电动车驱动电机可靠性试验监控系统设计开题报告

一、文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）

1.课题研究的背景

电动车的发展主要分为两个阶段;

第一阶段，19 世纪上半叶电动车概念被提出；1881年，世界上第一辆电动车诞生于法国工程师之手，受制于电池技术的落后，而内燃机技术提升很快，石油资源也被广泛应用，内燃机占了主导地位，电动车被边缘化。 第二阶段，20 世纪爆发石油危机，环境污染日益严重。电动车使用的电能是可再生的，并且可以实现零排放，这两个特性使得电动汽车获得了新生，电动车发展成为当前时代汽车行业的国际性课题。我国发布的节能与新能源汽车产业发展规划，到2020年纯电动汽车和插电式混合动力汽车产能达 200 万辆、累计产销量超过 500 万辆^[1]。

传统的以内燃机作为动力装置的乘用车、商用车使用化石燃料作为储能来源，其中包含了硫、磷等化学元素^[2]。根据有关资料调研显示，一台普通的家用轿车排放出的尾气中，包含100余种有害物质，主要包括固体悬浮颗粒、氮氧化物、硫化物、一氧化碳等^[3]。燃油汽车尾气造成了环境污染、自然资源的消耗，寻找清洁能源是其发展的首要问题。因此，很多国家都将纯电动汽车的设计与研发放在重中之重的位置。纯电动汽车是以车载电源为动力、由可充电蓄电池提供动力源的汽车，具有低噪音、能源效率高、绿色环保等特点，前景被普遍看好^[4]。

与传统汽车相比，电动汽车的众多优势吸引了用户转向电动汽车。其优势包括零排放、可靠性、成本、效率、简单性、可访问性和舒适性^[5]。同时，若想更好的达成我国在环境保护以及能源安全两方面可持续发展的目标，应当大力发展纯电动汽车，当前，我国针对纯电动汽车有了更高的重视，并致力于充分发挥出其在结构简单、噪音低以及零排放等方面的优势，为纯电动车行业的可持续发展奠定坚实的基础^[6]。

2016年中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车的技术路线图》制定了纯电动汽车的发展目标和里程碑。到2025年，纯电动汽车产品综合性能达到国际先进水平，新型锂离子动力电池得到批量应用，轻量化技术进一步提升, 到2030年，纯电动汽车产品综合性能持续保持国际先进水平，应用新电池体系，实现高效、高性能驱动方式^[7] 。当前，全球新能源汽车发展已进入“快车道”。从销量看，2021年1～7月全球新能源汽车销售 325 万辆，同比增长1.6倍；从保有量看，全球新能源汽车累计销量已超过1400万辆，其中，中国新能源汽车保有量已经达到630 万辆，约占全球新能源汽车保有总量的 45%。中汽中心预测，2035 年我国纯电动汽车保有量将达到 1.2 亿辆^[8].

中国新能源汽车销量连续五年位居全球第一。根据国家统计局有关数据显示，2021年我国新能源汽车销售完成352.1万辆，同比增长1.6倍。新能源汽车全年产量增长高达145.6%，市场占有率达到13.4%，高于上年8个百分点^[9]。

电动机是纯电动汽车中唯一的动力部件，其性能的好坏直接影响了纯电动汽车动力系统的性能。汽车电机有严格的小型化轻量化要求；具有较高的效率和低损耗性能；具有低噪音和低振动的特性。目前来说，使用较多的驱动电机主要有：直流电动机、交流感应电动机、交流永磁同步电动机、开关磁阻电动机和轮毂电动机^[10],例如，特斯拉Model S，特斯拉Model X，丰田RAV4和GM EV1使用感应电机进行推进^[11]。而现在很多的国产纯电动汽车使用的电机为交流无刷永磁同步电机通过采集电机旋变信号进行工作^[12]。

纯电动汽车驱动系统开发主要涉及零部件关键共性技术，系统集成技术，测试验证技术和产业化应用技术。目前，我国通过构建以企业为主体、市场为导向、产学研用协同技术创新体系的建立，使得我们在驱动系统关键核心技术上取得了一定突破，产业基础能力得到提升，一批高功率、高转速、复杂集成度的驱动系统总成已经产业化应用。但是我们应始终明白，我们与国际先进水平的差距还很明显，尤其是在零部件共性技术上，差距明显^[13]。

2.课题研究的现状及发展趋势

结合当前技术发展看，驱动电机的趋势主要为：①高度集成化；具体表现为车用电控制系统逐渐高度集成化，电机、发动机控、整车等的控制器以及低压 DC-DC 变换器等朝着不同的方式进行集成。②数字化；由于高速高性能微处理器的使用和面向用户的可视化编程，让高性能的控制算法、复杂的控制理论能够实现。③电机功率和功率密度的提高；电机功率从几千瓦提高到了几十千瓦甚至更高，效率大幅提升。功率密度不断提高。④电机回馈制动效率和运行转速的提高^[14]。

