一、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)準(zhǔn)備
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車包括EV/HEV/PHEV/FCEV的關(guān)鍵核心部件,目前市場(chǎng)上純電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前廣泛使用的有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)這幾種。
主要性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)對(duì)比如下表所示。
電機(jī)類型的選擇主要與目標(biāo)車型的應(yīng)用有關(guān)。早期開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)汽車主要使用直流電機(jī)。車用電機(jī)發(fā)展至今,主要使用永磁同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)。其中,日韓汽車公司傾向于使用永磁同步電機(jī),而在歐美開(kāi)發(fā)的新能源汽車(包括混合動(dòng)力汽車)則使用交流感應(yīng)電機(jī),這與其資源儲(chǔ)量和技術(shù)發(fā)展策略有關(guān)。
中國(guó)的稀土資源占世界儲(chǔ)量的80%以上。因此,作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)具有更多的資源優(yōu)勢(shì),從國(guó)家安全角度講,研究永磁同步電機(jī)還可減少國(guó)際石油資源緊缺對(duì)中國(guó)交通運(yùn)輸造成沖擊。
目前國(guó)內(nèi)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型多為永磁同步電機(jī),表3.2所示為國(guó)家“863”計(jì)劃電機(jī)測(cè)試基地電機(jī)類型統(tǒng)計(jì)信息。其中,永磁電機(jī)所占比例逐年增大,而其他電機(jī)類型相對(duì)有所減少。
表2 國(guó)家“863”計(jì)劃電機(jī)測(cè)試基地電機(jī)統(tǒng)計(jì)類型
根據(jù)目前車用電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),本文選擇主流的車用永磁同步電機(jī)作為目標(biāo)試驗(yàn)對(duì)象闡述。動(dòng)力電池方面主要以汽車本體所用的電池包作為電動(dòng)汽車動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)中的電源,用以接近電機(jī)真實(shí)工作情況的真實(shí)電流源。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程中主要以直流穩(wěn)壓電源作為動(dòng)力源,主要目的是減少因電源狀態(tài)發(fā)生變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不可控的影響;
目前市面上有二合一產(chǎn)品,也有三合一產(chǎn)品甚至有概念“五合一”產(chǎn)品,在開(kāi)展電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí),一般需要將控制器和電機(jī)單體分離,控制器和電機(jī)單體之間用盡可能短的耐高壓沖擊大電流的專用線束連接,目的是布置交流互感器及測(cè)量單向電流和相間電壓,用于計(jì)算控制器輸出的功率數(shù)據(jù)。
在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)一般為了適配高速高扭瞬時(shí)高功率的特性,需要設(shè)計(jì)校核強(qiáng)度足夠的工裝夾具。需要根據(jù)被測(cè)試對(duì)象的接口圖紙,結(jié)合測(cè)試設(shè)備的工裝接口設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的支撐以及連接設(shè)備,如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖中所示的圖7以及樣機(jī)輸入花鍵配套的花鍵適配軸。
試驗(yàn)過(guò)程前期準(zhǔn)備需要根據(jù)本次試驗(yàn)需求進(jìn)行選擇對(duì)應(yīng)量程及精度等級(jí)及適用范圍的傳感器測(cè)量單元,參考GB/T 18488.2-2015國(guó)標(biāo)推薦的試驗(yàn)儀器準(zhǔn)確度要求如表3所示。但在測(cè)試過(guò)程中部分國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿足標(biāo)定及測(cè)試的需求,在測(cè)試過(guò)程中考慮傳感器以及采集系統(tǒng)的量程誤差,組合采集精度滿足誤差要求,將電氣測(cè)量?jī)x器精度提高到0.1級(jí),電流傳感器0.1級(jí),轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器誤差小于±1r/min,轉(zhuǎn)矩法蘭扭矩測(cè)量精度0.1級(jí),微歐計(jì)需備0.1精度等級(jí)。
試驗(yàn)過(guò)程中,試驗(yàn)電源主要由電池模擬器提供,結(jié)合目前市面上的主流控制器的電壓等級(jí),覆蓋750V以下的電壓范圍,其穩(wěn)壓輸出下的電壓誤差不超過(guò)±1V,國(guó)標(biāo)要求的精度等級(jí)為工作電壓的±1%,無(wú)法達(dá)到目標(biāo)控制器的穩(wěn)壓范圍。同時(shí)功率覆蓋市面上80%的控制器工作功率,額定輸出功率250kw,同時(shí)為了滿足一些大功率雙電機(jī)組合的測(cè)試應(yīng)用電源需求,還有需要350kw以上動(dòng)力電源供需求;
試驗(yàn)準(zhǔn)備中的布線,一般分為高壓布線和低壓線束。低壓線束多為客戶配套整車或?qū)嶒?yàn)室專用的線束,高壓一般提供整車高壓直流供電螺栓大小進(jìn)行適配,或者出廠帶整車的隨機(jī)線束。目前根據(jù)測(cè)試應(yīng)用的實(shí)際案例來(lái)看,某些場(chǎng)景下,尤其大功率輸出功率時(shí),高壓輸出考慮響應(yīng)滯后的情況,還需要配備一定功率的專用電容,用以彌補(bǔ)大功率輸出時(shí),電壓瞬時(shí)降低的情況。
