電動汽車用永磁同步電機特性試驗設計與研究

張 奇， 李 珂， 張承慧， 孫 靜,2， 邢國靖， 劉旭東

(1.山東大學 控制科學與工程學院,山東 濟南 250061；2.山東工商學院 信息與電子工程學院,山東 煙臺 264005)

?

·儀器設備研制與開發·

電動汽車用永磁同步電機特性試驗設計與研究

張 奇1， 李 珂1， 張承慧1， 孫 靜1,2， 邢國靖1， 劉旭東1

(1.山東大學 控制科學與工程學院,山東 濟南 250061；2.山東工商學院 信息與電子工程學院,山東 煙臺 264005)

基于AVL電機測試臺架，設計并搭建了電動汽車驅動電機測試平臺，借助PUMA OPEN系統，通過設計自動控制序列程序對電動汽車用永磁同步電機的穩態和動態特性等進行了自動化測試。結果表明，被測樣機的功率輸出穩定、效率高，轉速、轉矩動態響應速度快，其穩態和動態特性能夠滿足電動汽車用驅動電機的特殊性能要求；測試數據為電機逆變器和控制器的設計和開發提供了參考依據。整個試驗采用PUMA OPEN自動化測試系統，實現了驅動電機的快速精確測試，具有簡化操作流程、縮短測試周期和提高測試精度等諸多優勢。

電動汽車； 永磁同步電機； 穩態特性； 動態特性； 電機測試

0 引 言

與機械家電、工業生產用電機工作環境明顯不同，電動汽車用驅動電機隨著車輛啟動、加減速、上下坡、停車等，輸出轉矩和功率變化頻繁。同時，電動汽車在不同工況下行駛時，驅動電機應具有低速高轉矩、高速低轉矩的輸出特性和理想的調速特性[1-2]。作為電動汽車行駛的動力源，車用電機的穩態特性和動態響應特性對整車的經濟性和動力性影響巨大，對其進行詳細而精確的測量是設計高性能電機控制器和進行動力系統優化設計的基礎。

電動汽車用驅動電機的測試方法主要有臺架試驗和道路駕駛測試，其中道路駕駛測試需要有熟練的駕駛員、試驗車輛和場地等，安全性要求較高，投入較大[3-4]。目前,普遍采用臺架測試的方式，但傳統電機測試臺架存在功能單一、功能開發周期長、測量精度低、無法進行模擬真實路況行駛下的硬件在環測試等缺點，已經難以滿足當前電動汽車驅動電機的測試需求，因此AVL、GIM等公司先后推出了先進的、專門應用于電動汽車動力系統測試領域的高性能電機測試臺架。

奧地利AVL公司的電機測試臺架的功能完備、易于擴展，借助PUMA OPEN自動化測試系統，能夠實現電機快速而精確的高性能測試；同時該臺架還集成了虛擬車輛、3D路況、交通環境和駕駛員等模型，能夠實現基于虛擬駕駛的電機及其控制器等動力系統的硬件在環測試，在電機測試領域、新能源汽車行業等得到了廣泛的應用[5]。本文在AVL測試臺架基礎上，通過擴展與集成被測電機及驅動系統、水冷循環系統、功率分析儀及傳感器等儀器設備，搭建了基于AVL硬件在環半實物仿真系統的電動汽車用永磁同步電機試驗平臺，并以PUMA OPEN自動化測試系統為核心，設計了電機自動測試程序，對電機的靜態和動態響應特性進行了測試和分析，試驗測試結果總體良好，測試結果為電機逆變器及控制器的開發提供了數據參考。

1 電機特性測試臺架構成

AVL電動汽車電機試驗臺架如圖1所示。試驗臺總體上由高動態電力測功機DynoRoad、被測電機及驅動系統、提供直流電源的高性能電池模擬器BTS、水冷系統、功能靈活強大的自動化測試系統PUMA OPEN、集成虛擬駕駛環境的硬件在環系統AVL InMotion和數據采集模塊[6]等構成。

圖1 AVL電動汽車電機試驗臺實物圖

電池模擬器在電機本體性能測試中采用恒壓源模式為被測電機供電，以消除普通電源過壓、欠壓等對電機測試造成的影響，提高了測試數據的精確度[7]；在結合路況的硬件在環測試中，可采用電池物理模型，模擬真實動力電池在行駛工況下的性能。高動態電力測功機能夠實現無振動轉矩轉換，可精確實現零轉矩、恒轉矩等控制，可通過四象限操作對被測電機進行全自動的性能及耐久性試驗[8-10]。同時，電池模擬器的變頻器和測功機的變頻器還可以實現能量回饋，提高了能量的利用率。

