新能源汽車電驅和電機測試臺架系統(tǒng)設計與應用

（杭州士蘭微電子股份有限公司，浙江 杭州 310000）

近年來，隨著全球環(huán)境的不斷惡化和能源危機的不斷加劇，世界各國已經投入大量的科學技術、資本等各種資源對純電動汽車、混合動力汽車、氫能源汽車等新能源汽車進行研究、開發(fā)和生產[1]。而在對其研究和開發(fā)中，最主要也是最直接的試驗是通過臺架試驗來對動力系統(tǒng)及其各部件進行測試分析、性能評估，以獲取零部件和整車的各性能參數(shù)，驗證零部件的功能性、可靠性及極限性能，并對整車的動力性、經濟性以及排放性能做出準確評估[2]。采用臺架對驅動器或電機的測試方法能夠有效降低新能源汽車動力系統(tǒng)的開發(fā)成本、節(jié)省開發(fā)時間、提高開發(fā)效率，這也是目前電控電驅和電機及整車廠開發(fā)過程中都普遍采用的一種重要手段[3]。

本臺架系統(tǒng)可對新能源車的驅動控制器或電機的溫升、過載等能力以及電機的常規(guī)性能、外特性、效率特性、新歐洲行駛循環(huán)（new european driving cycle，NEDC）等進行詳細地測試和分析。同時設計的臺架系統(tǒng)在功能上可以選擇進行自動/手動測試，可以方便地測量電機的功率、轉矩、轉速、溫度等相關參數(shù)，從而可計算獲得電機和驅動器性能參數(shù)、繪制相關曲線等[4]。同時，臺架系統(tǒng)還可將試驗過程中產生的再生電能通過變頻系統(tǒng)反饋至電網(wǎng)，實現(xiàn)節(jié)省電能、減少電網(wǎng)污染的功能。

1 原理與設計

1.1 試驗系統(tǒng)原理

臺架測試系統(tǒng)的測功機主機和被測電機都選用交流永磁同步電機，臺架系統(tǒng)具備四象限運行能力，可獨立工作于轉速或轉矩控制模式。

1.2 試驗臺計算

1.2.1 電壓方程

由文獻[5-6]可知定子電壓方程為

式中：Rs為電機定子繞組電阻；ΨA，ΨB，ΨC為電機三相繞組交鏈的磁鏈；p為微分算子。

1.2.2 磁鏈方程

從同步電機原理可以得到永磁同步電機每相繞組磁鏈是它本身的自感磁鏈和其他繞組對它互感磁鏈之和[7]。則磁鏈方程可以寫為

式中：LAB，LBA，LAC，LCA，LBC，LCB為電機定子各相之間的互感；ΨfA，ΨfB，ΨfC分別為電機永磁勵磁磁場鏈過A，B，C繞組產生的磁鏈。

由同步電機原理，三相繞組自感和互感都與轉子位置無關，均為常值[7]，則有同步電感Lsl為

式中：Lsσ為電機相繞組的漏電感；Lml為電機的勵磁電感。

1.2.3 轉矩方程

根據(jù)能量守恒定理，由機械能量轉化為電能量，那么交流永磁電動機在運行時，可以得到電機的磁場儲能為[8]

由同步電機原理可以知道在電機負載電流不變時，電機磁場所儲能量對負載的機械角速度θm的偏導就是電機的電磁轉矩[5]，即：

由以上分析可以得到永磁同步電機轉矩方程為

式中：pn為電機極對數(shù)；Ψf為轉子磁鏈。

1.2.4 電力拖動系統(tǒng)運動方程

忽略電力拖動系統(tǒng)傳動機構的黏性摩擦和扭轉彈性[5-9]，則電機系統(tǒng)運動方程[5]如下：

式中：TL為負載轉矩；J為轉動慣量；ωr為轉子角速度。

聯(lián)合式（1）、式（2）、式（5）、式（7），可以得到所采用的臺架系統(tǒng)永磁同步電機的動態(tài)數(shù)學模型。

1.3 臺架系統(tǒng)的設計

臺架測試系統(tǒng)的主要組成部分有：機械臺架部分、電氣系統(tǒng)部分，控制系統(tǒng)和人機界面等部分[5]。

1.3.1 機械臺架

圖1為電機測試臺架的結構圖，由圖1可知：機械臺架由被測電機、負載電機、轉矩傳感器、聯(lián)軸器、中間支撐及機械制動單元、機械平板等部分組成。

圖1 機械臺架Fig.1 Mechanical bench

1.3.2 電氣系統(tǒng)

