（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车电机驱动特性评价试验台架的设计与开发.pdf

中文摘要 中文摘要 电动汽车电机及驱动系统性能评价试验台架建设是国家“十五”8 6 3 电动汽 车重大专项- x i ，电动汽车电机及其控制系统研究课题的一项重要内容和基本 要求，包括硬件平台建设和应用软件开发两部分。 电动汽车电机及驱动系统性能评价试验台架并不等同于传统的电机性能试 验平台，必须考虑电动汽车电机驱动系统测试项目的特点，特别是要实现对汽车 行驶道路工况的模拟。根据这样的设计思路，要求在平台硬件设计中，功率、转 矩的测量装置除满足静态特性的测试外，还必须满足动态特性测试的要求，测控 软件的开发必须考虑测功机转动惯量等动态特性因素的影响。 本文首先确定试验台包括测功机及控制系统、被测电机及控制器系统、计算 机控制和数据采集系统三个组成部分在内的整体设计思路。简要讨论了电动汽车 驱动系统效率测量的原理包括电机输入功率测量的难点以及解决的方法。接下 来，借助电动汽车仿真软件a d v i s o r ，设计了驱动系统在较宽转速、转矩范围 内稳态效率测试试验方案，以工况道路循环( d r i v ec y c l e ) 为基础的系统动态效 率测试试验方案、电池充放电效率试验方案以及动力性能试验等。在此基础之上 设计并实现了试验台的硬件平台。最后，重点论述了集测量、分析、控制、显示、 循环工况设置及参数设置为一体的测试、监控软件的设计与实现。 试验台架实现了模拟汽车行驶时作用在电机输出轴上的实际负载，再现诸如 起步、变速、制动等行驶过程，实现同道路试验相同或更为理想的电机运行工况 的模拟，技术水平达到了目前国内同行业先进水平。 关键词；电动汽车、试验台、交流测功机、a d v i s o r 、工况道路循环 a b s t r a c t a b s t r a c t d e v e l o p i n gat e s tb e n c hf u re v a l u a t i n gm o t o rd r i v ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) i so n eo fi m p o r t a n tt a s k so f r e s e a r c h i n go nm o t o ra n di t sd r i v es y s t e mo f x le l e c t r i cv e h i c l e ，w h i c hi so n eo f t h en a t i o n s8 6 3p r o j e c t s t h ed e v e l o p m e n to f t h e t e s tb e n c hi n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g n t h et e s tb e n c hf u re v a l u a t i n gm o o rd r i v ep e r f o r m a n c ei sd i f f e r e n tf r o m t r a d i f i o n a lm o t o rt e s tb e n c h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o t o rd r i v es y s t e mh a v et ob e c o n s i d e r e da sw e l la sd r i v ec o n d i t i o n so fe v a c c o r d i n g l y , p o w e ra n dt o r q u e m e a s u r e m e n tt o o l si nt h eh a r d w a r ed e s i g nm u s ts a t i s f yr e q u i r e m e n t so fn o to n l y s t e a d yp e r f o r m a n c et e s t sb u ta l s od y n a m i cp e r f o r m a n c et e s t s ：f o rt h es o f t w a r e ，f a c t o r s o f d y n a m i cp e r f o r m a n c es u c h 勰d y n a m o m e t e ri n e r t i ah a v et ob et a k e ni n t oa c c o u n t i nt h ef i r s tp l a c e ，t h i sp a p e ro u t l i n e st h eg e n e r a lc o n f i g u r a t i o no ft h et e s tb e n c h , w h i c hc o n s i s t so fd y n a m o m e t e rs y s t e m , m o t