PUMA OPEN是一個動態、高精度、數字控制的操作平臺，針對電機不同的測試需求，提供了多種控制方式，包括直接輸入轉速/轉矩給定、通過操作面板按鈕和旋鈕控制、編輯自動控制序列程序、基于InMotion硬件在環系統控制的測試等。PUMA OPEN在線監控界面友好，控制參數設定、修改方便，能夠快速編輯監控界面，試驗中可自編輯監控界面。此外，系統還實現了對測試數據的實時存儲、計算和支持數據后處理等功能[11]。

2 電機特性測試方案

電機性能測試一般包括穩態特性測試和動態響應測試[12]。根據GB/T 1029-2005[13]和GB/T 18488.1-2006[14]等標準，利用AVL電機試驗臺，通過編程設計自動控制序列程序，對某電動汽車用永磁同步電機的穩態特性和動態響應特性進行了試驗設計與測試。

2.1 電機穩態特性測試

永磁同步電機因具有效率高、能量密度大、響應速度快、調速性能好、體積小、運行可靠等優點，成為當前電動汽車用驅動電機研發與應用的熱點[15]。電機穩態特性一般是指電機在一定轉速或轉矩下穩定運行時的輸出功率和效率等特性。功率是電動汽車驅動電機選型與匹配優化的重要參數，決定了整車最高車速、最大爬坡度和加速時間等動力指標；效率是評價電機性能的一個重要指標，充分利用電機高效區能夠顯著降低電耗[7]，提高續駛里程。

通過電機效率測試試驗，可得到被測電機本體的效率、逆變器的效率和電機驅動系統的整體效率。根據GB/T 1029-2005，定義被測電機在試驗狀況下的效率計算公式為

(1)

式中:ηmotor為電機效率，%；P為電機輸出有功功率，W；Pin為電機輸入有功功率，W。

在測試程序中，定義電機輸出功率為

(2)

式中:N為電機轉速，r/min；T為電機輸出轉矩，N·m。

在測試程序中，定義電機輸入有功功率為

(3)

式中:UrmsA為輸入電壓有效值，V；IrmsA為輸入電流有效值，A。

根據GB/T 18488.1-2006，定義電驅動系統的整體效率計算公式為

(4)

式中:η為整體效率，%；E為控制器接線端子處輸入電壓平均值，V；I為控制器輸入接口端電流平均值，A。

轉速N、轉矩T等的測量可由集成于傳動軸連接裝置的高精度扭矩法蘭完成；電壓UrmsA、E等可由功率分析儀WT3000直接測得；電流IrmsA、I等由電流傳感器CT1000通過功率分析儀測得；以上測得的數據均經過功率分析儀通過TCP/IP通信協議傳輸給PUMA OPEN系統。

通過編輯自動序列控制程序可以實現電機測試的可重復性。首先給定電機某一恒定轉速，通過AVL測功機按設定步長不斷增大電機負載，測量電機穩定運行后的功率和效率等，然后按設定步長逐漸增大轉速，再重復以上過程，直至測試完畢。編程后可通過一次測試完成穩態特性試驗，消除了傳統測試臺架需要人為多次測量帶來的影響。

2.2 電機動態特性測試

動態響應特性一般是指電機在一定條件下穩定運行時，階躍到給定轉速或轉矩時所需的時間，即電機改變轉速或轉矩后的跟隨能力，一般包括轉速動態響應測試和轉矩動態響應測試等。

轉速響應測試：電機在空載下穩定運行時，測試電機從零速階躍到基速所用的時間。

轉矩響應測試：電機在額定轉速下穩定運行時，測試電機從空載階躍到額定轉矩所用的時間。

3 試驗結果分析

3.1 電機輸出轉矩結果修正

根據GB/T 18488.1-2006，在考慮測功機風摩耗轉矩時，被測電機的實際輸出轉矩值需要進行修正，其真實值等于測功機測得的被測電機的輸出轉矩與測功機風摩耗轉矩之和，即被測電機修正后真實的輸出轉矩為

(5)

式中:Tc為修正后的電機輸出轉矩，N·m；Tt為測功機測得的被測電機的輸出轉矩，N·m；Tfw為測功機的風摩耗轉矩，N·m。

圖2是在PUMA OPEN系統中定義，并測得的有關電機輸出轉矩的對比曲線，其中,TORQUE為測功機測得的電機輸出轉矩;TORQUETS為聯接電機與測功機的傳動軸軸轉矩;TORQUETE為考慮測功機風摩耗轉矩時電機的輸出轉矩。由圖2可知，不同轉速下風摩耗轉矩的大小不同，但風摩耗轉矩很小，一般情況下，可認為電機真實輸出轉矩與測功機顯示的測量轉矩基本一致。

