伍慶龍 劉忠途 宗志堅(jiān)

（中山大學(xué)工學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)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(shì)已引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。牽引電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的核心，動(dòng)力電池組是電動(dòng)汽車(chē)主要的動(dòng)力源[2]。一套適用電動(dòng)汽車(chē)牽引電機(jī)及動(dòng)力電池的測(cè)試平臺(tái)對(duì)于整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)非常重要，然而目前國(guó)內(nèi)的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)一般不是針對(duì)車(chē)用牽引電機(jī)而設(shè)計(jì)，而且自動(dòng)化程度不高，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法完全滿(mǎn)足性能測(cè)試的需要。因此有必要建立一套專(zhuān)用的測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)，這對(duì)于整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化至關(guān)重要。

虛擬儀器技術(shù)是在自動(dòng)化測(cè)試和控制領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，其代表產(chǎn)品為美國(guó)NI儀器公司的LabVIEW，目前在包括汽車(chē)行業(yè)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。虛擬儀器由計(jì)算機(jī)、相應(yīng)的硬件和驅(qū)動(dòng)軟件構(gòu)成，功能主要由軟件實(shí)現(xiàn);是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器與測(cè)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(tái)可由用戶(hù)按自己的要求自行定義、設(shè)計(jì)，變換非常靈活。

結(jié)合虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力平臺(tái)測(cè)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(dòng)汽車(chē)用電機(jī)試驗(yàn)要求的測(cè)試方案，充分解決目前測(cè)試過(guò)程中采樣速度低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)分析能力弱的缺點(diǎn)。本文建立了電動(dòng)汽車(chē)牽引電機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架，開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器的綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，在試驗(yàn)平臺(tái)上完成了動(dòng)力電池組的放電試驗(yàn)及牽引電機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試研究。

1 牽引電機(jī)工作特性

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

式（1）中:Ft為總行駛阻力;Ff為滾動(dòng)阻力;Fw為空氣阻力;Fi為坡度阻力;Fj為加速阻力;m為電動(dòng)汽車(chē)質(zhì)量;g為重力加速度;f為滾動(dòng)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(chē)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(chē)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(dòng)效率。綜合式（1）～（2）得

電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)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(dòng)態(tài)的加速阻力，因此要求電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的模擬，具有高動(dòng)態(tài)特性的加載功能。牽引電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，要使電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量小、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋等特性[5，6]。

2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

針對(duì)牽引電機(jī)的工作特性，建立如圖1所示的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力平臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)架。系統(tǒng)硬件主要由測(cè)功電機(jī)及其控制器、牽引電機(jī)及其控制器、動(dòng)力電池組及電池管理系統(tǒng)（BMS）、計(jì)算機(jī)采集控制系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)等組成。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

測(cè)試牽引電機(jī)動(dòng)力性能時(shí)，動(dòng)力電池組或直流傳動(dòng)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(cè)功機(jī)模擬牽引電機(jī)的負(fù)載。主控機(jī)用于控制試驗(yàn)過(guò)程，采用軟件編程實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制模式。手動(dòng)模式通過(guò)手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)指令控制系統(tǒng)的運(yùn)行，自動(dòng)模式下系統(tǒng)按照預(yù)定控制程序自動(dòng)運(yùn)行，兩種模式可以自由切換。試驗(yàn)中的各種數(shù)據(jù)可以在扭矩儀、功率計(jì)上實(shí)時(shí)監(jiān)控，并由主控機(jī)自動(dòng)記錄。

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

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試性能的要求，動(dòng)力平臺(tái)測(cè)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(yàn)、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(cè)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(cè)量，并完成相關(guān)參數(shù)間的計(jì)算，如功率、效率、圖形繪制等。因此，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)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(jì)算機(jī)連接起來(lái)協(xié)同工作，通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲(chǔ)能力，可以極大地?cái)U(kuò)充儀器的功能，提高自動(dòng)化程度，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)參數(shù)測(cè)試的同步性和精確性，保證測(cè)試精度。測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，從實(shí)現(xiàn)的角度將系統(tǒng)分為三個(gè)層次:人機(jī)界面層、儀器驅(qū)動(dòng)層以及硬件資源層。

