伍慶龍 劉忠途 宗志堅

（中山大學(xué)工學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

現(xiàn)代電動汽車作為21世紀(jì)極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色產(chǎn)業(yè)，融合了電力電子、機(jī)械、控制、材料、化工等諸多高新技術(shù)，在節(jié)能和環(huán)保方面的顯著優(yōu)勢已引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。牽引電機(jī)系統(tǒng)是電動汽車的核心，動力電池組是電動汽車主要的動力源[2]。一套適用電動汽車牽引電機(jī)及動力電池的測試平臺對于整車動力系統(tǒng)的開發(fā)非常重要，然而目前國內(nèi)的電機(jī)測試平臺一般不是針對車用牽引電機(jī)而設(shè)計，而且自動化程度不高，測試標(biāo)準(zhǔn)無法完全滿足性能測試的需要。因此有必要建立一套專用的測試平臺系統(tǒng)，這對于整車動力系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化至關(guān)重要。

虛擬儀器技術(shù)是在自動化測試和控制領(lǐng)域發(fā)展起來的一項技術(shù)，其代表產(chǎn)品為美國NI儀器公司的LabVIEW，目前在包括汽車行業(yè)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。虛擬儀器由計算機(jī)、相應(yīng)的硬件和驅(qū)動軟件構(gòu)成，功能主要由軟件實現(xiàn);是計算機(jī)硬件資源、儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者的有效結(jié)合;其軟件平臺可由用戶按自己的要求自行定義、設(shè)計，變換非常靈活。

結(jié)合虛擬儀器技術(shù)開發(fā)電動汽車動力平臺測試系統(tǒng)，可以在有限的硬件資源情況下，靈活定制符合多種電動汽車用電機(jī)試驗要求的測試方案，充分解決目前測試過程中采樣速度低、成本高、勞動強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)分析能力弱的缺點。本文建立了電動汽車牽引電機(jī)系統(tǒng)的試驗臺架，開發(fā)了基于虛擬儀器的綜合試驗測試系統(tǒng)，在試驗平臺上完成了動力電池組的放電試驗及牽引電機(jī)系統(tǒng)的測試研究。

1 牽引電機(jī)工作特性

電動汽車牽引電機(jī)系統(tǒng)的工作特性取決于車輛行駛受力狀況，車輛行駛模型[4]為

式（1）中:Ft為總行駛阻力;Ff為滾動阻力;Fw為空氣阻力;Fi為坡度阻力;Fj為加速阻力;m為電動汽車質(zhì)量;g為重力加速度;f為滾動阻力系數(shù);CD為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積;va為行駛速度;α為道路坡道角;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);dv/dt為加速度。

牽引電機(jī)傳遞到車輪上的力F為

式（2）中:T為牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;ig為變速箱速比;io為主減速比;η為傳動效率。綜合式（1）～（2）得

電動汽車行駛時速度經(jīng)常處于不斷的變化當(dāng)中，在公式 （3）中，存在由dv/dt決定的高動態(tài)的加速阻力，因此要求電動汽車動力測試平臺實現(xiàn)負(fù)載的模擬，具有高動態(tài)特性的加載功能。牽引電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵部件，要使電動汽車有良好的使用性能，牽引電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量小、效率高且有動態(tài)制動強(qiáng)和能量回饋等特性[5，6]。

2 電動汽車動力測試平臺硬件結(jié)構(gòu)

針對牽引電機(jī)的工作特性，建立如圖1所示的電動汽車動力平臺試驗臺架。系統(tǒng)硬件主要由測功電機(jī)及其控制器、牽引電機(jī)及其控制器、動力電池組及電池管理系統(tǒng)（BMS）、計算機(jī)采集控制系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)等組成。

圖1 電動汽車動力平臺硬件結(jié)構(gòu)

測試牽引電機(jī)動力性能時，動力電池組或直流傳動單元為牽引電機(jī)系統(tǒng)提供直流電。根據(jù)式（3），采用電慣量原理[7－9]，由測功機(jī)模擬牽引電機(jī)的負(fù)載。主控機(jī)用于控制試驗過程，采用軟件編程實現(xiàn)手動控制和自動控制兩種控制模式。手動模式通過手動輸入數(shù)據(jù)指令控制系統(tǒng)的運行，自動模式下系統(tǒng)按照預(yù)定控制程序自動運行，兩種模式可以自由切換。試驗中的各種數(shù)據(jù)可以在扭矩儀、功率計上實時監(jiān)控，并由主控機(jī)自動記錄。

