车用电机效率测试方法研究_周雅夫
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目前， 鲜有文章对这方面的问题进行专门研究
并提出一个合理的方案和建议， 本文正是基于车用 电机的应用特点， 提出了从台架循环工况试验测试 的角度出发， 通过大功率测功机试验台架来模拟车 用电机及其控制器的实际情况下的运行工况的方 法， 所用循环工况是课题组在大连市新能源汽车实 车运行数据的基础上构建的， 根据试验过程中记录 存储的实时数据， 计算车用电机及其控制器的平均 效率以及动态实时效率， 分析评价车用电机及其控 制器的性能。
以及开发具有实际意义。 关键词： 车用电机； 工况测试； 效率计算 中图分类号： U463.645 文献标识码： A
文章编号： 1003－8639（2015）04－0059－04
On Test Methods for Vehicle Motor Efficiency
ZHOU Ya-fu， CHEN Bo-wen， HU Xiao-wei， LIAN Jing （School of Automotive Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China） Abstract： The cyclic operation mode test is used to simulate real car operation mode on high power dynamometer testbed. The method to evaluate vehicle motor efficiency by average efficiency and dynamic efficiency is proposed here. This method can exactly reflect vehicle motor performance characters under actual situation， and has practical significance for the performance test and development of vehicle motor and its controller. Key words： vehicle motor； operation mode test； efficiency calculation
4 测试结果分析 根据循环工况测试过程中所存储的实时数据，
电动模式下， 消耗电功率是P1=35.67 kW·h， 输出的 机械功率是P2=32.56 kW·h。 由公式 （1） 可以计算 出整个循环工况中电动模式下的被测电机及其控制 器的平均效率为91.3%。
在发电模式下， 发出的电功率是P3=16.05 kW·h， 消耗的机械功率是P4=17.98 kW·h。 由公式 （2） 可 以计算出整个循环工况中被测电机及其控制器的平 均效率为89.3%。
图 4 循环工况试验台架现场
整个循环工况的测试全部在台架的自动模式下 完成， 根据前文所述的行驶工况编写相应的试验台 架自动模式运行脚本程序， 能够自动控制测功机以 及被测电机按照工况数据运行， 还能存储相应的实 时监控数据， 试验台架控制系统界面中包括一些重 要变量的实时显示， 控制脚本执行区域以及一些操 作控制的按钮。 编写完脚本程序并在台架控制系统 中载入所编写的循环工况测试脚本程序， 就可以自 动完成循环工况测试， 并存储实时数据进行下一步 分析。 3.2 循环工况试验
动态循环工况测试的过程中， 自动模式下的测 试脚本程序每隔一秒对电机的转速、 转矩以及控制 器直流侧的电压、 电流值等数据记录存储一次。 通 过每组数据的转速、 转矩可以计算得出电机的机械 功率， 通过直流侧的电压、 电流值可以计算出电机 及控制器的电功率。 由于整个循环工况试验长达3 个多小时， 为了绘图结果的清晰显示， 取部分数据 绘制的转速-转矩测试曲线， 如图5所示。
