電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器測(cè)試系統(tǒng)研制

陳積先，　張華樹，　孟　輝，　覃北階

[國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(襄陽)，湖北 襄陽　441004]

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電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器測(cè)試系統(tǒng)研制

陳積先，張華樹，孟輝，覃北階

[國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(襄陽)，湖北 襄陽441004]

摘要：介紹了采用ABB的ACS800系列變頻器和低慣性、高轉(zhuǎn)速交流電力測(cè)功機(jī)作為加載裝置和負(fù)載，配合高精度的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)證該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：測(cè)功機(jī); 電動(dòng)特性; 發(fā)電特性

0引言

2001年，國家科技部將電動(dòng)汽車確定為“十五”國家12個(gè)重大科技專項(xiàng)之一，稱為國家“863”專項(xiàng)，提出了意義重大的“三縱三橫”(“三縱”指混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車；“三橫”指多能源動(dòng)力總成控制系統(tǒng)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)、電池及其管理系統(tǒng))總體路線，清晰地指明了研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化思路。工信部從2005年起開始受理電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的公告管理工作，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制單元作為“三橫”的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象則列入汽車公告目錄強(qiáng)制性檢測(cè)范疇。2012年7月9日，把握我國新能源汽車發(fā)展脈搏的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(以下簡稱《規(guī)劃》)正式出臺(tái)?！兑?guī)劃》明確提出加強(qiáng)新能源汽車關(guān)鍵零部件研發(fā)，重點(diǎn)支持驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)及核心材料的研發(fā)?；谝陨蠋追N原因，同時(shí)為了能夠正確評(píng)價(jià)和測(cè)試各種不同類型的電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器，研制一套電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器的測(cè)試系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器的特性要求

電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于需要能夠頻繁地起動(dòng)/停車、加速/減速，其負(fù)載要求和技術(shù)性能等方面都有著特殊要求，其性能也是普通工業(yè)電機(jī)無法比擬的。主要要求有：

(1) 為了滿足電動(dòng)汽車的加速和爬坡，要求電機(jī)在低速時(shí)能夠輸出大扭矩，高速時(shí)則需要具有恒功率，因此要求電機(jī)具有很寬的調(diào)速范圍。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)理想工作特性曲線如圖1所示，而普通工業(yè)電機(jī)通常優(yōu)化在額定的工作點(diǎn)上。

圖1　電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)理想特性曲線

(2) 電動(dòng)汽車在減速或制動(dòng)時(shí)能夠?qū)⒉糠帜芰炕厥?，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，而能量回饋性能的好壞直接決定了車輛的續(xù)駛里程。這一點(diǎn)是普通內(nèi)燃機(jī)車不可能實(shí)現(xiàn)的。

(3) 電動(dòng)汽車要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有可控性強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好、能夠適應(yīng)復(fù)雜的路況的特點(diǎn)。工業(yè)電機(jī)往往只有某一特性的要求。

2電動(dòng)汽車用電機(jī)試驗(yàn)參數(shù)分析

我國新能源汽車公告目錄是按GB/T 18488.1—2006《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器 第1部分： 技術(shù)條件》、GB/T 18488.2—2006 《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器 第2部分： 試驗(yàn)方法》兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施強(qiáng)制性檢測(cè)的[1-2]。因此，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)必須滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中要求的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流、功率、效率、溫升、再生能量回饋的試驗(yàn)；最高工作轉(zhuǎn)速、超速、耐久性、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線、功率-轉(zhuǎn)速曲線、效率MAP圖等的測(cè)試。

目前,普通的工業(yè)電機(jī)測(cè)試臺(tái)架和內(nèi)燃機(jī)測(cè)試臺(tái)架都不可能完成電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器的測(cè)試需求。因此，結(jié)合現(xiàn)代的電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器測(cè)試系統(tǒng)臺(tái),根據(jù)電動(dòng)汽車(含混合動(dòng)力汽車)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)特定的測(cè)試功能,才能充分全面地測(cè)試和評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器[3]。

3測(cè)試系統(tǒng)組成

為滿足電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器的特性要求及試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器測(cè)試系統(tǒng)覆蓋最大功率100kW、額定扭矩500N·m、最高轉(zhuǎn)速8000r/min電機(jī)的性能測(cè)試。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成： 負(fù)載模擬系統(tǒng)(交流電力測(cè)功機(jī))、機(jī)械臺(tái)架、電氣連接系統(tǒng)、通信控制及數(shù)據(jù)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)組成簡圖

3.1負(fù)載模擬系統(tǒng)

