電動汽車電機及控制器智能測試系統設計

黃 其，陳星宇，唐 揚，蔡華祥

（1.西北工業大學 自動化學院，西安710072；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴陽550081）

電動汽車以電動機為驅動機構，起動轉矩大加速快，無尾氣排放噪聲小，且可以能量回饋，逐漸成為汽車的發展方向。電動汽車電機在裝車運行前要經過嚴格的測試，由于傳統測試耗費的人力和電能大，故在此提出一種高效智能的測試系統。

1 電動汽車核心部件

電動汽車的三大核心部件為整車控制器VCU（vehicle control unit）、電機控制系統MCU（moter control unit）、電池管理系統BMS（bttery management system），如圖1所示。①VCU 接收駕駛員的操作指令，并實時監控整車附件、電池系統及電機系統部件的狀態，對附件和電機系統發出控制指令；②BMS 主要完成電池化成測試、保護，狀態預測，充放電控制，電流均衡及通信等功能；③MCU 是實現電能向汽車動能轉換的部件，也是實現駕駛員行車意愿的執行機構，主要處理行車、剎車、倒車、駐車等功能[1]。

VCU 與MCU，BMS 及儀表之間的通訊采用CAN總線。控制電機的轉矩命令、冷卻風扇電機轉速占空比等控制信號均通過CAN 總線傳輸，如圖1所示。

圖1 電動汽車的三大核心部件Fig.1 Three major components of electrical vehicle

電動汽車電機的測試臺除了應測量電機的基本機械特性和效率曲線之外，還需要測量電機長時間運行和堵轉時溫升、四象限交替運行性能、模擬整車控制器CAN 總線收發信息[2]。同時，由于汽車電機的功率較大，在電機數量多時測量消耗的電能也較多，測試時需要考慮系統的能量回饋利用，還要考慮到測試人員操作的便利性。

2 電機及控制器測試系統總體方案

對電機的測試主要包括輸入電能信息和輸出力能信息的測量，直接測量的有電機輸入電信號的電壓、電流波形和數值，電機輸出轉速、轉矩的波形和數值，頻率和溫度；間接測量的有電機的3 種功率（有功、無功、總功）、功率因素、電機損耗、機械損耗、效率、諧波分析等。現代工業對電機的調速性能要求越來越高，對電機的測試越來越多地考慮到電機控制器的性能；對配有減速箱的電機，還需要增加對變速器效率的測量。

2.1 常用的測功機及測試方法

測功機是檢測動力設備（如電機、發動機、液壓馬達等）的輸出轉矩、轉速和功率的設備，用以反映動力設備對外部負載的工作特性。要求測功機慣量小，動態性能高，穩定性好。目前應用較多的有電流加載測功機（渦流測功機、磁滯測功機、磁粉測功機）、電力測功機和對拖發電測功機等，其系統結構如圖2所示。

圖2 電機測功的3 種方法Tig.2 Three methods for measuring motor

電流加載測功機僅是給電機輸出軸施加負載轉矩，渦流測功機、磁滯測功機和磁粉測功機都是通過外加電流形成轉矩，通常與電機的旋轉方向相反，電流流過測功機會產生大量熱量，需要配置散熱裝置。它屬于能量消耗型，一般用于中小功率電機測量[3]。

電力測功機采用輔助電機作為測功機，能夠輸出轉矩和轉速，一方面能作為轉矩負載（此時輔助電機發電），另一方面能作為動力源（此時輔助電機電動運行）帶動被測電機旋轉。電力測功機通常使用直流電機或三相異步變頻電機，直流電機由于存在電刷磨損而慢慢減少使用[4]。

對拖發電測功機用2 臺同規格同型號電機相互對拖替代轉矩加載臺，其中一臺作為電動機外接控制器，另一臺作為發電機外接三相可調電阻箱負載，此時可以省去測功機，但是需要同時調節三相負載電阻以控制負載轉矩，因此操作復雜[5]。

2.2 高效智能電機測試系統

根據電動汽車電機的工作狀況和國標測試要求，在此所提出的高效智能測試系統包括穩壓直流電源、負載變頻電機、變頻器、聯軸器、扭矩/轉速傳感器、水冷系統、功率分析儀、工控上位機、Pt100 溫度測量儀、以太網路由器等。系統組成如圖3所示。

