車輛部件節(jié)油虛擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與快速分析*

吳 媞，劉鵬飛，張小龍，葛勝迅，宋 健

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036； 2. 安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230601；3.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

2016084

車輛部件節(jié)油虛擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與快速分析*

吳 媞1，劉鵬飛1，張小龍1，葛勝迅2，宋 健3

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036； 2. 安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230601；3.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

本文中以發(fā)電機(jī)為例，研究汽車部件節(jié)油效果。首先基于PXI虛擬儀器搭建汽車電器功耗測(cè)試系統(tǒng)，采用多線程、FIFO隊(duì)列和狀態(tài)機(jī)架構(gòu)、RTSI總線同步、TCP傳輸?shù)确椒▽?shí)現(xiàn)多通道電壓和電流、瞬時(shí)油耗、轉(zhuǎn)鼓車速等信息的同步快速可靠采集與處理。然后基于MATLAB建立了節(jié)油因素快速分析平臺(tái)，采取發(fā)動(dòng)機(jī)油耗MAP圖分段擬合、發(fā)動(dòng)機(jī)停噴判斷等措施提高仿真精度。最后進(jìn)行實(shí)車測(cè)試并對(duì)比分析普通發(fā)電機(jī)和智能發(fā)電機(jī)節(jié)油效果。結(jié)果表明：分析平臺(tái)仿真油耗與實(shí)測(cè)值吻合很好，NEDC循環(huán)總油耗偏差在3%以內(nèi)；智能發(fā)電機(jī)NEDC循環(huán)節(jié)油10.17mL；所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和快速分析平臺(tái)工作穩(wěn)定可靠。

汽車部件；節(jié)油；測(cè)試系統(tǒng)；快速分析；轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

前言

探究汽車節(jié)油、節(jié)能技術(shù)，提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要戰(zhàn)略意義[1-2]。其中,對(duì)汽車節(jié)油部件選型和整車匹配測(cè)試是一種有效的節(jié)油方法。汽車節(jié)油部件如智能發(fā)電機(jī)[3]、變排量空調(diào)壓縮機(jī)、PWM燃油泵等，其節(jié)油比例小，且只在整車特定工況下才有節(jié)油效果，孤立地對(duì)節(jié)油部件進(jìn)行實(shí)車測(cè)試和仿真不能準(zhǔn)確量化節(jié)油效果。實(shí)際上，有效的做法是在整個(gè)NEDC循環(huán)中對(duì)比測(cè)試與量化部件的節(jié)油效果。

目前，專業(yè)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真軟件主要有Advisor和Cruise等[4-5]。NEDC工況中節(jié)油部件是變工況工作，Advisor中對(duì)節(jié)油部件工況設(shè)定采用確定經(jīng)驗(yàn)常量，與實(shí)際測(cè)試工況不符。Cruise整車仿真模型用戶不能修改，發(fā)動(dòng)機(jī)停噴判斷建模難以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有仿真軟件對(duì)小比例節(jié)油部件節(jié)油分析精度不高，需要搭建節(jié)油快速分析平臺(tái)。

實(shí)際試驗(yàn)時(shí)駕駛操作一致性不高，僅通過(guò)NEDC工況總油耗無(wú)法量化節(jié)油效果，需要構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)節(jié)油部件功耗進(jìn)行同步測(cè)試。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)試節(jié)油部件實(shí)際功耗，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析相結(jié)合可提高節(jié)油分析精度。

本文中以發(fā)電機(jī)節(jié)油精確分析為例，構(gòu)建PXI虛擬測(cè)試系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)電器功耗、瞬時(shí)油耗、車速等同步測(cè)試，并基于MATLAB搭建測(cè)試分析平臺(tái)，采用實(shí)測(cè)節(jié)油部件功耗輸入、油耗和效率MAP優(yōu)化、發(fā)動(dòng)機(jī)停噴判斷等措施提高分析精度。本研究可為汽車節(jié)油快速精確分析提供手段。

1 虛擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)與選型

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于NI公司PXI控制器搭建測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)3個(gè)部分，實(shí)時(shí)、同步采集多通道電壓和電流、瞬時(shí)油耗、累計(jì)油耗、車速、距離等信息。其中，數(shù)據(jù)采集器是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，由控制器[6]、機(jī)箱[7]、數(shù)據(jù)采集模塊組成，實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)并通過(guò)TCP網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)時(shí)接收、解析、顯示和記錄數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置和人機(jī)交互功能。

