電動(dòng)汽車電機(jī)及控制器智能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 其，陳星宇，唐 揚(yáng)，蔡華祥

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安710072；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴陽550081）

電動(dòng)汽車以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大加速快，無尾氣排放噪聲小，且可以能量回饋，逐漸成為汽車的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車電機(jī)在裝車運(yùn)行前要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，由于傳統(tǒng)測(cè)試耗費(fèi)的人力和電能大，故在此提出一種高效智能的測(cè)試系統(tǒng)。

1 電動(dòng)汽車核心部件

電動(dòng)汽車的三大核心部件為整車控制器VCU（vehicle control unit）、電機(jī)控制系統(tǒng)MCU（moter control unit）、電池管理系統(tǒng)BMS（bttery management system），如圖1所示。①VCU 接收駕駛員的操作指令，并實(shí)時(shí)監(jiān)控整車附件、電池系統(tǒng)及電機(jī)系統(tǒng)部件的狀態(tài)，對(duì)附件和電機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制指令；②BMS 主要完成電池化成測(cè)試、保護(hù)，狀態(tài)預(yù)測(cè)，充放電控制，電流均衡及通信等功能；③MCU 是實(shí)現(xiàn)電能向汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)換的部件，也是實(shí)現(xiàn)駕駛員行車意愿的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要處理行車、剎車、倒車、駐車等功能[1]。

VCU 與MCU，BMS 及儀表之間的通訊采用CAN總線?？刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩命令、冷卻風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速占空比等控制信號(hào)均通過CAN 總線傳輸，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車的三大核心部件Fig.1 Three major components of electrical vehicle

電動(dòng)汽車電機(jī)的測(cè)試臺(tái)除了應(yīng)測(cè)量電機(jī)的基本機(jī)械特性和效率曲線之外，還需要測(cè)量電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和堵轉(zhuǎn)時(shí)溫升、四象限交替運(yùn)行性能、模擬整車控制器CAN 總線收發(fā)信息[2]。同時(shí)，由于汽車電機(jī)的功率較大，在電機(jī)數(shù)量多時(shí)測(cè)量消耗的電能也較多，測(cè)試時(shí)需要考慮系統(tǒng)的能量回饋利用，還要考慮到測(cè)試人員操作的便利性。

2 電機(jī)及控制器測(cè)試系統(tǒng)總體方案

對(duì)電機(jī)的測(cè)試主要包括輸入電能信息和輸出力能信息的測(cè)量，直接測(cè)量的有電機(jī)輸入電信號(hào)的電壓、電流波形和數(shù)值，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的波形和數(shù)值，頻率和溫度；間接測(cè)量的有電機(jī)的3 種功率（有功、無功、總功）、功率因素、電機(jī)損耗、機(jī)械損耗、效率、諧波分析等。現(xiàn)代工業(yè)對(duì)電機(jī)的調(diào)速性能要求越來越高，對(duì)電機(jī)的測(cè)試越來越多地考慮到電機(jī)控制器的性能；對(duì)配有減速箱的電機(jī)，還需要增加對(duì)變速器效率的測(cè)量。

2.1 常用的測(cè)功機(jī)及測(cè)試方法

測(cè)功機(jī)是檢測(cè)動(dòng)力設(shè)備（如電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等）的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的設(shè)備，用以反映動(dòng)力設(shè)備對(duì)外部負(fù)載的工作特性。要求測(cè)功機(jī)慣量小，動(dòng)態(tài)性能高，穩(wěn)定性好。目前應(yīng)用較多的有電流加載測(cè)功機(jī)（渦流測(cè)功機(jī)、磁滯測(cè)功機(jī)、磁粉測(cè)功機(jī)）、電力測(cè)功機(jī)和對(duì)拖發(fā)電測(cè)功機(jī)等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電機(jī)測(cè)功的3 種方法Tig.2 Three methods for measuring motor

