整車電性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊國(guó)樑，王子龍，譚金超，豐彥冬

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車上應(yīng)用了大量的電氣設(shè)備。這些電氣設(shè)備對(duì)于改善汽車的安全性、舒適性及穩(wěn)定性具有重要作用。如何提高整車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性成為亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。整車電性能測(cè)試通過(guò)模擬電氣系統(tǒng)正常和異常兩類工作條件，測(cè)試負(fù)載性能并獲取其電氣參數(shù)，驗(yàn)證線束、熔斷器及搭鐵點(diǎn)等配電裝置的性能及其與負(fù)載的匹配情況［1］。

關(guān)于電性能測(cè)試系統(tǒng)，研究成果不多?，F(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)仍不夠完善，主要問(wèn)題為：①不具備集成化的特點(diǎn)，使用不便；②在精度和穩(wěn)定性上已無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的需求；③自動(dòng)化、智能化程度不高，許多測(cè)試系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集及分析，缺少測(cè)試報(bào)表生成的功能。因此，有必要針對(duì)現(xiàn)有的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套功能完善、高效便攜的測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整車電性能測(cè)試系統(tǒng)硬件用于獲取各類信號(hào)參數(shù)，本測(cè)試系統(tǒng)硬件基于NI公司的CompactRIO平臺(tái)設(shè)計(jì)［2］。硬件系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：①測(cè)試設(shè)備控制器及采集模塊的選取：選取合適的控制器及采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)參數(shù)的采集，模塊具備良好的精度及穩(wěn)定性；②傳感器的選?。焊鶕?jù)采集信號(hào)的特性具體選擇傳感器類型，應(yīng)滿足不同量程及精度的要求；③靜態(tài)電流調(diào)理板卡的設(shè)計(jì)：考慮靜態(tài)電流具體特點(diǎn)，為完整記錄休眠前后的數(shù)據(jù)，需對(duì)測(cè)試量程進(jìn)行切換；④供電系統(tǒng)及機(jī)箱的設(shè)計(jì)：為硬件系統(tǒng)各部件提供穩(wěn)定的電源；合理設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)箱，確保各組件連接正常、工作互不干涉。設(shè)備的框架如圖1所示。

1.1 控制器及采集模塊選取

圖1 整車電性能測(cè)試系統(tǒng)硬件框架

控制器用于集成并控制不同類型的信號(hào)采集模塊，采集模塊用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。本系統(tǒng)的控制器及采集模塊均來(lái)自NI公司，其型號(hào)分為9074、9229、9205、9227、9213、9862、9866。①控制器NI 9074：內(nèi)置Intel Atom處理器和三百萬(wàn)門(mén)的Xilinx Kintex-7 FPGA［3］，具備出色的RT數(shù)采和超高精確度的數(shù)據(jù)分析能力。內(nèi)含8個(gè)卡槽，最多支持8個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊連接，采集模塊基于PCI總線與控制器通信。②NI 9229模塊電壓信號(hào)采集：用于±60 V電壓信號(hào)的采集，單端8路采集通道。③NI 9205模塊：用于±10 V電壓信號(hào)的采集，32路單端模擬輸入，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)16路差分模擬輸入。每條通道相互隔離且具有±200 mV、±1 V、±5 V和±10 V可編程的輸入范圍。0 A～1 400 A電流信號(hào)采集采用外接電流傳感器把電流信號(hào)變成±10 V以內(nèi)的電壓信號(hào)后通過(guò)NI 9205采集。④NI 9227模塊：用于±5 A電流信號(hào)的采集。4路差分輸入。測(cè)試模塊具有很高測(cè)試精度，可用于整車及控制器靜態(tài)電流參數(shù)采集。⑤NI 9213模塊：用于溫度信號(hào)的采集。支持J、K、T、E、N、B、R和S型熱電偶傳感器。⑥NI9862模塊和NI9866模塊：分別用于CAN、LIN信號(hào)采集。

1.2 傳感器選取

本測(cè)試系統(tǒng)中部分采集模塊無(wú)需外接傳感器即可實(shí)現(xiàn)電壓、靜態(tài)電流、CAN/LIN信號(hào)的獲取，對(duì)于其它信號(hào)則必須配合傳感器的使用，故主要選取電流、溫度傳感器?？紤]到量程、精度以及環(huán)境適應(yīng)能力等因素，各傳感器的選取如表1所示。

表1 傳感器選取列表

1.3 靜態(tài)電流調(diào)理板卡設(shè)計(jì)