o rd r i v es y s t e mu n d e rt e s ta n dc o m p u t e r c o n t r o la n da c q u i s i t i o ns y s t e m t h e nt h ec o n c i s ed i s c u s s i o n se o n c t r a t eo f ft h e m e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fd r i v es y s t e mo fe va sw e l la sm e a s u r e m e n to b s t a c l e sa n d s o l u t i o n s i na d d i t i o n ，b ym e r n so fa d v i s o rs i m u l a t i o n , t h i sp a p e rp r o v i d e ss t e a d y s t a t et e s tm c n l o d so v e ra 、】l r i d cr a n g es p e e da n dt o r q u e a n dd y n a m i cs t a t et e s t st h a t c o m p r i s es y s t e me f f i c i e n c yt e s t sb a s e d o nd r i v ec y c l e s ，b a t t e r yc h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n ge f f i c i e n c yt e s t sa n dd y n a m i cp e r f o r m a n c et e s t s a c c o r d i n gt ot h e s e ， h a r d w a r ed e s i g ni sf u l f i l l e d a tl a s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h en u t sa n db o l t so fs p e c i f i c s o f t w a r ep r o g r a m m i n gf o r t h et e s tb e n c h t h i ss o f t w a r ei n t e g r a t e sf u n c t i o n so f m e a s u r e m e n t , a n a l y s i s ，c o n t r o l ，d i s p l a y , d r i v ec y c l e s e ta n dp a r a m e t e r ss e t t h i st e s tb e n c hc a ns i m u l a t el o a d so nm o t o rs h a l lw h e ne vi sd r i v i n go nt h er o a d a n dr e p r o d u c et h ep r o c e s so fs t a r t i n g ，s p e e dv a r y i n ga n db r a k i n g i tc a l la l s os i m u l a t e d r i v i n gc o n d i t i o n sl i k eo n - r o a dt e s t sa n di t i sm u c hm o r ei d e a lt o o lf o rm o t o rd r i v e p e r f o r m a n c et e s t s t h et e c h n o l o g yl e v e li n v o l v e di nt h i st e s tb e n c hh a sr e a c h e da n a d v a n c e dl e v e li nt h ef i e l do f e v m o m rt e s ti nc h i n a k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，t e s tb e n c h , a cd y n a m o m e t e r , a d v i s o r , d r i v ec y c l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：形碡桫矿 签字日期：矽# 年，月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞蠢茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 砑、耄坜 导师签名： 袭绍芸 签字日期：沙“年f 月影日签字日期：年( 月护日 第一章绪论 1 1 课题提出 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题研究的内容来源于国家科技部“十五8 6 3 电动汽车重大专项夏利 ( ) 也) 纯电动汽车电机及控制系统的研制”和“天津市科委h e v 混合动力电动 汽车电机及控制系统的研制”。 