CN101458309B

CN101458309B - 电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN101458309B
Application number: CN200810227402XA
Authority: CN
Inventors: 王志福; 张承宁
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: CN101458309A

Abstract

本发明提供一种电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置和测量方法，包括高压断路器，用于断开电机和电机控制器的之间的任意两相电路的连接；放电电阻，连接在电机的设有高压断路器的任意两相电路之间，用于消除电机的绕组残压；恒流直流源，设置在电机的设有高电压断路器的任意两相电路之间，以向电机绕组提供恒流电流；放电开关，用于接通放电电路；测量开关，设置在恒流直流源的电路中，用于接通恒流直流源与电机的任两相电路的回路。本发明基于直流恒流源法，实现毫欧级电机绕组内阻的自动化测量，分辨率能够达到0.1毫欧姆。操作安全、方便。

Description

电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及电动汽车电机驱动系统领域，尤其涉及一种电动汽车电机驱动系统快速温升测量的测量装置及测量方法。

背景技术

电动汽车电机驱动技术工作状态非常复杂，由于谐波、铜耗和铁耗等原因会导致电机温度升高，影响系统工作性能，严重时会损坏系统。为了能够得到理想的电机温升，目前多采用电阻法(伏安法)测试。

基于电阻法的绕组温升计算必须在温升试验达到热稳定的时间后，尽快使被测电机断能停转，测其断能瞬间电阻值，直接计算绕组温升。由于电机回路主要是由电感性线路构成，同时存在电容，在测量时，这些器件的特性会引起信号振荡，造成测试偏差。因此，测量工作应该在回路停机稳定之后进行，不可能在电机断能瞬间即“0”时刻获得电机绕组的电阻值，只能依靠“0”时刻以后的数据进行数据拟合或者插值从而得到零时刻的电机绕组阻值。同时，电机绕组一般为毫欧级，其阻值仅为几十或百毫欧，利用一般检测仪表测量其阻值大小十分困难。现有高精度电阻仪可实现毫欧级电阻的精确测量，但只能是人工测量，测试强度大，安全性低，测试效率低，测量过程中存在一定的延时，测得第一点的电阻值耗时较长，容易影响测量精度导致测试失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于直流恒流源法，能够更快捷、有效地完成绕组测试，实现对电机绕组温升的全自动快速准确测量的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置。

本发明所要解决的技术问题是提供一种电动汽车电机驱动系统快速温升测量方法。

本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置，包括高压断路器，用于断开电机和电机控制器的之间的任意两相电路的连接；放电电阻，连接在电机的设有高压断路器的任意两相电路之间，用于消除电机的绕组残压；恒流直流源，设置在电机的设有高电压断路器的任意两相电路之间，以向电机绕组提供恒流电流；放电开关，用于接通放电电路；测量开关，设置在恒流直流源的电路中，用于接通恒流直流源与电机的任两相电路的回路。

本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置，还包括DSP模块，根据外部监控对象的信号或者接收到的总线信息协调装置的动作，实时地检测电机的转速、绕组残压、反映电机绕组热态电阻值的电压值，以及控制高压断路器、放电开关、测量开关的开合。

本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置，所述DSP模块连续对电机驱动系统进行测量，并对测量数据存储和计算，得到电机驱动系统的温升。

本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量方法，采用上述电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置。

本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量方法，包括以下步骤，

(1)检测电机的转速是否为零，转速为零时的时刻作为电机的“近似0时刻”；

(2)控制电机控制器和电机的任两相电路的高电压断电器断开，切断电机控制器与电机连接电路；

(3)放电开关闭合，放电电阻与电机的上述断开的两相电路连通构成回路，进行放电，消除电机的残压，检测放电过程中的残压值，直至残压值为零；

(4)残压值为零时，放电开关断开，测量开关闭合，恒流直流源与电机的上述两相电路连通构成回路，检测反映电机绕组热态电阻值的电压值；

(5)根据测得的反映电机绕组热态电阻值的电压值，计算电机绕组热态电阻值，根据一系列测量得到的电阻值，推算“0时刻”的电机绕组热态电阻，再根据温升计算公式，计算出电机的温升特性。

本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置及测量方法，基于直流恒流源法，实现毫欧级电机绕组内阻的自动化测量，分辨率能够达到0.01毫欧姆。

