李 鳴,游 彬,張 宇

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院,江西 南昌 33003;2.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江西 南昌 330031)

基于CompactRIO的車(chē)載電平衡測(cè)試系統(tǒng)

李 鳴1*,游 彬2*,張 宇1

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院,江西 南昌 33003;2.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江西 南昌 330031)

汽車(chē)電氣系統(tǒng)的電量平衡表示的是汽車(chē)交流發(fā)電機(jī)(電動(dòng)汽車(chē)是DC-DC)產(chǎn)生的電量能夠滿(mǎn)足蓄電池和其他用電設(shè)備的需求并且有余量。對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試能夠保證車(chē)輛在任何工況下面都能夠正常啟動(dòng)和正常行駛,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池和整車(chē)用電設(shè)備的優(yōu)化匹配,還能延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)的使用壽命,在構(gòu)建新車(chē)型電器系統(tǒng)和車(chē)型評(píng)定方面有很大研究?jī)r(jià)值。因此,研發(fā)了一種基于CompactRIO的電平衡驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng),并根據(jù)測(cè)試規(guī)范規(guī)定的行車(chē)工況,對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)科學(xué)可行,具有高精度高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。

汽車(chē)測(cè)試;CompactRIO;驗(yàn)證測(cè)試;電量平衡;電平衡計(jì)算原理;數(shù)據(jù)采集

本文根據(jù)電量平衡計(jì)算原理,設(shè)計(jì)了一種基于NI-CRIO的驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng),配合ISO 16750-2、ISO 7637-2、CEPT等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試。

1 汽車(chē)電平衡計(jì)算原理

汽車(chē)用電量的平衡,是指產(chǎn)生電量要與消耗電量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡或是靜態(tài)平衡,相應(yīng)的評(píng)判準(zhǔn)則是充電電量要與放電量維持平衡[6](由于一些線束內(nèi)阻的原因,充電電量應(yīng)該略大于放電電量):

∑Iin*Δtin>∑(Iout*Δtout)

(1)

Iin表示蓄電池在Δtin時(shí)間內(nèi)的平均充電電流,Iout表示蓄電池在Δtout時(shí)間內(nèi)的平均放電電流,Δtin蓄電池充電時(shí)間段,Δtout放電時(shí)間段。

從評(píng)判準(zhǔn)則中可以看出計(jì)算發(fā)電電量和電器消耗電量是驗(yàn)證電量平衡的關(guān)鍵。發(fā)電電量是車(chē)上發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電量,而消耗電量主要是一些用電設(shè)備和保險(xiǎn)絲內(nèi)阻以及線束負(fù)載對(duì)電量的需求。

通常而言,當(dāng)車(chē)輛靜止停放時(shí)會(huì)有靜態(tài)負(fù)載消耗蓄電池的電量,從而車(chē)輛線束會(huì)有靜態(tài)電流產(chǎn)生,其大小與車(chē)輛靜止不啟動(dòng)時(shí)間存在一定關(guān)系,是車(chē)輛靜態(tài)平衡的一個(gè)標(biāo)志,一般存放30 d(天)以后車(chē)輛還能正常啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)才合格:

(2)

I靜表示車(chē)輛未啟動(dòng)時(shí)的靜態(tài)電流(A),T0表示一個(gè)月的時(shí)間(720h),Q0表示蓄電池5h容量(Ah),α 蓄電池靜態(tài)平衡系數(shù),一般取0.55。

車(chē)輛啟動(dòng)以后是車(chē)輛動(dòng)態(tài)電平衡驗(yàn)證測(cè)試,這時(shí)蓄電池需要充電,而用電設(shè)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(fā)電機(jī)或者DC-DC的溫度升高造成額外的電能消耗,這個(gè)值一般需要大于0,Ialt,max表示發(fā)電機(jī)(電動(dòng)汽車(chē)DC-DC)在行駛中額定功率下的電流值,Ic表示頻度系數(shù)為常量1的用電設(shè)備在額定功率下的電流值,Iv表示頻度系數(shù)小于1的用電設(shè)備的在額定功率下的電流值。

根據(jù)汽車(chē)電器用電性質(zhì),用電設(shè)備又可分為3類(lèi),1類(lèi)為汽車(chē)在行程中必須長(zhǎng)期使用的用電設(shè)備(各類(lèi)儀表等),2類(lèi)為汽車(chē)安全行駛時(shí)非長(zhǎng)期使用的用電設(shè)備(喇叭,安全氣囊,轉(zhuǎn)向燈等),3類(lèi)為汽車(chē)舒適性用電設(shè)備(空調(diào),影音設(shè)備等)。這3類(lèi)用電器有著不同的使用頻度系數(shù)μ,這個(gè)頻度系數(shù)是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間道路行駛歷史使用數(shù)據(jù)中綜合得出的經(jīng)驗(yàn)值。驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程中通過(guò)規(guī)范測(cè)試所需的采樣率獲取試驗(yàn)數(shù)值,取汽車(chē)用電設(shè)備穩(wěn)定后的數(shù)值做樣本求均值,然后與各自的頻度系數(shù)相乘:

