分。聯(lián)軸器實現(xiàn)測功機和被測電機系統(tǒng)的機械連接，扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器負(fù)責(zé)測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和扭矩。電力測功機系統(tǒng)主要的功能為：在試件驅(qū)動模式下，模擬實際負(fù)載并消耗被測電機消耗的機械功率；在試件發(fā)電模式下，提供機械功率輸入。

2)  冷卻系統(tǒng)的功能是為被測試件（電機和電機控制器）提供設(shè)定的冷卻條件，此外還為測功機和電池模擬器提供冷卻。

3)  電池模擬器，用于模擬車用電池的充放電行為，主要功能是保證電機控制器DC側(cè)電壓穩(wěn)定，并實現(xiàn)和電網(wǎng)之間的電能傳輸。

4)  功率分析儀的主要作用為采集測試過程中電機控制器的DC側(cè)、AC側(cè)的電壓、電流信號，以及機械側(cè)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩信號，為用戶計算效率、損耗等性能指標(biāo)提供依據(jù)

5)  自動控制系統(tǒng)的主要功能是用戶和臺架系統(tǒng)信息交互的窗口，主要包括三大功能：a. 用戶通過自動控制系統(tǒng)輸入試驗工況，包括測功機的轉(zhuǎn)速，試件扭矩，溫度控制臺架等；b. 測試數(shù)據(jù)的可視化及數(shù)據(jù)存儲；c. 測試系統(tǒng)運行監(jiān)控，自動控制系統(tǒng)實時監(jiān)控測功機及被測試件的運行狀態(tài)，一旦發(fā)生異常，自動控制系統(tǒng)發(fā)出急停信號，測試系統(tǒng)則會相應(yīng)發(fā)來的急停信號，按一定的規(guī)則控制系統(tǒng)停機，保護測試系統(tǒng)不被損壞。

6)  環(huán)境倉為可選模塊，用來模擬電動汽車可能遇到的不同范圍內(nèi)的溫度條件。

要實現(xiàn)對電機系統(tǒng)性能參數(shù)的全面有效分析，必須保證不同設(shè)備所測數(shù)據(jù)的實時性和同步性；因此，采用高速通訊總線（CAN或以太網(wǎng)）將電池模擬器、功率分析儀所測數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成到臺架軟件控制系統(tǒng)，通過軟件控制系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)實現(xiàn)所有測量數(shù)據(jù)的實時同步測量與記錄，可以保證數(shù)據(jù)的時效一致性。

二、電機系統(tǒng)系統(tǒng)常見的性能試驗測試項目：

參考《GB/T 18488.1-2015-電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)第1部分:技術(shù)條件》及《GB/T 18488.2-2015-電動汽車用電機及其控制器第2部分-實驗方法》，在電機系統(tǒng)測試臺架上，常見的測試項目包括：溫升測試、開路測試、持續(xù)轉(zhuǎn)矩/功率測試、峰值轉(zhuǎn)矩/功率測試、堵轉(zhuǎn)測試、效率測試、轉(zhuǎn)矩控制精度測試、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間測試、驅(qū)動電機控制器持續(xù)/短時/最大工作電流測試、驅(qū)動電機控制器電容主/被動放電時間測試等。此外，在電機系統(tǒng)測試臺架上還可以進行路譜輸入測試，如NEDC/CLTC等典型路譜

下面將介紹這些測試項目解讀：

2.1溫升測試

隨著電動汽車技術(shù)的不斷演進，集成化設(shè)計將無可爭辯地成為未來發(fā)展的趨勢，電動汽車三合一電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)是指將電控、電機和減速器集成為一體的技術(shù)。三合一電驅(qū)動技術(shù)給電動汽車帶來諸多優(yōu)點的同時，在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱，散熱系統(tǒng)的設(shè)計對于散熱能力、電驅(qū)動產(chǎn)品性能及系統(tǒng)安全至關(guān)重要，因此系統(tǒng)溫升試驗是電動汽車用電機設(shè)計的關(guān)鍵試驗。

