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(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行過程中的主要性能[1]。新能源汽車在不同工況時，驅(qū)動電機要滿足高工作效率、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現(xiàn)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(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和負載測功機系統(tǒng)，配置功率分析儀、扭矩法蘭、轉(zhuǎn)速和振動傳感器等設備儀器，構(gòu)建了新能源汽車用驅(qū)動電機性能測試平臺。基于PUMA OPEN測試系統(tǒng)，編制自動測試程序模塊，測量驅(qū)動電機系統(tǒng)的性能參數(shù)，縮短新能源汽車用驅(qū)動電機的研發(fā)時間，減少測試成本的投入[4-5]。

1 電機測試系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文通過設計負載測功機系統(tǒng)、電池模擬系統(tǒng)、被測電機系統(tǒng)、測量系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，搭建了新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)，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(tǒng)主要包括負載測功機、變頻器及測功機操控系統(tǒng)。負載測功機作為被測電機的負載提供單元，使用聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)接軸與被測電機進行連接，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等的實時同步監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，從而得到被測電機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、負載測功機控制單元和PUMA OPEN自動控制系統(tǒng)，通過操作面板控制負載測功機的開關(guān)、工作模式、測試過程參數(shù)，完成對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量與控制。

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

被測電機系統(tǒng)由電機及控制器構(gòu)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(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)進行數(shù)據(jù)傳輸。

冷卻系統(tǒng)主要由油冷機、水冷機和風冷機組成，實現(xiàn)負載測功機和被測電機系統(tǒng)的冷卻功能。利用CAN通訊與PUMA OPEN系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2 新能源汽車用驅(qū)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(qū)動電機及電機控制器搭建了如圖2所示的測試系統(tǒng)。測試被測電機的參數(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)響應等。

圖2 電機測試系統(tǒng)試驗臺架

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)，實時測量與記錄被測電機系統(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，確認了數(shù)據(jù)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(tǒng)水溫和流量，嚴格按照國標GB/T 18488.1—2015《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》和GB/T 18488.2—2015《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 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(xiàn)對某新能源汽車用驅(qū)動電機的性能試驗設計與測試。

2.2.1 新能源汽車用驅(qū)動電機的穩(wěn)態(tài)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(tài)響應快、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、運行可靠等優(yōu)點，在電動汽車領(lǐng)域備受關(guān)注，是應用于新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的主流部件[9]。

電機在某一轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩下持續(xù)穩(wěn)定運行時的輸出功率和效率等特性是電機穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)的最大功率，是驅(qū)動電機匹配優(yōu)化的重要指標；效率是影響電機性能好壞的關(guān)鍵因素，通過利用電機高效區(qū)實現(xiàn)降低功耗，提高續(xù)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(qū)動系統(tǒng)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(xù)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)功率測試中，設定驅(qū)動電機控制器直流母線電壓為額定電壓，臺架轉(zhuǎn)速設為被測驅(qū)動電機額定轉(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，設定驅(qū)動電機控制器直流母線電壓為額定電壓，臺架轉(zhuǎn)速設定為被測驅(qū)動電機特征轉(zhuǎn)速點，轉(zhuǎn)矩為對應的特征轉(zhuǎn)矩，設定轉(zhuǎn)矩后等待一定的時間，取其平均值，測試過程中每個轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩工作點的初始溫度一致，始終保持規(guī)定的冷卻液溫度、流量。記錄每個測試點的轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)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(tǒng)效率等參數(shù)。

超速測試中，被測電機不通電，先將負載測功機拖動下平穩(wěn)升速至驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速，觀察電機運轉(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)時間2 min，記錄試驗數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性測試中，設定驅(qū)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(zhuǎn)速同時穩(wěn)定在目標轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩為目標轉(zhuǎn)速點對應的額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩，設定轉(zhuǎn)矩后等待一定時間，取其平均值，測試過程中每個轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩工作點的初始溫度一致，始終保持規(guī)定的冷卻液溫度、流量。記錄每個測試點的轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)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(tǒng)效率等參數(shù)。

2.2.2 新能源汽車用驅(qū)動電機的動態(tài)特性測試

電機的動態(tài)響應特性指電機在某一條件下運行至穩(wěn)定狀態(tài)，從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)過的時間，表征電機改變轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩后的響應能力，一般包括轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應測試。

轉(zhuǎn)速響應測試：設定驅(qū)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(wěn)定時，測試電機從初始狀態(tài)到額定轉(zhuǎn)速所用時間。

轉(zhuǎn)矩響應測試：設定驅(qū)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(zhuǎn)速下運行至穩(wěn)定時，測試電機從初始狀態(tài)到額定轉(zhuǎn)矩所用時間。

3 測試結(jié)果與分析

本文以某新能源汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)為被測電機系統(tǒng)，在搭建的電機試驗臺架上進行持續(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)響應特性測試。被測電機系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 被測電機系統(tǒng)的技術(shù)指標

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，被測電機系統(tǒng)實測轉(zhuǎn)速為7 499.9 r/min，試驗轉(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210 N·m；在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為18 000 r/min，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動部分無損壞、無有害變形，證明該電機的最高工作轉(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(tǒng)的技術(shù)指標，表明搭建的驅(qū)動電機性能測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準確測量被測電機系統(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)下的電機效率MAP

表2 驅(qū)動電機高效區(qū)占比

3.2 動態(tài)特性測試結(jié)果分析

轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的響應曲線分別如圖7和圖8所示。在轉(zhuǎn)速響應特性測試過程中，當被測電機穩(wěn)定運行在空載狀態(tài)時，設定目標轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，轉(zhuǎn)速響應時間為8 s。在轉(zhuǎn)矩響應測試中，設定被測電機在空載下穩(wěn)定運行的轉(zhuǎn)速7 500 r/min、目標轉(zhuǎn)矩57 N·m、轉(zhuǎn)矩響應時間為3 s并維持穩(wěn)定。由測試結(jié)果可知，被試電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的響應時間快，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。

圖7 轉(zhuǎn)速響應曲線圖

圖8 轉(zhuǎn)矩響應曲線圖

4 結(jié) 語

基于AVL電機測試系統(tǒng)，以某新能源汽車用驅(qū)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(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)能夠準確實現(xiàn)驅(qū)動電機的工況測試，對電機性能測試方法和整車開發(fā)試驗具有指導意義。