1 1 2 课题背景及意义 当前电动汽车开发与应用是各国政府、平民百姓关心的话题。电动汽车并不 是一种新型汽车，它比内燃机( 1 c e ) 汽车出现的要早。1 8 3 4 年，t h o m a s d a v e n p o r t 制造了世界上第一辆以电动机为动力的电动汽车而内燃机汽车在1 8 8 5 年才被德 国人k a r lb e n z 审l j 造出来。1 8 9 9 年，c a m i l l ej e n a t z y 驾驶的一辆名为“j a m a i s c o n t e n t e ”电动汽车车速超过了1 0 0k m h ，创造了当时人类历史车辆最快行驶速 度。电动汽车问世以后很快成为了一种便捷、舒适的交通运输工具，倍受人们的 青睐。但是，2 0 世纪3 0 年代以后随着内燃机汽车的快速发展，电动汽车却逐渐消 失在人们的视线以外。追溯当时电动汽车暂停发展的原因，还是归结于电动汽车 成本高以及自身的性能瓶颈速度慢、续驶里程有限和车载电池寿命短等因 素。2 0 世纪7 0 年代石油危机的爆发让人们又重新考虑开发电动汽车。到y 9 0 年代， 石油储备量进一步减少，汽油等化石燃料价格的增长以及大众日益关心的环境问 题推动了新型电动汽车的设计与开发。近些年来世界各国政府和主要汽车制造商 加快了电动汽车的研发步伐，在美国、日本、欧洲等发达国家，电动汽车已开始 进入实用化阶段。 t 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 5 1 1 6 】 电动汽车在结构上可以分为三大类：纯电动汽车( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ) 、混 合动力电动汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 、燃料电池电动汽车f c e v ( f u e l c e l le l e c t r i cv e h i e l e ) 。电动汽车的驱动系统是一个复杂的非线性系统，拓扑结构 如图1 - 1 、图1 2 、图1 3 、图1 - 4 、图1 5 所示1 7 1 8 1 1 9 1 1 1 0 】【1 1 】。驱动系统的作用就是将 能量存储系统输出的能量( 化学能、电能) 转换为机械能，推动车辆克服各种滚动 阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力，制动时将动能转换为电能回馈给能量存 第一章绪论 储系统【1 2 l 。虽然不同的电动汽车，其驱动系统的拓扑结构不尽相同，但是它们却 具有相似结构的电动机驱动系统。目前制约电动汽车发展的关键问题正是包括电 池在内的电机驱动系统所面l 临的问题。 图1 - 1 一种纯电动汽车驱动系统拓扑结构 图1 2 一种带有双向d c d c 变换器的纯电动汽车驱动系统拓扑结构 图l - 3 一种串联型混和动力电动汽车驱动系统拓扑结构 图l - 4 一种并联型混和动力电动汽车驱动系统拓扑结构 第一章绪论 图1 - 5 一种燃料电池电动汽车驱动系统拓扑结构 随着技术的发展，电动汽车行驶性能已经有了较大的改善，但是行驶里程短 的问题依然存在【3 】。虽然电动汽车有清洁、零排放等优点，但如果一次充电只能 行驶1 0 0 2 0 0 公里，那么公众也不会考虑购买电动汽车的。行驶里程短的问题不 解决，电动汽车势必会重蹈上世纪3 0 年代的覆辙。目前人们主要从提高驱动电机 及电机驱动器的效率、提高车载电池的性能等方面来改善电动汽车行驶里程短的 问题。 ( - - ) 电机 选用高比功率电机，对目前电池容量较小、续驶里程较短的电动汽车来讲尤 为重要，永磁同步机和感应电机为代表的交流电机在电动汽车中应用的比较广 泛。永磁同步电机是一种高性能的交流电机，具有体积小、重量轻、结构简单、 效率高、控制灵活的优点。感应电机结构简单、可靠性高，而且在矢量控制系统 中，它具有了类似于直流电机的优点，故较多地应用于电动汽车中。但感应电机 的效率比永磁同步电机低，而且对参数的变化较为敏感。为了提高感应电机的工 作效率，各种控制策略都是在矢量控制技术的基础上，结合效率最优控制算法， 来提高电机的功效的。【7 】【1 3 j ( 二) 电机驱动器 电动汽车车用电机的转速范围宽，行驶过程中频繁加、减速，以及电池组比 功率的限制，直接用电池组去驱动电机，会造成电机驱动性能的恶化。另外由于 车用电机具有较低的输入感抗，直接用电池组去驱动会导致电机电流出现较大的 纹波，带来很大的铁损和开关损耗，降低电机和逆变器效率。为了解决这些问题， 在电池组和逆变器之间加入了双向d c d c 变换器。双向d c d c 变换器可以将蓄电 池组或超级电容的电压稳定在一个相对较高的电压上，以明显提高电动机的驱动 性能。利用双向d c d c 变换器可以根据电机的转速来不断调整逆变器直流侧的输 入电压，从而减小电机电流波形的纹波。 