由公式 （3） 可以计算出整个循环工况中的平 均效率为90.6%。
被测电机及其控制器的主要铭牌参数如下： 额 定转矩100 Nm； 额定转速3 000 r ／ min； 控制器额定 电压380 V； 控制器额定电流87 A。
因此， 根据公式 （4） 即可计算出电机的额定 效率为95%。
对比平均效率以及额定点的效率可知， 平均效 率明显低于额定点效率， 用额定点效率来评价车用 电机的性能， 明显不符合车用电机的使用特点， 因 此采用基于循环工况的动态测试结果来评价车用电 机的效率更符合车用电机的特点， 能够准确反映车 用电机的应用特点。
1 循环工况的构建 目前， 世界范围内车用行驶工况主要分为3类：
美国行驶工况 （USDC）、 欧洲行驶工况 （EDC） 和 日 本 行 驶 工 况 （JDC） 。 ［3-4］ 但 是 ， 这 些 典 型 的 国 外 行驶工况并不能反映中国道路交通状况以及地形的 特点， 因此采用国外的工况进行循环工况测试， 并 不能准确反映国内汽车的特点， 其结果也不能准确 反映实际情况下的性能。 作为未来汽车业发展的趋 势， 新能源汽车获得了广泛的研究与关注。 其核心 部分驱动电机系统的循环工况测试是十分关键的。 本文被测电机所采用的行驶工况是本课题组多年研 究的成果， 所用实车原始数据是课题组在大连市新
60 《汽车电器》２０１５ 年第 ４ 期
Test●Equipment
测试●设备
电机为30 kW车用永磁同步电机， 台架实物如图4所 示。 台架测试系统带有高精度功率分析仪， 能够快 速、 准确采集测试过程中的被测电机及其控制器的 电压、 电流以及温度等信息， 通过台架试验系统控 制软件存储于控制系统工作站的硬盘中， 便于进一 步分析。
实际的平均效率低于额定点的效率， 其原因主 要从被测电机以及行驶工况两方面来分析。
对被测电机进行静态测试， 先使测功机运行在 某一转速， 之后再对被测电机施加转矩， 转速转矩 稳定时， 记录此时的转矩转速以及控制器直流侧电 压电流， 从而计算被测电机和控制器的效率。 如图 6和图7所示， 车用电机及其控制器的静态测试下， 发电和电动模式下的效率。
η2=
P3 P4
×100%
（2）
整个测试过程
中， 被测电机系统
中输入输出的功率
流向如图3所示。
图 3 功率流向图
因此， 按照效
率的定义， 被测电机系统整个循环工况的平均效率
就等于总的输出除以总的输入， 整个循环工况的平
均效率η计算公式为
η= P2+P3 ×100%
（3）
P1+P4
电 机 及 其 控 制 系 统 整 体 的 额 定 点 效 率 ηra可 以 通
Test●Equipment
测试●设备
车用电机效率测试方法研究
周雅夫， 陈博文， 胡晓炜， 连 静 （大连理工大学汽车工程学院， 辽宁 大连 116024）
摘要： 以大功率测功机试验台架进行循环工况试验来模拟实车运行情况， 提出了通过平均效率以及动态效率评
价车用电机效率的方法。 该方法能够准确描述实际情况下车用电机的应用特点， 对车用电机及其控制器的性能测试
车用电机及其控制器动态效率的计算以及动态
效率图的绘制， 则根据台架循环工况测试时控制台
架自动完成循环工况测试的脚本， 在测试过程中同
步存储的电机运行状态的实时数据， 根据公式
（1）、 （2） 可计算被测电机在不同时间点的瞬时
效率。
3 台架测试 3.1 台架搭建
本试验在加拿大D&V公司的130 kW大功率测功 机试验台架上进行， 测功电机最高转速14 000 r ／ min， 其峰值转矩为560 Nm。 测功机与被测电机中间连接 的转矩传感器为HBM-T40高精度转矩传感器。 被测
图 2 构建的典型行驶工况
2 效率测试及计算方法 通过台架循环工况试验的方法来进行车用电机
动态效率的测试， 具体就是根据前文构建的典型行 驶工况， 在大功率测功机试验台架上， 测功机速度 模式下运行， 转速指令按照前文的行驶工况曲线设 置， 被测电机扭矩模式运行， 扭矩指令同样按照工 况设置。 编写台架循环工况脚本程序， 在相应的时
