整車電性能測試系統設計

楊國樑，王子龍，譚金超，豐彥冬

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

隨著電子技術的發展，汽車上應用了大量的電氣設備。這些電氣設備對于改善汽車的安全性、舒適性及穩定性具有重要作用。如何提高整車電氣系統設計的可靠性成為亟待解決的關鍵性問題。整車電性能測試通過模擬電氣系統正常和異常兩類工作條件，測試負載性能并獲取其電氣參數，驗證線束、熔斷器及搭鐵點等配電裝置的性能及其與負載的匹配情況［1］。

關于電性能測試系統，研究成果不多。現有的測試系統仍不夠完善，主要問題為：①不具備集成化的特點，使用不便；②在精度和穩定性上已無法適應復雜環境的需求；③自動化、智能化程度不高，許多測試系統僅能實現參數采集及分析，缺少測試報表生成的功能。因此，有必要針對現有的問題，設計一套功能完善、高效便攜的測試系統。

1 測試系統硬件設計

整車電性能測試系統硬件用于獲取各類信號參數，本測試系統硬件基于NI公司的CompactRIO平臺設計［2］。硬件系統主要設計內容：①測試設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現對應參數的采集，模塊具備良好的精度及穩定性；②傳感器的選取：根據采集信號的特性具體選擇傳感器類型，應滿足不同量程及精度的要求；③靜態電流調理板卡的設計：考慮靜態電流具體特點，為完整記錄休眠前后的數據，需對測試量程進行切換；④供電系統及機箱的設計：為硬件系統各部件提供穩定的電源；合理設計測試系統機箱，確保各組件連接正常、工作互不干涉。設備的框架如圖1所示。

1.1 控制器及采集模塊選取

圖1 整車電性能測試系統硬件框架

控制器用于集成并控制不同類型的信號采集模塊，采集模塊用于將模擬信號轉換成數字信號，通過軟件進行數據的采集、分析及處理。本系統的控制器及采集模塊均來自NI公司，其型號分為9074、9229、9205、9227、9213、9862、9866。①控制器NI 9074：內置Intel Atom處理器和三百萬門的Xilinx Kintex-7 FPGA［3］，具備出色的RT數采和超高精確度的數據分析能力。內含8個卡槽，最多支持8個數據采集模塊連接，采集模塊基于PCI總線與控制器通信。②NI 9229模塊電壓信號采集：用于±60 V電壓信號的采集，單端8路采集通道。③NI 9205模塊：用于±10 V電壓信號的采集，32路單端模擬輸入，同時可以實現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電流信號采集采用外接電流傳感器把電流信號變成±10 V以內的電壓信號后通過NI 9205采集。④NI 9227模塊：用于±5 A電流信號的采集。4路差分輸入。測試模塊具有很高測試精度，可用于整車及控制器靜態電流參數采集。⑤NI 9213模塊：用于溫度信號的采集。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信號采集。

1.2 傳感器選取

本測試系統中部分采集模塊無需外接傳感器即可實現電壓、靜態電流、CAN/LIN信號的獲取，對于其它信號則必須配合傳感器的使用，故主要選取電流、溫度傳感器。考慮到量程、精度以及環境適應能力等因素，各傳感器的選取如表1所示。

表1 傳感器選取列表

1.3 靜態電流調理板卡設計

整車及控制器休眠電流為mA級別，因此需選取小量程、高精度的采集模塊。本系統采用的靜態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5 A，故大電流需由NI-9205測量。然而，采集模塊的量程與精度互相矛盾，考慮到靜態電流測試時，需記錄車輛休眠前后全過程的電流變化，為完整記錄數據并確保精度，本系統進行了靜態電流調理板卡的設計。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，當被測電流下降至5 A時，系統自動切換到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輸出端直接驅動信號調理模塊實現對不同通道繼電器的控制。電流大于5A時，繼電器K1吸合、K2斷開，此時通過9205模塊采集；電流小于5 A時，繼電器K2吸合、K1斷開，此時通過9227模塊采集。

圖2 通道切換電路原理

1.4 供電系統設計及機箱設計

電性能測試設備耗電部件包括控制器、采集模塊及其傳感器、信號調理模塊、通信裝置、指示裝置等。為同時滿足室內外測試需求，該套設備應具備交流供電的功能且內置可充電電池。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，滿負載時，可以連續工作8 h以上。

