電動汽車驅動電機工作特性及效率測試研究

伍慶龍 楊鈁 王燕

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春 130013）

主題詞：電動汽車 驅動電機 電機性能 效率測試

1 引言

為了有效降低汽車燃油消耗量和尾氣排放，滿足雙積分政策的要求，越來越多的汽車廠對以電能為動力源的電動汽車給予了廣泛的關注及推動研發[1]。雖然電動汽車在節能和環保方面的優勢十分明顯，但與傳統內燃機車輛相比，由于電動汽車車載能源較少導致了整車續駛里程無法大幅度提高。電機及其驅動控制器作為電動汽車的核心組件，不同于普通的工業電機系統，其工作狀況更復雜，性能參數也更為多樣，同時要求具備能量回收功能。而電驅動系統效率的高低，對整車續駛里程的影響很大，由于驅動電機工作負荷與工作轉速變化范圍大，這就要求電機在較寬的轉速和轉矩范圍內都要求有較高的效率。因此，有必要對驅動電機的工作特性進行分析，對效率進行測試，以便為電動汽車電驅動電機系統在高效區運行控制提供技術支持。

2 驅動電機類型

2.1 直流電機

直流電機具有成本低、控制簡單及調速性能好等特點，是電動汽車最早采用的電驅動力裝置。但因其可靠性低，已逐步被其他電機所取代，在電動汽車中的應用也越來越少。隨著現代電力電子及控制技術的發展，其他類型的驅動電機表現出了更為突出的優勢。

2.2 交流異步電機

交流異步電機具有可靠性好、維護方便、較高轉速且無需位置傳感器等特點，可以匹配高速電動汽車。但因其驅動電路復雜，變頻控制時會產生高轉子損耗、高附加損耗以及鐵耗等，使得其關注率有所下降，而且相對于永磁同步電機，交流異步電機的效率和功率密度并沒有優勢。

小波變換是通過伸縮和平移運算對信號函數逐步進行多尺度細化，可以聚焦到信號的任意細節，能自動適應時頻信號分析的要求[5]。本文采用Mallat算法實現小波變換。

2.3 永磁同步電機

永磁同步電機具有效率高、轉速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大及振動噪聲小等特點，并具有高轉矩過載能力，屬于性能參數比較好的電機。現已成為電動汽車主流的車用驅動電機，發展前景較為廣闊，近年來對于如何設計高性能的車用永磁同步電機成為了國內外的研究熱點[2-3]。

2.4 開關磁阻電機

開關磁阻電機具有結構緊湊、堅固可靠及驅動電路簡單等特點，可以方便地實現控制，適合于高速工況運行。但開關磁阻電機相較于永磁同步電機而言效率偏低，且在車輛運行過程中的電機噪聲和振動都比較大，影響了其在電動汽車上的應用。

各種驅動電機的基本性能對比分析參見表1，其中“★”數量越多，表明在該對比項的指標表現越好。從表1中可以看出，永磁同步電機在啟動性能、效率等方面有比較明顯的優勢，且從綜合性能分析，永磁同步電機也更適合作為電動汽車驅動電機使用。

3 驅動電機工作特性

在純電動汽車行駛過程中，與傳統內燃機汽車不同的是，純電動汽車的驅動力來自于驅動電機而非發動機，驅動電機輸出的功率，用于克服純電動汽車行駛過程中受到的各種阻力。

式子n為電機轉速。

試驗測試時，利用功率儀測試動力電池組的輸出功率Pi和電機控制器輸出功率Pc，計算得到電機控制器效率ηc，利用轉矩儀測試驅動電機輸出的轉速n、轉矩T和機械功率Pm，由Pm和Pc計算得到電機效率ηm，然后算出系統總效率η，各部分具體計算公式如下（5）至（8）所示。

