新能源汽車驅(qū)動能耗采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚柳 劉建鑫

摘要：汽車工業(yè)是交通運(yùn)輸?shù)闹匾A(chǔ)，為提高新能源汽車在行車過程中的能量利用效率，有必要對車輛的的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)的主要目的是建立基于虛擬儀器的的新能源汽車能耗采集和分析系統(tǒng)，構(gòu)建便捷、高效信息平臺，提高科研人員和駕駛員控制與管理能力車輛能耗的能力，設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個方面。

關(guān)鍵詞：能耗數(shù)據(jù)采集;虛擬儀器;采集;傳輸

引言

新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)有多方面的意義，可以有效提高能量在新能源汽車上的利用率，減少資源的消耗，有利于可持續(xù)發(fā)展，有助于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低汽車的運(yùn)輸成本，提高物流行業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。通過分析新能源汽車驅(qū)動能耗數(shù)據(jù)，有助于發(fā)現(xiàn)行車過程中的能源浪費(fèi)等問題，通過調(diào)整新能源汽車的工況及控制方式，可提高能源利用率。本文設(shè)計(jì)是采用虛擬儀器的自動化采集與傳輸技術(shù)，應(yīng)用于新能源汽車能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸，通過LabVIEW軟件編程，實(shí)現(xiàn)常用能耗數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析和處理。開發(fā)驅(qū)動能耗測量傳輸系統(tǒng)研究現(xiàn)有新能源汽車的驅(qū)動能耗數(shù)據(jù)，在新能源汽車節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)過程中具有重要的指導(dǎo)意義。

1.設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)硬件、軟件和總線技術(shù)的集成，并向其他技術(shù)領(lǐng)域滲透，將測試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物。在20世紀(jì)80年代由美國國家儀器公司（National Instruments）提出，核心概念是將計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一硬件，利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲、調(diào)用、顯示等功能，把傳統(tǒng)儀器的功能軟件化。LabVIEW軟件是一種圖形化編程平臺，采用G語言（Graphics Language）進(jìn)行圖形化編程，軟件設(shè)計(jì)程序具有直觀性，無需文本代碼，軟件具有豐富數(shù)據(jù)采集和信號分析的處理函數(shù)，為用戶提供選擇模塊，同時提供C語言等擴(kuò)展接口。

LabVIEW程序開發(fā)平臺的基本組成包括：虛擬儀器面板、驅(qū)動程序、開發(fā)環(huán)境等。在LabVIEW 軟件平臺上集成高性能的運(yùn)算器和數(shù)據(jù)存儲器，實(shí)現(xiàn)各類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)能耗試驗(yàn)平臺主要是采集功率數(shù)據(jù)，其采集基本物理量為直流電流數(shù)據(jù)，試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)對其進(jìn)行分析和處理。平臺具有高速、多通道信號測量功能，可有效對新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)電流信號進(jìn)行采集和分析，并可通過多通道I/O端口與各類網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)在線式能耗采集傳輸。

新能源汽車驅(qū)動能耗數(shù)據(jù)采集主要是對行車過程中的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以便科研人員能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析，從而尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低能耗，提高設(shè)計(jì)車輛性能。該能耗試驗(yàn)平臺主要對電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而使能耗監(jiān)測變得更加簡單。設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)新能源汽車驅(qū)動能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的操作方便性以及更好的維護(hù)和升級，采集系統(tǒng)由采集卡、傳感器配合LabVIEW系統(tǒng)進(jìn)行。

數(shù)據(jù)的采集就是在計(jì)算機(jī)控制下，通過A/D轉(zhuǎn)化器把新能源汽車行車過程中連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。平臺是將模擬信號按一定的時間間隔抽取其瞬時值，從而把一個連續(xù)時間函數(shù)信號變成每隔一定時間間隔才有函數(shù)值的離散信號樣本采集，通過LabVIEW軟件設(shè)計(jì)，使其對信號樣本進(jìn)行處理，最后通過計(jì)算機(jī)顯示處理后的波形圖并導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以方便科研人員進(jìn)行能耗分析。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器

