電動(dòng)汽車交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陽(yáng)鵬

（重慶凱瑞汽車試驗(yàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)有限公司，重慶401122）

電動(dòng)汽車交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陽(yáng)鵬

（重慶凱瑞汽車試驗(yàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)有限公司，重慶401122）

本文分析了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試的特殊性，給出了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試的需求。論述了設(shè)計(jì)方案的合理性，對(duì)交流電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的組成原理及功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹。依據(jù)本文方案所開(kāi)發(fā)出的交流電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，完全能滿足汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)型式及耐久試驗(yàn)的需求。

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)；交流調(diào)頻調(diào)壓電源；交流電力測(cè)功機(jī)

電動(dòng)汽車因其具有綠色環(huán)保和能源利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放甚至零排放的要求，因此得到了許多國(guó)家政府和企業(yè)的高度重視，并被視為調(diào)整交通能源使用結(jié)構(gòu)和改善城市大氣環(huán)境質(zhì)量的有效途徑之一。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，其性能對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的性能起到至關(guān)重要的作用。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速范圍寬、運(yùn)行轉(zhuǎn)速高、啟動(dòng)扭矩大、體積小、質(zhì)量輕、效率高、動(dòng)態(tài)制動(dòng)能力較強(qiáng)且能夠回饋能量，不同于普通的工業(yè)電機(jī)，其工作狀況比較復(fù)雜，性能參數(shù)變化范圍大[1]。當(dāng)前現(xiàn)階段是小批量，多品種的生產(chǎn)現(xiàn)狀。上述的特點(diǎn)決定了汽車電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的特殊性，所以研發(fā)出適合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)于國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。本文介紹了一種能適應(yīng)汽車電機(jī)測(cè)試特點(diǎn)的新型測(cè)試系統(tǒng)。

1 背景分析

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)既要適應(yīng)城市道路慢速行駛的需要，又要滿足高速公路快速行駛的特點(diǎn)；既要保證電動(dòng)汽車啟動(dòng)和低速爬坡性能要求，也應(yīng)具有零速或低速大扭矩輸出能力；同時(shí)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有相對(duì)較寬的高速恒功率區(qū)，滿足電動(dòng)汽車連續(xù)高速行駛和加速性能的要求[2]。所以電動(dòng)汽車工況的廣泛性，決定了其驅(qū)動(dòng)電機(jī)試驗(yàn)的復(fù)雜性。按照相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求需要測(cè)試電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、效率、溫升、電流響應(yīng)、工況可靠性等特性[3-6]。

2 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)由交流調(diào)頻調(diào)壓試驗(yàn)電源、交流電力測(cè)功機(jī)、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)功機(jī)控制器、測(cè)量控制系統(tǒng)、試驗(yàn)機(jī)械臺(tái)架以及監(jiān)控系統(tǒng)組成。整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖1所示，包含AFE（有源回饋前端）單元和逆變單元一（作為交流電源，給試件電機(jī)供電用）、逆變單元二（作為測(cè)功電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用）、正弦波濾波器及線路切換開(kāi)關(guān)等。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

AFE單元是共直流母線產(chǎn)品中的可回饋功率轉(zhuǎn)換器的前端，是用來(lái)傳輸AC輸入與中間DC電路間的功率。AFE單元具有能量雙向流動(dòng)功能，即當(dāng)功率從AC輸入傳輸?shù)街虚gDC電路時(shí)，有源前端對(duì)交流電流與電壓進(jìn)行整流；當(dāng)功率從中間DC電路傳輸?shù)紸C輸入時(shí)，有源前端對(duì)直流電流與電壓進(jìn)行逆變。圖2中描述了能量流動(dòng)原理。

圖2 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試件交流試驗(yàn)電源逆變單元是一個(gè)直流供電的雙向逆變器，用于對(duì)電機(jī)的供電和控制，可工作在V /F分離模式、頻率模式。V/F分離模式時(shí)電壓、頻率可以分別給定。當(dāng)設(shè)置好電機(jī)的額定參數(shù)后，給定頻率可按照電機(jī)的V/F曲線來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。測(cè)功電機(jī)逆變單元也是一個(gè)直流供電的雙向逆變器，用于對(duì)加載電機(jī)的供電和控制，可工作在頻率模式、開(kāi)環(huán)速度模式、開(kāi)環(huán)扭矩模式、閉環(huán)速度模式、閉環(huán)扭矩模式。測(cè)功電機(jī)為了保證扭矩和速度的控制準(zhǔn)確性，一般工作在閉環(huán)速度模式或閉環(huán)扭矩模式。

