基于Lab VIEW的DC/DC变换器测试系统的设计与开发*

郭昊，杨凌霄，赵瑞林

（天津职业技术师范大学 汽车与交通学院，天津 300222）

前言

纯电动汽车与燃油汽车不同，纯电动汽车增加了高压系统。整体结构图如图1所示。纯电动汽车依靠高压动力电池驱动电动机，从而驱动车轮。同时电动汽车仍然需要电子控制单元实现车身控制、仪表显示等低压电路。DC/DC变换器代替了燃油汽车中的发电机，它将动力电池的高压直流电转换成14V的低压电，为电子控制单元、仪表、车灯、雨刷等低压电器供电，同时为低压辅助蓄电池充电。DC/DC变换器在电动汽车高压系统和低压系统之间起着桥梁作用。然而，由于动力电池随SOC值变化输出电压存在明显的波动，且动力电池和低压辅助蓄电池两者在电压等级上存在较大差距，所以DC/DC变换器要具备宽电压输入、可调电压输出、高低压隔离及高转化效率等特点。因此，对DC/DC变换器性能检测是很有必要的。DC/DC变换器的性能直接决定了其电能质量和可靠性。

目前DC/DC变换器的参数检测主要依赖人工测量，测试过程不够简便，效率不高，各个测试数据准确度不佳，很难保证测试结果的准确性和可靠性。针对这一现状，本文结合DC/DC变换器的电气参数测试要求和数据采集技术，开发了基于Lab VIEW平台的DC/DC变换器的测试系统。该检测系统使用简便，可实现DC/DC变换器各项参数的数据采集和实时展示，可用于DC/DC变换器的实验性验证和综合评定，利于设计优化。

图1 电动汽车整体结构图

1 测试平台原理介绍

测试平台整体结构如图2所示。整个测试平台主要由硬件平台和软件平台两部分构成[1]。其中硬件平台主要包括可调式程控电源、DC/DC变换器、电子负载、数据采集电压和电流传感器、信号采集电路、数据采集卡。软件平台主要是基于Lab VIEW虚拟仪器软件的应用程序。电压传感器和电流传感器将采集的DC/DC变换器电压电流信号经信号采集电路做放大、滤波、线性化等处理后，接入数据采集卡；数据采集卡将DC/DC变换器的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流等模拟量转换为数字信号和简单的数据处理后，上传至Lab VIEW虚拟仪器平台。Lab VIEW虚拟仪器平台通过实时数据的分析处理，将数据实时显示在相应界面上。整个测试平台的核心是虚拟仪器软件平台，其控制整个测试平台完成全部测试任务，主要包括参数设置、测试输入电源控制、模拟电子负载控制、测试流程控制和实际测试结果的显示和保存[2]。在整个测试过程中，Lab VIEW虚拟仪器平台直接控制程控电源和电子负载，模拟DC/DC变换器处于不同的工作状态，进而测量不同状态的被测DC/DC变换器的电气参数。

图2 测试系统结构图

2 测试需求分析

DC/DC变换器是一种电力变换器，它是一种将直流电源从一种电压电平转换为另一种电压电平的电路，通过暂时存储输入的电能，然后将存储的电能释放。存储的元件可能是磁场存储元件（电感，变压器），也可以是电场存储元件，（电容）。通过控制占空比从而实现电压、电流的调节[3]。

在研发设计阶段，掌握准确的设计数据对产品的质量评定至关重要。通过数据测量可反映产品性能。

DC/DC变换器的主要测试参数包括电源调整率、负载调整率、输出电压精度、纹波及噪声、效率、短路和过电流保护[4]。实际测试中，控制程控电源和电子负载模拟DC/DC变换器处于不同的工作状态，对DC/DC变换器的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流的数据采集，进一步分析计算便可以得到DC/DC变换器的功率、效率等性能参数，达到测试目的。

