新能源汽車動(dòng)力電機(jī)運(yùn)行性能測(cè)試

叢曉英

(無(wú)錫南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程與管理系，江蘇 無(wú)錫 214000)

電機(jī)是新能源汽車的動(dòng)力核心，它主要完成將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，以及將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中的任務(wù)[1]。電機(jī)性能直接決定電動(dòng)汽車的整車性能，故電機(jī)性能測(cè)試是電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[2]。目前，針對(duì)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的研究比較多，王大文等[3]通過(guò)數(shù)值計(jì)算與電磁振動(dòng)響應(yīng)研究永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行性能；李隆年等[4]討論穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)占空比與汽車電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，指出確定電機(jī)極限轉(zhuǎn)速的方法；伍慶龍等[5]根據(jù)雙電機(jī)系統(tǒng)工作原理提出電機(jī)系統(tǒng)起步控制與換擋控制策略；李澤田[6]設(shè)計(jì)了4種動(dòng)力總成方案，優(yōu)化了集成電機(jī)系統(tǒng)的速比參數(shù)。然而，目前大部分研究都是對(duì)汽車電機(jī)單一性能控制的分析[7]，對(duì)新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)搭建與分析方法的研究甚少。本研究針對(duì)電機(jī)性能測(cè)試需求進(jìn)行深入分析，設(shè)計(jì)了電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試方案，測(cè)定得到新能源汽車電機(jī)的經(jīng)濟(jì)工況，讓汽車盡量行駛在電機(jī)效率較高點(diǎn)，以更好地利用現(xiàn)有能源。

1 電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)搭建與性能測(cè)試

1.1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

(1)測(cè)試環(huán)境條件

測(cè)試對(duì)象：永磁同步電機(jī)(TYB220-4型，功率2.2 kW，杭州立新電機(jī)股份有限公司)；測(cè)試設(shè)備：直流電機(jī)(DQ09型，220 V/185 W，上海碩博科教設(shè)備有限公司)，三相電參數(shù)采集模塊(EDA9033A型，精度±5%，山東力創(chuàng)科技股份有限公司)，扭矩傳感器(KLKC-215型，動(dòng)態(tài)扭矩20 N·m，精度±0.1%，廣州昆侖自動(dòng)化設(shè)備有限公司)；工作環(huán)境：溫度27 ℃，相對(duì)濕度45%；軟件：Windows 10，MATLAB 2018b；硬件：Intel Core i5 4800 CPU，GT540M 4 G DDR4顯卡，8 G DDR4 RAM。

(2)電機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能是由電機(jī)性能決定的，所以電機(jī)性能測(cè)試是電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。為了能較好地測(cè)試電機(jī)的各項(xiàng)性能，本研究搭建了電機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。電機(jī)測(cè)試參數(shù)主要包含最大扭矩、最大功率、最高工作轉(zhuǎn)速。為簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架，本研究使用模塊化設(shè)計(jì)理念，讓臺(tái)架有更好的通用性和擴(kuò)展性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架原理如圖1所示。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架

該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架擁有測(cè)功系統(tǒng)、被測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集功能裝置等。測(cè)功系統(tǒng)使用電機(jī)和變速器結(jié)合來(lái)供給負(fù)載，通過(guò)改變變速器的速比為被測(cè)系統(tǒng)提供較寬的負(fù)載，來(lái)達(dá)到對(duì)不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試的目的，以降低測(cè)功系統(tǒng)和整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的成本。上位機(jī)、下位機(jī)、電機(jī)控制器組成控制系統(tǒng)。上位機(jī)主要控制下位機(jī)并進(jìn)行串行通信，下位機(jī)對(duì)上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的指令信號(hào)進(jìn)行處理后執(zhí)行輸出動(dòng)作，控制測(cè)功系統(tǒng)與被測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)顯示、集中采集與保存任務(wù)。功率分析儀主要用來(lái)測(cè)量電機(jī)、變頻器、變壓器等功率轉(zhuǎn)換裝置的功率、效率等參數(shù)。扭矩傳感器分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類，本研究采用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器。電機(jī)控制器是控制電機(jī)按照設(shè)定的方向、速度、角度、響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行工作的集成電路。變速機(jī)構(gòu)是在輸入軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，使輸出軸獲得不同轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)裝置。電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池與用戶之間的紐帶，其主要功能是提高電池利用率，防止電池出現(xiàn)過(guò)度充電和過(guò)度放電。根據(jù)該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架設(shè)計(jì)，搭建車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)。圖2是驅(qū)動(dòng)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