車輛驅動電機傳遞到車輪上的力F為：

式中T為驅動電機輸出轉矩；ig為變速箱速比；io為主減速比；η為傳動效率。

數據統計應用SPSS18.0，計量資料用（±s）表示，組間比較采用t檢驗，計數資料用n（%）表示，組間比較采用χ2檢驗，P＜0.05為差異具有統計學意義。

綜合式(1)至(3)可得

純電動汽車電驅動系統的工作特性取決于車輛行駛受力狀況，電機輸出驅動力應與整車所受的行駛阻力相平衡，車輛行駛驅動力為：

電驅動系統效率性能的測試是指電機在一定的轉速、轉矩條件下穩定運行，測量電驅動系統中電機、控制器的效率及系統總效率，然后繪制電驅動系統的轉速—轉矩—效率三維MAP圖，分析其效率特性，并提供給開發設計人員，以便達到控制及效率運行區優化的目的。

車輛行駛速度va與驅動電機工況轉速之間的關系為：

1.2.4 超級電容器電極的制備與測試 參考文獻[3]方法組裝了超級電容器，并采用兩電極體系進行電化學測試，測試電位窗口為-1.0～1.0 V。

從公式（4）可以看出，存在由dv/dt決定的高動態的加速阻力，由于汽車行駛時速度經常處于不斷的變化之中（特別是城市中），要使純電動汽車具有良好的動力系統性能，驅動電機應具有調速范圍寬，轉速高、啟動轉矩大、轉矩響應快、系統效率高的特性。總結起來，電動汽車的驅動電機應滿足如下的工作特性，以適應電動汽車用電機的選型。

（1）具備高轉矩密度和功率密度，在整個運行區域保持高效率；

（2）具備寬調速范圍，寬恒功率區域，有高峰值轉矩輸出能力；

曾獲農牧漁業部科學技術進步一等獎、國家科技進步二等獎，屢獲“生態原產地保護產品”“第十六屆中國國際農產品交易會金獎產品”等殊榮，上世紀八九十年代曾作為釣魚臺國賓館指定水果，用來招待、饋贈外國貴賓，遠銷國外及港澳地區……肉色紅潤、口感柔嫩、多汁化渣、風味濃郁，一顆水果被這么多美譽加身，讓人不禁贊嘆！

（3）基速以下大轉矩輸出，以適應車輛低速高轉矩啟動、爬坡、加速、起停工況；

（4）基速以上恒功率輸出，以適應最高車速、超車、高速巡航等工況；

（5）具備動態制動強和能量回收能力；

我們總是喜歡苛責別人的過錯，用各種條件去要求他人，自己卻不遵守準則。我們能輕易發現他人的錯誤，卻很少能揪出自己的不足。這正是因為我們缺失了責己的自覺性。

（6）具備短時過載能力，以適應復雜工況；

（7）具備良好的環境適應性和可靠性；

（8）具備結構堅固、體積小、質量小特點；

（9）具備低成本生產能力、合適市場價格[4]。

控制器輸出功率Pc為:

4 電驅動系統效率測試方法

4.1 效率測試方法

驅動電機在車輛裝備之前可以利用試驗臺架對電機的性能進行測試。電驅動系統的測試可遵循相應的國家標準 GB/T 18488.1—2015[5]和 GB/T 18488.2—2015[6]，這兩個標準主要針對新能源汽車驅動電機系統的相關參數測試。因電驅動系統的效率指標對整車的運行控制非常重要，故以下重點介紹電驅動系統效率的測試方法。

孔子所講的“己所不欲，勿施于人”，意思是不把自己想要的東西強加給別人，這是恕道，也是夫子大力倡導的仁。相比之下，把自己喜歡的東西強加給別人，就顯得冠冕堂皇，不好拒絕。上可以欺騙領導，下可以愚弄百姓，把自己的多欲與機心巧妙遮蔽，其危害遠大于把自己不喜歡的東西強加于人。

為了測試電機及其控制器的效率，需要在電驅動系統工作范圍內進行各工作點的掃描測試，如圖1。對于轉矩控制的被測電機，通過變頻器控制測功電機輸出恒轉速，而被測電機控制器在不同的恒轉速下控制電機的輸出轉矩，以測試電機驅動系統各工作點的電機效率、控制器效率及系統總效率，對于轉速控制的驅動電機測試則相反。如果對轉速—轉矩工作點測試越多，做出的效率分布圖將越準確，但相應的工作量越大，因此，可以有針對性進行測試。