電流加載測(cè)功機(jī)僅是給電機(jī)輸出軸施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，渦流測(cè)功機(jī)、磁滯測(cè)功機(jī)和磁粉測(cè)功機(jī)都是通過外加電流形成轉(zhuǎn)矩，通常與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，電流流過測(cè)功機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要配置散熱裝置。它屬于能量消耗型，一般用于中小功率電機(jī)測(cè)量[3]。

電力測(cè)功機(jī)采用輔助電機(jī)作為測(cè)功機(jī)，能夠輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，一方面能作為轉(zhuǎn)矩負(fù)載（此時(shí)輔助電機(jī)發(fā)電），另一方面能作為動(dòng)力源（此時(shí)輔助電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行）帶動(dòng)被測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電力測(cè)功機(jī)通常使用直流電機(jī)或三相異步變頻電機(jī)，直流電機(jī)由于存在電刷磨損而慢慢減少使用[4]。

對(duì)拖發(fā)電測(cè)功機(jī)用2 臺(tái)同規(guī)格同型號(hào)電機(jī)相互對(duì)拖替代轉(zhuǎn)矩加載臺(tái)，其中一臺(tái)作為電動(dòng)機(jī)外接控制器，另一臺(tái)作為發(fā)電機(jī)外接三相可調(diào)電阻箱負(fù)載，此時(shí)可以省去測(cè)功機(jī)，但是需要同時(shí)調(diào)節(jié)三相負(fù)載電阻以控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此操作復(fù)雜[5]。

2.2 高效智能電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)電動(dòng)汽車電機(jī)的工作狀況和國(guó)標(biāo)測(cè)試要求，在此所提出的高效智能測(cè)試系統(tǒng)包括穩(wěn)壓直流電源、負(fù)載變頻電機(jī)、變頻器、聯(lián)軸器、扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器、水冷系統(tǒng)、功率分析儀、工控上位機(jī)、Pt100 溫度測(cè)量?jī)x、以太網(wǎng)路由器等。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 智能測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Intelligent test system

整個(gè)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)外接三相交流電源，整流成直流電源，一方面經(jīng)過穩(wěn)壓直流電源給電機(jī)控制器供電，另一方面供給變頻器控制負(fù)載變頻電機(jī)。使用功率分析儀EV3000 測(cè)量電機(jī)系統(tǒng)中的電壓、電流和頻率，扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量電機(jī)的輸出[6]。測(cè)量信號(hào)通過網(wǎng)線傳輸給工控上位機(jī)顯示，上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)值及其波形顯示、諧波分析和3 種功率（有功功率、無功功率、總功率）的計(jì)算、數(shù)據(jù)和屏幕圖像的保存。測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量范圍見表1。

表1 智能測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)Tab.1 Parameters of intelligent test system

測(cè)試系統(tǒng)的外接電源為手動(dòng)操作，穩(wěn)壓直流電源、變頻器、冷卻系統(tǒng)的繼電器通斷是由上位機(jī)發(fā)控制命令，通過以太網(wǎng)線傳輸?shù)絇LC，再由PLC 控制繼電器。穩(wěn)壓直流電源（電壓、電流、功率）的設(shè)置，水冷系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)和變頻器（轉(zhuǎn)速、方向、轉(zhuǎn)矩）的設(shè)置都是上位機(jī)通過以太網(wǎng)線發(fā)送控制信號(hào)，控制負(fù)載變頻電機(jī)按控制要求運(yùn)行，所有的通信均采用ModBus 協(xié)議。被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和溫度信號(hào)均通過CAN 總線傳輸。電機(jī)繞組和控制器溫度的測(cè)量采用鉑電阻Pt100 溫度傳感器，通過RJ45 發(fā)送到上位機(jī)軟件。

3 測(cè)試系統(tǒng)的主要功能模塊

3.1 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器

電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)最主要的功能是測(cè)量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩性能。在此測(cè)試系統(tǒng)采用非接觸的Kistler 法蘭式扭力傳感器，由應(yīng)變片法蘭盤和接收器組成，兩部分不直接接觸，間隙一般3～5 mm。應(yīng)變片法蘭盤直接安裝到電機(jī)軸上，無需軸承。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)變片法蘭盤因?yàn)榍邢驊?yīng)力產(chǎn)生形變，法蘭盤內(nèi)部放大器把形變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行放大，再將其調(diào)制為高頻信號(hào)并通過環(huán)形天線發(fā)射到接收器，接收器處理后將結(jié)果發(fā)送到功率分析儀EV3000。該方法為非接觸式測(cè)量，旋轉(zhuǎn)的法蘭不需要連接電源線，成本低，可靠性高，測(cè)量精度高。

