整车电性能测试系统设计

杨国樑，王子龙，谭金超，丰彦冬

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

随着电子技术的发展，汽车上应用了大量的电气设备。这些电气设备对于改善汽车的安全性、舒适性及稳定性具有重要作用。如何提高整车电气系统设计的可靠性成为亟待解决的关键性问题。整车电性能测试通过模拟电气系统正常和异常两类工作条件，测试负载性能并获取其电气参数，验证线束、熔断器及搭铁点等配电装置的性能及其与负载的匹配情况［1］。

关于电性能测试系统，研究成果不多。现有的测试系统仍不够完善，主要问题为：①不具备集成化的特点，使用不便；②在精度和稳定性上已无法适应复杂环境的需求；③自动化、智能化程度不高，许多测试系统仅能实现参数采集及分析，缺少测试报表生成的功能。因此，有必要针对现有的问题，设计一套功能完善、高效便携的测试系统。

1 测试系统硬件设计

整车电性能测试系统硬件用于获取各类信号参数，本测试系统硬件基于NI公司的CompactRIO平台设计［2］。硬件系统主要设计内容：①测试设备控制器及采集模块的选取：选取合适的控制器及采集模块实现对应参数的采集，模块具备良好的精度及稳定性；②传感器的选取：根据采集信号的特性具体选择传感器类型，应满足不同量程及精度的要求；③静态电流调理板卡的设计：考虑静态电流具体特点，为完整记录休眠前后的数据，需对测试量程进行切换；④供电系统及机箱的设计：为硬件系统各部件提供稳定的电源；合理设计测试系统机箱，确保各组件连接正常、工作互不干涉。设备的框架如图1所示。

1.1 控制器及采集模块选取

图1 整车电性能测试系统硬件框架

控制器用于集成并控制不同类型的信号采集模块，采集模块用于将模拟信号转换成数字信号，通过软件进行数据的采集、分析及处理。本系统的控制器及采集模块均来自NI公司，其型号分为9074、9229、9205、9227、9213、9862、9866。①控制器NI 9074：内置Intel Atom处理器和三百万门的Xilinx Kintex-7 FPGA［3］，具备出色的RT数采和超高精确度的数据分析能力。内含8个卡槽，最多支持8个数据采集模块连接，采集模块基于PCI总线与控制器通信。②NI 9229模块电压信号采集：用于±60 V电压信号的采集，单端8路采集通道。③NI 9205模块：用于±10 V电压信号的采集，32路单端模拟输入，同时可以实现16路差分模拟输入。每条通道相互隔离且具有±200 mV、±1 V、±5 V和±10 V可编程的输入范围。0 A～1 400 A电流信号采集采用外接电流传感器把电流信号变成±10 V以内的电压信号后通过NI 9205采集。④NI 9227模块：用于±5 A电流信号的采集。4路差分输入。测试模块具有很高测试精度，可用于整车及控制器静态电流参数采集。⑤NI 9213模块：用于温度信号的采集。支持J、K、T、E、N、B、R和S型热电偶传感器。⑥NI9862模块和NI9866模块：分别用于CAN、LIN信号采集。

1.2 传感器选取

本测试系统中部分采集模块无需外接传感器即可实现电压、静态电流、CAN/LIN信号的获取，对于其它信号则必须配合传感器的使用，故主要选取电流、温度传感器。考虑到量程、精度以及环境适应能力等因素，各传感器的选取如表1所示。

表1 传感器选取列表

1.3 静态电流调理板卡设计

整车及控制器休眠电流为mA级别，因此需选取小量程、高精度的采集模块。本系统采用的静态电流采集模块量程范围为5 A（NI 9227）。车辆休眠前的电流一般较大，超过5 A，故大电流需由NI-9205测量。然而，采集模块的量程与精度互相矛盾，考虑到静态电流测试时，需记录车辆休眠前后全过程的电流变化，为完整记录数据并确保精度，本系统进行了静态电流调理板卡的设计。该板卡可完成量程快速切换的工作。5 A以上由9205模块采集记录电流，当被测电流下降至5 A时，系统自动切换到9227模块采集。通道切换的电路原理如图2所示。