1 4 1 1 5 1 为了进一步降低电机驱动器的电磁干扰、降低功率器件的开关损耗，提高逆 变器的效率，国外汽车制造商考虑用软开关逆变器代替目前流行的硬开关逆变器 以期改善电动汽车的驱动性能【1 6 1 。软开关逆变器就是在原有硬开关逆变器的基础 第一章绪论 上增加一套辅助设备，优化开关过程，减d x d u d t 和d i d t 的值。文献 1 6 1 0 ：系统分 析了几种软开关逆变器在电动汽车中的应用。 d c d c 和软开关技术可以提高驱动系统的性能但也增加了系统的复杂度和 测试难度。 ( - - ) 电池 电动汽车动力电池的性能是电动汽车发展的关键，研究高性能的电池是解决 续驶里程短的问题的根本方法。目前，电动汽车采用的各种动力电池主要有：铅 酸蓄电池( l a b ) 、镉镍蓄电池( c d - n i ) 、铁镍蓄电池( f e - n i ) 、金属氢化物镍 蓄电池( m h - n i ) 、锂离子蓄电池( l i i o n ) 、锌空气蓄电池、铝空气蓄电池、质 子交换膜燃料电池( p e m f c ) 、超级电容( s c ) 。但目前并没有哪一种电池能完 全满足动力电池要求，电池性能问题还有待解决。【1 7 】 总之，不管是电动汽车驱动系统拓扑结构的改善，比如采用d c ，d c 、软开关 代替硬开关逆变器，还是电动机控制算法的改进，或者采用高效的电机、电池， 都是围绕着提高电机驱动系统的效率展开的，因此如何精确测量电动机及驱动系 统的效率成为电动汽车设计人员关心的问题。 本文正是围绕测量电动汽车电动机及驱动系统的效率展开的，并以此评价电 动汽车电动机驱动系统的性能，设计开发带有电动汽车特色的电动机驱动系统性 能评价试验平台。 1 2 电动汽车电机驱动系统试验规范及存在问题 为了便于对电动汽车电机及其控制器进行评价和性能对比，我国制定了自己 的电动汽车电机驱动系统试验规范。如表1 1 所示为我国电动汽车电机及控制器 主要测试规范0 8 1 1 9 1 。 表1 1 电动汽车电机及控制器试验规范 试验内容 试验要求 动力蓄电池组供电或相当于动力蓄电池组电源供电，在额定电压条件 下，整个工作转速范围内( 每2 0 0 r ，m i n 一个测试点) ，电机的功率，转矩、 电机及控制器系统效率与电机转速的函数关系或曲线试验过程中检奁电 电机连续额定特性 机及控制器温升是否在文献6 e 1 8 1 的要求范围内测试电机及控制器特性 时，测试电机转速小于额定转速的恒转矩特性和大于额定转速的恒功翠特 性，整个电机及其控制器转矩- 转速特性曲线上的测量点在l o 点以上 按照电机连续额定特性相同的条件，测试确定电机及其控制器的整体 高效区试验效率大于等于8 5 的效率特性范围内，不同负载条件下的转矩与转速特性 区，不少于5 条等效率特性曲线。 在规定特性曲线上最大转矩处的转速至9 0 最高转速之间，任一转速对 牵引电机及其控制器容差 应的转矩应不小于规定值的9 5 第一章绪论 对于规定的最大过载转矩及其对应的转速与持续时间，最大过载功率 短时过载特性试验及其转速与持续时间，应经过至少2 次的试验加以验证同时测量温升，保 证试验结束时温升达到文献中1 1 8 的要求 最高工作转速试验试验在额定电压下，电机带负载运转所能达到的最高转速 电机在热状态下，能承受1 2 倍最高工作转速试验，持续时间为2 r a i n ， 超速试验 并能保证机械不发生有害变形 电机由原动机拖动，控制器接) k 1 2 5 e ，撷定电压值的电源或动力蓄电池 发电试验 组，在不同的转速下进行发电试验。 常规试验( 绝缘电阻试验、 常规试验是用来检验每一台正确安装的电机及其控制器能够承受规定 绝缘电阻检测、短时发热试的耐电压试验，并在机械和电气方面处于良好的工作状态 验、堵转特性、噪声测量，振 动试验、电机控制器的过载能 力、电机控制器的保护能力) 从表1 1 中可以看出，国内电动汽车电机及控制器测试规范采用了传统工业 电机测试标准，没有将电动汽车车用电机与传统电机区分开来，在该测试规范指 导下的试验结果并不能真正反映出车用电机的特性。电动汽车作为一种道路车 辆，工作条件恶劣，工作负荷与转速变化范围大，且变化剧烈，电机空间受到很 大限制，对电机及控制器的比功率和性能要求严格，对安全性和可靠性要求高， 所以电动汽车电机及控制器测试的一个前提条件应该是科学、准确、全面地反映 电动汽车的道路工况。规范中还存在以下要解决的问题： ( 1 ) 电机的连续额定特性测试、高效区试验等工作点应该考虑选取工况转 速、转矩值比较密集的工作区，这些点具有代表性。 ( 2 ) 上述试验规范不能反映电动汽车道路行驶时，整个驱动系统的动态性 能，恰恰驱动系统的性能、动态效率等是电动汽车设计人员关心的问题。动态效 率测试时还要考虑电机温度对效率的影响。 ( 3 ) 最高车速测试，0k m h - 5 0k m h 和5 0k m h 8 0k m h 加速性能测试， 完全放电行驶和4 0 放电行驶测试，4 和1 2 坡道速度测试，坡道起步能力测试 等各项测试指标，评价的是整车性能。在做整车性能试验以前，电机及控制器的 性能评价也要基于这些整车性能测试指标。