伍慶龍 楊鈁 王燕

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：電動汽車 驅(qū)動電機(jī) 電機(jī)性能 效率測試

1 引言

為了有效降低汽車燃油消耗量和尾氣排放，滿足雙積分政策的要求，越來越多的汽車廠對以電能為動力源的電動汽車給予了廣泛的關(guān)注及推動研發(fā)[1]。雖然電動汽車在節(jié)能和環(huán)保方面的優(yōu)勢十分明顯，但與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛相比，由于電動汽車車載能源較少導(dǎo)致了整車?yán)m(xù)駛里程無法大幅度提高。電機(jī)及其驅(qū)動控制器作為電動汽車的核心組件，不同于普通的工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)，其工作狀況更復(fù)雜，性能參數(shù)也更為多樣，同時要求具備能量回收功能。而電驅(qū)動系統(tǒng)效率的高低，對整車?yán)m(xù)駛里程的影響很大，由于驅(qū)動電機(jī)工作負(fù)荷與工作轉(zhuǎn)速變化范圍大，這就要求電機(jī)在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都要求有較高的效率。因此，有必要對驅(qū)動電機(jī)的工作特性進(jìn)行分析，對效率進(jìn)行測試，以便為電動汽車電驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)在高效區(qū)運(yùn)行控制提供技術(shù)支持。

2 驅(qū)動電機(jī)類型

2.1 直流電機(jī)

直流電機(jī)具有成本低、控制簡單及調(diào)速性能好等特點(diǎn)，是電動汽車最早采用的電驅(qū)動力裝置。但因其可靠性低，已逐步被其他電機(jī)所取代，在電動汽車中的應(yīng)用也越來越少。隨著現(xiàn)代電力電子及控制技術(shù)的發(fā)展，其他類型的驅(qū)動電機(jī)表現(xiàn)出了更為突出的優(yōu)勢。

2.2 交流異步電機(jī)

交流異步電機(jī)具有可靠性好、維護(hù)方便、較高轉(zhuǎn)速且無需位置傳感器等特點(diǎn)，可以匹配高速電動汽車。但因其驅(qū)動電路復(fù)雜，變頻控制時會產(chǎn)生高轉(zhuǎn)子損耗、高附加損耗以及鐵耗等，使得其關(guān)注率有所下降，而且相對于永磁同步電機(jī)，交流異步電機(jī)的效率和功率密度并沒有優(yōu)勢。

小波變換是通過伸縮和平移運(yùn)算對信號函數(shù)逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，可以聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求[5]。本文采用Mallat算法實(shí)現(xiàn)小波變換。

2.3 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)具有效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大及振動噪聲小等特點(diǎn)，并具有高轉(zhuǎn)矩過載能力，屬于性能參數(shù)比較好的電機(jī)?，F(xiàn)已成為電動汽車主流的車用驅(qū)動電機(jī)，發(fā)展前景較為廣闊，近年來對于如何設(shè)計(jì)高性能的車用永磁同步電機(jī)成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[2-3]。

2.4 開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠及驅(qū)動電路簡單等特點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)控制，適合于高速工況運(yùn)行。但開關(guān)磁阻電機(jī)相較于永磁同步電機(jī)而言效率偏低，且在車輛運(yùn)行過程中的電機(jī)噪聲和振動都比較大，影響了其在電動汽車上的應(yīng)用。

各種驅(qū)動電機(jī)的基本性能對比分析參見表1，其中“★”數(shù)量越多，表明在該對比項(xiàng)的指標(biāo)表現(xiàn)越好。從表1中可以看出，永磁同步電機(jī)在啟動性能、效率等方面有比較明顯的優(yōu)勢，且從綜合性能分析，永磁同步電機(jī)也更適合作為電動汽車驅(qū)動電機(jī)使用。

3 驅(qū)動電機(jī)工作特性

在純電動汽車行駛過程中，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車不同的是，純電動汽車的驅(qū)動力來自于驅(qū)動電機(jī)而非發(fā)動機(jī)，驅(qū)動電機(jī)輸出的功率，用于克服純電動汽車行駛過程中受到的各種阻力。