系統(tǒng)選用傳感器的參數(shù)如表1所示。選用鉗式電流傳感器[8]，非接觸測(cè)量不破壞原車電路結(jié)構(gòu)。油耗傳感器正交編碼信號(hào)輸出，可表征油量和燃油流動(dòng)方向[9]，通過(guò)信號(hào)辨識(shí)處理可提高測(cè)試精度。

表1 傳感器選型及性能參數(shù)

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括在PXI中運(yùn)行的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序和在PC機(jī)中的上位機(jī)程序，均基于NI公司的LabVIEW編寫(xiě)。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件采用兩個(gè)獨(dú)立的while循環(huán)分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和TCP通信，while循環(huán)間通過(guò)FIFO隊(duì)列共享和緩存數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)采集和通信相互獨(dú)立，提高軟件工作可靠性[10-11]。

圖2 數(shù)據(jù)采集器軟件結(jié)構(gòu)

通過(guò)DAQmx工具和NI-SCOPE工具實(shí)現(xiàn)各通道數(shù)據(jù)的采集。其中，瞬時(shí)油耗采集通過(guò)DAQmx的線性編碼器功能，編碼采用X4方式，對(duì)油耗脈沖的分辨率達(dá)到0.25個(gè)脈沖周期。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)采集油耗和車速信息。各通道數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置為1kHz，每1s讀取一次，采集的數(shù)據(jù)打包整理成二維DBL數(shù)組并通過(guò)TCP網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)。

TCP通信通過(guò)“函數(shù)-數(shù)據(jù)通信-協(xié)議-TCP”工具實(shí)現(xiàn)。在編程時(shí)須要注意對(duì)通信的容錯(cuò)處理，發(fā)生故障時(shí)清空FIFO數(shù)據(jù)并重新創(chuàng)建連接。

通過(guò)RTSI(實(shí)時(shí)系統(tǒng)集成總線)共享時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集。軟件混合采用兩種方式實(shí)現(xiàn)同步，第一種是共享參考時(shí)鐘并共享開(kāi)始觸發(fā)；第二種是直接共享采樣時(shí)鐘，具體同步方法如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集同步原理

1.2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于狀態(tài)機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)。軟件使用3個(gè)獨(dú)立的while循環(huán)，分別實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制、TCP數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理功能。數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理通過(guò)FIFO隊(duì)列共享和緩存數(shù)據(jù)，各vi之間和vi內(nèi)部通過(guò)功能型全局變量傳遞數(shù)據(jù)和控制命令。軟件計(jì)算油耗時(shí)根據(jù)油耗大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)更新頻率，保證計(jì)算周期為0.25個(gè)有效脈沖的整數(shù)倍，提高計(jì)算精度，并及時(shí)捕獲燃油停噴現(xiàn)象。

2 快速分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于MATLAB，根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)和能量流原理搭建汽車部件節(jié)油快速分析平臺(tái)[12-13]，如圖4所示。以智能發(fā)電機(jī)節(jié)油分析為例，首先根據(jù)NEDC工況車速和變速器傳動(dòng)效率MAP分析計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)需求功率，根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓、電流和效率MAP分析計(jì)算發(fā)電機(jī)需求功率；然后根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的需求功率，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗MAP進(jìn)行查表，分別得到有、無(wú)發(fā)電機(jī)情況下NEDC工況油耗；兩者之差值就是整個(gè)NEDC循環(huán)發(fā)電機(jī)的燃油消耗量。

圖4 汽車部件節(jié)油快速分析平臺(tái)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)需求功率計(jì)算

2.1.1 輪邊驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

首先根據(jù)NEDC工況車速，結(jié)合試驗(yàn)車配置參數(shù)，運(yùn)用式(1)和式(2)計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中整車的行駛阻力和加速阻力[14]，然后結(jié)合汽車行駛方程分析計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力和整車制動(dòng)力[15-16]。

(1)

(2)