圖2為電氣系統(tǒng)部分基本組成圖，由圖2可知：電氣系統(tǒng)由電池模擬器、變頻電源、恒溫控制裝置、電力測功機控制儀、溫度和壓力數(shù)據(jù)采集模塊、功率分析儀等部分組成[10]。

圖2 電氣系統(tǒng)基本組成圖Fig.2 Basic composition of electrical system

1.3.3 控制系統(tǒng)和人機界面

臺架測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和人機界面主要包括兩大部分：硬件系統(tǒng)部分和軟件系統(tǒng)部分。

硬件系統(tǒng)主要由工控機及多個傳感器等組成。工控機作為臺架整個控制系統(tǒng)的核心：控制程序運行，監(jiān)測、采集數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)分析、運算，發(fā)出控制命令，并扮演人機界面的數(shù)據(jù)源角色，以供工程師們做出進一步決策并發(fā)出指令。工控機還可以通過以太網(wǎng)及多種工業(yè)總線進行遠程操控。以太網(wǎng)的高通訊速率能夠保證人機交互數(shù)據(jù)的及時刷新，并能通過操作界面高靈活性地連接至各種品牌的被測驅動器及被測電機，實時監(jiān)視和控制測試系統(tǒng)的運行情況，對系統(tǒng)參數(shù)進行實時設置，實時處理各種報警事件等，實現(xiàn)人機交互界面及遠程監(jiān)控功能，操作方便且容易掌握[5]。

控制系統(tǒng)軟件主要有電機及驅動器測試、控制軟件。功能包括對整個測試系統(tǒng)的各數(shù)據(jù)采集、交互，在工控機系統(tǒng)的人機界面上圖形化顯示系統(tǒng)工作情況，輸出各工作曲線、圖表，并接受工作人員的控制命令，實現(xiàn)良好的人機交互接口界面[5]。

2 試驗及結果

2.1 試驗條件

室溫（20±5）℃，濕度（50±10）%，采用不同廠家的被測驅動器和被測電機，按照圖2所示的臺架系統(tǒng)進行電氣系統(tǒng)連接，并按測試要求設置人機界面。

2.1.1 試驗方法一

被測電機采用國內某廠家的4對極永磁同步電機，額定帶載功率為45 kW，峰值功率60 kW。按照圖2所示，上臺架系統(tǒng)連接好驅動器和電機，在人機界面按測試要求設定電池模擬器額定輸出直流電壓DC 380 V，設定被測電機額定轉速3 000 r/min，峰值轉速6 000 r/min，設定額定下電機輸出轉矩143 N·m，相電流有效值100 Arms。驅動器IGBT模塊和被測電機采用水冷方式，手動設定水冷系統(tǒng)控制水溫恒溫60℃，水壓（14±1）L/min。驅動器使用國產某廠家XX301X，IGBT模塊采用國產XXX400PB8B1XX。驅動器控制采用PWM脈寬調制方式，通過臺架系統(tǒng)人機界面操作控制驅動器以帶電機在額定狀態(tài)及峰值狀態(tài)下各運行30 s，臺架系統(tǒng)實時監(jiān)控被測電機相關數(shù)據(jù)，人機界面記錄并給出相應圖表如圖3～圖5所示，提供結果給工程師做分析。

圖3 轉速轉矩輸出外特性MAP圖（高線圖、云圖）Fig.3 Diagram of speed torque output external characteristics MAP