式子n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

試驗(yàn)測試時，利用功率儀測試動力電池組的輸出功率Pi和電機(jī)控制器輸出功率Pc，計(jì)算得到電機(jī)控制器效率ηc，利用轉(zhuǎn)矩儀測試驅(qū)動電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T和機(jī)械功率Pm，由Pm和Pc計(jì)算得到電機(jī)效率ηm，然后算出系統(tǒng)總效率η，各部分具體計(jì)算公式如下（5）至（8）所示。

車輛驅(qū)動電機(jī)傳遞到車輪上的力F為：

式中T為驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；ig為變速箱速比；io為主減速比；η為傳動效率。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用SPSS18.0，計(jì)量資料用（±s）表示，組間比較采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料用n（%）表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

綜合式(1)至(3)可得

純電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的工作特性取決于車輛行駛受力狀況，電機(jī)輸出驅(qū)動力應(yīng)與整車所受的行駛阻力相平衡，車輛行駛驅(qū)動力為：

電驅(qū)動系統(tǒng)效率性能的測試是指電機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩條件下穩(wěn)定運(yùn)行，測量電驅(qū)動系統(tǒng)中電機(jī)、控制器的效率及系統(tǒng)總效率，然后繪制電驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩—效率三維MAP圖，分析其效率特性，并提供給開發(fā)設(shè)計(jì)人員，以便達(dá)到控制及效率運(yùn)行區(qū)優(yōu)化的目的。

車輛行駛速度va與驅(qū)動電機(jī)工況轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

1.2.4 超級電容器電極的制備與測試 參考文獻(xiàn)[3]方法組裝了超級電容器，并采用兩電極體系進(jìn)行電化學(xué)測試，測試電位窗口為-1.0～1.0 V。

從公式（4）可以看出，存在由dv/dt決定的高動態(tài)的加速阻力，由于汽車行駛時速度經(jīng)常處于不斷的變化之中（特別是城市中），要使純電動汽車具有良好的動力系統(tǒng)性能，驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)速高、啟動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、系統(tǒng)效率高的特性?？偨Y(jié)起來，電動汽車的驅(qū)動電機(jī)應(yīng)滿足如下的工作特性，以適應(yīng)電動汽車用電機(jī)的選型。

（1）具備高轉(zhuǎn)矩密度和功率密度，在整個運(yùn)行區(qū)域保持高效率；

（2）具備寬調(diào)速范圍，寬恒功率區(qū)域，有高峰值轉(zhuǎn)矩輸出能力；

曾獲農(nóng)牧漁業(yè)部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎、國家科技進(jìn)步二等獎，屢獲“生態(tài)原產(chǎn)地保護(hù)產(chǎn)品”“第十六屆中國國際農(nóng)產(chǎn)品交易會金獎產(chǎn)品”等殊榮，上世紀(jì)八九十年代曾作為釣魚臺國賓館指定水果，用來招待、饋贈外國貴賓，遠(yuǎn)銷國外及港澳地區(qū)……肉色紅潤、口感柔嫩、多汁化渣、風(fēng)味濃郁，一顆水果被這么多美譽(yù)加身，讓人不禁贊嘆！

（3）基速以下大轉(zhuǎn)矩輸出，以適應(yīng)車輛低速高轉(zhuǎn)矩啟動、爬坡、加速、起停工況；

（4）基速以上恒功率輸出，以適應(yīng)最高車速、超車、高速巡航等工況；

（5）具備動態(tài)制動強(qiáng)和能量回收能力；

我們總是喜歡苛責(zé)別人的過錯，用各種條件去要求他人，自己卻不遵守準(zhǔn)則。我們能輕易發(fā)現(xiàn)他人的錯誤，卻很少能揪出自己的不足。這正是因?yàn)槲覀內(nèi)笔Я素?zé)己的自覺性。

（6）具備短時過載能力，以適應(yīng)復(fù)雜工況；

（7）具備良好的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性；

（8）具備結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小、質(zhì)量小特點(diǎn)；

（9）具備低成本生產(chǎn)能力、合適市場價格[4]。

控制器輸出功率Pc為:

