汽車電子水泵綜合性能測試系統(tǒng)研究

張雅琴，范偉軍,2，郭斌,2，江文松

(1.中國計量大學計量測試工程學院，浙江杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江杭州 310018)

0 前言

電子水泵根據車輛工況調節(jié)循環(huán)冷卻液流量，實現汽車電動機的溫度調控，是新能源汽車冷卻系統(tǒng)中的重要組成部分。性能測試是水泵研發(fā)和生產中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。目前汽車電子水泵測試技術研究和裝備研制尚未跟上電子水泵發(fā)展，其測試技術的研究主要集中在傳統(tǒng)水泵方面。重慶理工大學的小型水泵測試系統(tǒng)在常溫下可測得水泵流量、揚程、軸效率等性能參數，實現測試數據的快速采集。朱桂英設計的便捷水泵氣密性檢測試驗臺采用差壓方式檢測水泵氣密性。陶冉和張輝采用嵌入式和模擬電路的方式設計了水泵通用測試系統(tǒng)。國內外與電子水泵測試系統(tǒng)相關的公開文獻較少，企業(yè)生產用的電子水泵測試臺質量參差不齊，存在自動化程度不高、功能單一等問題，因此開發(fā)自動化、多功能的電子水泵測試系統(tǒng)具有重要意義。針對現有的問題，設計一套電子水泵綜合性能測試系統(tǒng)，適用于不同功率汽車電子水泵的測試，以滿足電子水泵廠商研發(fā)與生產需求。

1 系統(tǒng)測試需求分析

根據行業(yè)標準QC/T 288.2—2001與JB/T 8126.9—2017及相關企業(yè)需求，冷卻水泵型式檢驗主要包括性能試驗、汽蝕試驗等。通過測試一定工況下電子水泵的流量、電壓、電流、進出口壓力，計算揚程、功率、效率、汽蝕余量等性能參數，完成電子水泵的流量-揚程、流量-功率、流量-效率、流量-汽蝕余量性能曲線繪制。

與機械冷卻水泵不同的是，電子水泵轉速由自身集成系統(tǒng)控制，給定電壓與控制信號可使內部直流無刷電機以相應轉速工作。測試電機扭矩和轉速計算水泵輸入功率的傳統(tǒng)方式不適用電子水泵的測試，因此配備可編程電源回讀水泵運行時的電壓，通過電流電壓計算電機的輸入功率，再乘以效率系數即可作為電子水泵的輸入功率。

測試系統(tǒng)主要技術參數：流量測量范圍0～500 L/min，測量精度±0.2%FS；進出口壓力測量范圍-100～200 kPa，測試精度±0.1%FS；電流測量范圍0～30 A，測試精度±0.1%FS；可編程電源電壓供電范圍0～24 V，回讀精度±0.1%FS，功率范圍0～200 W；溫度測量范圍-20～100 ℃，測量精度±0.2%FS，溫度控制范圍0～80 ℃，控制精度±2 ℃。

2 檢測系統(tǒng)設計

檢測系統(tǒng)設計包括測試管路與測試方案設計、系統(tǒng)硬件設計與軟件設計。設計試驗臺的測試管路，并確定電子水泵的性能測試方案，根據測試方案設計硬件與軟件程序。

2.1 系統(tǒng)測試管路設計

泵試驗臺分為開式試驗結構與閉式試驗結構，二者都可用于電子水泵揚程、功率、效率的性能測試。對于汽蝕試驗，開式試驗臺需要在電子水泵入口處設置閥門，通過節(jié)流的方式增加水泵入口處的真空度。這種控制方式易產生局部汽蝕，影響水泵汽蝕測試精度并加速閥門老化。因此，此系統(tǒng)中采用閉式試驗結構，通過抽真空方式降低入口壓力，避免開式試驗臺帶來的局部汽蝕問題。設計閉式電子水泵綜合性能測試管路如圖1所示。

