新能源整車控制器環(huán)境耐久測試系統(tǒng)設(shè)計

張博棟，何永義，劉 暢

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海市智能制造及機器人重點實驗室，上海 200072)

0 引言

新能源汽車正處于高速發(fā)展時期，整車控制器(Vehicle Control Unit，VCU)是新能源汽車控制系統(tǒng)的核心部件。主要功能是采集油門踏板、檔位、剎車踏板等傳感器信號進行邏輯判斷和控制策略決策，協(xié)調(diào)和控制各動力系統(tǒng)部件，實現(xiàn)整車的驅(qū)動控制、能量回收和車輛診斷[1]。VCU的可靠性直接決定了汽車的整體性能，又由于其工作環(huán)境惡劣，因此要求其具備高可靠性。汽車控制器的可靠性主要通過環(huán)境耐久測試進行鑒定，根據(jù)汽車電子控制器耐久測試規(guī)范，將待測控制器所有端口連接至測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)模擬實車控制器的工況對其長時間連續(xù)反復(fù)測試，通過數(shù)據(jù)采集、分析，判斷控制器各項性能指標(biāo)是否合格，從而判斷控制器耐久性是否達標(biāo)。

針對目前VCU環(huán)境耐久測試設(shè)備集成度不高、開發(fā)周期長、測試效率低等問題，開發(fā)一個性能穩(wěn)定，功能完善的測試系統(tǒng)十分必要。本文根據(jù)環(huán)境耐久測試規(guī)范和測試需求，采用NI虛擬儀器和嵌入式技術(shù)，運用模塊化設(shè)計思路，開發(fā)了一套VCU環(huán)境耐久測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)測試精度高，通用性好，測試效率高，能在產(chǎn)品更新或更換的同時快速完成更新和改造，大大降低測試成本。

1 測試系統(tǒng)需求分析和總體設(shè)計

1.1 整車控制器信號系統(tǒng)

本文VCU的環(huán)境耐久測試主要是鑒定其硬件的可靠性，該控制器硬件結(jié)構(gòu)包括微控制器、輸入信號電路、輸出信號電路、高速CAN總線接口、電源等模塊。信號按類型主要分為模擬信號、數(shù)字信號、PWM信號以及通信信號(CAN、LIN、FlexRay)，信號系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)需求分析

根據(jù)該款VCU信號及工況定義，對單個控制器測試的具體性能指標(biāo)要求整理如表1所示。

在分析單個VCU測試需求基礎(chǔ)上，提出環(huán)境耐久測試系統(tǒng)的功能需求：

(1)精確性。系統(tǒng)需精確模擬VCU在6種工作模式下的傳感器信號，并對執(zhí)行器信號進行在線檢測，滿足極高采樣率和非常小的誤差容限；

(2)控制器工作電壓有9 V、14 V和16 V3種模式，要求系統(tǒng)輸出電壓可由程序控制，自動進行3種模式電壓輸出；

(3)自動化?？蛇M行手動及自動測試切換。自動測試全程監(jiān)測控制器的運行狀態(tài)，并記錄試驗過程中的錯誤和報警，自動生成測試報表；

(4)為提高測試效率，系統(tǒng)能同時測試多個控制器，各個控制器測試之間相互獨立；

(5)通用性。系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化構(gòu)建，具有高的集成度和良好的通用性[2]，考慮對后續(xù)其它VCU項目的兼容和應(yīng)用。

1.3 測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)模擬實車電氣環(huán)境使VCU在線運行，上位機軟件控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生各種傳感器信號，VCU進行檢測并通過CAN通信將結(jié)果實時發(fā)送至工控機，通過對比檢測值與理論值誤差來判斷VCU輸入信號檢測和通信功能是否正常。同時VCU根據(jù)輸入信號輸出各種執(zhí)行器控制信號，模擬負(fù)載實現(xiàn)對實車環(huán)境執(zhí)行負(fù)載的模擬，輸出信號同時被數(shù)據(jù)采集卡采集，對比分析期望輸出與系統(tǒng)采集結(jié)果評測VCU驅(qū)動功能是否正常。VCU由大功率程控電源供電，被測VCU放在環(huán)境試驗箱中，模擬其工作的物理環(huán)境[3]。

自動測試功能由測試軟件完成，一方面，測試軟件控制數(shù)據(jù)采集卡完成信號輸出和采集、數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)自動測試功能；另一方面，測試軟件實現(xiàn)各種輸入輸出信號實測結(jié)果的顯示，對測試系統(tǒng)進行監(jiān)控。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個系統(tǒng)集成在一個標(biāo)準(zhǔn)機柜中，測試系統(tǒng)以工控機為控制核心，采用板卡插槽式的NIPXIe-1078機箱搭載NI PXIe-8840高性能嵌入式控制器，以數(shù)據(jù)采集卡、通訊模塊和模擬負(fù)載構(gòu)建測試系統(tǒng)硬件平臺，同時集成了電源管理、資源分配和信號調(diào)理模塊等硬件設(shè)備。軟件上為了可以方便的可配置系統(tǒng)兼容后續(xù)其他控制器測試項目的應(yīng)用，采用LabVIEW編程語言進行開發(fā)。