整車及控制器休眠電流為mA級(jí)別，因此需選取小量程、高精度的采集模塊。本系統(tǒng)采用的靜態(tài)電流采集模塊量程范圍為5 A（NI 9227）。車輛休眠前的電流一般較大，超過(guò)5 A，故大電流需由NI-9205測(cè)量。然而，采集模塊的量程與精度互相矛盾，考慮到靜態(tài)電流測(cè)試時(shí)，需記錄車輛休眠前后全過(guò)程的電流變化，為完整記錄數(shù)據(jù)并確保精度，本系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)電流調(diào)理板卡的設(shè)計(jì)。該板卡可完成量程快速切換的工作。5 A以上由9205模塊采集記錄電流，當(dāng)被測(cè)電流下降至5 A時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到9227模塊采集。通道切換的電路原理如圖2所示。

其電路原理為：由NI9205的DO輸出端直接驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通道繼電器的控制。電流大于5A時(shí)，繼電器K1吸合、K2斷開(kāi)，此時(shí)通過(guò)9205模塊采集；電流小于5 A時(shí)，繼電器K2吸合、K1斷開(kāi)，此時(shí)通過(guò)9227模塊采集。

圖2 通道切換電路原理

1.4 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及機(jī)箱設(shè)計(jì)

電性能測(cè)試設(shè)備耗電部件包括控制器、采集模塊及其傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、通信裝置、指示裝置等。為同時(shí)滿足室內(nèi)外測(cè)試需求，該套設(shè)備應(yīng)具備交流供電的功能且內(nèi)置可充電電池。因此，電源部分主要由交流供電電路、鋰電池、內(nèi)置充電器組成。鋰電池輸出電壓20～29.4 V，額定電壓24 V；容量32 Ah，滿負(fù)載時(shí)，可以連續(xù)工作8 h以上。

為滿足室內(nèi)外測(cè)試需求，要求設(shè)備高度集成化、結(jié)構(gòu)緊湊、體積適中、易于攜帶、穩(wěn)定性好等。設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮：①測(cè)試設(shè)備機(jī)箱應(yīng)有足夠空間進(jìn)行硬件布置及電氣連接；②內(nèi)部組件需固定且互不干涉；③內(nèi)部耗能組件通風(fēng)散熱良好。

2 整車電性能測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)所有功能的主要部分。通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)可以完成測(cè)試系統(tǒng)的前期采集到后期分析及生成報(bào)表。各傳感器采集的模擬信號(hào)或總線信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊處理后，送入采集模塊實(shí)現(xiàn)采集存儲(chǔ)。該過(guò)程在軟件系統(tǒng)中操作，并在軟件中完成歷史數(shù)據(jù)的分析及處理。本測(cè)試系統(tǒng)基于NI公司的NI-CRIO硬件平臺(tái)以及LabVIEW環(huán)境進(jìn)行程序設(shè)計(jì)［4］。對(duì)擬實(shí)現(xiàn)的功能劃分模塊。軟件的功能模塊主要包括：測(cè)試項(xiàng)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析與報(bào)表生成模塊。

2.1 測(cè)試項(xiàng)管理模塊設(shè)計(jì)

測(cè)試項(xiàng)管理模塊可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)車型的整車電性能測(cè)試項(xiàng)目信息配置，一個(gè)完整的電性能測(cè)試項(xiàng)目，其包含的項(xiàng)目信息有：①通用信息 （項(xiàng)目名稱、測(cè)試信息、車輛信息）；②各類測(cè)試大項(xiàng)及每類測(cè)試大項(xiàng)下包含測(cè)試小項(xiàng)信息；③每一類測(cè)試大項(xiàng)均包含參數(shù)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、報(bào)表3部分的信息。

為完成以上眾多測(cè)試信息有序高效地管理，本測(cè)試系統(tǒng)軟件采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)排列測(cè)試大小項(xiàng)。不同的測(cè)試項(xiàng)使用不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)多選框的形式完成評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的選取，提高了測(cè)試程序的運(yùn)行效率。試驗(yàn)車型的測(cè)試項(xiàng)目信息配置完成后，將生成配置文件，該配置文件可作為模版用于類似測(cè)試項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。其程序如圖3所示。每次程序初始化后自動(dòng)加載默認(rèn)的配置文件，配置文件包含測(cè)試時(shí)的通道配置、文件存儲(chǔ)路徑以及當(dāng)前所勾選測(cè)試項(xiàng)，當(dāng)執(zhí)行開(kāi)始采集或者存儲(chǔ)數(shù)據(jù)操作后，程序按照配置文件記錄執(zhí)行。