在低壓線束的連接時(shí),還要充分考慮被測(cè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的接地以及信號(hào)屏蔽需求。MCU一般適配整車帶CAN通訊,就要在走線上避免高低壓并行的走線方式,同時(shí)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)要求,在CAN通訊另一端配備相應(yīng)的終端電阻。同時(shí)電機(jī)及控制器金屬殼體需考慮充分接地;
冷卻系統(tǒng)的配備一般是根據(jù)測(cè)試對(duì)象的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)相應(yīng)適配。通常控制器為水冷,需配備專用的冷卻設(shè)備,某些設(shè)計(jì)為水冷方式的電機(jī)一般和控制器共用一路水循環(huán)道,當(dāng)所測(cè)試的電機(jī)為風(fēng)冷時(shí),需配備相應(yīng)的風(fēng)冷設(shè)備。若為油冷設(shè)備那么還需配備相應(yīng)的油冷設(shè)備。
基于傳統(tǒng)的PLC與ABB ACS880 直接轉(zhuǎn)矩控制方案。ACS880是ABB公司全新推出的一款基于直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control—DTC)的全能型低壓交流傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制,可以獲得更快動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。該種組合方案以工業(yè)用PLC為控制核心,要求控制器需要強(qiáng)大的實(shí)時(shí)計(jì)算能力、其工作可靠、穩(wěn)定,這種組合方式常常用在電機(jī)控制系統(tǒng)中。
圖2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其中工業(yè)計(jì)算機(jī)與被試件主要用基于CAN2.0b開(kāi)發(fā)的CAN通訊來(lái)模擬整車控制器(VCU)來(lái)和MCU(Motorcontrol unit)之間通訊。軟件系統(tǒng)的準(zhǔn)備,主要是為了適配被試件MCU的控制需求,主要需要委托方提供相應(yīng)的CAN通信矩陣編碼,嵌入測(cè)試系統(tǒng)中,便于開(kāi)展相應(yīng)的輸入輸出特性測(cè)試以及其他相應(yīng)測(cè)試的需求。
整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程需在下列實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下進(jìn)行:
二、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)方法
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全面的試驗(yàn)內(nèi)容主要由靜態(tài)測(cè)試項(xiàng)目、動(dòng)態(tài)測(cè)試項(xiàng)目?jī)刹糠郑渲徐o態(tài)測(cè)試項(xiàng)目主要包含一般性試驗(yàn)和安全性試驗(yàn)兩大項(xiàng),動(dòng)態(tài)測(cè)試項(xiàng)目主要包含溫升試驗(yàn)、輸入輸出特性、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性試驗(yàn)四大類測(cè)試項(xiàng)目。
一般試驗(yàn)項(xiàng)目主要包含外觀目測(cè)、外形和安裝尺寸、質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體機(jī)械強(qiáng)度、液冷系統(tǒng)冷卻回路密封性能、驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子繞組冷態(tài)直流電阻、絕緣電阻、耐電壓、超速試驗(yàn);
安全性試驗(yàn)項(xiàng)目主要包含安全接地檢查、控制器保護(hù)功能、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器支撐電容放電時(shí)間測(cè)試。
2、動(dòng)態(tài)測(cè)試項(xiàng)目
本文主要闡述動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法,下面就四大類測(cè)試方法分項(xiàng)闡述。
行業(yè)內(nèi)測(cè)試電機(jī)溫升曲線有測(cè)量電機(jī)繞組直流電阻法與額定工況工作連續(xù)記錄反饋溫度方法測(cè)量電機(jī)的溫升曲線。由于在實(shí)際應(yīng)用中考慮到電機(jī)繞組預(yù)埋溫度傳感器多為NTC傳感器測(cè)量阻值記錄不變以及考慮測(cè)量方法的安全以及測(cè)試過(guò)程的一致性,普遍采用額定工況連續(xù)工作記錄電機(jī)溫升直至電機(jī)溫度在5分鐘內(nèi)溫度變化在±1度以內(nèi)則記錄電機(jī)穩(wěn)定的溫度以及溫度上升過(guò)程的連續(xù)數(shù)據(jù)并繪制溫升曲線。將被試電驅(qū)動(dòng)電機(jī)與測(cè)試臺(tái)架良好連接,控制器冷卻系統(tǒng)工作正常,電池模擬器均正常工作,初始電機(jī)反饋溫度為室溫時(shí)開(kāi)始控制被試電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速扭矩均在額定工況點(diǎn)持續(xù)工作,此時(shí)開(kāi)始記錄溫度及各項(xiàng)數(shù)據(jù)。
臺(tái)架試驗(yàn)時(shí),將驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的直流母線電壓分別設(shè)定在最高工作電壓處和最低工作電壓處,在不同工作電壓下,測(cè)試在不同工作轉(zhuǎn)速下的最大工作轉(zhuǎn)矩,記錄穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)不少于10個(gè),繪制轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線,檢査轉(zhuǎn)矩輸出是否能符合產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定。