4 電驅(qū)動系統(tǒng)效率測試方法

4.1 效率測試方法

驅(qū)動電機(jī)在車輛裝備之前可以利用試驗(yàn)臺架對電機(jī)的性能進(jìn)行測試。電驅(qū)動系統(tǒng)的測試可遵循相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18488.1—2015[5]和 GB/T 18488.2—2015[6]，這兩個標(biāo)準(zhǔn)主要針對新能源汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)測試。因電驅(qū)動系統(tǒng)的效率指標(biāo)對整車的運(yùn)行控制非常重要，故以下重點(diǎn)介紹電驅(qū)動系統(tǒng)效率的測試方法。

孔子所講的“己所不欲，勿施于人”，意思是不把自己想要的東西強(qiáng)加給別人，這是恕道，也是夫子大力倡導(dǎo)的仁。相比之下，把自己喜歡的東西強(qiáng)加給別人，就顯得冠冕堂皇，不好拒絕。上可以欺騙領(lǐng)導(dǎo)，下可以愚弄百姓，把自己的多欲與機(jī)心巧妙遮蔽，其危害遠(yuǎn)大于把自己不喜歡的東西強(qiáng)加于人。

為了測試電機(jī)及其控制器的效率，需要在電驅(qū)動系統(tǒng)工作范圍內(nèi)進(jìn)行各工作點(diǎn)的掃描測試，如圖1。對于轉(zhuǎn)矩控制的被測電機(jī)，通過變頻器控制測功電機(jī)輸出恒轉(zhuǎn)速，而被測電機(jī)控制器在不同的恒轉(zhuǎn)速下控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，以測試電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)各工作點(diǎn)的電機(jī)效率、控制器效率及系統(tǒng)總效率，對于轉(zhuǎn)速控制的驅(qū)動電機(jī)測試則相反。如果對轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)測試越多，做出的效率分布圖將越準(zhǔn)確，但相應(yīng)的工作量越大，因此，可以有針對性進(jìn)行測試。

圖1 電機(jī)系統(tǒng)工作區(qū)效率測試點(diǎn)

在得到各個電驅(qū)動系統(tǒng)工作點(diǎn)的效率之后，利用數(shù)學(xué)插值擬合，可計(jì)算出未測試工作點(diǎn)的效率值，從而得到電驅(qū)動系統(tǒng)全部工作點(diǎn)的效率值分布，并繪制電驅(qū)動系統(tǒng)工作等效率MAP圖。

4.2 效率測試計(jì)算

電驅(qū)動系統(tǒng)效率性能參數(shù)的測試是在額定工作電壓和施加負(fù)載下進(jìn)行。在電驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)臺架上，需要動力電池組或電源提供給電機(jī)控制器所需的電壓和電流，并在測功電機(jī)和被測驅(qū)動電機(jī)之間連接轉(zhuǎn)矩儀。為了得到電驅(qū)動系統(tǒng)效率分布及外特性曲線，在電驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行試驗(yàn)測試時需要測量的項(xiàng)目如表2所示，進(jìn)行效率點(diǎn)測試時，電機(jī)應(yīng)工作在給定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩條件下進(jìn)行測試。

表2 電驅(qū)動系統(tǒng)測試參數(shù)

式中Ft為總行駛阻力；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力；m為車輛質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；va為行駛速度；α為坡道角度；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；dv/dt為加速度。

電源輸出功率Pi為:

新規(guī)則“4整理原則”分解為四點(diǎn)，4.1與4.2的內(nèi)容與舊規(guī)則內(nèi)容一致，均強(qiáng)調(diào)“遵循文件的形成規(guī)律，保持文件之間的有機(jī)聯(lián)系，區(qū)分不同價值，便于保管和利用?！?.3與4.4為擴(kuò)充內(nèi)容，4.3“歸檔文件整理應(yīng)符合文檔一體化管理要求，便于計(jì)算機(jī)管理或計(jì)算機(jī)輔助管理”是適應(yīng)當(dāng)前實(shí)際工作需求的必要之舉。信息技術(shù)的發(fā)展必然要求歸檔文件整理符合新規(guī)則4.3的要求。4.4“歸檔文件整理應(yīng)保持紙質(zhì)文件和電子文件整理協(xié)調(diào)統(tǒng)一”，這一原則與新規(guī)則的適用對象(紙質(zhì)與電子文件)相呼應(yīng)，同時也與當(dāng)前紙質(zhì)文件、電子文件雙套制管理模式相符合。