電機系統(tǒng)溫升試驗是指在特定的冷卻條件下、特定的環(huán)境溫度、特定的工況下，電機系統(tǒng)的溫升性能的一項測試，其溫升表現(xiàn)直接影響系統(tǒng)的扭矩輸出性能。

溫升試驗重點考察一下幾個方面的溫升：電機定子、轉(zhuǎn)子、軸承、IGBT、高壓銅排、高壓線束等。

GB/T 18488.1中對二合一系統(tǒng)的溫升測試也有簡要描述（在規(guī)定的工作制下，驅(qū)動電機的溫升應(yīng)符合GB755-2008中8.10規(guī)定的溫升限值）。

通常通過設(shè)定常溫冷卻條件如25℃，設(shè)置額定工況，讓系統(tǒng)持續(xù)運行一段時間或運行至熱穩(wěn)態(tài)，期間電機的溫度變化值即為系統(tǒng)溫升試驗結(jié)果。溫升應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或者產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書中的要求。如下圖，此圖為某款電機在額定工況下運行至熱穩(wěn)態(tài)的溫升曲線。

2.2 開路試驗

開路測試即反電勢測試。在最常見的永磁同步電機中，磁場來源于線圈和永磁體，永磁體產(chǎn)生的“電”即為電機中的反電勢。由理論分析可知，線圈中勵磁電流(is)為0時，此時產(chǎn)生的反電勢就是永磁體產(chǎn)生的反電勢，此時反電動勢只和電機的轉(zhuǎn)速和溫度有關(guān)。通常用此方法來測試電機的反電動勢：在不同的溫度條件下，通過測功機以不同的轉(zhuǎn)速拖動電機轉(zhuǎn)動，測試反電動勢的大小。

此時又分兩種情況：

a.  如果電機和電機控制器之間是分離的，則直接測量電機UVW三相之間的相電壓即為反電勢的值

b.  如果電機和電機控制器之間三相是連接的，則測量經(jīng)電機控制器整流出的直流側(cè)電壓值即為反電勢的值。此時要注意的是，隨著測功機不斷的拖動使電機轉(zhuǎn)速升高，能量反饋到母線上，可能會造成母線或者電池電壓過高，損壞IGBT。

如下圖為某款三合一電驅(qū)產(chǎn)品的開路反電勢測試結(jié)果：

2.3 持續(xù)轉(zhuǎn)矩、功率測試

電動車“百公里加速時間”和“最大爬坡度”等動力性指標(biāo)是在零件設(shè)計之初就必須要考慮的事情，與其直接相關(guān)的就是電驅(qū)動系統(tǒng)的峰值性能和持續(xù)性能，本節(jié)我們先討論在臺架上進行持續(xù)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)功率的測試。

在臺架上，通常設(shè)定電機處于熱態(tài)，模擬整車上可能出現(xiàn)的最高冷卻溫度，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，請求最大的扭矩輸出，持續(xù)運行30分鐘或1個小時，取第30或者60分鐘的扭矩值和功率值，作為電驅(qū)動系統(tǒng)的持續(xù)扭矩和持續(xù)功率，下圖為某款電驅(qū)動系統(tǒng)的持續(xù)特性曲線：

2.4 峰值轉(zhuǎn)矩、功率測試

和電動車動力性相關(guān)的另一個性能就是電驅(qū)動系統(tǒng)的峰值性能。在臺架上，通常在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，請求最大的扭矩輸出，持續(xù)運行30s或者60s，取第30或者60s的扭矩值和功率值，作為電驅(qū)動系統(tǒng)的峰值扭矩和峰值功率，作為評判此產(chǎn)品是否符合產(chǎn)品設(shè)計要求的依據(jù)。下圖為某款電驅(qū)動系統(tǒng)的持續(xù)特性曲線：