1.2 電機(jī)性能測(cè)試

新能源電動(dòng)汽車所用的動(dòng)力電機(jī)一般是永磁同步電機(jī)或者交流異步電機(jī)，其電機(jī)檢測(cè)目標(biāo)以整套電機(jī)系統(tǒng)(電機(jī)和控制器)為主，除了測(cè)試基本性能(最大扭矩、最高轉(zhuǎn)速、最大功率等)，還要考察效率性能指標(biāo)。在相同的負(fù)載下，在速度從低到高的過(guò)程中，電機(jī)效率先上升，達(dá)到最優(yōu)后，效率開(kāi)始下降。同理，在穩(wěn)定的速度下，當(dāng)負(fù)載由小到大變化時(shí)，效率會(huì)有一個(gè)峰值。所以，任意一臺(tái)電機(jī)都會(huì)有一個(gè)最優(yōu)工作點(diǎn)，該工作點(diǎn)具有最高的效率，電機(jī)在此工作點(diǎn)附近工作是最合適的。因此，研究進(jìn)氣壓力傳感器(manifold absolute pressure sensor,MAP)圖的最終目的就是要得到這個(gè)最優(yōu)工作點(diǎn)。

上位機(jī)軟件局部圖見(jiàn)圖3。如圖3所示，旋轉(zhuǎn)上位機(jī)啟動(dòng)按鈕，等待約3 s，聽(tīng)到繼電器閉合的聲音，說(shuō)明電源接通，此時(shí)推動(dòng)換擋開(kāi)關(guān)到前進(jìn)/后退擋，輕踩油門，看電機(jī)是否旋轉(zhuǎn)。若能啟動(dòng)，則正式進(jìn)入測(cè)試環(huán)節(jié)。將上位機(jī)軟件打開(kāi)，點(diǎn)擊“開(kāi)始采樣”按鈕，此時(shí)上位機(jī)開(kāi)始記錄數(shù)值。

圖3 上位機(jī)軟件局部圖

在一個(gè)定值負(fù)載下，測(cè)量一組轉(zhuǎn)速-扭矩-效率數(shù)據(jù)的方法如下：首先將程控電源加載電流打到0.04 A，緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)速電位器(或踩動(dòng)油門踏板)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，然后調(diào)節(jié)調(diào)速電位器(或松、緊油門)使轉(zhuǎn)速在某一時(shí)間段趨向穩(wěn)定。為便于得出理想數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速控制趨向于200 r/min、400 r/min、600 r/min、800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min，最后當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)1 500 r/min時(shí)需要復(fù)位調(diào)速電位器(或松開(kāi)油門)，此時(shí)一組數(shù)據(jù)的檢測(cè)結(jié)束，采樣時(shí)間為0.5 s，測(cè)量時(shí)間為20 s(數(shù)據(jù)結(jié)果包含40個(gè)采樣點(diǎn)，每組額定轉(zhuǎn)速包含5個(gè)采樣點(diǎn))。表1是轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)的測(cè)量結(jié)果。將程控電源加載電流增加一個(gè)微小值(如0.04 A)，直至0.08 A，在電機(jī)停下來(lái)之后重復(fù)上述測(cè)試，測(cè)得另一組數(shù)據(jù)；多次改變加載值，配合油門變化，測(cè)得多組數(shù)據(jù)，直到電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)為止(堵轉(zhuǎn))。使用控制變量法從速度和加載力矩兩個(gè)角度出發(fā)，分別測(cè)試同一速度下均勻加載扭矩后電機(jī)效率的變化，以及同一扭矩下均勻加速后電機(jī)效率的變化。將測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件進(jìn)行建模編程，并繪制以速度為橫坐標(biāo)、以扭矩為縱坐標(biāo)、以顏色深度為效率的速度-扭矩-效率MAP圖。