在驅(qū)動電機(jī)工作特性中，電機(jī)的效率對整車的能耗及續(xù)駛里程影響非常大。電驅(qū)動系統(tǒng)效率高效區(qū)域范圍越大可以讓整車行駛時的能耗損失越小，同時在滑行和制動工況下可以進(jìn)行更多的能量回收，因此有必要對電驅(qū)動系統(tǒng)的效率進(jìn)行測試和分析，以識別整車行駛的高效率運(yùn)行工況。

式中:PU、PV、PW分別為控制器輸出的三相功率。

電機(jī)輸出功率Pm為:

電機(jī)控制器效率ηc、電機(jī)效率ηm，以及系統(tǒng)總效率η分別為：

2 《草原與草坪》辦公地點(diǎn)為：甘肅省蘭州市安寧區(qū)營門村1號， 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)。郵箱：cyycp@gsau.edu.cn，聯(lián)系電話：0931-7631885。

5 電驅(qū)動系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺架

5.1 試驗(yàn)臺架測試系統(tǒng)

針對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的工作特性以及效率測試，可利用專業(yè)的電驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)臺架進(jìn)行測試。圖2為某一電驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架結(jié)構(gòu)圖，其中系統(tǒng)硬件部分主要包括測功電機(jī)及其變頻控制器、驅(qū)動電機(jī)及其控制器、動力電池組及電池管理系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)及測試系統(tǒng)軟件。為了使臺架具有更廣泛的測試應(yīng)用，除了采用動力電池組供電外，也可以配置具有可模擬動力電池組放電特性功能的直流電源。

中國傳統(tǒng)山水畫自產(chǎn)生起就和“淡”、“空”、“虛”、“遠(yuǎn)”等觀念緊密地聯(lián)系在一起，這些觀念對后人的山水畫創(chuàng)作有著極其深刻的影響。山水畫由莊學(xué)精神外化而來，起初人們更重視的是其精神內(nèi)核，在繪畫技巧上的進(jìn)步則要晚得多。晉代及南北朝時期的山水畫多以線條描繪山水，技法上不是十分成熟，現(xiàn)在我們比較熟悉的水墨山水畫到了唐代才出現(xiàn)。中國山水畫之所以以水墨為統(tǒng)宗，這是和山水畫的玄學(xué)思想背景以及由這種背景所形成的性格密切相關(guān)的，而玄學(xué)的理論根基還是主張“空”、“淡”的老莊學(xué)說?？梢哉f，水墨山水畫的出現(xiàn)是玄學(xué)思想和山水畫繪畫技巧成熟融合的結(jié)果。

窗外下著淅淅瀝瀝的小雨，雨滴打在玻璃窗上發(fā)出刺啦刺啦的聲音，濺出一個又一個泥點(diǎn)兒，原本煩躁的情緒又因此被放大。屋里，是果果窸窸窣窣的啜泣，只不過訓(xùn)了她一句，竟一直哭到現(xiàn)在。忽然聽見了鑰匙開門的聲音，爸爸回來了，又免不了是一頓訓(xùn)斥。果然，果果看見爸爸回來，有人撐腰了，開始放肆的大聲哭起來，仿佛是受了多大的委屈。

圖2 電驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)

在試驗(yàn)臺架上測試電驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)時，利用動力電池組或直流電源為驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)提供直流電。根據(jù)第3章節(jié)的計(jì)算式（4），采用電慣量計(jì)算原理，通過測功電機(jī)模擬驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載。主控計(jì)算機(jī)用于控制和監(jiān)控試驗(yàn)測試過程，并且可在相應(yīng)的儀器上可以讀取所需測試參數(shù)。

