車載熱管理技術(shù)測試系統(tǒng)研制

黃 瑞, 陳元梁, 薛 松, 吳加榮, 陳芬放, 陳俊玄, 俞小莉

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027)

隨著技術(shù)和理念的發(fā)展,車輛熱管理技術(shù)已經(jīng)拓展到了智能冷卻系統(tǒng)[1-4]、余熱回收[5-8]、太陽能利用[9-10]、動力艙、車用空調(diào)、進排氣等系統(tǒng),其應(yīng)用對汽車節(jié)能及零部件可靠性有著重要作用。目前車載道路測試大多是車輛的整體性能測試,對車輛的動力性,舒適性和安全性進行整體的考量,而針對車輛熱管理系統(tǒng)設(shè)計的車載測試系統(tǒng)較少。清華大學(xué)盧青春教授團隊[11]針對新能源汽車設(shè)計車載試驗系統(tǒng),實現(xiàn)對動力電池電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機油耗、車速等信息的測量。浙江大學(xué)呂鋒博士[12]針對商用車冷卻系統(tǒng)設(shè)計車載試驗平臺。天津大學(xué)蔡曉林等[13]建立了車載排放試驗系統(tǒng),使用自行開發(fā)的單片機測試系統(tǒng)與瑞典Auto diagnos公司的便攜式五氣分析儀通信,獲取NOx、HC、CO等氣體的瞬時濃度,以及單片機通過轉(zhuǎn)速傳感器和流量計記錄車速和油耗信息。深圳元征公司開發(fā)的汽車道路試驗工況記錄儀[14],采集行車電腦(ECU)中的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開度、噴油脈寬、行車檔位、制動狀態(tài)、離合狀態(tài)及分動箱的狀態(tài)等信息。綜合來看,目前國內(nèi)針對熱管理系統(tǒng)開發(fā)的車載測試平臺數(shù)量少、不夠成熟、擴展性較差,因而本文從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和應(yīng)用角度研制一套適用于熱管理技術(shù)的車載測試系統(tǒng),同時該系統(tǒng)需要具備良好的可擴展性和重配置性。

1 車載測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

在開發(fā)車載測試系統(tǒng)之前,選擇具有代表性的車輛熱管理系統(tǒng),分析車載測試需求,進行傳感器和測試系統(tǒng)選型,從而完成車載測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

如圖1所示,車載測試系統(tǒng)主要由以下部分組成：(1)傳感器+采集系統(tǒng),用于測量一些常規(guī)物理量,如溫度、壓力、電流、電壓等,傳感器將物理量轉(zhuǎn)化為易于處理的電信號,測量設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,最后測試軟件根據(jù)標定數(shù)據(jù)將其還原為對應(yīng)的物理量；(2)專用測量設(shè)備,測量一些非常規(guī)物理量,用于擴展測試系統(tǒng)的能力,如GPS模塊,排放分析儀等；(3)車輛ECU,用于收集車輛已安裝的傳感器的數(shù)據(jù)；(4)上位機,綜合各個采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù),與試驗人員進行交互。

圖1 車載測試系統(tǒng)基本架構(gòu)

以智能冷卻系統(tǒng)、太陽能利用系統(tǒng)和排氣余熱熱電回收系統(tǒng)為例,車載測試系統(tǒng)的測試需求包括溫度測量、流速測量、流量測量、轉(zhuǎn)速測量、電流測量、電壓測量、壓力測量、非常規(guī)物理量(太陽輻射能、化學(xué)儲能材料成分參數(shù)、排放參數(shù)等)、計算得出的物理量(散熱量、效率、功率、能耗等)，以及測量車輛的基本運行狀態(tài),如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機負荷、車速等信息。

根據(jù)溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、流速傳感器、電流傳感器的工作原理,并結(jié)合車載測試環(huán)境進行選型,最終傳感器選型結(jié)果如下：溫度使用熱電偶測量,轉(zhuǎn)速使用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量,流量使用渦輪流量計測量,流速使用皮托管風(fēng)速儀測量,電流使用霍爾電流傳感器測量。

