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电动汽车电机及控制器性能测试系统
2022-01-16 09:23:11· 来源：驱动视界 作者：李怀珍 王传军等
1 概述电动汽车作为一种交通工具，以其清洁无污染、能量效率高、低噪声、能源多样化等优点受到了全球各国和各大公司重视，研究发展非常迅速。在国家重大科技项目
1 概述
电动汽车作为一种交通工具，以其清洁无污染、能量效率高、低噪声、能源多样化等优点受到了全球各国和各大公司重视，研究发展非常迅速。
在国家重大科技项目的支持下，我国的电动汽车产业得到了迅速发展，研制出了一些新能源汽车，如混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车等，同时在电动汽车关键零部件领域也取得突破，动力电池和动力电机及控制器等关键零部件产业发展迅速。
与此同时，为了满足电动汽车测试验证的需要，分别成立了电动汽车电池、电机和整车的测试中心，制订了一系列电动车的相关标准，以推动行业发展和技术进步。
其中，电机及控制器是电动汽车最关键的零部件之一，然而由于计算机仿真技术的不确定性和实车试验的局限性，许多汽车电机制造企业、检验检测机构、专业科研院所都非常迫切希望建立体现核心竞争力的电动汽车电机及其控制器测试装备。
本文从动力电机的不同类型出发，介绍了动力电机的应用情况， 对目前实行的电机及控制器国家标准中的主要项目进行深入探究， 在试验的基础上对测试设备和测试方法进行了分析和总结。
▲上海策尔纳动力测试设备有限公司
2 电机驱动系统的作用
电机驱动系统是电动汽车的核心，它与整车动力性能的好坏密切相关，是电动汽车关键技术之一。电机驱动系统由电动机和驱动控制器两部分组成。
电动机是一种将电能转变为机械能的装置，为满足整车动力性能的需求，要求其具有瞬时功率大、过载能力强、加速性能好、使用寿命长、调速范围广、减速时实现再生制动能量回馈、效率高、可靠性高等特点。
驱动电机控制器是将电池的电量转变为适于电动机运行的另一种电能变换控制装置。通过这种变换和控制使电动机处于最佳工作状态，以满足电动汽车实际行驶工况的需要，驱动控制器要求结构简单、控制精度高、动态响应好、系统高可靠、成本低。
驱动电机及其控制器的性能好坏直接决定车辆的品质好坏，所以在试验室中正确地进行试验是必要的。
▲湖南湘仪动力测试仪器有限公司
永磁同步电动机是一种高性能的电动机，其驱动特性如图2所示。永磁同步电机的恒转矩区比较宽，一直延伸到电机最高转速的约50%处，对提高汽车的低速动力性能有很大帮助。
永磁同步电机功率密度高、调速性能好、在宽转速范围内运行效率高（90%～95%），更加适合作为电动汽车的动力电机。
电力测功机既可以进行电动性能测试，也可以进行馈电性能的测试。
开关磁阻电机是由电机本体和开关电路控制器组成的机电一体化新型电机，其优点是可控相数多，容易实现四象限控制、效率高等，其转子上无绕组，适用于频繁正反转及冲击的负载，而且起动转矩大、电流较小，缺点是转矩波动大、噪声大、系统非线性、价格昂贵等，目前应用不广泛。
以电机为核心的电动汽车，其专用电机具有以下几个特点：
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相对普通旋转电机而言，额定转速及峰值转速均较高；
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实际运行状态下的负载工作状态较复杂；
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一般供电电源为直流蓄电池；
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电动汽车一般运行在电动机状态下，但是在刹车制动的状态下会运行在发电回馈的状态，具有再生能量回馈制动的特性。
