电动汽车用永磁同步电机特性试验设计与研究

张 奇， 李 珂， 张承慧， 孙 静,2， 邢国靖， 刘旭东

(1.山东大学 控制科学与工程学院,山东 济南 250061；2.山东工商学院 信息与电子工程学院,山东 烟台 264005)



·仪器设备研制与开发·

电动汽车用永磁同步电机特性试验设计与研究

张 奇1， 李 珂1， 张承慧1， 孙 静1,2， 邢国靖1， 刘旭东1

(1.山东大学 控制科学与工程学院,山东 济南 250061；2.山东工商学院 信息与电子工程学院,山东 烟台 264005)

基于AVL电机测试台架，设计并搭建了电动汽车驱动电机测试平台，借助PUMA OPEN系统，通过设计自动控制序列程序对电动汽车用永磁同步电机的稳态和动态特性等进行了自动化测试。结果表明，被测样机的功率输出稳定、效率高，转速、转矩动态响应速度快，其稳态和动态特性能够满足电动汽车用驱动电机的特殊性能要求；测试数据为电机逆变器和控制器的设计和开发提供了参考依据。整个试验采用PUMA OPEN自动化测试系统，实现了驱动电机的快速精确测试，具有简化操作流程、缩短测试周期和提高测试精度等诸多优势。

电动汽车； 永磁同步电机； 稳态特性； 动态特性； 电机测试

0 引 言

与机械家电、工业生产用电机工作环境明显不同，电动汽车用驱动电机随着车辆启动、加减速、上下坡、停车等，输出转矩和功率变化频繁。同时，电动汽车在不同工况下行驶时，驱动电机应具有低速高转矩、高速低转矩的输出特性和理想的调速特性[1-2]。作为电动汽车行驶的动力源，车用电机的稳态特性和动态响应特性对整车的经济性和动力性影响巨大，对其进行详细而精确的测量是设计高性能电机控制器和进行动力系统优化设计的基础。

电动汽车用驱动电机的测试方法主要有台架试验和道路驾驶测试，其中道路驾驶测试需要有熟练的驾驶员、试验车辆和场地等，安全性要求较高，投入较大[3-4]。目前,普遍采用台架测试的方式，但传统电机测试台架存在功能单一、功能开发周期长、测量精度低、无法进行模拟真实路况行驶下的硬件在环测试等缺点，已经难以满足当前电动汽车驱动电机的测试需求，因此AVL、GIM等公司先后推出了先进的、专门应用于电动汽车动力系统测试领域的高性能电机测试台架。

奥地利AVL公司的电机测试台架的功能完备、易于扩展，借助PUMA OPEN自动化测试系统，能够实现电机快速而精确的高性能测试；同时该台架还集成了虚拟车辆、3D路况、交通环境和驾驶员等模型，能够实现基于虚拟驾驶的电机及其控制器等动力系统的硬件在环测试，在电机测试领域、新能源汽车行业等得到了广泛的应用[5]。本文在AVL测试台架基础上，通过扩展与集成被测电机及驱动系统、水冷循环系统、功率分析仪及传感器等仪器设备，搭建了基于AVL硬件在环半实物仿真系统的电动汽车用永磁同步电机试验平台，并以PUMA OPEN自动化测试系统为核心，设计了电机自动测试程序，对电机的静态和动态响应特性进行了测试和分析，试验测试结果总体良好，测试结果为电机逆变器及控制器的开发提供了数据参考。

1 电机特性测试台架构成

AVL电动汽车电机试验台架如图1所示。试验台总体上由高动态电力测功机DynoRoad、被测电机及驱动系统、提供直流电源的高性能电池模拟器BTS、水冷系统、功能灵活强大的自动化测试系统PUMA OPEN、集成虚拟驾驶环境的硬件在环系统AVL InMotion和数据采集模块[6]等构成。

图1 AVL电动汽车电机试验台实物图

电池模拟器在电机本体性能测试中采用恒压源模式为被测电机供电，以消除普通电源过压、欠压等对电机测试造成的影响，提高了测试数据的精确度[7]；在结合路况的硬件在环测试中，可采用电池物理模型，模拟真实动力电池在行驶工况下的性能。高动态电力测功机能够实现无振动转矩转换，可精确实现零转矩、恒转矩等控制，可通过四象限操作对被测电机进行全自动的性能及耐久性试验[8-10]。同时，电池模拟器的变频器和测功机的变频器还可以实现能量回馈，提高了能量的利用率。

PUMA OPEN是一个动态、高精度、数字控制的操作平台，针对电机不同的测试需求，提供了多种控制方式，包括直接输入转速/转矩给定、通过操作面板按钮和旋钮控制、编辑自动控制序列程序、基于InMotion硬件在环系统控制的测试等。PUMA OPEN在线监控界面友好，控制参数设定、修改方便，能够快速编辑监控界面，试验中可自编辑监控界面。此外，系统还实现了对测试数据的实时存储、计算和支持数据后处理等功能[11]。