过如下的公式计算
ηra=
Pra Pin
×100%=
nraTra 9.55UraIra
×100%
（4）
式 中 ： Pra— ——额 定 点 电 机 输 出 的 机 械 功 率 ， Pin— ——控制器直流母线端的输入功 率 ， nra— ——电 机 的额定转速， Tra— ——电机的额定转矩， Ura— ——控制 器端的额定功率， Ira— ——控制器端的额定电流。
间点施加对应的测功机转速以及被测电机转矩， 控
制台架运行， 自动完成对被测电机及其控制器的台
架循环工况试验。 测试过程中同步记录被测电机及
控制器的电压、 电流、 瞬时功率等信息。
根据车用电机及其控制器循环工况测试过程中
的功率流向， 将整个运行过程分为电动模式以及发电
模式， 分别计算其循环工况测试之后的平均效率。
《汽车电器》２０１５ 年第 ４ 期 59
测试●设备
Test●Equipment
能源汽车示范运行项目中多年采集的数据， 工况构 建的成果较为成熟。
构建典型行驶工况的第一步是获得实车运行的 数据， 为此本课题组开发了一套车载数据采集系 统， 采集系统的结构图如图1所示。 其中， 车载数 据采集终端通过整车CAN总线获取包括电机、 蓄电 池 以 及 车 辆 速 度 等 信 息 ， 通 过GPRS上 传 到 试 验 室 的服务器， 服务器上运行有基于Labview的数据采集 界面， 能够获取车载终端上传的实时数据进行显示 并存储在数据库中。
DOI:10.132百度文库3/j.cnki.qcdq.2015.04.030
车用电机及其控制系统是电动汽车的核心部 分， 其性能的优劣直接决定了新能源汽车的能效以 及驾乘性能。 普通工业用电机往往只在额定点附近 工作， 因此通常只要求额定点的效率高。 分析车用 电机及其控制系统的工作状态可知， 车用电机在实 际情况下会频繁启动 ／ 停车、 加速 ／ 减速， 并且转速 几乎在全工作范围变化， 因此， 车用电机要求在较 宽的工作转速和转矩范围内都有较高的效率， 从而 使 电 动 汽 车 有 一 个 良 好 的 能 效 指 标 和 驾 乘 性 能 ［1］。
目前， 对车用电机及其控制系统的效率评价， 还没有较为全面的指标和较为系统的测试方法， 来 体现车用电机特殊的工作状态和运行特点。 而电动 汽车及其控制器的国家标准中， 对于车用电机及其 控制器效率的计算和试验方法， 参考的是工业用电 机的试验标准和计算方法［2］。 鉴于车用电机与普通 工业电机的巨大不同， 这种方式显然是不合理和不 准确的， 没有从车用电机应用的特点的角度出发， 来给出一个较为全面客观的规定。 并且， 车用电机 在静态测试也就是负载稳定时往往效率较高， 但是 在动态循环工况的频繁加载、 卸载等情况下， 其效 率会降低。
图 1 电动汽车远程监控和数据采集系统工作原理示意图
车载终端以及相应的基于Labview开发的上位机 界面， 实车数据每秒采集一次并实时上传到服务 器中。
行驶工况的构建方法以及构建过程是本课题组 多年研究的成果， 通过主成分提取以及聚类分析的 方法， 即可构建相应的大连市运行的新能源汽车典 型的行驶工况， 构建结果如图2所示 。 ［5-8］
被测电机处于电动模式时， 即被测电机输出功
率， 消 耗 电 功 率 是P1， 输 出 的 机 械 功 率 是P2。 电 动
模式下的平均效率η1计算公式为
η1=
P2 P1
×100%
（1）
被测电机处于发电模式时， 即被测电机通过控制
器回馈能量给蓄电池， 发出的电功率是P3， 消耗的机
械功率是P4。 发电模式下的平均效率η2计算公式为
收稿日期： 2014-11-28 基金项目： 国家863高技术研究发展计划项目 （2011AA11A224）， 国家自然科学基金 （51107006， 61203171， 61473057）， 中国博士后科学基金 （2012M510799， 2013T60278）。 作者简介： 周雅夫 （1962-）， 男， 辽宁大连人， 教授， 博士生导师， 主要从事汽车电子、 新能源汽车控制技术研究。