測試動力電池組放電性能時，供電電源切換到電池組，此時測試電機(jī)動力源來自動力電池組。檢測系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)通過主控機(jī)反饋控制，可以實現(xiàn)電池不同電流、不同輸出功率、能量反饋等工況模擬。來自于動力電池組的能量大部分通過負(fù)載電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，實現(xiàn)能量回收。在進(jìn)行能量反饋測試時，被測牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，發(fā)電產(chǎn)生的電能通過直流傳動單元反饋回電網(wǎng)或者直接對動力電池組充電。

3 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

結(jié)合電動汽車的特點及驅(qū)動電機(jī)測試性能的要求，動力平臺測試內(nèi)容包括電機(jī)外特性、電機(jī)及其控制器的效率、堵轉(zhuǎn)特性、溫升試驗、饋電特性、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性、電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速及超速測試等。為此，需要完成各種電壓和電流、轉(zhuǎn)速和扭矩、水冷介質(zhì)的流量和溫度等參數(shù)的測量，并完成相關(guān)參數(shù)間的計算，如功率、效率、圖形繪制等。因此，設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崟r記錄這些參數(shù)，并保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

虛擬儀器將儀器設(shè)備與計算機(jī)連接起來協(xié)同工作，通過計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲能力，可以極大地擴(kuò)充儀器的功能，提高自動化程度，保證實驗過程中各個參數(shù)測試的同步性和精確性，保證測試精度。測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，從實現(xiàn)的角度將系統(tǒng)分為三個層次:人機(jī)界面層、儀器驅(qū)動層以及硬件資源層。

圖2 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

人機(jī)界面層充分利用虛擬儀器技術(shù)的特點，提供實驗人員與整個測試系統(tǒng)友好方便的交互方式，實現(xiàn)對測試的管理，包括參數(shù)初始設(shè)置、通信設(shè)置、測試項目選擇、測試數(shù)據(jù)保存和測試報表生成等，同時以數(shù)字和圖表的形式在主界面上顯示測試信息。儀器驅(qū)動層提供人機(jī)界面層與硬件資源之間的接口，包括PCI、GPIB、串口RS232以及CAN接口，實現(xiàn)測試系統(tǒng)各部分之間控制指令和信號數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸，其中被測牽引電機(jī)控制器、測功電機(jī)變頻控制器、PLC終端模塊、電池管理系統(tǒng)組成一個四節(jié)點的CAN-bus。硬件資源層是指執(zhí)行具體任務(wù)的各個組成部件，包括被測牽引電機(jī)及控制器、測功電機(jī)及控制器、扭矩儀（負(fù)責(zé)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與扭矩測試）、WT1600功率計 （負(fù)責(zé)電量信號數(shù)據(jù)采集與處理）、動力電池組、水冷裝置及傳感器等。

3.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)電動汽車所使用的電機(jī)系統(tǒng)測試內(nèi)容的不同，為了便于實驗，測試軟件采用項目管理的組織形式。每個測試過程作為一個項目，項目負(fù)責(zé)與之關(guān)聯(lián)的各種測試項目和硬件配置的選擇。每個測試項目為一個特定的測試內(nèi)容，如電機(jī)外特性測試、動力電池組放電特性等，不同電機(jī)系統(tǒng)的測試項目數(shù)量不同，通過軟件實現(xiàn)多個測試內(nèi)容的選定。硬件配置實現(xiàn)了測試過程中各種硬件資源的設(shè)置和標(biāo)定。實驗結(jié)果表明，項目管理組織方式提高了軟件重用性，減少了測試勞動量，提高了測試效率。

