電動汽車電機及控制器性能測試系統

李懷珍，王傳軍(上海電科電機科技有限公司，上海　200063)

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電動汽車電機及控制器性能測試系統

李懷珍，王傳軍
(上海電科電機科技有限公司，上海200063)

摘要:電動汽車電機與傳統的旋轉電機有很大的不同，其性能測試系統也與普通電機的測試系統存在著本質的差異，因此有必要對電動汽車電機及其控制器的性能測試方法進行研究。針對電動汽車電機及控制器的特點，介紹了目前常用的電動汽車電機及其控制器性能測試方案。

關鍵詞:電動汽車電機;控制器;測試系統

0　引言

電動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、能源多樣化等優點受到了全球各國和各大公司重視，研究發展非常迅速。目前，國內外對電動汽車的研究主要集中在計算機仿真和室外道路實車試驗兩個方面［1］。電動汽車的核心是驅動電機及其控制系統，驅動電機及控制器性能對整個電動汽車的性能起到至關重要的作用［2］。然而由于計算機仿真技術的不確定性和實車試驗的局限性，許多汽車電機制造企業、檢驗檢測機構、專業科研院所都非常迫切希望建立體現核心競爭力的電動汽車電機及其控制器測試裝備。

1　電動汽車動力電機

電動汽車要具有良好的性能，使用的動力電機應具有較寬的調速范圍和較高的轉速，足夠大的起動轉矩，體積小、質量輕、效率高，動態制動能力較強，且能夠回饋能量［3］。動力電機的類型對汽車性能的影響很大，目前應用和開發較多的電機主要有直流電動機、感應電動機、永磁同步電動機及開關磁阻電動機等。

圖1　直流電機驅動特性

直流電機驅動特性［4］如圖1所示。由圖1可知，直流電機在基本轉速Nb以下運行于恒轉矩區，Nb以上運行于恒功率區。這種特性很適合汽車低轉速高轉矩、高轉速低轉矩的要求，而且直流電機易于平滑調速，控制技術成熟，早期的電動車研究主要采用直流電機驅動。直流電機的缺點是效率和轉速相對較低，運行時需要電刷和機械換向裝置，機械換向結構易產生電火花，不適合在多塵、潮濕、易燃易爆環境中使用，維護麻煩，很難向大容量、高速度發展。此外，電火花產生的電磁干擾，對高度電子化的電動汽車來說也是致命的。直流電機價格高、體積和重量大，隨著電力電子技術的發展，目前直流電機在電動汽車上的應用逐漸減少。

感應電動機具有結構簡單、價格便宜、運行可靠、效率高等優點，因此得到了廣泛應用。感應電動機一般采用鼠籠型結構，其結構簡單，經久耐用。美國通用生產的IMPACT和EV1電動汽車，福特公司生產的Ranger電動汽車采用感應電動機。但是感應電動機最大的缺點是其功率因數低，并且調速性能較差，控制系統較復雜、成本高。

永磁同步電動機是一種高性能的電動機，其驅動特性如圖2所示。永磁同步電機的恒轉矩區比較寬，一直延伸到電機最高轉速的約50%處，對提高汽車的低速動力性能有很大幫助。電機最高轉速較高，能達10 000 r/min。永磁同步電動機功率密度高、調速性能好、在寬轉速范圍內運行效率高(90%～95%)，更加適合作為電動汽車的動力電機。永磁同步電動機在電動汽車的應用研究方面具有良好的應用前景。比如豐田的Prius最大功率為50 kW，最高轉速為11 000 r/min，最大轉矩為115 N·m，最高車速為180 km/h，0～100 km/h加速時間為10.9 s;福特Escape Hybrid采用的永磁同步電動機最大功率為70 kW，最大轉矩為175 N·m;本田FCX燃料電池概念車采用的永磁同步電動機最大功率為80 kW，最大轉矩為2 725 N·m，最高車速為150 km/h。