圖1 電機系統工作區效率測試點

在得到各個電驅動系統工作點的效率之后，利用數學插值擬合，可計算出未測試工作點的效率值，從而得到電驅動系統全部工作點的效率值分布，并繪制電驅動系統工作等效率MAP圖。

4.2 效率測試計算

電驅動系統效率性能參數的測試是在額定工作電壓和施加負載下進行。在電驅動系統試驗臺架上，需要動力電池組或電源提供給電機控制器所需的電壓和電流，并在測功電機和被測驅動電機之間連接轉矩儀。為了得到電驅動系統效率分布及外特性曲線，在電驅動系統試驗臺架上進行試驗測試時需要測量的項目如表2所示，進行效率點測試時，電機應工作在給定的轉速和轉矩條件下進行測試。

表2 電驅動系統測試參數

式中Ft為總行駛阻力；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力；m為車輛質量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數；CD為風阻系數；A為迎風面積；va為行駛速度；α為坡道角度；δ為汽車旋轉質量換算系數；dv/dt為加速度。

電源輸出功率Pi為:

新規則“4整理原則”分解為四點，4.1與4.2的內容與舊規則內容一致，均強調“遵循文件的形成規律，保持文件之間的有機聯系，區分不同價值，便于保管和利用。”4.3與4.4為擴充內容，4.3“歸檔文件整理應符合文檔一體化管理要求，便于計算機管理或計算機輔助管理”是適應當前實際工作需求的必要之舉。信息技術的發展必然要求歸檔文件整理符合新規則4.3的要求。4.4“歸檔文件整理應保持紙質文件和電子文件整理協調統一”，這一原則與新規則的適用對象(紙質與電子文件)相呼應，同時也與當前紙質文件、電子文件雙套制管理模式相符合。

在驅動電機工作特性中，電機的效率對整車的能耗及續駛里程影響非常大。電驅動系統效率高效區域范圍越大可以讓整車行駛時的能耗損失越小，同時在滑行和制動工況下可以進行更多的能量回收，因此有必要對電驅動系統的效率進行測試和分析，以識別整車行駛的高效率運行工況。

式中:PU、PV、PW分別為控制器輸出的三相功率。

電機輸出功率Pm為:

電機控制器效率ηc、電機效率ηm，以及系統總效率η分別為：

2 《草原與草坪》辦公地點為：甘肅省蘭州市安寧區營門村1號， 甘肅農業大學。郵箱：cyycp@gsau.edu.cn，聯系電話：0931-7631885。

5 電驅動系統性能試驗臺架

5.1 試驗臺架測試系統

針對驅動電機系統的工作特性以及效率測試，可利用專業的電驅動系統試驗臺架進行測試。圖2為某一電驅動系統測試臺架結構圖，其中系統硬件部分主要包括測功電機及其變頻控制器、驅動電機及其控制器、動力電池組及電池管理系統、主控計算機及測試系統軟件。為了使臺架具有更廣泛的測試應用，除了采用動力電池組供電外，也可以配置具有可模擬動力電池組放電特性功能的直流電源。

中國傳統山水畫自產生起就和“淡”、“空”、“虛”、“遠”等觀念緊密地聯系在一起，這些觀念對后人的山水畫創作有著極其深刻的影響。山水畫由莊學精神外化而來，起初人們更重視的是其精神內核，在繪畫技巧上的進步則要晚得多。晉代及南北朝時期的山水畫多以線條描繪山水，技法上不是十分成熟，現在我們比較熟悉的水墨山水畫到了唐代才出現。中國山水畫之所以以水墨為統宗，這是和山水畫的玄學思想背景以及由這種背景所形成的性格密切相關的，而玄學的理論根基還是主張“空”、“淡”的老莊學說。可以說，水墨山水畫的出現是玄學思想和山水畫繪畫技巧成熟融合的結果。