習(xí)近平總書記指出： “沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全。”當(dāng)前，我國面臨的網(wǎng)絡(luò)安全問題日益復(fù)雜，對我國整體網(wǎng)絡(luò)安全不斷提出新的挑戰(zhàn)，其中涉及地方政府治理的安全威脅尤為突出。地方政府治理關(guān)系國家秘密信息和高敏感度核心政務(wù)信息的處理，涉及公共秩序維護(hù)和行政監(jiān)管的順利實(shí)施，網(wǎng)上黑客入侵和犯罪、網(wǎng)上病毒泛濫和蔓延、信息間諜的潛入和竊密、網(wǎng)絡(luò)恐怖集團(tuán)的攻擊和破壞、內(nèi)部人員的違規(guī)和違法操作、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的脆弱和信息產(chǎn)品的失控等，都是當(dāng)前政府治理工作中正在面臨或?qū)⒁媾R的重大安全挑戰(zhàn)。

5.2 試驗(yàn)臺架效率測試

在試驗(yàn)臺架上，可進(jìn)行電機(jī)負(fù)載外特性及電驅(qū)動系統(tǒng)效率的測試。其中，電機(jī)負(fù)載外特性又稱峰值轉(zhuǎn)矩曲線，是指電機(jī)在給定電壓下，測試電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。坐標(biāo)軸上表現(xiàn)為，在固定的轉(zhuǎn)速點(diǎn)上，對應(yīng)一個最大的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)負(fù)載外特性是電機(jī)在工作區(qū)域內(nèi)所有工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的外圍包絡(luò)線。電驅(qū)動系統(tǒng)效率的測試可以根據(jù)第4章節(jié)所述，測量相關(guān)變量然后利用公式（5）～（8）分別算出各部分的效率。為了合理地進(jìn)行電驅(qū)動系統(tǒng)效率測試，在電機(jī)、控制器效率變化比較大的區(qū)域，測試點(diǎn)應(yīng)該多選取一些，以防止丟掉重要信息。對于高功率運(yùn)行區(qū)域，從一個工作點(diǎn)到另一個工作點(diǎn)效率變化比較小，測試點(diǎn)選取間隔可以適當(dāng)大一點(diǎn)。對于輕負(fù)載運(yùn)行區(qū)域，效率變化較大，測試點(diǎn)選取間隔可以小一點(diǎn)，以保證測試后繪制的電驅(qū)動系統(tǒng)整體效率MAP圖信息的完整性。

圖3 電驅(qū)動系統(tǒng)三維效率MAP

測試過程中，通過臺架軟件測試系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)搜索電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時采集電池組的放電數(shù)據(jù)、電機(jī)控制器的輸入輸出電參數(shù)以及電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率，由主控計(jì)算機(jī)軟件算出電驅(qū)動系統(tǒng)效率。圖3為根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制的某一電驅(qū)動系統(tǒng)三維空間效率MAP圖。于測試結(jié)果，可以更有效地進(jìn)行電驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)。比如，在低速的大轉(zhuǎn)矩輸出區(qū)，可以設(shè)計(jì)適應(yīng)車輛的起步及爬坡工況，在高速的恒功率輸出，可以設(shè)計(jì)適應(yīng)車輛的最高車速及高速巡航工況，且在行駛過程中應(yīng)盡量控制車輛運(yùn)行在電驅(qū)動系統(tǒng)效率比較高的區(qū)域，從而節(jié)省能耗并進(jìn)一步提升車輛的續(xù)駛里程。

6 結(jié)束語

本文介紹了電動汽車驅(qū)動電機(jī)的類型，對不同的電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)比較，分析了驅(qū)動電機(jī)的工作特性，介紹了電驅(qū)動系統(tǒng)效率測試方法?；陔婒?qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)測試臺架，完成了對某臺車用驅(qū)動電機(jī)的效率測試及分析，得出了該電驅(qū)動系統(tǒng)的高效率運(yùn)行區(qū)域。在電動車輛運(yùn)行過程中，應(yīng)盡量控制電機(jī)使其運(yùn)行在效率比較高的區(qū)域，以效率最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對電驅(qū)動系統(tǒng)的控制，提高整車的續(xù)駛里程，以減少用戶的里程焦慮。