电机及其驱动系统作为电动汽车的动力系统的核心，它们的性能直接决定了电动汽车的最高车速、加速性能和爬坡性能。随着人们对电动汽车高性能的追求，电机及其驱动系统的要求也越来越高。由于电动汽车行驶过程中，内部和外部环境都较为复杂，空间和重量都有条件限制，所以车用电机及其驱动系统主要有以下特点：

1.重量轻，体积小，应该具有高的功率和转矩密度；

2.宽调速范围，大启动扭矩，提高电动汽车启动和行驶性能；

3.具有优秀的控制性能，一定的过载能力；

4.具有制动能量回收功能，效率高，损耗小；

5.高可靠性，安全性以及可维护性。

纯电动汽车的结构简单，维修方便，技术成熟，能源转换效率高,是应用最广泛的新能源车型^[15]。在传统汽车中,发动机作为动力源,而纯电动汽车的动力总成装置中由驱动电机替代发动机,动力电池组替代汽油或柴油,没有燃油消耗量，燃油经济性等指标,需考虑百公里耗电量，最大续驶里程等性能指标。驱动电机为纯电动汽车驱动系统最主要的部分，其性能的优劣关系到纯电动汽车的车辆的速度、续航能力等性能。 因此,驱动电机的机械输出特性必须满足纯电动汽车的运行要求。驱动电机参数匹配主要包括电机的峰值功率和额定功率、最高转速和额定转速等^[16]。纯电动汽车动力驱动系统的电机要具备高的功率密度，宽的转速范围，大启动转矩等功能以及质量轻、效率高、稳定性好等特点^[17]。

汽车产品可靠性是指在一定时间内，一定条件下，无故障地执行指定功能的能力或可能性。对于机械结构，其失效约90%来源于疲劳。可靠性可定义为: 如果结构发生了不可修复性故障，其可靠性可等同于耐久性; 若故障可修复，其可靠性就是产品大修期、报废期或者退役期对应的耐久性^[18]。

而疲劳耐久试验是验证整车和零部件寿命的唯一手段，且目前有实车用户道路试验、试验场试验和PC机进行仿真测试三种途径^[19]。分析与对比几种途径后，通过PC机对驱动电机进行可靠性模拟，

其实，西方先进国家早在五十多年前，便开始针对电动汽车的仿真和建模进行了研究，并产生了多个电动汽车仿真软件。美国能源部国家实验室在实践过程中对寸电动汽车动力总成系统仿真模型进行了开发，即 SIMPLEV。该仿真模型的应用能够模拟纯电动汽车中各个零部件具体的参数，并在此基础上对更加合理的道路工况展开优化分析以及选择工作^[20]。

而在建立电动汽车驱动电机系统的可靠性模型时,假设：

（1） 电机与部件都只有故障状态和正常状态两种状态；

（2） 各部件的故障相互独立^[21]

针对电动汽车驱动电机系统的可靠性测试，国内北理工等高校和研究机构进行了研究，并推出了2个可靠性相关标QC／T893—2011《电动汽车用驱动电机系统故障分类及判断》和GB／T29307—2012《电动汽车驱动电机系统可靠性试验方法》。其中规定了驱动电机系统的故障分类和可靠性台架试验方法，满足了部分电机可靠性设计和测试的需求。

3.本课题研究意义和价值

目前纯电动汽车的性能在动力电池、驱动电机、车用操作等关键技术影响下仍不断凸显。首先在当前电池技术未取得重大突破之前，提高电机驱动系统的效率、功率密度、安全性与可靠性是新能源汽车电驱动与控制系统的主要发展方向。在汽车这种频繁加减速，转速和转矩频繁快速的大范围的变化的工况下，对电机驱动系统的可靠性要求非常高。所以，对电机驱动系统的可靠性的研究和分析，也是电动汽车领域的研究热点之一。

对于具体设计的电机驱动系统可以通过相关可靠性分析方法进行定性分析，通过可靠性预计来做定量计算，并且有多个方面和多个方法可以用来提高电机驱动系统可靠性。但如果因为在从事这些领域的设计研发时忽视了对此相关检测工作的进行，将会令整体研发效率大打折扣。

电动汽车用驱动电机的测试标准遵循国标《GB-T18488电动汽车用电机及其控制器》，试验项目包括一般性能、环境试验、温升试验、电机转矩特性及效率、再生能量回馈特性等测试。主要试验内容：空载试验、负载效率试验、堵转试验、电机温度、电机温升、过载能力试验、最高工作转速、超速试验、电机控制器保护试验等^[22]。目前常见的驱动电机测试系统有两种：1、测功机系统；系统包括前段供电测试直流电源（电池模拟器），测功机，变频器，测试所需仪器仪表等。2、电机对拖测试系统；系统包括前段供电测试直流电源（电池模拟器），陪测电机电控，测试所需仪器仪表等。

