09-电动车辆电驱动系统参数测试

电动汽车电驱动系统理论与设计,王志福wangzhif第九章电动车辆电驱动系统参数测试,驱动系统测试基础电压和电流测量电功率功率计算电机转速与转矩测试电机直流电阻电机噪声系统性能测试驱动系统自动测试系统,图1.电传动驱动系统测试台架示意图1.测功机及电源柜控制平台；2.测功机控制电源柜；3.信号采集柜；4.被测电机控制单元；5.被测电机整流/逆变电源柜；6.平台；7.被测试电机；8.柔性联轴器；9.转矩传感器；10.测功机；11.转速传感器,驱动系统测试基础,谐波分析,由于电力电子变流技术中电机调速与控制系统中的广泛应用，电力电子变流装置产生的电压、电流高次谐波将使供电系统的电压和电流波形发生畸变，因此要对非正弦的电压、电流等进行谐波分析,驱动系统测试基础,谐波表示法,所谓谐波分析是指利用傅里叶技术将非正弦周期变化的电压、电流、磁动势等分解成为一系列不同频率的正弦量之和，然后对各频率正弦量单独作用的情况进行分析计算，最后应用叠加原理把所得的结果叠加起来，以便对驱动系统性能做出评价。一般来说，任何周期波形都可以被展开为傅里叶级数，即其中，第一项a0称为f(x)的恒定分量；第二项中，n=1时称为f(x)的基波分量，n1时称为相应次数的谐波分量，统称为高次谐波。系数a0、an和bn按照以下公式计算：,=0+=1cos+sin,0=12,=1,=1,驱动系统测试基础,驱动系统谐波特性,1.对称性由于旋转电机的结构对称性，电机中的周期函数通常也具有对称性。2.相序性在一个平衡的三相系统中，但频率谐波分量只能是完全正序的，或完全负序的，或者完全零序。3.独立性平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，即，对各次谐波分别建立等效电路并求解电流和电压，然后将各个谐波分量相加即得到总的响应。,电压和电流测量,电压与电流的有效值,根据有效值的一般公式定义：电压有效值如下式表示：电流有效值如下式表示：,2=102=12=12=12,=12,=12,电压和电流测量,电压与电流的有效值,如果交交流电压u（或者电流i）在一个周期T内分成间隔为t的N个子区间，当t足够小时，积分运算就可以准确地用下式中的求和运算来代替,=1=12,=1=12,电压和电流测量,电压与电流的畸变因数,电压畸变因数也称为电压总谐波畸变率THDV：电流畸变因数CDF，也称为电流总谐波畸变率THDI：从而电压和电流有效值可以表示为:,=11=22=121,=11=22=121,=12=11+2,=12=11+2,电功率计算,为了进行系统和部件的性能测试，在此要对三个功率进行计算，包括驱动系统输入功率（也正是驱动电机控制系统输入功率和车载能源供给功率），这部分功率作为系统总的能量来源，用Pisys表示；驱动电机控制系统输出功率（驱动调速电机输入功率），这部分功率作为驱动系统内部的功率交换，用Potra（或者Pimtr）表示；驱动系统输出功率（也正是驱动电机输出功率和车辆驱动功率），用Posys表示。由于驱动电机控制系统的输出为非正弦的信号，所以对于Potra（或者Pimtr）的测量必须采用对非正弦信号的计算方法。,=,=9549,=10=12=1(=1(,=12=1(=1(,电功率计算,（一）视在功率：（二）功率因数：,基频的视在功率,=122=111+21+2=11+21+2,=11+21+2=,电机转速与转矩测试,电机转速测试,（一）光电转速法：光电转速测量根据光电转速传感器的不同，可以分为投射式和反射式两种。投射式光电传感器原理示意图如图所示。一种反射式转速传感器的原理示意图如图,电机转速与转矩测试,电机转矩测试,（一）测功机法测功机时根据力的平衡原理设计的。目前常用的测功机有电涡流测功机、磁粉测功机和电力测功机等。电力测功机的定子受到转矩作用后，可以偏转一定的角度，用杠杆装置对电子施加平衡力矩，并由测力计指示轴上转矩的大小。（二）转速转矩仪法1.相位差式转速转矩仪：相位差式转速转矩仪的基本原理是：通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比,电机转速与转矩测试,电机转矩测试,2.应变片式转速转矩仪该转矩传感器的检测敏感元件是电阻应变桥。