电动汽车用PMSM最大电流测试的零转矩测试方法

马 凯 王 斌 黄 炘 高继东

（中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

电驱动系统是电动汽车的关键零部件。其中，逆变器输出电流能力测试的关键测试项是最大输出电流，通常是通过提高转矩给定指令的运行效率和完善转矩输出的方式，增加逆变器的输出电流。该方法虽简单易行，但随之带来的问题是转矩得到巨大提升，使测功机系统负荷较大，极端情况下可能导致测功机飞车或断轴，很容易造成设备损坏或事故发生。从测试安全和设备保护的角度出发，该文将在分析现有测试方法的理论依据基础上，研究并提出新的最大输出电流测试方法。新方法可以使电机逆变器在输出大电流的状态下，降低转矩，甚至可以降低到零，在充分保护测功机台架的基础上，最大程度做到安全测试的要求。该文将对现有的测试方法进行理论分析研究，基于理论层面证明新的测试方法的有效性与等价性。

1 永磁电机最大输入电流测试方法

1.1 永磁电机最大输入电流现有测试方法及其评价分析

按照GB/T 18488.2-2015 的测试要求，电驱动系统电机逆变器的最大输出电流需要达到技术文件要求的指标。一般而言，电机在一定转速下，逆变器的输出电流越大，永磁同步电机转矩越大，往往输出电流达到最大时，转矩也到了最大点，其计算如下。

式中：Te代表电磁转矩，Pn表示极对数，φd代表d轴磁链，Ld、Lq分别代表d轴、q轴电感值，id、iq分别代表d轴、q轴电流。

考虑到控制方法，一般情况下，基速以下采取最大转矩电流比控制[3]，基速以上采取最大功率电流比控制[5]。对于表贴式永磁同步电机，有Ld=Lq，对于内嵌式永磁同步电机，有Ld≠Lq。

现有的测试方法一般是按照电机控制的最大转矩电流比[1，4]曲线给定，电机在这种工况下能以最小的电流实现最大的转矩输出，显然这种方式不利于测试永磁电机最大输入电流，因为电机输出转矩较大。电机电流大小用表示，电机转矩电流比通过求取电磁转矩对电流的导数，即确定。该控制方式属于定子电流最优控制的一种，比较适合整车运行中的转矩输出，即以较小电流输出较大转矩的工况，但并不适合测试过程。但按照国标定义，测试过程并没有对输出转矩提出明确要求。因此增加电机转矩并无实际意义，反而使测功机系统负荷很大，甚至导致飞车事故，严重的发生安全隐患。

1.2 永磁电机最大输入电流测试新方法及其分析

考虑到在测试永磁电机最大输入电流的同时，尽量减小转矩，甚至为零的测试状态为最佳状态，该文提出了永磁电机最大输入电流测试新方法（后文简称“新方法”）。该测试方法能够使电机逆变器在输出最大电流时输出很小的转矩，测功机端承受较小的负载，理论上在试验过程中不会导致飞车事故。下面将讨论如何给定dq轴电流，才能实现上述测试过程。如式（1）所示，如果电机q轴电流控制为0，电机将不输出转矩，而此时若欲达到is最大值，只剩d轴电流可以控制。根据电压电流极限圆，欲达到电流输出极限，靠近电流极限圆，需要控制d轴电流，使id→is，同时考虑到电流状态点要落到电压极限圆内，d轴电流应给负值。

综上所述，电流给定方式控制如下。

电磁转矩Te=0。

2 新方法测试仿真及试验分析

2.1 仿真测试分析

经仿真测试分析，取电机的仿真参数表1，仿真电机模型将表贴式永磁电机作为控制对象。

表1 仿真电机参数表

仿真过程电机转速由测功机系统给定，电机控制在转矩模式。电机逆变器输出电流的极限能力设计值是50A 。在现有的测试方法下，电机逆变器能输出50A 电流，电机电流及电磁转矩值的仿真结果如图1。稳定后，逆变器输出电流为（id=40A，iq=-30A），电机转矩达到34.6N。

图1 仿真结果表明，在传统测试方法中，测试逆变器的最大输出电流，需要持续给逆变器加载荷，d轴和q轴电流会随着转矩最优控制曲线达到稳定值，分别是-30A 和40A，最大电流即为两轴电流平方和再开方，为50A，此时电机转矩大约35N·m。

同样的，在新方法测试下，电机逆变器仍然输出d轴电流-50A，q轴电流0A，电流，电机转矩稳定后为0。可见，通过2 个图的对比，发现电机逆变器在输出相同电流is的状态下，新方法输出转矩几乎为0。说明新方法在保证输出电流的情况下，保证输出转矩降低，对测试设备的安全运行有很好的效果，仿真结果如图2。

图2 新方法下的测试仿真波形

可以看出，在逆变器输出相同电流is的状态下，前者输出较大转矩，后者几乎没有转矩输出，仿真结果验证了该方法有效性。

2.2 台架试验测试分析

依托新能源测试平台，搭建了新能源电动汽车驱动电机系统测试平台[2，6]，见图3。结合试验对象的自身特性及参数，该款测试平台包括电池模拟器系统、永磁驱动电机系统、奥地利AVL 测功机系统、WT3000 功率分析仪数据采集系统、冷却装置，各部分通过机械连接方式和电气连接方式连接。

图3 测试验证

根据样品信息参数表，电机工作在额定电压下，确认电机永磁电机最大输入电流。根据现有测试方法，不断提高电机转矩给定值，使电机电流达到永磁电机最大输入电流。数据结果如表2 所示。

表2 传统测试方法下电机输出对应参数表

表3 新方法下测试电机输出对应参数表

结果表明，电机实际不输出转矩，测功机轴上几乎无功率传递，电机电流几乎全部用于产生焦耳热，但值得注意的是，测试过程中要求电机直轴电流不可超过去磁电流退磁点。

3 结语

针对驱动电机系统最大电流测试该文提出零转矩方式测试驱动电机系统最大电流的新方法，总结如下：1）该文提出电机永磁电机最大输入电流新的测试方法，与传统测试方法分析比较，理论分析结果表明新方法能够满足GB/T 18488.2-2015 的测试要求，同时比传统测试方法有明显的测试优势，能够保障电机测试的安全性，对测功机系统起到保护作用。2）搭建了新方法测试平台，通过仿真验证和台架试验结果，证明该方法具备可操作性。同时仿真和试验结果与理论分析结果一致，电机逆变器在输出大电流的情况下保证电机几乎无转矩输出。证明了该方法切实有效，能够应用于试验测试中，具备实际应用价值。3）后续工作需要考虑电机在直轴电流较大的情况下，可能会产生不可逆退磁现象，这就限制了直轴电流的上限值，研究人员需要研究不同类型电机的退磁点，将该保护值写进电机逆变器，防止试验过程中发生永磁体不可逆退磁现象。