傳感器是感受被測量對象并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件，由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。設(shè)計(jì)新能源汽車驅(qū)動能耗試驗(yàn)平臺主要是對輪轂驅(qū)動的主電機(jī)進(jìn)行功率測量，在新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，常采用交流永磁同步電機(jī)，參考市面車型可知新能源汽車驅(qū)動最大功率范圍常≤200kW，電壓400V左右，電源經(jīng)過穩(wěn)壓電路參數(shù)相對穩(wěn)定，可采取測量電流作為間接測量來獲取功率能耗信息。考慮測量系統(tǒng)需要一定余量，以及充分考慮瞬時過載對系統(tǒng)的影響，參考相關(guān)傳感器參數(shù)說明選擇。經(jīng)核定選擇電流傳感器為測量霍爾開口直流大電流FX-BY-D型傳感器，其工作參數(shù)為：測量范圍為DC：0-800A;輸出信號為DC：5V;電源電壓為+5V;精度為≤0.5%;反應(yīng)時間為≤0.25s;工作溫度為-20℃-80℃;線性度為0.1%。

2.2數(shù)據(jù)采集卡

新能源汽車的驅(qū)動能耗數(shù)據(jù)具有持續(xù)性，為實(shí)現(xiàn)新能源汽車能耗數(shù)據(jù)及時有效采集，須要配置高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集卡和處理芯片。通信采用USB串口，外部高性能AD芯片，對模擬信號進(jìn)行測量，可在單端模式和差分模式下測量。數(shù)據(jù)采集卡選用YAV-8AD-PRO-USB，其可以連續(xù)高速采集能耗數(shù)據(jù)，性能穩(wěn)定。其參數(shù)為：通道數(shù)為8;供電方式為USB;采樣頻率為50Hz;量程為為5v與傳感器輸出一致;精度為≤0.5%

3.軟件程序設(shè)計(jì)

基于LabVIEW軟件開發(fā)新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，主要分為3方面。首先創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)面板，程序的面板是用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和獲取輸出結(jié)果的位置，采用按鈕、旋鈕、示意圖等元素設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)面板，其界面具有良好交互性，且簡單美觀。然后創(chuàng)建圖形化程序，這是新能源汽車能耗采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，將前面板窗口切換到程序框圖，該框圖會顯示面板對應(yīng)的程序，用數(shù)據(jù)連線連接程序的端口的圖標(biāo)。最后進(jìn)行程序的試運(yùn)行，當(dāng)程序出現(xiàn)錯誤時，進(jìn)入程序框圖窗口，尋找報(bào)錯位置，并進(jìn)行修改。

4.性能測試

通過對試驗(yàn)平臺硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，開發(fā)出新能源汽車能耗試驗(yàn)系統(tǒng)。將開發(fā)出的能耗試驗(yàn)采集傳輸系統(tǒng)，搭載新能源汽車進(jìn)行試驗(yàn)。具體操作過程為：首先將傳感器接入到驅(qū)動電機(jī)能耗輸入端;然后將傳感器和數(shù)據(jù)采集卡通過USB連接到計(jì)算機(jī)，接通采集系統(tǒng)電源;最后在交互頁面開啟監(jiān)控系統(tǒng)，操作車輛進(jìn)行加速、勻速、減速等操作，觀察面板輸出設(shè)備波形，數(shù)據(jù)以txt、excel等格式輸出各個采集時間點(diǎn)瞬時信息。該系統(tǒng)測試結(jié)果表明監(jiān)測傳輸系統(tǒng)精度高、反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性好，符合設(shè)計(jì)設(shè)定的目標(biāo)。

5.結(jié)語

新能源汽車能耗數(shù)據(jù)的采集對于改善其能源利用率，提高節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)水平具有重要意義。本文設(shè)計(jì)以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，對能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最后經(jīng)過測試表明，設(shè)計(jì)的能耗試驗(yàn)采集傳輸平臺具有精度高、操作簡便、時效性高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的特征，適合用于新能源汽車能耗數(shù)據(jù)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]毋青松，鐘兵，羅映，等.基于LabVIEW的智能汽車自動駕駛開發(fā)平臺數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2020（1）：

[2]張立霞.LabVIEW在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用分析[J].電腦知識與技術(shù)，2020，v.16（10）

[3]孫建民，楊清梅.虛擬儀器技術(shù)及其在汽車工程測試中的應(yīng)用[J].公路交通科技，2002.19（6）：

作者簡介：姚柳，碩士研究生，工程師，主要從事機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面研究。