新能源汽車驅(qū)動電機高精度測試實踐

李廣林，王 斌，柳振方，李天文，馬 琳，李 躍，劉中華

(首鋼智新遷安電磁材料有限公司，遷安， 0644001)

0 引 言

驅(qū)動電機作為新能源汽車的源動力，其輸出性能指標直接關(guān)系到新能源汽車的續(xù)航里程和動力性能。在新能源汽車驅(qū)動電機研發(fā)過程中，為了準確評估驅(qū)動電機的設計方案、材料選型或制作工藝的優(yōu)劣勢，對驅(qū)動電機的輸出性能進行精確測試顯得尤為重要。

為更好地研發(fā)新能源汽車驅(qū)動電機以及匹配新能源汽車動力性能，廣大的科研機構(gòu)、驅(qū)動電機生產(chǎn)企業(yè)及新能源汽車廠陸續(xù)都建立了新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)。目前，已有大量的科研工作者和從業(yè)者發(fā)表過有關(guān)新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)的文章，如文獻[1-8]提出了新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)架構(gòu)組成，文獻[9-10]對電動汽車臺架試驗項目和方法進行介紹，并對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障進行分析，提出相應診斷措施和解決方案，文獻[11]對電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)標準及測試存在的挑戰(zhàn)進行分析，文獻[12-14]介紹了不同效率測定的硬件系統(tǒng)和測試方法。但經(jīng)過調(diào)研，目前介紹新能源汽車驅(qū)動電機性能測試精度相關(guān)的課題相對較少。

本文基于首鋼新能源汽車驅(qū)動電機實驗室的測試條件，從人、機、料、法、環(huán)、測6個方面，對可能影響新能源汽車驅(qū)動電機性能測試精度的因素進行梳理和分析，并給出提升新能源汽車驅(qū)動電機性能測試精度的建議。

1 新能源汽車驅(qū)動電機測試條件

首鋼新能源汽車驅(qū)動電機實驗室引進奧地利李斯特AVL的設備和系統(tǒng)，配置有電池模擬器、濕熱環(huán)境倉、電機和控制器雙路溫控單元、冷凍水機組以及用于被試電機振動監(jiān)測的三方向振動傳感器，關(guān)鍵測試儀器均選用行業(yè)內(nèi)認可度較高的品牌和型號，例如：功率分析選用日本橫河WT3000E，扭矩傳感器選用德國HBM T40B，電流霍爾傳感器選用瑞士LEM IT 700-S。該新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)基本參數(shù)如表1所示。

表1 新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)基本參數(shù)

此外，配置的AVL測試系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集到測試間的狀態(tài)、測試設備的狀態(tài)以及被試電機和控制器的參數(shù)，并支持通過編制自動測試程序，實現(xiàn)無人值守的自動測試電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性以及效率、振動等指標參數(shù)。為了防止測功機變頻柜和電池模擬器所具有的強電對于被試電機控制信號、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等弱電信號采集和傳輸?shù)母蓴_，以及為了營造一個良好的測試操作環(huán)境，該實驗室在布局上劃分為設備間、測試間和控制間，測試間如圖1所示。

圖1 實驗室測試間

首鋼的這套新能源汽車驅(qū)動電機測試臺架具有較好的軟硬件測試條件和環(huán)境，為新能源汽車驅(qū)動電機高精度測試提供了良好的基礎(chǔ)條件。

2 驅(qū)動電機性能測試精度影響因素分析和建議

2.1 人為因素分析和建議

隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)的自動化程度逐漸提高，目前大部分的測試系統(tǒng)均支持自動測試電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性以及效率、振動等指標參數(shù)。但是在驅(qū)動電機的整個測試過程中，仍舊存在一些環(huán)節(jié)需要人工來完成。這些由人工來完成的環(huán)節(jié)就可能會存在人為因素，對最終測試結(jié)果造成干擾。

2.1.1 手動安裝驅(qū)動電機至測試臺架環(huán)節(jié)

目前，驅(qū)動電機往測試臺架上進行對中和安裝環(huán)節(jié)，還必須是人工手動進行，手動將驅(qū)動電機安裝到測試臺架的示意圖如圖2所示。如操作人員未能以正確的方式進行安裝，使得電機與法蘭盤之間或法蘭盤與測試臺架之間未能牢固連接，則可能導致測試過程中驅(qū)動電機的振動值偏大。