电机测试试验如何来反映这些指标到 目前为止还没有一个行业标准。 c 4 ) 当前国内电动汽车试验用工况采用的是传统内燃机汽车工况，并不符 合实际电动汽车行驶工况 2 0 1 ，所以有必要制定出符合电动汽车行驶特点的城市、 郊区、高速公路工况。 ( 5 ) 电动汽车驱动系统性能是电动汽车发展的关键，所以驱动系统应该作 为一个整体考虑，不能隔离开来单独做某一部分的测试。在测试电机及控制器的 同时综合考虑电池、d c d c 等的影响因素，这样更能反映实际情况。 本课题以试验规范为蓝图，在此基础上，弥补试验规范中存在的不足，结合 第一章绪论 传统汽车发动机试验台架设计方法完成对试验台架的设计。 1 3 台架方案确定 1 3 1 驱动系统性能评价方式 电动汽车性能测试除了电动机试验台试验法以外还有：道路行驶试验和转毂 试验。脚】 道路行驶试验的优点是测试结果较准确。主要缺点是需要投入大量的入力、 时间和经费。电动汽车整车完成后都要进行整车的道路行驶试验来评价电动汽车 的整车性能和驱动系统的性能。 整车转毂试验台通过在实验室内进行仿真试验，替代道路行驶试验。转毅试 验台的主要优点是实车试验，试验结果接近整车的道路行驶试验法，投入相对较 少，便于进行汽车的研究开发。缺点是很难适用于大型电动汽车诸如客车等，尤 其是在进行电动汽车电机驱动系统参数匹配时需要反复拆装整车，极不方便。 上述方法适合整车试验，而试验台是开发电动汽车电机及驱动器理想的工 具。 在整个电动汽车开发过程中，这三种方法之间有承接关系，各自发挥自己的 优势，缺一不可。 1 3 2 试验台整体架构 如前述电动汽车驱动系统效率是评价驱动系统性能的主要参数。驱动系统效 率有两种。一是稳态效率：给定不同的转速、转矩，电动机稳定运行后测得的电 动机效率、逆变器效率、d c d c 效率以及驱动系统总效率。二是动态效率：电动 汽车行驶过程中测得的驱动系统各部分的效率。两种效率综合反映了电动汽车驱 动系统的驱动特性。阎 为了达到自动钡4 量驱动系统效率，完成性能评价，试验台至少包含三个组成 部分：测功机及其控制系统、被测电动机驱动系统和可控的数据采集系统。1 2 2 j 测功机与电机同轴连接，它的一个基本作用就是提供被测电机负载并且可控。数 据采集系统的作用就是测量电动汽车驱动系统输入输出点的功率，并计算出系统 的效率。 试验台另外一个功能就是能再现电动汽车道路行驶工况。测功机模拟汽车 行驶时作用在电机轴上的实际负载，同时被测电机按照设定工况转速运行。试验 时，测功机提供一个连续的动态负载，试验台数据采集系统实时地采集各个试验 6 第一章绪论 点数据，同时计算出系统效率达到评价驱动系统动态性能的目的。动态性能试验 可靠性的前提条件是选定合适的电动汽车行驶工况，并且需要个高精度的数据 采集系统。如图1 7 所示为试验台基本结构以及对应的电动汽车的仿真结构图。 图l - 7 电动汽车驱动系统性能评价试验台架结构及对应的电动汽车结构 1 4 本论文研究内容 第一章介绍了电动汽车驱动系统拓扑结构，驱动系统各环节的优化均反映在 系统效率指标上，分析了电动汽车电机驱动系统试验规范中存在的不足，围绕测 量动、稳态效率提出了搭建试验台的整体方案的构想。第二章介绍了电动汽车变 频调速驱动系统的结构以及如何准确测量驱动系统各部分的效率。第三章详细介 绍动、稳态试验设计内容以及试验台的设计与实现。第四章介绍试验台软件控制 平台的实现并详细说明了动、稳态试验控制软件设计原理。 1 5 本章小结 纯电动、混合动力、燃料电池电动汽车驱动系统拓扑结构虽然不同，但不同 车型的电机驱动系统都很相似，存在共性问题。试验台架就是基于电机驱动系统 搭建的，它是评价电机驱动系统性能的一种有效工具。动、稳试验勾画出驱动系 统的性能。可靠的试验数据评价逆变器拓扑结构优化、脉宽调制算法优化、控制 算法优化对整个驱动系统效率的影响，以及新型逆变器在电动汽车中的应用等。 第二章电动汽车车用变频驱动系统效率测量原理 第二章电动汽车车用变频驱动系统效率测量原理 2 1 引言 电动汽车驱动系统的性能直接关系到电动汽车的生命力，驱动系统设计在整 个电动汽车设计过程中起着举足轻重的作用。搭建试验台架目的就是要评价驱动 系统的性能。驱动系统性能评价要综合考虑稳态效率和动态效率，试验台数据采 集系统的精度是影响试验结果可靠与否的关键性因素。本章重点讨论如何精确测 量驱动系统的效率。在分析测量原理以前首先要了解被测对象电动汽车车用 变频调速系统。 2 2 电动汽车车用变频调速系统简介 数字化交流驱动系统( 感应电机驱动系统和永磁同步驱动系统) 在商业化电 动汽车中独占鳌头。鼠笼式感应电机是目前最常用的感应电机，基于i g b t 的 p w m 式变频调速控制应用广泛，动静态性能优良的矢量控制可与直流调速媲美。 正旋波永磁同步电机在电动汽车中应用广泛，它的基本调速方式也是基于i g b t 的p w m 变频调速，原理与感应电动机变频调速原理基本相同。 7 1 电 池 组 h 。邺一岛蹦 8 1 q 町 l ji， l i c 2 j l l _ ln 印0 2 。