測控軟件的主程序運行控制流程如圖3所示，參數(shù)初始化主要完成測試系統(tǒng)的配置，包括電機(jī)工作模式選擇、驅(qū)動信號選擇、文件存儲路徑選擇、數(shù)據(jù)存儲時間間隔設(shè)定、最高轉(zhuǎn)速設(shè)定、峰值電壓電流等，確保測試平臺運行在安全的環(huán)境下。電機(jī)測試是軟件系統(tǒng)的核心部分，針對不同的電機(jī)系統(tǒng)選擇不同的測試項目，包括電機(jī)高效區(qū)測試，外特性測試等。對于不同的測試項目，可分為手動測試和自動測試。如對于外特性測試項目，主要是用于電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩峰值測試，進(jìn)行外特性自動測試時，可調(diào)用事先編寫的子程序進(jìn)行外特性點搜索測試，自動測試和手動測試可自由切換。在測試的過程中，可以實時以ACCESS或EXCEL格式存儲測試項目所需的數(shù)據(jù)，測試完后自動生成電機(jī)不同測試項目的報表和曲線，同時生成動力電池組放電曲線和報表。

圖3 主程序運行控制流程圖

在采用LabVIEW開發(fā)程序界面過程中，充分利用了其在虛擬儀器方面的優(yōu)勢。虛擬狀態(tài)燈和系統(tǒng)狀態(tài)碼的合理使用，使操作者可以實時掌握系統(tǒng)運行的當(dāng)前狀態(tài)，并以此作為下一步操作的指導(dǎo)。另外，虛擬儀表盤的使用使操作者察看系統(tǒng)運行的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速更為輕松和方便。圖4為電機(jī)外特性測試項目的測試界面，控制模式選擇自動控制，此時，轉(zhuǎn)速和扭矩調(diào)節(jié)控件灰掉不可操作，自動模式下系統(tǒng)按照預(yù)定控制過程自動運行，若轉(zhuǎn)換成手動控制，則轉(zhuǎn)速和扭矩調(diào)節(jié)變?yōu)榭刹僮鳡顟B(tài)。

圖4 電機(jī)外特性測試項目界面

4 試驗測試

結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)[10，11]，在建立的測試平臺上對國內(nèi)外多臺車用電機(jī)動力性能進(jìn)行了測試。圖5至7分別是對一臺30KW直流無刷車用電機(jī)在電動狀態(tài)下進(jìn)行測試得到的電機(jī)外特性曲線，電池組放電電流曲線，電機(jī)系統(tǒng)效率圖。測試過程中，動力鋰離子電池組為該測試電機(jī)控制器提供280V直流電力，通過自動調(diào)節(jié)搜索電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩工作點，測試系統(tǒng)實時采集電池組的放電數(shù)據(jù)、電機(jī)控制器的輸入輸出電參數(shù)以及電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、扭矩等。

圖5 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)電動外特性

圖6 電池組放電電流曲線

圖7 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)效率圖

在圖7中，橫坐標(biāo)為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。曲線中的數(shù)值是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率，圖中最外圍的包絡(luò)線為測試得到的電機(jī)工作外特性?？梢钥闯?，該電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的高效區(qū)主要集中在外特性拐點和恒功率區(qū)域，并隨著轉(zhuǎn)速和扭矩的降低而逐漸減小，經(jīng)過計算，電機(jī)系統(tǒng)效率大于80%的區(qū)域面積占整個區(qū)域面積的65.7%。測試結(jié)果符合電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計和控制策略，表明了該測試系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

5 結(jié)論

本文分析了電動汽車牽引電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的工作特點，建立了牽引電機(jī)系統(tǒng)的動力測試平臺，利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計開發(fā)了測試系統(tǒng)軟件，具有測量精度高、自動化程度高以及擴(kuò)展性強(qiáng)等特點。試驗結(jié)果表明，該動力測試平臺能夠?qū)崟r跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)的負(fù)載變化情況，可以模仿驅(qū)動電機(jī)或汽車在行駛中的負(fù)載特性，能夠比較全面的測試牽引電機(jī)的各種特性指標(biāo)，還能夠?qū)恿﹄姵亟M進(jìn)行比較全面的放電性能測試。在該測試平臺上完成了對多臺國內(nèi)外電機(jī)及多組鋰離子動力電池組進(jìn)行的測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，提高了測試效率并減輕了測試勞動強(qiáng)度，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

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