韓福江，冀明路，蔣 眾，徐海東，張洪濤

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

當(dāng)前，國內(nèi)外電動汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，作為電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一的電力驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)了許多實(shí)現(xiàn)途徑。根據(jù)驅(qū)動方式不同，可以將電動汽車分為集中式電機(jī)驅(qū)動與分布式電機(jī)驅(qū)動。集中式電機(jī)驅(qū)動的電動汽車是通過電機(jī)驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)，將動力傳遞至車輪驅(qū)動汽車；分布式電機(jī)驅(qū)動，也就是輪轂電機(jī)驅(qū)動，則將電動機(jī)直接安裝在輪輞內(nèi)來驅(qū)動汽車運(yùn)動，動力直接通過電動機(jī)傳遞至車輪驅(qū)動車輛[1]。

電動輪是將輪轂電機(jī)直接安裝在輪輞內(nèi)來驅(qū)動汽車運(yùn)動，集成了驅(qū)動、制動、測速和懸架導(dǎo)向承載等多項(xiàng)功能，是電動汽車的關(guān)鍵部件，這與傳統(tǒng)汽車動力傳動系統(tǒng)性能測試有很大不同。本文參照《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 18488.2-2015)的要求設(shè)計(jì)電動輪性能測試方法以及實(shí)施方案，通過設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)測試分析軟件，完成了某型電動汽車電動輪的性能測試及數(shù)據(jù)讀取，驗(yàn)證了本測試方案的可行性。

2 電動輪

電動輪是電動汽車最為核心的部件之一。按照電機(jī)驅(qū)動形式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可將電動輪分為輪轂電機(jī)式電動輪和輪邊電機(jī)式電動輪。輪轂電機(jī)式電動汽車是將動力驅(qū)動電機(jī)安裝在車輛車輪輪轂當(dāng)中，驅(qū)動電機(jī)輸出的動力直接傳遞至車輪來驅(qū)動車輛行駛。輪邊電機(jī)式電動汽車則是在車輛副車架的位置將驅(qū)動電機(jī)固定，電機(jī)不再集成在輪轂當(dāng)中，通過電機(jī)輸出軸直接或間接驅(qū)動車輛行駛[2]。

本文介紹的電動輪性能測試對象主要是輪轂電機(jī)式電動輪，輪轂電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

輪轂電機(jī)式電動輪是電動汽車零部件的關(guān)鍵核心部件，是將電機(jī)系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)集于一體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，可采用PWM控制和交流變頻控制，具有效率高、重量輕、壽命長、噪聲低、匹配強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、組裝容易、功能齊全、獨(dú)立懸掛、安全可靠的特點(diǎn)，不用車橋、變速箱等機(jī)械部件，而是直接懸掛在車身上安裝輪胎，傳動消耗等于零，轉(zhuǎn)動效率可達(dá)百分之百，與傳統(tǒng)的電機(jī)傳動軸-變速箱-差速器-車橋等電動汽車機(jī)械傳動系統(tǒng)相比有質(zhì)的變化，因而整體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動性能、綜合效率及續(xù)駛里程優(yōu)于其他形式的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可配置成兩輪驅(qū)動或四輪驅(qū)動，是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的首選?？膳c任何型號的汽車相匹配，組成電油混合動力汽車。輪轂電機(jī)驅(qū)動式電動輪是未來電動汽車驅(qū)動形式的發(fā)展方向[3]。

3 測試方案設(shè)計(jì)

電動輪性能測試方案如圖2所示。

圖2 電動輪性能測試方案

被測試的電動輪通過工裝支架固定于測試臺架上，通過轉(zhuǎn)接盤、聯(lián)軸器與加載電機(jī)進(jìn)行機(jī)械連接。電動輪與加載電機(jī)間布置轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速測量儀，用于試驗(yàn)載荷和轉(zhuǎn)速測量。被試電動輪與被試電機(jī)控制器通過高壓交流線和控制線相連，并接入水冷設(shè)備。通過高壓大功率直流電源向被試電機(jī)控制器提供高壓直流電能，通過低壓直流電源提供低壓電能，通過計(jì)算機(jī)連接CAN卡提供控制信號以及記錄數(shù)據(jù)，并在被試電機(jī)控制器輸入、輸出端接入功率分析儀，對輸入輸出功率進(jìn)行監(jiān)測[4]。加載電機(jī)通過加載控制設(shè)備控制模擬電動輪負(fù)載工況。

3.1 測試臺架

測試臺架主要由加載電機(jī)、加載電機(jī)控制器、加載電機(jī)控制計(jì)算機(jī)、供電電源以及其它輔助設(shè)備組成，可根據(jù)電動輪動力總成性能測試要求，通過加載電機(jī)控制計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令，控制加載電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，來模擬空氣阻力、滾動阻力和加速阻力等。本方案中選用的加載電機(jī)為ABB旗下的BALDOR電機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)基本參數(shù)

