基于虚拟仪器的电动汽车动力平台测试系统＊

伍庆龙 刘忠途 宗志坚

（中山大学工学院，广东广州 510006）

0 引言

现代电动汽车作为21世纪极具发展潜力的绿色产业，融合了电力电子、机械、控制、材料、化工等诸多高新技术，在节能和环保方面的显著优势已引起了人们的广泛关注[1]。牵引电机系统是电动汽车的核心，动力电池组是电动汽车主要的动力源[2]。一套适用电动汽车牵引电机及动力电池的测试平台对于整车动力系统的开发非常重要，然而目前国内的电机测试平台一般不是针对车用牵引电机而设计，而且自动化程度不高，测试标准无法完全满足性能测试的需要。因此有必要建立一套专用的测试平台系统，这对于整车动力系统的设计及优化至关重要。

虚拟仪器技术是在自动化测试和控制领域发展起来的一项技术，其代表产品为美国NI仪器公司的LabVIEW，目前在包括汽车行业的众多领域得到广泛应用[3]。虚拟仪器由计算机、相应的硬件和驱动软件构成，功能主要由软件实现;是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合;其软件平台可由用户按自己的要求自行定义、设计，变换非常灵活。

结合虚拟仪器技术开发电动汽车动力平台测试系统，可以在有限的硬件资源情况下，灵活定制符合多种电动汽车用电机试验要求的测试方案，充分解决目前测试过程中采样速度低、成本高、劳动强度大、数据分析能力弱的缺点。本文建立了电动汽车牵引电机系统的试验台架，开发了基于虚拟仪器的综合试验测试系统，在试验平台上完成了动力电池组的放电试验及牵引电机系统的测试研究。

1 牵引电机工作特性

电动汽车牵引电机系统的工作特性取决于车辆行驶受力状况，车辆行驶模型[4]为

式（1）中:Ft为总行驶阻力;Ff为滚动阻力;Fw为空气阻力;Fi为坡度阻力;Fj为加速阻力;m为电动汽车质量;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;CD为风阻系数;A为迎风面积;va为行驶速度;α为道路坡道角;δ为汽车旋转质量换算系数;dv/dt为加速度。

牵引电机传递到车轮上的力F为

式（2）中:T为牵引电机输出转矩;ig为变速箱速比;io为主减速比;η为传动效率。综合式（1）～（2）得

电动汽车行驶时速度经常处于不断的变化当中，在公式 （3）中，存在由dv/dt决定的高动态的加速阻力，因此要求电动汽车动力测试平台实现负载的模拟，具有高动态特性的加载功能。牵引电机及驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，牵引电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性[5，6]。

2 电动汽车动力测试平台硬件结构

针对牵引电机的工作特性，建立如图1所示的电动汽车动力平台试验台架。系统硬件主要由测功电机及其控制器、牵引电机及其控制器、动力电池组及电池管理系统（BMS）、计算机采集控制系统及水冷系统等组成。

图1 电动汽车动力平台硬件结构

测试牵引电机动力性能时，动力电池组或直流传动单元为牵引电机系统提供直流电。根据式（3），采用电惯量原理[7－9]，由测功机模拟牵引电机的负载。主控机用于控制试验过程，采用软件编程实现手动控制和自动控制两种控制模式。手动模式通过手动输入数据指令控制系统的运行，自动模式下系统按照预定控制程序自动运行，两种模式可以自由切换。试验中的各种数据可以在扭矩仪、功率计上实时监控，并由主控机自动记录。

测试动力电池组放电性能时，供电电源切换到电池组，此时测试电机动力源来自动力电池组。检测系统和电池管理系统通过主控机反馈控制，可以实现电池不同电流、不同输出功率、能量反馈等工况模拟。来自于动力电池组的能量大部分通过负载电机并网发电，实现能量回收。在进行能量反馈测试时，被测牵引电机作为发电机，发电产生的电能通过直流传动单元反馈回电网或者直接对动力电池组充电。

3 测试系统软件结构与设计

3.1 测试系统软件结构

结合电动汽车的特点及驱动电机测试性能的要求，动力平台测试内容包括电机外特性、电机及其控制器的效率、堵转特性、温升试验、馈电特性、转矩响应特性、电机最高工作转速及超速测试等。为此，需要完成各种电压和电流、转速和扭矩、水冷介质的流量和温度等参数的测量，并完成相关参数间的计算，如功率、效率、图形绘制等。因此，设计的系统应该能够实时记录这些参数，并保证结果的准确性。

虚拟仪器将仪器设备与计算机连接起来协同工作，通过计算机强大的数据处理、分析、显示和存储能力，可以极大地扩充仪器的功能，提高自动化程度，保证实验过程中各个参数测试的同步性和精确性，保证测试精度。测试系统的软件结构图如图2所示，从实现的角度将系统分为三个层次:人机界面层、仪器驱动层以及硬件资源层。