并提出一个合理的方案和建议， 本文正是基于车用 电机的应用特点， 提出了从台架循环工况试验测试 的角度出发， 通过大功率测功机试验台架来模拟车 用电机及其控制器的实际情况下的运行工况的方 法， 所用循环工况是课题组在大连市新能源汽车实 车运行数据的基础上构建的， 根据试验过程中记录 存储的实时数据， 计算车用电机及其控制器的平均 效率以及动态实时效率， 分析评价车用电机及其控 制器的性能。
以及开发具有实际意义。 关键词： 车用电机； 工况测试； 效率计算 中图分类号： U463.645 文献标识码： A
文章编号： 1003－8639（2015）04－0059－04
On Test Methods for Vehicle Motor Efficiency
ZHOU Ya-fu， CHEN Bo-wen， HU Xiao-wei， LIAN Jing （School of Automotive Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China） Abstract： The cyclic operation mode test is used to simulate real car operation mode on high power dynamometer testbed. The method to evaluate vehicle motor efficiency by average efficiency and dynamic efficiency is proposed here. This method can exactly reflect vehicle motor performance characters under actual situation， and has practical significance for the performance test and development of vehicle motor and its controller. Key words： vehicle motor； operation mode test； efficiency calculation
4 测试结果分析 根据循环工况测试过程中所存储的实时数据，
电动模式下， 消耗电功率是P1=35.67 kW·h， 输出的 机械功率是P2=32.56 kW·h。 由公式 （1） 可以计算 出整个循环工况中电动模式下的被测电机及其控制 器的平均效率为91.3%。
在发电模式下， 发出的电功率是P3=16.05 kW·h， 消耗的机械功率是P4=17.98 kW·h。 由公式 （2） 可 以计算出整个循环工况中被测电机及其控制器的平 均效率为89.3%。
图 4 循环工况试验台架现场
整个循环工况的测试全部在台架的自动模式下 完成， 根据前文所述的行驶工况编写相应的试验台 架自动模式运行脚本程序， 能够自动控制测功机以 及被测电机按照工况数据运行， 还能存储相应的实 时监控数据， 试验台架控制系统界面中包括一些重 要变量的实时显示， 控制脚本执行区域以及一些操 作控制的按钮。 编写完脚本程序并在台架控制系统 中载入所编写的循环工况测试脚本程序， 就可以自 动完成循环工况测试， 并存储实时数据进行下一步 分析。 3.2 循环工况试验
动态循环工况测试的过程中， 自动模式下的测 试脚本程序每隔一秒对电机的转速、 转矩以及控制 器直流侧的电压、 电流值等数据记录存储一次。 通 过每组数据的转速、 转矩可以计算得出电机的机械 功率， 通过直流侧的电压、 电流值可以计算出电机 及控制器的电功率。 由于整个循环工况试验长达3 个多小时， 为了绘图结果的清晰显示， 取部分数据 绘制的转速-转矩测试曲线， 如图5所示。
由公式 （3） 可以计算出整个循环工况中的平 均效率为90.6%。