圖2　永磁無刷同步電機的驅動特性

開關磁阻電機是由電機本體和開關電路控制器組成的機電一體化新型電機。其優點是可控相數多，容易實現四象限控制，效率高等，其轉子上無繞組，適用于頻繁正反轉及沖擊的負載，而且起動轉矩大、電流較小，缺點是轉矩波動大、噪聲大、系統非線性、價格昂貴等，目前還應用不廣泛。

以電機為核心的電動汽車，其專用電機具有以下幾個特點:

(1)相對于普通旋轉電機而言，額定轉速及峰值轉速均較高;

(2)實際運行狀態下的負載工作狀態較復雜;

(3)一般供電電源為直流蓄電池;

(4)電動汽車一般運行在電動機狀態下，但是在剎車制動的狀態下會運行在發電回饋的狀態，具有再生能量回饋制動的特性。

2　電動汽車電機及控制器試驗標準

為了保證電動汽車關鍵零部件之一的驅動電機及其控制器的性能，國家發布實施了驅動電機及其控制器專項檢測標準，即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》及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》。其中分別規定了動力電機及控制器的工作制、工作條件、技術要求、需要檢驗的項目以及相關的試驗方法。標準從機械、電安全性能、環境試驗、電機性能以及電磁兼容等方面對產品提出了要求。

電機性能測試是電機及控制器試驗中最重要的，電機的性能主要考核電機在額定負載和峰值負載下的轉速-轉矩特性及效率、電機的再生能量回饋能力、最高工作轉速和超速能力、工況運行的溫升及噪聲的大小。

3　電機及控制器性能試驗方案

電機驅動系統是電動汽車的心臟，需要滿足可靠性高、效率高、調速性能好、造價低等性能要求。通過試驗得到驅動系統的準確性能，對電動汽車的電機及其控制器的設計、生產和性能提高具有重要意義，也對電動汽車整車設計提供準確的技術數據，對提高整車性能也具有重要意義。目前，在行業內電動汽車用電機及其控制器測試系統的方案主要有以下幾種。

3.1電力測功機

電力測功機分直流電力測功機和交流電力測功機，目前用得較多的是交流電力測功機。電力測功機由測功機系統(模擬負載)、動力電池模擬系統、機械及電功率測量系統等部分組成［5-6］，原理如圖3所示。系統采取的控制模式是:被測電機為轉矩閉環控制系統，直流負載電機為轉速閉環控制系統。系統工作原理如下:單相整流電源產生幅值可調的直流電，逆變器將直流電逆變成三相交流電給電機供電，用轉矩/轉速傳感器測量電機的輸出轉矩和轉速;減速器用來降低被測電機的轉速，他勵直流電機工作在4個象限自動切換的轉速閉環模式下，由于控制器是雙向可逆的，可以將電機發的電回饋至電網，產生一個阻力矩與被測電機發出的電磁轉矩相平衡，實現電機轉速的一個穩態。

圖3　電力測功機系統組成

3.2電渦流測功機

電渦流測功機是利用渦流產生制動轉矩來測量機械轉矩的裝置，測試示意圖如圖4所示［7］。電渦流測功機的優點是結構簡單、操作維護方便、制動力矩大、轉動慣量小，缺點是只能產生制動轉矩，不能反拖作為電動機運行。一般用于測量轉速上升而轉矩下降，或轉矩變化而轉速基本不變的動力機械。因此只能用于測試動力電機的性能曲線，不能用于饋電特性的測試。

圖4　電渦流測功機測試示意圖

3.3對拖測試法

對拖測試一般需要2臺完全一樣或相近的電機及其控制器，2個電機通過扭矩轉速傳感器將2個電機輸出軸機械連接，當被測電機為驅動狀態時，另一臺電機處于發電狀態，發出的電能通過控制器轉化為直流輸入驅動電機的輸入端，循環使用。圖5所示為帶AFE四象限整流的電機及控制器對拖測試方案，交流電網電源經AFE整流成直流母線電源輸入至控制器的輸入端，同時AFE整流單元也可將測試制動過程中多余的能量回饋至電網。這種測試方法具有節能的優點，但是通用性不是太好，一般來說，需要對電機和控制器的試驗方法和操作都非常熟悉的試驗人員才能完成相應的測試試驗。目前這種方法在電機和控制器生產企業用得比較普遍。