圖2 測(cè)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(diǎn)，提供實(shí)驗(yàn)人員與整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)友好方便的交互方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試的管理，包括參數(shù)初始設(shè)置、通信設(shè)置、測(cè)試項(xiàng)目選擇、測(cè)試數(shù)據(jù)保存和測(cè)試報(bào)表生成等，同時(shí)以數(shù)字和圖表的形式在主界面上顯示測(cè)試信息。儀器驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)各部分之間控制指令和信號(hào)數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸，其中被測(cè)牽引電機(jī)控制器、測(cè)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(gè)四節(jié)點(diǎn)的CAN-bus。硬件資源層是指執(zhí)行具體任務(wù)的各個(gè)組成部件，包括被測(cè)牽引電機(jī)及控制器、測(cè)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(cè)試）、WT1600功率計(jì) （負(fù)責(zé)電量信號(hào)數(shù)據(jù)采集與處理）、動(dòng)力電池組、水冷裝置及傳感器等。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)所使用的電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容的不同，為了便于實(shí)驗(yàn)，測(cè)試軟件采用項(xiàng)目管理的組織形式。每個(gè)測(cè)試過(guò)程作為一個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目負(fù)責(zé)與之關(guān)聯(lián)的各種測(cè)試項(xiàng)目和硬件配置的選擇。每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目為一個(gè)特定的測(cè)試內(nèi)容，如電機(jī)外特性測(cè)試、動(dòng)力電池組放電特性等，不同電機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目數(shù)量不同，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試內(nèi)容的選定。硬件配置實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程中各種硬件資源的設(shè)置和標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，項(xiàng)目管理組織方式提高了軟件重用性，減少了測(cè)試勞動(dòng)量，提高了測(cè)試效率。

測(cè)控軟件的主程序運(yùn)行控制流程如圖3所示，參數(shù)初始化主要完成測(cè)試系統(tǒng)的配置，包括電機(jī)工作模式選擇、驅(qū)動(dòng)信號(hào)選擇、文件存儲(chǔ)路徑選擇、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間間隔設(shè)定、最高轉(zhuǎn)速設(shè)定、峰值電壓電流等，確保測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行在安全的環(huán)境下。電機(jī)測(cè)試是軟件系統(tǒng)的核心部分，針對(duì)不同的電機(jī)系統(tǒng)選擇不同的測(cè)試項(xiàng)目，包括電機(jī)高效區(qū)測(cè)試，外特性測(cè)試等。對(duì)于不同的測(cè)試項(xiàng)目，可分為手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試。如對(duì)于外特性測(cè)試項(xiàng)目，主要是用于電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩峰值測(cè)試，進(jìn)行外特性自動(dòng)測(cè)試時(shí)，可調(diào)用事先編寫(xiě)的子程序進(jìn)行外特性點(diǎn)搜索測(cè)試，自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試可自由切換。在測(cè)試的過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)以ACCESS或EXCEL格式存儲(chǔ)測(cè)試項(xiàng)目所需的數(shù)據(jù)，測(cè)試完后自動(dòng)生成電機(jī)不同測(cè)試項(xiàng)目的報(bào)表和曲線，同時(shí)生成動(dòng)力電池組放電曲線和報(bào)表。

圖3 主程序運(yùn)行控制流程圖

在采用LabVIEW開(kāi)發(fā)程序界面過(guò)程中，充分利用了其在虛擬儀器方面的優(yōu)勢(shì)。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(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)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(pán)的使用使操作者察看系統(tǒng)運(yùn)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(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試界面，控制模式選擇自動(dòng)控制，此時(shí)，轉(zhuǎn)速和扭矩調(diào)節(jié)控件灰掉不可操作，自動(dòng)模式下系統(tǒng)按照預(yù)定控制過(guò)程自動(dòng)運(yùn)行，若轉(zhuǎn)換成手動(dòng)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(cè)試項(xiàng)目界面

4 試驗(yàn)測(cè)試

結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10，11]，在建立的測(cè)試平臺(tái)上對(duì)國(guó)內(nèi)外多臺(tái)車(chē)用電機(jī)動(dòng)力性能進(jìn)行了測(cè)試。圖5至7分別是對(duì)一臺(tái)30KW直流無(wú)刷車(chē)用電機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)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(cè)試過(guò)程中，動(dòng)力鋰離子電池組為該測(cè)試電機(jī)控制器提供280V直流電力，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)搜索電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩工作點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)外特性

圖6 電池組放電電流曲線

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的效率，圖中最外圍的包絡(luò)線為測(cè)試得到的電機(jī)工作外特性?？梢钥闯?，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效區(qū)主要集中在外特性拐點(diǎn)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(guò)計(jì)算，電機(jī)系統(tǒng)效率大于80%的區(qū)域面積占整個(gè)區(qū)域面積的65.7%。測(cè)試結(jié)果符合電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制策略，表明了該測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

本文分析了電動(dòng)汽車(chē)牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，建立了牽引電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)，利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)軟件，具有測(cè)量精度高、自動(dòng)化程度高以及擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的負(fù)載變化情況，可以模仿驅(qū)動(dòng)電機(jī)或汽車(chē)在行駛中的負(fù)載特性，能夠比較全面的測(cè)試牽引電機(jī)的各種特性指標(biāo)，還能夠?qū)?dòng)力電池組進(jìn)行比較全面的放電性能測(cè)試。在該測(cè)試平臺(tái)上完成了對(duì)多臺(tái)國(guó)內(nèi)外電機(jī)及多組鋰離子動(dòng)力電池組進(jìn)行的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了測(cè)試效率并減輕了測(cè)試勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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