范琳琳，李廣林，王 斌，趙 凱，柳振方，胡志遠(yuǎn)，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(huán)境不斷惡化等問題。隨著國家對節(jié)能和環(huán)保的重視以及現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，新能源汽車因節(jié)能、高效等突出優(yōu)勢，備受汽車行業(yè)關(guān)注。驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的性能、安全可靠性和穩(wěn)定性決定了新能源汽車運(yùn)行過程中的主要性能[1]。新能源汽車在不同工況時(shí)，驅(qū)動電機(jī)要滿足高工作效率、高功率密度、寬調(diào)速范圍和良好的動態(tài)特性[2]。目前，普遍采用臺架測試方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的測試[3]。本文應(yīng)用AVL公司推出的高性能電機(jī)測試臺架，通過集成被測電機(jī)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和負(fù)載測功機(jī)系統(tǒng)，配置功率分析儀、扭矩法蘭、轉(zhuǎn)速和振動傳感器等設(shè)備儀器，構(gòu)建了新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)性能測試平臺。基于PUMA OPEN測試系統(tǒng)，編制自動測試程序模塊，測量驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的性能參數(shù)，縮短新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)的研發(fā)時(shí)間，減少測試成本的投入[4-5]。

1 電機(jī)測試系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文通過設(shè)計(jì)負(fù)載測功機(jī)系統(tǒng)、電池模擬系統(tǒng)、被測電機(jī)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，搭建了新能源汽車驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 電機(jī)測試臺架功能模塊圖

負(fù)載測功機(jī)系統(tǒng)主要包括負(fù)載測功機(jī)、變頻器及測功機(jī)操控系統(tǒng)。負(fù)載測功機(jī)作為被測電機(jī)的負(fù)載提供單元，使用聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)接軸與被測電機(jī)進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等的實(shí)時(shí)同步監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，從而得到被測電機(jī)在各工況下的測試數(shù)據(jù)。該測試系統(tǒng)主要包括PUMA控制單元、負(fù)載測功機(jī)控制單元和PUMA OPEN自動控制系統(tǒng)，通過操作面板控制負(fù)載測功機(jī)的開關(guān)、工作模式、測試過程參數(shù)，完成對整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量與控制。

電池模擬系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)模擬新能源汽車動力電池功能，為驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)提供能量或吸收被測電機(jī)在饋電狀態(tài)下釋放的能量回饋給電網(wǎng)。

被測電機(jī)系統(tǒng)由電機(jī)及控制器構(gòu)成，被測電機(jī)與控制器之間通入的是三相交流電。被測電機(jī)的輸入端與功率分析儀連接，用于測量被測電機(jī)的參數(shù)，如電壓、電流、功率和效率等[4]。

測量系統(tǒng)由高精度扭矩法蘭、功率分析儀、數(shù)據(jù)采集裝置及溫度、壓力、轉(zhuǎn)速傳感器等組成，主要的測量參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

冷卻系統(tǒng)主要由油冷機(jī)、水冷機(jī)和風(fēng)冷機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)負(fù)載測功機(jī)和被測電機(jī)系統(tǒng)的冷卻功能。利用CAN通訊與PUMA OPEN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2 新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)性能測試

2.1 試驗(yàn)臺架的搭建

基于AVL試驗(yàn)臺架，以某新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)控制器搭建了如圖2所示的測試系統(tǒng)。測試被測電機(jī)的參數(shù)值，性能測試主要包括：持續(xù)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)功率、峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性、超速、高效工作區(qū)和動態(tài)響應(yīng)等。

圖2 電機(jī)測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺架

采用功率分析儀測量轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩法蘭、電流和電壓傳感器的參數(shù)值，通過TCP/IP通訊傳輸?shù)絇UMA OPEN系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測量與記錄被測電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)，通過對比功率分析儀采集的測量數(shù)據(jù)與PUMA OPEN系統(tǒng)的在線監(jiān)控界面，確認(rèn)了數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。

2.2 電機(jī)性能測試方案

利用搭建的電機(jī)性能測試平臺，設(shè)計(jì)測試工裝，給定模擬電壓值，設(shè)置冷卻系統(tǒng)水溫和流量，嚴(yán)格按照國標(biāo)GB/T 18488.1—2015《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》和GB/T 18488.2—2015《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》中對電機(jī)性能測試的試驗(yàn)操作要求[6-8]，實(shí)現(xiàn)對某新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)的性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測試。

2.2.1 新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性測試

新能源汽車用永磁同步電機(jī)因具有效率高、損耗低、動態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車領(lǐng)域備受關(guān)注，是應(yīng)用于新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的主流部件[9]。

電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出功率和效率等特性是電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性研究的重點(diǎn)。功率一般指在額定電壓下能夠長期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最大功率，是驅(qū)動電機(jī)匹配優(yōu)化的重要指標(biāo)；效率是影響電機(jī)性能好壞的關(guān)鍵因素，通過利用電機(jī)高效區(qū)實(shí)現(xiàn)降低功耗，提高續(xù)航里程的目的[10]。

通過電機(jī)效率測試，可得到被測電機(jī)的效率和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率。其中被測電機(jī)的效率計(jì)算方法：

(1)