窗外下著淅淅瀝瀝的小雨，雨滴打在玻璃窗上發出刺啦刺啦的聲音，濺出一個又一個泥點兒，原本煩躁的情緒又因此被放大。屋里，是果果窸窸窣窣的啜泣，只不過訓了她一句，竟一直哭到現在。忽然聽見了鑰匙開門的聲音，爸爸回來了，又免不了是一頓訓斥。果然，果果看見爸爸回來，有人撐腰了，開始放肆的大聲哭起來，仿佛是受了多大的委屈。

圖2 電驅動系統試驗臺架結構

在試驗臺架上測試電驅動系統性能參數時，利用動力電池組或直流電源為驅動電機系統提供直流電。根據第3章節的計算式（4），采用電慣量計算原理，通過測功電機模擬驅動電機的負載。主控計算機用于控制和監控試驗測試過程，并且可在相應的儀器上可以讀取所需測試參數。

習近平總書記指出： “沒有網絡安全就沒有國家安全。”當前，我國面臨的網絡安全問題日益復雜，對我國整體網絡安全不斷提出新的挑戰，其中涉及地方政府治理的安全威脅尤為突出。地方政府治理關系國家秘密信息和高敏感度核心政務信息的處理，涉及公共秩序維護和行政監管的順利實施，網上黑客入侵和犯罪、網上病毒泛濫和蔓延、信息間諜的潛入和竊密、網絡恐怖集團的攻擊和破壞、內部人員的違規和違法操作、網絡系統的脆弱和信息產品的失控等，都是當前政府治理工作中正在面臨或將要面臨的重大安全挑戰。

5.2 試驗臺架效率測試

在試驗臺架上，可進行電機負載外特性及電驅動系統效率的測試。其中，電機負載外特性又稱峰值轉矩曲線，是指電機在給定電壓下，測試電機的輸出轉矩與轉速的關系曲線。坐標軸上表現為，在固定的轉速點上，對應一個最大的電機輸出轉矩，電機負載外特性是電機在工作區域內所有工作點轉速轉矩的外圍包絡線。電驅動系統效率的測試可以根據第4章節所述，測量相關變量然后利用公式（5）～（8）分別算出各部分的效率。為了合理地進行電驅動系統效率測試，在電機、控制器效率變化比較大的區域，測試點應該多選取一些，以防止丟掉重要信息。對于高功率運行區域，從一個工作點到另一個工作點效率變化比較小，測試點選取間隔可以適當大一點。對于輕負載運行區域，效率變化較大，測試點選取間隔可以小一點，以保證測試后繪制的電驅動系統整體效率MAP圖信息的完整性。

圖3 電驅動系統三維效率MAP

測試過程中，通過臺架軟件測試系統控制和調節搜索電機的轉速和轉矩工作點，利用數據采集系統實時采集電池組的放電數據、電機控制器的輸入輸出電參數以及電機的輸出轉速、轉矩及功率，由主控計算機軟件算出電驅動系統效率。圖3為根據測試數據繪制的某一電驅動系統三維空間效率MAP圖。于測試結果，可以更有效地進行電驅動系統的控制策略設計。比如，在低速的大轉矩輸出區，可以設計適應車輛的起步及爬坡工況，在高速的恒功率輸出，可以設計適應車輛的最高車速及高速巡航工況，且在行駛過程中應盡量控制車輛運行在電驅動系統效率比較高的區域，從而節省能耗并進一步提升車輛的續駛里程。

6 結束語

本文介紹了電動汽車驅動電機的類型，對不同的電機進行了優缺點比較，分析了驅動電機的工作特性，介紹了電驅動系統效率測試方法。基于電驅動系統試驗測試臺架，完成了對某臺車用驅動電機的效率測試及分析，得出了該電驅動系統的高效率運行區域。在電動車輛運行過程中，應盡量控制電機使其運行在效率比較高的區域，以效率最優化實現對電驅動系統的控制，提高整車的續駛里程，以減少用戶的里程焦慮。