電動車動力系統測試平臺的設計與實現

韓福江，冀明路，蔣 眾，孫志紅，徐海東

(北京航天發射技術研究所,北京 100076)

0 引 言

目前，國內外大力發展電動車產業，因此作為電動車關鍵組成部分的動力驅動系統測試技術已經成為研究熱點[1]。電動車驅動系統工作原理有別于傳統車輛，其驅動電機和控制器特有的性能參數是影響整車性能的關鍵[2]。因此，進行電動車動力驅動系統測試是電動車開發中必不可少的環節。

早期的動力驅動系統測試平臺較為簡易，一般用機械飛輪組合模擬車輛慣量，存在級差且大慣量模擬時轉速范圍較低等缺點[3]。此外，傳統測試平臺的調速范圍較小，難以對復雜車輛工況進行測試。而且缺乏測量電機電壓、電流、功率因數等電學性能的手段，無法有效地穩定驅動電機的動力電源[4-6]。因此，開發一種能適應多種不同特性的電機測試平臺是目前電動車測試部門的首要任務。

本文研制的電驅動力系統測試平臺作為半實物模擬試驗測試系統[7-8]，采用模塊化設計，單部件測試可針對不同類型驅動電機及控制器、動力電池等部件進行測試；同時可針對動力總成進行聯調測試，且可進行自定義路況試驗[9]。基于車輛控制器局域網總線(CAN)的通信模式[10]，可針對不同動力驅動系統快速靈活配置。根據電機的最高轉速，試驗臺架有2種不同的布置方式，能夠適應低轉速高扭矩以及高轉速低轉矩的極端工況[11-13]。同時,將功率分析儀等測量儀器集成在測試平臺中，用于采集與分析動力驅動系統的電機性能和控制器性能的測試數據[14-16]。

1 測試平臺模塊化設計

電動車動力系統測試平臺組成如圖1所示。整個測試平臺主要由測功機系統、變速器、扭矩儀、被測電機系統、被測電機供電系統、冷卻系統、測控系統、輔助支架等組成。被測電機最高轉速介于2 800～9 000 r/min之間，可進行工作轉速在較大范圍內的電動車動力系統測試。

圖1 電動車動力系統測試平臺組成

1.1 測試平臺布置

測試臺架分為直連模式、非直連模式適應低轉速和高轉速的寬速范圍動力系統測試。實物布置圖如圖2所示。

圖2 測試平臺實物

直連模式下，測功電機與被測電機通過聯軸器直接相連，可進行大扭矩重載電機的測試。

非直連模式下，測功電機與被測電機間通過變速箱傳動，實現高轉速工況下的測試。該工況下，測功機經變速箱與被測電機連接，最高轉速達到10 000 r/min，超過被測電機最高轉速9 000 r/min，符合測試平臺要求。變速箱具體參數如表1所示。

1.2 測功機系統

測試平臺利用250 kW電力測功機、ABB交流變頻系統及風冷制動電阻柜組成測功機系統。測功機系統最大輸出轉速為3 800 r/min，最高輸出轉矩為4 700 N·m。

表1 變速箱具體參數

1.3 直流電源

被測電機供電單元采用TN-QCZ04電動車電機控制電源，直流電壓調節范圍為DC50～800 V，電流調節范圍為10～600 A。主要由升壓變壓器、電抗器、整流、直流調壓部分等組成。系統試驗時為電機及控制器供電通過RS485與PC機通信，智能監控電源。自帶制動電阻單元，滿足連續4 h 100 kW的放電功能。

1.4 功率分析儀

采用美國泰克公司PA4000功率分析儀對被測電機及控制器的性能參數進行采集分析。控制器輸出的三相電壓和直連母線輸出的電壓直接輸入功率分析儀;直流母線電流通過霍爾電流傳感器輸入功率分析儀;輸出端的三相電流通過電流鉗輸入功率分析儀。

2 測試平臺的測控系統設計

測試平臺通過測控系統根據試驗要求對測功機和被測電機進行測試工況控制，同時通過傳感器對轉速、扭矩、電流、電壓、溫度等參數進行實時監控，記錄測試數據并利用工控機配置軟件開展數據分析。測控系統原理框圖如圖3所示。測試平臺的測控系統分成主控系統部分和輔助系統部分。

