基于CompactRIO的車載電平衡測試系統

李 鳴,游 彬,張 宇

(1.南昌大學信息工程學院,江西 南昌 33003;2.南昌大學機電工程學院,江西 南昌 330031)

基于CompactRIO的車載電平衡測試系統

李 鳴1*,游 彬2*,張 宇1

(1.南昌大學信息工程學院,江西 南昌 33003;2.南昌大學機電工程學院,江西 南昌 330031)

汽車電氣系統的電量平衡表示的是汽車交流發電機(電動汽車是DC-DC)產生的電量能夠滿足蓄電池和其他用電設備的需求并且有余量。對其進行驗證測試能夠保證車輛在任何工況下面都能夠正常啟動和正常行駛,不僅能夠實現蓄電池和整車用電設備的優化匹配,還能延長發電機的使用壽命,在構建新車型電器系統和車型評定方面有很大研究價值。因此,研發了一種基于CompactRIO的電平衡驗證測試系統,并根據測試規范規定的行車工況,對某電動汽車進行實車驗證,實驗結果表明此系統科學可行,具有高精度高實時性等特點。

汽車測試;CompactRIO;驗證測試;電量平衡;電平衡計算原理;數據采集

本文根據電量平衡計算原理,設計了一種基于NI-CRIO的驗證測試系統,配合ISO 16750-2、ISO 7637-2、CEPT等國際標準和規范對某電動汽車進行實車測試。

1 汽車電平衡計算原理

汽車用電量的平衡,是指產生電量要與消耗電量達到動態平衡或是靜態平衡,相應的評判準則是充電電量要與放電量維持平衡[6](由于一些線束內阻的原因,充電電量應該略大于放電電量):

∑Iin*Δtin>∑(Iout*Δtout)

(1)

Iin表示蓄電池在Δtin時間內的平均充電電流,Iout表示蓄電池在Δtout時間內的平均放電電流,Δtin蓄電池充電時間段,Δtout放電時間段。

從評判準則中可以看出計算發電電量和電器消耗電量是驗證電量平衡的關鍵。發電電量是車上發電機所產生的電量,而消耗電量主要是一些用電設備和保險絲內阻以及線束負載對電量的需求。

通常而言,當車輛靜止停放時會有靜態負載消耗蓄電池的電量,從而車輛線束會有靜態電流產生,其大小與車輛靜止不啟動時間存在一定關系,是車輛靜態平衡的一個標志,一般存放30 d(天)以后車輛還能正常啟動起動機才合格:

(2)

I靜表示車輛未啟動時的靜態電流(A),T0表示一個月的時間(720h),Q0表示蓄電池5h容量(Ah),α 蓄電池靜態平衡系數,一般取0.55。

車輛啟動以后是車輛動態電平衡驗證測試,這時蓄電池需要充電,而用電設備消耗電量:

(3)

積分以后得到

Q=∫[Ialt,max-(Iv+Ic)]dt

(4)

Q為余電量,用于線束消耗以及隨著溫度升高發電機或者DC-DC的溫度升高造成額外的電能消耗,這個值一般需要大于0,Ialt,max表示發電機(電動汽車DC-DC)在行駛中額定功率下的電流值,Ic表示頻度系數為常量1的用電設備在額定功率下的電流值,Iv表示頻度系數小于1的用電設備的在額定功率下的電流值。

根據汽車電器用電性質,用電設備又可分為3類,1類為汽車在行程中必須長期使用的用電設備(各類儀表等),2類為汽車安全行駛時非長期使用的用電設備(喇叭,安全氣囊,轉向燈等),3類為汽車舒適性用電設備(空調,影音設備等)。這3類用電器有著不同的使用頻度系數μ,這個頻度系數是通過長時間道路行駛歷史使用數據中綜合得出的經驗值。驗證測試過程中通過規范測試所需的采樣率獲取試驗數值,取汽車用電設備穩定后的數值做樣本求均值,然后與各自的頻度系數相乘:

(5)