另外,非常規(guī)物理量使用專用儀器進行測量,本測試系統(tǒng)提供與專用儀器數(shù)據(jù)通信的方法；物理量的計算由測試系統(tǒng)軟件實現(xiàn)；車輛的基本運行狀態(tài)由車輛ECU提供,本系統(tǒng)中提供與車輛OBD接口通信的方法。

虛擬儀器技術(shù)由于其擴展性強、開發(fā)周期短、集成方便等優(yōu)點,在測試和自動化工程中得到廣泛的應(yīng)用。本文選用美國NI公司的CompactRIO測試系統(tǒng),選配如表1所示的I/O板卡。至此,完成車載測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件圖見圖2。

表1 車載測試系統(tǒng)I/O板卡

圖2 車載測試系統(tǒng)硬件圖

2 車載測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

車載測試軟件需求如下：(1)采集輸入板卡采集到的傳感器原始數(shù)據(jù)；(2)處理傳感器原始數(shù)據(jù),根據(jù)標定數(shù)據(jù)將其還原為對應(yīng)的物理量值；(3)可配置板卡采集通道的參數(shù),滿足不同傳感器的接入需求；(4)提供與其他設(shè)備進行串口或USB連接的解決方案,讀取GPS模塊和OBD模塊的數(shù)據(jù)；(5)提供可配置測試模塊程序,用于顯示和儲存某一熱管理系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)；(6)上傳測試模塊實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

如圖3所示,車載測試軟件設(shè)計中的程序由上位機程序、實時程序和FPGA程序3部分組成。上位程序運行在Windows系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)中,綜合cRIO-9036測試系統(tǒng)、GPS模塊、OBD模塊等的數(shù)據(jù)進行處理、顯示、儲存、上傳等操作,其中測試模塊1—8是用戶可以配置的測試模塊。實時程序和FPGA程序運行在cRIO-9036測試系統(tǒng)中,對各個傳感器的數(shù)據(jù)進行采集和整合。

本文借鑒Android項目框架,設(shè)計完整易用的Windows操作系統(tǒng)下的LabVIEW項目框架,命名為“MyLab”框架,主要分為6個基本功能模塊：主模塊管理其他功能模塊的運行和前面板狀態(tài),提供選單操作；啟動界面是MyLab框架的入口程序,前面板中顯示工程項目的基本信息,如項目名稱、開發(fā)人員信息、配置加載的進程狀態(tài)等,后臺則執(zhí)行系統(tǒng)配置和各類資源的加載任務(wù)；日志服務(wù)是用于記錄程序運行過程中出現(xiàn)的錯誤和重要狀態(tài)信息；全局變量用于儲存配置信息和狀態(tài)信息；構(gòu)造配置用于記錄程序的構(gòu)成信息,各個功能模塊的名稱、專屬隊列的名稱、相對路徑,項目的名稱、版本、開發(fā)人員信息等；用戶管理則包含用戶登錄和用戶信息管理功能。

圖3 車載測試程序基本框架

在Mylab框架基礎(chǔ)上繼續(xù)進行車載測試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)編寫工作如下：

(1) FPGA程序分為采集任務(wù)和控制任務(wù),其中包含電壓、電流、數(shù)字、熱電阻、熱電偶5個采集循環(huán)和電壓、電流、繼電器3個控制循環(huán),分別對應(yīng)NI-9263板卡、NI-9265板卡、NI-9485板卡。

(2) 實時控制程序起橋梁作用,向上和上位機程序進行通信,向下和FPGA程序進行數(shù)據(jù)交換。

(3) 上位機程序綜合cRIO-9036測試系統(tǒng)、GPS模塊、OBD模塊等的數(shù)據(jù)進行處理、顯示、儲存、上傳等操作,可以分成兩部分,一部分是以數(shù)據(jù)值全局變量為核心的數(shù)據(jù)處理流程,另一部分是圍繞數(shù)據(jù)屬性全局變量展開的設(shè)置流程。測試模塊是上位機程序的核心功能模塊,用戶對測試模塊的數(shù)據(jù)屬性進行設(shè)置,可以在測試模塊前面板中顯示cRIO、OBD、GPS等數(shù)據(jù)，或其他測試模塊的數(shù)據(jù),并且可以進行加、乘、除等運算計算出需要的數(shù)據(jù)。