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上以组成应变电桥，只要向应变电桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号，然后将该应变信号放大，再经过压频转换变成与扭应变成正比的频率信号。,电机直流电阻测试,伏安法,采用直流恒流源测量微小电阻，其测量思路是：由直流恒流源电流通过小电阻，在电阻上产生压降，该电压信号反映电阻值，并经信号调理后进行信号采集以计算得到电阻值。如果直流恒流源的电流较小，对于微电阻的测量，信号电压会淹没在噪声中而无法提取，所以恒流源的电流值要足够大。接着进行信号调理中的信号放大和信号滤波处理等抗干扰设计，然后进行信号采集和A/D转换，最后输出测量结果,图3.5恒流源测量小电阻框图,电机直流电阻测试,电桥法,电桥是用比较法测量物理量的电磁学基本测量仪器，电桥的种类很多，测量中等阻值（10106欧姆）的电阻要用惠斯登单臂电桥进行测量；若要测量更大阻值的电阻，一般采用高电阻电桥或兆欧表；而要测量阻值较小的电阻，一般采用双臂电桥（开尔文电桥）。惠斯登电桥的线路原理最简单、最常用的直流电桥的电路原理如图9-13所示。把四个电阻R1、R2、R0和Rx联成四边形，每一边叫做电桥的臂。在四边形的一对角A和C之间接上直流电源E，在另一对角B、D之间联接检流计，所谓“桥”即指对角线BD，它的作用是把B和D两端点用检流计联接起来，直接比较这两点电位的高低。,电机直流电阻测试,电桥法,2电桥的灵敏度电桥灵敏度的定义为：电桥的灵敏度等于检流计灵敏度si=ng与线路灵敏度SL=DIgRx/DRx的乘积S=SiSL在电桥偏离平衡时，应用基尔霍夫定律，可以推出电桥的灵敏度为S=,s=nR0R0,电机直流电阻测试,凯尔文直流双臂电桥,图中Rx为待测电阻,标准电阻Rs、R1、R2、R3、R4为比例臂电阻,r、r1、r2、r3、r4为导线附加电阻。当r1R1、r2R2、r3R3、r4R4时,如果电桥满足条件:R1/R2=R3/R4=k,并在测量过程中保持不变，则式(2)中第2项为零,有,电机噪声,电机系统噪声的组成,（一）电磁噪声电磁噪声是电动汽车噪声的主要成份。它通过磁轭向外传播。气隙磁波作用在定子铁心齿上。产生径向和切向磁力两个分量,使定子铁心产生的振动变形的径向分量是电磁噪声的主要来源,使齿根部弯曲产生局部变形的切向分量是电磁噪声的次要来源。当径向电磁力波与定子的固有频率接近时,就会引起共振,使振动与噪声大大增强.产生电磁噪声的其他原因有:1)铁心饱和的影响。2)开口槽的影响。3)磁通振荡噪声。4)气隙动态偏心。,电机噪声,电机系统噪声的组成,（二）机械噪声机械噪声主要是指电机运转时产生的轴承噪声,转子系统不平衡力产生的振动及噪声。（三）空气动力噪声电机的空气动力噪声有涡流噪声和笛鸣噪声两种。涡流噪声主要是由转子和风扇引起冷却空气湍流在旋转表面交替出现涡流引起的,其频谱范围较广。笛鸣噪声是通过压缩空气,或空气在固定障碍物上擦过而产生的,即“口哨效应”。,电机噪声,噪声测量技术进展,（一）声强测量法由声学原理可知，单位时间内通过垂直于声传播方向上面积的平均声能称为平均声能流量或称为平均声功率。通过垂直于声传播方向单位面积上的平均声能流量，就称为平均声能流量密度或声强。瞬时声强是瞬时声压及瞬时质点速度的乘积，所以声强测量法就是通过同时测量出这两个瞬时量，然后进行相乘得到.（二）声全息测量法声全息是指用二维面上测得的声压信息来计算三维空间的声场特征。传统的声全息是在远场进行测量的，由于测量信号漏掉了衰减波分量，致使分辨率不高。近场声全息能够捕获近场衰减波分量，分辨率比传统的声全息高。声全息能够用于重建三维空间的声压场、振速场、声强矢量场，能够预测声源的辐射声功率及远场指向性，分离与识别具有相干特性的多噪声源，还有助于对结构振动和噪声的有效控制。,电机噪声,噪声测量技术进展,（三）声阵列测量法所谓传声器阵列就是由多个在空间确定位置上排列的一组传声器，由这个阵列测量出空间中的声场信号，经过特殊的数据处理，就可以得到更多的有关声源的信息。基于传声器阵列的噪声测试可用于具有嘈杂背景的环境，进行稳态声源、非稳态声源和运动声源的分析。与传统的阵列信号处理相比，主要有以下几种不同：(1)传统的阵列信号处理一般是有一个调制载波的窄带信号，而阵列传声器处理的信号没有载波，是一个多频宽带信号；(2)传统的阵列处理技术一般处理的信号为平稳或准平稳信号，而传声器阵列处理的信号通常为非平稳信号；(3)传统的阵列处理一般采用远场模型，而传声器阵列处理要根据不同的情况选择远场模型或者近场模型；(4)在传统的阵列处理中，噪声一般为高斯噪声(包括白、色噪声)，与信源无关。