為提高測試效率，系統(tǒng)采用“一拖三”結(jié)構(gòu)，既能滿足單個控制器獨立測試，又可滿足最多3個控制器同時在線測試。

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 信號發(fā)生與檢測模塊

信號發(fā)生與檢測模塊主要基于NI 2種多功能數(shù)據(jù)采集卡和3種通信卡。根據(jù)3個VCU同時在線測試資源需求，考慮實時性和信號采集精度，選用1塊PXIe-6355和1塊PXI-7842R板卡。PXIe-6355具有80路模擬量輸入和2路模擬輸出，每個通道具有16位分辨率，用于模擬信號采集。PXI-7842R智能現(xiàn)場可編程門陣列FPGA模塊，具有96條數(shù)字線，速率高達40 MHz，用于產(chǎn)生精度要求較高的PWM信號和進行靈活的I/O操作，并以高采樣率采集實時的VCU輸出信號。

系統(tǒng)選用兩塊NI PXI-8512/2CAN卡共4個端口用于和被測VCU通信，采用CAN FD高速通信模式，速度最高可達2 Mbit/s。選用一塊NI PXI-8516/2 LIN接口板卡，用于發(fā)送和接收LIN通信信號。NI PXI-8517/2是雙端口FlexRay通信卡，用于測試被測VCU的FlexRay通信功能。

2.2 信號調(diào)理與負(fù)載模擬模塊

由于NI數(shù)據(jù)采集卡的接口特性與整車控制器的接口特性不完全一致，不能直接和被測VCU相連，需要經(jīng)過信號匹配后才能供給VCU使用[4]，VCU輸出的執(zhí)行器信號也必須經(jīng)過調(diào)理，才能供給I/O板卡采集。因此在硬件設(shè)計時需要進行信號隔離和調(diào)理模塊的設(shè)計。同時，負(fù)載箱內(nèi)集成對VCU外部執(zhí)行器負(fù)載的模擬[5]，包括高壓繼電器、電磁閥、充電指示燈等部件的模擬。

考慮整個測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的通用性，負(fù)載箱內(nèi)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

每個負(fù)載箱控制1個VCU，模擬負(fù)載和真實負(fù)載集成在同一個箱子內(nèi)，3個負(fù)載箱結(jié)構(gòu)上完全相同。負(fù)載箱內(nèi)分為5個部分，包括4個功能模塊和1個信號配置區(qū)，4個功能模塊采用插拔式導(dǎo)軌安裝方式。

輸入驅(qū)動模塊的主要功能是實現(xiàn)開關(guān)信號、PWM信號和模擬信號的輸入；模擬負(fù)載模塊安裝有繼電器、功率電阻和電感等模擬負(fù)載，在設(shè)計時將每一路繼電器驅(qū)動信號都設(shè)計成可配置高電平和低電平兩種，使得信號配置靈活性較大，模塊通用性提高；兩塊真實負(fù)載模塊用于真實負(fù)載安裝和驅(qū)動信號監(jiān)測；信號接口配置區(qū)域是按待測控制器接口定義配置設(shè)備硬件通道。為了保證系統(tǒng)的可擴展性和通用性，按資源最大化設(shè)計[6]，對不同類型信號通道做了預(yù)留。

2.3 電源管理模塊

待測整車控制器供電與設(shè)備電源獨立。信號調(diào)理模塊選用開關(guān)電源提供功率足夠的穩(wěn)定電壓，與VCU的供電隔離開。VCU供電選擇TDK-Lambda GEN20-120程控電源，其精度高、響應(yīng)快，電壓幅值20 V，電流最大可達120 A。上位機軟件通過串口通信控制其電壓輸出。

電源管理模塊實現(xiàn)NI工控機、多功能數(shù)據(jù)采集卡、顯示器、負(fù)載箱內(nèi)開關(guān)電源和程控電源整個測試系統(tǒng)的電源管理，包括主電源的通斷控制、過載保護和急?？刂啤?/p>

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

上位機軟件主要用于控制數(shù)據(jù)板卡信號輸出、測試數(shù)據(jù)的采集以及人機交互，實現(xiàn)整個測試過程的管理。在滿足測試功能需求基礎(chǔ)上，遵循模塊化設(shè)計方法，設(shè)計具有優(yōu)良人機交互、多任務(wù)、高實時性、高穩(wěn)定性、可移植性強的軟件系統(tǒng)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖4所示。

采用“從總體到細(xì)節(jié)，從高到低的分析和設(shè)計”原則，劃分為三個層次：最高層為交互層，負(fù)責(zé)實現(xiàn)程序界面功能以及與用戶進行交互，并能動態(tài)調(diào)用下層VI；第二層為功能層，由測試程序的各個功能模塊構(gòu)成；最底層為驅(qū)動層，包括采集設(shè)備的驅(qū)動以及文件讀寫驅(qū)動等。

