基于LabVIEW的電動汽車驅動系統測試平臺設計

朱 靖 陳舒燕 余朝剛

(上海工程技術大學電子電氣工程學院，上海 201620)

電動汽車的許多重要性能(如啟動加速性能及最高時速等)都和電機、控制器的性能直接相關，由于材料性能不穩定且工藝精度難以保證，目前，我國的電機設計無法一步到位，而是需要試制樣機，經測試找出電機性能上的偏差，然后對電機設計方案進行局部范圍內的調整，繼而測試、調整、試樣[1～5]。所以在車用電機和控制器系統研制過程中，除了必須對設計、工藝過程和控制理論分析方面進行研究外，還要對產品進行大量的試驗驗證，以探索改進的途徑。沒有好的電機性能測試設備，電機和控制器系統的設計工作將會是復雜且冗長的[6～9]，因此，筆者設計了基于LabVIEW的電動汽車驅動系統測試平臺。

1 系統構成與工作原理①

電動汽車電機與控制器系統測試平臺的結構如圖1所示，主要包括硬件和軟件兩部分，其中硬件部分包括：直流電源、電機與控制器系統、測功機與控制器、轉矩轉速傳感器、信號調理電路、PZ4000功率分析儀和控制計算機(包括CAN卡、GPIB卡和數據采集卡)。

圖1 電機測試分析平臺結構

電機測試分析平臺采用直流整流電源(0～400V(DC))供電，直流整流電源對電網上的三相交流電進行整流，輸出電壓可調的直流電用作被測電機控制器和測功機控制器的輸入電源。被測電機控制器對直流整流電源輸出的直流電進行變換，輸出電壓幅值和頻率可調的三相方波電流；測功機控制器對可控硅電源輸出的直流電進行變換，輸出電壓幅值與頻率可調的三相正弦波電流。應電動汽車整車的要求，被測電機控制器采用轉矩閉環控制策略來控制被測電機的運行。為了測試被測電機在各個轉速下的轉矩輸出情況，測功機控制器采用了轉速閉環控制策略。測功機電機為永磁同步電機，在測試過程中它為被測電機提供測試所需要的負載，所以在任何轉速下測功機電機所能提供的最大負載轉矩必須大于被測電機的實際最大轉矩，只有這樣才能測定被測電機在每個轉速下的最大轉矩。

被測電機的三相電流傳感器、溫度傳感器和電機控制器的母線電壓傳感器、母線電流傳感器、溫度傳感器及轉矩轉速傳感器等輸出信號，經信號調理電路轉換成適合的電壓信號后送給數據采集卡。在控制計算機上運行的被測電機測試軟件對數據采集卡采集到的數據和功率分析儀通過GPIB總線上傳的數據進行分析，并根據相關算法通過CAN總線給被測電機控制器和測功機控制器發送控制命令。

2 電機測試臺軟件設計

電機測試分析平臺的測試軟件采用了結構化的程序設計方法，使系統軟件易于調試、測試和維護，由于電機測試項目的要求和電機運行實際情況的需要，測試軟件必須能實現被測電機及控制器的性能測試、溫升測試、試驗數據存儲和分析、被測電機及控制器與測功機電機及控制器狀態監控、CAN總線工作狀態監控、故障情況緊急處理及被測電機其他參數測試等功能。測試系統測試軟件結構框圖如圖2所示。

圖2 測試系統測試軟件結構框圖

筆者根據實際應用的情況對被測電機及其控制器自動測試子系統和通信子系統進行詳細說明。

2.1 自動測試子項目

測試軟件既可以對被測電機及其控制器進行人工測試也可以選擇自動測試界面中的項目對電機及其控制器進行自動測試。根據電機測試項目的要求，測試軟件一共設置了4個自動測試項目，分別為持續運行特性測試、短時峰值特性測試、穩態溫升測試和循環考核溫升測試。在進行自動測試之前應該先停止人工測試項目，使測試臺處于靜止狀態，然后設置自動測試項目的運行參數。如圖3所示，假設要對被測電機進行持續運行特性測試，則在啟動自動測試項目之前必須設置項目1中的運行參數，待測試臺處于靜止狀態后才能開始啟動自動測試項目；如果正在進行一個自動測試項目時又啟動另一個自動測試項目，則同樣該指令將不被執行，只有等第一個自動測試項目結束或者被工作人員停止后才能進行第二個自動測試項目。在自動測試開始后，程序以20ms為一個周期循環運行。