2.5 堵轉(zhuǎn)測試

堵轉(zhuǎn)描述的是電機轉(zhuǎn)速為0時，在一定時間內(nèi)，在母線仍然有足夠電壓保證扭矩輸出的一種情況。由此可見，與堵轉(zhuǎn)相關(guān)的兩個參數(shù)分別為扭矩和扭矩持續(xù)時間。堵轉(zhuǎn)工況是純電動汽車常見的工況之一，主要表現(xiàn)為車輛由靜止啟動，在一定的坡度路面上啟動，車輪被馬路牙子卡死等情況。以上情況都屬于驅(qū)動電機輸出軸被抱死無法正常轉(zhuǎn)動而處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。

通常在臺架上通過特定的制動鎖止裝置將測功機軸鎖止，通過請求試件輸出峰值扭矩或者峰值扭矩的60%～80%，持續(xù)運行5～30s，取第5/15/30s時刻的扭矩作為堵轉(zhuǎn)扭矩，具體看主機廠要求，同時保證試驗后試件能夠正常輸出功率。此外需要在電機轉(zhuǎn)軸周向均布選取五個堵轉(zhuǎn)位置，按照同樣的初始條件重復(fù)堵轉(zhuǎn)測試，以最小值作為最終測試結(jié)果。

下圖是某電驅(qū)動系統(tǒng)在堵轉(zhuǎn)工況下三相繞組電流的分布情況，可以看出，三相繞組的電流分布不均勻，且呈直流分布狀態(tài)，此現(xiàn)象在此不做過多解釋。

2.6 效率測試

電驅(qū)系統(tǒng)的效率描述的是系統(tǒng)輸出機械功率和輸入電功率的比值，效率越高意味著每度電的行駛里程更長，也就意味著用戶得到的更長的續(xù)駛里程。電驅(qū)產(chǎn)品的設(shè)計要求中通常會有效率的指標(biāo)，如最高效率和高效區(qū)（效率≥80%）占比。通常在做效率測試時，在全工作范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速，按500rpm為間隔取點；轉(zhuǎn)矩從0至最高轉(zhuǎn)速按10Nm為間隔取點；取出所有的工況點作為輸入，每個點穩(wěn)定運行一段時間，取穩(wěn)定時的功率數(shù)據(jù)進行效率計算，作為結(jié)果，并繪制效率map。如下圖是某款三合一產(chǎn)品的效率map曲線，最高效率為97.7%，并且可以統(tǒng)計出高效區(qū)占比。

2.7 轉(zhuǎn)矩控制精度測試

轉(zhuǎn)矩控制精度也是評價電驅(qū)產(chǎn)品的一個重要指標(biāo)，是整車關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)之一，直接影響了整車的駕駛性、能耗優(yōu)化、以及轉(zhuǎn)矩突變時的響應(yīng)時間。在《GB/T 18488.1-2015-電動汽車用電機及其控制器第1部分-技術(shù)條件》3.11中給出了轉(zhuǎn)矩控制精度的定義：轉(zhuǎn)矩實際值和期望值的偏差，或者轉(zhuǎn)矩實際值和期望值的偏差占期望轉(zhuǎn)矩的百分比。對于電動車電驅(qū)動系統(tǒng)，輸出轉(zhuǎn)矩范圍大，精度需要分情況定義，標(biāo)準(zhǔn)中給出了偏差與百分比兩種不同的定義方式，一般在低轉(zhuǎn)矩段，采用轉(zhuǎn)矩偏差定義，在高轉(zhuǎn)矩段，采用百分比定義，如輸出轉(zhuǎn)矩0～100Nm，轉(zhuǎn)矩控制精度±5Nm，大于100Nm，轉(zhuǎn)矩控制精度±5%。

