电动汽车电驱动系统试验平台开发

徐勇， 王冬良， 马嘉俊， 王志颖， 申刻

(三江学院机械与电气工程学院，南京210012)

0 引 言

电动汽车具有零排放、低能耗、高效率等特点，在石油资源不断减少、全球环境污染日益严重的背景下，电动汽车已成为各国发展对象。我国电动汽车的发展正处于推广期，电动汽车关键技术的研发也得到了大力支持。

电动汽车主要由电驱动系统、电源系统及辅助系统等组成。电驱动系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机车辆的最大不同点，而电驱动系统的关键又在于驱动电动机和电动机控制器。电驱动系统结构设计、性能研究一直以来是国内外诸多专家研究的热点[1-8]，但均处于科研层面。电驱动系统主要集中在模型构建、仿真分析层面上[9-10]，在试验平台层面上的资源却较为匮乏。

本文针对电动汽车电驱动系统试验平台相对匮乏的现状，以电动汽车用的永磁同步电动机为研究对象，用图形交互界面和Matlab/Simulink搭建包括驱动电动机模块、电源模块、数据采集模块及负载制动模块在内的试验平台。试验平台可以通过人机交互的方式实现电驱动系统结构、原理分析及性能试验等。同时，试验平台还能利用Matlab/Simulink软件实现自主分析及二次开发功能，为后续开发提供资源。

1 电驱动系统试验平台的总体架构

电动汽车电驱动系统试验平台提供一个测试、分析及模拟的交互界面，可对电驱动系统进行样机动态测试[11-12]。依据电驱动系统的试验功能需求制订了研究路线，如图1所示。

图1 电动汽车电驱动系统试验平台研究技术路线

结合电驱动系统的性能测试需求，运用模块化的设计思路，构建了电驱动系统试验平台，如图2所示。

图2 电动汽车电驱动系统试验平台架构

该平台包括电源模块、充电模块、电动机及控制模块、电信号数据采集模块、负载模块、控制系统、交互界面显示模块等。充电模块、测功机、控制系统计算机、显示器的电源均由电网提供。测试电动机、转速转矩传感器、制动器制动盘之间用弹性联轴器连接，制动器制动盘、惯性飞轮及测功机主轴间通过刚性轴连接。操作人员可以通过踩下制动踏板使制动分泵动作来实现制动器的制动效果。其余模块间的连接则通过电气元件实现。

2 试验平台的硬件设计

试验平台的硬件部分主要由电源及充电模块、电动机及控制模块、数据采集模块、负载模块等组成。电源模块采用锂电池组作为电源模块，为电动机控制器、永磁同步电动机提供直流电。充电模块则是通过将电网的220 V交流电转变为锂电池组适用的直流电。

电动机及控制模块中选用上海电驱动股份有限公司的EM-28-60-18N型永磁同步电动机作为被测对象，选用直流无刷电动机矢量控制器来控制电动机。该模块元件的相关参数如表1所示。

数据采集模块中，转速转矩传感器选用兰陵机电有限公司的ZJ-200A型转矩转速传感器，转矩量程为200 N·m，转速量程为5000 r/min，准确度等级为±0.2%。数据采集装置选用兰陵机电有限公司的TS-3000型转矩转速功率采集仪和EP-2000型电参数采集仪。该模块可以采集电驱动系统的电压、电流、转速、转矩及温度等信号。

负载模块采用汽车液压制动系统、磁粉测功器作为负载装置。通过汽车液压制动系统装置模拟驾驶员对车辆实施制动过程，通过磁粉测功器可以模拟电动汽车爬坡、载荷变化等运行工况中其驱动电动机的负载变化过程。

表1 电动机及控制模块元件参数

测功机上位机控制电驱动系统试验平台的测功机，检测测功机的工作状态。在平台的测试过程中，测功机需模拟被测电动机的负载情况。在电动汽车加减速工况的动态测试过程中，需要模拟电动汽车机械惯量的大小，虽然测功机可以通过电惯量来模拟，但汽车机械惯量较大，须采用功率较大、动态响应特性高的测功机来实现，这就增加了电驱动系统试验平台的成本。因此，该试验平台采用机械式惯性飞轮来模拟电动汽车主要的机械惯量[13]，再利用测功机的电惯量来进行小范围惯量的补偿[14]。

试验平台数据采集、分析及控制系统获得电源模块上位机、被测电动机及控制器、功率分析仪、测功机上位机、油门踏板装置和制动系统等各总成的信号，同时对信号进行分析并显示结果。平台的控制系统可根据电驱动系统性能测试需求设计试验程序，还能保障试验测试的顺利进行。譬如，通过继电器装置来控制各开关的先后工作顺序，确保各电气系统间的内在逻辑。又如，通过检测高压安全继电器的工作状态，在高压安全继电器未接通的情况下，电驱动系统试验平台不予启动。电驱动系统试验平台主要硬件的实物样机结构如图3所示。

