黃 瑞, 陳元梁, 薛 松, 吳加榮, 陳芬放, 陳俊玄, 俞小莉

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027)

隨著技術(shù)和理念的發(fā)展,車(chē)輛熱管理技術(shù)已經(jīng)拓展到了智能冷卻系統(tǒng)[1-4]、余熱回收[5-8]、太陽(yáng)能利用[9-10]、動(dòng)力艙、車(chē)用空調(diào)、進(jìn)排氣等系統(tǒng),其應(yīng)用對(duì)汽車(chē)節(jié)能及零部件可靠性有著重要作用。目前車(chē)載道路測(cè)試大多是車(chē)輛的整體性能測(cè)試,對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力性,舒適性和安全性進(jìn)行整體的考量,而針對(duì)車(chē)輛熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)較少。清華大學(xué)盧青春教授團(tuán)隊(duì)[11]針對(duì)新能源汽車(chē)設(shè)計(jì)車(chē)載試驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、車(chē)速等信息的測(cè)量。浙江大學(xué)呂鋒博士[12]針對(duì)商用車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)車(chē)載試驗(yàn)平臺(tái)。天津大學(xué)蔡曉林等[13]建立了車(chē)載排放試驗(yàn)系統(tǒng),使用自行開(kāi)發(fā)的單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)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(shí)濃度,以及單片機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器和流量計(jì)記錄車(chē)速和油耗信息。深圳元征公司開(kāi)發(fā)的汽車(chē)道路試驗(yàn)工況記錄儀[14],采集行車(chē)電腦(ECU)中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、噴油脈寬、行車(chē)檔位、制動(dòng)狀態(tài)、離合狀態(tài)及分動(dòng)箱的狀態(tài)等信息。綜合來(lái)看,目前國(guó)內(nèi)針對(duì)熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的車(chē)載測(cè)試平臺(tái)數(shù)量少、不夠成熟、擴(kuò)展性較差,因而本文從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用角度研制一套適用于熱管理技術(shù)的車(chē)載測(cè)試系統(tǒng),同時(shí)該系統(tǒng)需要具備良好的可擴(kuò)展性和重配置性。

1 車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在開(kāi)發(fā)車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)之前,選擇具有代表性的車(chē)輛熱管理系統(tǒng),分析車(chē)載測(cè)試需求,進(jìn)行傳感器和測(cè)試系統(tǒng)選型,從而完成車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

如圖1所示,車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)主要由以下部分組成：(1)傳感器+采集系統(tǒng),用于測(cè)量一些常規(guī)物理量,如溫度、壓力、電流、電壓等,傳感器將物理量轉(zhuǎn)化為易于處理的電信號(hào),測(cè)量設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),最后測(cè)試軟件根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)將其還原為對(duì)應(yīng)的物理量；(2)專(zhuān)用測(cè)量設(shè)備,測(cè)量一些非常規(guī)物理量,用于擴(kuò)展測(cè)試系統(tǒng)的能力,如GPS模塊,排放分析儀等；(3)車(chē)輛ECU,用于收集車(chē)輛已安裝的傳感器的數(shù)據(jù)；(4)上位機(jī),綜合各個(gè)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù),與試驗(yàn)人員進(jìn)行交互。

圖1 車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)基本架構(gòu)

以智能冷卻系統(tǒng)、太陽(yáng)能利用系統(tǒng)和排氣余熱熱電回收系統(tǒng)為例,車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試需求包括溫度測(cè)量、流速測(cè)量、流量測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量、電流測(cè)量、電壓測(cè)量、壓力測(cè)量、非常規(guī)物理量(太陽(yáng)輻射能、化學(xué)儲(chǔ)能材料成分參數(shù)、排放參數(shù)等)、計(jì)算得出的物理量(散熱量、效率、功率、能耗等)，以及測(cè)量車(chē)輛的基本運(yùn)行狀態(tài),如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、車(chē)速等信息。

根據(jù)溫度傳感器、轉(zhuǎn)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(jié)合車(chē)載測(cè)試環(huán)境進(jìn)行選型,最終傳感器選型結(jié)果如下：溫度使用熱電偶測(cè)量,轉(zhuǎn)速使用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量,流量使用渦輪流量計(jì)測(cè)量,流速使用皮托管風(fēng)速儀測(cè)量,電流使用霍爾電流傳感器測(cè)量。