電動(dòng)汽車在實(shí)際行駛過程中必須克服輪胎的滾動(dòng)阻力、空氣阻力、爬坡阻力和加速阻力等才能夠向前行駛，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力就必須與這些阻力相平衡，而電動(dòng)汽車行駛時(shí)速度經(jīng)常處于變化之中,各種阻力也在動(dòng)態(tài)地變化，這就要求電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的負(fù)載系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車行駛時(shí)的各種阻力的模擬，具有高動(dòng)態(tài)特性的加載功能。交流電力測(cè)功機(jī)能夠在試驗(yàn)范圍內(nèi)平穩(wěn)、精確地調(diào)節(jié)負(fù)載和轉(zhuǎn)速的大小，因此本測(cè)試系統(tǒng)的負(fù)載模擬選用交流測(cè)功機(jī)作為負(fù)載裝置，根據(jù)電動(dòng)汽車的實(shí)際行駛工況，調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)的吸收功率，來實(shí)現(xiàn)行駛阻力的實(shí)時(shí)模擬。

在進(jìn)行測(cè)功機(jī)的選擇時(shí)，應(yīng)該根據(jù)被試的特性曲線來選用測(cè)功機(jī)，也即被試電機(jī)的特性曲線必須包含在測(cè)功機(jī)的特性曲線的恒扭矩、恒功率區(qū)內(nèi)，這樣才能真實(shí)地檢測(cè)出被試電機(jī)全部運(yùn)行工況下的功率、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代交流電力測(cè)功機(jī)控制方式都是基于弱磁控制理論的： 即電機(jī)超過額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，假如電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁磁鏈為常數(shù)，則電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)速增加而增加，電機(jī)端電壓也隨之增加，但是端電壓要受逆變器的最高輸出電壓限制，通過削弱磁場(chǎng)的方法可以在保持端電壓不變的情況下提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，即稱為弱磁控制[4]。根據(jù)此理論控制的測(cè)功機(jī)電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖3所示。

圖3　測(cè)功機(jī)機(jī)械特性曲線

圖3中，在額定轉(zhuǎn)速n1以下為恒扭矩區(qū)，在額定轉(zhuǎn)速n1至第二臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)n2為恒功率區(qū)。n2轉(zhuǎn)速點(diǎn)以上，在此區(qū)域內(nèi)測(cè)功機(jī)由于受到逆變器輸出電壓AC380V和最大耐受電流的約束，功率和扭矩均有所下降，此區(qū)域稱為恒功率+恒速度區(qū)。對(duì)比圖1和圖2，不難看出，要完全科學(xué)有效地測(cè)試電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性曲線，所選擇的測(cè)功機(jī)不能和被試電機(jī)處在一個(gè)相同的功率等級(jí)，必須提升測(cè)功機(jī)的功率范圍，使被試電機(jī)的恒功率區(qū)處在測(cè)功機(jī)的功率覆蓋區(qū)域內(nèi)。本文選取的是120kW測(cè)功機(jī)，來進(jìn)行100kW以下的電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的測(cè)試。

3.2電氣系統(tǒng)

整個(gè)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用ABB的ACS800系列變頻器來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)固定頻率交流電與測(cè)功機(jī)的變頻調(diào)速，動(dòng)力電池仿真電源將交流電整流成直流電供給被試電機(jī)控制器。電氣連接圖如圖4所示。電氣系統(tǒng)主要包括隔離變壓器、可控整流設(shè)備、交流電力測(cè)功機(jī)、動(dòng)力電池仿真電源和被試電機(jī)等。隔離變壓器完成電網(wǎng)到整流設(shè)備的升壓隔離,同時(shí)可以減少試驗(yàn)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的干擾,動(dòng)力電池仿真電源為被試電機(jī)提供直流電源,交流電力測(cè)功機(jī)和整流逆變?cè)O(shè)備用于調(diào)節(jié)被試電機(jī)負(fù)載并將能量回饋電網(wǎng)。其工作原理如下：

圖4　電氣連接圖

(1) 當(dāng)被試電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),電網(wǎng)50Hz交流電進(jìn)入動(dòng)力電池仿真電源，仿真電源將交流電整流成直流電供給被試電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)被試電機(jī)，被試電機(jī)帶動(dòng)測(cè)功機(jī)旋轉(zhuǎn),此時(shí)測(cè)功機(jī)作為交流發(fā)電機(jī)向外發(fā)出任意頻率的交流電,然后送入變頻器整流為直流電,再逆變?yōu)?0Hz的交流電回饋入電網(wǎng)。

(2) 當(dāng)被試電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),交流電網(wǎng)50Hz交流電進(jìn)入變頻器整流為直流電,然后逆變?yōu)樗璧慕涣麟姽┙o測(cè)功機(jī),此時(shí)測(cè)功機(jī)作為交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)旋轉(zhuǎn),被試電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向外發(fā)出任意頻率的交流電，經(jīng)動(dòng)力電池仿真電源逆變回饋電網(wǎng)。