DSP控制的自动测试和自动计算，测试速度快，精度高测试数据能够通过DSP对外通讯接口，方便地对外通讯和数据传输，能够实现远程测试，操作安全、方便。

附图说明

图1是本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置示意图。

图2是本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量方法的流程图。

具体实施方式

以下将根据附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1显示的是本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置，包括高压断路器1，设置在电机6与电机控制器5之间的三相电路中，用于断开电机6和电机控制器5的之间的任意两相电路的连接。放电电阻8，连接在电机6的设有高压断路器1的任意两相电路之间，当所述高压断路器1断开该两相电路后，所述放电电阻8与电机6的该两相电路构成回路，用于消除电机6的绕组残压。恒流直流源4为5A恒流源，设置在电机6的设有高电压断路器1的任两相电路之间，当所述高压断路器1断开该两相电路并消除残压后，所述恒流直流源4与电机6的该两相电路构成回路，向电机绕组提供5A恒流电流，以测量反映电机绕组热态电阻值的电压值。当电机转速为零后，放电开关2闭合，接通放电电路，以消除电机6的绕组残压，直至残压值为零，放电开关2断开。测量开关3，设置在恒流直流源4的电路中，用于接通恒流直流源4与电机6的任两相电路，测量反映电机绕组热态电阻值的电压值。DSP模块7，根据外部监控对象的信号或者接收到的总线信息协调装置的动作，其检测电机6的转速是否为零，检测绕组残压是否为零，检测反映电机绕组热态电阻值的电压值，以及控制高压断路器1、放电开关2、测量开关3的开合。

图2是本发明的电动汽车电机驱动系统快速温升测量方法流程图。电动汽车电机驱动系统快速温升测量方法包括以下步骤，

(1)检测电机的转速是否为零，当DSP模块7数据采集系统检测到电机转速为0时，以此时刻作为电机的“近似0时刻”；

(2)接着DSP模块7控制电机控制器5与电机6的其中两相电路的高电压断电器1断开，切断电机控制器5与电机6连接电路；

(3)放电开关2闭合，放电电阻8与电机6的上述断开的两相电路连通构成回路，进行放电，消除电机6的残压，DSP模块7检测放电过程中的残压值，直至残压值为零；

(4)当DSP模块检测到残压值为0的信号时，放电开关2断开，测量开关3闭合，恒流直流源4与电机6的上述两相电路连通构成回路，DSP模块7检测反映电机绕组热态电阻值的电压值。

(5)根据测得的反映电机绕组热态电阻值的电压值，计算电机绕组热态电阻值，根据一系列测量得到的电阻值，推算“0时刻”的电机绕组热态电阻，再根据温升计算公式，计算出电机6的温升特性。

根据单机发热理论，可以认为牵引电机内部各点温度瞬时值保持相同，同时其外表面散热速度也相同。当电机绕组在不同的温升ΔT条件下，其温度变化规律也随之不同：当温升ΔT<30K时，温升变化遵循牛顿定律，即热量增长率或损失速率与温升的一次方成正比；当温升ΔT>50K时，温升变化遵从杜龙-佩蒂特定律，即热量增长率或者损失速率与温升的5/4次方成正比。即，电机温度变换规律如下式(1)、(2)所示：

\begin{matrix} \frac{dT}{dt} + \frac{1}{α} (T - T_{s}) = ΔP & ΔT < 30 K \end{matrix} - - - (1)

\begin{matrix} \frac{dT}{dt} + \frac{1}{α} {(T - T_{s})}^{\frac{5}{4}} = ΔP & ΔT > 50 K \end{matrix} - - - (2)

电机冷却所遵循的热平衡式，如下式(3)、(4)所示：

\begin{matrix} \frac{dT}{dt} + \frac{1}{α} (T - T_{s}) = 0 & ΔT < 30 K \end{matrix} - - - (3)

\begin{matrix} \frac{dT}{dt} + \frac{1}{α} {(T - T_{s})}^{\frac{5}{4}} = 0 & ΔT > 50 K \end{matrix} - - - (4)

其中T为电机t时刻的温度值，α是比例常数，T_s是初始时刻的电机绕组冷却介质温度。对于不同的过程，初始时刻意义并不相同：对于温升过程，初始时刻是指电机开始运行时的时刻；对于冷却过程，初始时刻是指电机停止运转的时刻。

为了能够实现通过测量电机绕组的电阻变化来计算电机温升，对于电动车辆牵引电机的绕组电阻值的测试都是在对牵引电机进行了相应的工况工作之后，使电机停止运转，从而对电阻进行测试的方式，即对于电机电阻的测试过程是电机冷却的过程。所以，采取式(3)和式(4)进行牵引电机温升的计算。

金属导体的电阻与其本身的温度基本保持线性比例关系：

R＝R_a[1+β_a(T-T_a)] (5)

其中：R为金属导体在温度为T时的电阻值，T_a为开始时刻的导体冷却介质或者环境的温度，R_a为温度T_a是的导体电阻值，β_a为温度T是的金属电阻温度系数，与温度的关系为：

β_{a} = \frac{β}{1 + β T_{a}} - - - (6)

其中：β是℃是金属导体的电阻温度系数，电机绕组大部分为铜绕组和铝绕组，对于铜绕

组，对于铝绕

组

由式(3)和式(4)可以得到电机冷却过程温度变化关系式：

\begin{matrix} T = e^{[\ln (T_{0} - T_{s}) - \frac{t}{α}]} + T_{s} & ΔT < 30 K \end{matrix} - - - (7)

\begin{matrix} T = {[\frac{t}{4 α} + {(T_{0} - T_{s})}^{- \frac{1}{4}}]}^{- 4} + T_{s} & ΔT > 50 K \end{matrix} - - - (8)

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，则由式(7)、(8)以及式(5)和式(6)可以得到电机温升计算公式：