表1 轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)的測(cè)量結(jié)果

2 結(jié)果與分析

利用MATLAB軟件生成MAP圖，運(yùn)用MAP圖可以估算電機(jī)在各個(gè)工況下的效率特性分布，幫助用戶設(shè)計(jì)最優(yōu)的電機(jī)控制算法，讓電機(jī)運(yùn)行在高效工作點(diǎn)。最終，將效率相同的點(diǎn)連成一環(huán)線直接投影到平面形成水平曲線，不同效率的環(huán)線不會(huì)重合。效率值比較接近的位置，線會(huì)相對(duì)密集；相反，效率值相差較大的位置，線的間隔會(huì)較大。

鑒于此，對(duì)本試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)性能的分析采用MAP圖來(lái)完成。對(duì)于一款普通電機(jī)來(lái)說(shuō)，在同一負(fù)載下，在速度由低到高的過(guò)程中，效率先上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最優(yōu)后，效率開(kāi)始下降。同樣，在穩(wěn)定的速度下，在負(fù)載由小到大的過(guò)程中，效率也有一個(gè)峰值。因此，對(duì)于任意一臺(tái)電機(jī)都會(huì)有一個(gè)最優(yōu)工作點(diǎn)，此時(shí)的速度和扭矩對(duì)于該電機(jī)是最合適的，電機(jī)在此點(diǎn)附近工作效率是最高的。

圖4為效率散點(diǎn)MAP圖。由圖4可以看出，最高工作效率為0.64，該電機(jī)最優(yōu)工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和扭矩分別約為1 500 r/min、14 N·m，適用于低速的電動(dòng)汽車，例如微型電動(dòng)汽車、老年代步車和游覽觀光車等。在此點(diǎn)附近時(shí)電機(jī)的效率最高，越往兩側(cè)電機(jī)效率越低。

圖5為效率曲線MAP圖，是將圖4中效率相等的散點(diǎn)用平滑曲線連接起來(lái)得到的。由于任意一條線都由無(wú)數(shù)點(diǎn)組成，而本試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)是有限的，計(jì)算機(jī)需要對(duì)現(xiàn)有的點(diǎn)進(jìn)行擬合、預(yù)測(cè)和插值來(lái)得到一條線，故在樣本容量小或者干擾數(shù)據(jù)多的情況下，會(huì)出現(xiàn)線段不連接的情況，如圖5所示。由圖5可以看出，效率線MAP圖用來(lái)表示效率趨勢(shì)，樣本容量越大且數(shù)據(jù)越精確，數(shù)據(jù)分布越均勻，效率MAP圖越真實(shí)。

圖4 效率散點(diǎn)MAP圖

圖5 效率線MAP圖

圖6為三維效率MAP圖。圖6是在圖4的基礎(chǔ)上對(duì)圖5的加強(qiáng)，將效率高的等效率線上突，使MAP圖更加直觀。同樣，樣本容量小或者干擾數(shù)據(jù)多的情況下只可以用來(lái)看效率趨勢(shì)，樣本容量越大且數(shù)據(jù)越精確，數(shù)據(jù)分布越均勻，效果越好。

圖6 三維效率MAP圖

3 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車是減少環(huán)境污染和能源消耗的產(chǎn)物，本研究以新能源汽車車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)即永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，在電機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試了永磁同步電機(jī)的性能，并通過(guò)MAP圖體現(xiàn)了電機(jī)的最優(yōu)工況。測(cè)試得到電機(jī)的最佳工況為轉(zhuǎn)速1 500 r/min和扭矩14 N·m，此時(shí)電機(jī)的效率最高達(dá)到0.64。該測(cè)試結(jié)果可為使汽車在低耗能、高功率的情況下行駛提供參考，以達(dá)到減少環(huán)境污染的目的。同時(shí)，通過(guò)MATLAB軟件生成速度-扭矩-效率MAP圖，包括效率散點(diǎn)MAP圖、效率線MAP圖和三維效率MAP圖，可以從不同角度觀測(cè)電機(jī)的運(yùn)行效率，為電機(jī)性能測(cè)試結(jié)果的可視化分析奠定基礎(chǔ)。