交流電壓、電流通過(guò)功率分析儀測(cè)量，扭矩通過(guò)高精度非接觸式扭矩儀測(cè)量。所有開(kāi)關(guān)操作均通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作控制，開(kāi)關(guān)控制硬件和軟件均進(jìn)行了互鎖設(shè)計(jì)。

3 交流電源設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試臺(tái)的交流電源多采用發(fā)電機(jī)組或調(diào)壓變壓器，其體積笨重，使用成本高，頻率調(diào)節(jié)不方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的交流電源利用大功率交流調(diào)頻調(diào)壓技術(shù)，結(jié)合合適匹配的正弦波濾波器，得到滿足電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求的電源，其具有電壓、頻率獨(dú)立調(diào)節(jié)的功能。如圖3原理結(jié)構(gòu)所示，交流逆變模塊通過(guò)SPWM（sinusoidal pulse width modulation）調(diào)制方式也稱為雙極性PWM調(diào)制方式[7]輸出PWM波形，經(jīng)過(guò)RLC組成的二階低通濾波器，得到滿足諧波因數(shù)（HVF）和電壓總諧波畸變率（THD）兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的正弦波試驗(yàn)電源。其可控性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)，具有總線通訊功能，易于智能化系統(tǒng)集成。如圖3所示。

圖3 交流電源結(jié)構(gòu)原理圖

交流試驗(yàn)電源的輸出參數(shù)如下：

（1）輸出調(diào)壓范圍：3相AC 0～500 V.

（2）輸出電壓（V）、頻率（F）可獨(dú)立控制調(diào)節(jié)。

（3）具備四象限功能（能量回饋電網(wǎng)）。

（4）具備控制交流異步電機(jī)功能。

（5）具備控制交流永磁電機(jī)啟動(dòng)、加載功能。

（6）在輸出基波30～150 Hz范圍內(nèi)可切換接入正弦波濾波器。

（7）輸出正弦波滿足：諧波因數(shù)（HVF）：≤3%.

（8）電壓總諧波畸變率（THD）：≤5%.

4 電力測(cè)功機(jī)臺(tái)架設(shè)計(jì)

汽車電機(jī)測(cè)試用的加載裝置要求試驗(yàn)轉(zhuǎn)速高、扭矩控制精度高、具有能量回饋功能，在進(jìn)行道路工控模擬試驗(yàn)時(shí)要進(jìn)行連續(xù)變工況調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的加載裝置（如：水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)、直流測(cè)功機(jī)等）耗電大，不節(jié)能、不環(huán)保、轉(zhuǎn)速不高、能量不能回收、精度一般，不宜控制。具有閉環(huán)扭矩控制功能的四象限交流變頻器、高速電力測(cè)功電機(jī)、高精度的扭矩傳感器組成的交流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)，體積小、易于機(jī)械臺(tái)架設(shè)計(jì)、節(jié)能環(huán)保、具備能量回饋功能、自動(dòng)控制容易，是加載裝置最好的技術(shù)選擇。

本文所述測(cè)功電機(jī)采用高速交流異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率160 kW，額定轉(zhuǎn)速4 000 rpm，最高轉(zhuǎn)速12 000 rpm，額定扭矩382 Nm，具有1.2倍的過(guò)載能力。測(cè)功電機(jī)為定制的水冷式變頻電機(jī)。測(cè)功電機(jī)由交流變頻器直接控制，可以在轉(zhuǎn)速和扭矩兩種方式下工作，變頻器采用四象限變頻器，在扭矩方式下加載產(chǎn)生的電能可以直接回饋電網(wǎng)，從而達(dá)到節(jié)約能源的作用。扭矩傳感器采用非接觸式扭矩傳感器，傳感器量程1 000 Nm，精度0.05%，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000 rpm.轉(zhuǎn)速傳感器采用脈沖編碼器直接測(cè)量，通過(guò)測(cè)功機(jī)控制器可以直接計(jì)算速度和加速度。