圖3 測(cè)試項(xiàng)管理程序

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主體工作在于電壓、電流、溫度、總線信號(hào)采集程序的設(shè)計(jì)。以NI 9227模塊電流信號(hào)采集為例，LabVIEW程序如圖4所示。依次完成如下設(shè)計(jì)：①建立RIO采集控件。該控件可對(duì)通道屬性、類型、名稱及被采集電流閾值 （最大最小測(cè)量值）設(shè)置，通過(guò)采集控件的設(shè)置確保程序與硬件接口匹配。②建立定時(shí)控件。用以設(shè)置電流信號(hào)的采樣率、采樣模式、采樣時(shí)鐘源。③建立記錄控件。用以設(shè)置記錄模式。④建立觸發(fā)控件。用以顯示采集信號(hào)的數(shù)值及波形。

圖4 電流信號(hào)的采集程序

2.3 數(shù)據(jù)分析與報(bào)表生成模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析功能建立在測(cè)試項(xiàng)管理及數(shù)據(jù)采集兩大功能的基礎(chǔ)上，是對(duì)已采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形及數(shù)值的分析和處理，與預(yù)設(shè)的評(píng)價(jià)數(shù)值比較，對(duì)測(cè)試結(jié)果做出評(píng)定。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，可對(duì)包含的各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。選取曲線和數(shù)值顯示區(qū)內(nèi)的某段數(shù)據(jù)進(jìn)行物理量計(jì)算，并根據(jù)布爾控件輸入指令決定是否進(jìn)行快速傅立葉變換。為方便數(shù)據(jù)直觀分析，同時(shí)給出了波形與數(shù)值的顯示，并設(shè)置了波形特征控件，以對(duì)波形特征進(jìn)行調(diào)節(jié)。該部分程序如圖5所示。2.3.2 報(bào)表生成模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)測(cè)試報(bào)表自動(dòng)化生成，首先需要制定電性能測(cè)試項(xiàng)報(bào)表的具體模版，并將模版內(nèi)置到測(cè)試系統(tǒng)中。報(bào)表模版為excel形式。報(bào)表生成的功能基于測(cè)試項(xiàng)管理及數(shù)據(jù)分析，在實(shí)現(xiàn)報(bào)表生成的功能前，系統(tǒng)會(huì)先調(diào)用測(cè)試項(xiàng)管理程序，要求用戶選擇將要生成報(bào)表的測(cè)試大項(xiàng)，確認(rèn)報(bào)表生成功能后，從數(shù)據(jù)分析程序中獲取已封裝好的測(cè)試結(jié)果，設(shè)定時(shí)間軸，與測(cè)試項(xiàng)配置信息一起存入報(bào)表模版中。報(bào)表生成程序如圖6所示。

3 整車電性能測(cè)試系統(tǒng)性能試驗(yàn)

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)分別進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)工作穩(wěn)定性試驗(yàn)、溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)、精度及線性度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)具有很高的測(cè)量精度及線性度，符合測(cè)試需求。部分試驗(yàn)結(jié)果如下。

1）長(zhǎng)時(shí)工作穩(wěn)定性試驗(yàn)：通過(guò)模擬電子負(fù)載以及發(fā)熱電阻分別給系統(tǒng)輸入穩(wěn)定的電流電壓信號(hào) （即0 mA、20 mA、0 V、5 V、50 V）和溫度信號(hào) （0℃、1 000℃），分別進(jìn)行

圖5 數(shù)據(jù)分析程序

圖6 報(bào)表生成程序

2）精度及線性度試驗(yàn)：因整車休眠后的靜態(tài)電流為mA級(jí)，對(duì)測(cè)試精度要求較高。故對(duì)20 mA內(nèi)的電流進(jìn)行精度及線性度試驗(yàn)，本測(cè)試系統(tǒng)結(jié)果如表3所示，其測(cè)量精度為0.45%，線性度為0.19%。60 min、120 min、240 min、360 min、480 min、540 min的參數(shù)測(cè)量。其測(cè)量結(jié)果如表2所示，各信號(hào)的測(cè)試值誤差均小于設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

以整車電氣系統(tǒng)性能測(cè)試為對(duì)象，設(shè)計(jì)了高效便攜的電性能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件可實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)的采集；所編軟件可實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集、測(cè)試項(xiàng)目管理、歷史數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)化報(bào)表生成等功能。該系統(tǒng)彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備的不足，提高了整車電性能測(cè)試的效率，有效驗(yàn)證了電氣系統(tǒng)性能水平。

表2 長(zhǎng)時(shí)工作穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 0～20mA靜態(tài)電流信號(hào)精度及線性度試驗(yàn)數(shù)據(jù)