μi表示用電設備的頻度系數,Ii表示用電設備在額定功率下的電流值。

需要設計系統來驗證車輛電量是否存在問題,為產品的成本優化提供數據支持與方案。

2 測試系統結構設計和精度轉換設計

整個系統為一個測試箱,箱體、上面板、采集模塊、鋰電池供電模塊、無線傳輸模塊、信號調理板卡、信號采集模塊和通風散熱模塊,在上面板上對應設有電壓、電流與溫度采集通道的接口;鋰電池供電模塊,主要用來給測試系統內的用電設備提供穩定的電源,信號采集模塊集成了整車電壓采集、電流采集以及熱電偶溫度采集板卡,無線傳輸模塊用來提供信號采集模塊與上位機系統實時傳輸數據,信號調理板卡在測量時根據測試對象數據的變化精確切換測試量程與精度,上面板的散熱風扇在測試環境溫濕度過高時可及時降低溫濕度。本測試系統可以實時精確的采集記錄整車的電氣數據,能夠極大的增加整車電氣系統開發的高效性與可靠性,如圖1所示。

圖1 系統機構設計

圖2 精度轉換設計

電源為精度轉換模塊提供24 V的DC電壓,通過板上的DC-DC轉換器為板上的繼電器和繼電器驅動模塊等部件提供其所需電壓。通過四路繼電器控制4個通道的靜態電流的量程輸入。觸發信號是CRIO[7]上DO輸出信號,由該信號觸發繼電器,原理圖如圖2所示。

整車及控制器靜態電流測試需要精度較高的采集卡,通常精度較高的采集卡量程比較小,本系統采用的靜態電流采集卡量程范圍為±5 A,在靜態電流測試時,需要記錄整車在(發電機系統保險)IGN=ON->OFF->系統休眠整個過程的電流,而在 IGN=ON狀態下整車的系統電流較大,會超出靜態電流采集卡的量程,為能保證測試數據的完整性,本方案設計了靜態電流量程自動切換的功能,即當被測電流大于5 A時,系統自動切換到大量程采集,保證數據記錄的完整性與連續性。為了讓系統自動適應電流量程的切換,并保護小量程通道不被大電流沖擊,靜態采集設備中設計了量程自動切換電路,由 FPGA直接驅動 DO板卡實現對不同通道繼電器的控制,使用FPGA可以確保切換的速度。當電流小于5 A時繼電器內的K1吸合,K2D斷開,當電流大于5 A時繼電器內的K1斷開,K2吸合。

3 數據采集和數據處理軟件設計

為了滿足系統數據采集的高精度、高可靠性、高實時性,本文采用NI-9074作為數據采集控制器機箱[8],配合相應的采集板卡:NI-9229、NI-9205、NI-9227、NI-9853、NI-9213等。數據采集驅動模塊采用兩種方法采集數據,單點輪詢采集:數據通過信號調理電路和數模轉換電路后通過PCI總線與RT通信,FPGA端采集I/O通道數據后設置中斷,RT端觸發相應中斷后通過讀寫節點讀取I/O通道數據,相當于直采直傳。這種方式采集數據快,內存使用小,FPGA資源開銷小,便于實現。但是,對于部分高采樣大吞吐量的車載電性能信號,用單點采集的數據實時性就會很差,達不到采集要求。DMA FIFO[9]方式采集:將I/O通道數據捆綁后存儲在主機和終端都能訪問的一塊先進先出的緩存中,然后在RT端通過DMA方法節點輪詢的讀取緩存中的數據。這種采集方式能夠調節循環同步,通過PCI總線仲裁共享資源的調度,使采集數據同步、連續且不失幁。為了確保大吞吐量數據實時傳輸到RT端,同時在主機端(RT端)也配置好足夠大的共享內存,設計流程如圖3所示。