3.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要由測控計(jì)算機(jī)、功率分析儀以及各類傳感器組成，具體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)架構(gòu)

測控計(jì)算機(jī)通過控制軟件對電動輪動力總成進(jìn)行測試工況控制，同時(shí)通過傳感器對轉(zhuǎn)速、扭矩、電流、電壓以及溫度等參數(shù)進(jìn)行全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障預(yù)警以及記錄測試數(shù)據(jù)，利用功率分析儀對動力總成的效能等指標(biāo)進(jìn)行分析。測控軟件主界面如圖4所示。

圖4 測控軟件主界面

3.3 其它設(shè)備

其它設(shè)備主要有支架工裝、水冷設(shè)備、傳動軸、聯(lián)軸器等。其中，支架工裝用來支撐固定電動輪動力總成，水冷設(shè)備用來給電動輪工作時(shí)散熱，傳動軸、聯(lián)軸器用來連接電動輪和加載電機(jī)。

4 測試過程與分析

本測試主要依據(jù)《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 18488.2-2015)要求，針對某型電動輪的主要性能進(jìn)行測試。常規(guī)檢查測試如外觀檢查、絕緣電阻及空轉(zhuǎn)、空載等測試不作贅述。測試現(xiàn)場布置如圖5所示。

圖5 電動輪性能測試臺架布置圖

被試電動輪主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 電動輪主要技術(shù)參數(shù)

4.1 工作電壓范圍

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中的7.1要求，將電機(jī)系統(tǒng)的直流母線電壓分別設(shè)定在最高工作電壓處(670VDC、700VDC)和最低工作電壓處(320VDC、450VDC)，在不同工作電壓下分別測試不同工作轉(zhuǎn)速下的工作轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖6所示。

(a)320V電壓下轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線

從圖6可以看出，電動輪在最高工作電壓700V下，可按最大轉(zhuǎn)矩15000N·m左右輸出，而在下限電壓320V下，實(shí)際扭矩輸出為在3100N·m左右。

4.2 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中7.2要求，測試方法如下：

(1)直流電源設(shè)置輸出電壓為600±20DCV(輪轂電機(jī)額定電壓)。

(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)前，輪轂電機(jī)應(yīng)進(jìn)行冷卻。冷卻要求：輪轂電機(jī)入水口溫度不超過60℃，輪轂電機(jī)繞組溫度、軸承溫度、控制器溫度不超過100℃。

(3)測控計(jì)算機(jī)設(shè)定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、扭矩值，在整個(gè)外特性范圍內(nèi)，逐點(diǎn)測量電動輪及控制器效率，繪制效率MAP圖，并記錄電機(jī)控制器直流母線電壓和電流，輪轂電機(jī)電壓、電流、直流電功率、電動輪輸入電功率，電動輪輸出轉(zhuǎn)矩、機(jī)械功率。

測試扭矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

圖7 電動輪輸出轉(zhuǎn)速-扭矩曲線

4.3 效率分析

電動輪的效率特性是整車廠選擇電機(jī)和整車控制系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)，驗(yàn)證電動車輛及其驅(qū)動、控制裝置的開發(fā)和測試設(shè)計(jì)的正確性，評估其性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。效率參數(shù)主要包括電機(jī)效率、電機(jī)控制器效率和電機(jī)系統(tǒng)效率等。

電機(jī)MAP圖(又叫等高線圖、云圖)是電機(jī)測試時(shí)生成的一種數(shù)據(jù)曲線圖，主要反映在不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的電機(jī)效率分布情況[5]。根據(jù)圖7轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在整個(gè)外特性范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速、扭矩、電動輪效率，繪制出電動輪的效率MAP圖，如圖8所示。

圖8 電動輪效率MAP圖

從MAP圖中可以看出，額定電壓下，當(dāng)電動輪加載電機(jī)端處于250rpm/6000N·m區(qū)域，驅(qū)動系統(tǒng)的效率最高；高效區(qū)(效率在85%以上)加載電機(jī)端轉(zhuǎn)速范圍在150rpm～450rpm范圍內(nèi)。

4.4 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中7.2要求，測試方法如下：

(1)電動輪與扭矩儀連接后，連接至堵轉(zhuǎn)工裝。

(2)測試開始前記錄室溫、冷卻液溫度、流量，試驗(yàn)過程中對冷卻液出水溫度進(jìn)行監(jiān)測記錄。

(3)測試前輪轂電機(jī)應(yīng)進(jìn)行冷卻，冷卻要求：輪轂電機(jī)入水口溫度不超過60℃，輪轂電機(jī)繞組溫度、軸承溫度、控制器溫度100℃。

