王記磊，楊 坤，王 杰，張學義，郭 棟，白國軍

（1.廣東省珠海市質量計量監(jiān)督檢測所，廣東，珠海 519060；2.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東，淄博 255049）

電機性能的好壞直接決定了新能源汽車整車性能的好壞，這是因為從動力源角度看，新能源汽車與傳統(tǒng)車的主要區(qū)別在于是否用電機或電機和發(fā)動機的組合取代了發(fā)動機[1-2]。因此，電機性能測試成為新能源汽車開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。然而，由于電機性能測試設備價格昂貴，電機性能多由整車廠委托測試部門測試，存在測試周期長且測試項目不能完全滿足整車廠需求的問題。如何從整車使用的角度，準確、高效地對電機性能進行測試成為整車廠及測試部門亟待解決的關鍵問題。

引用格式：

本研究針對整車廠對電機性能測試的需求進行了深入分析，提出了動力電機系統(tǒng)測試平臺方案，對測功機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等進行了設計選型，并基于測試需求對搭建的測試平臺進行了驗證。相關研究對車用動力電機測試系統(tǒng)開發(fā)具有一定的參考價值。

性能測試定位力矩測量測試轉速/轉矩階躍響應特性測試轉矩穩(wěn)定性測試轉矩精度測試過載能力測試動態(tài)循環(huán)工況測試耐久性測試電機高溫工作測試電機低溫工作測試升降法耐久性測試磁鐵消磁模式耐久性測試電機系統(tǒng)加、減速冷熱耐久性測試電機系統(tǒng)高速循環(huán)耐久性測試電機及控制器高溫放置測試電機及控制器低溫放置測試電機及控制器高濕度放置測試電機密封性老化測試熱態(tài)絕緣電阻測試過轉動、屈服轉速、耐破度測試全負荷測試電機及控制器耐久性測試

1 車用動力電機測試需求分析

工業(yè)用電機測試主要包括外特性測試、效率測試、啟動性能測試、空載特性測試、外殼防護測試、絕緣性能測試、濕熱測試等靜態(tài)測試[3]。新能源汽車作為一種道路車輛，工作條件惡劣，工作負荷與轉速變化劇烈，且工作空間有限[4]，因此對電機及控制器的性能要求更為嚴格，傳統(tǒng)的電機測試項目遠不能滿足新能源汽車電機測試的需求。此外，車用動力電機對動態(tài)特性、安全性及可靠性要求高，所以對動力電機系統(tǒng)的測試還應科學、準確、全面地反映新能源汽車的道路工況[5-7]。據(jù)此，本文根據(jù)某整車廠整車開發(fā)需求、動力電機產品檢驗規(guī)范、產品復驗規(guī)范，結合相關國家標準，從性能和耐久性測試角度出發(fā)，提出了表1所示的需求列表。

2 動力電機系統(tǒng)測試平臺方案

為了實現(xiàn)表1所示的測試項目，提出了如圖1所示的測試平臺方案。平臺主要包括：電源系統(tǒng)、測功機、被測電機驅動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)、被測電機冷卻系統(tǒng)、被測電機環(huán)境系統(tǒng)等。測功機的作用是模擬整車負載，并向被測電機提供負載，它與電機通過中間軸連接，通過轉矩計來檢測測功機的轉速和轉矩，中間軸通過安裝面板與被測電機相連，設置安裝面板的目的是適應不同電機測試的需求。電機外部設有環(huán)境艙，用于驗證高低溫下的電機性能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來采集電機的轉矩、轉速、交流電電流、直流母線電流、電機溫度、測功機溫度等參數(shù)，用于分析電機的各項性能。控制臺用來處理各傳感器的信號，并將其反饋給操作人員，同時根據(jù)相關信號給控制柜發(fā)送指令，以控制電源系統(tǒng)的工作。電源系統(tǒng)包括變壓器、主機柜、輔助柜、過濾柜、電源再生柜、逆變器柜、電池模擬器，其中，變壓器用來轉換電網(wǎng)動力電；主機柜、輔助柜用來給各試驗設備供電；過濾柜用來過濾電流中的雜波；電源再生柜用來儲存設備中多余的電能，以備下次使用；逆變器柜用來給測功機供電；電池模擬器用來模擬車載動力電池，向被測電機提供直流電。