2 电机特性测试方案

电机性能测试一般包括稳态特性测试和动态响应测试[12]。根据GB/T 1029-2005[13]和GB/T 18488.1-2006[14]等标准，利用AVL电机试验台，通过编程设计自动控制序列程序，对某电动汽车用永磁同步电机的稳态特性和动态响应特性进行了试验设计与测试。

2.1 电机稳态特性测试

永磁同步电机因具有效率高、能量密度大、响应速度快、调速性能好、体积小、运行可靠等优点，成为当前电动汽车用驱动电机研发与应用的热点[15]。电机稳态特性一般是指电机在一定转速或转矩下稳定运行时的输出功率和效率等特性。功率是电动汽车驱动电机选型与匹配优化的重要参数，决定了整车最高车速、最大爬坡度和加速时间等动力指标；效率是评价电机性能的一个重要指标，充分利用电机高效区能够显著降低电耗[7]，提高续驶里程。

通过电机效率测试试验，可得到被测电机本体的效率、逆变器的效率和电机驱动系统的整体效率。根据GB/T 1029-2005，定义被测电机在试验状况下的效率计算公式为

(1)

式中:ηmotor为电机效率，%；P为电机输出有功功率，W；Pin为电机输入有功功率，W。

在测试程序中，定义电机输出功率为

(2)

式中:N为电机转速，r/min；T为电机输出转矩，N·m。

在测试程序中，定义电机输入有功功率为

(3)

式中:UrmsA为输入电压有效值，V；IrmsA为输入电流有效值，A。

根据GB/T 18488.1-2006，定义电驱动系统的整体效率计算公式为

(4)

式中:η为整体效率，%；E为控制器接线端子处输入电压平均值，V；I为控制器输入接口端电流平均值，A。

转速N、转矩T等的测量可由集成于传动轴连接装置的高精度扭矩法兰完成；电压UrmsA、E等可由功率分析仪WT3000直接测得；电流IrmsA、I等由电流传感器CT1000通过功率分析仪测得；以上测得的数据均经过功率分析仪通过TCP/IP通信协议传输给PUMA OPEN系统。

通过编辑自动序列控制程序可以实现电机测试的可重复性。首先给定电机某一恒定转速，通过AVL测功机按设定步长不断增大电机负载，测量电机稳定运行后的功率和效率等，然后按设定步长逐渐增大转速，再重复以上过程，直至测试完毕。编程后可通过一次测试完成稳态特性试验，消除了传统测试台架需要人为多次测量带来的影响。

2.2 电机动态特性测试

动态响应特性一般是指电机在一定条件下稳定运行时，阶跃到给定转速或转矩时所需的时间，即电机改变转速或转矩后的跟随能力，一般包括转速动态响应测试和转矩动态响应测试等。

转速响应测试：电机在空载下稳定运行时，测试电机从零速阶跃到基速所用的时间。

转矩响应测试：电机在额定转速下稳定运行时，测试电机从空载阶跃到额定转矩所用的时间。

3 试验结果分析

3.1 电机输出转矩结果修正

根据GB/T 18488.1-2006，在考虑测功机风摩耗转矩时，被测电机的实际输出转矩值需要进行修正，其真实值等于测功机测得的被测电机的输出转矩与测功机风摩耗转矩之和，即被测电机修正后真实的输出转矩为

(5)

式中:Tc为修正后的电机输出转矩，N·m；Tt为测功机测得的被测电机的输出转矩，N·m；Tfw为测功机的风摩耗转矩，N·m。

图2是在PUMA OPEN系统中定义，并测得的有关电机输出转矩的对比曲线，其中,TORQUE为测功机测得的电机输出转矩;TORQUETS为联接电机与测功机的传动轴轴转矩;TORQUETE为考虑测功机风摩耗转矩时电机的输出转矩。由图2可知，不同转速下风摩耗转矩的大小不同，但风摩耗转矩很小，一般情况下，可认为电机真实输出转矩与测功机显示的测量转矩基本一致。

图2 考虑风摩耗转矩、电机输出转矩和联接轴转矩对比曲线

3.2 电机功率、效率试验结果分析

针对测定电机本体特性，为提高测试精度，电池模拟器采用恒压源模式，输出电压恒定在336 V，在电机测试过程中不会出现过压、欠压等现象。

电机功率、效率测试采用自动控制序列模式，测试过程如下：负载转矩变化为外循环，转速变化为内循环。外循环中，电机转矩从5 N·m开始, 每次递增5 N·m，一直增大到60 N·m结束；外循环中，转速从50 r/min开始，每次递增25 r/min，一直增加到3 000 r/min结束。试验递增的步长可以根据测试需求自定义，自动控制序列流程如图3所示。转速内循环、转矩外循环测得的实际给定曲线见图4。

图3 电机测试自动控制序列流程图

图4 转速内循环-转矩外循环中部分给定曲线

由图5可知，永磁同步电机在电池模拟器恒压源模式下，测得的电机效率曲线比较平滑、无较大波动；在直流母线额定电压336 V供电时，电机效率能保持在较高的水平。图6为在不同转速、转矩下测得的电机实际输出功率曲线，可知，电机的输出转矩、转速变化平稳，在允许的功率范围内，被测电机的输出功率基本随转速、转矩呈线性变化，功率曲线平滑、无抖动。

