电动汽车用电机及控制器测试系统研制

陈积先，　张华树，　孟　辉，　覃北阶

[国家汽车质量监督检验中心(襄阳)，湖北 襄阳　441004]



电动汽车用电机及控制器测试系统研制

陈积先，张华树，孟辉，覃北阶

[国家汽车质量监督检验中心(襄阳)，湖北 襄阳441004]

摘要：介绍了采用ABB的ACS800系列变频器和低惯性、高转速交流电力测功机作为加载装置和负载，配合高精度的扭矩转速传感器的电动汽车用电机及控制器测试系统。经验证该系统运行稳定可靠。

关键词：测功机; 电动特性; 发电特性

0引言

2001年，国家科技部将电动汽车确定为“十五”国家12个重大科技专项之一，称为国家“863”专项，提出了意义重大的“三纵三横”(“三纵”指混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车；“三横”指多能源动力总成控制系统、电机及其控制系统、电池及其管理系统)总体路线，清晰地指明了研发和产业化思路。工信部从2005年起开始受理电动汽车和混合动力电动汽车的公告管理工作，电机驱动系统和控制单元作为“三横”的重点发展对象则列入汽车公告目录强制性检测范畴。2012年7月9日，把握我国新能源汽车发展脉搏的《节能与新能源汽车产业发展规划》(以下简称《规划》)正式出台。《规划》明确提出加强新能源汽车关键零部件研发，重点支持驱动电机系统及核心材料的研发。基于以上几种原因，同时为了能够正确评价和测试各种不同类型的电动汽车用电机及控制器，研制一套电动汽车用电机及控制器的测试系统势在必行。

1电动汽车用电机及控制器的特性要求

电动汽车用驱动电机由于需要能够频繁地起动/停车、加速/减速，其负载要求和技术性能等方面都有着特殊要求，其性能也是普通工业电机无法比拟的。主要要求有：

(1) 为了满足电动汽车的加速和爬坡，要求电机在低速时能够输出大扭矩，高速时则需要具有恒功率，因此要求电机具有很宽的调速范围。电动汽车驱动电机理想工作特性曲线如图1所示，而普通工业电机通常优化在额定的工作点上。

图1　电动汽车驱动电机理想特性曲线

(2) 电动汽车在减速或制动时能够将部分能量回收，此时驱动电机处于发电状态，而能量回馈性能的好坏直接决定了车辆的续驶里程。这一点是普通内燃机车不可能实现的。

(3) 电动汽车要求驱动电机具有可控性强、稳态精度高、动态性能好、能够适应复杂的路况的特点。工业电机往往只有某一特性的要求。

2电动汽车用电机试验参数分析

我国新能源汽车公告目录是按GB/T 18488.1—2006《电动汽车用电机及其控制器 第1部分： 技术条件》、GB/T 18488.2—2006 《电动汽车用电机及其控制器 第2部分： 试验方法》两个国家标准实施强制性检测的[1-2]。因此，所设计的试验系统必须满足这两个标准中要求的电机转速、转矩、电压、电流、功率、效率、温升、再生能量回馈的试验；最高工作转速、超速、耐久性、转矩-转速曲线、功率-转速曲线、效率MAP图等的测试。

目前,普通的工业电机测试台架和内燃机测试台架都不可能完成电动汽车用电机及控制器的测试需求。因此，结合现代的电力电子技术及计算机控制技术设计电动汽车用电机及控制器测试系统台,根据电动汽车(含混合动力汽车)对驱动电机系统的要求设计特定的测试功能,才能充分全面地测试和评价电动汽车用电机及控制器[3]。

3测试系统组成

为满足电动汽车用电机及控制器的特性要求及试验参数的测试，本文设计的电动汽车用电机及控制器测试系统覆盖最大功率100kW、额定扭矩500N·m、最高转速8000r/min电机的性能测试。试验系统主要由以下几部分构成： 负载模拟系统(交流电力测功机)、机械台架、电气连接系统、通信控制及数据系统，整个系统框图如图2所示。