圖2 考慮風摩耗轉矩、電機輸出轉矩和聯接軸轉矩對比曲線

3.2 電機功率、效率試驗結果分析

針對測定電機本體特性，為提高測試精度，電池模擬器采用恒壓源模式，輸出電壓恒定在336 V，在電機測試過程中不會出現過壓、欠壓等現象。

電機功率、效率測試采用自動控制序列模式，測試過程如下：負載轉矩變化為外循環，轉速變化為內循環。外循環中，電機轉矩從5 N·m開始, 每次遞增5 N·m，一直增大到60 N·m結束；外循環中，轉速從50 r/min開始，每次遞增25 r/min，一直增加到3 000 r/min結束。試驗遞增的步長可以根據測試需求自定義，自動控制序列流程如圖3所示。轉速內循環、轉矩外循環測得的實際給定曲線見圖4。

圖3 電機測試自動控制序列流程圖

圖4 轉速內循環-轉矩外循環中部分給定曲線

由圖5可知，永磁同步電機在電池模擬器恒壓源模式下，測得的電機效率曲線比較平滑、無較大波動；在直流母線額定電壓336 V供電時，電機效率能保持在較高的水平。圖6為在不同轉速、轉矩下測得的電機實際輸出功率曲線，可知，電機的輸出轉矩、轉速變化平穩，在允許的功率范圍內，被測電機的輸出功率基本隨轉速、轉矩呈線性變化，功率曲線平滑、無抖動。

圖5 電機效率與電機輸出轉矩/轉速關系MAP圖

圖6 電機功率與電機輸出轉矩/轉速關系MAP圖

3.3 電機溫度對效率影響試驗結果分析

電機運行時的各種損耗主要變為熱能，導致電機的溫度升高；而永磁材料對溫度具有較強的敏感性，溫度的變化直接影響電機的效率等運行性能和使用壽命。研究溫度對永磁電機效率的影響，控制電機及其逆變器工作在合適的溫度范圍內，對電動汽車電驅動系統整體效率的提高有重要的意義。

圖7是不同溫度下的電機效率等差曲線。可見，在兩次測試中通過控制水冷設備的溫度，電機效率可提高0.5%～3.0%。通過研究電機溫度與效率關系曲線，能夠為電機高效運行時溫度控制提供參考。

3.4 電機機械特性測試結果分析

驅動電機一般以基速或額定轉速劃分工作區域。在低速恒磁通調速時，電機最大輸出轉矩保持不變，屬于恒轉矩區；在高速弱磁調速時，電機最大輸出轉矩與轉速基本成反比，屬于恒功率區。電機機械特性[16]測試過程如下：以轉速2 000 r/min為例，在該轉速以下運行時，電機工作在恒轉矩區，轉矩給定保持60 N·m恒定；在轉速2 000 r/min以上運行時，電機工作在恒功率區，輸出轉矩與轉速基本成反比。

圖7 不同溫度下的電機效率差值曲線

圖8為被測電機恒轉矩區和恒功率區的特性曲線。可知，永磁同步電機由于轉子無須勵磁，在很低的轉速下仍能保持同步運行，調速范圍寬；同時對負載變化引起的轉矩擾動具有較強的抗干擾能力，具有較硬的機械特性。

圖8 電機恒轉矩區和恒功率區特性曲線

3.5 電機動態響應試驗結果分析

整車換擋策略往往依據車速或電機轉速，而電機轉矩響應特性則對整車爬坡起步、加速等動力性和駕駛舒適性有直接影響，測試電機轉速、轉矩動態特性對整車控制策略的制定有重要意義。

在轉速響應測試中，當電機在零速、空載穩定運行時，直接給定階躍的目標轉速1 800 r/min，轉速響應曲線如圖9所示。在轉矩響應測試中，當電機在空載、轉速4 000 r/min穩定運行時，直接給定階躍的目標轉矩100 N·m，轉矩動態響應曲線如圖10所示。由測試結果可知，電機的轉速、轉矩的響應時間很短，電機動態性能能夠滿足電動汽車對驅動電機的響應需求。

4 結 語

驅動電機是電動汽車動力系統的核心部件，電機特性及控制技術對電動汽車的性能影響極大。借助先

圖9 電機轉速動態響應曲線

圖10 電機轉矩動態響應曲線

進的電機測試臺架，通過搭建測試平臺并設計實驗方案，對驅動電機進行全方位的測試是電機控制器設計與開發的基礎。AVL高性能測功機和電池模擬器等設備為電機穩態和動態特性測試提供了強有力的技術條件；PUMA OPEN自動化測試系統，提高了測試精度，大大簡化了測試流程，縮短了測試周期，提高了工作效率。

AVL電動汽車試驗平臺是一個功能開放的綜合試驗平臺。在目前現有功能的基礎上，進一步開發擴展系統功能、完善測試手段和設計電機試驗方案，完成諸如電機參數辨識、電機控制器開發測試等，為下一步實驗教學的開展和科研工作的進行提供了實驗技術保障。

[1] 麻友良,嚴運兵. 電動汽車概論[M]. 北京: 機械工業出版社,2012.