4 申邺审0 6rp 印嘴 二一ji 半桥双向i ) c d c 变换器逆变器 图2 - 1 电动汽车变频驱动系统 电动汽车变频驱动系统如图2 ，1 所示，主回路主要由电池组、d c d c 变换器 和逆变器组成；控制回路由d s p 、驱动电路和光电隔离电路组成【1 4 1 。与一般工业 调速系统不同，电动汽车的变频调速系统的能量由电池经d c d c 变换器提供。逆 变器包括三对i g b t ，每一对i g b t 提供给电动机一相的功率输入，功率器件i g b t 第二章电动汽车车用变频驱动系统效率测量原理 的触发p w m 脉冲由控制单元；d s p 事件管理器模块产生。 2 3 开关频率和谐波电流对电机的影响 交流传动系统中，直流电压经过p w m 控制的逆变器后，形成脉冲电压序列 作用于交流电机上。电机的漏电感和机械系统的惯性对于开关电压波形中的谐波 分量具有低通滤波作用。以p w m 控制方式运行引起的问题主要是电流畸变、逆 变器中的开关损耗、负载中的谐波损耗以及电机转矩的脉动。旧 开关频率的增加，一方面可使逆变器交流侧电流的畸变率减少，提高系统的 性能；但另一方面，开关次数的增加也将导致逆变器开关损耗的增大，而且功率 器件的开关次数受其允许开关的频率的限制。田1 p w m 控制方式下交流电机负载电流包括： a 期望的基波电流。 b 谐波电流：包括基波电流的n 次谐波项和与开关频率相关的高频电流项 两部分。 上述谐波电流增加了电机的铜耗，构成电机损耗的主要部分，从而影响了电 机效率，测量电机效率时不能忽略谐波电流的这部分影响。 最有效的p w m 脉宽调制技术就是减小逆变器的损耗的同时，使得负载电流 波形失真小从而减小电机铜耗和转矩脉动提高整个驱动系统的效率。电机效率这 个参数是对p w m 脉宽调算法的一个很好的评价指标，电动汽车电机驱动系统性 能评价也离不开这个指标。 2 4 调速系统效率测量 2 4 1 测试项目 下面表格列出了电动汽车驱动系统部分需要测试的项目。 表2 - i 调速系统测试内容 电机输出测量电机轴上输出转速、转矩、功率 电机输入的总功率、总功率因子；电机输入的基波总功率、功率因子： 电机输入测量即逆变器输出测量 电机输入的总的电压、电流有效值：电机输入基波电压、电流有效值 直流母线测量即逆变器输入测量直流母线电压、电流、功率 d c d c 输入测量即电池输出测量直流电压、电流、功率 效率测量d c d c 效率、逆变器效率、电机效率 第二章电动汽车车用变频驱动系统效率测量原理 电机输出测量：电机轴上输出的转速和转矩可以通过转矩转速传感器获得， 然后根据下式获得功率值：【1 s 1 = 訾( 2 - 1 ) 式中为电机的输出功率k w ，为电机轴上输出的转矩值n m ，札为 电机的转速输出值r p m 。 直流量的测量方法简单，可以用电压、电流表直接测得电压、电流值然后再 计算出功率值即可。记、分别为逆变器输出功率、d c d c 变换器 输出功率、电池输出功率。 电机稳定运行时系统各部分的效率求法如下： 钆= 丁- r m ( 2 2 ) 玎，= 挚 ( 2 3 ) 卵c = 罟 ( 2 4 ) 式中t i m 为电机效率，t i ，为逆变器效率，t i c 为d c d c 效率。系统总效率叩可 以用电机的输出功率匕除以电池的输出功率也可以将电机效率、逆变器 效率r j 、d c d c 效率t i 。乘在一起： t i = f r m = t i u 玎j 叩c ( 2 5 ) 电机输出量和系统直流量的测量方法实现起来很容易。电机是由p w m 驱动 的，因此整个驱动系统的测量难点落到电机的输入测量即逆变器输出测量上了。 2 4 2 两瓦特计测量逆变器输出功率原理陋l 电机是一个三相三线制系统，内部是星形连接。对于电机外部而言，可测量 是电机的线电压和相电流。在这样一个对称的三线制系统中，无需测量所有的线 电压和相电流计算每相的功率，最终获得总功率。 第二章电动汽车车用变频驱动系统效率测量原理 b b 图2 - 2 三瓦特计测量三线三相制系统的总功翠 图2 - 2 中将三个瓦特计a 、b 、c 接n - 相负载上，瓦特计的电压线圈一端 接每相的端子另一端接到图中的x 点。为了下面推导方便假设空间任意一点如 图2 - 2 所示的x 。x 点可以是三相负载端予a 、b 、c 中任意一个。n 为三相负 载的中点。三相负载z 。、z 。和z 。的平均功率分别为： ， p _ 等l l l 。i m ( 2 - 6 ) p a - 等l 旷i s d t ( 2 - 7 ) p c = 等l l lc nicdt(2-8) 式中“、“b 、l f “分别为三相相电压，i 、i 。、i c 分别为三相相电流，t 是电压信号基波的周期值。三相负载总功率为： p = 只+ b + 足 ( 2 9 ) 将式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 代x , ( 2 - 9 ) 得三相总功率为： p = 毛1 咄。i 。+ h b n i b + 钵c n c ) 出 q 一1 0 ) 由图中关系可得： u z t , s , = 口一“船 ( 2 1 1 ) 。 “8 = 且r 一“ w ( 2 一1 2 ) i c a , = 甜“一“删 ( 2 1 3 ) 将( 2 1 1 ) 、( 2 一1 2 ) 、( 2 1 3 ) 代a ( 2 - 1 0 ) 可得下式： 第二章电动汽车车用变频驱动系统效率测量原理 p = ；r 。