圖3 智能測試系統Fig.3 Intelligent test system

整個電機測試系統外接三相交流電源，整流成直流電源，一方面經過穩壓直流電源給電機控制器供電，另一方面供給變頻器控制負載變頻電機。使用功率分析儀EV3000 測量電機系統中的電壓、電流和頻率，扭矩/轉速傳感器測量電機的輸出[6]。測量信號通過網線傳輸給工控上位機顯示，上位機可實現測量數據的數值及其波形顯示、諧波分析和3 種功率（有功功率、無功功率、總功率）的計算、數據和屏幕圖像的保存。測試系統的測量范圍見表1。

表1 智能測試系統的參數Tab.1 Parameters of intelligent test system

測試系統的外接電源為手動操作，穩壓直流電源、變頻器、冷卻系統的繼電器通斷是由上位機發控制命令，通過以太網線傳輸到PLC，再由PLC 控制繼電器。穩壓直流電源（電壓、電流、功率）的設置，水冷系統、風機和變頻器（轉速、方向、轉矩）的設置都是上位機通過以太網線發送控制信號，控制負載變頻電機按控制要求運行，所有的通信均采用ModBus 協議。被測電機的轉速轉矩和溫度信號均通過CAN 總線傳輸。電機繞組和控制器溫度的測量采用鉑電阻Pt100 溫度傳感器，通過RJ45 發送到上位機軟件。

3 測試系統的主要功能模塊

3.1 轉速轉矩傳感器

電機測試系統最主要的功能是測量電機的輸出轉速轉矩性能。在此測試系統采用非接觸的Kistler 法蘭式扭力傳感器，由應變片法蘭盤和接收器組成，兩部分不直接接觸，間隙一般3～5 mm。應變片法蘭盤直接安裝到電機軸上，無需軸承。電機旋轉時，應變片法蘭盤因為切向應力產生形變，法蘭盤內部放大器把形變轉化為電信號并進行放大，再將其調制為高頻信號并通過環形天線發射到接收器，接收器處理后將結果發送到功率分析儀EV3000。該方法為非接觸式測量，旋轉的法蘭不需要連接電源線，成本低，可靠性高，測量精度高。

3.2 功率分析儀

功率分析儀用于測試電機和控制器系統性能，完成所有電信號的測量和分析。在此測試系統采用銀河EV3000 功率分析儀。EV3000 有4 個通道，其中3 個通道采用三表法測量電機三相繞組的電壓電流，三相繞組穿過功率分析儀電流傳感器，功率分析儀的3 個電壓傳感器并聯到三相繞組的接線端。三表法能準確測量電機的三相電壓、三相電流、3 種功率、功率因數、頻率。EV3000 的另一個通道測量控制器的輸入端直流母線電壓電流。EV3000 還可以對電壓電流信號進行諧波分析。

3.3 上位機監控軟件

工控機作為整個電機測試系統的控制中心，一方面要完成測試人員的操作命令 （包括上下電、加載、調速），另一方面要自動記錄電機的運行信息。測試人員通過上位機軟件和通信卡來實現對整個系統的監控。上位機程序基于LabVIEW 平臺開發。LabVIEW 是圖形化編程環境，由前面板和程序框圖2 個窗口組成。在前面板里可以設計各種人機交互界面和數據、波形顯示；在程序框圖里完成各個模塊之間的數據處理，對數據實現各種算法處理和分析，并與外部傳感器模塊進行通信[7-8]，采樣頻率為20 kHz，還可以鏈接SQL Server 數據庫作為存儲測量數據，測量數據通過Excel 表格或doc 文檔的方式存儲，便于測試人員對試驗數據進行比對分析和后處理。

3.4 能量回饋模塊

汽車正常運行時，被測電機工作于電動狀態時，變頻電機作為負載提供反向轉矩，被測電機帶動變頻電機旋轉，變頻電機工作于發電狀態；汽車下坡或制動時，變頻電機作為原動機帶動被測電機旋轉，被測電機工作在發電狀態。在任一時刻，被測電機和變頻電機總有一個工作于發電狀態，通過能量回饋模塊將發電回饋到測試系統中，能有效地提高能量利用率，減少測試系統對外部電源的需求。