圖 1 電子水泵綜合性能測試管路示意

將待測電子水泵1置于工作臺上與進口管道更換閥3和出口管道更換閥2連接，進口段管路裝有溫度傳感器10、差壓傳感器12、進口壓力傳感器5實時監(jiān)測測試管路進口溫度、壓力，出口段管路除出口壓力傳感器11與差壓傳感器12外還裝有流量計14與流量比例閥15，用于調節(jié)管路流量；進出口管路與主水箱18連接，其開閉由手動球閥和進口三通閥7與出口三通閥13控制。測試時電子水泵在指定轉速下抽取主水箱底部測試介質；測試介質流經入口三通閥7進入電子水泵入口，流經出口三通閥13與比例閥15回到封閉主水箱，形成閉合測試回路真空泵接封閉水箱頂部真空泵24，用于汽蝕測試抽真空。以水箱上的安全閥21和壓力表19確保水箱內氣壓安全。主水箱內設加熱棒17控制測試介質的加熱；主水箱液位傳感器16實時監(jiān)測水箱液位；副水箱8存儲測試結束后電子水泵內剩余的液體。副水箱的液位計6測量到滿液位后，補液泵9將副水箱內液體自動抽取回主水箱。

2.2 測試方案設計

測試方案包括通用性能測試方案與汽蝕性能測試方案。其中，通用性能測試包括流量-揚程、流量-功率、流量-效率性能曲線測試，汽蝕性能測試即流量-汽蝕余量曲線測試。測試時，將被測電子水泵安裝于工作臺上，確保其進出口連接部分完全密封。

2.2.1 通用性能測試方案

依據相關行業(yè)測試標準，水泵通用性能測試要求在水泵40%～120%額定轉速范圍內，根據測試管路通過的流量最大值與最小值均勻設置不少于8個流量工作點。通過 PID控制，調節(jié)出口比例閥的開度使流量穩(wěn)定在流量點。傳感器實時監(jiān)測電子水泵測試管路進出口壓力、溫度、流量、電子水泵的工作電壓與電流參數值，當流量計監(jiān)控到管路內流量穩(wěn)定一段時間后，記錄電子水泵的各參數值。已知管徑、進出口高度差、液體密度參數和重力加速度，計算得到電子水泵在額定轉速下的流量-揚程、流量-功率、流量-效率曲線。

2.2.2 汽蝕性能測試方案

一般汽蝕測試采用定流量方式，抽真空過程中流量穩(wěn)定時間長，因此該系統(tǒng)設計變流量的測試方法。設置比例閥開度，打開真空泵入口閥，運行變頻真空泵控制主水箱水面壓力，實時監(jiān)測水泵進出口壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器的值，并根據對應溫度傳感器的示值獲得介質的汽化壓力，計算電子水泵的汽蝕余量與揚程。實時顯示揚程-汽蝕余量曲線，并計算揚程曲線下降值，當揚程下降3%時控制真空泵停止抽真空，此時電子水泵已發(fā)生汽蝕現象，打開排氣閥恢復水箱壓力，電子水泵停止工作。記錄并繪制該過程揚程與裝置汽蝕余量的對應曲線，找出揚程下降3%點處的汽蝕余量與對應時刻的流量。設置不同的開度進行相同試驗，得到不同流量條件下對應的汽蝕余量，繪制生成汽蝕余量-揚程和流量-汽蝕余量曲線。

2.3 系統(tǒng)硬件模塊設計

硬件系統(tǒng)以研華工控機為核心，根據功能大致可劃分為數據采集與信號處理模塊、控制模塊、通信模塊。如圖2所示，工控機通過與數據采集卡、PLC、溫控儀通信獲得測試參數。

圖2 系統(tǒng)硬件設計示意

數據采集模塊選用研華PCI-1716L板卡采集測試管路中進出口壓力傳感器、差壓傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、電流傳感器的數據，共計6個模擬量輸入。數據采集卡以中斷的工作方式實現傳感器輸出電流信號的高速采集。各傳感器將壓力、差壓、流量、電流、溫度信號轉化為電壓或電流信號，經過PA-1187信號隔離器調制、隔離、解調與放大，消除信號內耦合噪聲并將信號轉換為4～20 mA的電流信號輸入至研華板卡AI通道。