图2　测试系统组成简图

3.1负载模拟系统

电动汽车在实际行驶过程中必须克服轮胎的滚动阻力、空气阻力、爬坡阻力和加速阻力等才能够向前行驶，相应的驱动电机的驱动力就必须与这些阻力相平衡，而电动汽车行驶时速度经常处于变化之中,各种阻力也在动态地变化，这就要求电机测试系统的负载系统能够实现电动汽车行驶时的各种阻力的模拟，具有高动态特性的加载功能。交流电力测功机能够在试验范围内平稳、精确地调节负载和转速的大小，因此本测试系统的负载模拟选用交流测功机作为负载装置，根据电动汽车的实际行驶工况，调节测功机的吸收功率，来实现行驶阻力的实时模拟。

在进行测功机的选择时，应该根据被试的特性曲线来选用测功机，也即被试电机的特性曲线必须包含在测功机的特性曲线的恒扭矩、恒功率区内，这样才能真实地检测出被试电机全部运行工况下的功率、转矩与转速。现代交流电力测功机控制方式都是基于弱磁控制理论的： 即电机超过额定转速以上运行时，假如电机转子的励磁磁链为常数，则电机的感应电动势随转速增加而增加，电机端电压也随之增加，但是端电压要受逆变器的最高输出电压限制，通过削弱磁场的方法可以在保持端电压不变的情况下提高电机转速，即称为弱磁控制[4]。根据此理论控制的测功机电机机械特性曲线如图3所示。

图3　测功机机械特性曲线

图3中，在额定转速n1以下为恒扭矩区，在额定转速n1至第二临界转速点n2为恒功率区。n2转速点以上，在此区域内测功机由于受到逆变器输出电压AC380V和最大耐受电流的约束，功率和扭矩均有所下降，此区域称为恒功率+恒速度区。对比图1和图2，不难看出，要完全科学有效地测试电动汽车用驱动电机的特性曲线，所选择的测功机不能和被试电机处在一个相同的功率等级，必须提升测功机的功率范围，使被试电机的恒功率区处在测功机的功率覆盖区域内。本文选取的是120kW测功机，来进行100kW以下的电动汽车用驱动电机的测试。

3.2电气系统

整个电机测试系统采用ABB的ACS800系列变频器来实现电网固定频率交流电与测功机的变频调速，动力电池仿真电源将交流电整流成直流电供给被试电机控制器。电气连接图如图4所示。电气系统主要包括隔离变压器、可控整流设备、交流电力测功机、动力电池仿真电源和被试电机等。隔离变压器完成电网到整流设备的升压隔离,同时可以减少试验设备对电网的干扰,动力电池仿真电源为被试电机提供直流电源,交流电力测功机和整流逆变设备用于调节被试电机负载并将能量回馈电网。其工作原理如下：

图4　电气连接图

(1) 当被试电机处于电动状态时,电网50Hz交流电进入动力电池仿真电源，仿真电源将交流电整流成直流电供给被试电机控制器驱动被试电机，被试电机带动测功机旋转,此时测功机作为交流发电机向外发出任意频率的交流电,然后送入变频器整流为直流电,再逆变为50Hz的交流电回馈入电网。

(2) 当被试电机处于发电状态时,交流电网50Hz交流电进入变频器整流为直流电,然后逆变为所需的交流电供给测功机,此时测功机作为交流电动机拖动被试电机旋转,被试电机作为发电机向外发出任意频率的交流电，经动力电池仿真电源逆变回馈电网。

3.3机械台架

机械台架通过长宽高为4000mm×2000mm×300mm的铁地板国定在水泥基座上，如图2所示，用来安装被试电机、负载测功机、扭矩传感器等。因电机试验时，不可能像电机实际应用时一次性安装固定，且由于加工及安装精度的影响，固定轴孔和电机轴配合时不可避免地产生轴心的不对中，因此，为了减小被试电机与负载测功机在同轴度方面的偏差对试验准确度的影响，在系统中采用2套膜片联轴器分别连接被试电机和扭矩传感器。同时，为了防止在高速旋转试验时，某些部件向外飞出对人员造成意外的伤害，在个联轴器上加装防护罩，以保证整个系统的机械运行安全。