為滿足室內外測試需求，要求設備高度集成化、結構緊湊、體積適中、易于攜帶、穩定性好等。設計時，主要考慮：①測試設備機箱應有足夠空間進行硬件布置及電氣連接；②內部組件需固定且互不干涉；③內部耗能組件通風散熱良好。

2 整車電性能測試系統軟件設計

軟件系統是實現測試系統所有功能的主要部分。通過軟件的設計可以完成測試系統的前期采集到后期分析及生成報表。各傳感器采集的模擬信號或總線信號經信號調理模塊處理后，送入采集模塊實現采集存儲。該過程在軟件系統中操作，并在軟件中完成歷史數據的分析及處理。本測試系統基于NI公司的NI-CRIO硬件平臺以及LabVIEW環境進行程序設計［4］。對擬實現的功能劃分模塊。軟件的功能模塊主要包括：測試項管理模塊、數據采集模塊、數據分析與報表生成模塊。

2.1 測試項管理模塊設計

測試項管理模塊可實現試驗車型的整車電性能測試項目信息配置，一個完整的電性能測試項目，其包含的項目信息有：①通用信息 （項目名稱、測試信息、車輛信息）；②各類測試大項及每類測試大項下包含測試小項信息；③每一類測試大項均包含參數、評價準則、報表3部分的信息。

為完成以上眾多測試信息有序高效地管理，本測試系統軟件采用樹形結構排列測試大小項。不同的測試項使用不同的評價標準，通過多選框的形式完成評價準則的選取，提高了測試程序的運行效率。試驗車型的測試項目信息配置完成后，將生成配置文件，該配置文件可作為模版用于類似測試項目的設計。其程序如圖3所示。每次程序初始化后自動加載默認的配置文件，配置文件包含測試時的通道配置、文件存儲路徑以及當前所勾選測試項，當執行開始采集或者存儲數據操作后，程序按照配置文件記錄執行。

圖3 測試項管理程序

2.2 數據采集模塊設計

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

圖4 電流信號的采集程序

2.3 數據分析與報表生成模塊設計

2.3.1 數據分析模塊設計

數據分析功能建立在測試項管理及數據采集兩大功能的基礎上，是對已采集的數據進行波形及數值的分析和處理，與預設的評價數值比較，對測試結果做出評定。將數據導入后，可對包含的各通道數據進行分析。選取曲線和數值顯示區內的某段數據進行物理量計算，并根據布爾控件輸入指令決定是否進行快速傅立葉變換。為方便數據直觀分析，同時給出了波形與數值的顯示，并設置了波形特征控件，以對波形特征進行調節。該部分程序如圖5所示。2.3.2 報表生成模塊設計

為實現測試報表自動化生成，首先需要制定電性能測試項報表的具體模版，并將模版內置到測試系統中。報表模版為excel形式。報表生成的功能基于測試項管理及數據分析，在實現報表生成的功能前，系統會先調用測試項管理程序，要求用戶選擇將要生成報表的測試大項，確認報表生成功能后，從數據分析程序中獲取已封裝好的測試結果，設定時間軸，與測試項配置信息一起存入報表模版中。報表生成程序如圖6所示。

3 整車電性能測試系統性能試驗

對測試系統分別進行長時工作穩定性試驗、溫度穩定性試驗、精度及線性度。實驗結果表明，該測試系統具有很高的測量精度及線性度，符合測試需求。部分試驗結果如下。

1）長時工作穩定性試驗：通過模擬電子負載以及發熱電阻分別給系統輸入穩定的電流電壓信號 （即0 mA、20 mA、0 V、5 V、50 V）和溫度信號 （0℃、1 000℃），分別進行

圖5 數據分析程序

圖6 報表生成程序

2）精度及線性度試驗：因整車休眠后的靜態電流為mA級，對測試精度要求較高。故對20 mA內的電流進行精度及線性度試驗，本測試系統結果如表3所示，其測量精度為0.45%，線性度為0.19%。60 min、120 min、240 min、360 min、480 min、540 min的參數測量。其測量結果如表2所示，各信號的測試值誤差均小于設計要求。

4 結束語

以整車電氣系統性能測試為對象，設計了高效便攜的電性能測試系統。該系統硬件可實現各類信號的采集；所編軟件可實現參數采集、測試項目管理、歷史數據分析、自動化報表生成等功能。該系統彌補現有測試設備的不足，提高了整車電性能測試的效率，有效驗證了電氣系統性能水平。

表2 長時工作穩定性試驗數據

表3 0～20mA靜態電流信號精度及線性度試驗數據