圖2 測試臺架安裝驅(qū)動電機示意圖

建議操作人員嚴格按照對角緊固螺栓、打力矩等適當方式，將驅(qū)動電機通過法蘭盤牢固地安裝在測試臺架上，從而提升驅(qū)動電機在不同轉(zhuǎn)速和負載時的振動值檢測精度。

2.1.2 手動標定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩點最優(yōu)參數(shù)環(huán)節(jié)

為了能夠挖掘出驅(qū)動電機在整個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最佳性能，通常需要按照指定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩間隔來標定驅(qū)動電機的最佳參數(shù)，目前這項工作通常需要人工手動來完成。而該工作比較繁瑣，通常需要反復試驗多組參數(shù)才可能鎖定，使得指定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩點的性能達到最佳，并且還需要人工確認電機繞組溫度基本一致的前提下來標定參數(shù)。如操作人員匆忙或缺乏耐心、責任心，則比較容易出現(xiàn)未標定出最佳參數(shù)的現(xiàn)象。

建議針對手動標定過程，制定明確的所要標定最佳參數(shù)的辨識標準，并建立一定的監(jiān)督管理機制，操作人員能夠嚴格依據(jù)標準完成各轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩點的最佳參數(shù)標定。

2.2 設備因素分析和建議

新能源汽車驅(qū)動電機測試系統(tǒng)中，能夠影響測試精度的設備主要包括：與電機冷卻相關(guān)的水溫和水流量控制設備和儀器，涉及溫控單元、電磁流量計和壓力表，與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電參數(shù)檢測相關(guān)的扭矩傳感器、功率分析儀、霍爾傳感器、振動傳感器。這些設備和儀表的運行狀態(tài)會直接影響到驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、效率以及振動等性能的測試精度。

因此，針對以上提到的設備和儀器儀表，在測試過程中，建議通過在系統(tǒng)中監(jiān)控水溫和水流量，監(jiān)控溫控單元、電磁流量計和壓力表的狀態(tài)；并建議對扭矩傳感器、功率分析儀、霍爾傳感器、振動傳感器等儀器儀表，定期使用標樣進行期間核查以及委托專業(yè)機構(gòu)進行校準。

2.3 來料因素分析和建議

2.3.1 轉(zhuǎn)接工裝

如上文所述，需要使用法蘭盤將驅(qū)動電機固定在測試臺架上，同時還需要轉(zhuǎn)接軸將驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸與測功機的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接，轉(zhuǎn)接工裝示意圖如圖3所示。如果法蘭盤和轉(zhuǎn)接軸存在問題，將使得驅(qū)動電機無法牢固地固定在測試臺架上，同時也可能因轉(zhuǎn)接軸與兩側(cè)的接口之間不匹配而出現(xiàn)頂軸或軸向竄動的現(xiàn)象，進而可能導致測試過程中驅(qū)動電機的振動值偏大。

圖3 轉(zhuǎn)接工裝示意圖

建議在正式安裝驅(qū)動電機和測試之前，嚴格對驅(qū)動電機及其轉(zhuǎn)接工裝進行尺寸校核和上機匹配，從而避免驅(qū)動電機的測試結(jié)果受到影響，以及避免出現(xiàn)損壞設備的現(xiàn)象。

2.3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器

新能源汽車的驅(qū)動電機大部分采用內(nèi)置式永磁同步電機，配置有檢測轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器具有定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通常情況下，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子采用過盈配合或者鍵槽緊配的方式固定在電機轉(zhuǎn)軸上。

如果采用過盈配合方式，建議過盈量應足夠大；如果過盈量偏小，則在電機出現(xiàn)過速、強沖擊、振動等異?，F(xiàn)象時，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置可能會隨測試過程的進行而出現(xiàn)移位現(xiàn)象，進而導致驅(qū)動電機的測試精度變差。

建議盡量采用鍵槽緊配的方式，將旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子牢固地約束在電機轉(zhuǎn)軸上，能夠有效地防止因旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)移位而影響驅(qū)動電機的測試精度。

2.4 方法因素分析和建議

前面指出，如操作人員未能以正確的方式進行安裝，則可能導致測試過程中驅(qū)動電機的振動值偏大。因此，正確的安裝驅(qū)動電機的方法非常關(guān)鍵，建議如下：