3.2 功率分析儀

功率分析儀用于測(cè)試電機(jī)和控制器系統(tǒng)性能，完成所有電信號(hào)的測(cè)量和分析。在此測(cè)試系統(tǒng)采用銀河EV3000 功率分析儀。EV3000 有4 個(gè)通道，其中3 個(gè)通道采用三表法測(cè)量電機(jī)三相繞組的電壓電流，三相繞組穿過功率分析儀電流傳感器，功率分析儀的3 個(gè)電壓傳感器并聯(lián)到三相繞組的接線端。三表法能準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)的三相電壓、三相電流、3 種功率、功率因數(shù)、頻率。EV3000 的另一個(gè)通道測(cè)量控制器的輸入端直流母線電壓電流。EV3000 還可以對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行諧波分析。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件

工控機(jī)作為整個(gè)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的控制中心，一方面要完成測(cè)試人員的操作命令 （包括上下電、加載、調(diào)速），另一方面要自動(dòng)記錄電機(jī)的運(yùn)行信息。測(cè)試人員通過上位機(jī)軟件和通信卡來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。上位機(jī)程序基于LabVIEW 平臺(tái)開發(fā)。LabVIEW 是圖形化編程環(huán)境，由前面板和程序框圖2 個(gè)窗口組成。在前面板里可以設(shè)計(jì)各種人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)、波形顯示；在程序框圖里完成各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)各種算法處理和分析，并與外部傳感器模塊進(jìn)行通信[7-8]，采樣頻率為20 kHz，還可以鏈接SQL Server 數(shù)據(jù)庫作為存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過Excel 表格或doc 文檔的方式存儲(chǔ)，便于測(cè)試人員對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析和后處理。

3.4 能量回饋模塊

汽車正常運(yùn)行時(shí)，被測(cè)電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，變頻電機(jī)作為負(fù)載提供反向轉(zhuǎn)矩，被測(cè)電機(jī)帶動(dòng)變頻電機(jī)旋轉(zhuǎn)，變頻電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)；汽車下坡或制動(dòng)時(shí)，變頻電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)被測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，被測(cè)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。在任一時(shí)刻，被測(cè)電機(jī)和變頻電機(jī)總有一個(gè)工作于發(fā)電狀態(tài)，通過能量回饋模塊將發(fā)電回饋到測(cè)試系統(tǒng)中，能有效地提高能量利用率，減少測(cè)試系統(tǒng)對(duì)外部電源的需求。

能量回饋技術(shù)有2 種方式：共用電網(wǎng)交流電源和共用直流回路母線，如圖4所示。共用電網(wǎng)交流電源，要求被測(cè)汽車電機(jī)和變頻負(fù)載電機(jī)都采用交-直-交逆變器方式，而且能量回饋到電網(wǎng)需要保持電壓同相位和幅值，控制算法難度大[9]。由于被測(cè)汽車電機(jī)和變頻負(fù)載電機(jī)都采用直-交變頻器驅(qū)動(dòng)方式，所以2 個(gè)電機(jī)控制器的直流電源可以采用共用直流回路母線（2 個(gè)電機(jī)控制器并聯(lián)方式），僅需1 套整流電路就可以實(shí)現(xiàn)外部三相交流電源對(duì)2 個(gè)電機(jī)控制器的供電，能量回饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖4 兩種能量回饋的方法Fig.4 Two energy feedback methods