圖3 測控系統原理框圖

2.1 主控系統

主控系統以工控機為控制核心，采用現場總線控制測功機系統和被測電機系統，實時接收試驗操作人員的控制指令；通過現場控制器PLC作數據交換對輔助系統進行控制和狀態監控；工控機擴展PCI插槽的多功能高精度采集卡可對現場傳感器轉速、扭矩信號進行采集；直流母線電壓電流信號和三相交流電壓電流信號由功率分析儀處理后經以太網反饋至工控機。測試平臺數據采集系統中主要測量參數的測量設備及精度，如表2所示。

表2 數據采集參數及設備列表

2.2 輔助系統

輔助系統為試驗系統提供輔助控制。其輔助控制核心為具備以太網通信功能的西門子S7-1200系列PLC，控制液壓站油泵電機和測功機風機等；采集輔助信號，如測功機軸承溫度、變速箱軸承溫度等；檢測故障信號，起保護測試平臺和被測電機作用。

2.3 CAN通信配置

傳統的電機測試平臺不具備與被測電機進行通信的功能，若被測電機和控制器發生故障報警，無法自動停止，存在安全隱患。測試系統要檢測被測電機的故障反饋，需要建立兩者之間的通信[17]。本文測試平臺與被測電機及控制器間為CAN總線通信，符合J1939協議要求，但是其中每一個數據位代表的量均會有相應的變化。傳統試驗平臺一般只適配一種CAN協議，每次更改協議均需要程序員重新修改測試軟件，極不方便。因此，基于用戶層開發了一個能適應多種CAN通信協議的配置系統，能夠滿足更多類型被測電機及控制器的試驗。CAN通信收發報文配置界面如圖4、圖5所示。

圖4 發送報文配置

圖5 接收報文配置

CAN協議配置主要對CAN發送報文和接收報文進行配置，J1939協議采用擴展幀29位標識符，應用PDU格式，由P(優先級)、R(=0)、DP(=0)、PF(=255)、PS、SA(123-253)組成，data數據位一共64位。

CAN報文含有地址ID、間隔時間和數據。其中，對64位的數據是配置的關鍵。發送報文中，將指令轉速和指令扭矩等參數模塊化，可以設置這些參數的比例和偏移量，并以數字代號“0”…“8”表示發送報文中的設定參數。可將自定義轉速開啟、轉速停止、扭矩開啟、扭矩停止、故障復位等指令中填入相應的參數代號。接收報文中，將讀取的實際轉速和實際扭矩等參數模塊化，以數字“0”…“47”表示接收報文中的讀取參數。可對3種不同類型的CAN接收報文協議進行配置。

3 測試平臺試驗功能

該測試平臺具有開展多種試驗的功能，包括：(1)電機帶控制器空載運行試驗；(2)電機帶控制器負載運行試驗；(3)電機帶控制器堵轉試驗；(4)電機帶控制器負載熱試驗；(5)能量回饋試驗；(6)自定義道路工況模擬加載試驗；(7)電慣量模擬試驗；(8)動力總成聯調試驗。本文主要對被測電機負載運行試驗、能量回饋試驗、效率分析、電慣量模擬試驗和負載熱試驗進行測試功能的介紹[18]。

3.1 負載運行試驗

電動車要求動力驅動系統輸出特性曲線包括2個工作區:基速以上的恒轉矩區，保證電動車的載重和低速加速能力；基速以下的恒功率區，保證電動車有充足的高速行駛和加速空間。因此，需要選擇合適的轉速轉矩工作點測試電機驅動特性。負載運行試驗中，測功機輸出正轉速，被測電機輸出正扭矩。被測電機帶動測功機進行運轉，處于電動狀態。

