电动汽车交流驱动电机测试系统的设计

阳鹏

（重庆凯瑞汽车试验设备开发有限公司，重庆401122）

电动汽车交流驱动电机测试系统的设计

阳鹏

（重庆凯瑞汽车试验设备开发有限公司，重庆401122）

本文分析了电动汽车驱动电机测试的特殊性，给出了电动汽车驱动电机测试的需求。论述了设计方案的合理性，对交流电机测试系统的组成原理及功能进行了详细介绍。依据本文方案所开发出的交流电机测试系统，完全能满足汽车驱动电机型式及耐久试验的需求。

电动汽车驱动电机；交流调频调压电源；交流电力测功机

电动汽车因其具有绿色环保和能源利用效率高等优点，能够实现超低排放甚至零排放的要求，因此得到了许多国家政府和企业的高度重视，并被视为调整交通能源使用结构和改善城市大气环境质量的有效途径之一。电动汽车驱动电机是电动汽车动力系统的核心部件，其性能对整个电动汽车的性能起到至关重要的作用。电动汽车驱动电机的调速范围宽、运行转速高、启动扭矩大、体积小、质量轻、效率高、动态制动能力较强且能够回馈能量，不同于普通的工业电机，其工作状况比较复杂，性能参数变化范围大[1]。当前现阶段是小批量，多品种的生产现状。上述的特点决定了汽车电机测试系统的特殊性，所以研发出适合电动汽车驱动电机的测试系统，对于国内电动汽车产业的发展具有十分重要的意义。本文介绍了一种能适应汽车电机测试特点的新型测试系统。

1 背景分析

电动汽车动力系统既要适应城市道路慢速行驶的需要，又要满足高速公路快速行驶的特点；既要保证电动汽车启动和低速爬坡性能要求，也应具有零速或低速大扭矩输出能力；同时要求驱动电机具有相对较宽的高速恒功率区，满足电动汽车连续高速行驶和加速性能的要求[2]。所以电动汽车工况的广泛性，决定了其驱动电机试验的复杂性。按照相关测试标准要求需要测试电动车驱动电机的转速、转矩、功率、效率、温升、电流响应、工况可靠性等特性[3-6]。

2 试验台系统原理

本系统由交流调频调压试验电源、交流电力测功机、扭矩传感器、转速传感器、测功机控制器、测量控制系统、试验机械台架以及监控系统组成。整个系统的组成如图1所示，包含AFE（有源回馈前端）单元和逆变单元一（作为交流电源，给试件电机供电用）、逆变单元二（作为测功电机驱动器用）、正弦波滤波器及线路切换开关等。

图1 测试系统原理图

AFE单元是共直流母线产品中的可回馈功率转换器的前端，是用来传输AC输入与中间DC电路间的功率。AFE单元具有能量双向流动功能，即当功率从AC输入传输到中间DC电路时，有源前端对交流电流与电压进行整流；当功率从中间DC电路传输到AC输入时，有源前端对直流电流与电压进行逆变。图2中描述了能量流动原理。

图2 电源系统结构图

试件交流试验电源逆变单元是一个直流供电的双向逆变器，用于对电机的供电和控制，可工作在V /F分离模式、频率模式。V/F分离模式时电压、频率可以分别给定。当设置好电机的额定参数后，给定频率可按照电机的V/F曲线来控制电机运行。测功电机逆变单元也是一个直流供电的双向逆变器，用于对加载电机的供电和控制，可工作在频率模式、开环速度模式、开环扭矩模式、闭环速度模式、闭环扭矩模式。测功电机为了保证扭矩和速度的控制准确性，一般工作在闭环速度模式或闭环扭矩模式。

交流电压、电流通过功率分析仪测量，扭矩通过高精度非接触式扭矩仪测量。所有开关操作均通过计算机远程操作控制，开关控制硬件和软件均进行了互锁设计。

3 交流电源设计

传统的电机测试台的交流电源多采用发电机组或调压变压器，其体积笨重，使用成本高，频率调节不方便。本系统设计的交流电源利用大功率交流调频调压技术，结合合适匹配的正弦波滤波器，得到满足电机试验标准指标要求的电源，其具有电压、频率独立调节的功能。如图3原理结构所示，交流逆变模块通过SPWM（sinusoidal pulse width modulation）调制方式也称为双极性PWM调制方式[7]输出PWM波形，经过RLC组成的二阶低通滤波器，得到满足谐波因数（HVF）和电压总谐波畸变率（THD）两个关键指标的正弦波试验电源。其可控性强、扩展性强，具有总线通讯功能，易于智能化系统集成。如图3所示。

图3 交流电源结构原理图

交流试验电源的输出参数如下：

（1）输出调压范围：3相AC 0～500 V.

（2）输出电压（V）、频率（F）可独立控制调节。

（3）具备四象限功能（能量回馈电网）。

（4）具备控制交流异步电机功能。

（5）具备控制交流永磁电机启动、加载功能。

（6）在输出基波30～150 Hz范围内可切换接入正弦波滤波器。

（7）输出正弦波满足：谐波因数（HVF）：≤3%.

（8）电压总谐波畸变率（THD）：≤5%.