機(jī)械臺(tái)架主要由測(cè)功電機(jī)、測(cè)速編碼器（裝在測(cè)功機(jī)末端）、扭矩傳感器（防護(hù)罩內(nèi)）、軸承箱、底座、防護(hù)罩、聯(lián)軸器（防護(hù)罩和夾具內(nèi)）、堵轉(zhuǎn)裝置等組成。其整體外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。軸承箱的轉(zhuǎn)軸采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，具有優(yōu)異的抗扭、抗撓特性。軸承箱對(duì)扭矩傳感器起到了有力的保護(hù)作用，同時(shí)給試件提供了牢固的安裝基面。堵轉(zhuǎn)銷用于電機(jī)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械臺(tái)架

為了保證電力測(cè)功機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)測(cè)功機(jī)采取了靜態(tài)校正和動(dòng)態(tài)對(duì)比校正兩種方法。電力測(cè)功機(jī)經(jīng)過(guò)靜態(tài)校正和動(dòng)態(tài)對(duì)比校正后，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。見(jiàn)圖4.

5 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試及控制部分是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，測(cè)試軟件部分的構(gòu)建采用當(dāng)前流行的圖形化測(cè)試編程軟件Labview來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示，測(cè)試及控制部分通過(guò)操作計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)供配電、負(fù)載切換的自動(dòng)化，同時(shí)利用傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)被測(cè)裝置的各種參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，為研發(fā)、產(chǎn)品定型和出廠提供詳實(shí)和準(zhǔn)確的依據(jù)。測(cè)試及控制軟件界面如圖5所示，在主控界面上可以很直觀的監(jiān)控各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，操作各個(gè)開(kāi)關(guān)及變頻器。

測(cè)量控制通訊主網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠，測(cè)試系統(tǒng)以太網(wǎng)測(cè)控原理如圖6所示。試驗(yàn)系統(tǒng)的電源輸入斷路器、輸出回路切換開(kāi)關(guān)的控制和狀態(tài)的讀取是通過(guò)PLC來(lái)完成的，計(jì)算機(jī)控制軟件與PLC是通過(guò)以太網(wǎng)通訊來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的。不能同時(shí)開(kāi)啟的開(kāi)關(guān)，在硬件上通過(guò)輔助觸點(diǎn)來(lái)互鎖、軟件上通過(guò)PLC程序來(lái)互鎖，保證了控制的安全性。控制軟件與變頻器的通訊也是采用以太網(wǎng)來(lái)通訊的，保證了控制的實(shí)時(shí)性和可靠性。電壓、電流、扭矩信號(hào)通過(guò)帶以太網(wǎng)口的采集模塊將數(shù)據(jù)上傳至控制軟件，見(jiàn)圖5、圖6.

圖5 測(cè)試系統(tǒng)控制軟件

圖6 測(cè)控系統(tǒng)原理圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車交流電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)可按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)完成電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)項(xiàng)目，能滿足參數(shù)在額定電壓100～350 V、額定功率35～60 kW、最高轉(zhuǎn)速12 000 r/min以內(nèi)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用交流異步及永磁電機(jī)的測(cè)試需要。本系統(tǒng)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率信號(hào)的精度均通過(guò)了專業(yè)計(jì)量單位的檢定，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。本試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考核，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的、成功的。本系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)，對(duì)于促進(jìn)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有重要的意義。

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Design of Electric Drive Motor Test System for Electric Vehicle

YANG Peng
（Chongqing CAERI Automobile Test Equipment Development Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

This paper analyzes the particularity of electric vehicle drive motor test，and gives the demand of electric vehicle driving motor test.The rationality of the design scheme is discussed，and the composition principle and function of the AC motor test system are introduced in detail.According to the AC motor test system developed in this paper，it can meet the requirements of automobile drive motor type and durability test.

electric vehicle drive motor；AC FM power supply；AC power dynamometer

U469.72

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0082-03

2017-02-13

陽(yáng)鵬（1982-），男，湖北廣水人，本科，工程師，研究方向：汽車試驗(yàn)設(shè)備研究與開(kāi)發(fā)。