試驗(yàn)時(shí),在驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一般取不少于 10 個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn),最低轉(zhuǎn)速點(diǎn)宜不大于最髙工作轉(zhuǎn)速的 10%,相鄰轉(zhuǎn)速點(diǎn)之間的間隔不大于最高工作轉(zhuǎn)速的 10%,測(cè)試點(diǎn)選擇時(shí)應(yīng)包含必要的特征點(diǎn),如:
——額定工作轉(zhuǎn)速點(diǎn); ——最高工作轉(zhuǎn)速點(diǎn); ——持續(xù)功率對(duì)應(yīng)的最低工作轉(zhuǎn)速點(diǎn);——其他特殊定義的工作點(diǎn)等。
在驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)或饋電狀態(tài)下,在每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)上一般取不少于 10 個(gè)轉(zhuǎn)矩點(diǎn),對(duì)于高速工作狀態(tài) ,在每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)上選取的轉(zhuǎn)矩點(diǎn)數(shù)可以適當(dāng)減少,但不宜低于 5 個(gè)。測(cè)試點(diǎn)選擇時(shí)應(yīng)包含必要的特征點(diǎn) ,如:a) 持續(xù)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值處的點(diǎn);b) 峰值轉(zhuǎn)矩(或最大轉(zhuǎn)矩)數(shù)值處的點(diǎn);c) 持續(xù)功率曲線上的點(diǎn);d) 峰值功率(或最大功率)曲線上的點(diǎn):
在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?,在相關(guān)的測(cè)試點(diǎn)處可以全部或者部分選擇測(cè)量以下數(shù)據(jù):a) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線電壓和電流;b 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓、電流、頻率及電功率;c) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率;d) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器或驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的效率;e) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)電樞繞組的電阻和溫度;f)冷卻介質(zhì)的流量和溫度;
試驗(yàn)時(shí),可以根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)置試驗(yàn)條件,驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可以在實(shí)際冷狀態(tài)或者熱狀態(tài)條件下試驗(yàn),驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的直流母線電壓可以設(shè)置在最高工作電壓、最低工作電壓、額定工作電壓或其他工作電壓處,試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以是一個(gè)工作點(diǎn),也可以是一條特性曲線或者全部工作區(qū)。
試驗(yàn)時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線電壓宜設(shè)定為額定電壓,驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)宜處于空載、熱態(tài)、電動(dòng)工作狀態(tài)。對(duì)具有轉(zhuǎn)矩控制功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng),在設(shè)定轉(zhuǎn)速條件下的 10%~90%峰值轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi),均勻取 10 個(gè)不同的扭矩點(diǎn)作為目標(biāo)值。按照某一轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值設(shè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器或上位機(jī)軟件,驅(qū)動(dòng)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)工作至轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定狀態(tài),記錄驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值,并計(jì)算實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩值與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的差值,或者實(shí)際轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的偏差占目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值的百分?jǐn)?shù),此值即為特定轉(zhuǎn)速條件下,這一轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩控制精度。
