电动轮性能测试方案的设计与实现

韩福江，冀明路，蒋 众，徐海东，张洪涛

(北京航天发射技术研究所，北京 100076)

1 引 言

当前，国内外电动汽车产业飞速发展，作为电动汽车关键技术之一的电力驱动系统出现了许多实现途径。根据驱动方式不同，可以将电动汽车分为集中式电机驱动与分布式电机驱动。集中式电机驱动的电动汽车是通过电机驱动传动机构，将动力传递至车轮驱动汽车；分布式电机驱动，也就是轮毂电机驱动，则将电动机直接安装在轮辋内来驱动汽车运动，动力直接通过电动机传递至车轮驱动车辆[1]。

电动轮是将轮毂电机直接安装在轮辋内来驱动汽车运动，集成了驱动、制动、测速和悬架导向承载等多项功能，是电动汽车的关键部件，这与传统汽车动力传动系统性能测试有很大不同。本文参照《电动汽车用驱动电机系统 第2部分：试验方法》(GB/T 18488.2-2015)的要求设计电动轮性能测试方法以及实施方案，通过设计专门的数据测试分析软件，完成了某型电动汽车电动轮的性能测试及数据读取，验证了本测试方案的可行性。

2 电动轮

电动轮是电动汽车最为核心的部件之一。按照电机驱动形式结构进行分类，可将电动轮分为轮毂电机式电动轮和轮边电机式电动轮。轮毂电机式电动汽车是将动力驱动电机安装在车辆车轮轮毂当中，驱动电机输出的动力直接传递至车轮来驱动车辆行驶。轮边电机式电动汽车则是在车辆副车架的位置将驱动电机固定，电机不再集成在轮毂当中，通过电机输出轴直接或间接驱动车辆行驶[2]。

本文介绍的电动轮性能测试对象主要是轮毂电机式电动轮，轮毂电机的主要结构如图1所示。

图1 轮毂电机结构

轮毂电机式电动轮是电动汽车零部件的关键核心部件，是将电机系统、刹车系统、悬挂系统集于一体的独特结构，可采用PWM控制和交流变频控制，具有效率高、重量轻、寿命长、噪声低、匹配强、结构简单、组装容易、功能齐全、独立悬挂、安全可靠的特点，不用车桥、变速箱等机械部件，而是直接悬挂在车身上安装轮胎，传动消耗等于零，转动效率可达百分之百，与传统的电机传动轴-变速箱-差速器-车桥等电动汽车机械传动系统相比有质的变化，因而整体结构、驱动性能、综合效率及续驶里程优于其他形式的驱动结构，可配置成两轮驱动或四轮驱动，是电动汽车驱动系统的首选。可与任何型号的汽车相匹配，组成电油混合动力汽车。轮毂电机驱动式电动轮是未来电动汽车驱动形式的发展方向[3]。

3 测试方案设计

电动轮性能测试方案如图2所示。

图2 电动轮性能测试方案

被测试的电动轮通过工装支架固定于测试台架上，通过转接盘、联轴器与加载电机进行机械连接。电动轮与加载电机间布置转矩/转速测量仪，用于试验载荷和转速测量。被试电动轮与被试电机控制器通过高压交流线和控制线相连，并接入水冷设备。通过高压大功率直流电源向被试电机控制器提供高压直流电能，通过低压直流电源提供低压电能，通过计算机连接CAN卡提供控制信号以及记录数据，并在被试电机控制器输入、输出端接入功率分析仪，对输入输出功率进行监测[4]。加载电机通过加载控制设备控制模拟电动轮负载工况。

3.1 测试台架

测试台架主要由加载电机、加载电机控制器、加载电机控制计算机、供电电源以及其它辅助设备组成，可根据电动轮动力总成性能测试要求，通过加载电机控制计算机发送控制指令，控制加载电机的扭矩、转速等参数，来模拟空气阻力、滚动阻力和加速阻力等。本方案中选用的加载电机为ABB旗下的BALDOR电机，具体参数如表1所示。

表1 电机基本参数

3.2 测控系统

测控系统主要由测控计算机、功率分析仪以及各类传感器组成，具体架构如图3所示。

图3 测控系统架构

测控计算机通过控制软件对电动轮动力总成进行测试工况控制，同时通过传感器对转速、扭矩、电流、电压以及温度等参数进行全过程的实时监控、故障预警以及记录测试数据，利用功率分析仪对动力总成的效能等指标进行分析。测控软件主界面如图4所示。

图4 测控软件主界面

3.3 其它设备

其它设备主要有支架工装、水冷设备、传动轴、联轴器等。其中，支架工装用来支撑固定电动轮动力总成，水冷设备用来给电动轮工作时散热，传动轴、联轴器用来连接电动轮和加载电机。

4 测试过程与分析

本测试主要依据《电动汽车用驱动电机系统 第2部分：试验方法》(GB/T 18488.2-2015)要求，针对某型电动轮的主要性能进行测试。常规检查测试如外观检查、绝缘电阻及空转、空载等测试不作赘述。测试现场布置如图5所示。

图5 电动轮性能测试台架布置图

被试电动轮主要技术指标如表2所示。

表2 电动轮主要技术参数

4.1 工作电压范围

依据GB/T 18488.2-2015中的7.1要求，将电机系统的直流母线电压分别设定在最高工作电压处(670VDC、700VDC)和最低工作电压处(320VDC、450VDC)，在不同工作电压下分别测试不同工作转速下的工作转矩，转速-转矩特性曲线如图6所示。