圖4 額定正向電動外特性曲線Fig.4 Rated positive electric external characteristic curve

圖5 轉速—轉矩誤差曲線（正向電動）Fig.5 Speed—torque error curve（forward electric）

2.1.2 試驗方法二

被測驅動器采用國內某廠家的XXC11，IGBT采用國產XXX820PB8B3XX，待測（被測）電機采用75 kW國產4對極永磁同步電機。按照圖2所示上臺架連接好驅動器和電機，通過人機界面設置主機和待測電機參數(shù)，設定驅動器輸出帶載能力為75 kW，峰值功率160 kW，輸出額定轉矩120 N·m，峰值轉矩306 N·m，驅動器在輸出額定功率下驅動電機轉速為5 850 r/min，峰值功率轉速5 000 r/min。設定水冷系統(tǒng)控制水溫恒溫60℃，水壓（14±1）L/min。通過人機界面自動進行控制，驅動器控制采用SVPWM調制方式。在設定的控制驅動器輸出75 kW額定功率，120 N·m額定轉矩下帶動同步電機運行60 min，此時驅動器IGBT模塊和電機溫升保持穩(wěn)定，過程中系統(tǒng)人機界面自動實時記錄驅動器和電機性能數(shù)據(jù)。再手動點擊人機界面，突加主機（負載）到峰值輸出功率160 kW和峰值轉矩306 N·m，運行30 s，人機界面自動記錄驅動器和被測電機的性能參數(shù)，人機測試界面如圖6所示，峰值功率下導出部分參數(shù)為電機轉速5 000 r/min，電機轉矩300.151 N·m，電機功率157.15 kW，直流電壓388.25 V，直流電流448.66 A，直流功率174.18 kW，線電壓295.85 V，交流電壓295.32 V，相電流493.75 A，交流電流484.13 A，功率因數(shù)0.866，交流功率167.1 kW，電機效率94.05%，驅動器效率95.94%，系統(tǒng)效率90.22%，驅動器溫度74℃。

圖6 人機測試界面Fig.6 Man-machine test interface

2.2 結果分析

根據(jù)人機界面實時記錄及提供的數(shù)據(jù)及圖、表進行分析，分析結果如下。

2.2.1 試驗結果一

按照試驗方法一得到如圖3所示的轉速轉矩輸出外特性MAP圖（高線圖、云圖），圖4所示的額定正向電動外特性曲線圖以及圖5所示的轉速—轉矩誤差曲線圖（正向電動）。

從圖3～圖5可以分析得出電機在額定轉速前可以達到峰值轉矩190 N·m，在額定轉速后可以輸出峰值功率60 kW。額定電壓下，正轉發(fā)電工況系統(tǒng)效率在93%以上占33%，系統(tǒng)效率在90%以上占50%，系統(tǒng)效率在85%以上占68%；正轉電動工況系統(tǒng)效率在93%以上占63%，系統(tǒng)效率在90%以上占75%，系統(tǒng)效率在85%以上占86%。當轉速在3 000～5 000 r/min，轉矩在60～160 N·m時，正轉發(fā)電工況系統(tǒng)效率在93%以上；轉速在1 000～5 000 r/min、轉矩在30～140 N·m時，系統(tǒng)效率在93%以上。測試結果符合設計，測試結果準確，能夠指導新能源汽車主電機的開發(fā)。

2.2.2 試驗結果二

結合圖6所示人機測試界面額定功率下截取的實時詳細數(shù)據(jù)以及峰值功率下系統(tǒng)導出的關鍵測試數(shù)據(jù)，可以分析得到：在本臺架系統(tǒng)上測試，額定條件下實際測試得待測電機轉速為5 850 r/min，電機轉矩為120.45 N·m，電機輸出功率73.781 kW，直流功率為78.53 kW，交流功率為76.49 kW，電機效率96.46%，驅動器效率97.40%，系統(tǒng)效率93.95%，電機相電流205 A，線電壓290 V，功率因數(shù)0.75，驅動器絕對溫度65℃，電機溫度108℃，驅動器溫升為5℃。峰值功率條件下實際測試電機轉速5 000 r/min，電機轉矩300.15 N·m，電機功率157.15 kW，直流功率174.18 kW，交流功率167.1 kW，電機效率94.05%，驅動器效率95.94%，系統(tǒng)效率90.22%，相電流為448.66 A，線電壓295.85 V，功率因數(shù)0.866，控制器絕對溫度74℃，溫升為14℃。測試結果符合設計，測試結果準確，能夠指導新能源汽車驅動器的開發(fā)。

3 結論

根據(jù)驅動器廠家、電機及整車廠家提出的開發(fā)需求，完成了測試臺架的整體方案設計，并搭建完整的臺架系統(tǒng)測試平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和同步測量，增強了測試結果的準確度，節(jié)省了成本。并詳細地測試和分析了永磁同步電機的電機動態(tài)特性及驅動器的輸出性能、效率等。降低了工作人員的工作量。試驗和分析結果表明，通過本方法設計和搭建的試驗臺架系統(tǒng)既可以滿足驅動器廠家和電機廠家對新能源汽車驅動、控制系統(tǒng)開發(fā)的要求，又可以滿足對供電系統(tǒng)設計以及對電機進行研發(fā)、設計和生產的要求。對新能源汽車車用動力電機測試平臺的開發(fā)具有一定的指導意義。