在传声器阵列处理中噪声既有高斯噪声，也有非高斯噪声，这些噪声可能和信源无关，也有可能相关。,电机噪声,电动汽车驱动电机系统噪声评价指标体系,首先要明确测量和评价的目的、噪声评价量的适用范围及特点。同时结合噪声的特性进行噪声评价量，只有这样才能比较客观、准确地评价噪声的影响。在进行电动汽车驱动电机噪声的测量和评价时，对电动汽车驱动电机噪声评价用传统声功率、A计权声功率级、1/1倍频程或1/3倍频程来分析。评价相同型号或相同类型的驱动电机噪声时，比较其相同参数数值即可。为了比较不同类型、不同质量和体积的驱动电机，本文提出采用包括功率声功率比、质量声功率比、体积声功率比及综合评价指标当量声功率比等评价指标体系来进行评价。,电机噪声,电动汽车驱动电机系统噪声评价指标体系,（一）功率声功率比功率声功率比表征单位驱动电机功率的声功率(SoundPowerPerPower)，用SPp表示，为无因次量，即其功率声功率比的数值越大，表征该驱动电机功率噪声密度越大。（二）质量声功率比质量声功率比表征单位质量的声功率(SoundPowerPerMass)，用SPm表示，单位其质量声功率比的数值越大，表征该驱动电机质量噪声密度越大。（三）体积声功率比体积声功率比表征单位体积的声功率(SoundPowerPerVolume)，用SPv表示，单位其体积声功率比数值越大，表征该驱动电机体积噪声密度越大。,电机噪声,电动汽车驱动电机系统噪声评价指标体系,（四）当量声功率比以上各个指标分别表征从体积、质量和功率方面进行驱动电机噪声的评价，为了全面比较，引入综合评价指标，即当量声功率比（EquivalenSoundPower），用SPe表示,其当量声功率比SPe数值越大，表征该驱动电机当量声功率噪声密度越大。,系统性能测试,电机连续额定特性试验,该测试主要为了验证和测量驱动系统的额定转速及以下的恒额定转矩特性和额定转速及以上的恒额定功率特性，被测试牵引电机及其控制器采用与实际车辆上相同的冷却方式，为控制器施加额定电压，为牵引电机施加额定电压和额定电流，并施加额定负载。牵引电机在额定转速和额定转矩条件下连续运行，达到热平衡后从事连续工作特性曲线的测试。,系统性能测试,电机连续额定特性试验,该测试主要为了验证和测量驱动系统的额定转速及以下的恒额定转矩特性和额定转速及以上的恒额定功率特性，被测试牵引电机及其控制器采用与实际车辆上相同的冷却方式，为控制器施加额定电压，为牵引电机施加额定电压和额定电流，并施加额定负载。牵引电机在额定转速和额定转矩条件下连续运行，达到热平衡后从事连续工作特性曲线的测试。,系统性能测试,高效区测试,驱动系统达到热平衡后，测试确定电机及其控制器的整体效率大于等于80%的效率特性范围区域。并拟合整体效率MAP图，整体效率MAP图不少于5条等效率特性曲线,系统性能测试,驱动调速电机温度和温升测量,电机某一发热部件的温度与冷却介质温度之差称之为该部件的温升。当电机达到热稳定状态时，电机的温度将不再增加，这时损耗产生的热量将全部散发到冷却介质中，电机的温升也将会稳定在一定的数值上。电机在额定状态下长期运行而达到热稳定时，电机各部分温升的允许温度限值称之为温升限值。电机绕组的温升限值主要取决于电机绝缘结构所能允许的极限温度和冷却介质温度，其关系为：温升限值=极限温度-最高冷却介质温度-热点裕度目前对于电机温升的测量主要有四种方法，即电阻法、检温计法和温度计法。,系统性能测试,驱动调速电机温度和温升测量,（一）电阻法电机温升所遵循的热平衡方程：电机冷却所遵循的热平衡方程：,系统性能测试,驱动调速电机温度和温升测量,（一）电阻法金属导体的电阻与其本身的温度基本保持线性比例关系：可以得到电机冷却过程温度变化方程在电机冷却初时刻t0=0时，设定牵引电机绕组温度为T0，对于的导体电阻值为R0，则由,系统性能测试,驱动调速电机温度和温升测量,（二）检温计法：1.热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，图9-43是一种热电偶的结构型式。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应,热电偶就是利用这一效应来工作的。,系统性能测试,驱动调速电机温度和温升测量,（二）