電動汽車交流驅動電機測試系統的設計

陽鵬

（重慶凱瑞汽車試驗設備開發有限公司，重慶401122）

電動汽車交流驅動電機測試系統的設計

陽鵬

（重慶凱瑞汽車試驗設備開發有限公司，重慶401122）

本文分析了電動汽車驅動電機測試的特殊性，給出了電動汽車驅動電機測試的需求。論述了設計方案的合理性，對交流電機測試系統的組成原理及功能進行了詳細介紹。依據本文方案所開發出的交流電機測試系統，完全能滿足汽車驅動電機型式及耐久試驗的需求。

電動汽車驅動電機；交流調頻調壓電源；交流電力測功機

電動汽車因其具有綠色環保和能源利用效率高等優點，能夠實現超低排放甚至零排放的要求，因此得到了許多國家政府和企業的高度重視，并被視為調整交通能源使用結構和改善城市大氣環境質量的有效途徑之一。電動汽車驅動電機是電動汽車動力系統的核心部件，其性能對整個電動汽車的性能起到至關重要的作用。電動汽車驅動電機的調速范圍寬、運行轉速高、啟動扭矩大、體積小、質量輕、效率高、動態制動能力較強且能夠回饋能量，不同于普通的工業電機，其工作狀況比較復雜，性能參數變化范圍大[1]。當前現階段是小批量，多品種的生產現狀。上述的特點決定了汽車電機測試系統的特殊性，所以研發出適合電動汽車驅動電機的測試系統，對于國內電動汽車產業的發展具有十分重要的意義。本文介紹了一種能適應汽車電機測試特點的新型測試系統。

1 背景分析

電動汽車動力系統既要適應城市道路慢速行駛的需要，又要滿足高速公路快速行駛的特點；既要保證電動汽車啟動和低速爬坡性能要求，也應具有零速或低速大扭矩輸出能力；同時要求驅動電機具有相對較寬的高速恒功率區，滿足電動汽車連續高速行駛和加速性能的要求[2]。所以電動汽車工況的廣泛性，決定了其驅動電機試驗的復雜性。按照相關測試標準要求需要測試電動車驅動電機的轉速、轉矩、功率、效率、溫升、電流響應、工況可靠性等特性[3-6]。

2 試驗臺系統原理

本系統由交流調頻調壓試驗電源、交流電力測功機、扭矩傳感器、轉速傳感器、測功機控制器、測量控制系統、試驗機械臺架以及監控系統組成。整個系統的組成如圖1所示，包含AFE（有源回饋前端）單元和逆變單元一（作為交流電源，給試件電機供電用）、逆變單元二（作為測功電機驅動器用）、正弦波濾波器及線路切換開關等。

圖1 測試系統原理圖

AFE單元是共直流母線產品中的可回饋功率轉換器的前端，是用來傳輸AC輸入與中間DC電路間的功率。AFE單元具有能量雙向流動功能，即當功率從AC輸入傳輸到中間DC電路時，有源前端對交流電流與電壓進行整流；當功率從中間DC電路傳輸到AC輸入時，有源前端對直流電流與電壓進行逆變。圖2中描述了能量流動原理。

圖2 電源系統結構圖

試件交流試驗電源逆變單元是一個直流供電的雙向逆變器，用于對電機的供電和控制，可工作在V /F分離模式、頻率模式。V/F分離模式時電壓、頻率可以分別給定。當設置好電機的額定參數后，給定頻率可按照電機的V/F曲線來控制電機運行。測功電機逆變單元也是一個直流供電的雙向逆變器，用于對加載電機的供電和控制，可工作在頻率模式、開環速度模式、開環扭矩模式、閉環速度模式、閉環扭矩模式。測功電機為了保證扭矩和速度的控制準確性，一般工作在閉環速度模式或閉環扭矩模式。

交流電壓、電流通過功率分析儀測量，扭矩通過高精度非接觸式扭矩儀測量。所有開關操作均通過計算機遠程操作控制，開關控制硬件和軟件均進行了互鎖設計。

3 交流電源設計

傳統的電機測試臺的交流電源多采用發電機組或調壓變壓器，其體積笨重，使用成本高，頻率調節不方便。本系統設計的交流電源利用大功率交流調頻調壓技術，結合合適匹配的正弦波濾波器，得到滿足電機試驗標準指標要求的電源，其具有電壓、頻率獨立調節的功能。如圖3原理結構所示，交流逆變模塊通過SPWM（sinusoidal pulse width modulation）調制方式也稱為雙極性PWM調制方式[7]輸出PWM波形，經過RLC組成的二階低通濾波器，得到滿足諧波因數（HVF）和電壓總諧波畸變率（THD）兩個關鍵指標的正弦波試驗電源。其可控性強、擴展性強，具有總線通訊功能，易于智能化系統集成。如圖3所示。

圖3 交流電源結構原理圖

交流試驗電源的輸出參數如下：

（1）輸出調壓范圍：3相AC 0～500 V.

（2）輸出電壓（V）、頻率（F）可獨立控制調節。

（3）具備四象限功能（能量回饋電網）。

（4）具備控制交流異步電機功能。

（5）具備控制交流永磁電機啟動、加載功能。

（6）在輸出基波30～150 Hz范圍內可切換接入正弦波濾波器。

（7）輸出正弦波滿足：諧波因數（HVF）：≤3%.

（8）電壓總諧波畸變率（THD）：≤5%.