(a)320V电压下转速-转矩特性曲线

从图6可以看出，电动轮在最高工作电压700V下，可按最大转矩15000N·m左右输出，而在下限电压320V下，实际扭矩输出为在3100N·m左右。

4.2 转矩-转速特性

依据GB/T 18488.2-2015中7.2要求，测试方法如下：

(1)直流电源设置输出电压为600±20DCV(轮毂电机额定电压)。

(2)进行转矩-转速特性试验前，轮毂电机应进行冷却。冷却要求：轮毂电机入水口温度不超过60℃，轮毂电机绕组温度、轴承温度、控制器温度不超过100℃。

(3)测控计算机设定试验转速、扭矩值，在整个外特性范围内，逐点测量电动轮及控制器效率，绘制效率MAP图，并记录电机控制器直流母线电压和电流，轮毂电机电压、电流、直流电功率、电动轮输入电功率，电动轮输出转矩、机械功率。

测试扭矩-转速曲线如图7所示。

图7 电动轮输出转速-扭矩曲线

4.3 效率分析

电动轮的效率特性是整车厂选择电机和整车控制系统开发的关键参数，验证电动车辆及其驱动、控制装置的开发和测试设计的正确性，评估其性能指标是否满足设计要求。效率参数主要包括电机效率、电机控制器效率和电机系统效率等。

电机MAP图(又叫等高线图、云图)是电机测试时生成的一种数据曲线图，主要反映在不同转速、扭矩下的电机效率分布情况[5]。根据图7转矩-转速特性试验数据，在整个外特性范围内的转速、扭矩、电动轮效率，绘制出电动轮的效率MAP图，如图8所示。

图8 电动轮效率MAP图

从MAP图中可以看出，额定电压下，当电动轮加载电机端处于250rpm/6000N·m区域，驱动系统的效率最高；高效区(效率在85%以上)加载电机端转速范围在150rpm～450rpm范围内。

4.4 堵转转矩

依据GB/T 18488.2-2015中7.2要求，测试方法如下：

(1)电动轮与扭矩仪连接后，连接至堵转工装。

(2)测试开始前记录室温、冷却液温度、流量，试验过程中对冷却液出水温度进行监测记录。

(3)测试前轮毂电机应进行冷却，冷却要求：轮毂电机入水口温度不超过60℃，轮毂电机绕组温度、轴承温度、控制器温度100℃。

(4)直流电源设置输出电压为600V±20V(轮毂电机额定电压)，通过电机控制器设定轮毂电机输出扭矩为堵转转矩1400N·m，堵转时间5s；轮毂电机冷却达到(3)要求时，施加反向堵转转矩1400N·m，堵转时间5s。

(5)改变轮毂电机定子和转子的相对位置(旋转外行星轮架对应圈数)，分别重复以上试验。每次重复试验前，宜将轮毂电机进行冷却，冷却要求同(3)，每次堵转时间应相同，取5次测量结果中堵转电流最小值作为驱动电机的堵转电流值。

当电动轮发生堵转时，电机控制器可按设定的时间进行保护。故障消除后，控制器和电动轮应能正常使用，无任何异常现象。堵转测试数据如表3所示。

表3 堵转测试数据

4.5 持续转矩及持续功率

依据GB/T 18488.2-2015中7.2.5.1，7.2.5.2要求，测试方法如下：

(1)开始前对室温、冷却液温度、流量进行记录，试验过程中对冷却液出水温度进行监测记录。

(2)直流电源设置输出电压为600V±20V(轮毂电机额定电压)，加载单元将转速逐步提升至132rpm，驱动电机设定为转矩控制模式，将电机输出转矩设定为450N·m，保持电机持续运行1h，每隔10min记录一次转速和转矩、电流、电压、轮毂电机绕组温度、轴承温度、控制器温度、入水温度、出水温度等相关参数。

(3)依据测试获得的持续转矩与相应的工作转速，按Pm=T*n/9550，计算出电动轮输出功率Pm，单位kW。

额定电压持续转矩功率工况下电动轮输出扭矩和转速曲线如图9所示，可以看出，额定电压600V下，电动轮能按额定转速与扭矩工作，电动轮运转过程中无异常温升与振动，电机及控制器无报警。

图9 电动轮输出扭矩和转速曲线

4.6 峰值转矩与峰值功率

依据GB/T 18488.2-2015中7.2.5.3，7.2.5.4要求，测试方法如下：

(1)开始前对室温、冷却液温度、流量进行记录，试验过程中对冷却液出水温度进行监测记录。

(2)将直流电源设置输出电压为600V±20V(轮毂电机额定电压)，轮毂电机空载运行，加载单元转速控制到84rpm，即轮毂电机转速为953rpm。运行无异常后，维持转速不变。轮毂电机扭矩在10s内平稳加载到1400N·m。

(3)维持轮毂电机输出953rpm，1400N·m，持续运行30s，记录转速和转矩、电流、电压、电机温度、水温等相关参数，电机温度需记录试验结束后，电机温度传感器在10min内所到达的最高温度。

(4)依据测试获得的持续转矩与相应的工作转速，按Pm=T*n/9550，计算出电动轮输出功率Pm，单位kW。

额定电压峰值功率转矩下转速扭矩曲线如图10所示。可以看出，在额定电压600V下，电动轮能按峰值转速与扭矩要求持续运转，运转过程中无异常振动，电机及控制器无报警。

图10 额定电压峰值功率转矩下转速扭矩曲线

5 结 论

基于《电动汽车用驱动电机系统 第2部分：试验方法》(GB/T 18488.2-2015)中的技术要求，设计了详细的测试方法，针对电动轮以下主要性能指标开展了测试工作：(1)工作电压范围测试；(2)电动轮功率特性测试，包括持续转矩及持续功率、峰值转矩与峰值功率、转矩-转速特性试验、堵转转矩以及效率分析等。结果表明，本测试方案是可行的。