表1 車用電機測試需求

圖1 動力電機系統(tǒng)測試平臺原理示意圖

3 動力電機系統(tǒng)測試平臺設計

3.1 測功機選型

測功機系統(tǒng)是測試平臺的關鍵組成部分，用于模擬整車道路負載，并測量電機的轉矩、轉速、電流、電壓、功率、效率等參數(shù)，以完成表1所示的測試項目。常用測功機有水力測功機、電渦流測功機和電力測功機，根據(jù)整車測試需求，要求測功機具有超低轉速、反拖能力、控制精度高、響應速度快、轉動慣量低、電能回饋等性能，因此本研究選用了電力測功機[8-10]。

測功機的選型主要考慮以下三方面的因素：一是測功機的轉矩測試范圍不能長時間超過最大轉矩值的120%，超載時間不能大于120 s；二是測功機轉速測試范圍不能長時間超過所能承受的最大轉速，否則將會大大縮短測功機使用壽命；三是測功機的功率測試范圍，尤其是吸收功率，要大于電機最大功率的15%以上，以免測功機因熱量不能及時散出而損壞。本研究從兩個方面確定了3個參數(shù)，一是要求所選測功機能夠覆蓋目標整車廠的主流車型動力系統(tǒng)測試需求；二是通過調研國外相近車型動力系統(tǒng)的參數(shù)來兼顧未來的開發(fā)需求。

整車廠的目標車型主要涉及一款A0級、一款A級和一款B級純電動車，一款輪轂電機電動車，一款B級插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）和兩款C級PHEV，而測功機廠家可提供的測功機有四款。測功機1不能覆蓋整車開發(fā)需求；測功機2雖能覆蓋整車開發(fā)需求但是功率與PHEV2的電機功率接近（＜15%），余度較小，存在過載風險；測功機4的余度過大，導致成本增幅較大；而測功機3各方面均較合適。測功機及電機特性對比如圖2所示。

圖2 測功機及電機特性對比圖

為了兼顧整車廠未來開發(fā)的需求，對國外同類型新能源電動車的功率、 轉矩、轉速等參數(shù)進行了對標分析，其中主流的電動車電機功率需求分布如圖3所示，所選測功機可以覆蓋相應的功率需求。

圖3 國外主流電動車電機功率需求分布圖

此外，為了保證測功機具有高效率、低噪聲的特性，考慮選用水冷式測功機。同時，由于被測電機的轉動慣量低，且測功機的轉動慣量要低于被測電機轉動慣量的要求，考慮選用永磁同步測功機。

基于上述條件及廠家資源確定所選測功機主要參數(shù)，見表2，其中FS為滿量程。

表2 測功機主要參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的作用是測取電機系統(tǒng)輸入及輸出的轉矩、轉速、電流、電壓、溫度等參數(shù)，同時根據(jù)相應的參數(shù)實現(xiàn)對測功機、電池模擬器的控制，系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)由工控機和控制單元（PLC）兩部分組成，工控機用來接收各傳感器信號及操作人員指令，并給控制單元和電池模擬器發(fā)送控制信號，其中測功機與被測電機之間的轉矩及轉速通過轉矩計測量，測量信號經轉矩放大器放大后通過Ethrenet網(wǎng)傳遞給工控機；電池模擬器與被測電機逆變器間的直流電參數(shù)及被測電機逆變器與被測電機之間的交流電參數(shù)均由功率分析儀測量后通過Ethrenet網(wǎng)傳遞給工控機；被測電機、逆變器溫度由溫度傳感器測量后，經熱電偶放大器通過工控機內部的采集卡傳遞給工控機；PLC的作用是防止在試驗過程中上位機（工控機）出現(xiàn)問題而造成測功機系統(tǒng)失控，從而保護測功機系統(tǒng)，并增加系統(tǒng)的可靠性。同時，為了減輕信號干擾并增加系統(tǒng)的可靠性，PLC與逆變器和電池模擬器之間的通信采用了光纜通信。此外，控制系統(tǒng)還能滿足電機動態(tài)特性測試的要求，即控制測功機提供一個模擬電動車實際行駛工況的連續(xù)動態(tài)負載，以在整車開發(fā)未完成之前，從整車應用的角度實現(xiàn)對電機的校驗。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所測量的參數(shù)及測量要求見表3，表中FS為設備滿量程讀數(shù)，sd為設備讀數(shù)值。

