基于Lab VIEW的DC/DC變換器測試系統的設計與開發*

郭昊，楊凌霄，趙瑞林

（天津職業技術師范大學 汽車與交通學院，天津 300222）

前言

純電動汽車與燃油汽車不同，純電動汽車增加了高壓系統。整體結構圖如圖1所示。純電動汽車依靠高壓動力電池驅動電動機，從而驅動車輪。同時電動汽車仍然需要電子控制單元實現車身控制、儀表顯示等低壓電路。DC/DC變換器代替了燃油汽車中的發電機，它將動力電池的高壓直流電轉換成14V的低壓電，為電子控制單元、儀表、車燈、雨刷等低壓電器供電，同時為低壓輔助蓄電池充電。DC/DC變換器在電動汽車高壓系統和低壓系統之間起著橋梁作用。然而，由于動力電池隨SOC值變化輸出電壓存在明顯的波動，且動力電池和低壓輔助蓄電池兩者在電壓等級上存在較大差距，所以DC/DC變換器要具備寬電壓輸入、可調電壓輸出、高低壓隔離及高轉化效率等特點。因此，對DC/DC變換器性能檢測是很有必要的。DC/DC變換器的性能直接決定了其電能質量和可靠性。

目前DC/DC變換器的參數檢測主要依賴人工測量，測試過程不夠簡便，效率不高，各個測試數據準確度不佳，很難保證測試結果的準確性和可靠性。針對這一現狀，本文結合DC/DC變換器的電氣參數測試要求和數據采集技術，開發了基于Lab VIEW平臺的DC/DC變換器的測試系統。該檢測系統使用簡便，可實現DC/DC變換器各項參數的數據采集和實時展示，可用于DC/DC變換器的實驗性驗證和綜合評定，利于設計優化。

圖1 電動汽車整體結構圖

1 測試平臺原理介紹

測試平臺整體結構如圖2所示。整個測試平臺主要由硬件平臺和軟件平臺兩部分構成[1]。其中硬件平臺主要包括可調式程控電源、DC/DC變換器、電子負載、數據采集電壓和電流傳感器、信號采集電路、數據采集卡。軟件平臺主要是基于Lab VIEW虛擬儀器軟件的應用程序。電壓傳感器和電流傳感器將采集的DC/DC變換器電壓電流信號經信號采集電路做放大、濾波、線性化等處理后，接入數據采集卡；數據采集卡將DC/DC變換器的輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流等模擬量轉換為數字信號和簡單的數據處理后，上傳至Lab VIEW虛擬儀器平臺。Lab VIEW虛擬儀器平臺通過實時數據的分析處理，將數據實時顯示在相應界面上。整個測試平臺的核心是虛擬儀器軟件平臺，其控制整個測試平臺完成全部測試任務，主要包括參數設置、測試輸入電源控制、模擬電子負載控制、測試流程控制和實際測試結果的顯示和保存[2]。在整個測試過程中，Lab VIEW虛擬儀器平臺直接控制程控電源和電子負載，模擬DC/DC變換器處于不同的工作狀態，進而測量不同狀態的被測DC/DC變換器的電氣參數。

圖2 測試系統結構圖

2 測試需求分析

DC/DC變換器是一種電力變換器，它是一種將直流電源從一種電壓電平轉換為另一種電壓電平的電路，通過暫時存儲輸入的電能，然后將存儲的電能釋放。存儲的元件可能是磁場存儲元件（電感，變壓器），也可以是電場存儲元件，（電容）。通過控制占空比從而實現電壓、電流的調節[3]。

在研發設計階段，掌握準確的設計數據對產品的質量評定至關重要。通過數據測量可反映產品性能。

DC/DC變換器的主要測試參數包括電源調整率、負載調整率、輸出電壓精度、紋波及噪聲、效率、短路和過電流保護[4]。實際測試中，控制程控電源和電子負載模擬DC/DC變換器處于不同的工作狀態，對DC/DC變換器的輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流的數據采集，進一步分析計算便可以得到DC/DC變換器的功率、效率等性能參數，達到測試目的。

