電動汽車電機及電控系統綜合性能檢測試驗臺

李孝云，付貝貝，劉 琴，鮑國勇

（1.安徽華菱汽車有限公司，安徽馬鞍山 243061；2.重型專用車發動機安徽省重點實驗室，安徽馬鞍山 243061）

0 引言

電機驅動及控制技術是制約電動汽車發展的關鍵技術之一[1]，為了能夠有效評價和測試不同類型的電動汽車電機及其電控系統的性能，有必要研制一套電動汽車電機及其電控系統綜合性能檢測試驗臺。

1 試驗臺的測試方案和工作原理

新能源汽車公告目錄是按我國最新的兩個國家標準GB/T 18488.1—2015《電動汽車用電機及其控制器 第1 部分：技術條件》和GB/T 18488.2—2015《電動汽車用電機及其控制器 第2部分：試驗方法》實施強制性檢測的。所以設計的試驗臺測試系統性能必須滿足上述兩個國家標準中要求的電機轉矩轉速特性、功率、工作電壓、溫升、效率、饋電特性的試驗；以及滿足可靠性、高效工作區轉速、超速、功率—轉速曲線、轉矩—轉速曲線的測試。

1.1 測試系統方案的確定

目前，業內測試系統的方案有4 種：①國產電力測功機；②電渦流測功機；③進口電力測功機；④對拖測試系統[2]。其中，前兩種測功機臺架試驗方案存在大功率測試時電壓下降較快的問題，不能進行再生能量回饋，滿足不了電動汽車電機試驗的測試需求。采用進口電力測功機方案投資成本非常高。綜合考慮，系統選擇性價比最優的對拖加載試驗方案設計電動汽車電機及其電控系統性能檢測試驗臺，根據電動汽車對驅動電機系統的要求，設計特定的測試功能，從而充分全面地測試和評價電動汽車電機及其電控系統。

1.2 工作原理

測試系統采用高速變頻電機與被試驗電機實現雙機對拖的直接負載模式，主要由輸入隔離變壓器、直流電源（電池模擬器）、陪試系統（四象限變頻器+負載電機）、被試系統（被試控制器+電機）等組成。

（1）當被試電機作電機運轉狀態時，電網交流電（50 Hz）進入電池模擬器，電池模擬器將交流電整流成直流電供給被試電機控制器驅動被試電機，被試電機拖動陪試電機旋轉，此時陪試電機作為交流發電機向外輸出任意頻率的交流電，經逆變、整流為直流電，再由四象限整流單元逆變為交流電（50 Hz）回饋至電網。

（2）當被試電機作發電運轉狀態時，交流電網50 Hz 的交流電經四象限整流單元整流為直流電，由陪試逆變單元逆變為三相交流電源供給陪試電機，此時陪試電機作交流電機拖動被試電機旋轉，被試電機作為發電機向外輸出任意頻率的交流電，經電池模擬器逆變回饋至電網。

2 試驗臺測控系統設計

2.1 硬件系統選型設計

2.1.1 陪試系統選型設計

陪試系統不僅要作為試驗加載系統使用，滿足標準中要求的電機電壓、轉速、轉矩、功率、電流、溫升、效率、再生能量回饋的試驗需求，而且還需要滿足轉矩、轉速和定位方面的高精度要求。由于汽車電機試驗的特殊性、響應快、精度高、穩定性高等要求，一般驅動用變頻器滿足不了電動汽車電機及電控系統試驗的測試需求。根據公司市場調研類似的電動汽車電機及控制器試驗系統，ABB 公司的ACS800 系列四象限傳動模塊整流器允許以電動模式和發電模式進行整個功率范圍的能量轉換。兩種模式可快速穩定切換。其基于DTC 技術的快速轉矩控制性能，僅需幾毫秒可以從電動功率模式轉換到發電功率模式，且轉換過程連續無滯后[3-4]。這種性能可以滿足測試臺復雜的試驗控制要求。因此，系統選用具備四象限運行能力的ABB 公司ACS880 系列變頻器來實現電網固定頻率交流電與負載電機的變頻調速。通過將電能回饋至電網的方式實現電能循環，達到較好的節能效果。根據設計要求，選用重慶德馬測功驅動專用變頻調速電機YVPCG315M-60-B-EWB-ACB3-SM 與ACS800 系列變頻器進行匹配協調，完成電動汽車電機及電控系統的各種試驗項目，通過配套編碼器檢測電機轉速和間接位置能夠滿足試驗高轉速、轉矩和定位方面的高精度要求。電機與轉矩轉速傳感器通過雙膜片聯軸器連接固定于試驗平臺上，測試安裝如圖1 所示。

