新能源汽車用驅動電機性能測試設計與研究

范琳琳，李廣林，王 斌，趙 凱，柳振方，胡志遠，張保磊

(首鋼智新遷安電磁材料有限公司，遷安 064404)

0 引 言

全球面臨著石油能源日益匱乏、環境不斷惡化等問題。隨著國家對節能和環保的重視以及現代高新技術產業的不斷發展，新能源汽車因節能、高效等突出優勢，備受汽車行業關注。驅動電機系統的性能、安全可靠性和穩定性決定了新能源汽車運行過程中的主要性能[1]。新能源汽車在不同工況時，驅動電機要滿足高工作效率、高功率密度、寬調速范圍和良好的動態特性[2]。目前，普遍采用臺架測試方法實現電機性能的測試[3]。本文應用AVL公司推出的高性能電機測試臺架，通過集成被測電機系統、冷卻系統和負載測功機系統，配置功率分析儀、扭矩法蘭、轉速和振動傳感器等設備儀器，構建了新能源汽車用驅動電機性能測試平臺。基于PUMA OPEN測試系統，編制自動測試程序模塊，測量驅動電機系統的性能參數，縮短新能源汽車用驅動電機的研發時間，減少測試成本的投入[4-5]。

1 電機測試系統總體架構

本文通過設計負載測功機系統、電池模擬系統、被測電機系統、測量系統及冷卻系統，搭建了新能源汽車驅動電機測試系統，如圖1所示。

圖1 電機測試臺架功能模塊圖

負載測功機系統主要包括負載測功機、變頻器及測功機操控系統。負載測功機作為被測電機的負載提供單元，使用聯軸器、轉接軸與被測電機進行連接，可以實現轉速、轉矩等的實時同步監控與數據采集，從而得到被測電機在各工況下的測試數據。該測試系統主要包括PUMA控制單元、負載測功機控制單元和PUMA OPEN自動控制系統，通過操作面板控制負載測功機的開關、工作模式、測試過程參數，完成對整個系統的數據測量與控制。

電池模擬系統主要實現模擬新能源汽車動力電池功能，為驅動電機系統提供能量或吸收被測電機在饋電狀態下釋放的能量回饋給電網。

被測電機系統由電機及控制器構成，被測電機與控制器之間通入的是三相交流電。被測電機的輸入端與功率分析儀連接，用于測量被測電機的參數，如電壓、電流、功率和效率等[4]。

測量系統由高精度扭矩法蘭、功率分析儀、數據采集裝置及溫度、壓力、轉速傳感器等組成，主要的測量參數包括轉速、轉矩測量，電壓、電流測量，流量、溫度、壓力等測量。功率分析儀采用TCP/IP通訊方式與PUMA OPEN系統進行數據傳輸。

冷卻系統主要由油冷機、水冷機和風冷機組成，實現負載測功機和被測電機系統的冷卻功能。利用CAN通訊與PUMA OPEN系統實現數據交互。

2 新能源汽車用驅動電機性能測試

2.1 試驗臺架的搭建

基于AVL試驗臺架，以某新能源汽車用驅動電機及電機控制器搭建了如圖2所示的測試系統。測試被測電機的參數值，性能測試主要包括：持續轉矩和持續功率、峰值轉矩和峰值功率、轉矩-轉速特性、超速、高效工作區和動態響應等。

圖2 電機測試系統試驗臺架

采用功率分析儀測量轉速傳感器、扭矩法蘭、電流和電壓傳感器的參數值，通過TCP/IP通訊傳輸到PUMA OPEN系統，實時測量與記錄被測電機系統性能參數，通過對比功率分析儀采集的測量數據與PUMA OPEN系統的在線監控界面，確認了數據的一致性和準確性。

2.2 電機性能測試方案

利用搭建的電機性能測試平臺，設計測試工裝，給定模擬電壓值，設置冷卻系統水溫和流量，嚴格按照國標GB/T 18488.1—2015《電動汽車用驅動電機系統 第1部分：技術條件》和GB/T 18488.2—2015《電動汽車用驅動電機系統 第2部分：試驗方法》中對電機性能測試的試驗操作要求[6-8]，實現對某新能源汽車用驅動電機的性能試驗設計與測試。

2.2.1 新能源汽車用驅動電機的穩態特性測試

新能源汽車用永磁同步電機因具有效率高、損耗低、動態響應快、調速范圍寬、轉速平穩、運行可靠等優點，在電動汽車領域備受關注，是應用于新能源汽車電驅動系統的主流部件[9]。

電機在某一轉速或轉矩下持續穩定運行時的輸出功率和效率等特性是電機穩態特性研究的重點。功率一般指在額定電壓下能夠長期正常運轉的最大功率，是驅動電機匹配優化的重要指標；效率是影響電機性能好壞的關鍵因素，通過利用電機高效區實現降低功耗，提高續航里程的目的[10]。