+ u b x i a + u c x 屯) 西一亍1 r 甜。( i a + i a + f c ) 出( 2 - 1 4 ) 由基尔霍夫电流定律可得： i + + i c = 0 ( 2 1 5 ) 所以可得： p = 吾f 盯+ 甜蹦如+ “凹i c ) d r ( 2 1 6 ) 因为x 是空间中的任意一点，将a 点看成x 由式( 2 1 6 ) 可得： p 2 寺j ( “i a + u c a i c ) d t ( 2 1 7 ) 将b 点看成x 由式( 2 - 1 6 ) 可得： ，= 彳1 f i a + 甜。i c ) d t ( 2 1 8 ) 将c 点看成xe a 式( 2 1 6 ) 可得： p = 专- f ( “ c 嘭+ “嬲i b ) d t ( 2 - 1 9 ) 式中“、“翻、“m 、 。、”c 、u b c 分别为三相负载的线电压值，下标表 示所示两相之间的线电压。式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 是任意两个瓦特计读出 来的功率值的和，即三相负载的总功率。这就是两瓦特计测三相三线制系统输入 功率的原理。如果采用数字化仪表测量那么式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 离散化 分别为： p = 万1 二甜“( 七) i b ( k ) + 万1 ：“( 七) i c ( k ) ( 2 - 2 0 ) p = 万1 艺”( i ) + 万1 残。甜c e ( k ) i t ( k ) ( 2 - 2 1 ) p = 万1 “c ( 州一( 后) + 百1 二“”( 州e ( 七) ( 2 - 2 2 ) 式中”“( j ) 、u c a ( k ) 、甜( | ) 、u c b ( k ) 、j c ( 七) 、w ( 七) 分别为第女次线电 压采样值，i , 4 ( k ) 、i b ( k ) 、i c ( k ) 分别为第t 次相电流采样值，n 是g g 玉, 信号基波 一个周期内或者整周期倍数内的采样点数。 本课题采用了式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 两瓦特计的方法。 2 4 3 测量逆变器输出功率的方法 逆变器输出是p w m 电压波形，很复杂包括基波和高次谐波。谐波范围从几 h z 到几百个k h z ，一个完善的测量系统应该充分反映低频和高频信息，这样才 能全面、精确地评价p w m 控制算法以及驱动系统性能。 当前工业上还没有统一的标准采用哪种设备来测量逆变器输出p w m 第二章电动汽车车用变频驱动系统效率测量原理 功率酬。精确测量p w m 功率尤其是高载波频率的p w m 功率是测量领域研究的 热门课题刚。 p w m 波载波频率为5k h z 1 0k h z 左右，远远高于调制波频率( 0h z - 几百个 h z ) 。对于计算总的平均功率等量，见式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) ，计算周期 必须等于基波周期的整数倍，同时为了不丢失高频信息，采样频率要远远高于载 波频率。这就使得逆变器p w m 输出测量面临两个问题：精确测量基波周期和采 集足够的高频信息。用过零检测方法测量p w m 的周期值难度较大，因此基于过 零检测的商用瓦特计很难精确测量p w m 功率嘲。而万用表不能测量功率因数， 因此不能精确获得p w m 功率值。高性能的功率分析仪如p z 4 0 0 0 、p m 3 0 0 0 满足 上面提到的两个条件1 2 9 2 4 1 ，经过适当的设定( 在本论文中称这种设定为p w m 模 式) 可以完成对逆变器p w m 输出的测量，测量原理如图2 3 所示。功率分析仪 以一个较高的采样频率工作，采集高频信息，实时计算总的电压、电流、功率、 功率因数等值。同时滤波后获得低频信息，如频率值以及基波电压、电流、功率、 功率因数等。基波频率作为高频量计算时的同步信号提高了高频量计算的精度减 小了截断误差。本课题中功率分析仪采用的是p z 4 0 0 0 。 总的电压、电流、功 率、功率因数等值 输出频率 基波电压、电流、功 率、功率因数等值 图2 - 3 功率分析仪的p w m 测量模式 p z 4 0 0 0 基波频率值的测量采用了单独的过零检测电路其p w m 模式设定详 见本文的第三章。采用p w m 模式可以精确测量稳态时逆变器输出功率。对于动 态过程，由于变频调速，频率实时测量值不是稳定的，随电机频率变化而变化， 但只要在一个计算周期内保证采到一个基波周期，测量计算精度还是能保证的。 p z 4 0 0 0 一共有8 个通道，每个通道都有一个5 m s 的a d 转换器。这8 个 通道可同时完成交、直流量，电机转速、转矩的测量。交流测量通道外部可以接 成两瓦特计的形式测量电动机总的输入功率。利用功率分析仪这一个设备就可完 成表2 1 中所有测试项目。 