式中：ηm為被測電機(jī)效率；Pmo為被測電機(jī)輸出功率；Pmi為被測電機(jī)輸入功率。

持續(xù)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)功率測試中，設(shè)定驅(qū)動電機(jī)控制器直流母線電壓為額定電壓，臺架轉(zhuǎn)速設(shè)為被測驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，記錄持續(xù)轉(zhuǎn)矩值和持續(xù)功率值。

高效工作區(qū)測試中，設(shè)定驅(qū)動電機(jī)控制器直流母線電壓為額定電壓，臺架轉(zhuǎn)速設(shè)定為被測驅(qū)動電機(jī)特征轉(zhuǎn)速點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩為對應(yīng)的特征轉(zhuǎn)矩，設(shè)定轉(zhuǎn)矩后等待一定的時(shí)間，取其平均值，測試過程中每個(gè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)的初始溫度一致，始終保持規(guī)定的冷卻液溫度、流量。記錄每個(gè)測試點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)矩、輸出功率、直流電壓、直流電流、直流功率、電機(jī)效率、控制器效率和系統(tǒng)效率等參數(shù)。

超速測試中，被測電機(jī)不通電，先將負(fù)載測功機(jī)拖動下平穩(wěn)升速至驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，觀察電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，無異常后，平穩(wěn)升速至1.2倍最高工作轉(zhuǎn)速，在此轉(zhuǎn)速下持續(xù)時(shí)間2 min，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性測試中，設(shè)定驅(qū)動電機(jī)控制器直流母線電壓為額定電壓，測功機(jī)采用N/T控制模式，控制被測電機(jī)和測功機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩，設(shè)定轉(zhuǎn)矩后等待一定時(shí)間，取其平均值，測試過程中每個(gè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)的初始溫度一致，始終保持規(guī)定的冷卻液溫度、流量。記錄每個(gè)測試點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)矩、輸出功率、直流電壓、直流電流、直流功率、電機(jī)效率、控制器效率和系統(tǒng)效率等參數(shù)。

2.2.2 新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)的動態(tài)特性測試

電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)特性指電機(jī)在某一條件下運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)，從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)過的時(shí)間，表征電機(jī)改變轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩后的響應(yīng)能力，一般包括轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)測試。

轉(zhuǎn)速響應(yīng)測試：設(shè)定驅(qū)動電機(jī)控制器直流母線電壓為額定電壓，被測電機(jī)在空載下運(yùn)行至穩(wěn)定時(shí)，測試電機(jī)從初始狀態(tài)到額定轉(zhuǎn)速所用時(shí)間。

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)測試：設(shè)定驅(qū)動電機(jī)控制器直流母線電壓為額定電壓，被測電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行至穩(wěn)定時(shí)，測試電機(jī)從初始狀態(tài)到額定轉(zhuǎn)矩所用時(shí)間。

3 測試結(jié)果與分析

本文以某新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)為被測電機(jī)系統(tǒng)，在搭建的電機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行持續(xù)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)功率、峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率、超速、高效工作區(qū)、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應(yīng)特性測試。被測電機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 被測電機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

3.1 穩(wěn)態(tài)特性測試結(jié)果分析

如圖3所示，在電動狀態(tài)下進(jìn)行的持續(xù)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)功率的測試結(jié)果中，被測電機(jī)系統(tǒng)實(shí)測轉(zhuǎn)速為7 499.9 r/min，試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩為56.8 N·m，持續(xù)功率為44.61 kW。從圖4的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-功率特性可以得到，在轉(zhuǎn)速3 500 r/min下，峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)210 N·m；在轉(zhuǎn)速5 500 r/min下，峰值功率達(dá)119.28 kW。在超速測試中，如圖5所示，轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動部分無損壞、無有害變形，證明該電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為15 000 r/min。從圖6的效率MAP中可見，被測電機(jī)的最高效率可達(dá)98.01%，其中電機(jī)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(jī)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，表明搭建的驅(qū)動電機(jī)性能測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測量被測電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)的功能。

圖3 持續(xù)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)功率

圖4 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-功率特性

圖5 超速測試

圖6 電動狀態(tài)下的電機(jī)效率MAP

表2 驅(qū)動電機(jī)高效區(qū)占比

3.2 動態(tài)特性測試結(jié)果分析

轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)曲線分別如圖7和圖8所示。在轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性測試過程中，當(dāng)被測電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在空載狀態(tài)時(shí)，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間為8 s。在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)測試中，設(shè)定被測電機(jī)在空載下穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速7 500 r/min、目標(biāo)轉(zhuǎn)矩57 N·m、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間為3 s并維持穩(wěn)定。由測試結(jié)果可知，被試電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)間快，系統(tǒng)穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩基本沒有波動，說明測試系統(tǒng)的抗干擾性強(qiáng)。

圖7 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖

圖8 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖

4 結(jié) 語

基于AVL電機(jī)測試系統(tǒng)，以某新能源汽車用驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)控制器搭建電機(jī)性能測試平臺，通過設(shè)計(jì)測試方法完成被測電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能測試，分析測試結(jié)果表明該測試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)的工況測試，對電機(jī)性能測試方法和整車開發(fā)試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。