3 系統硬件設計

整個測試系統為保證測試的準確度，必須保證檢測設備或儀器的準確性和數據處理的精確度。在硬件選擇時，除滿足DC/DC變換器輸入輸出的基本參數外，應盡量保證硬件設備的精確度和準確性，以滿足測試結果的有效性。硬件選擇時，本課題選用了安捷倫公司的可編程直流電源Agilent E3643A和N3302A電子負載模塊，E3643A電源具有0.01%的負載和電源調整率，即使在電源和負載變動時也能保持穩定的輸出。常模電壓噪聲和共模電流噪聲很低。確保測試結果的準確性。可編程直流電源和電子負載模塊均自帶GBIP接口，可直接與Lab VIEW虛擬儀器平臺相連，其驅動程序可在NI官網下載，在編程中可直接調用驅動程序，以便進行控制。數據采集卡選擇Smacq的USB-1252A多功能數據采集卡，提供 12-bit，最高采樣率達 500kS/s，最多 16個模擬信號采集通道，其量程可以通道軟件選擇為 0-10V或±5V。

4 系統軟件設計

本文的檢測平臺的軟件設計是采用NI公司開發的Lab VIEW環境開發的[5]。Lab VIEW軟件內置I/O、交互式控件以及提供調用各種驅動程序的節點，采用圖形化編程語言，所以被廣泛應用于數據采集、自動測試和控制系統中[6]。本測試系統在Lab VIEW環境下編譯，運用其強大的圖形化界面，將軟件平臺劃分模塊，將不同測試項目分模塊設計，實現測試過程的靈活性。

軟件測試流程如圖所示。進入測試系統后，系統會自動對設備初始化，進入測試主界面后，可直接進入各個分項測試模塊，測試若出現故障，將會顯示故障信息，排除故障后需重新進入各個分項進行測試。若不繼續測試，可保存故障信息和數據參數，結束測試。整個測試系統的結構圖如圖3所示。

4.1 電源調整率檢測模塊

電源調整率表征DC/DC變換器在外部輸入電壓變化時，DC/DC變換器仍能穩定輸出電壓的能力。其軟件程序的檢測邏輯為：Lab VIEW虛擬軟件平臺，通過GPIB總線將電子負載設置為額定負載，第一，將程控電源輸出電壓設置與DC/DC變換器標稱輸入電壓相等，測得DC/DC變換器的輸出電壓為V1，第二，將程控電源輸出電壓設置與DC/DC變換器輸入電壓上限值相等，測得DC/DC變換器的輸出電壓為V2，第三，將程控電源輸出電壓設置與DC/DC變換器輸入電壓下限值相等，測得DC/DC變換器的輸出電壓為V3，取V1、V2、V3中最大值為V4，可計算電源調整率＝（V4-V1）/V1×100%。電源調整率子VI如圖4所示。

圖3 測試系統結構圖

圖4 電源調整率檢測模塊子VI

4.2 負載調整率檢測模塊

負載的變化會引起DC/DC變換器輸出電壓的波動，通常情況下，電壓值變化越小，表明DC/DC穩定輸出能力越好。其軟件程序的檢測邏輯為：Lab VIEW虛擬軟件平臺，通過GPIB總線控制可編程電源輸出電壓等于DC/DC變換器的額定輸入電壓值，第一，控制負載處于10%的工作條件下，測得DC/DC變換器的輸出電壓為V1，第二，控制負載處于100%的工作條件下，測得DC/DC變換器的輸出電壓為V2，第三，控制負載處于50%的工作條件下，測得DC/DC變換器的輸出電壓為V3，取V1、V2、V3中最大值為V4，負載調整率＝（V4-V3）/V3×100%。

5 結論

本文分析了純電動汽車DC/DC變換器的主要作用和工作原理，結合DC/DC變換器在生產研發和設計驗證階段的參數測試需求，開發了基于Lab VIEW 軟件的DC/DC變換器測試平臺，詳細論述了測試平臺的硬件系統和軟件系統的設計，運用DAQ數據采集系統的設計方法，給出了DC/DC變換器的性能測試的硬件控制和的程序設計邏輯，設計的測試平臺可實現DC/DC變換器主要參數的數據采樣，數據處理和數據顯示，并利用某低速電動汽車的降壓型DC/DC變換器進行了實驗性驗證，實驗結果表明，測試平臺可對DC/DC變換器的主要性能參數進行測試，并且操作簡便，可滿足基本的測試需求。同時，可將本測試平臺應用于新能源汽車的DCDC變換器相關教學實驗，具有較為廣闊的應用前景。