Fdrive+Fbrake=Froad+Facc+Fslope

(3)式中:Froad為整車道路行駛阻力(包括空氣阻力和滾動(dòng)阻力)；f0，f1和f2分別為測(cè)試車輛滑行阻力常數(shù)項(xiàng)、速度一次方項(xiàng)和速度二次方項(xiàng)系數(shù)；vNEDC為NEDC工況車速；Facc為整車加速阻力；m為整車測(cè)試質(zhì)量；Itire為輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；r為輪胎滾動(dòng)半徑；Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)(包括飛輪)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；i0為主減速比；ig為變速器速比；ηT為變速器傳動(dòng)效率；aNEDC為NEDC工況加速度；Fdrive為整車驅(qū)動(dòng)力；Fbrake為整車制動(dòng)力；Fslope為坡道阻力(在進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓測(cè)試時(shí)，該項(xiàng)為0)。

根據(jù)NEDC工況，分析整車的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和NEDC工況車速計(jì)算測(cè)試車輛的輪邊驅(qū)動(dòng)功率。

2.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)需求功率計(jì)算

根據(jù)變速器廠家提供的參數(shù)和效率測(cè)試數(shù)據(jù)，搭建變速器模型。由于變速器效率數(shù)據(jù)點(diǎn)很有限，為了提高快速分析平臺(tái)的計(jì)算精度，對(duì)原始效率測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，運(yùn)用擬合后的數(shù)據(jù)建立變速器效率MAP圖。測(cè)試車輛變速器3擋效率曲線如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)車變速器3擋傳動(dòng)效率曲線

根據(jù)輪邊驅(qū)動(dòng)功率和測(cè)試車速計(jì)算變速器輸出端的需求轉(zhuǎn)矩，然后結(jié)合變速器模型獲得傳動(dòng)系統(tǒng)需求功率。

2.2 發(fā)電機(jī)需求功率計(jì)算

根據(jù)發(fā)電機(jī)廠家提供的效率測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合普通發(fā)電機(jī)和智能發(fā)電機(jī)效率測(cè)試數(shù)據(jù)的特點(diǎn)(普通發(fā)電機(jī)指輸出電壓基本維持恒定的常規(guī)發(fā)電機(jī)，其發(fā)電效率只與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電電流有關(guān)；智能發(fā)電機(jī)輸出電壓可隨負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，其發(fā)電效率不僅與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電電流有關(guān)，還受輸出電壓的影響)，分別搭建普通發(fā)電機(jī)二維查表(已知發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出電流查效率值)和智能發(fā)電機(jī)三維查表(已知發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電流和輸出電壓查效率值)模型，然后分別結(jié)合兩款發(fā)電機(jī)的測(cè)試電壓、測(cè)試電流以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算發(fā)電機(jī)的需求功率。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗MAP處理

NEDC油耗測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間工作在中低負(fù)荷工況，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗計(jì)算時(shí)采用瞬時(shí)油耗MAP。如圖6所示，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗在各轉(zhuǎn)速低負(fù)荷下均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,可對(duì)低負(fù)荷工況進(jìn)行一次線性擬合，對(duì)中高負(fù)荷工況進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗測(cè)試曲線

2.4 發(fā)電機(jī)NEDC工況油耗計(jì)算

根據(jù)快速分析平臺(tái)得到的傳動(dòng)系統(tǒng)需求功率和發(fā)電機(jī)需求功率，結(jié)合處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗MAP計(jì)算有發(fā)電機(jī)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)NEDC工況油耗。試驗(yàn)車輛在離合器接合、變速器在擋、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 400r/min進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)停噴現(xiàn)象。因此，在獲得發(fā)動(dòng)機(jī)NEDC工況油耗后，須要結(jié)合試驗(yàn)車輛離合器、變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)以及2.1.1節(jié)中得到的制動(dòng)力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行停噴判斷，將停噴工況下的分析油耗強(qiáng)制置零。

按照相同方法分析計(jì)算無(wú)發(fā)電機(jī)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)NEDC工況油耗，有、無(wú)發(fā)電機(jī)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)NEDC工況油耗的差值即為發(fā)電機(jī)NEDC工況油耗。

3 試驗(yàn)研究

在AVL轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)架上，使用設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)同一試驗(yàn)車分別在使用普通發(fā)電機(jī)和智能發(fā)電機(jī)情況下進(jìn)行NEDC工況試驗(yàn)，采集轉(zhuǎn)鼓車速、瞬時(shí)油耗、發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)電流，采樣頻率為10Hz，采樣時(shí)間為1 180s。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖7所示，試驗(yàn)車參數(shù)配置信息如表2所示，試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)曲線如圖8和圖9所示。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