首先，需要用在圓周方向均勻分布的螺栓將驅(qū)動電機出軸端的端面與法蘭盤連接在一起，螺栓數(shù)量通常為12、10、8或4，在此過程中，需要依據(jù)螺栓的型號來確定采用的最大扭矩，然后以二分之一扭矩和最大扭矩兩輪次，并采用對角打扭矩的方式緊固螺栓。其次，用在圓周方向均勻分布的螺栓將帶一端與驅(qū)動電機連接的法蘭盤與測試臺架接口相連接，螺栓數(shù)量通常為16、12、10或8，在此過程中，需要依據(jù)螺栓的型號來確定采用的最大扭矩，然后以三分之一扭矩、三分之二扭矩和最大扭矩三輪次，并采用對角打扭矩的方式緊固螺栓。經(jīng)過以上兩個步驟，將驅(qū)動電機牢固地安裝到測試臺架上。

2.5 環(huán)境因素分析和建議

驅(qū)動電機試驗時的環(huán)境溫度和濕度會影響到驅(qū)動電機的散熱效果，進而影響到驅(qū)動電機的繞組、鐵心以及永磁體的溫升大小，最終影響到驅(qū)動電機的測試精度。國標GB/T 18 488.2-2015《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分試驗方法》[15]中對試驗環(huán)境條件進行了明確規(guī)定：溫度：18 ℃～28 ℃；相對濕度：45%～75%。

因此，建議在新能源汽車驅(qū)動電機實驗室，配置可將測試環(huán)境調(diào)控到上述溫度和濕度指標要求的空調(diào)和加濕器。

2.6 轉(zhuǎn)矩零漂影響因素和建議

驅(qū)動電機試驗時，由于電機自身機械、電磁因素，或測試臺架的機械、轉(zhuǎn)矩傳感器等因素的影響，使得電機在斷開三相動力線的情況下，測試臺架的轉(zhuǎn)矩傳感器也顯示一定的轉(zhuǎn)矩數(shù)值，這種現(xiàn)象稱為電機轉(zhuǎn)矩零漂，會使得電機各轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩、功率和效率發(fā)生偏差。因此，有必要對轉(zhuǎn)矩進行零漂修正，修正方法如下：

將驅(qū)動電機的三相動力線斷開，在規(guī)劃的各個測試效率的轉(zhuǎn)速點，利用測試臺架對驅(qū)動電機進行反拖，測試各個測試效率的轉(zhuǎn)速點的正反轉(zhuǎn)的拖拽轉(zhuǎn)矩，并計算各轉(zhuǎn)速點的零漂轉(zhuǎn)矩T0：

T0= (T++T-)/2

式中:T+、T-分別為正轉(zhuǎn)拖拽轉(zhuǎn)矩和反轉(zhuǎn)拖拽轉(zhuǎn)矩。則修正后的轉(zhuǎn)矩和功率：

Tad=T-T0
Pad=Tadω/ 9 550

式中:ω、T為電機測試系統(tǒng)測量的電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

2.7 線損影響因素和建議

驅(qū)動電機試驗時，由于空間布置的限制或需要，直流母線以及三相動力線通常具有一定的長度，進而產(chǎn)生一定的線路損耗，簡稱線損，會影響到系統(tǒng)效率和控制器效率的計算。線損的計算方法：

pAC三相線=3I2ACR三相線

式中：R母線、R三相線分別為母線和三相線的電阻；IDC、IAC分別為母線直流電流值和三相線的交流電流有效值；pDC母線、pAC母線分別為母線和三相線的線損。

3 結(jié) 語

本文基于首鋼新能源汽車驅(qū)動電機實驗室的測試條件和實踐，從安裝驅(qū)動電機至測試臺架環(huán)節(jié)、標定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩點最優(yōu)參數(shù)以及測試過程中的誤差和損耗的角度，分析了人為因素、儀器儀表運行狀態(tài)的設備因素、轉(zhuǎn)接工裝和旋轉(zhuǎn)變壓器的來料因素、安裝驅(qū)動電機的方法因素、測試環(huán)境條件的環(huán)境因素以及轉(zhuǎn)矩零漂和線損因素對新能源汽車驅(qū)動電機測試精度的可能影響，并提出了對應的改善建議，為新能源汽車驅(qū)動電機的高精度測試實踐提供了參考。