2 5 本章小结 本章首先介绍了电动汽车变频驱动系统，简要分析了p w m 驱动方式对电机 第二章 电动汽车车用变频驱动系统效率测量原理 的影响，精确测量电机效率可以很好的评价p w m 脉宽调算法和系统性能。接下 来提出了驱动系统的测试项目以及两瓦特计测量电机输入功率的原理。最后基于 功率分析仪的p w m 测量模式解决了测量逆变器输出功率所面临的问题。 第三章试验台设计与开发 3 1 引言 第三章试验台设计与开发 电动汽车电机驱动系统性能评价试验台架搭建的目标就是要测量驱动系统 的稳态效率和动态效率。 在试验台架设计过程中利用电动汽车仿真软件a d v i s o r ，对该软件自带的 一些电动汽车车型进行仿真，得到一些诸如工况循环、电机及逆变器效率m a p 图等数据，为台架设计提供有利帮助。a d v i s o r 等仿真工具实现的是电动汽车 开发过程中的“软”仿真功能，而试验台架提供的是一种“硬”仿真工具，二者 在设计原理上有着相似之处，因此试验台开发过程中借鉴了a d v i s o r 中的方 法。 3 2 试验台测试项目 根据搭建台架的目的，将测试项目划分为两部分：驱动系统的稳态性能评价 和动态性能评价。 3 2 1 驱动系统稳态性能评价 驱动系统稳态性能划分为两部分：驱动系统各主要组成部分的性能评价以 及整个驱动系统的性能评价。 2 9 1 驱动系统包括电池、d c d c 变换器、逆变器和电机。稳态性能试验是指电 机在一定转速、转矩条件下稳定运行，测量驱动系统中d c d c 、逆变器、电机 的效率，并绘制d c d c 、逆变器、电机的转速转矩效率三维m a p 图 以及整个驱动系统的m a p 图供驱动系统设计人员参考。如图3 - 1 为a d v i s o r 仿真绘制的电机和逆变器的整体效率m a p 图。在做稳态效率试验之前，还要根 据被测电机参数将如图3 2 所示的电机的外特性曲线做出来或由电机厂家提供， 然后在电机的运行区域选取试验所需的转速、转矩操作点做m a p 图。如表3 1 为驱动系统各部分稳态测试项目。 在电机、逆变器效率变化比较大的区域，操作点应该选取多一些，防止丢掉 重要信息。在高功率区，从一个操作点到另一个操作点效率变化比较小，所以操 第三章试验台设计与开发 作点选取时每个转矩之间间隔1 0 n m 即可。对于轻负载区，效率变化较大，所以 操作点选取间隔为1 n m 。 2 2 1 这样以来，稳态试验后绘出的d c d c 、逆变器、电 机、以及驱动系统整体效率m a p 图信息就比较完整。典型的操作点选取如表3 - 2 所示，操作点选取时还要考虑逆变器额定功率限制、电机额定功率限制、最高转 速限制、测功机额定功率限制等因素。 表3 1 驱动系统各部分稳态测试项目 驱动系统组件描述测量内容试验操作条件 电池无输出电压、电流、功率 驱动电机 d c d c效率 输出电压、电流、功率 工作在给定转 逆变器效率、温度 输出电压、电流，功率 速、转矩条件下 电机效率、温度输出转速、转矩，机械功率、电机温度 名 邑 l i l t * 浆 选篷建 ：心眵形 n 2 1 3 0 04 0 0 0咖08 咖1 转速在p 1 ) 图3 17 5k w 电动汽车车用电机工作在1 、4 象限， 电机逆变器效率m a p 仿真图 电 机 转 矩 宇 电机转速( r p m ) 图3 - 2 转速、转矩操作点 区域 如 瑚 伽 。 伽 瑚 如 第三章试验台设计与开发 表3 - 2 稳态试验操作点选取 转矩( n m ) l2345 6 78 91 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 08 0 9 01 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 巨 2 0 0 0 e v3 0 0 0 捆 4 0 0 0 埤 5 0 0 0 6 0 0 0无 7 0 0 0 无无 8 0 0 0无无无无无无无无无无无无无无无无无无无 表中表示测量数据，“无”表示由于限制条件等不能测量的数据 由于稳态效率试验操作点多，如果将所有的操作点都做出来，试验耗费的时 间将很长。为了解决这个问题可省略某些操作点，省略的原则是试验结束后利用 已测量、计算的效率值通过线性插值求出省略操作点处的效率值。试验结束后， 将计算的d c d c 、逆变器、电机效率值添加到表3 2 中对应的转速、转矩位置 上，剩余的空白处就是需要线性插值的点。线性插值分两步：首先利用空白处左 右两端附近的效率值，插值每一行的空白处。接下来就是利用试验计算的效率值 和第一步完成的插值效率值将剩余的空白处添满，方法是利用剩余空白处上下的 效率值线性插值。 线性插值完成后，将所有的数据输入到m a t l a b 中，利用c o n t o u r 命令做出相 应的效率m a p 图即可。 3 2 2 驱动系统动态性能评价 驱动系统的稳态性能试验采用的方法与传统电机性能试验采用的方法相似， 但稳态试验并不能完全反映电动汽车车用电机驱动系统的性能，还要综合考虑动 态试验的影响。驱动系统的动态性能试验反映电动汽车行驶过程中整个驱动系统 表现出来的特性。传统上，动态性能试验都是在整