3.4通信控制及数据处理系统

系统采用西门子S7-200系列PLC以及工控机、美国NI原装进口CAN通信卡等组建控制系统。其中一台工控机作为试验台主控计算机，另一台作为工况控制器。PLC与工控机采用Modbus通信，主控计算机配置MOXA通信卡，PLC预留20%数字I/O点。其他数显仪表如温度测量、压力测量采用串口通信与主控计算机联机。工况控制器配置NI公司CAN总线通信卡，与软件系统LABVIEW具有最佳兼容性。工况控制器与日本横河WT3000功率分析仪采用GP-IB通信，配置GP-IB卡。

电机测试系统采用交流变频回馈加载，加载能量通过交流电力测功机回馈电网；扭矩、转速通过扭矩传感器直接测量；功率分析仪检测电流、电压、频率、功率因数等；计算机自动检测、显示并完成数据处理、报表及各种曲线。利用测功机电机测量被试电机机械轴上输出的转矩，并结合转速以确定功率。

4试验验证

该试验台建成后对国内的多台电动汽车用电机及控制器进行了测试。图5是一台额定电压AC 340V、额定功率70kW、峰值扭矩220N·m、最高转速11000r/min的电机的电动特性曲线。试验过程中，在测功机和被试电机中间加装一台1∶2的升减速箱，以提升测功机的转速测量范围。从图5中可以看出，该电机在11000r/min前与普通电机的弱磁理论控制相符。该电机在超过11000r/min后，即达到该电机的第2临界转速点，电机的功率和扭矩急剧下降。

图5　额定电压小于AC 380V电机电动特性曲线

图6是一台额定电压AC 600V、额定功率45kW、峰值扭矩270N·m、最高转速4000r/min的电机的电动特性曲线。该台电机利用高压大容量动力电池，在电流不变的情况下，提高了直流母线电压，通过控制器逆变成AC 600V的交流电压给被试电机供电，提高了被试电机的功率输出能力。因此，该电机的电动特性曲线在超过额定转速1680r/min后，功率曲线较为平滑，与电机理想特性曲线一致。

图6　额定电压小于AC 600V电机电动特性曲线

5结语

经过一年多运行考核,该系统已对20余套电机系统进行了电动汽车用电机及控制器的性能测试工作。试验证明该系统运行稳定、工作可靠，能够完成额定功率100kW、最大扭矩500N·m的电动汽车用电机及控制器的性能测试工作，同时证明了该系统的机械加载和驱动性能以及相应的整流逆变器都能够很好地模拟测试电动汽车用电机及控制器的工作状况。

【参 考 文 献】

[1]GB/T 184881—2001电动汽车用电机及其控制器技术条件.

[2]GB/T 18488.2—2001电动汽车用电机及其控制器试验方法.

[3]张舟云,贡俊.新能源汽车电机技术与应用[M].上海： 上海科学技术出版社,2013.

[4]才家刚,吴亚旗.电机试验技术及设备手册[M].北京： 机械工程出版社，2011.

[读者群]

《电机与控制应用》杂志的读者包括电机与控制领域内从事科研、设计、生产的工程技术人员，全国各大高等院校师生，企业经营、管理、营销、采购人员，各类产品代理分销渠道人员以及最终用户等，遍及电力、石油、冶金、钢铁、交通、航天、工控、医疗、机械、纺织、矿山等多个行业。

杂志读者群专业、稳定、层次高，无论是交流前沿技术、实践经验，还是传递行业信息，开展企业及产品的广告宣传都能达到事半功倍的效果。

Development of Testing System for Motor and

Controller of Electric Vehicle

CHENJixian,ZHANGHuashu,MENGHui,QINBeijie

(National Auto Quality Supervision and Inspection Center(xiangyang), xiangyang 441004, China)

Abstract：A system developed for testing for motor and controller of electric vehicle was introduced.This system was based on a low inertia and high speed ac dynamometer controlled by ACS800 transducer,using high-precision torque-speed sensor and power analyzer as measure and control system.This system has been proved to be stable and reliable.

Key words：dynamometer; motor operating characteristic; regenerated energy characteristic

中图分类号：TM 306

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2015)12-0085-04

通讯作者：陈积先