部件參數(shù)數(shù)值整車經(jīng)濟(jì)性測(cè)試質(zhì)量/kg1250發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m-2)0.179變速器主減速比各擋速比Ⅰ3.615Ⅱ2.053Ⅲ1.393Ⅳ1.031Ⅴ0.778Ⅵ0.681R3.583主減速比4.056輪胎靜負(fù)荷半徑/mm302轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)1.5滑行阻力系數(shù)f0113.908滑行阻力系數(shù)f11.34486滑行阻力系數(shù)f20.048544

圖8 普通發(fā)電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9 智能發(fā)電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

運(yùn)用試驗(yàn)快速分析平臺(tái)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用普通發(fā)電機(jī)時(shí)NEDC工況分析油耗與轉(zhuǎn)鼓測(cè)試油耗、發(fā)電機(jī)需求功率和發(fā)電機(jī)NEDC工況油耗如圖10所示。采用智能發(fā)電機(jī)情況下NEDC工況分析油耗與轉(zhuǎn)鼓測(cè)試油耗、發(fā)電機(jī)需求功率和發(fā)電機(jī)NEDC工況油耗如圖11所示。

圖10 采用普通發(fā)電機(jī)時(shí)NEDC工況分析結(jié)果

圖11 采用智能發(fā)電機(jī)時(shí)NEDC工況分析結(jié)果

由圖10和圖11中發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗曲線可知，無(wú)論是采用普通發(fā)電機(jī)還是智能發(fā)電機(jī)，試驗(yàn)快速分析平臺(tái)分析得到的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗曲線與轉(zhuǎn)鼓測(cè)試得到的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗曲線重合度非常好，基本能反映實(shí)車測(cè)試情況。

對(duì)比分析結(jié)果如表3所示。由表可見(jiàn)，整個(gè)NEDC工況下試驗(yàn)快速分析平臺(tái)分析得到的發(fā)動(dòng)機(jī)總油耗與轉(zhuǎn)鼓測(cè)試得到的發(fā)動(dòng)機(jī)總油耗分析偏差均在3%以內(nèi)，具有較高的分析精度。智能發(fā)電機(jī)相對(duì)普通發(fā)電機(jī)比較節(jié)油，整個(gè)NEDC工況下節(jié)油量為10.17mL。

表3 試驗(yàn)快速分析平臺(tái)分析結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)本文中搭建的試驗(yàn)快速分析平臺(tái)中整個(gè)NEDC工況發(fā)動(dòng)機(jī)分析油耗與實(shí)測(cè)值偏差在3%以內(nèi)，能夠?qū)?jié)油部件NEDC工況下的燃油消耗量進(jìn)行定量分析應(yīng)用。所提出的采用試驗(yàn)測(cè)試與仿真分析相結(jié)合的方法研究汽車節(jié)油部件節(jié)油效果是有效可行的。

>(2)本文中設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、同步采集多通道電壓和電流、車速、瞬時(shí)油耗等信息，測(cè)試系統(tǒng)集成度高，擴(kuò)展性好，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

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Design of Virtual Test System and Rapid Analysis on Fuel Saving of Vehicle Components

Wu Ti1, Liu Pengfei1, Zhang Xiaolong1, Ge Shengxun2& Song Jian3

1.SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036； 2.TechnicalCenter,AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,Hefei230601; 3.TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

With generator as example, the fuel saving of vehicle components is studied in this paper. Firstly a power consumption measurement system for vehicle compliances is constructed based on virtual instrument PXI to realize synchronous collection and processing of information including multi-channel voltages and currents, instantaneous fuel consumption and vehicle speed in dynamometer test etc. by means of multiple thread, FIFO queue and state machine architecture, RTSI bus synchronization and TCP transmission. Then a rapid analysis platform for fuel saving factors is built based on MATLAB, and measures of piecewise fitting of fuel consumption MAP and fuel spraying stop judgment of engine are taken to enhance simulation accuracy. Finally, real vehicle test is conducted to comparatively analyze the fuel saving effects of common generator and intelligent one. The results show that the fuel consumptions simulated by analysis platform are consistent with the measured values with a discrepancy within 3 %. The overall fuel consumption of intelligent generator in a NEDC cycle is 10.17ml less than that of common generator.

vehicle components; fuel saving; test system; rapid analysis; dynamometer test

*清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(KF14022)和安徽省自然科學(xué)基金(1608085ME109)資助 。

原稿收到日期為2015年9月9日，修改稿收到日期為2015年11月23日。