3.2 同步數(shù)據(jù)采集和處理模塊

耐久試驗對測試系統(tǒng)實時性要求較高，信號的檢測結(jié)果需實時顯示在數(shù)據(jù)顯示區(qū)，測試系統(tǒng)測試的信號可分為通信信號和板卡實測信號。

通過LabVIEW的NI-XNET模塊對CAN通信DBC文件和LIN通信LDF文件導(dǎo)入，平臺軟件可對來自VCU的報文內(nèi)容自動解析，將解析結(jié)果按添加的順序顯示在軟件界面。

板卡實測信號的檢測，通過軟硬件接口映射，在腳本文件中對VCU驅(qū)動信號名稱分配相應(yīng)的測量資源，程序自動讀取配置文件中資源分配信息，檢測結(jié)果以腳本文件中編輯的樣式進行顯示。

上位機軟件將整個耐久試驗過程中的測試數(shù)據(jù)進行記錄存儲，以判斷試驗樣件在試驗過程中是否出現(xiàn)失效。試驗數(shù)據(jù)以CSV文件格式保存，記錄內(nèi)容包括測試時間、工況狀態(tài)、信號名稱、實測值、判斷結(jié)果等。

3.3 自動測試功能的設(shè)計

控制器共有6個測試工況，試驗中可設(shè)定每個工況測試時間，共2 min30 s一個測試循環(huán)。圖5為一個工況的自動測試流程圖。

自動模式下，測試軟件將依照總測試時間進行循環(huán)測試，當(dāng)測試時間達到“評價周期”500 ms時，對所有信號檢測結(jié)果進行一次記錄并進行判斷，對通過和未通過的信號會在結(jié)果欄中分別判斷為“Pass”和“Fail”。為了管理數(shù)據(jù)，軟件會將任何超過信號誤差容限的測試結(jié)果生成一份“Error”文件。整個耐久試驗過程不需要測試人員干預(yù)，可隨時查看試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后檢查結(jié)果文件，可以很方便的得出測試結(jié)果的通過性。

4 試驗結(jié)果與分析

針對測試系統(tǒng)集成性要求，考慮設(shè)備的安裝調(diào)試，對各硬件模塊進行合理布局，搭建了如圖6所示的測試設(shè)備，主要由耐久測試臺(圖左)和環(huán)境試驗箱(圖右)組成。該測試系統(tǒng)可用于各項環(huán)境耐久試驗，如溫度循環(huán)試驗、振動試驗、溫濕度試驗、鹽霧試驗等。

圖7為自動測試的主界面。1為測試模式選擇區(qū)；2為測試信號的錯誤信息顯示區(qū)；3為測試狀態(tài)顯示區(qū)；4為測試用例選擇；5為測試工況選擇；6為試驗信息區(qū)域。

由測試系統(tǒng)輸入給VCU的模擬信號，VCU進行檢測反饋給上位機，在工況1下的部分反饋結(jié)果如表2所示。

從測試結(jié)果可以看出，VCU對于模擬信號的測試偏差在5%以內(nèi)，說明輸入驅(qū)動板模擬信號輸出正常，VCU對模擬信號的采集和CAN通信功能正常，測試系統(tǒng)生成的模擬信號滿足VCU工作需求。

在整個測試系統(tǒng)建立完成后，運用博世公司全球統(tǒng)一的測量系統(tǒng)分析(Measurement System Analysis，MSA)方法[7]來評估本測試系統(tǒng)的能力。以VCU輸出的高壓互鎖信號為例，其理論是頻率100 Hz，占空比50%的PWM信號，現(xiàn)以1 d為取樣周期，每天隨機抽取同一信號在同一工況下的5次測量結(jié)果，共30組數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)對占空比檢測結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分布如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可看出，測試系統(tǒng)測量的占空比均值及標(biāo)準(zhǔn)差值分布均未超出控制限，并在控制限之間隨機排列，表明測試系統(tǒng)具有較高的測量穩(wěn)定性，滿足耐久測試要求。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)以整車控制器為測試對象，對測試系統(tǒng)方案設(shè)計、軟件編程等方面進行詳細(xì)分析論證，設(shè)計并搭建了耐久測試系統(tǒng)的機械平臺、硬件系統(tǒng)，并開發(fā)了一套基于LabVIEW軟件平臺的智能化測試系統(tǒng)控制軟件。該測試系統(tǒng)可滿足3個控制器產(chǎn)品同時在線測試，提高測試效率，縮短試驗周期，為鑒定產(chǎn)品可靠性提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，已投入企業(yè)使用。該系統(tǒng)設(shè)計的通用性架構(gòu)為其他控制器測試系統(tǒng)搭建具有一定參考價值。