2.1.2 直流電源（電池模擬器）

直流電源主要用來為被試驗控制器提供直流電源，模擬電池在各種已知模型下的充、放電特性。針對電動汽車電機及電控試驗臺要求具有高精度及高動態響應特性，并且有向電網回饋能量的功能[5]，避免了試驗過程中控制器的損壞。對此，經過市場調研和比較，大連新大路公司生產的電池模擬器可以全數字控制、數據接口開源，同時支持針對各種非標試驗工況進行設計研發，能夠滿足《電動汽車用電機及其控制器》國家標準中對電機及其控制器試驗中對電源的要求，且符合公司電控系統特殊性能試驗要求。

2.1.3 測量系統

測量系統采用工控機通過數據總線或通信模式，與服務器及測量儀表（主要有溫度巡檢儀、轉矩轉速測量儀、電參數測量儀等）通信。

功率分析儀用來檢測電機及其電控系統的電流、電壓、功率因數、頻率等電參數，系統電參數測量采用青島艾諾高端功率儀AN87500 多通道功率分析儀，基本精度0.1 級，同時配套北京森社CHJ-5/2KB/sp1（0.2 級）多量程高精度低壓電流傳感器完成試驗系統的電參數測量，能夠保證測試數據的可靠性和精度要求。

非電量測量部分包括轉矩轉速傳感器、溫度儀、直流電阻儀等，用于被試電機的轉速、轉矩、溫度、直流電阻等非電參數測量。

電機輸出機械功率參數測量采用Kistler 4503B 系列轉矩轉速傳感器，其基本精度0.1 級，0.05 級可選，轉速高達10 000 r/min以上[6]。即使在惡劣的電磁干擾環境下也十分穩定，非常適合電動汽車電機的測試。

直流電阻儀選用試驗專用智能測試儀（DK202），基本精度≤0.2 級。

測試系統的測量儀器儀表為檢測系統的核心部分，試驗臺設備主要技術指標與標準要求對比，配置的儀器儀表精度均滿足相關國家標準要求[6]。

2.1.4 電控系統

電控系統采用西門子S7-300 系列PLC 作為下位機，以及研華工控機IPC-610L 作為上位機，通過串口服務器與儀器儀表、ACS880 變頻器、直流電源及PLC 通信，組建控制系統。

圖1 試驗臺測試安裝圖

2.2 軟件系統設計

根據試驗臺設計的需求，系統上位機（圖2）的程序應實現以下功能。

（1）數據采集。根據測試需求自動采集試驗數據（如電壓、電流、功率、功率因數、轉矩、轉速等）。

（2）測控操作、配置。能夠根據測試項目、工況進行相應控制或動作。

（3）曲線繪制。能將采集到的試驗數據以曲線實時形式顯示出來。

（4）參數設置。能夠根據試驗需要將對應參數傳輸給陪試系統、被試系統、電池模擬器等。

（5）數據分析。實現在T-n 測試或其他試驗采集到的試驗數據進行分析和處理。

（6）狀態顯示。通過配置的通信儀器儀表，將試驗過程中異常的試驗數據顯示，并實時報警。

圖2 上位機操作界面

3 試驗驗證

試驗臺投入使用后對公司多臺電動汽車及其電控系統進行了性能測試試驗。公司某套電機和電控系統在該試驗臺測試數據與第三方檢測機構檢測過的試驗數據對比見表1，通過數據比對可以看出，該測試臺試驗數據能夠與設計數據吻合的更好，不確定度更低，從而也證實了該測試臺的測試精度能夠滿足電動汽車電機試驗測試要求。

表1 測試臺主要數據對比

4 結語

經驗證，設備運行穩定、測量精度高、工作可靠，系統的負載加載、驅動性能以及整流逆變器能夠很好模擬測試電動汽車電機和控制器的工況，滿足公司電動汽車電機及其電控系統的性能測試需求。設備的成功研制和運用，為公司電動汽車電機和電控系統的檢測提供了技術保障，提高了公司產品的競爭力。