3 电机和控制器性能测试方案
为了保证电动汽车关键零部件之一的驱动电机及其控制器的性能，国家发布实施了驱动电机及其控制器专项检测标准，即GB/T18488.1《电动汽车用电机及其控制器第1部分：技术条件》及GB/T18488.2《电动汽车用电机及其控制器第2部分：试验方法》。
其中分别规定了动力电机及控制器的工作制、工作条件、技术要求、需要检验的项目以及相关的试验方法。标准从机械、电安全性能、环境试验、电机性能以及电磁兼容等方面对产品提出了要求。
电机性能测试是电机及控制器试验中最重要的，电机的性能主要考核电机在额定负载和峰值负载下的转速-转矩特性及效率、电机的再生能量回馈能力、最高工作转速和超速能力、工况运行的温升及噪声的大小。
3.1 试验设备
目前常用的测功机主要有直流电力测功机、交流电力测功机、电涡流测功机和水力测功机。
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直流电力测功机：由直流电机、测力计和测速发电机组合而成。直流电机的定子由独立的轴承座支承。它可以在某一角度范围内自由摆动。机壳上带有测力臂，它与测力计配合，可以检测定子所受到的转矩。
转轴上的转矩可以由定子上量测。与直流电机类似，直流测功机调速性能好，控制简单，但由于换向器的原因，不适合高速运行，而且大功率的测功机相对于其他类型，体积较大。不适用于动力电机测试。
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交流电力测功机：由1台三相交流电动机和测力计、测速发电机组成。它的测功原理与直流测功机相同，但不存在换向问题，结构简单，可靠性高。目前交流测功机在动、静态性能上已经得到了很大提高。
3.2 测试方法
通过安装夹具及联轴器将被测电机与测功机连接，适当调整使轴与轴的对中度符合试验要求，对个别超高速电机，为防止试验过程中因为轴振动或对中不够精确引起轴承发热失效或者损坏电机的情况，可以考虑在适当位置安装振动传感器及温度传感器，对试验过程中局部情况实时监测，一旦有异常立即停止。
针对标准的要求，试验时测试额定及峰值负载下的转速、转矩和效率特性，以及额定负载下的馈馈电特性。温升试验也是在台架上进行，分别测量电机绕组的温升和控制器的温升。
电机和控制器都配备有散热系统，或水冷或风冷。电机及控制器从冷机状态下启动开始工作，温度会随之慢慢增加，在固定负载的情况下，温度最终会趋于稳定，这段时间内温度的变化量就是温升值。
标准中有3种方法：电阻法、埋置检温计（ETD）法和温度计法。试验电机不宜拆开。因此选用电阻法比较适合，通过比较试验前后环境温度、冷却水温度以及绕组直流电阻的变化来计算电机不同工况下的温升值。
控制器的温升通过温度计即可测量。温升值根据不同产品的工作制要求进行测试。应用在不同类型系统上的电机应选用不同的工作制，比如纯电动汽车，串联式、并联式以及混联式混合动力汽车，PLUG-IN混合动力汽车等不同类型的应用。
在该项目中，标准里除了对温升值的要求外，对试验过程中电机的最高温度也有要求，根据电机不同的绝缘等级，要求也不一样。
3.3 测试具体的试验设备
电动汽车传动试验台主要由电源模块、电机和变速器模块、整车惯量模拟模块、电涡流加载模块、各类传感器和控制台等六部分组成，可以完成电动机、电机控制器、动力电池、整车性能等相关内容的试验研究。
3.4 电动汽车电机及控制器专用测试装备分析
电动汽车电机-控制器专用测试装备通用性较好，可以满足多种型号、规格的电机和控制器试验。它主要由陪试电机、大功率电机驱动器、高性能嵌入式控制系统、智能工况模拟系统、能源系统（电池系统）、系统工作参数检测和采集系统等构成，能全方位展示电动汽车在不同工况下的工作状况。