試驗(yàn)時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線電壓宜設(shè)定為額定電壓,驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)宜處于空載、熱態(tài)、電動(dòng)工作狀態(tài)。對(duì)具有轉(zhuǎn)矩控制功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng),在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下,按照轉(zhuǎn)矩期望值設(shè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器或上位機(jī)軟件,對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制,使驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩從零快速增大,此過(guò)程中不應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器或上位機(jī)軟件做任何調(diào)整 ,記錄驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器從接受到轉(zhuǎn)矩期望指令信息開(kāi)始至第一次達(dá)到規(guī)定容差范圍的期望值所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。試驗(yàn)時(shí),應(yīng)改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)起始位置,沿圓周方向等分取 5 個(gè)點(diǎn),在同一轉(zhuǎn)矩期望值條件下分別重復(fù)以上試驗(yàn),取5次測(cè)量結(jié)果中記錄時(shí)間的最大值作為該驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)該轉(zhuǎn)矩期望值的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間。
(3)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)
進(jìn)行低溫貯存試驗(yàn)時(shí),將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器正確連接,按照 GB/T 2423.1—2008 的規(guī)定,放人低溫箱內(nèi),使箱內(nèi)溫度降至-40℃,并保持2 h。試驗(yàn)過(guò)程中 ,驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)處于非通電狀態(tài),對(duì)于液冷式驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器,不通人冷卻液。低溫貯存2h后,在低溫箱內(nèi)復(fù)測(cè)絕緣電阻,復(fù)測(cè)絕緣電阻期間,低溫箱內(nèi)的溫度應(yīng)保持在-40℃。
低溫貯存2h后,低溫箱內(nèi)的溫度繼續(xù)保持在-40℃在低溫箱內(nèi)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)通電,檢查能否正??蛰d啟動(dòng)。對(duì)于液冷式驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器,若要求在啟動(dòng)過(guò)程中通入冷卻液 ,冷卻液的成分、溫度及流量按照產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定。
試驗(yàn)結(jié)束,按照 GB/T 2423.1—2008 的規(guī)定恢復(fù)常態(tài)后,將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線工作電壓設(shè)定為額定電壓,驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于持續(xù)轉(zhuǎn)矩、持續(xù)功率條件下,檢査系統(tǒng)能否正常工作。
進(jìn)行髙溫貯存試驗(yàn)時(shí),將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器放入髙溫箱內(nèi),按照 GB/T 2423.2—2008的規(guī)定,使箱內(nèi)溫度升至85℃,并保持2h,試驗(yàn)過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)處于非通電狀態(tài),對(duì)于液冷式驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器,不通人冷卻液。高溫貯存2h后,檢査驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承內(nèi)的油脂是否有外溢,同時(shí)在高溫箱內(nèi)復(fù)測(cè)絕緣電阻,復(fù)測(cè)絕緣電阻期間,高溫箱內(nèi)的溫度應(yīng)保持在85℃高溫貯存2h按照 GB/T2423.2—2008的規(guī)定恢復(fù)常態(tài)后,將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線工作電壓設(shè)定為額定電壓,驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于持續(xù)轉(zhuǎn)矩、持續(xù)功率條件下,檢査系統(tǒng)能否正常工作。
進(jìn)行高溫工作試驗(yàn)時(shí),將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器正確連接,按照 GB/T 2423.2—2008 的規(guī)定,放人髙溫箱內(nèi),按照 GB/T 18488.1—2015 中5.6.2.2 的要求設(shè)置髙溫箱內(nèi)的試驗(yàn)環(huán)境溫度,驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線工作電壓設(shè)定為額定電壓,驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于持續(xù)轉(zhuǎn)矩、持續(xù)功率條件下,檢查驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)能否正常工作2h對(duì)于液冷式驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器,應(yīng)在試驗(yàn)過(guò)程中通入冷卻液,冷卻液的成分、溫度及流量按照產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定。高溫工作 2 h 后,按照 5.7 的方法在高溫箱內(nèi)復(fù)測(cè)絕緣電阻,復(fù)測(cè)絕緣電阻期間高溫箱內(nèi)的溫度應(yīng)繼續(xù)保持不變。
三、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)
以某電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果展示,根據(jù)需求方提供的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判定。