电动汽车电机驱动系统教学实验平台设计

焦冰+杨正林

摘 要 教学实验设备是培养学生实践能力和创新能力的物质基础，是专业课程体系建设的重要环节。针对电动汽车驱动技术相关课程的教学需求，以测试评价电机驱动系统的整体性能为目标，围绕实验所需测试项目，提出电动汽车电机驱动系统教学实验平台的总体方案，为学生实践能力和创新能力的培养提供设备保障。

关键词 电动汽车；电机驱动系统；教学实验平台

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）20-0050-03

Abstract Teaching experimental equipment is the material basis toculture practical ability and creative ability of students， and the im-portant link of professional curriculum system construction. Accor-ding to the teaching experimental demand ofElectric vehicle drive technology-related courses， based on the target to test evaluation forthe overall performance of the motor drive system， around the testproject of Experiments needed， the general scheme of electric vehiclemotor drive system teaching experiment platform is proposed. Andit is an equipment guarantee for training Practical ability and creativeability of students.

Key words electric vehicle； motor drive system； teaching experi-ment platform

1 前言

发展电动汽车已经上升为国家战略。科技部明确提出，到2020年建立起完善的电动汽车动力系统科技体系和产业链，实现各类电动汽车的产业化，促进新能源汽车战略新兴产业进入快速成长期。

战略性新兴产业的快速发展给专业技术人才的培养提出新的要求[1-2]，为适应社会对电动汽车专业高素质、应用型技术人才的需求，南京航空航天大学金城学院车辆工程系在车辆工程专业的基础上拓展了电动汽车专业方向，并加强了专业教学实验设备的建设。电机驱动系统是电动汽车的“三横”技术体系之一，是电动汽车的“心脏”，其性能的提高是电动汽车发展的关键。电动汽车电机驱动系统教学实验平台能够测试评价电动汽车电机驱动系统的整体性能，为电动汽车驱动技术相关课程实验提供设备保障，同时支撑相关领域的科学研究。

2 电动汽车电机驱动系统

电动汽车电机驱动系统是一个复杂的非线性系统，包括电动机、逆变器、控制器、电池组和DC-DC变换器，拓扑结构如图1所示。电池组提供电能，由控制器控制逆变器驱动电动机，DC-DC变换器可以将电池组的电压稳定在一个相对较高的值上，从而提高电动机的驱动性能。

优化电动汽车电机驱动系统的拓扑结构，选用高比功率的电动机，改进电动机的控制算法，这些是提高电动汽车电机驱动系统性能的主要方法，均是围绕提高电机驱动系统的效率展开的。因此，如何精确测试电机驱动系统的效率，成为电动汽车设计人员关心的问题。电动汽车电机驱动系统教学实验平台正是围绕电机驱动系统的效率测试设计开发的。

3 教学实验需求

针对电动汽车驱动技术相关课程的教学实验需求，教学实验平台应能够测试评价电动汽车电机驱动系统的稳态性能和动态性能，以支撑开展以下实验项目，具有综合性和创新性的实验项目能有效培养学生的实践能力和创新能力[3]。

电动汽车驱动系统稳态测试实验 稳态测试实验是指被测电机在给定的转速、转矩条件下，测试电机相关工作参数，计算系统效率，评价系统性能。

实验需要选取相应的稳态测试点，教学实验中测试点不宜过多，因此，根据电动汽车驱动系统的运行状况，选取有限的稳态测试点。在高功率区，驱动系统效率变化较小，可采用较大的间隔选取稳态测试点；在轻负载区，驱动系统的效率变化较大，需采用较小的间隔选取稳态测试点[4]。转矩测试点包括1、5、10、20、50、75、100、125、150、200，单位为Nm；转速测试点包括200、500、750、1000、1500、2000、2500、3000、4000、5000、6000、8000，单位为rpm。

电动汽车驱动系统行驶工况测试实验 行驶工况对于电动汽车的性能参数具有决定性意义，电动汽车实际行驶中性能参数的评价依赖于具体的行驶工况。行驶工况测试实验是指利用教学实验平台模拟电动汽车的行驶工况，并测试驱动电机的相关工作参数，计算系统效率，评价系统性能。

再生能量回馈实验 再生能量回馈是电动汽车的研究热点之一，再生能量回馈实验有助于学生深入理解电动汽车的结构原理。实验测试驱动系统制动时回馈给蓄电池的电流和电量，观察电能回馈情况。

温升实验 电动汽车驱动电机各部分的温度是电驱动系统的重要性能指标之一，温升实验可以帮助学生理解温度在电子电气系统中的重要性。实验时，设定被测电机在额定转速和额定转矩下运行，每隔一定时间测取电机的温度、电压、电流等参数，观察在温度升高过程中被测电机的性能。

动力性能实验 汽车的动力性能指标包括最高车速、加速时间和爬坡能力。最高车速实验测试最高车速时被测电机的性能状态，包括电机的效率和温度；爬坡能力实验测试汽车爬坡时被测电机的性能状态；加速时间实验测试被测电机运行到设定转速所需要的时间。通过3个动力性能实验，加深学生对汽车动力性能指标的理解。