表3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量參數(shù)及設備列表

3.3 供電系統(tǒng)設計

被測電機和測功機在進行驅動和制動的過程中，將時刻產生電流，供電系統(tǒng)的設計對提高供電效率，避免電流回饋對電網(wǎng)造成諧波干擾至關重要。為此，提出了一種用于動力電機試驗臺供電系統(tǒng)的全新設計理念——共直流母線技術，其原理如圖5所示。供電系統(tǒng)采用交直流電壓型逆變器拓撲結構，集成電池模擬器，形成能量循環(huán)，使一個電機吸收并返回到直流母線的能量正好驅動另一個電機工作，從而提高了能量利用率，減小了回饋電網(wǎng)的諧波干擾。在整個循環(huán)過程中，電網(wǎng)只需提供試驗設備和被測電機系統(tǒng)消耗的部分電量，電壓波動明顯減小。此設計有兩個優(yōu)點：一是電網(wǎng)預留的電量可以明顯減小，提高了能源利用效率；二是避免了對電網(wǎng)的干擾，節(jié)省了有源濾波器，降低了系統(tǒng)成本。

圖5 測功機供電系統(tǒng)原理圖

4 測試平臺驗證

基于表1所示的測試項目，對搭建的測試平臺進行了驗證。重點對測功機的堵轉角度控制、轉速控制、電池模擬器輸出電壓精度、電機轉矩精度、電機效率特性、電機循環(huán)工況驗證、電機溫升等7個典型的功能進行說明。

4.1 堵轉角度控制功能驗證

堵轉角度控制功能是車用動力電機系統(tǒng)測試平臺的重要性能之一，主要用于驗證在不同堵轉角度下，被測電機輸出轉矩的穩(wěn)定性。由于電動機具有在0轉速及低速情況下可輸出大轉矩的特點，因此多數(shù)電動車取消了離合器，這導致電動車與傳統(tǒng)汽車在起步時存在明顯差異。傳統(tǒng)汽車在起步時，發(fā)動機已有一定轉速，將變速器擋位由空擋換為1擋開始啟動；而電動車在電機驅動啟動時，需要從0轉速啟動，此時，電機在接近0轉速的情況下，就要輸出很大的轉矩。

為了測試動力電機的起步功能，要求在各轉矩下，測功機在0～40 r/min時，轉速控制均勻，無停頓現(xiàn)象。因此，在測功機上設置堵轉機械裝置，將360°平均分成720個點，每0.5°作為一個步長。測試時，先不對被測電機進行任何控制，此時被測電機既沒有轉矩輸出也沒有轉速輸出。選定測功機角度，通過測功機本身的軸鎖機構鎖定測功機，此時對被測電機通過轉矩控制方式施加相應的載荷。在電機施加轉矩的情況下，讓電機按照指令以0.5°的步長緩慢旋轉，以測試測功機能否穩(wěn)定運轉，測試結果如圖6所示，實際測量最大偏差為-0.30°，滿足技術指標要求（＜±0.5°），即完全能夠滿足電動車起步功能測試的要求。

圖6 測功機堵轉角度偏差

4.2 測功機轉速控制功能驗證

在電機特性測試時，測功機一般在轉速控制模式下工作，因此測功機的轉速控制精度影響著電機性能測試的準確程度。在各種載荷下，控制測功機從0 r/min開始運轉至16 000 r/min，其中數(shù)據(jù)采集間隔為100 r/min。根據(jù)試驗要求，測功機轉速精度應不大于±0.02%FS，測試結果如圖7和圖8所示，0～16 000 r/min內測功機的轉速控制偏差小于3 r/min，控制精度均能滿足要求。

圖7 測功機轉速控制偏差值

圖8 測功機轉速控制精度

4.3 電池模擬器的輸出電壓精度驗證

電池模擬器的輸出電壓精度是影響試驗臺性能的另外一個重要因素。測試時，控制輸出電壓在0～650 V之間變化，其中數(shù)據(jù)采集間隔為50 V。測試結果如圖9所示，實際最大偏差0.74 V，滿足技術指標要求（要求最大±1V DC）。