(4)直流電源設(shè)置輸出電壓為600V±20V(輪轂電機(jī)額定電壓)，通過電機(jī)控制器設(shè)定輪轂電機(jī)輸出扭矩為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩1400N·m，堵轉(zhuǎn)時(shí)間5s；輪轂電機(jī)冷卻達(dá)到(3)要求時(shí)，施加反向堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩1400N·m，堵轉(zhuǎn)時(shí)間5s。

(5)改變輪轂電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對位置(旋轉(zhuǎn)外行星輪架對應(yīng)圈數(shù))，分別重復(fù)以上試驗(yàn)。每次重復(fù)試驗(yàn)前，宜將輪轂電機(jī)進(jìn)行冷卻，冷卻要求同(3)，每次堵轉(zhuǎn)時(shí)間應(yīng)相同，取5次測量結(jié)果中堵轉(zhuǎn)電流最小值作為驅(qū)動電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流值。

當(dāng)電動輪發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)控制器可按設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行保護(hù)。故障消除后，控制器和電動輪應(yīng)能正常使用，無任何異常現(xiàn)象。堵轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 堵轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)

4.5 持續(xù)轉(zhuǎn)矩及持續(xù)功率

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中7.2.5.1，7.2.5.2要求，測試方法如下：

(1)開始前對室溫、冷卻液溫度、流量進(jìn)行記錄，試驗(yàn)過程中對冷卻液出水溫度進(jìn)行監(jiān)測記錄。

(2)直流電源設(shè)置輸出電壓為600V±20V(輪轂電機(jī)額定電壓)，加載單元將轉(zhuǎn)速逐步提升至132rpm，驅(qū)動電機(jī)設(shè)定為轉(zhuǎn)矩控制模式，將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)定為450N·m，保持電機(jī)持續(xù)運(yùn)行1h，每隔10min記錄一次轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、輪轂電機(jī)繞組溫度、軸承溫度、控制器溫度、入水溫度、出水溫度等相關(guān)參數(shù)。

(3)依據(jù)測試獲得的持續(xù)轉(zhuǎn)矩與相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速，按Pm=T*n/9550，計(jì)算出電動輪輸出功率Pm，單位kW。

額定電壓持續(xù)轉(zhuǎn)矩功率工況下電動輪輸出扭矩和轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示，可以看出，額定電壓600V下，電動輪能按額定轉(zhuǎn)速與扭矩工作，電動輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中無異常溫升與振動，電機(jī)及控制器無報(bào)警。

圖9 電動輪輸出扭矩和轉(zhuǎn)速曲線

4.6 峰值轉(zhuǎn)矩與峰值功率

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中7.2.5.3，7.2.5.4要求，測試方法如下：

(1)開始前對室溫、冷卻液溫度、流量進(jìn)行記錄，試驗(yàn)過程中對冷卻液出水溫度進(jìn)行監(jiān)測記錄。

(2)將直流電源設(shè)置輸出電壓為600V±20V(輪轂電機(jī)額定電壓)，輪轂電機(jī)空載運(yùn)行，加載單元轉(zhuǎn)速控制到84rpm，即輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速為953rpm。運(yùn)行無異常后，維持轉(zhuǎn)速不變。輪轂電機(jī)扭矩在10s內(nèi)平穩(wěn)加載到1400N·m。

(3)維持輪轂電機(jī)輸出953rpm，1400N·m，持續(xù)運(yùn)行30s，記錄轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、電機(jī)溫度、水溫等相關(guān)參數(shù)，電機(jī)溫度需記錄試驗(yàn)結(jié)束后，電機(jī)溫度傳感器在10min內(nèi)所到達(dá)的最高溫度。

(4)依據(jù)測試獲得的持續(xù)轉(zhuǎn)矩與相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速，按Pm=T*n/9550，計(jì)算出電動輪輸出功率Pm，單位kW。

額定電壓峰值功率轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速扭矩曲線如圖10所示?？梢钥闯?，在額定電壓600V下，電動輪能按峰值轉(zhuǎn)速與扭矩要求持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中無異常振動，電機(jī)及控制器無報(bào)警。

圖10 額定電壓峰值功率轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速扭矩曲線

5 結(jié) 論

基于《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 18488.2-2015)中的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的測試方法，針對電動輪以下主要性能指標(biāo)開展了測試工作：(1)工作電壓范圍測試；(2)電動輪功率特性測試，包括持續(xù)轉(zhuǎn)矩及持續(xù)功率、峰值轉(zhuǎn)矩與峰值功率、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩以及效率分析等。結(jié)果表明，本測試方案是可行的。