電動汽車用電機及控制器測試系統研制

陳積先，　張華樹，　孟　輝，　覃北階

[國家汽車質量監督檢驗中心(襄陽)，湖北 襄陽　441004]

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電動汽車用電機及控制器測試系統研制

陳積先，張華樹，孟輝，覃北階

[國家汽車質量監督檢驗中心(襄陽)，湖北 襄陽441004]

摘要：介紹了采用ABB的ACS800系列變頻器和低慣性、高轉速交流電力測功機作為加載裝置和負載，配合高精度的扭矩轉速傳感器的電動汽車用電機及控制器測試系統。經驗證該系統運行穩定可靠。

關鍵詞：測功機; 電動特性; 發電特性

0引言

2001年，國家科技部將電動汽車確定為“十五”國家12個重大科技專項之一，稱為國家“863”專項，提出了意義重大的“三縱三橫”(“三縱”指混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車；“三橫”指多能源動力總成控制系統、電機及其控制系統、電池及其管理系統)總體路線，清晰地指明了研發和產業化思路。工信部從2005年起開始受理電動汽車和混合動力電動汽車的公告管理工作，電機驅動系統和控制單元作為“三橫”的重點發展對象則列入汽車公告目錄強制性檢測范疇。2012年7月9日，把握我國新能源汽車發展脈搏的《節能與新能源汽車產業發展規劃》(以下簡稱《規劃》)正式出臺。《規劃》明確提出加強新能源汽車關鍵零部件研發，重點支持驅動電機系統及核心材料的研發。基于以上幾種原因，同時為了能夠正確評價和測試各種不同類型的電動汽車用電機及控制器，研制一套電動汽車用電機及控制器的測試系統勢在必行。

1電動汽車用電機及控制器的特性要求

電動汽車用驅動電機由于需要能夠頻繁地起動/停車、加速/減速，其負載要求和技術性能等方面都有著特殊要求，其性能也是普通工業電機無法比擬的。主要要求有：

(1) 為了滿足電動汽車的加速和爬坡，要求電機在低速時能夠輸出大扭矩，高速時則需要具有恒功率，因此要求電機具有很寬的調速范圍。電動汽車驅動電機理想工作特性曲線如圖1所示，而普通工業電機通常優化在額定的工作點上。

圖1　電動汽車驅動電機理想特性曲線

(2) 電動汽車在減速或制動時能夠將部分能量回收，此時驅動電機處于發電狀態，而能量回饋性能的好壞直接決定了車輛的續駛里程。這一點是普通內燃機車不可能實現的。

(3) 電動汽車要求驅動電機具有可控性強、穩態精度高、動態性能好、能夠適應復雜的路況的特點。工業電機往往只有某一特性的要求。

2電動汽車用電機試驗參數分析

我國新能源汽車公告目錄是按GB/T 18488.1—2006《電動汽車用電機及其控制器 第1部分： 技術條件》、GB/T 18488.2—2006 《電動汽車用電機及其控制器 第2部分： 試驗方法》兩個國家標準實施強制性檢測的[1-2]。因此，所設計的試驗系統必須滿足這兩個標準中要求的電機轉速、轉矩、電壓、電流、功率、效率、溫升、再生能量回饋的試驗；最高工作轉速、超速、耐久性、轉矩-轉速曲線、功率-轉速曲線、效率MAP圖等的測試。

目前,普通的工業電機測試臺架和內燃機測試臺架都不可能完成電動汽車用電機及控制器的測試需求。因此，結合現代的電力電子技術及計算機控制技術設計電動汽車用電機及控制器測試系統臺,根據電動汽車(含混合動力汽車)對驅動電機系統的要求設計特定的測試功能,才能充分全面地測試和評價電動汽車用電機及控制器[3]。

3測試系統組成

為滿足電動汽車用電機及控制器的特性要求及試驗參數的測試，本文設計的電動汽車用電機及控制器測試系統覆蓋最大功率100kW、額定扭矩500N·m、最高轉速8000r/min電機的性能測試。試驗系統主要由以下幾部分構成： 負載模擬系統(交流電力測功機)、機械臺架、電氣連接系統、通信控制及數據系統，整個系統框圖如圖2所示。