圖9 電池模擬器的電壓偏差值

4.4 電機的轉矩精度測試功能驗證

圖10 電機轉矩測量精度

電機轉矩是電機性能測試的基礎。測試時將測功機設為轉速模式，控制測功機轉速為10 r/min、100 r/min、500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min、…、10 000 r/min，在電機轉矩范圍內以20 Nm為步長控制電機輸出轉矩，檢驗電機轉矩精度是否符合要求。1 500 r/min下的測試結果如圖10所示，測試平臺能夠滿足電機轉矩精度測試的需求。

4.5 電機效率特性測試功能驗證

電機的效率特性是整車廠選擇電機和整車控制系統(tǒng)開發(fā)的關鍵參數(shù)，也是測試平臺重點關注的測試項目，主要包括電機本體效率、電機逆變器效率和電機系統(tǒng)效率。為了充分驗證該功能，以在用的一款電動車電機為測試對象，測試時，設置冷卻水流量為 8 L/min，溫度為 20℃，電壓為 326 V，分別在轉速為 400 r/min、600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1 800 r/min、2 400 r/min、3 090 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，轉矩為 0 Nm、3 Nm、6 Nm、9 Nm、12 Nm、18 Nm、24 Nm、30 Nm、40 Nm、50 Nm、60 Nm、70 Nm、80 Nm、…、130 Nm 的情況下加載運行，記錄每一工況下的電機轉矩和轉速，母線電流和電壓等參數(shù)。數(shù)據(jù)經過控制系統(tǒng)處理后輸出相應的效率，相關數(shù)值與廠家提供數(shù)據(jù)的最大偏差小于0.1%，控制系統(tǒng)輸出的效率特性如圖11～13所示，測試平臺能夠滿足電機效率特性測試的需求。

圖11 電機本體效率特性圖

圖12 控制器效率特性圖

圖13 電機系統(tǒng)效率特性圖

4.6 電機的循環(huán)工況測試功能驗證

為了驗證測試平臺的動態(tài)測試功能，通過控制系統(tǒng)將工況設定為NEDC工況，測試結果如圖14～15所示，轉速和轉矩均符合工況要求，測試平臺能夠滿足電機動態(tài)測試的要求。

圖14 NEDC工況下電機轉矩測試值

圖15 NEDC工況下電機轉速測試值

4.7 電機系統(tǒng)溫升測試功能驗證

電機系統(tǒng)溫升試驗是電機耐久性試驗的重要組成部分，因為電機溫度是決定其能否長時間正常工作的關鍵因素。測試時，需要分別在轉速為400 r/min、600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1 800 r/min、2 400 r/min、3 090 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，轉矩為 0 Nm、3 Nm、6 Nm、9 Nm、12 Nm、18 Nm、24 Nm、30 Nm、40 Nm、50 Nm、60 Nm、70 Nm、80 Nm、…、130 Nm的情況下加載運行，等待溫升達到平衡，通過控制系統(tǒng)記錄溫升平衡時間，達到溫升穩(wěn)定時的冷卻液入水口溫度、電機本體溫度、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）溫度以及逆變器輸出功率、電機輸出功率等。圖16為5 000 r/min時的電機系統(tǒng)溫度變化圖，測試過程中，冷卻水系統(tǒng)的溫度誤差控制范圍在±2 ℃內。在此期間，由于冷卻液的溫度及流量控制精度存在一定誤差，導致IGBT的溫度在17 min時降低，但溫度變化幅度小于2 ℃，測試平臺能夠滿足電機溫升測試的要求。

圖16 電機系統(tǒng)溫度變化圖

5 結論

根據(jù)整車廠開發(fā)需求，對新能源汽車用動力電機系統(tǒng)測試平臺需求進行了詳細分析，據(jù)此提出了測試平臺整體方案，完成了測功機選型，數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)開發(fā)、供電系統(tǒng)設計。依據(jù)測試需求對測試平臺進行了驗證，并基于測功機的堵轉角度控制、轉速控制、電池模擬器輸出電壓精度、電機轉矩精度、電機效率特性、電機循環(huán)工況驗證、電機溫升等7個典型功能進行說明。測試結果表明，所開發(fā)的車用動力電機測試平臺可以滿足整車廠對動力電機系統(tǒng)的測試需求，對車用動力電機測試平臺的開發(fā)具有一定的借鑒意義。

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