被测电机及其控制器的主要铭牌参数如下： 额 定转矩100 Nm； 额定转速3 000 r ／ min； 控制器额定 电压380 V； 控制器额定电流87 A。
因此， 根据公式 （4） 即可计算出电机的额定 效率为95%。
对比平均效率以及额定点的效率可知， 平均效 率明显低于额定点效率， 用额定点效率来评价车用 电机的性能， 明显不符合车用电机的使用特点， 因 此采用基于循环工况的动态测试结果来评价车用电 机的效率更符合车用电机的特点， 能够准确反映车 用电机的应用特点。
1 循环工况的构建 目前， 世界范围内车用行驶工况主要分为3类：
美国行驶工况 （USDC）、 欧洲行驶工况 （EDC） 和 日 本 行 驶 工 况 （JDC） 。 ［3-4］ 但 是 ， 这 些 典 型 的 国 外 行驶工况并不能反映中国道路交通状况以及地形的 特点， 因此采用国外的工况进行循环工况测试， 并 不能准确反映国内汽车的特点， 其结果也不能准确 反映实际情况下的性能。 作为未来汽车业发展的趋 势， 新能源汽车获得了广泛的研究与关注。 其核心 部分驱动电机系统的循环工况测试是十分关键的。 本文被测电机所采用的行驶工况是本课题组多年研 究的成果， 所用实车原始数据是课题组在大连市新
60 《汽车电器》２０１５ 年第 ４ 期
Test●Equipment
测试●设备
电机为30 kW车用永磁同步电机， 台架实物如图4所 示。 台架测试系统带有高精度功率分析仪， 能够快 速、 准确采集测试过程中的被测电机及其控制器的 电压、 电流以及温度等信息， 通过台架试验系统控 制软件存储于控制系统工作站的硬盘中， 便于进一 步分析。
实际的平均效率低于额定点的效率， 其原因主 要从被测电机以及行驶工况两方面来分析。
对被测电机进行静态测试， 先使测功机运行在 某一转速， 之后再对被测电机施加转矩， 转速转矩 稳定时， 记录此时的转矩转速以及控制器直流侧电 压电流， 从而计算被测电机和控制器的效率。 如图 6和图7所示， 车用电机及其控制器的静态测试下， 发电和电动模式下的效率。
η2=
P3 P4
×100%
（2）
整个测试过程
中， 被测电机系统
中输入输出的功率
流向如图3所示。
图 3 功率流向图
因此， 按照效
率的定义， 被测电机系统整个循环工况的平均效率
就等于总的输出除以总的输入， 整个循环工况的平
均效率η计算公式为
η= P2+P3 ×100%
（3）
P1+P4
电 机 及 其 控 制 系 统 整 体 的 额 定 点 效 率 ηra可 以 通
Test●Equipment
测试●设备
车用电机效率测试方法研究
周雅夫， 陈博文， 胡晓炜， 连 静 （大连理工大学汽车工程学院， 辽宁 大连 116024）
摘要： 以大功率测功机试验台架进行循环工况试验来模拟实车运行情况， 提出了通过平均效率以及动态效率评
价车用电机效率的方法。 该方法能够准确描述实际情况下车用电机的应用特点， 对车用电机及其控制器的性能测试
车用电机及其控制器动态效率的计算以及动态
效率图的绘制， 则根据台架循环工况测试时控制台
架自动完成循环工况测试的脚本， 在测试过程中同
步存储的电机运行状态的实时数据， 根据公式
（1）、 （2） 可计算被测电机在不同时间点的瞬时
效率。
3 台架测试 3.1 台架搭建
本试验在加拿大D&V公司的130 kW大功率测功 机试验台架上进行， 测功电机最高转速14 000 r ／ min， 其峰值转矩为560 Nm。 测功机与被测电机中间连接 的转矩传感器为HBM-T40高精度转矩传感器。 被测
图 2 构建的典型行驶工况
2 效率测试及计算方法 通过台架循环工况试验的方法来进行车用电机
动态效率的测试， 具体就是根据前文构建的典型行 驶工况， 在大功率测功机试验台架上， 测功机速度 模式下运行， 转速指令按照前文的行驶工况曲线设 置， 被测电机扭矩模式运行， 扭矩指令同样按照工 况设置。 编写台架循环工况脚本程序， 在相应的时
过如下的公式计算
ηra=