圖3 FPGA驅動流程

數據從下位機傳輸到上位機采用TCP/IP形式[10],TCP/IP技術廣泛用于網絡傳輸當中,在CompactRIO中也不例外。LabVIEW在RT終端上有TCP協議的一些接口,包括監聽、打開、讀寫、關閉一系列常用函數。作為一種面向連接的通信協議,端對端的傳輸使其具有高度的可靠性,采集到的數據通過這種方式做網絡傳輸既能夠保證數據流的吞吐量也能夠保證數據安全性。圖4表示從RT端把采集到的數據通過此種協議傳輸到PC端的程序。以RT端作為TCP/IP的服務器,PC端作為TCP/IP的客戶端,在RT端寫入或是在PC端讀取都要將數據流轉換成字符串形式,并且為了確保數據流的完整性,字符串長度和內容分開寫入,每次分4 byte讀取。

數據采集到上位機,上位機做相應的數據處理[11-12]。把采集到的車輛靜止時的靜態流代入到式(2),在上位機LabVIEW程序中判定車輛靜態電平衡是否達到標準。在車輛動態平衡測試中,下位機將采集到的電流與電壓數據保存在TDMS格式文件中,以網絡形式傳送到上位機中,然后上位機提取TDMS格式數據對應的特征值,然后進行均值和與頻度系數的相乘等一系列處理,得到式(5)的結果,然后在上位機中根據式(1)做動態電平衡的驗證判斷。流程圖如圖5所示,程序圖如圖6所示。

圖4 數據傳輸程序

圖5 數據分析流程圖

圖6 動態電平衡數據處理

4 實車測試

本次實車測試測試標準:參照CEPT:14.00-L-401《Charging System Performance Test》。驗證測試眾泰某純電動車電平衡。

靜態電平衡測試:

通過本系統的數據采集和處理,依據測試原理,在各相關控制器進入休眠狀態下,進行的整車靜態電流測量,看是否符合標準[13]。測試結果如表1所示。

表1 靜態電流值

動態電平衡測試

環境條件:夏季工況37 ℃,40% RH;冬季工況-1 ℃。3種工況:一般市郊(CNL);一般城市(CLCC);怠速(IDLE)。

夏季工況測試結果如表2所示。

冬季工況測試結果如表3所示。

表2 夏季工況用電設備電流消耗

表3 冬季工況用電設備電流消耗

根據系統測試結果知,測試過程中蓄電池以小電流充電,DC-DC輸出能夠滿足該工況下已開啟的車載電器功率消耗。冬夏工況下,車輛DC-DC、蓄電池以及其他已開啟電器負載,滿足動態平衡。

5 結論

以車輛電平衡測試流程為基礎,分析汽車電量平衡計算原理,根據各個測試信號的特點和需求,整合模塊化硬件設備,合理布局系統結構,完成體積小,抗強震,適用性強的車載測試系統。系統擁有獨有的FPGA精度切換模塊,有助于獲取高靜態電流,減小試驗誤差;將CompactRIO與LabVIEW技術應用于車載測試系統中,使得系統在滿足常規測試需求時,具有NI-CRIO的擴展性優勢。

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Vehicle Electrical Balance Test System Based on CompactRIO

LIMing1*,YOUBin2*,ZHANGYu1

(1.College of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China;2.College of Mechanic and Electronic Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Automotive electrical system’s energy balance represents that electric quantity generated by alternator(electric cars are DC-DC)should be satisfied with the battery and other electrical equipment’s requirement and have a margin. Electric balance verification tests ensure that vehicles are able to start and operate normally in some driving conditions. It is not only optimized vehicle electrical equipment and batteries,but also extended the life of generator,which have great research value in building electrical system of new vehicle model and vehicle assessments,an electrical balance verification test system should be designed based on CompactRIO. The vehicle test experiment on electric car is taken according to the driving conditions of the test specification. The experimental results show the system is scientific and feasible,which has high precision and high real-time characteristics.

automobile test;CompactRIO;verification test;balance of electricity quantity;balance calculation principle;data acquisition

2016-04-06 修改日期:2016-06-07

TP23

A

1005-9490(2017)03-0682-06

C:7210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.033