新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)分析

鐘森鳴，黃堅，吳嘉健，蔣晨杰，劉桂雄

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)分析

鐘森鳴，黃堅，吳嘉健，蔣晨杰，劉桂雄

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

針對當前新能源汽車EMI測試系統(tǒng)速度慢、不適用多頻率測試、系統(tǒng)集成化程度低、不滿足動態(tài)工況的問題，提出系統(tǒng)需求分析。在保留原有獨立系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出高效便捷的集成方案與測試框架，對其中的制動壓力測量、EMI快速測試、數(shù)據(jù)同步等關(guān)鍵技術(shù)提供方法和思路，為實現(xiàn)新能源汽車動態(tài)工況EMI測試奠定堅實的基礎(chǔ)。

新能源汽車；動態(tài)工況；制動壓力；快速傅里葉變換

0 引言

新能源汽車發(fā)展迅速，逐步成為重要交通工具[1]，對其電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）測試是重要測試項目[2]，動態(tài)工況下進行EMI測試更符合模擬新能源汽車駕駛情景，SAE J551-5——2012[3]標準明確表示動態(tài)工況將會研究并提出，實現(xiàn)動態(tài)工況EMI測試非常緊迫。目前新能源汽車EMI系統(tǒng)采用超外差掃頻式頻譜儀，速度較慢[4]，不能用于多頻率測試，且汽車工況參數(shù)與EMI數(shù)據(jù)分別由轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)與EMI測試系統(tǒng)采集完成，兩個系統(tǒng)相互獨立。文獻[5]研究發(fā)動機工況與特定頻率下EMI檢測結(jié)果，但該系統(tǒng)無法同時進行多頻率下EMI檢測；文獻[6]利用轉(zhuǎn)鼓與EMI測試系統(tǒng)研究混合動力汽車電磁干擾測量和傳播路徑，但不是在同一平臺完成，給數(shù)據(jù)獲取與分析帶來不便。本文針對目前新能源汽車EMI測試不足，基于系統(tǒng)需求分析，提出新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)集成方案與測試框架，分析動態(tài)工況EMI測試的關(guān)鍵技術(shù)。

1 新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)框架設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

鑒于現(xiàn)有新能源汽車EMI測試系統(tǒng)速度慢、不能用于多頻率測試、集成化程度低等問題，難以有效應(yīng)用到新能源汽車動態(tài)工況EMI測試中，且目前還沒有成套針對動態(tài)工況EMI測試的專用系統(tǒng)。隨著新能源汽車標準不斷更新和推出，對系統(tǒng)的靈活性、兼容性也提出更高要求，研發(fā)一款靈活、方便的新能源汽車動態(tài)工況系統(tǒng)刻不容緩，且必須滿足工況參數(shù)獲取、EMI快速測試、數(shù)據(jù)同步等方面的需求。

1）動態(tài)工況參數(shù)獲取需求新能源汽車動態(tài)工況EMI測試參數(shù)獲取包括兩大板塊，分別是汽車工況參數(shù)、EMI測試參數(shù)。基于現(xiàn)有測試標準，汽車工況參數(shù)包括速度、扭力、加速度和制動壓力等，EMI測試參數(shù)包括磁場強度發(fā)射峰值、電場強度發(fā)射峰值和電場強度發(fā)射平均值等，系統(tǒng)需要準確獲取上述參數(shù)，達到動態(tài)工況參數(shù)獲取需求。

2）EMI快速測試需要當前EMI測試使用超外差掃頻式頻譜儀完成預(yù)掃描、特征頻率掃描兩個流程[7]，耗時幾十秒，顯然毫秒級掃描速度才更符合汽車實際場景。系統(tǒng)需采用新的EMI快速測試技術(shù)，在保證高精度情況下提高掃描速度，達到EMI快速測試需求。

3）數(shù)據(jù)同步需求汽車工況參數(shù)與EMI測試數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)、EMI測試系統(tǒng)集成至同一個系統(tǒng)中完成采集，并研究數(shù)據(jù)同步技術(shù)，對測量數(shù)據(jù)進行時間配準，將多個異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相同時刻下的同步數(shù)據(jù)，達到數(shù)據(jù)同步需求。

1.2 系統(tǒng)集成方案與測試框架

考慮轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)、EMI測試系統(tǒng)相對獨立，為滿足動態(tài)工況EMI測試3個需求且縮短開發(fā)周期，現(xiàn)提出一種系統(tǒng)集成方案。該方案在保留原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過添置數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等硬件設(shè)備與原有外部通信接口完成通信，再利用軟件編程技術(shù)完成控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步等功能。圖1為新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)集成方案圖。