圖3 測試軟件自動測試控制界面

2.2 通信子系統

通信子系統主要是測試軟件通過控制CAN總線接口卡來進行CAN信息的發送與接收，從而實現測試軟件與電機控制器和測功機控制器之間的信息交換。對于被測電機及其控制器系統而言，除了要求電機及其控制器系統性能達到整車的要求之外，其通信系統的可靠性和穩定性也要達到整車的要求。因此測試分析平臺對于被測電機及其控制器系統而言不僅是性能的測試平臺而且也是通信能力的測試平臺。電機測試分析平臺通過對整車通信網絡的實際情況進行分析得出整車通信網絡的各種參數，并按照這些通信網絡的參數建立了自己的通信子系統，從而達到的模擬整車工作環境的目的。軟件具體流程如圖4所示。

測試平臺采用計算機為控制中樞，通過各種現場總線來控制各種試驗設備以縮短電機測試時間，提高了測試效率。同時由于采用開放式的計算機系統結構，使得系統在降低硬件成本的同時還能很容易地進行各種功能擴展，從而使系統能夠不斷地升級完善。

3 測試臺試驗與數據分析

本測試臺的研制主要是針對電動汽車，通過測試電動汽車的電機，為后續電動汽車的研發提供測試數據。為了驗證測試臺能夠滿足電動汽車驅動系統性能測試的需要，對長安C206電機系統進行了測試，試驗主要測試其轉矩、轉速和運行效率能否滿足車輛要求。對電機進行負載測試的方法如下：測功電機的起始測試轉速為500r/min，每500轉為一個測試點；被測電機在轉折轉速以下的每個轉速點其設定轉矩均為123N·m，超過轉折轉速后根據恒功率曲線特性，計算出相應的設定轉矩。將測試的數據通過Matlab進行數據擬合，得到電機輸出轉矩曲線、輸出功率曲線和效率MAP曲線如圖5～7所示。

圖4 通信子系統程序流程

測試結果表明，電機的峰值效率為95.47%，在電動工況和發電工況下，工作在高效區 (不小于80%)的工作點占83.79%，當電機的轉速在1 500～8 000r/min時，電機的效率可以保持在90%以上，試驗結果見表1，可見驅動系統的效率可以滿足整車性能的要求，測試平臺能夠達到測量的精度與測試的需求。

圖5 電機輸出轉矩曲線

圖6 電機輸出功率曲線

圖7 電機效率MAP圖

技術參數項技術參數指標測試結果電機控制器額定電壓/V(DC)314V314直流電壓工作范圍/V(DC)240～400240～400轉速范圍/r·min-10～90000～9000額定轉速/r·min-135003500額定功率/kW4546額定轉矩/N·m123123峰值功率/kW82.0083.41峰值轉矩/N·m260.0257.8電機最高效率/區域峰值效率不小于93%峰值效率95.47%高效區占70%以上高效區占83.79%電機轉速工作范圍/r·min-10～90000～9000

4 結束語

測試是研發的一個重要環節，長期以來電機的測試設備一般都為分離的專用儀器，其工作方式也都是采用手工操作、人工讀數和處理測量數據。這種情況下測試人員很辛苦而且工作量很大，同時測試時間長、效率低，而且讀數、記錄、計算中不可避免的人為誤差的存在使測試數據的分散性增大，試驗結果的精度降低?；贚abVIEW的電機測試分析平臺采用計算機為控制中樞，通過各種現場總線來控制各種試驗設備縮短電機測試時間，提高了測試效率。同時由于采用開放式的計算機系統結構，使得系統在降低硬件成本的同時還能夠很容易地進行各種功能擴展，從而使系統能夠不斷地升級完善。

[1] 羅永平，聶彥鑫.國內外電動汽車測試評價技術發展現狀及趨勢[J].汽車與配件，2011，(15)：18～21.

[2] 韓懷玉.我國新能源汽車產業發展的國際比較研究[D].西安：陜西師范大學，2012.

[3] 鄭慕僑.車輛試驗技術[M].北京：國防工業出版社，1989：34～37.

[4] 孫澤文.基于LabVIEW軟件的數據采集與分析系統設計[J].電工電氣，2010，(1)：16～18，21.

[5] 伍慶龍，劉忠途，宗志堅.基于虛擬儀器的電動汽車動力平臺測試系統[J].電氣自動化，2010，32(6)：69～72.

[6] 徐萍萍，宋建國，王雁峰，等. 電力測功機動態測試平臺系統[J].北京工業大學學報，2007，33(6)：582～586.

[7] 胥良，宋立偉，李子健，等.節能型能量回饋式電動車用電機對拖試驗系統[J].電工技術學報，2007，22(8)：161～165.

[8] 常智海，李浩，劉乃鎖.變頻器在能量回饋試驗臺控制系統中的應用[J].電氣傳動，2008，38(6)：56～58.

[9] 費莉，王博，劉述喜.基于LabVIEW的數據采集及測試系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2012，26(10)：38～41.