至此,完成車載測試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計。車載測試系統(tǒng)軟件可以對CompactRIO測試系統(tǒng)的每一個通道進行配置,滿足不同傳感器的接入需求,并且可以根據(jù)不同熱管理系統(tǒng)的測試需求對測試模塊進行配置,增加了系統(tǒng)的可配置性。車載測試軟件系統(tǒng)提供了設(shè)備通信的解決方案,增加了系統(tǒng)的可擴展性。

激活測試模塊1，并配置需要的顯示和計算的物理量,如圖4所示。在展示模塊中設(shè)置需要顯示的變量信息,如圖5所示。

圖4 測試模塊設(shè)置界面

圖5 展示模塊設(shè)置界面

3 車載測試系統(tǒng)應(yīng)用試驗

在測試車輛上安裝本車載測試系統(tǒng),以智能冷卻系統(tǒng)的零部件性能測試為例,驗證本測試系統(tǒng)的性能。測試了電子風(fēng)扇控制信號占空比為0～100%的條件下,電池電壓、風(fēng)扇功率和散熱器入口風(fēng)速的變化, 測試模塊界面如圖6所示。

測試數(shù)據(jù)見表2。當占空比小于10%時,電子風(fēng)扇不足以克服自身的摩擦阻力,轉(zhuǎn)速為零；當占空比小于20%時,風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速較小,散熱器的入口風(fēng)速持續(xù)為零；當占空比大于20%后,風(fēng)速隨著占空比的增加而增大。從圖7中可以看出,隨占空比的增大,風(fēng)扇功率的增加速率變大,而入口風(fēng)速的增加速率減少。

在冷卻系統(tǒng)控制策略中,當使用風(fēng)扇對發(fā)動機散熱量進行調(diào)節(jié)時,應(yīng)使占空比始終保持在30～100%的范圍內(nèi),因為占空比在0～30%的范圍內(nèi),不會對發(fā)動機的散熱做出任何貢獻,反而增加了冷卻系統(tǒng)的整體能耗。

圖6 測試模塊界面

占空比/%電池電壓/V功率/W轉(zhuǎn)速/(r·min-1)風(fēng)速/(m·s-1)011.70001011.61.16002011.65.986003011.59.253600.954011.414.34801.865011.321.27202.576011.129.48403.237010.939.69603.848010.651.810804.399010.463.612004.810010.275.213205.1

圖7 風(fēng)扇功率和風(fēng)速隨占空比的變化

4 結(jié)語

熱管理系統(tǒng)車載測試系統(tǒng)是測試熱管理系統(tǒng)在真實使用環(huán)境下性能參數(shù)的重要工具。本文開發(fā)的熱管理系統(tǒng)車載測試系統(tǒng),獲得以下成果：

(1) 分析典型熱管理系統(tǒng)的車載測試需求,選擇適合車載環(huán)境下使用的高精度傳感器。選用CompactRIO測試系統(tǒng)作為傳感器信號采集平臺,并根據(jù)常用的傳感器信號輸出類型,在CompactRIO上選裝熱電阻輸入板卡、熱電偶輸入板卡、電流輸入板卡、電壓輸入板卡和數(shù)字輸入板卡。

(2) 設(shè)計了Mylab上位機程序框架,在Mylab框架上完成車載測試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)編寫工作。測試系統(tǒng)軟件可以對測試模塊和CompactRIO各測試通道的快速配置,實現(xiàn)對車輛ECU數(shù)據(jù)的讀取,實現(xiàn)GPS信號的讀取。

(3) 在某車輛智能冷卻系統(tǒng)加裝本測試系統(tǒng),進行電子風(fēng)扇的車載性能試驗,為控制策略的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),驗證了車載測試系統(tǒng)的功能。