3.3機(jī)械臺(tái)架

機(jī)械臺(tái)架通過長寬高為4000mm×2000mm×300mm的鐵地板國定在水泥基座上，如圖2所示，用來安裝被試電機(jī)、負(fù)載測(cè)功機(jī)、扭矩傳感器等。因電機(jī)試驗(yàn)時(shí)，不可能像電機(jī)實(shí)際應(yīng)用時(shí)一次性安裝固定，且由于加工及安裝精度的影響，固定軸孔和電機(jī)軸配合時(shí)不可避免地產(chǎn)生軸心的不對(duì)中，因此，為了減小被試電機(jī)與負(fù)載測(cè)功機(jī)在同軸度方面的偏差對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)確度的影響，在系統(tǒng)中采用2套膜片聯(lián)軸器分別連接被試電機(jī)和扭矩傳感器。同時(shí)，為了防止在高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，某些部件向外飛出對(duì)人員造成意外的傷害，在個(gè)聯(lián)軸器上加裝防護(hù)罩，以保證整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行安全。

3.4通信控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC以及工控機(jī)、美國NI原裝進(jìn)口CAN通信卡等組建控制系統(tǒng)。其中一臺(tái)工控機(jī)作為試驗(yàn)臺(tái)主控計(jì)算機(jī)，另一臺(tái)作為工況控制器。PLC與工控機(jī)采用Modbus通信，主控計(jì)算機(jī)配置MOXA通信卡，PLC預(yù)留20%數(shù)字I/O點(diǎn)。其他數(shù)顯儀表如溫度測(cè)量、壓力測(cè)量采用串口通信與主控計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)。工況控制器配置NI公司CAN總線通信卡，與軟件系統(tǒng)LABVIEW具有最佳兼容性。工況控制器與日本橫河WT3000功率分析儀采用GP-IB通信，配置GP-IB卡。

電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用交流變頻回饋加載，加載能量通過交流電力測(cè)功機(jī)回饋電網(wǎng)；扭矩、轉(zhuǎn)速通過扭矩傳感器直接測(cè)量；功率分析儀檢測(cè)電流、電壓、頻率、功率因數(shù)等；計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)、顯示并完成數(shù)據(jù)處理、報(bào)表及各種曲線。利用測(cè)功機(jī)電機(jī)測(cè)量被試電機(jī)機(jī)械軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，并結(jié)合轉(zhuǎn)速以確定功率。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

該試驗(yàn)臺(tái)建成后對(duì)國內(nèi)的多臺(tái)電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器進(jìn)行了測(cè)試。圖5是一臺(tái)額定電壓AC 340V、額定功率70kW、峰值扭矩220N·m、最高轉(zhuǎn)速11000r/min的電機(jī)的電動(dòng)特性曲線。試驗(yàn)過程中，在測(cè)功機(jī)和被試電機(jī)中間加裝一臺(tái)1∶2的升減速箱，以提升測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍。從圖5中可以看出，該電機(jī)在11000r/min前與普通電機(jī)的弱磁理論控制相符。該電機(jī)在超過11000r/min后，即達(dá)到該電機(jī)的第2臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)，電機(jī)的功率和扭矩急劇下降。

圖5　額定電壓小于AC 380V電機(jī)電動(dòng)特性曲線

圖6是一臺(tái)額定電壓AC 600V、額定功率45kW、峰值扭矩270N·m、最高轉(zhuǎn)速4000r/min的電機(jī)的電動(dòng)特性曲線。該臺(tái)電機(jī)利用高壓大容量動(dòng)力電池，在電流不變的情況下，提高了直流母線電壓，通過控制器逆變成AC 600V的交流電壓給被試電機(jī)供電，提高了被試電機(jī)的功率輸出能力。因此，該電機(jī)的電動(dòng)特性曲線在超過額定轉(zhuǎn)速1680r/min后，功率曲線較為平滑，與電機(jī)理想特性曲線一致。

圖6　額定電壓小于AC 600V電機(jī)電動(dòng)特性曲線

5結(jié)語

經(jīng)過一年多運(yùn)行考核,該系統(tǒng)已對(duì)20余套電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器的性能測(cè)試工作。試驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、工作可靠，能夠完成額定功率100kW、最大扭矩500N·m的電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器的性能測(cè)試工作，同時(shí)證明了該系統(tǒng)的機(jī)械加載和驅(qū)動(dòng)性能以及相應(yīng)的整流逆變器都能夠很好地模擬測(cè)試電動(dòng)汽車用電機(jī)及控制器的工作狀況。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]GB/T 184881—2001電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器技術(shù)條件.

[2]GB/T 18488.2—2001電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器試驗(yàn)方法.

[3]張舟云,貢俊.新能源汽車電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].上海： 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2013.

[4]才家剛,吳亞旗.電機(jī)試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備手冊(cè)[M].北京： 機(jī)械工程出版社，2011.

[讀者群]

《電機(jī)與控制應(yīng)用》雜志的讀者包括電機(jī)與控制領(lǐng)域內(nèi)從事科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的工程技術(shù)人員，全國各大高等院校師生，企業(yè)經(jīng)營、管理、營銷、采購人員，各類產(chǎn)品代理分銷渠道人員以及最終用戶等，遍及電力、石油、冶金、鋼鐵、交通、航天、工控、醫(yī)療、機(jī)械、紡織、礦山等多個(gè)行業(yè)。

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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

中圖分類號(hào)：TM 306

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2015)12-0085-04

通訊作者：陳積先