通過電機效率測試，可得到被測電機的效率和電機驅動系統的整體效率。其中被測電機的效率計算方法：

(1)

式中：ηm為被測電機效率；Pmo為被測電機輸出功率；Pmi為被測電機輸入功率。

持續轉矩和持續功率測試中，設定驅動電機控制器直流母線電壓為額定電壓，臺架轉速設為被測驅動電機額定轉速，轉矩為額定轉矩，記錄持續轉矩值和持續功率值。

高效工作區測試中，設定驅動電機控制器直流母線電壓為額定電壓，臺架轉速設定為被測驅動電機特征轉速點，轉矩為對應的特征轉矩，設定轉矩后等待一定的時間，取其平均值，測試過程中每個轉速轉矩工作點的初始溫度一致，始終保持規定的冷卻液溫度、流量。記錄每個測試點的轉速、實際轉矩、輸出功率、直流電壓、直流電流、直流功率、電機效率、控制器效率和系統效率等參數。

超速測試中，被測電機不通電，先將負載測功機拖動下平穩升速至驅動電機額定轉速，觀察電機運轉情況，無異常后，平穩升速至1.2倍最高工作轉速，在此轉速下持續時間2 min，記錄試驗數據。

轉矩-轉速特性測試中，設定驅動電機控制器直流母線電壓為額定電壓，測功機采用N/T控制模式，控制被測電機和測功機轉速同時穩定在目標轉速，轉矩為目標轉速點對應的額定轉矩和峰值轉矩，設定轉矩后等待一定時間，取其平均值，測試過程中每個轉速轉矩工作點的初始溫度一致，始終保持規定的冷卻液溫度、流量。記錄每個測試點的轉速、實際轉矩、輸出功率、直流電壓、直流電流、直流功率、電機效率、控制器效率和系統效率等參數。

2.2.2 新能源汽車用驅動電機的動態特性測試

電機的動態響應特性指電機在某一條件下運行至穩定狀態，從初始狀態到穩定狀態經過的時間，表征電機改變轉速或轉矩后的響應能力，一般包括轉速和轉矩動態響應測試。

轉速響應測試：設定驅動電機控制器直流母線電壓為額定電壓，被測電機在空載下運行至穩定時，測試電機從初始狀態到額定轉速所用時間。

轉矩響應測試：設定驅動電機控制器直流母線電壓為額定電壓，被測電機在額定轉速下運行至穩定時，測試電機從初始狀態到額定轉矩所用時間。

3 測試結果與分析

本文以某新能源汽車用驅動電機系統為被測電機系統，在搭建的電機試驗臺架上進行持續轉矩和持續功率、峰值轉矩和峰值功率、超速、高效工作區、轉矩-轉速特性和動態響應特性測試。被測電機系統的技術參數如表1所示。

表1 被測電機系統的技術指標

3.1 穩態特性測試結果分析

如圖3所示，在電動狀態下進行的持續轉矩和持續功率的測試結果中，被測電機系統實測轉速為7 499.9 r/min，試驗轉矩為56.8 N·m，持續功率為44.61 kW。從圖4的轉矩-轉速-功率特性可以得到，在轉速3 500 r/min下，峰值轉矩達210 N·m；在轉速5 500 r/min下，峰值功率達119.28 kW。在超速測試中，如圖5所示，轉速為18 000 r/min，驅動電機轉動部分無損壞、無有害變形，證明該電機的最高工作轉速為15 000 r/min。從圖6的效率MAP中可見，被測電機的最高效率可達98.01%，其中電機效率在90%以上的占82.79%，如表2所示。

本文測試基本接近該電機系統的技術指標，表明搭建的驅動電機性能測試系統能夠實現準確測量被測電機系統性能參數的功能。

圖3 持續轉矩和持續功率

圖4 轉矩-轉速-功率特性

圖5 超速測試

圖6 電動狀態下的電機效率MAP

表2 驅動電機高效區占比

3.2 動態特性測試結果分析

轉速和轉矩的響應曲線分別如圖7和圖8所示。在轉速響應特性測試過程中，當被測電機穩定運行在空載狀態時，設定目標轉速為7 500 r/min，轉速響應時間為8 s。在轉矩響應測試中，設定被測電機在空載下穩定運行的轉速7 500 r/min、目標轉矩57 N·m、轉矩響應時間為3 s并維持穩定。由測試結果可知，被試電機的轉速、轉矩的響應時間快，系統穩定后轉速和轉矩基本沒有波動，說明測試系統的抗干擾性強。

圖7 轉速響應曲線圖

圖8 轉矩響應曲線圖

4 結 語

基于AVL電機測試系統，以某新能源汽車用驅動電機及電機控制器搭建電機性能測試平臺，通過設計測試方法完成被測電機的穩態和動態的性能測試，分析測試結果表明該測試系統能夠準確實現驅動電機的工況測試，對電機性能測試方法和整車開發試驗具有指導意義。