图5 电机效率与电机输出转矩/转速关系MAP图

图6 电机功率与电机输出转矩/转速关系MAP图

3.3 电机温度对效率影响试验结果分析

电机运行时的各种损耗主要变为热能，导致电机的温度升高；而永磁材料对温度具有较强的敏感性，温度的变化直接影响电机的效率等运行性能和使用寿命。研究温度对永磁电机效率的影响，控制电机及其逆变器工作在合适的温度范围内，对电动汽车电驱动系统整体效率的提高有重要的意义。

图7是不同温度下的电机效率等差曲线。可见，在两次测试中通过控制水冷设备的温度，电机效率可提高0.5%～3.0%。通过研究电机温度与效率关系曲线，能够为电机高效运行时温度控制提供参考。

3.4 电机机械特性测试结果分析

驱动电机一般以基速或额定转速划分工作区域。在低速恒磁通调速时，电机最大输出转矩保持不变，属于恒转矩区；在高速弱磁调速时，电机最大输出转矩与转速基本成反比，属于恒功率区。电机机械特性[16]测试过程如下：以转速2 000 r/min为例，在该转速以下运行时，电机工作在恒转矩区，转矩给定保持60 N·m恒定；在转速2 000 r/min以上运行时，电机工作在恒功率区，输出转矩与转速基本成反比。

图7 不同温度下的电机效率差值曲线

图8为被测电机恒转矩区和恒功率区的特性曲线。可知，永磁同步电机由于转子无须励磁，在很低的转速下仍能保持同步运行，调速范围宽；同时对负载变化引起的转矩扰动具有较强的抗干扰能力，具有较硬的机械特性。

图8 电机恒转矩区和恒功率区特性曲线

3.5 电机动态响应试验结果分析

整车换挡策略往往依据车速或电机转速，而电机转矩响应特性则对整车爬坡起步、加速等动力性和驾驶舒适性有直接影响，测试电机转速、转矩动态特性对整车控制策略的制定有重要意义。

在转速响应测试中，当电机在零速、空载稳定运行时，直接给定阶跃的目标转速1 800 r/min，转速响应曲线如图9所示。在转矩响应测试中，当电机在空载、转速4 000 r/min稳定运行时，直接给定阶跃的目标转矩100 N·m，转矩动态响应曲线如图10所示。由测试结果可知，电机的转速、转矩的响应时间很短，电机动态性能能够满足电动汽车对驱动电机的响应需求。

4 结 语

驱动电机是电动汽车动力系统的核心部件，电机特性及控制技术对电动汽车的性能影响极大。借助先

图9 电机转速动态响应曲线

图10 电机转矩动态响应曲线

进的电机测试台架，通过搭建测试平台并设计实验方案，对驱动电机进行全方位的测试是电机控制器设计与开发的基础。AVL高性能测功机和电池模拟器等设备为电机稳态和动态特性测试提供了强有力的技术条件；PUMA OPEN自动化测试系统，提高了测试精度，大大简化了测试流程，缩短了测试周期，提高了工作效率。

AVL电动汽车试验平台是一个功能开放的综合试验平台。在目前现有功能的基础上，进一步开发扩展系统功能、完善测试手段和设计电机试验方案，完成诸如电机参数辨识、电机控制器开发测试等，为下一步实验教学的开展和科研工作的进行提供了实验技术保障。

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Design and Research on Characteristic Tests of PMSM for Electric Vehicle

ZHANGQi1，LIKe1，ZHANGCheng-hui1，SUNJing1,2，XINGGuo-jing1，LIUXu-dong1

(1. School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. School of Information and Electronic Engineering, Shandong Institute of Business and Technology, Yantai 264005, China)

The steady and dynamic characteristics of drive motors have a great impact on power and economy of electric vehicles. A detailed and accurate measurement is the basis for the design of high performance controller. The automatic control test sequences is designed based on PUMA OPEN automation system, and the steady and dynamic characteristics of permanent magnet synchronous motor (PMSM) for electric vehicles are tested in the AVL motor testbed, by designing and building drive motor test platform. The results indicate that the tested PMSM meets the specific requirements for electric vehicle drive motors, and the results also provide a reference for the design and development of motor inverter and controller. Testing process shows that PUMA OPEN automation system can quickly achieve automated tests of motors with a series of advantages, such as simplified operating procedures, shortened test cycles, and high accuracy.

electric vehicles； permanent magnet synchronous motor； steady characteristics； dynamic characteristics； motor test

2014-12-31

国家自然科学基金项目(51277116;61304130;61403236)

张 奇(1987-)，男，山东潍坊人，硕士，助理实验师，研究方向为电动汽车、电机驱动、实验技术等。

Tel.:0531-88392822；E-mail：zhangqi2013@sdu.edu.cn

张承慧(1963-)，男，山东德州人，教授，研究方向为电动汽车、优化控制、新能源技术等。

Tel.:0531-88395717；E-mail：zchui@sdu.edu.cn

TM 341;G 642.423

A

1006-7167(2015)10-0047-04