車載熱管理技術測試系統研制

黃 瑞, 陳元梁, 薛 松, 吳加榮, 陳芬放, 陳俊玄, 俞小莉

(浙江大學 能源工程學院, 浙江 杭州 310027)

隨著技術和理念的發展,車輛熱管理技術已經拓展到了智能冷卻系統[1-4]、余熱回收[5-8]、太陽能利用[9-10]、動力艙、車用空調、進排氣等系統,其應用對汽車節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設計的車載測試系統較少。清華大學盧青春教授團隊[11]針對新能源汽車設計車載試驗系統,實現對動力電池電壓、發動機轉速、發動機油耗、車速等信息的測量。浙江大學呂鋒博士[12]針對商用車冷卻系統設計車載試驗平臺。天津大學蔡曉林等[13]建立了車載排放試驗系統,使用自行開發的單片機測試系統與瑞典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。深圳元征公司開發的汽車道路試驗工況記錄儀[14],采集行車電腦(ECU)中的發動機轉速、車速、節氣門開度、噴油脈寬、行車檔位、制動狀態、離合狀態及分動箱的狀態等信息。綜合來看,目前國內針對熱管理系統開發的車載測試平臺數量少、不夠成熟、擴展性較差,因而本文從硬件設計、軟件設計和應用角度研制一套適用于熱管理技術的車載測試系統,同時該系統需要具備良好的可擴展性和重配置性。

1 車載測試系統硬件設計

在開發車載測試系統之前,選擇具有代表性的車輛熱管理系統,分析車載測試需求,進行傳感器和測試系統選型,從而完成車載測試系統的硬件設計。

如圖1所示,車載測試系統主要由以下部分組成：(1)傳感器+采集系統,用于測量一些常規物理量,如溫度、壓力、電流、電壓等,傳感器將物理量轉化為易于處理的電信號,測量設備將其轉換為數字信號,最后測試軟件根據標定數據將其還原為對應的物理量；(2)專用測量設備,測量一些非常規物理量,用于擴展測試系統的能力,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據；(4)上位機,綜合各個采集系統的數據,與試驗人員進行交互。

圖1 車載測試系統基本架構

以智能冷卻系統、太陽能利用系統和排氣余熱熱電回收系統為例,車載測試系統的測試需求包括溫度測量、流速測量、流量測量、轉速測量、電流測量、電壓測量、壓力測量、非常規物理量(太陽輻射能、化學儲能材料成分參數、排放參數等)、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,如發動機轉速、發動機負荷、車速等信息。

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

另外,非常規物理量使用專用儀器進行測量,本測試系統提供與專用儀器數據通信的方法；物理量的計算由測試系統軟件實現；車輛的基本運行狀態由車輛ECU提供,本系統中提供與車輛OBD接口通信的方法。

虛擬儀器技術由于其擴展性強、開發周期短、集成方便等優點,在測試和自動化工程中得到廣泛的應用。本文選用美國NI公司的CompactRIO測試系統,選配如表1所示的I/O板卡。至此,完成車載測試系統的硬件系統設計。硬件圖見圖2。

表1 車載測試系統I/O板卡

圖2 車載測試系統硬件圖

2 車載測試系統軟件設計

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據；(2)處理傳感器原始數據,根據標定數據將其還原為對應的物理量值；(3)可配置板卡采集通道的參數,滿足不同傳感器的接入需求；(4)提供與其他設備進行串口或USB連接的解決方案,讀取GPS模塊和OBD模塊的數據；(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的測試數據；(6)上傳測試模塊實時數據和歷史數據。

如圖3所示,車載測試軟件設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系統的計算機系統中,綜合cRIO-9036測試系統、GPS模塊、OBD模塊等的數據進行處理、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測試系統中,對各個傳感器的數據進行采集和整合。

本文借鑒Android項目框架,設計完整易用的Windows操作系統下的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,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、開發人員信息、配置加載的進程狀態等,后臺則執行系統配置和各類資源的加載任務；日志服務是用于記錄程序運行過程中出現的錯誤和重要狀態信息；全局變量用于儲存配置信息和狀態信息；構造配置用于記錄程序的構成信息,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框架基礎上繼續進行車載測試系統的軟件系統編寫工作如下：

(1) FPGA程序分為采集任務和控制任務,其中包含電壓、電流、數字、熱電阻、熱電偶5個采集循環和電壓、電流、繼電器3個控制循環,分別對應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程序進行數據交換。

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

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

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。在展示模塊中設置需要顯示的變量信息,如圖5所示。

圖4 測試模塊設置界面

圖5 展示模塊設置界面

3 車載測試系統應用試驗

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

測試數據見表2。當占空比小于10%時,電子風扇不足以克服自身的摩擦阻力,轉速為零；當占空比小于20%時,風扇的轉速較小,散熱器的入口風速持續為零；當占空比大于20%后,風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,風扇功率的增加速率變大,而入口風速的增加速率減少。

在冷卻系統控制策略中,當使用風扇對發動機散熱量進行調節時,應使占空比始終保持在30～100%的范圍內,因為占空比在0～30%的范圍內,不會對發動機的散熱做出任何貢獻,反而增加了冷卻系統的整體能耗。

圖6 測試模塊界面

占空比/%電池電壓/V功率/W轉速/(r·min-1)風速/(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 風扇功率和風速隨占空比的變化

4 結語

熱管理系統車載測試系統是測試熱管理系統在真實使用環境下性能參數的重要工具。本文開發的熱管理系統車載測試系統,獲得以下成果：

(1) 分析典型熱管理系統的車載測試需求,選擇適合車載環境下使用的高精度傳感器。選用CompactRIO測試系統作為傳感器信號采集平臺,并根據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、電壓輸入板卡和數字輸入板卡。

(2) 設計了Mylab上位機程序框架,在Mylab框架上完成車載測試系統的軟件系統編寫工作。測試系統軟件可以對測試模塊和CompactRIO各測試通道的快速配置,實現對車輛ECU數據的讀取,實現GPS信號的讀取。

(3) 在某車輛智能冷卻系統加裝本測試系統,進行電子風扇的車載性能試驗,為控制策略的制定提供基礎數據,驗證了車載測試系統的功能。