图2 测试系统软件结构图

人机界面层充分利用虚拟仪器技术的特点，提供实验人员与整个测试系统友好方便的交互方式，实现对测试的管理，包括参数初始设置、通信设置、测试项目选择、测试数据保存和测试报表生成等，同时以数字和图表的形式在主界面上显示测试信息。仪器驱动层提供人机界面层与硬件资源之间的接口，包括PCI、GPIB、串口RS232以及CAN接口，实现测试系统各部分之间控制指令和信号数据的高速可靠传输，其中被测牵引电机控制器、测功电机变频控制器、PLC终端模块、电池管理系统组成一个四节点的CAN-bus。硬件资源层是指执行具体任务的各个组成部件，包括被测牵引电机及控制器、测功电机及控制器、扭矩仪（负责电机输出转速与扭矩测试）、WT1600功率计 （负责电量信号数据采集与处理）、动力电池组、水冷装置及传感器等。

3.2 测试系统软件设计

根据电动汽车所使用的电机系统测试内容的不同，为了便于实验，测试软件采用项目管理的组织形式。每个测试过程作为一个项目，项目负责与之关联的各种测试项目和硬件配置的选择。每个测试项目为一个特定的测试内容，如电机外特性测试、动力电池组放电特性等，不同电机系统的测试项目数量不同，通过软件实现多个测试内容的选定。硬件配置实现了测试过程中各种硬件资源的设置和标定。实验结果表明，项目管理组织方式提高了软件重用性，减少了测试劳动量，提高了测试效率。

测控软件的主程序运行控制流程如图3所示，参数初始化主要完成测试系统的配置，包括电机工作模式选择、驱动信号选择、文件存储路径选择、数据存储时间间隔设定、最高转速设定、峰值电压电流等，确保测试平台运行在安全的环境下。电机测试是软件系统的核心部分，针对不同的电机系统选择不同的测试项目，包括电机高效区测试，外特性测试等。对于不同的测试项目，可分为手动测试和自动测试。如对于外特性测试项目，主要是用于电机的转速及扭矩峰值测试，进行外特性自动测试时，可调用事先编写的子程序进行外特性点搜索测试，自动测试和手动测试可自由切换。在测试的过程中，可以实时以ACCESS或EXCEL格式存储测试项目所需的数据，测试完后自动生成电机不同测试项目的报表和曲线，同时生成动力电池组放电曲线和报表。

图3 主程序运行控制流程图

在采用LabVIEW开发程序界面过程中，充分利用了其在虚拟仪器方面的优势。虚拟状态灯和系统状态码的合理使用，使操作者可以实时掌握系统运行的当前状态，并以此作为下一步操作的指导。另外，虚拟仪表盘的使用使操作者察看系统运行的转矩和转速更为轻松和方便。图4为电机外特性测试项目的测试界面，控制模式选择自动控制，此时，转速和扭矩调节控件灰掉不可操作，自动模式下系统按照预定控制过程自动运行，若转换成手动控制，则转速和扭矩调节变为可操作状态。

图4 电机外特性测试项目界面

4 试验测试

结合国家标准[10，11]，在建立的测试平台上对国内外多台车用电机动力性能进行了测试。图5至7分别是对一台30KW直流无刷车用电机在电动状态下进行测试得到的电机外特性曲线，电池组放电电流曲线，电机系统效率图。测试过程中，动力锂离子电池组为该测试电机控制器提供280V直流电力，通过自动调节搜索电机转速和扭矩工作点，测试系统实时采集电池组的放电数据、电机控制器的输入输出电参数以及电机的输出转速、扭矩等。

图5 电机驱动系统电动外特性

图6 电池组放电电流曲线

图7 电机驱动系统效率图

在图7中，横坐标为电机输出转速，纵坐标为电机输出转矩。曲线中的数值是电机驱动系统的效率，图中最外围的包络线为测试得到的电机工作外特性。可以看出，该电机驱动系统的高效区主要集中在外特性拐点和恒功率区域，并随着转速和扭矩的降低而逐渐减小，经过计算，电机系统效率大于80%的区域面积占整个区域面积的65.7%。测试结果符合电机系统的设计和控制策略，表明了该测试系统设计的合理性。

5 结论

本文分析了电动汽车牵引电机驱动系统的工作特点，建立了牵引电机系统的动力测试平台，利用虚拟仪器技术设计开发了测试系统软件，具有测量精度高、自动化程度高以及扩展性强等特点。试验结果表明，该动力测试平台能够实时跟踪监测系统的负载变化情况，可以模仿驱动电机或汽车在行驶中的负载特性，能够比较全面的测试牵引电机的各种特性指标，还能够对动力电池组进行比较全面的放电性能测试。在该测试平台上完成了对多台国内外电机及多组锂离子动力电池组进行的测试，系统运行稳定可靠，提高了测试效率并减轻了测试劳动强度，具有较高的推广应用价值。

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[11]GB/T18488.2－2006电动汽车用电机及其控制器实验方法[S].北京:中国标准出版社，2006.