4 测试项目

根据上述需求，教学实验平台需要开展以下测试项目：逆变器的输入电压、输入电流、输入功率，被测电机的转速、转矩、输出功率，被测电机的电压、电流、温度，驱动系统制动时回馈给蓄电池的电能。

稳态测试实验中，对于每个测试点，测得逆变器的输入电压和输入电流，可计算出逆变器的输入功率；测得被测电机的转速和转矩，可计算出被测电机的输出功率，从而获得电机驱动系统的效率。具体计算过程如公式（1）（2）（3）所示。

根据每个稳态测试点的电机驱动系统效率，可获得驱动系统的整体效率分布状况。

行驶工况测试实验中，通过实时测量逆变器的输入电压和输入电流、被测电机的转速和转矩，计算出电机驱动系统的效率，从而评价电机驱动系统的性能。教学实验平台内部存储相关工况数据，如UDDS城市工况、HWFET高速公路工况、10—15工况、欧洲NEDC工况等，实验时调用某种工况进行测试，可做1个行驶工况，也可循环做2～3个行驶工况。

在再生能量回馈实验中，当驱动系统制动时，测量回馈给蓄电池的电流，从而获得回馈电能。在温升实验中，测量被测电机的电压、电流和温度，从而观察温度变化时被测电机的性能指标。在动力性能实验中，最高车速可以转换为被测电机的最高转速进行测量，爬坡能力可以转换为被测电机的转矩进行测量。

5 方案设计

电动汽车电机驱动系统教学实验平台设计方案如图2所示，主要是由直流电源（蓄电池组1）、逆变器、被测电机、转矩转速传感器、测功机、蓄电池组2、测控设备和总控制台（PC机）组成。

直流电源通过逆变器逆变为交流电供给被测电机，测功机作为负载模拟电动汽车运行，制动时能量回馈给蓄电池组2。测控设备一方面采集电压、电流、温度、转矩、转速等信号并进行处理；另一方面控制被测电机和测功机的转矩和转速。总控制台作为测控设备的上位机，提供人机接口。

行驶工况测试实验中，控制被测电机和测功机的转矩、转速，被测电机按转速—时间给定运行，测功机按转矩—时间给定运行，两个控制命令同时发送，模拟电动汽车行驶过程中的实际工况。教学实验平台内部存储的行驶工况数据为汽车行驶车速，在进行工况测试之前，将汽车行驶车速转换为电机转速—时间工况和电机转矩—时间工况，从而控制被测电机和测功机。转换过程中需要结合汽车相关参数，平台提供参数设定界面，由学生设定汽车质量、车轮半径、迎风面积等参数，促进学生综合运用所学知识。

最高车速和爬坡能力实验中，将给定车速转换为被测电机的转速和负载的转矩，转速值控制被测电机，转矩值控制测功机，从而模拟电动汽车的性能状态。加速时间实验中，给定车速转换为被测电机的转速值控制被测电机，汽车静止时的初始转矩值发送给测功机并实时控制测功机转矩，当被测电机达到给定车速时停止控制。

为满足测试需求，教学实验平台的各部分设备应具备相应的性能指标。被测电机选用永磁同步电机，额定功率30 kw，额定转速3000 r/min，最高转速8000 r/min；测功机采用电力测功机，额定功率30 kw，额定转矩120 Nm，最大转矩200 Nm，额定转速3000 r/min，最高转速8000 r/min；转速转矩传感器采用光电编码器和扭矩传感器，转矩测量范围>250 Nm，转速测量范围>8000 rpm；电压和电流传感器采用霍尔效应传感器，电压测量范围>500 V，电流测量范围>250 A；温度传感器采用热电偶，温度测量范围0～200 ℃；测控设备采用工控机[5]，数据采集系统的采样率>100 kHz，精度与转速转矩传感器匹配，采用直接转矩控制方式控制被测电机和测功机。

6 结束语

教学实验设备是培养学生实践能力的硬件基础，设计开发符合教学需求的实验设备尤为重要。电动汽车电机驱动系统教学实验平台的设计从教学实验需求出发，分析适合开设的实验和所需测试项目，规划总体设计方案，对电动汽车驱动技术相关课程的建设起到促进作用，为学生实践能力和创新能力的培养提供物质基础。

参考文献

[1]沈鸿星.新能源汽车电子专业课程体系建设[J].中国职业技术教育，2013（32）：45-50.

[2]周惠芳，蒋燕，罗胜华.基于校企合作的电机与电器专业实训基地建设研究与实践[J].中国教育技术装备，2015（18）：169-171.

[3]孔蓉.改进机构实验设备培养学生创新实践能力[J].中国教育技术装备，2012（33）：31-32.

[4]孙善辉.电动汽车电机驱动特性评价试验台架的设计与开发[D].天津：天津大学，2005：12.

[5]张冠哲，宋大为.新能源汽车试验台测控系统研发[J].机械设计与制造，2014（11）：36-38.