本文針對18 kW電機，選取額定電壓325 V (電動)、過電壓400 V(電動)、欠電壓250 V(電動)3個典型狀態下的特性曲線進行分析。電動工況下，500～8 000 r/min每間隔500 r/min取一個轉速點，恒轉速區每個轉速點下0～180 N·m間隔10 N·m為一個轉速轉矩點；恒功率區每個轉速點下從0至最大轉矩間隔10 N·m為一個轉速轉矩點，每個轉速轉矩點記錄電機轉矩、轉速、電流和電壓等參數。

3.2 能量回饋試驗

能量回饋試驗是模擬制動過程中，測試被測電機處于發電狀態下的工作性能。測試過程中，測功機給定正轉速，被測電機輸出負扭矩。測功機帶動被測電機運轉，處于發電狀態。發電工況，直流電源輸出325 V。500～8 000 r/min間隔500 r/min取一個轉速點，恒轉速區每個轉速點下0～-180 N·m間隔-10 N·m為一個轉速轉矩點；恒功率區每個轉速點下從0至最大轉矩間隔-10 N·m為一個轉速轉矩點，每個轉速轉矩點記錄電機轉矩、轉速、電流和電壓等參數，特性曲線如圖6所示。

圖6 18 kW電機轉速轉矩特性曲線

由圖6可知，過壓的電機特性曲線與額定電壓的電機特性曲線基本吻合。額定電壓狀態和過壓狀態的恒扭矩速段為0～2 000 r/min；欠電壓狀態的恒扭矩速段為0～1 000 r/min，電機的負載能力明顯下降。恒功率區欠壓狀態的最大扭矩明顯小于額定電壓狀態和過壓狀態的最大扭矩。由此推斷恒功率區段欠壓的輸出最大功率小于額定電壓和過壓的最大功率。發電狀態恒轉速區段為0～2 000 r/min，與額定電壓下電動狀態時的特性曲線基本對稱。

3.3 效率分析

電機的效率特性是整車廠選擇電機和整車控制系統開發的關鍵參數，可以驗證電動車輛及其驅動、控制裝置的開發和測試設計的正確性，評估其性能指標能是否滿足設計要求。其中，效率參數主要包括電機本體效率、電機逆變器效率和電機系統效率。本文主要對電機系統效率進行處理和分析。

電機輸出功率計算式：

(1)

電機控制器輸出功率計算式：

Pf=3Uf·If·cosφ

(2)

直流電源輸出功率計算式：

Pm=Um·Im

(3)

電動工況電機系統效率計算式：

(4)

發電工況電機系統效率計算式：

(5)

式中:Pe為電機輸出功率；Te、ne為電機輸出端扭矩和轉速；Pf為電機控制器輸出功率；Uf、If為電機控制器輸出相電壓和相電流；cosφ為功率因數；Pm為直流電源輸出功率；Um、Im為直流電源輸出直流電壓和電流；η1、η2為電機在電動和發電工況下的系統效率。

電機MAP圖(又叫等高線圖、云圖)是電機測試時生成的一種數據曲線圖，主要是反映在不同轉速、扭矩下的電機效率分布情況[19]。本文采用MAP圖對4種不同工況下18 kW電機及控制器的系統效率進行分析,結果如圖7～圖10所示。

圖7 額定電壓MAP圖

從圖7可以看出，額定電壓下，當電機處于4 000 r·min、100 N·m區域，驅動系統的效率最高，達到94%；當電機處于低速運行時(0～1 500 r/min)和低扭矩運行時(0～30 N·m)效率比較低。高效區(效率在85%以上)電機轉速范圍在1 500～7 000 r/min范圍內。可見,驅動系統的高效區工作轉速范圍較大，基本可以滿足電動汽車整車性能工況要求。

圖8 過壓MAP圖

從圖8可以看出，過壓狀態下，當電機處于4 000 r/min/90 N·m區域，驅動系統的效率最高，達到93%；當電機處于低速運行(0～1 500 r/min)和低扭矩運行(0～30 N·m)時效率比較低。高效區電機轉速范圍在1 500～7 000 r/min范圍內。與額定電壓相比，過壓狀態下驅動系統相同轉速轉矩點的工作效率更低。