智能模拟车辆负载系统与电机控制系统联动，模拟电动车系统的不同工况（起动、怠速、匀速、加速、减速、停车及爬坡等），并实时、自适应、智能调节负载大小。测试装备整合了计算机仿真快速、灵活的动态模拟优势和道路试验准确可靠的优点来进行电动汽车电机及控制器的研究。
上图所示为根据电动汽车电机及控制器的试验特点设计的电动汽车电机及控制专用测试装备框图。
3.5 电涡流测功机
电涡流测功机是利用涡流产生制动转矩来测量机械转矩的装置，测量示意图如图4所示。
电涡流测功机的优点是结构简单、操作维护方便、制动力矩大、转动惯量小，缺点是只能产生制动转矩，不能反拖作为电动机运行。一般用来测量转速上升而转矩下降，或转矩变化而转速基本不变的动力机械。因此只能用于测试动力电机的性能曲线，不能用于馈电特性的测试。
3.6 对拖测试法
对拖测试一般需要2台完全一样或相近的电机及其控制器，2个电机通过扭矩转速传感器将2个电机输出轴机械连接，当被测电机为驱动状态时，另一台电机处于发电状态，发出的电能通过控制器转化为直流输入驱动电机的输入端，循环使用。
图5所示为带AFE四象限整流的电机及控制器对拖测试方案，交流电网电源经AFE整流成直流母线电源输入至控制器的输入端，同时AFE整流单元也可将测试制动过程中多余的能量回馈至电网。
这种测试方法具有节能的优点，但是通用性不是太好，一般来说，需要对电机和控制器的试验方法和操作都非常熟悉的试验人员才能完成相应的测试试验。目前这种方法在电机和控制器生产企业用得比较普遍。
各模块功能和作用分别如下：
（1）电源模块：根据不同的试验电机或控制器提供可控的交直流电源；
（2）电机及控制器性能测试模块：测试动力电机或控制器的性能，实现电动汽车的驱动控制；
（3）转矩转速测量模块：用来测量动力电机的转矩、转速等机械特性参数；
（4）电参数测量模块：用来测量动力电机的电压、电流等电力性能指标；
（5）行驶阻力模拟模块：模拟电动汽车道路行驶过程中的各种行驶阻力；
（6）能量管理模块：实现测试系统的能量管理，并采取一定的控制策略使测试系统达到最优的能量控制。
这种测试方案设计复杂、成本高，但是比较适合检验检测机构、专业科研院校采用。
系统工作原理如下：单相整流电源产生幅值可调的直流电，逆变器将直流电逆变成三相交流电给电机供电，用转矩/转速传感器测量电机的输出转矩和转速；减速器用来降低被测电机的转速，他励直流电机工作在4个象限自动切换的转速闭环模式下，由于控制器是双向可逆的，可以将电机发回的电回馈至电网，产生一个阻力矩与被测电机发出的电磁转矩相平衡，实现电机转速的一个稳态。
4 结语
随着能源危机的加深，环境污染的不断加剧，使用清洁环保能源取代石化能源已经成为全球急需和正在解决的热点问题，电动汽车因其具有绿色环保、能量来源多元化、能源利用效率高等优点，世界各国都在积极努力地研究发展能够代替传统汽车的电动汽车。
电动汽车是汽车可持续发展的方向，混合动力和纯电动汽车正在迅速发展，在可预见的未来将获得大发展，结合试验对标准和测试方法的分析有助于详细地评价电机和控制器的各方面性能，有利于电动汽车行业整体质量水平的提升。
随着技术的进步，电机和控制器也在不断发展，标准和测试技术也应当体现当前技术的发展水平，为电动汽车零部件提供更好的测试服务。
5 参考文献
[1]杨利辉.电动汽车驱动电机控制器的优化设计[D].重庆：重庆大学，2004.
[2]GB/T18488.1-2006电动汽车用电机及其控制器（第1部分）：技术条件[S].
[3]GB/T18488.2-2006电动汽车用电机及其控制器（第2部分）：试验方法[S].
[4]程飞.过学讯.电动汽车用电机及其控制技术研究[J].防爆电机，2006，41（5）：14-19.
[5]李斌花，王地川，钟勇.纯电动车电机驱动控制系统现状与发展趋势[J].客车技术与研究，2005，（1）.
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