Pra Pin
×100%=
nraTra 9.55UraIra
×100%
（4）
式 中 ： Pra— ——额 定 点 电 机 输 出 的 机 械 功 率 ， Pin— ——控制器直流母线端的输入功 率 ， nra— ——电 机 的额定转速， Tra— ——电机的额定转矩， Ura— ——控制 器端的额定功率， Ira— ——控制器端的额定电流。
间点施加对应的测功机转速以及被测电机转矩， 控
制台架运行， 自动完成对被测电机及其控制器的台
架循环工况试验。 测试过程中同步记录被测电机及
控制器的电压、 电流、 瞬时功率等信息。
根据车用电机及其控制器循环工况测试过程中
的功率流向， 将整个运行过程分为电动模式以及发电
模式， 分别计算其循环工况测试之后的平均效率。
《汽车电器》２０１５ 年第 ４ 期 59
测试●设备
Test●Equipment
能源汽车示范运行项目中多年采集的数据， 工况构 建的成果较为成熟。
构建典型行驶工况的第一步是获得实车运行的 数据， 为此本课题组开发了一套车载数据采集系 统， 采集系统的结构图如图1所示。 其中， 车载数 据采集终端通过整车CAN总线获取包括电机、 蓄电 池 以 及 车 辆 速 度 等 信 息 ， 通 过GPRS上 传 到 试 验 室 的服务器， 服务器上运行有基于Labview的数据采集 界面， 能够获取车载终端上传的实时数据进行显示 并存储在数据库中。
DOI:10.132百度文库3/j.cnki.qcdq.2015.04.030
车用电机及其控制系统是电动汽车的核心部 分， 其性能的优劣直接决定了新能源汽车的能效以 及驾乘性能。 普通工业用电机往往只在额定点附近 工作， 因此通常只要求额定点的效率高。 分析车用 电机及其控制系统的工作状态可知， 车用电机在实 际情况下会频繁启动 ／ 停车、 加速 ／ 减速， 并且转速 几乎在全工作范围变化， 因此， 车用电机要求在较 宽的工作转速和转矩范围内都有较高的效率， 从而 使 电 动 汽 车 有 一 个 良 好 的 能 效 指 标 和 驾 乘 性 能 ［1］。
目前， 对车用电机及其控制系统的效率评价， 还没有较为全面的指标和较为系统的测试方法， 来 体现车用电机特殊的工作状态和运行特点。 而电动 汽车及其控制器的国家标准中， 对于车用电机及其 控制器效率的计算和试验方法， 参考的是工业用电 机的试验标准和计算方法［2］。 鉴于车用电机与普通 工业电机的巨大不同， 这种方式显然是不合理和不 准确的， 没有从车用电机应用的特点的角度出发， 来给出一个较为全面客观的规定。 并且， 车用电机 在静态测试也就是负载稳定时往往效率较高， 但是 在动态循环工况的频繁加载、 卸载等情况下， 其效 率会降低。
图 1 电动汽车远程监控和数据采集系统工作原理示意图
车载终端以及相应的基于Labview开发的上位机 界面， 实车数据每秒采集一次并实时上传到服务 器中。
行驶工况的构建方法以及构建过程是本课题组 多年研究的成果， 通过主成分提取以及聚类分析的 方法， 即可构建相应的大连市运行的新能源汽车典 型的行驶工况， 构建结果如图2所示 。 ［5-8］
被测电机处于电动模式时， 即被测电机输出功
率， 消 耗 电 功 率 是P1， 输 出 的 机 械 功 率 是P2。 电 动
模式下的平均效率η1计算公式为
η1=
P2 P1
×100%
（1）
被测电机处于发电模式时， 即被测电机通过控制
器回馈能量给蓄电池， 发出的电功率是P3， 消耗的机
械功率是P4。 发电模式下的平均效率η2计算公式为
收稿日期： 2014-11-28 基金项目： 国家863高技术研究发展计划项目 （2011AA11A224）， 国家自然科学基金 （51107006， 61203171， 61473057）， 中国博士后科学基金 （2012M510799， 2013T60278）。 作者简介： 周雅夫 （1962-）， 男， 辽宁大连人， 教授， 博士生导师， 主要从事汽车电子、 新能源汽车控制技术研究。