4 电力测功机台架设计

汽车电机测试用的加载装置要求试验转速高、扭矩控制精度高、具有能量回馈功能，在进行道路工控模拟试验时要进行连续变工况调节。传统的加载装置（如：水力测功机、电涡流测功机、直流测功机等）耗电大，不节能、不环保、转速不高、能量不能回收、精度一般，不宜控制。具有闭环扭矩控制功能的四象限交流变频器、高速电力测功电机、高精度的扭矩传感器组成的交流测功机系统，体积小、易于机械台架设计、节能环保、具备能量回馈功能、自动控制容易，是加载装置最好的技术选择。

本文所述测功电机采用高速交流异步电动机，电机功率160 kW，额定转速4 000 rpm，最高转速12 000 rpm，额定扭矩382 Nm，具有1.2倍的过载能力。测功电机为定制的水冷式变频电机。测功电机由交流变频器直接控制，可以在转速和扭矩两种方式下工作，变频器采用四象限变频器，在扭矩方式下加载产生的电能可以直接回馈电网，从而达到节约能源的作用。扭矩传感器采用非接触式扭矩传感器，传感器量程1 000 Nm，精度0.05%，最高转速可达15 000 rpm.转速传感器采用脉冲编码器直接测量，通过测功机控制器可以直接计算速度和加速度。

机械台架主要由测功电机、测速编码器（装在测功机末端）、扭矩传感器（防护罩内）、轴承箱、底座、防护罩、联轴器（防护罩和夹具内）、堵转装置等组成。其整体外形结构如图4所示。轴承箱的转轴采用等强度设计，具有优异的抗扭、抗挠特性。轴承箱对扭矩传感器起到了有力的保护作用，同时给试件提供了牢固的安装基面。堵转销用于电机堵转试验。

图4 测试系统机械台架

为了保证电力测功机测量数据的准确性和可靠性，对测功机采取了静态校正和动态对比校正两种方法。电力测功机经过静态校正和动态对比校正后，保证了测量数据的准确性和可信度。见图4.

5 测控系统设计

测试及控制部分是整个试验系统的核心，测试软件部分的构建采用当前流行的图形化测试编程软件Labview来实现，如图5所示，测试及控制部分通过操作计算机可实现试验系统供配电、负载切换的自动化，同时利用传感器、信号调理模块、数据采集模块，对被测装置的各种参数数据进行采集和分析，为研发、产品定型和出厂提供详实和准确的依据。测试及控制软件界面如图5所示，在主控界面上可以很直观的监控各个传感器数据，操作各个开关及变频器。

测量控制通讯主网络采用工业以太网，传输速度快、抗干扰能力强、性能稳定可靠，测试系统以太网测控原理如图6所示。试验系统的电源输入断路器、输出回路切换开关的控制和状态的读取是通过PLC来完成的，计算机控制软件与PLC是通过以太网通讯来传输数据的。不能同时开启的开关，在硬件上通过辅助触点来互锁、软件上通过PLC程序来互锁，保证了控制的安全性。控制软件与变频器的通讯也是采用以太网来通讯的，保证了控制的实时性和可靠性。电压、电流、扭矩信号通过带以太网口的采集模块将数据上传至控制软件，见图5、图6.

图5 测试系统控制软件

图6 测控系统原理图

6 结语

本文设计的电动汽车交流电机测试系统可按照相关国家标准完成电动车驱动电机的台架试验项目，能满足参数在额定电压100～350 V、额定功率35～60 kW、最高转速12 000 r/min以内的电动汽车驱动用交流异步及永磁电机的测试需要。本系统的电压、电流、转速、转矩、功率信号的精度均通过了专业计量单位的检定，满足标准要求。本试验系统经过长时间的运行考核，运行稳定可靠，充分验证了系统设计是合理的、成功的。本系统的成功开发，对于促进国内电动汽车产业的发展，具有重要的意义。

[1]宫唤春，徐胜云，徐海磊.电动汽车动力测试平台设计及试验分析[J].山东交通科技，2010（4）：18-21.

[2]查鸿山，宗志坚，蒋念东.电动汽车动力测试平台设计及试验研究[C]//国际节能与新能源汽车创新发展论坛，2009.

[3]宋强，贡俊，郭淑英，等.GBT18488.1-2015《电动汽车用驱动电机系统第2部分：试验方法》，中华人民共和国汽车行业标准[S].北京，中国标准出版社，2015.

[4]宋强，孙逢春，贡俊，等.GBT29307-2012《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》，中华人民共和国汽车行业[S].北京：中国标准出版社，2013.

[5]金惟伟，王传军，倪立新，等.GBT1032-2012《三相异步电动机试验方法》，中华人民共和国机械行业标准[S].北京：中国标准出版社，2012.

[6]陈伟华，倪立新，金惟伟，等.GBT22669-2008《三相永磁同步电动机试验方法》，中华人民共和国机械行业标准[S].北京：中国标准出版社，2008.

[7]颜斌，陈希有.变频器输出RLC正弦波滤波器的工程设计[J].电机与控制学报，2002，6（3）：256-260.

Design of Electric Drive Motor Test System for Electric Vehicle

YANG Peng
（Chongqing CAERI Automobile Test Equipment Development Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

This paper analyzes the particularity of electric vehicle drive motor test，and gives the demand of electric vehicle driving motor test.The rationality of the design scheme is discussed，and the composition principle and function of the AC motor test system are introduced in detail.According to the AC motor test system developed in this paper，it can meet the requirements of automobile drive motor type and durability test.

electric vehicle drive motor；AC FM power supply；AC power dynamometer

U469.72

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0082-03

2017-02-13

阳鹏（1982-），男，湖北广水人，本科，工程师，研究方向：汽车试验设备研究与开发。