硬件方面采用EMI接收機、數(shù)據(jù)采集卡、工控機、轉(zhuǎn)鼓、天線、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、上位機等設(shè)備。天線接收電磁波后將電壓模擬量通過傳輸總線傳送至EMI接收機，EMI接收機通過通信接口向上位機發(fā)送EMI數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)鼓含有多種傳感器采集速度、扭力等物理量，通過傳輸總線傳至工控機，供數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集卡連接工控機、上位機，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，上位機通過其獲取汽車實時速度、扭力等工況參數(shù)；上位機對新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)包括用戶登陸、設(shè)置參數(shù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、打印報表、數(shù)據(jù)同步等功能。

圖1 新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)集成方案圖

在軟件選擇方面，因為LabVIEW適用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域，支持多種操作系統(tǒng)平臺，連接數(shù)據(jù)庫方便，能對GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件和數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)編程控制，大大減少開發(fā)周期。在集成運用方面，EMI接收機、數(shù)據(jù)采集卡均有官方提供LabVIEW驅(qū)動，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及儀器控制，為集成兩個獨立系統(tǒng)提供便利。

圖2為新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)構(gòu)架圖。系統(tǒng)分為業(yè)務(wù)展現(xiàn)層、核心業(yè)務(wù)層、平臺支撐層、基礎(chǔ)支持層。其中，業(yè)務(wù)展現(xiàn)層為基于LabVIEW開發(fā)的新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)軟件，上位機提供人機交互界面供客戶、管理人員使用，對整個測試系統(tǒng)進行控制、管理；核心業(yè)務(wù)層包括天線子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓子系統(tǒng)、EMI測試子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)負責(zé)各自功能；平臺支撐層由數(shù)據(jù)總線組成，負責(zé)將數(shù)據(jù)傳送至上位機、工控機等設(shè)備；基礎(chǔ)支持層包括運行環(huán)境、系統(tǒng)軟件（LabVIEW）、系統(tǒng)硬件（數(shù)據(jù)采集卡、天線、EMI接收機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等）。其中，制動壓力測量、EMI快速測試、數(shù)據(jù)同步技術(shù)是新能源汽車動態(tài)工況EMI測試的3大難題。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 制動壓力測量技術(shù)

標準SAE J551-5——2012明確表明新能源汽車的制動工況是EMI測試工況之一，因為制動壓力測試困難，當前企業(yè)難以實現(xiàn)制動工況下EMI測試。有學(xué)者研究電液制動系統(tǒng)能量回收策略時，使用壓力傳感器直接測量制動壓力[7]，但安裝位置及接口需要根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)而改變，引入傳感器更會影響EMI測試；英國學(xué)者通過在碟式制動盤剎車塊中嵌入壓力應(yīng)變薄膜，從而獲取制動壓力[8]，但改造力度大，難以實施；文獻[9]通過在制動踏板上加裝角度傳感器及力傳感器，驗證踏板偏轉(zhuǎn)角度、踏板力兩者與制動壓力均具有良好的線性關(guān)系，由此得出制動壓力，但需先進行標定，過程繁復(fù)，精度不足。新能源汽車動態(tài)工況也需要考慮制動工況，研究一種不改變現(xiàn)有汽車結(jié)構(gòu)、實施簡便的制動壓力間接測量方法是急需解決的難題，而根據(jù)液壓缸推力公式、制動輪缸傳力分析、車輪與轉(zhuǎn)鼓相對運動等，推出車輪及轉(zhuǎn)軸力學(xué)模型，在底盤測功機運行情況下測量制動壓力是間接測量方法之一。從原理推導(dǎo)制動壓力，在理想情況中測出的制動壓力相對誤差可小于5%，最小分辨力可達0.001MPa。