(5)

μi表示用電設(shè)備的頻度系數(shù),Ii表示用電設(shè)備在額定功率下的電流值。

需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證車(chē)輛電量是否存在問(wèn)題,為產(chǎn)品的成本優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持與方案。

2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精度轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)測(cè)試箱,箱體、上面板、采集模塊、鋰電池供電模塊、無(wú)線傳輸模塊、信號(hào)調(diào)理板卡、信號(hào)采集模塊和通風(fēng)散熱模塊,在上面板上對(duì)應(yīng)設(shè)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(lái)給測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的用電設(shè)備提供穩(wěn)定的電源,信號(hào)采集模塊集成了整車(chē)電壓采集、電流采集以及熱電偶溫度采集板卡,無(wú)線傳輸模塊用來(lái)提供信號(hào)采集模塊與上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù),信號(hào)調(diào)理板卡在測(cè)量時(shí)根據(jù)測(cè)試對(duì)象數(shù)據(jù)的變化精確切換測(cè)試量程與精度,上面板的散熱風(fēng)扇在測(cè)試環(huán)境溫濕度過(guò)高時(shí)可及時(shí)降低溫濕度。本測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)精確的采集記錄整車(chē)的電氣數(shù)據(jù),能夠極大的增加整車(chē)電氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的高效性與可靠性,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 精度轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

電源為精度轉(zhuǎn)換模塊提供24 V的DC電壓,通過(guò)板上的DC-DC轉(zhuǎn)換器為板上的繼電器和繼電器驅(qū)動(dòng)模塊等部件提供其所需電壓。通過(guò)四路繼電器控制4個(gè)通道的靜態(tài)電流的量程輸入。觸發(fā)信號(hào)是CRIO[7]上DO輸出信號(hào),由該信號(hào)觸發(fā)繼電器,原理圖如圖2所示。

整車(chē)及控制器靜態(tài)電流測(cè)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(tǒng)采用的靜態(tài)電流采集卡量程范圍為±5 A,在靜態(tài)電流測(cè)試時(shí),需要記錄整車(chē)在(發(fā)電機(jī)系統(tǒng)保險(xiǎn))IGN=ON->OFF->系統(tǒng)休眠整個(gè)過(guò)程的電流,而在 IGN=ON狀態(tài)下整車(chē)的系統(tǒng)電流較大,會(huì)超出靜態(tài)電流采集卡的量程,為能保證測(cè)試數(shù)據(jù)的完整性,本方案設(shè)計(jì)了靜態(tài)電流量程自動(dòng)切換的功能,即當(dāng)被測(cè)電流大于5 A時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)切換到大量程采集,保證數(shù)據(jù)記錄的完整性與連續(xù)性。為了讓系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)電流量程的切換,并保護(hù)小量程通道不被大電流沖擊,靜態(tài)采集設(shè)備中設(shè)計(jì)了量程自動(dòng)切換電路,由 FPGA直接驅(qū)動(dòng) DO板卡實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通道繼電器的控制,使用FPGA可以確保切換的速度。當(dāng)電流小于5 A時(shí)繼電器內(nèi)的K1吸合,K2D斷開(kāi),當(dāng)電流大于5 A時(shí)繼電器內(nèi)的K1斷開(kāi),K2吸合。

3 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的高精度、高可靠性、高實(shí)時(shí)性,本文采用NI-9074作為數(shù)據(jù)采集控制器機(jī)箱[8],配合相應(yīng)的采集板卡:NI-9229、NI-9205、NI-9227、NI-9853、NI-9213等。數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)模塊采用兩種方法采集數(shù)據(jù),單點(diǎn)輪詢(xún)采集:數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后通過(guò)PCI總線與RT通信,FPGA端采集I/O通道數(shù)據(jù)后設(shè)置中斷,RT端觸發(fā)相應(yīng)中斷后通過(guò)讀寫(xiě)節(jié)點(diǎn)讀取I/O通道數(shù)據(jù),相當(dāng)于直采直傳。這種方式采集數(shù)據(jù)快,內(nèi)存使用小,FPGA資源開(kāi)銷(xiāo)小,便于實(shí)現(xiàn)。但是,對(duì)于部分高采樣大吞吐量的車(chē)載電性能信號(hào),用單點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性就會(huì)很差,達(dá)不到采集要求。DMA FIFO[9]方式采集:將I/O通道數(shù)據(jù)捆綁后存儲(chǔ)在主機(jī)和終端都能訪問(wèn)的一塊先進(jìn)先出的緩存中,然后在RT端通過(guò)DMA方法節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)的讀取緩存中的數(shù)據(jù)。這種采集方式能夠調(diào)節(jié)循環(huán)同步,通過(guò)PCI總線仲裁共享資源的調(diào)度,使采集數(shù)據(jù)同步、連續(xù)且不失幁。為了確保大吞吐量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絉T端,同時(shí)在主機(jī)端(RT端)也配置好足夠大的共享內(nèi)存,設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 FPGA驅(qū)動(dòng)流程