[2] 甄子健,張 禾, 張永偉,等. 電動城市客車的應用前景及產業分析[J]. 客車技術與研究,2012(3): 1-3.

[3] 宋 強,王再宙,王志福,等. 基于虛擬儀器的電動汽車牽引電機性能測試系統[J]. 儀器儀表學報,2007, 28(11):2019-2013.

[4] 滿 敏,陳凌珊,何志生. 電動汽車動力測試平臺與整車模擬試驗[J].上海工程技術大學學報,2014,28(1):30-34.

[5] 林 潛,葛寶明,畢大強,等. 永磁同步電機控制硬件在環測試平臺的實現[J]. 電工電能新技術,2014,33(3):76-80.

[6] 張延遲,顧羽潔,解 大,等. 小型風力發電機外特性測試平臺的設計[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):24-26.

[7] 王慶年,王 偉,曾小華,等. 基于恒壓源電動車輛電機響應特性試驗研究[J]. 汽車技術,2009(3):50-54.

[8] 李茂森. 交流測功機在電機性能測試中的應用[J]. 電機與控制應用,2005,32(8):62-64.

[9] 王德成, 林 輝. 電機四象限運行的直接轉矩控制動態加載[J]. 吉林大學學報(工學版),2014,44(1):276-280.

[10] 魯文其，周延鎖，劉 虎. 動態載荷模擬可控加載與測試裝置設計[J].機電工程,2015,32(2):185-189.

[11] 嚴運兵,顏伏伍,杜常清,等. 基于PUMA OPEN1.2的發動機動態特性研究[J]. 武漢科技大學學報(自然科學版),2008, 31(1):95-98.

[12] 張 昊,殷 強,馬冬梅. 電機效率測試技術的研究[J]. 電機與控制應用,2012,39(5):41-44,54.

[13] GB/T 1029-2005, 三相同步電機試驗方法[S].

[14] GB/T 18488.1-2006, 電動汽車用電機及其控制器 第2部分: 試驗方法[S].

[15] 楊國良. 電動車電機驅動控制技術的研究現狀及其發展趨勢[J]. 實驗室研究與探索,2005,24(11): 19-21,39.

[16] 曾新紅. 電機機械特性仿真分析系統開發[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(10): 201-203.

Design and Research on Characteristic Tests of PMSM for Electric Vehicle

ZHANGQi1，LIKe1，ZHANGCheng-hui1，SUNJing1,2，XINGGuo-jing1，LIUXu-dong1

(1. School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. School of Information and Electronic Engineering, Shandong Institute of Business and Technology, Yantai 264005, China)

The steady and dynamic characteristics of drive motors have a great impact on power and economy of electric vehicles. A detailed and accurate measurement is the basis for the design of high performance controller. The automatic control test sequences is designed based on PUMA OPEN automation system, and the steady and dynamic characteristics of permanent magnet synchronous motor (PMSM) for electric vehicles are tested in the AVL motor testbed, by designing and building drive motor test platform. The results indicate that the tested PMSM meets the specific requirements for electric vehicle drive motors, and the results also provide a reference for the design and development of motor inverter and controller. Testing process shows that PUMA OPEN automation system can quickly achieve automated tests of motors with a series of advantages, such as simplified operating procedures, shortened test cycles, and high accuracy.

electric vehicles； permanent magnet synchronous motor； steady characteristics； dynamic characteristics； motor test

2014-12-31

國家自然科學基金項目(51277116;61304130;61403236)

張 奇(1987-)，男，山東濰坊人，碩士，助理實驗師，研究方向為電動汽車、電機驅動、實驗技術等。

Tel.:0531-88392822；E-mail：zhangqi2013@sdu.edu.cn

張承慧(1963-)，男，山東德州人，教授，研究方向為電動汽車、優化控制、新能源技術等。

Tel.:0531-88395717；E-mail：zchui@sdu.edu.cn

TM 341;G 642.423

A

1006-7167(2015)10-0047-04