圖9 欠壓MAP圖

從圖9可以看出，欠壓狀態下，最高扭矩從1 000 r/min開始明顯下降，說明欠壓時電機驅動負載能力下降。當電機處于3 500 r/min/80 N·m區域，驅動效率最高，達到94%。高效區電機轉速范圍在1 500～6 500 r/min范圍內。可見,驅動系統的高效區工作轉速范圍較大，基本可以滿足電動汽車整車性能工況要求。

圖10 能量回饋下的MAP圖

從圖10可以看出，當電機處于4 000 r/min、-100 N·m區域，驅動系統的效率最高，達到87%；高效區(效率在85%以上)的范圍不足一半。由此可知，驅動系統能量回饋效率較低。

3.4 電慣量試驗

傳統的測試平臺應用機械慣量模擬車輛行駛中的運動慣量，精度低且存在級差。為此基于電慣量模擬技術，通過將車輛運動慣量折算到測功機軸的慣量，以模擬各種復雜路況下的車輛慣量[20]。

驅動系統電機端通過轉速控制進行升速試驗：驅動單元從0加速到額定轉速500 r/min；減速試驗：驅動單元從額定轉速500 r/min減速至0。試驗過程通過設定電機加速時間，保證升速加速度為20 (r/min)/s，減速加速度為-20 (r/min)/s。

加載單元電機端分別進行2.171、4.343、6.516、7.602 kg·m2的電慣量模擬試驗，并記錄升速過程和減速過程中加載單元電機扭矩以及被測電機端的扭矩。加載單元電機端力矩即為電慣量模擬時附加的慣性力矩，其理論計算式如下：

(6)

式中：TJ為測功機輸出慣性力矩；T0為給定扭矩值；J為模擬慣量；J0為原系統慣量；α為被測電機加速度；i為傳動比，i=-3.034。

忽略阻力矩,有:

(7)

式中：T1為被測電機端扭矩。

被測電機驅動臺架從0升速至額定轉速500 r/min，再驅動臺架由500 r/min減速至0，全過程中測功機根據要求進行不同的電慣量模擬加載。由此可以得到不同電慣量下的特性曲線,如圖11所示。

圖11 電慣量測試

圖11分別為2.171、4.343、6.516、7.602 kg·m2的電慣量模擬結果。根據試驗結果可以看出，在升減速階段，測量得到的扭矩值在不同電慣量模擬工況下出現明顯不同，隨著模擬慣量的增大，需要更大的扭矩完成加減速過程，隨著給定模擬慣量值的增大，測功機輸出慣量模擬力矩與理論計算值的變化趨勢一致，測功機電慣量模擬功能良好，因此可根據不同工況下車輛運動慣量調整電慣量進行模擬。此外，測功電機所模擬的慣量越大，被測電機轉速控制穩定性越低。當系統進行大慣量模擬時，出現速度波動是正常的；當模擬慣量超過一定范圍，被測電機轉速控制將無法穩定。

3.5 溫升試驗

電機溫升通常指額定負載下繞組的溫升。不同絕緣等級的電機繞組有不同的溫升限制，為了保證行駛工況下的電機壽命，需考察驅動電機的溫升特性。此外，電機控制器是電動車驅動系統的核心部件，須具有耐高溫、高可靠性和高集成度的特點，因此需考察控制器的耐高溫性能。

選擇在額定轉速為3 000 r/min，額定扭矩為57 N·m工況下進行溫升試驗。通過數據采集系統自動采集存儲試驗數據，電機及控制器溫升試驗結果如圖12所示。

圖12 電機及控制器溫升試驗結果

由圖12可以看出，隨著運行時間增長，溫度出現增大趨勢。其中，控制器在穩定運行后溫升幅度相對較小，而電機繞組和電機溫度的溫升幅值較大。

4 結 語

(1) 本文測試平臺采用模塊化設計能實現寬轉速范圍(0～10 000 r/min)的電機試驗。

(2) 針對CAN通信協議不同的電機控制器，該試驗系統能實現通信協議的自主配置，可適應多種類型控制器。

(3) 該測試平臺能完成不同類型的電機及控制器的性能試驗，且可自動繪制電機效率MAP圖分析其驅動性能。