在實際測試時，通常設(shè)置直流母線電壓為額定電壓，電機處于熱態(tài)、電動工作模式，在設(shè)定轉(zhuǎn)速下的10%~90%峰值轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)均勻的取10個不同的轉(zhuǎn)矩點作為請求值，達到穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)作為實際扭矩，計算扭矩偏差值或偏差百分比，此值即為此轉(zhuǎn)速下，對應(yīng)目標(biāo)扭矩的轉(zhuǎn)矩控制精度。每個轉(zhuǎn)矩下最大的扭矩控制精度即為特定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩控制精度。此外在進行轉(zhuǎn)矩控制時需要控制每個點的初始條件一致，如環(huán)境溫度，電機溫度，因為溫度模型對轉(zhuǎn)矩控制精度的影響是很大的。

2.8 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間測試

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間直接影響了純電動車輛的駕駛性，以及遇到緊急情況時的反應(yīng)速度。在《GB/T 18488.1-2015-電動汽車用電機及其控制器第1部分-技術(shù)條件》3.13中給出了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間的定義：驅(qū)動電機控制器從接收到轉(zhuǎn)矩指令信息開始到第一次達到規(guī)定的容差范圍的期望值所經(jīng)過的時間。

通常在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下測試電機系統(tǒng)的響應(yīng)時間，使用抱緊裝置將測功機軸抱死，請求扭矩在0s內(nèi)上升至最大值，在此過程中，電機系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩從零快速上升，盡量以較高的采樣頻率記錄此過程的數(shù)據(jù)，驅(qū)動電機控制器從接收到轉(zhuǎn)矩指令信息開始到第一次達到規(guī)定的容差范圍的期望值所經(jīng)過的時間即為轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間。此外，和堵轉(zhuǎn)試驗一樣，需要在電機轉(zhuǎn)軸周向均布選取五個堵轉(zhuǎn)位置，按照同樣的初始條件重復(fù)堵轉(zhuǎn)測試，以響應(yīng)時間的最大值作為最終測試結(jié)果。

2.9 驅(qū)動電機控制器持續(xù)/短時/最大工作電流測試

控制器的持續(xù)/短時/最大工作電流指標(biāo)是和峰值轉(zhuǎn)矩/功率、持續(xù)轉(zhuǎn)矩/功率類似的評價指標(biāo)，但其側(cè)重于評價控制器輸出電流的能力，是電機控制器的一個主要設(shè)計指標(biāo)。通常選取接近弱磁區(qū)的基速區(qū)轉(zhuǎn)速作為測量轉(zhuǎn)速點，請求最大的扭矩，持續(xù)運行60s，記錄全過程的三相電流數(shù)據(jù)，取此過程中的最大值最為短時/最大工作電流，取此過程中均值作為持續(xù)工作電流。

2.10 驅(qū)動電機控制器電容主/被動放電時間測試

電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)置主被動放電的功能最主要的目的是高壓安全，具體的說就是在緊急情況，如碰撞，短路等情況，以及每次操作時，都會有高壓下電，而電機控制器中由于有薄膜電容等可儲能裝置，BMS控制下電以后，內(nèi)部仍存在高壓，為防止人員傷害，電機控制器需將電機控制器中的電壓降低到A級電壓以下（即60Vdc以下）。一般國標(biāo)要求被動放電時間為5min內(nèi)，主動放電時間要求10s內(nèi)。

在有主動和被動放電回路設(shè)計的電驅(qū)產(chǎn)品中，可以采用以下方法測試被動放電時間：將電機控制器和電池模擬器正常連接，控制電池模擬器輸出電壓為電機控制器最大的工作電壓，斷開電池模擬器和電機控制器之間的繼電器，此時電機控制器進入被動放電模式，記錄全過程的電壓數(shù)據(jù)，電壓從最高電壓降至60V所經(jīng)歷的時間即為電機控制器的被動放電時間。

主動放電時間的測試方法類似，只是在斷開電池模擬器和電機控制器時，同時請求電機控制器進行主動放電，電壓從最高電壓降至60V所經(jīng)歷的時間即為電機控制器的主動放電時間。