數(shù)據(jù)從下位機(jī)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)采用TCP/IP形式[10],TCP/IP技術(shù)廣泛用于網(wǎng)絡(luò)傳輸當(dāng)中,在CompactRIO中也不例外。LabVIEW在RT終端上有TCP協(xié)議的一些接口,包括監(jiān)聽(tīng)、打開(kāi)、讀寫(xiě)、關(guān)閉一系列常用函數(shù)。作為一種面向連接的通信協(xié)議,端對(duì)端的傳輸使其具有高度的可靠性,采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)這種方式做網(wǎng)絡(luò)傳輸既能夠保證數(shù)據(jù)流的吞吐量也能夠保證數(shù)據(jù)安全性。圖4表示從RT端把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)此種協(xié)議傳輸?shù)絇C端的程序。以RT端作為T(mén)CP/IP的服務(wù)器,PC端作為T(mén)CP/IP的客戶(hù)端,在RT端寫(xiě)入或是在PC端讀取都要將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成字符串形式,并且為了確保數(shù)據(jù)流的完整性,字符串長(zhǎng)度和內(nèi)容分開(kāi)寫(xiě)入,每次分4 byte讀取。

數(shù)據(jù)采集到上位機(jī),上位機(jī)做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理[11-12]。把采集到的車(chē)輛靜止時(shí)的靜態(tài)流代入到式(2),在上位機(jī)LabVIEW程序中判定車(chē)輛靜態(tài)電平衡是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在車(chē)輛動(dòng)態(tài)平衡測(cè)試中,下位機(jī)將采集到的電流與電壓數(shù)據(jù)保存在TDMS格式文件中,以網(wǎng)絡(luò)形式傳送到上位機(jī)中,然后上位機(jī)提取TDMS格式數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的特征值,然后進(jìn)行均值和與頻度系數(shù)的相乘等一系列處理,得到式(5)的結(jié)果,然后在上位機(jī)中根據(jù)式(1)做動(dòng)態(tài)電平衡的驗(yàn)證判斷。流程圖如圖5所示,程序圖如圖6所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸程序

圖5 數(shù)據(jù)分析流程圖

圖6 動(dòng)態(tài)電平衡數(shù)據(jù)處理

4 實(shí)車(chē)測(cè)試

本次實(shí)車(chē)測(cè)試測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):參照CEPT:14.00-L-401《Charging System Performance Test》。驗(yàn)證測(cè)試眾泰某純電動(dòng)車(chē)電平衡。

靜態(tài)電平衡測(cè)試:

通過(guò)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理,依據(jù)測(cè)試原理,在各相關(guān)控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)下,進(jìn)行的整車(chē)靜態(tài)電流測(cè)量,看是否符合標(biāo)準(zhǔn)[13]。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 靜態(tài)電流值

動(dòng)態(tài)電平衡測(cè)試

環(huán)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(cè)試結(jié)果如表2所示。

冬季工況測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表2 夏季工況用電設(shè)備電流消耗

表3 冬季工況用電設(shè)備電流消耗

根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果知,測(cè)試過(guò)程中蓄電池以小電流充電,DC-DC輸出能夠滿(mǎn)足該工況下已開(kāi)啟的車(chē)載電器功率消耗。冬夏工況下,車(chē)輛DC-DC、蓄電池以及其他已開(kāi)啟電器負(fù)載,滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)平衡。

5 結(jié)論

以車(chē)輛電平衡測(cè)試流程為基礎(chǔ),分析汽車(chē)電量平衡計(jì)算原理,根據(jù)各個(gè)測(cè)試信號(hào)的特點(diǎn)和需求,整合模塊化硬件設(shè)備,合理布局系統(tǒng)結(jié)構(gòu),完成體積小,抗強(qiáng)震,適用性強(qiáng)的車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)擁有獨(dú)有的FPGA精度切換模塊,有助于獲取高靜態(tài)電流,減小試驗(yàn)誤差;將CompactRIO與LabVIEW技術(shù)應(yīng)用于車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)中,使得系統(tǒng)在滿(mǎn)足常規(guī)測(cè)試需求時(shí),具有NI-CRIO的擴(kuò)展性?xún)?yōu)勢(shì)。

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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