4 電力測功機臺架設計

汽車電機測試用的加載裝置要求試驗轉速高、扭矩控制精度高、具有能量回饋功能，在進行道路工控模擬試驗時要進行連續變工況調節。傳統的加載裝置（如：水力測功機、電渦流測功機、直流測功機等）耗電大，不節能、不環保、轉速不高、能量不能回收、精度一般，不宜控制。具有閉環扭矩控制功能的四象限交流變頻器、高速電力測功電機、高精度的扭矩傳感器組成的交流測功機系統，體積小、易于機械臺架設計、節能環保、具備能量回饋功能、自動控制容易，是加載裝置最好的技術選擇。

本文所述測功電機采用高速交流異步電動機，電機功率160 kW，額定轉速4 000 rpm，最高轉速12 000 rpm，額定扭矩382 Nm，具有1.2倍的過載能力。測功電機為定制的水冷式變頻電機。測功電機由交流變頻器直接控制，可以在轉速和扭矩兩種方式下工作，變頻器采用四象限變頻器，在扭矩方式下加載產生的電能可以直接回饋電網，從而達到節約能源的作用。扭矩傳感器采用非接觸式扭矩傳感器，傳感器量程1 000 Nm，精度0.05%，最高轉速可達15 000 rpm.轉速傳感器采用脈沖編碼器直接測量，通過測功機控制器可以直接計算速度和加速度。

機械臺架主要由測功電機、測速編碼器（裝在測功機末端）、扭矩傳感器（防護罩內）、軸承箱、底座、防護罩、聯軸器（防護罩和夾具內）、堵轉裝置等組成。其整體外形結構如圖4所示。軸承箱的轉軸采用等強度設計，具有優異的抗扭、抗撓特性。軸承箱對扭矩傳感器起到了有力的保護作用，同時給試件提供了牢固的安裝基面。堵轉銷用于電機堵轉試驗。

圖4 測試系統機械臺架

為了保證電力測功機測量數據的準確性和可靠性，對測功機采取了靜態校正和動態對比校正兩種方法。電力測功機經過靜態校正和動態對比校正后，保證了測量數據的準確性和可信度。見圖4.

5 測控系統設計

測試及控制部分是整個試驗系統的核心，測試軟件部分的構建采用當前流行的圖形化測試編程軟件Labview來實現，如圖5所示，測試及控制部分通過操作計算機可實現試驗系統供配電、負載切換的自動化，同時利用傳感器、信號調理模塊、數據采集模塊，對被測裝置的各種參數數據進行采集和分析，為研發、產品定型和出廠提供詳實和準確的依據。測試及控制軟件界面如圖5所示，在主控界面上可以很直觀的監控各個傳感器數據，操作各個開關及變頻器。

測量控制通訊主網絡采用工業以太網，傳輸速度快、抗干擾能力強、性能穩定可靠，測試系統以太網測控原理如圖6所示。試驗系統的電源輸入斷路器、輸出回路切換開關的控制和狀態的讀取是通過PLC來完成的，計算機控制軟件與PLC是通過以太網通訊來傳輸數據的。不能同時開啟的開關，在硬件上通過輔助觸點來互鎖、軟件上通過PLC程序來互鎖，保證了控制的安全性。控制軟件與變頻器的通訊也是采用以太網來通訊的，保證了控制的實時性和可靠性。電壓、電流、扭矩信號通過帶以太網口的采集模塊將數據上傳至控制軟件，見圖5、圖6.

圖5 測試系統控制軟件

圖6 測控系統原理圖

6 結語

本文設計的電動汽車交流電機測試系統可按照相關國家標準完成電動車驅動電機的臺架試驗項目，能滿足參數在額定電壓100～350 V、額定功率35～60 kW、最高轉速12 000 r/min以內的電動汽車驅動用交流異步及永磁電機的測試需要。本系統的電壓、電流、轉速、轉矩、功率信號的精度均通過了專業計量單位的檢定，滿足標準要求。本試驗系統經過長時間的運行考核，運行穩定可靠，充分驗證了系統設計是合理的、成功的。本系統的成功開發，對于促進國內電動汽車產業的發展，具有重要的意義。

[1]宮喚春，徐勝云，徐海磊.電動汽車動力測試平臺設計及試驗分析[J].山東交通科技，2010（4）：18-21.

[2]查鴻山，宗志堅，蔣念東.電動汽車動力測試平臺設計及試驗研究[C]//國際節能與新能源汽車創新發展論壇，2009.

[3]宋強，貢俊，郭淑英，等.GBT18488.1-2015《電動汽車用驅動電機系統第2部分：試驗方法》，中華人民共和國汽車行業標準[S].北京，中國標準出版社，2015.

[4]宋強，孫逢春，貢俊，等.GBT29307-2012《電動汽車用驅動電機系統可靠性試驗方法》，中華人民共和國汽車行業[S].北京：中國標準出版社，2013.

[5]金惟偉，王傳軍，倪立新，等.GBT1032-2012《三相異步電動機試驗方法》，中華人民共和國機械行業標準[S].北京：中國標準出版社，2012.

[6]陳偉華，倪立新，金惟偉，等.GBT22669-2008《三相永磁同步電動機試驗方法》，中華人民共和國機械行業標準[S].北京：中國標準出版社，2008.

[7]顏斌，陳希有.變頻器輸出RLC正弦波濾波器的工程設計[J].電機與控制學報，2002，6（3）：256-260.

Design of Electric Drive Motor Test System for Electric Vehicle

YANG Peng
（Chongqing CAERI Automobile Test Equipment Development Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

This paper analyzes the particularity of electric vehicle drive motor test，and gives the demand of electric vehicle driving motor test.The rationality of the design scheme is discussed，and the composition principle and function of the AC motor test system are introduced in detail.According to the AC motor test system developed in this paper，it can meet the requirements of automobile drive motor type and durability test.

electric vehicle drive motor；AC FM power supply；AC power dynamometer

U469.72

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0082-03

2017-02-13

陽鵬（1982-），男，湖北廣水人，本科，工程師，研究方向：汽車試驗設備研究與開發。