2.2 EMI快速測試技術(shù)

滿足新能源汽車動態(tài)工況EMI測試需要極高掃描速度，經(jīng)典EMI測試中使用超外差掃頻式頻譜分析儀，但其測量效率低，隨著待測物的頻率測量范圍不斷擴大，耗時較大，實時性較差，存在漏檢可能，不符合新能源汽車動態(tài)工況EMI測試需求。多通道掃描技術(shù)[10]適用于多頻率測試，效率較高，文獻[11]研制多通道電磁兼容測試系統(tǒng)的信號放大與數(shù)據(jù)采集電路，實現(xiàn)可控增益，但其成本比其他掃描方式高，不常用于EMI測試中。而基于FFT頻率掃描技術(shù)擁有實時性好、頻段齊全、效率較高的特點，一次頻譜掃描耗時在30ms內(nèi)，通過運用加窗、插值等優(yōu)化技術(shù)更使測試頻段范圍在1GHz內(nèi)幅值誤差小于0.5dB，故基于FFT頻率掃描技術(shù)可運用于新能源汽車動態(tài)工況EMI測試中[12]。

圖2 新能源汽車動態(tài)工況EMI測試系統(tǒng)構(gòu)架圖

2.3 數(shù)據(jù)同步技術(shù)

在新能源汽車動態(tài)工況EMI測試中，由于轉(zhuǎn)鼓子系統(tǒng)、EMI測試子系統(tǒng)在采樣起始時間、采樣頻率、傳輸延遲上難以相同，上位機獲取數(shù)據(jù)后通常需要先對測量數(shù)據(jù)進行時間配準，將多個異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相同時刻下的同步數(shù)據(jù)。其中，添加精準時間戳是同步數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前添加時間戳方法主要有單時間戳法、首尾時間戳法兩種。其中單時間戳法僅知一段已知采樣頻率數(shù)據(jù)的起始或結(jié)束時間，利用采樣頻率計算出該段數(shù)據(jù)其余各個數(shù)據(jù)時間戳，該方法為添加時間戳的最基本方法，但若該段數(shù)據(jù)采樣頻率在采樣過程中發(fā)生預(yù)料以外變化，時間戳精準度難以保證；首尾時間戳法則僅知一段已知其數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的起始、結(jié)束時間，使用插值方法計算出其余各個數(shù)據(jù)時間戳，相比單時間戳法能將該段數(shù)據(jù)采樣過程中的誤差均攤至整段數(shù)據(jù)，可以提高時間戳精度。在新能源汽車動態(tài)工況EMI測試中，可利用LabVIEW有限狀態(tài)機技術(shù)在狀態(tài)轉(zhuǎn)移中獲取EMI測試起始和結(jié)束時間戳，并利用插值方法（如牛頓-萊布尼茨插值等）實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，同步精度可達到1ms。

3 結(jié)束語

1）針對現(xiàn)有新能源汽車EMI測試系統(tǒng)的不足，提出一種高效便捷的系統(tǒng)集成方案，在保留原有轉(zhuǎn)鼓子系統(tǒng)、EMI測試子系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過添置數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等硬件設(shè)備與原有外部通信接口完成通信，再利用軟件編程技術(shù)滿足動態(tài)工況測試。

2）指出新能源汽車動態(tài)工況需要考慮制動工況，研究一種不改變現(xiàn)有汽車結(jié)構(gòu)、實施簡便的制動壓力間接測量方法是急需解決難題；滿足新能源汽車動態(tài)工況EMI測試需要極高掃描速率，基于FFT頻率掃描技術(shù)可運用于新能源汽車動態(tài)工況EMI測試中；可利用LabVIEW有限狀態(tài)機技術(shù)在狀態(tài)轉(zhuǎn)移中獲取EMI測試起始和結(jié)束時間戳，并利用插值方法（如牛頓-萊布尼茨插值等）實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

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（編輯：劉楊）

Frame design and key technical analysis of EMI test system for new energy vehicle dynamic condition

ZHONG Senming，HUANG Jian，WU Jiajian，JIANG Chenjie，LIU Guixiong
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Aiming at the current problems of new energy vehicle EMI test system such as low speed，not applicable to multi-frequency test and low degree of system integration and not in conformity with dynamic conditions of EMI test，requirement analysis of system was proposed.With the original independent system reserved，efficient and convenient integration plan and test framework was proposed to provide methods and ideas for brake pressure measurement，EMI fast test，data synchronization and other key technologies and lay a solid foundation to achieve the new energy vehicle dynamic conditions EMI test.

new energy vehicle；dynamic condition；brake pressure；FFT

A

1674-5124（2017）08-0076-04

2017-04-05；

2017-05-10

廣州市科技計劃項目（201504010037）

鐘森鳴（1993-），男，博士研究生，主要從事光機電信息集成與系統(tǒng)方向的研究。

劉桂雄（1968-），男，廣東揭陽市人，教授，博導(dǎo)，主要從事先進傳感與儀器研究。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.016