另外,非常規(guī)物理量使用專(zhuān)用儀器進(jìn)行測(cè)量,本測(cè)試系統(tǒng)提供與專(zhuān)用儀器數(shù)據(jù)通信的方法；物理量的計(jì)算由測(cè)試系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)；車(chē)輛的基本運(yùn)行狀態(tài)由車(chē)輛ECU提供,本系統(tǒng)中提供與車(chē)輛OBD接口通信的方法。

虛擬儀器技術(shù)由于其擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短、集成方便等優(yōu)點(diǎn),在測(cè)試和自動(dòng)化工程中得到廣泛的應(yīng)用。本文選用美國(guó)NI公司的CompactRIO測(cè)試系統(tǒng),選配如表1所示的I/O板卡。至此,完成車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件圖見(jiàn)圖2。

表1 車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)I/O板卡

圖2 車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)硬件圖

2 車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車(chē)載測(cè)試軟件需求如下：(1)采集輸入板卡采集到的傳感器原始數(shù)據(jù)；(2)處理傳感器原始數(shù)據(jù),根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)將其還原為對(duì)應(yīng)的物理量值；(3)可配置板卡采集通道的參數(shù),滿(mǎn)足不同傳感器的接入需求；(4)提供與其他設(shè)備進(jìn)行串口或USB連接的解決方案,讀取GPS模塊和OBD模塊的數(shù)據(jù)；(5)提供可配置測(cè)試模塊程序,用于顯示和儲(chǔ)存某一熱管理系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)；(6)上傳測(cè)試模塊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

如圖3所示,車(chē)載測(cè)試軟件設(shè)計(jì)中的程序由上位機(jī)程序、實(shí)時(shí)程序和FPGA程序3部分組成。上位程序運(yùn)行在Windows系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,綜合cRIO-9036測(cè)試系統(tǒng)、GPS模塊、OBD模塊等的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、儲(chǔ)存、上傳等操作,其中測(cè)試模塊1—8是用戶(hù)可以配置的測(cè)試模塊。實(shí)時(shí)程序和FPGA程序運(yùn)行在cRIO-9036測(cè)試系統(tǒng)中,對(duì)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和整合。

本文借鑒Android項(xiàng)目框架,設(shè)計(jì)完整易用的Windows操作系統(tǒng)下的LabVIEW項(xiàng)目框架,命名為“MyLab”框架,主要分為6個(gè)基本功能模塊：主模塊管理其他功能模塊的運(yùn)行和前面板狀態(tài),提供選單操作；啟動(dòng)界面是MyLab框架的入口程序,前面板中顯示工程項(xiàng)目的基本信息,如項(xiàng)目名稱(chēng)、開(kāi)發(fā)人員信息、配置加載的進(jìn)程狀態(tài)等,后臺(tái)則執(zhí)行系統(tǒng)配置和各類(lèi)資源的加載任務(wù)；日志服務(wù)是用于記錄程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和重要狀態(tài)信息；全局變量用于儲(chǔ)存配置信息和狀態(tài)信息；構(gòu)造配置用于記錄程序的構(gòu)成信息,各個(gè)功能模塊的名稱(chēng)、專(zhuān)屬隊(duì)列的名稱(chēng)、相對(duì)路徑,項(xiàng)目的名稱(chēng)、版本、開(kāi)發(fā)人員信息等；用戶(hù)管理則包含用戶(hù)登錄和用戶(hù)信息管理功能。

圖3 車(chē)載測(cè)試程序基本框架

在Mylab框架基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)編寫(xiě)工作如下：

(1) FPGA程序分為采集任務(wù)和控制任務(wù),其中包含電壓、電流、數(shù)字、熱電阻、熱電偶5個(gè)采集循環(huán)和電壓、電流、繼電器3個(gè)控制循環(huán),分別對(duì)應(yīng)NI-9263板卡、NI-9265板卡、NI-9485板卡。

(2) 實(shí)時(shí)控制程序起橋梁作用,向上和上位機(jī)程序進(jìn)行通信,向下和FPGA程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