图3 电驱动系统试验平台主要硬件实物图

3 试验平台的软件开发

该试验台运用LabVIEW进行软件系统的开发，实现对电驱动系统试验平台的测试，通过上位机采集相关的性能参数，并由计算机通过计算分析对电驱动系统性能做出评测，继而为改善电驱动系统性能和提高可靠性提供理论依据。

3.1 软件系统的总体设计

在电驱动试验平台数据测试系统的软件开发过程中，首先是设置数据采集系统的通道、传感器的量程和输出范围及单位、采样率、数据存储；然后对数据测试系统的程序进行调试，直至调试无误为止；最后启动测试程序，实现测试数据的采集、存储及显示功能。

根据试验平台的功能需求，其测试系统包括转速转矩温度等信号采集计算、运行设置、曲线加载等部分，测试界面如图4所示。

3.2 数据采集模块的设计

图4 电驱动系统试验平台测试界面

结合试验平台硬件设备的选型，可以采集到5个信号：永磁同步电动机的转矩、转速、输入电压、输入电流和温度。通过传感器获得这5个物理量后以电信号的形式输入数据采集卡中，然后通过数据总线传输至计算机中进行计算、分析和存储，最后通过显示器显示其结果。测试人员可以通过运行设置界面调节控制参数、通道等实现实时数据采集存储，同时，这些数据均可通过Excel格式输出和保存。这些数据在后期可以随时调取，也可为基于Matlab/Simulink软件开发的二次仿真平台进行分析、处理。

3.3 基于Matlab/Simulink开发的二次仿真平台

电动汽车用永磁同步电动机的运行工况不仅取决于负载转矩的大小，还取决于电动机自身的转速。因此，在分析永磁同步电动机性能的过程中，需要同时考虑转矩和转速的对应关系，这就需要绘制转速、转矩、效率三者间的关系曲线，即电动机效率MAP图。

考虑电动机的效率特性，利用Matlab/Simulink搭建了永磁同步电动机的仿真模型，完成电动机效率MAP图的二次仿真平台开发，实现效率功能分析。永磁同步电动机控制系统仿真模型如图5所示。

图5 永磁同步电动机控制系统仿真模型

通过该试验平台所得的测试数据表，运用图5中的仿真模型得出电动机MAP图，实现电动机转速、转矩和效率间的函数关系分析。

4 电驱动系统功能试验

根据文献［15］～［16］中的要求，结合电驱动系统的功能需求设计实验方案，对2.8 kW的永磁同步电动机及其控制器进行性能试验。运用该平台开发的测试软件进行数据采集、处理及分析。测试模式及采样互动界面如图6所示。

根据国家标准的规定要求，在试验时，驱动电动机工作转速范围内选择不少于10个转速测试点，且最低转速点宜选用不大于最高工作转速的10%[16]。结合该平台所选电动机型号，本文以 输 入 转 速400、500、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500 r/min为转速测试点。输入转矩从0.5～18.0 N·m间根据测试实际情况采集转矩测试点。

图6 试验平台测试模式及采样模块交互界面

4.1 电驱动系统外特性试验

图7为测试所得的外特性图。由数据分析可知，当转速在400～3000 r/min左右时，电驱动系统的最大输出转矩受到限制，其输出功率呈线性上升；当转速达到3000 r/min左右后，由于最大功率的影响，其输出转矩逐渐下降。

4.2 电驱动系统效率试验

将外特性试验过程中的数据通过Excel格式输出和保存，运用该试验平台开发的效率MAP图二次仿真平台进行分析、处理，得到电驱动系统的效率MAP图，如图8所示。

由试验数据可知，电动机功率在70%～92%之间，最佳功率点的效率为91.8%。根据图示，最佳效率点的转速和转矩值在电驱动系统额定转速和额定转矩附近，该试验平台在模拟工况下所测电动机效率与实际使用情况相符，电驱动系统具有传动效率高、能耗小、设计合理的特点。

5 结 论

1) 针对电动汽车电驱动系统试验平台匮乏的问题，依据电动汽车电驱动系统性能测试需求，本文搭建了电动汽车电驱动系统试验平台，该平台涵括了电源模块、充电模块、电动机及驱动模块、数据采集模块、负载模块、控制系统及交互界面显示模块等。

图7 电驱动系统外载特性图

图8 电驱动系统效率MAP图

2) 针对电动汽车电驱动系统功能测试需求，运用LabVIEW完成了测试软件系统开发，将数据采集模块的数据经计算机处理、分析后作出性能测评。软件系统也可由测试人员通过交互界面完成控制参数、通道等设定。在试验平台测试软件基础上，本文又基于Matlab/Simulink开发了电动机效 率MAP 图的二次仿真平台，实现了电动机转速、转矩、效率三者关系的分析功能。

3)根据国家标准、功能需求设计了该试验平台试验方案，通过测试电驱动系统的性能参数，验证了试验平台的合理性。由电驱动系统外特性试验、效率分析等典型试验可知，该试验平台所模拟的工况与电动汽车实际使用情况相符，所搭建的试验平台传动效率高、能耗小。