3 系统硬件设计

整个测试系统为保证测试的准确度，必须保证检测设备或仪器的准确性和数据处理的精确度。在硬件选择时，除满足DC/DC变换器输入输出的基本参数外，应尽量保证硬件设备的精确度和准确性，以满足测试结果的有效性。硬件选择时，本课题选用了安捷伦公司的可编程直流电源Agilent E3643A和N3302A电子负载模块，E3643A电源具有0.01%的负载和电源调整率，即使在电源和负载变动时也能保持稳定的输出。常模电压噪声和共模电流噪声很低。确保测试结果的准确性。可编程直流电源和电子负载模块均自带GBIP接口，可直接与Lab VIEW虚拟仪器平台相连，其驱动程序可在NI官网下载，在编程中可直接调用驱动程序，以便进行控制。数据采集卡选择Smacq的USB-1252A多功能数据采集卡，提供 12-bit，最高采样率达 500kS/s，最多 16个模拟信号采集通道，其量程可以通道软件选择为 0-10V或±5V。

4 系统软件设计

本文的检测平台的软件设计是采用NI公司开发的Lab VIEW环境开发的[5]。Lab VIEW软件内置I/O、交互式控件以及提供调用各种驱动程序的节点，采用图形化编程语言，所以被广泛应用于数据采集、自动测试和控制系统中[6]。本测试系统在Lab VIEW环境下编译，运用其强大的图形化界面，将软件平台划分模块，将不同测试项目分模块设计，实现测试过程的灵活性。

软件测试流程如图所示。进入测试系统后，系统会自动对设备初始化，进入测试主界面后，可直接进入各个分项测试模块，测试若出现故障，将会显示故障信息，排除故障后需重新进入各个分项进行测试。若不继续测试，可保存故障信息和数据参数，结束测试。整个测试系统的结构图如图3所示。

4.1 电源调整率检测模块

电源调整率表征DC/DC变换器在外部输入电压变化时，DC/DC变换器仍能稳定输出电压的能力。其软件程序的检测逻辑为：Lab VIEW虚拟软件平台，通过GPIB总线将电子负载设置为额定负载，第一，将程控电源输出电压设置与DC/DC变换器标称输入电压相等，测得DC/DC变换器的输出电压为V1，第二，将程控电源输出电压设置与DC/DC变换器输入电压上限值相等，测得DC/DC变换器的输出电压为V2，第三，将程控电源输出电压设置与DC/DC变换器输入电压下限值相等，测得DC/DC变换器的输出电压为V3，取V1、V2、V3中最大值为V4，可计算电源调整率＝（V4-V1）/V1×100%。电源调整率子VI如图4所示。

图3 测试系统结构图

图4 电源调整率检测模块子VI

4.2 负载调整率检测模块

负载的变化会引起DC/DC变换器输出电压的波动，通常情况下，电压值变化越小，表明DC/DC稳定输出能力越好。其软件程序的检测逻辑为：Lab VIEW虚拟软件平台，通过GPIB总线控制可编程电源输出电压等于DC/DC变换器的额定输入电压值，第一，控制负载处于10%的工作条件下，测得DC/DC变换器的输出电压为V1，第二，控制负载处于100%的工作条件下，测得DC/DC变换器的输出电压为V2，第三，控制负载处于50%的工作条件下，测得DC/DC变换器的输出电压为V3，取V1、V2、V3中最大值为V4，负载调整率＝（V4-V3）/V3×100%。

5 结论

本文分析了纯电动汽车DC/DC变换器的主要作用和工作原理，结合DC/DC变换器在生产研发和设计验证阶段的参数测试需求，开发了基于Lab VIEW 软件的DC/DC变换器测试平台，详细论述了测试平台的硬件系统和软件系统的设计，运用DAQ数据采集系统的设计方法，给出了DC/DC变换器的性能测试的硬件控制和的程序设计逻辑，设计的测试平台可实现DC/DC变换器主要参数的数据采样，数据处理和数据显示，并利用某低速电动汽车的降压型DC/DC变换器进行了实验性验证，实验结果表明，测试平台可对DC/DC变换器的主要性能参数进行测试，并且操作简便，可满足基本的测试需求。同时，可将本测试平台应用于新能源汽车的DCDC变换器相关教学实验，具有较为广阔的应用前景。