能量回饋技術有2 種方式：共用電網交流電源和共用直流回路母線，如圖4所示。共用電網交流電源，要求被測汽車電機和變頻負載電機都采用交-直-交逆變器方式，而且能量回饋到電網需要保持電壓同相位和幅值，控制算法難度大[9]。由于被測汽車電機和變頻負載電機都采用直-交變頻器驅動方式，所以2 個電機控制器的直流電源可以采用共用直流回路母線（2 個電機控制器并聯方式），僅需1 套整流電路就可以實現外部三相交流電源對2 個電機控制器的供電，能量回饋系統結構簡單。

圖4 兩種能量回饋的方法Fig.4 Two energy feedback methods

4 試驗內容

根據國標GB/T 18488．2—2006《電動汽車用電機及其控制器試驗方法》，對一款純電動大客車輪邊驅動永磁同步電機系統進行性能測試，輪邊驅動電機和控制器通過循環水冷進行冷卻。電機額定功率36 kW，最大電流400 A；電機額定轉速6500 r/min，超過額定轉速采用弱磁方式升速；電機控制器功率60 kW，采用空間矢量控制SVPWM （space vector pulse width modulation）算法，元器件型號均采用汽車級認證器件。

4.1 輪邊驅動電機及控制器性能測試

按照圖2c 安裝被測電機、連接電源電路和測試電路。

打開測試設備電源，并將電流、電壓、轉速、轉矩傳感器的測量數據校零，開啟被測電機水冷系統和軸承箱風冷系統，接通負載變頻電機控制器電源，設置穩壓直流電源參數。根據純電動汽車動力要求，電機可工作于轉速控制方式和轉矩控制方式，在此系統中被測電機采用轉矩控制，負載變頻電機采用轉速控制。水流量12 L/min；水溫度30 ℃；母線電壓600 V；轉速自100 r/min 依次遞增至6500 r/min；在各個轉速下，轉矩自0 N·m 增加，直至達到峰值轉矩為止。圖5 為上位機監控軟件顯示額定轉速下不同負載轉矩時電機性能數據。

圖5 上位機監控界面Fig.5 Upper computer monitoring interface

該測試系統可以自動繪制出電機系統的機械特性、效率MAP 圖及溫升特性曲線等，如圖6所示。由圖6a 可見，控制器效率最高位置在額定功率點附近，在95%以上，控制器效率大于90%的工況占總工況90%以上；由圖6b 可見，電機效率最高位置在額定功率36 kW 以上的工況，在93．78%以上，電機效率大于90%的工況占總工況70%以上。不同工況下電機能耗比和功率因數隨轉速變化的曲線關系如圖6c所示。

圖6 電機和控制器的性能Fig.6 Motor and controller performance

4.2 高效測試系統驗證

由于汽車驅動電機經常是長時間運行，而且多為四象限交替運行，測試過程中要盡量降低能耗。在此電機測試系統采用共用直流回路母線技術實現能量回饋，被測電機運行在電動和發電狀態下測試系統的能耗見表2。由表可知，測試系統的能耗為被測電機系統與負載變頻電機的電磁損耗、雜散損耗、電力電子器件的損耗、聯軸器摩擦損耗和風阻損耗、水冷系統的能耗與整流電源的能耗之和[10]。消耗型測功機的能耗約為被測電機的輸入功率與測功機的消耗功率之和，該測試系統可以節省70%～90%的電能。該系統能大大減少測試時的用電量，同時自動化的數據記錄提高了測試工作效率。

表2 智能測試系統的能耗Tab.2 Energy consumption of intelligent test system

5 結語

采用異步變頻電機作為被測電機的負載，能夠配合被測電機完成電機四象限運行的各項測試；同時采用共用直流回路母線技術，實現被測電機和負載變頻電機之間的能量回饋，試驗結果表明有70%～90%的節能效果；基于LabVIEW 的上位機監控軟件，能實時顯示電機系統的所有運行參數，自動完成數據分析并生成試驗報告。該方案比傳統的人工試驗或者記錄方案具有更快的試驗速度，在電機批量生產中實用性較強。