圖2　測試系統組成簡圖

3.1負載模擬系統

電動汽車在實際行駛過程中必須克服輪胎的滾動阻力、空氣阻力、爬坡阻力和加速阻力等才能夠向前行駛，相應的驅動電機的驅動力就必須與這些阻力相平衡，而電動汽車行駛時速度經常處于變化之中,各種阻力也在動態地變化，這就要求電機測試系統的負載系統能夠實現電動汽車行駛時的各種阻力的模擬，具有高動態特性的加載功能。交流電力測功機能夠在試驗范圍內平穩、精確地調節負載和轉速的大小，因此本測試系統的負載模擬選用交流測功機作為負載裝置，根據電動汽車的實際行駛工況，調節測功機的吸收功率，來實現行駛阻力的實時模擬。

在進行測功機的選擇時，應該根據被試的特性曲線來選用測功機，也即被試電機的特性曲線必須包含在測功機的特性曲線的恒扭矩、恒功率區內，這樣才能真實地檢測出被試電機全部運行工況下的功率、轉矩與轉速。現代交流電力測功機控制方式都是基于弱磁控制理論的： 即電機超過額定轉速以上運行時，假如電機轉子的勵磁磁鏈為常數，則電機的感應電動勢隨轉速增加而增加，電機端電壓也隨之增加，但是端電壓要受逆變器的最高輸出電壓限制，通過削弱磁場的方法可以在保持端電壓不變的情況下提高電機轉速，即稱為弱磁控制[4]。根據此理論控制的測功機電機機械特性曲線如圖3所示。

圖3　測功機機械特性曲線

圖3中，在額定轉速n1以下為恒扭矩區，在額定轉速n1至第二臨界轉速點n2為恒功率區。n2轉速點以上，在此區域內測功機由于受到逆變器輸出電壓AC380V和最大耐受電流的約束，功率和扭矩均有所下降，此區域稱為恒功率+恒速度區。對比圖1和圖2，不難看出，要完全科學有效地測試電動汽車用驅動電機的特性曲線，所選擇的測功機不能和被試電機處在一個相同的功率等級，必須提升測功機的功率范圍，使被試電機的恒功率區處在測功機的功率覆蓋區域內。本文選取的是120kW測功機，來進行100kW以下的電動汽車用驅動電機的測試。

3.2電氣系統

整個電機測試系統采用ABB的ACS800系列變頻器來實現電網固定頻率交流電與測功機的變頻調速，動力電池仿真電源將交流電整流成直流電供給被試電機控制器。電氣連接圖如圖4所示。電氣系統主要包括隔離變壓器、可控整流設備、交流電力測功機、動力電池仿真電源和被試電機等。隔離變壓器完成電網到整流設備的升壓隔離,同時可以減少試驗設備對電網的干擾,動力電池仿真電源為被試電機提供直流電源,交流電力測功機和整流逆變設備用于調節被試電機負載并將能量回饋電網。其工作原理如下：

圖4　電氣連接圖

(1) 當被試電機處于電動狀態時,電網50Hz交流電進入動力電池仿真電源，仿真電源將交流電整流成直流電供給被試電機控制器驅動被試電機，被試電機帶動測功機旋轉,此時測功機作為交流發電機向外發出任意頻率的交流電,然后送入變頻器整流為直流電,再逆變為50Hz的交流電回饋入電網。

(2) 當被試電機處于發電狀態時,交流電網50Hz交流電進入變頻器整流為直流電,然后逆變為所需的交流電供給測功機,此時測功機作為交流電動機拖動被試電機旋轉,被試電機作為發電機向外發出任意頻率的交流電，經動力電池仿真電源逆變回饋電網。

3.3機械臺架

機械臺架通過長寬高為4000mm×2000mm×300mm的鐵地板國定在水泥基座上，如圖2所示，用來安裝被試電機、負載測功機、扭矩傳感器等。因電機試驗時，不可能像電機實際應用時一次性安裝固定，且由于加工及安裝精度的影響，固定軸孔和電機軸配合時不可避免地產生軸心的不對中，因此，為了減小被試電機與負載測功機在同軸度方面的偏差對試驗準確度的影響，在系統中采用2套膜片聯軸器分別連接被試電機和扭矩傳感器。同時，為了防止在高速旋轉試驗時，某些部件向外飛出對人員造成意外的傷害，在個聯軸器上加裝防護罩，以保證整個系統的機械運行安全。