控制模塊以PLC為核心，在測試過程中主要通過控制各閥門與泵的工作狀態(tài)來控制測試流程、讀取水箱溫度液位狀態(tài)以確保系統(tǒng)安全。選用具有14位DI、10位DO與2位AI的西門子s7-1200 CPU 1214，擴展具有4位模擬輸入的SM1231和2位模擬輸出的SM1232。選用具有0.01 ℃分辨率的宇電AI716溫控儀，通過RS485串口通信與工控機交互數據，控制加熱棒工作，實現介質的溫度控制。

為滿足不同電子水泵的測試需求，設計擴展CAN、LIN轉接口與PWM發(fā)生器，允許通過LIN、CAN或PWM控制電子水泵工作轉速；PLC通過以太網與工控機實現通信。被測電子水泵供電采用沃森120 V/30 A直流可編程電源，可在供電范圍內任意調節(jié)供電電壓，回讀電壓電流值。

2.4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括上位機軟件設計與下位機控制程序設計。

2.4.1 上位機軟件設計

基于LabVIEW平臺設計電子水泵性能綜合測系統(tǒng)上位機程序，采用用戶界面事件處理器設計方式，按下機械按鈕或是布爾控件，執(zhí)行事件分支程序。軟件主要實現功能包括用戶管理、參數設置、數據采集與處理、數據庫存儲與查詢、主界面可視化測試過程、故障報警等輔助功能。

用戶管理分層設計，管理員可進行參數修改、用戶管理，操作員僅有測試權限。參數設置采用樹形選項卡實現，包括測試項選擇、水泵與傳感器參數、通信設置。數據處理模塊選擇均值濾波算法消除采集信號的噪聲，對采集信號的每80個數據進行鄰域平均，得到去噪后各被測參數的實時數據，根據采集數據實時計算揚程、功率、效率，并繪制對應流量-揚程、流量-功率、流量-效率擬合曲線。對汽蝕試驗的入口壓力-揚程曲線中每5個揚程數據進行均值濾波，計算得揚程下降3%的點為汽蝕點。數據庫存儲與查詢的實現基于LabSQL模塊，通過ADO數據接口訪問Access數據庫，并執(zhí)行相關SQL指令，將性能數據存儲于數據庫中；設計用戶查詢界面，訪問數據庫并根據時間查詢所測數據。在測試主界面中采用布爾元件模擬液體在管道內流動情況與閥門開閉情況。實時監(jiān)測界面顯示各流量點與性能參數值。測試主界面與測試監(jiān)測界面分別如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)測試主界面

圖4 性能測試監(jiān)測界面

2.4.2 下位機程序設計

LabVIEW與PLC之間進行的數據交換，包括參數設置與控制指令傳遞由OPC server實現。PLC程序采用模塊化設計，主要模塊為設備復位、數據收發(fā)與轉換、流量控制、周邊控制、測試流程控制等。設備復位包括進出口三通閥、排氣閥、流量比例閥等復位。數據收發(fā)與轉換為傳感器的模擬量與工程量的轉換、交互變量的賦值。基于PID組態(tài)實現流量控制，通過自適應方式調節(jié)比例積分微分系數，控制比例閥的模擬量輸出，調整閥門開閉使流量穩(wěn)定在流量測試點。周邊控制包括真空泵的變頻控制與排壓閥控制。

3 結束語

針對現有電子水泵性能測試系統(tǒng)存在的自動化程度低、功能單一等問題，研制一種電子水泵綜合性能測試系統(tǒng)。采用電氣自動化技術，利用PLC控制閥門與泵的動作，配合高精度數據采集卡完成相關測試參數的采集，實現汽車電子水泵的全自動綜合性能測試。該系統(tǒng)自動化程度高，經重復性試驗，測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定。所設計的系統(tǒng)已應用于某電子水泵生產廠的水泵研發(fā)與生產。