ΔT = T_{0} - T_{s} = \frac{(R_{0} - R_{a}) (1 + β T_{a})}{R_{a} β} + (T_{a} - T_{s}) - - - (9)

即不论ΔT<30K或者ΔT>50K，电机温升计算公式都是一致的。

对于不同材质的电机绕组则有不同的具体计算公式：

铜导线绕组电机：

ΔT = T_{0} - T_{s} = \frac{R_{0} - R_{a}}{R_{a}} (235 + T_{a}) + (T_{a} - T_{s}) - - - (10)

铝导线绕组电机：

ΔT = T_{0} - T_{s} = \frac{R_{0} - R_{a}}{R_{a}} (228 + T_{a}) + (T_{a} - T_{s}) - - - (11)

从以上公式可以知道，参数R_a、T_a以及T_b都是可以直接测的数据，而R₀则无法得到，由此测试工作的主要工作是能够得到精确的电机停机时刻的电机绕组电阻值。

直接测试零秒电阻R₀存在困难，由于电机回路主要是由电感性线路构成，同时存在电容，这些器件特性会在测量时引起信号振荡，造成测试偏差。因此，测量工作应该在回路停机稳定之后进行，所以，就不可能在“0”时刻获得电机绕组的电阻值，只能依靠“0”时刻以后的数据进行数据拟合或者插值从而得到t＝0时的电机绕组电阻值R₀。为了推导R尽可能准确，要求对于电机绕组电阻值的测试应该尽可能迅速。

由式(7)和式(8)以及式(5)、式(6)可以得到关于电机绕组电阻的式：

\begin{matrix} R = R_{a} {1 + \frac{β}{1 + β T_{a}} {e^{[\ln (T_{0} - T_{s}) - \frac{t}{α}]} + (T_{s} - T_{a})}} & ΔT < 30 K \end{matrix} - - - (12)

\begin{matrix} R = R_{a} {1 + \frac{β}{1 + β T_{a}} {{[\frac{t}{4 α} + {(T_{0} - T_{s})}^{- \frac{1}{4}}]}^{- 4} + (T_{s} - T_{a})}} & ΔT > 50 K \end{matrix} - - - (13)

在测试过程中，可以得到对于不同时刻t的电机绕组电阻值R，为了进行拟合计算，将式(12)和(13)可以整理如下：

\begin{matrix} \ln {\frac{[R - R_{a} - R_{a} (T_{s} - T_{a})] (1 + β T_{a})}{β R_{a}}} = \ln (T_{0} - T_{s}) - \frac{t}{α} & ΔT < 30 K \end{matrix} - - - (14)

\begin{matrix} {[\frac{(R - R_{a}) (1 + β T_{a}) - βR (T_{s} - T_{a})}{β R_{a}}]}^{- \frac{1}{4}} = {(T_{0} - T_{s})}^{- \frac{1}{4}} + \frac{t}{4 α} & ΔT > 50 K \end{matrix} - - - (15)

令上两个式表示为一次线性方式：

y＝A+Bt ΔT<30K (16)

y｀＝A｀+B｀t ΔT>50K (17)

其中：

y = \ln {\frac{[R - R_{a} - R_{a} (T_{s} - T_{a})] (1 + β T_{a})}{β R_{a}}};

A＝ln(T₀-T_s)；

B = \frac{1}{α}

y ` = {[\frac{(R - R_{a}) (1 + β T_{a}) - βR (T_{s} - T_{a})}{β R_{a}}]}^{- \frac{1}{4}};

A ` = {(T_{0} - T_{s})}^{- \frac{1}{4}};

B ` = \frac{1}{4 α}

从而由式(16)和式(17)，根据测试得到的数据(t_i，y_i)可以进行初时t＝0时刻时的初始电阻R₀，从而得到电机的温升。

Claims

1.电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置，其特征在于，包括

高压断路器，用于断开电机和电机控制器之间的任意两相电路的连接；

放电电阻，连接在电机的设有高压断路器的任意两相电路之间，用于消除电机的绕组残压；

恒流直流源，设置在电机的设有高电压断路器的任意两相电路之间，以向电机绕组提供恒流电流；

放电开关，用于接通放电电路；

测量开关，设置在恒流直流源的电路中，用于接通恒流直流源与电机的任两相电路的回路。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置，其特征在于，还包括DSP模块，根据外部监控对象的信号或者接收到的总线信息协调装置的动作，实时地检测电机的转速、绕组残压、反映电机绕组热态电阻值的电压值，以及控制高压断路器、放电开关、测量开关的开合。

3.根据权利要求2所述的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置，其特征在于，所述DSP模块连续对电机驱动系统进行测量，并对测量数据存储和计算，得到电机驱动系统的温升。

4.一种电动汽车电机驱动系统快速温升测量方法，其特征在于，采用权利要求1至3任一项所述的电动汽车电机驱动系统快速温升测量装置，所述测量方法包括以下步骤：

(2)控制电机控制器和电机的任两相电路的高电压断路器断开，切断电机控制器与电机连接电路；