新能源汽車動態工況EMI測試系統構架設計與關鍵技術分析

鐘森鳴，黃堅，吳嘉健，蔣晨杰，劉桂雄

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

新能源汽車動態工況EMI測試系統構架設計與關鍵技術分析

鐘森鳴，黃堅，吳嘉健，蔣晨杰，劉桂雄

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

針對當前新能源汽車EMI測試系統速度慢、不適用多頻率測試、系統集成化程度低、不滿足動態工況的問題，提出系統需求分析。在保留原有獨立系統基礎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、數據同步等關鍵技術提供方法和思路，為實現新能源汽車動態工況EMI測試奠定堅實的基礎。

新能源汽車；動態工況；制動壓力；快速傅里葉變換

0 引言

新能源汽車發展迅速，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]標準明確表示動態工況將會研究并提出，實現動態工況EMI測試非常緊迫。目前新能源汽車EMI系統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，且汽車工況參數與EMI數據分別由轉鼓系統與EMI測試系統采集完成，兩個系統相互獨立。文獻[5]研究發動機工況與特定頻率下EMI檢測結果，但該系統無法同時進行多頻率下EMI檢測；文獻[6]利用轉鼓與EMI測試系統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，給數據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，基于系統需求分析，提出新能源汽車動態工況EMI測試系統集成方案與測試框架，分析動態工況EMI測試的關鍵技術。

1 新能源汽車動態工況EMI測試系統框架設計

1.1 系統需求分析

鑒于現有新能源汽車EMI測試系統速度慢、不能用于多頻率測試、集成化程度低等問題，難以有效應用到新能源汽車動態工況EMI測試中，且目前還沒有成套針對動態工況EMI測試的專用系統。隨著新能源汽車標準不斷更新和推出，對系統的靈活性、兼容性也提出更高要求，研發一款靈活、方便的新能源汽車動態工況系統刻不容緩，且必須滿足工況參數獲取、EMI快速測試、數據同步等方面的需求。

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

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。系統需采用新的EMI快速測試技術，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）數據同步需求汽車工況參數與EMI測試數據從轉鼓系統、EMI測試系統集成至同一個系統中完成采集，并研究數據同步技術，對測量數據進行時間配準，將多個異步數據轉換為相同時刻下的同步數據，達到數據同步需求。

1.2 系統集成方案與測試框架

考慮轉鼓系統、EMI測試系統相對獨立，為滿足動態工況EMI測試3個需求且縮短開發周期，現提出一種系統集成方案。該方案在保留原有系統基礎上，通過添置數據采集卡、數據庫服務器等硬件設備與原有外部通信接口完成通信，再利用軟件編程技術完成控制、數據采集、數據同步等功能。圖1為新能源汽車動態工況EMI測試系統集成方案圖。

硬件方面采用EMI接收機、數據采集卡、工控機、轉鼓、天線、數據庫服務器、上位機等設備。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送EMI數據；轉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，供數據采集卡采集數據；數據采集卡連接工控機、上位機，將模擬信號轉變為數字信號，上位機通過其獲取汽車實時速度、扭力等工況參數；上位機對新能源汽車動態工況EMI測試系統進行控制，實現包括用戶登陸、設置參數、數據采集、數據存儲、打印報表、數據同步等功能。

圖1 新能源汽車動態工況EMI測試系統集成方案圖

在軟件選擇方面，因為LabVIEW適用于儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示等領域，支持多種操作系統平臺，連接數據庫方便，能對GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件和數據采集卡實現編程控制，大大減少開發周期。在集成運用方面，EMI接收機、數據采集卡均有官方提供LabVIEW驅動，可實現數據傳輸及儀器控制，為集成兩個獨立系統提供便利。

圖2為新能源汽車動態工況EMI測試系統構架圖。系統分為業務展現層、核心業務層、平臺支撐層、基礎支持層。其中，業務展現層為基于LabVIEW開發的新能源汽車動態工況EMI測試系統軟件，上位機提供人機交互界面供客戶、管理人員使用，對整個測試系統進行控制、管理；核心業務層包括天線子系統、轉鼓子系統、EMI測試子系統、數據庫子系統，各個子系統負責各自功能；平臺支撐層由數據總線組成，負責將數據傳送至上位機、工控機等設備；基礎支持層包括運行環境、系統軟件（LabVIEW）、系統硬件（數據采集卡、天線、EMI接收機、數據庫服務器等）。其中，制動壓力測量、EMI快速測試、數據同步技術是新能源汽車動態工況EMI測試的3大難題。