4 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18488．2—2006《電動(dòng)汽車用電機(jī)及其控制器試驗(yàn)方法》，對(duì)一款純電動(dòng)大客車輪邊驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器通過循環(huán)水冷進(jìn)行冷卻。電機(jī)額定功率36 kW，最大電流400 A；電機(jī)額定轉(zhuǎn)速6500 r/min，超過額定轉(zhuǎn)速采用弱磁方式升速；電機(jī)控制器功率60 kW，采用空間矢量控制SVPWM （space vector pulse width modulation）算法，元器件型號(hào)均采用汽車級(jí)認(rèn)證器件。

4.1 輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器性能測(cè)試

按照?qǐng)D2c 安裝被測(cè)電機(jī)、連接電源電路和測(cè)試電路。

打開測(cè)試設(shè)備電源，并將電流、電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)校零，開啟被測(cè)電機(jī)水冷系統(tǒng)和軸承箱風(fēng)冷系統(tǒng)，接通負(fù)載變頻電機(jī)控制器電源，設(shè)置穩(wěn)壓直流電源參數(shù)。根據(jù)純電動(dòng)汽車動(dòng)力要求，電機(jī)可工作于轉(zhuǎn)速控制方式和轉(zhuǎn)矩控制方式，在此系統(tǒng)中被測(cè)電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，負(fù)載變頻電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制。水流量12 L/min；水溫度30 ℃；母線電壓600 V；轉(zhuǎn)速自100 r/min 依次遞增至6500 r/min；在各個(gè)轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩自0 N·m 增加，直至達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩為止。圖5 為上位機(jī)監(jiān)控軟件顯示額定轉(zhuǎn)速下不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)性能數(shù)據(jù)。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.5 Upper computer monitoring interface

該測(cè)試系統(tǒng)可以自動(dòng)繪制出電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性、效率MAP 圖及溫升特性曲線等，如圖6所示。由圖6a 可見，控制器效率最高位置在額定功率點(diǎn)附近，在95%以上，控制器效率大于90%的工況占總工況90%以上；由圖6b 可見，電機(jī)效率最高位置在額定功率36 kW 以上的工況，在93．78%以上，電機(jī)效率大于90%的工況占總工況70%以上。不同工況下電機(jī)能耗比和功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的曲線關(guān)系如圖6c所示。

圖6 電機(jī)和控制器的性能Fig.6 Motor and controller performance

4.2 高效測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證

由于汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)常是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，而且多為四象限交替運(yùn)行，測(cè)試過程中要盡量降低能耗。在此電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用共用直流回路母線技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量回饋，被測(cè)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)下測(cè)試系統(tǒng)的能耗見表2。由表可知，測(cè)試系統(tǒng)的能耗為被測(cè)電機(jī)系統(tǒng)與負(fù)載變頻電機(jī)的電磁損耗、雜散損耗、電力電子器件的損耗、聯(lián)軸器摩擦損耗和風(fēng)阻損耗、水冷系統(tǒng)的能耗與整流電源的能耗之和[10]。消耗型測(cè)功機(jī)的能耗約為被測(cè)電機(jī)的輸入功率與測(cè)功機(jī)的消耗功率之和，該測(cè)試系統(tǒng)可以節(jié)省70%～90%的電能。該系統(tǒng)能大大減少測(cè)試時(shí)的用電量，同時(shí)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)記錄提高了測(cè)試工作效率。

表2 智能測(cè)試系統(tǒng)的能耗Tab.2 Energy consumption of intelligent test system

5 結(jié)語

采用異步變頻電機(jī)作為被測(cè)電機(jī)的負(fù)載，能夠配合被測(cè)電機(jī)完成電機(jī)四象限運(yùn)行的各項(xiàng)測(cè)試；同時(shí)采用共用直流回路母線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)和負(fù)載變頻電機(jī)之間的能量回饋，試驗(yàn)結(jié)果表明有70%～90%的節(jié)能效果；基于LabVIEW 的上位機(jī)監(jiān)控軟件，能實(shí)時(shí)顯示電機(jī)系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)分析并生成試驗(yàn)報(bào)告。該方案比傳統(tǒng)的人工試驗(yàn)或者記錄方案具有更快的試驗(yàn)速度，在電機(jī)批量生產(chǎn)中實(shí)用性較強(qiáng)。