当前针对电机的性能测量、评估的设备主要还是测功机。最初，测功机只是针对电机的输入电压、电流、输出转速、扭矩进行测量，计算出电机的输入输出功率和效率。但随着驱动电机行业的飞速发展，电机测试项目越来越多，测功机的功能也随之丰富起来，即便如此，电机的动态测试依然是行业内的技术难题。

首先动态测试包含阶跃响应测试，分析转速/转矩控制响应时间，在电机负载在出现阶跃变化，改变电机的输出转速/转矩时，电机驱动器把电机调节回正常工作状态下所用的时间长度，通常进口高性能伺服电机转速阶跃响应时间要能够达到us级别，转矩阶跃响应调整时间也要能够达到ms级别，以伺服电机这一型号来说，其转速阶跃响应时间可达790ms，转矩阶跃响应调整时间达28ms。

驱动电机系统各项性能是否符合国家标准或者是强制性规范, 需要对驱动电机系统进行综合性能的评价与分析。一般来讲, 车用驱动电机系统的综合指标直接决定着电动汽车应用性能。大多数驱动电机都根据测验结果进行评价^[23]。

为了更好的对纯电动汽车驱动电机的可靠性进行研究，利用PLC,组态王软件的对电机参数进行模拟与测试，更好的进行监控系统设计

4.参考文献

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[23]傅松桥,娄鑫山,卢超.关于电动汽车用驱动电机系统评价体系的分析[J].信息通信,2016(11):273-274.

三、课题的研究方法、技术路线

课题的研究方法、技术路线

（1）根据对测试系统的需求分析，进行选择与配置相对应的传感器；研究测量的方案设计，并确定了基于组态王虚拟仪器的测量系统、基于PC 机的总线系统的数据通信方式的方案设计；

（2）根据国际标准，对电机性能测试进行研究，分别对电机的温度，电机的工作特性、电机的转矩-转速特性，母线电压，母线电流等进行试验分析，对各个试验流程的设计，并且对试验产生的数据进行数据处理分析。

（3）根据测量节点配置的传感器输出的信号，设计相对应的信号调理电路，信号转换与缓存系统，信号的传输系统，构成了驱动电机测试系统的硬件设计；

（4）基于plc的软件设计，上位机以GX works，组态王软件为平台，开发驱动电机的主界面各个试验的试验界面，数据的分析、处理、调用、以及回放。

（5）利用电动汽车驱动电机的测试系统对电机的温度，电机的转速，电机的转矩，母线电流，母线电压等参数完成测量，

驱动电机控制器的工作信息主要靠电流传感器、电压传感器和温度传感器来监测。电流传感器用于检测电机母线电流,电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压, 包括动力电池电压和蓄电池电压。温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度, 包括IGBT模块的温度。

利用组态王，PLC对纯电动汽车用驱动电机的参数进行模拟测量并且设计合理的监控系统设计。组态软件运行于windows操作系统、PLC编程软件为GX WORKS。组态软件为组态王kingview7.5，根据驱动电机监控系统实际要求，利用组态软件设计监控画面，具体的监控界面操作步骤如下：

(1) 建立新的工程文件；（2）监控画面的绘制；（3）数据词典变量的建立；（4）组态监控画面的动画连接操作；（5）命令语言的编写；（6）监控画面的运行。

组态王与I/O设备通信一般是通过调用动态库来实现的, 动态库对应于具体设备.在设备管理界面中列有与组态王通信的各I/O设备名, 表示某具体设备的逻辑名, 逻辑名又与设备驱动程序相对应, 以此映射至某具体设备。

组态王与PLC的硬件连接步骤如下:

(1) 将三菱FX3U系列PLC的编程电缆的RS232C串口端子接到电脑的一个COM串口上, 另一端接到PLC的编程口上, 并注意电缆上的箭头方向, 防止插错将插头内部的针弄断;

(2) 当组态王安装在笔记本电脑上时, 需采用USB-SC09-FXUSB编程电缆进行连接。

组态王若要实现对PLC等硬件进行监督控制, 必须完成通讯参数、变量构建和监控画面的设计。通讯参数的设置关键在于对所用串口进行波特率、数据位、停止位和奇偶校验位进行设置, 而变量的新建主要取决于所要监控的对象, 有的来源于组态王内部, 有的来源于外部设备的软元件。监控画面作为直接操作和监控的界面, 在设计时主要完成图片或者元件的组态, 并对相关画面进行动画连接和变量连接, 最后根据现实需要设置隐含条件, 实现设备元件工作状态的模拟演示。