(3) 上位機(jī)程序綜合cRIO-9036測(cè)試系統(tǒng)、GPS模塊、OBD模塊等的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、儲(chǔ)存、上傳等操作,可以分成兩部分,一部分是以數(shù)據(jù)值全局變量為核心的數(shù)據(jù)處理流程,另一部分是圍繞數(shù)據(jù)屬性全局變量展開(kāi)的設(shè)置流程。測(cè)試模塊是上位機(jī)程序的核心功能模塊,用戶(hù)對(duì)測(cè)試模塊的數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行設(shè)置,可以在測(cè)試模塊前面板中顯示cRIO、OBD、GPS等數(shù)據(jù)，或其他測(cè)試模塊的數(shù)據(jù),并且可以進(jìn)行加、乘、除等運(yùn)算計(jì)算出需要的數(shù)據(jù)。

至此,完成車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)軟件可以對(duì)CompactRIO測(cè)試系統(tǒng)的每一個(gè)通道進(jìn)行配置,滿(mǎn)足不同傳感器的接入需求,并且可以根據(jù)不同熱管理系統(tǒng)的測(cè)試需求對(duì)測(cè)試模塊進(jìn)行配置,增加了系統(tǒng)的可配置性。車(chē)載測(cè)試軟件系統(tǒng)提供了設(shè)備通信的解決方案,增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

激活測(cè)試模塊1，并配置需要的顯示和計(jì)算的物理量,如圖4所示。在展示模塊中設(shè)置需要顯示的變量信息,如圖5所示。

圖4 測(cè)試模塊設(shè)置界面

圖5 展示模塊設(shè)置界面

3 車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)

在測(cè)試車(chē)輛上安裝本車(chē)載測(cè)試系統(tǒng),以智能冷卻系統(tǒng)的零部件性能測(cè)試為例,驗(yàn)證本測(cè)試系統(tǒng)的性能。測(cè)試了電子風(fēng)扇控制信號(hào)占空比為0～100%的條件下,電池電壓、風(fēng)扇功率和散熱器入口風(fēng)速的變化, 測(cè)試模塊界面如圖6所示。

測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。當(dāng)占空比小于10%時(shí),電子風(fēng)扇不足以克服自身的摩擦阻力,轉(zhuǎn)速為零；當(dāng)占空比小于20%時(shí),風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速較小,散熱器的入口風(fēng)速持續(xù)為零；當(dāng)占空比大于20%后,風(fēng)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(fēng)扇功率的增加速率變大,而入口風(fēng)速的增加速率減少。

在冷卻系統(tǒng)控制策略中,當(dāng)使用風(fēng)扇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),應(yīng)使占空比始終保持在30～100%的范圍內(nèi),因?yàn)檎伎毡仍?～30%的范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱做出任何貢獻(xiàn),反而增加了冷卻系統(tǒng)的整體能耗。

圖6 測(cè)試模塊界面

占空比/%電池電壓/V功率/W轉(zhuǎn)速/(r·min-1)風(fēng)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(fēng)扇功率和風(fēng)速隨占空比的變化

4 結(jié)語(yǔ)

熱管理系統(tǒng)車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)是測(cè)試熱管理系統(tǒng)在真實(shí)使用環(huán)境下性能參數(shù)的重要工具。本文開(kāi)發(fā)的熱管理系統(tǒng)車(chē)載測(cè)試系統(tǒng),獲得以下成果：

(1) 分析典型熱管理系統(tǒng)的車(chē)載測(cè)試需求,選擇適合車(chē)載環(huán)境下使用的高精度傳感器。選用CompactRIO測(cè)試系統(tǒng)作為傳感器信號(hào)采集平臺(tái),并根據(jù)常用的傳感器信號(hào)輸出類(lèi)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(shù)字輸入板卡。

(2) 設(shè)計(jì)了Mylab上位機(jī)程序框架,在Mylab框架上完成車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)編寫(xiě)工作。測(cè)試系統(tǒng)軟件可以對(duì)測(cè)試模塊和CompactRIO各測(cè)試通道的快速配置,實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛ECU數(shù)據(jù)的讀取,實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的讀取。

(3) 在某車(chē)輛智能冷卻系統(tǒng)加裝本測(cè)試系統(tǒng),進(jìn)行電子風(fēng)扇的車(chē)載性能試驗(yàn),為控制策略的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)的功能。