3.4通信控制及數據處理系統

系統采用西門子S7-200系列PLC以及工控機、美國NI原裝進口CAN通信卡等組建控制系統。其中一臺工控機作為試驗臺主控計算機，另一臺作為工況控制器。PLC與工控機采用Modbus通信，主控計算機配置MOXA通信卡，PLC預留20%數字I/O點。其他數顯儀表如溫度測量、壓力測量采用串口通信與主控計算機聯機。工況控制器配置NI公司CAN總線通信卡，與軟件系統LABVIEW具有最佳兼容性。工況控制器與日本橫河WT3000功率分析儀采用GP-IB通信，配置GP-IB卡。

電機測試系統采用交流變頻回饋加載，加載能量通過交流電力測功機回饋電網；扭矩、轉速通過扭矩傳感器直接測量；功率分析儀檢測電流、電壓、頻率、功率因數等；計算機自動檢測、顯示并完成數據處理、報表及各種曲線。利用測功機電機測量被試電機機械軸上輸出的轉矩，并結合轉速以確定功率。

4試驗驗證

該試驗臺建成后對國內的多臺電動汽車用電機及控制器進行了測試。圖5是一臺額定電壓AC 340V、額定功率70kW、峰值扭矩220N·m、最高轉速11000r/min的電機的電動特性曲線。試驗過程中，在測功機和被試電機中間加裝一臺1∶2的升減速箱，以提升測功機的轉速測量范圍。從圖5中可以看出，該電機在11000r/min前與普通電機的弱磁理論控制相符。該電機在超過11000r/min后，即達到該電機的第2臨界轉速點，電機的功率和扭矩急劇下降。

圖5　額定電壓小于AC 380V電機電動特性曲線

圖6是一臺額定電壓AC 600V、額定功率45kW、峰值扭矩270N·m、最高轉速4000r/min的電機的電動特性曲線。該臺電機利用高壓大容量動力電池，在電流不變的情況下，提高了直流母線電壓，通過控制器逆變成AC 600V的交流電壓給被試電機供電，提高了被試電機的功率輸出能力。因此，該電機的電動特性曲線在超過額定轉速1680r/min后，功率曲線較為平滑，與電機理想特性曲線一致。

圖6　額定電壓小于AC 600V電機電動特性曲線

5結語

經過一年多運行考核,該系統已對20余套電機系統進行了電動汽車用電機及控制器的性能測試工作。試驗證明該系統運行穩定、工作可靠，能夠完成額定功率100kW、最大扭矩500N·m的電動汽車用電機及控制器的性能測試工作，同時證明了該系統的機械加載和驅動性能以及相應的整流逆變器都能夠很好地模擬測試電動汽車用電機及控制器的工作狀況。

【參 考 文 獻】

[1]GB/T 184881—2001電動汽車用電機及其控制器技術條件.

[2]GB/T 18488.2—2001電動汽車用電機及其控制器試驗方法.

[3]張舟云,貢俊.新能源汽車電機技術與應用[M].上海： 上海科學技術出版社,2013.

[4]才家剛,吳亞旗.電機試驗技術及設備手冊[M].北京： 機械工程出版社，2011.

[讀者群]

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Development of Testing System for Motor and

Controller of Electric Vehicle

CHENJixian,ZHANGHuashu,MENGHui,QINBeijie

(National Auto Quality Supervision and Inspection Center(xiangyang), xiangyang 441004, China)

Abstract：A system developed for testing for motor and controller of electric vehicle was introduced.This system was based on a low inertia and high speed ac dynamometer controlled by ACS800 transducer,using high-precision torque-speed sensor and power analyzer as measure and control system.This system has been proved to be stable and reliable.

Key words：dynamometer; motor operating characteristic; regenerated energy characteristic

中圖分類號：TM 306

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2015)12-0085-04

通訊作者：陳積先