2 關鍵技術分析

2.1 制動壓力測量技術

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，當前企業難以實現制動工況下EMI測試。有學者研究電液制動系統能量回收策略時，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車輛結構而改變，引入傳感器更會影響EMI測試；英國學者通過在碟式制動盤剎車塊中嵌入壓力應變薄膜，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，驗證踏板偏轉角度、踏板力兩者與制動壓力均具有良好的線性關系，由此得出制動壓力，但需先進行標定，過程繁復，精度不足。新能源汽車動態工況也需要考慮制動工況，研究一種不改變現有汽車結構、實施簡便的制動壓力間接測量方法是急需解決的難題，而根據液壓缸推力公式、制動輪缸傳力分析、車輪與轉鼓相對運動等，推出車輪及轉軸力學模型，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

滿足新能源汽車動態工況EMI測試需要極高掃描速度，經典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工況EMI測試需求。多通道掃描技術[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的信號放大與數據采集電路，實現可控增益，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，通過運用加窗、插值等優化技術更使測試頻段范圍在1GHz內幅值誤差小于0.5dB，故基于FFT頻率掃描技術可運用于新能源汽車動態工況EMI測試中[12]。

圖2 新能源汽車動態工況EMI測試系統構架圖

2.3 數據同步技術

在新能源汽車動態工況EMI測試中，由于轉鼓子系統、EMI測試子系統在采樣起始時間、采樣頻率、傳輸延遲上難以相同，上位機獲取數據后通常需要先對測量數據進行時間配準，將多個異步數據轉換為相同時刻下的同步數據。其中，添加精準時間戳是同步數據的關鍵技術之一。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據的起始或結束時間，利用采樣頻率計算出該段數據其余各個數據時間戳，該方法為添加時間戳的最基本方法，但若該段數據采樣頻率在采樣過程中發生預料以外變化，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據量數據的起始、結束時間，使用插值方法計算出其余各個數據時間戳，相比單時間戳法能將該段數據采樣過程中的誤差均攤至整段數據，可以提高時間戳精度。在新能源汽車動態工況EMI測試中，可利用LabVIEW有限狀態機技術在狀態轉移中獲取EMI測試起始和結束時間戳，并利用插值方法（如牛頓-萊布尼茨插值等）實現數據同步，同步精度可達到1ms。

3 結束語

1）針對現有新能源汽車EMI測試系統的不足，提出一種高效便捷的系統集成方案，在保留原有轉鼓子系統、EMI測試子系統基礎上，通過添置數據采集卡、數據庫服務器等硬件設備與原有外部通信接口完成通信，再利用軟件編程技術滿足動態工況測試。

2）指出新能源汽車動態工況需要考慮制動工況，研究一種不改變現有汽車結構、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工況EMI測試需要極高掃描速率，基于FFT頻率掃描技術可運用于新能源汽車動態工況EMI測試中；可利用LabVIEW有限狀態機技術在狀態轉移中獲取EMI測試起始和結束時間戳，并利用插值方法（如牛頓-萊布尼茨插值等）實現數據同步。

[1]THOMA B，O'SULLIVAN D.Study of chinese and european automotive R&D-innovative approaches to new energyvehiclerequirements[C]∥International Ice Conference on Engineering，Technology and Innovation，2012.

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[9]姜文平，張振東，王小燕，等.工程車全液壓制動系統性能試驗臺設計[J].上海理工大學學報，2015（5）：467-472.

[10]程德望.EMI虛擬暗室測試系統設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[11]楊永帥.多通道電磁兼容測試系統中的信號放大與數據采集電路研制[D].南京：南京理工大學，2014.

[12]黃瑞成，劉桂雄，黃堅，等.基于掃頻調整預掃描的快速EMI測試關鍵技術研究[J].電子測量與儀器學報，2016，30（8）：1269-1274.

（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方向的研究。

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

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.016