3.4電動汽車電機及控制器專用測試裝備

圖5　對拖測試試驗系統結構

電動汽車電機-控制器專用測試裝備通用性較好，可以滿足多種型號、規格的電機和控制器試驗。它主要由陪試電機、大功率電機驅動器、高性能嵌入式控制系統、智能工況模擬系統、能源系統(電池系統)、系統工作參數檢測和采集系統等構成，能全方位展示電動汽車在不同工況下的工作狀況。智能模擬車輛負載系統與電機控制系統聯動，模擬電動車系統的不同工況(起動、怠速、勻速、加速、減速、停車及爬坡等)，并實時、自適應、智能調節負載大小。測試裝備整合了計算機仿真快速、靈活的動態模擬優勢和道路試驗準確可靠的優點來進行電動汽車電機及控制器的研究。圖6所示為根據電動汽車電機及控制器的試驗特點設計的電動汽車電機及控制專用測試裝備框圖。各模塊功能和作用分別如下:

(1)電源模塊:根據不同的試驗電機或控制器提供可控的交直流電源;

(2)電機及控制器性能測試模塊:測試動力電機或控制器的性能，實現電動汽車的驅動控制;

(3)轉矩轉速測量模塊:用來測量動力電機的轉矩、轉速等機械特性參數;

(4)電參數測量模塊:用來測量動力電機的電壓、電流等電力性能指標;

(5)行駛阻力模擬模塊:模擬電動汽車道路行駛過程中的各種行駛阻力;

(6)能量管理模塊:實現測試系統的能量管理，并采取一定的控制策略使測試系統達到最優的能量控制。

圖6　電動汽車電機及控制器專用測試裝備

這種測試方案設計復雜、成本高，但是比較適合檢驗檢測機構、專業科研院校采用。

據最新資料顯示，目前國外同類產品可達到的測試能力:最大額定功率216 kW、最大額定轉矩480 N·m、最高轉速13 000 r/min，例如加拿大GREENLIGHT公司出品的電動汽車電機試驗臺就達到了此測試能力，并且已經實現了多種規格的系列化;然而在國內，同類產品的測試能力僅為最大額定功率37 kW、最大額定轉矩65.3 N·m、最高轉速4 510 r/min。

在上海市科委的支持下，由上海電科電機科技有限公司牽頭研制的電動汽車電機及控制器專用測試裝備的原型樣機目前已成功實現了最大額定功率150 kW、額定轉矩200 N·m、額定轉速15 000 r/min、最高轉速20 000 r/min的測試能力。

4　結語

本文對幾種電動汽車電機作了概要的論述，對汽車電機和控制器的性能檢測簡要提供了幾個主要技術方案，并在此基礎上介紹了目前國內外電動汽車電機及控制器專用測試裝備測試能力。

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Electric Motor and Controller Performance Test System

LI Huaizhen，WANG Chuanjun
(SEARI Electrical Machinery Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China)

Abstract:The electric vehicle motor is different from traditional rotating motor，and the performance test system also with essential differences between the exist ordinary motor test system.Therefore，it is necessary to study the performance test methods for electric vehicle motor and its controller.The characteristics of electric vehicle motor and controller were introduced，and the performance testing scheme of electric motor and controller was introduced.

Key words:electric vehicle motor; controller; test system

收稿日期:2015-10-03

作者簡介:李懷珍(1985—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為機電控制技術和電機性能檢測技術。王傳軍(1973—)，男，大學本科，高級工程師，研究方向為電機試驗技術及電機檢測設備。

中圖分類號:TM 301.2

文獻標志碼:A

文章編號:1673-6540(2016) 03-0079-04