其电路原理为：由NI9205的DO输出端直接驱动信号调理模块实现对不同通道继电器的控制。电流大于5A时，继电器K1吸合、K2断开，此时通过9205模块采集；电流小于5 A时，继电器K2吸合、K1断开，此时通过9227模块采集。

图2 通道切换电路原理

1.4 供电系统设计及机箱设计

电性能测试设备耗电部件包括控制器、采集模块及其传感器、信号调理模块、通信装置、指示装置等。为同时满足室内外测试需求，该套设备应具备交流供电的功能且内置可充电电池。因此，电源部分主要由交流供电电路、锂电池、内置充电器组成。锂电池输出电压20～29.4 V，额定电压24 V；容量32 Ah，满负载时，可以连续工作8 h以上。

为满足室内外测试需求，要求设备高度集成化、结构紧凑、体积适中、易于携带、稳定性好等。设计时，主要考虑：①测试设备机箱应有足够空间进行硬件布置及电气连接；②内部组件需固定且互不干涉；③内部耗能组件通风散热良好。

2 整车电性能测试系统软件设计

软件系统是实现测试系统所有功能的主要部分。通过软件的设计可以完成测试系统的前期采集到后期分析及生成报表。各传感器采集的模拟信号或总线信号经信号调理模块处理后，送入采集模块实现采集存储。该过程在软件系统中操作，并在软件中完成历史数据的分析及处理。本测试系统基于NI公司的NI-CRIO硬件平台以及LabVIEW环境进行程序设计［4］。对拟实现的功能划分模块。软件的功能模块主要包括：测试项管理模块、数据采集模块、数据分析与报表生成模块。

2.1 测试项管理模块设计

测试项管理模块可实现试验车型的整车电性能测试项目信息配置，一个完整的电性能测试项目，其包含的项目信息有：①通用信息 （项目名称、测试信息、车辆信息）；②各类测试大项及每类测试大项下包含测试小项信息；③每一类测试大项均包含参数、评价准则、报表3部分的信息。

为完成以上众多测试信息有序高效地管理，本测试系统软件采用树形结构排列测试大小项。不同的测试项使用不同的评价标准，通过多选框的形式完成评价准则的选取，提高了测试程序的运行效率。试验车型的测试项目信息配置完成后，将生成配置文件，该配置文件可作为模版用于类似测试项目的设计。其程序如图3所示。每次程序初始化后自动加载默认的配置文件，配置文件包含测试时的通道配置、文件存储路径以及当前所勾选测试项，当执行开始采集或者存储数据操作后，程序按照配置文件记录执行。

图3 测试项管理程序

2.2 数据采集模块设计

软件设计的主体工作在于电压、电流、温度、总线信号采集程序的设计。以NI 9227模块电流信号采集为例，LabVIEW程序如图4所示。依次完成如下设计：①建立RIO采集控件。该控件可对通道属性、类型、名称及被采集电流阈值 （最大最小测量值）设置，通过采集控件的设置确保程序与硬件接口匹配。②建立定时控件。用以设置电流信号的采样率、采样模式、采样时钟源。③建立记录控件。用以设置记录模式。④建立触发控件。用以显示采集信号的数值及波形。

图4 电流信号的采集程序

2.3 数据分析与报表生成模块设计

2.3.1 数据分析模块设计

数据分析功能建立在测试项管理及数据采集两大功能的基础上，是对已采集的数据进行波形及数值的分析和处理，与预设的评价数值比较，对测试结果做出评定。将数据导入后，可对包含的各通道数据进行分析。选取曲线和数值显示区内的某段数据进行物理量计算，并根据布尔控件输入指令决定是否进行快速傅立叶变换。为方便数据直观分析，同时给出了波形与数值的显示，并设置了波形特征控件，以对波形特征进行调节。该部分程序如图5所示。2.3.2 报表生成模块设计

为实现测试报表自动化生成，首先需要制定电性能测试项报表的具体模版，并将模版内置到测试系统中。报表模版为excel形式。报表生成的功能基于测试项管理及数据分析，在实现报表生成的功能前，系统会先调用测试项管理程序，要求用户选择将要生成报表的测试大项，确认报表生成功能后，从数据分析程序中获取已封装好的测试结果，设定时间轴，与测试项配置信息一起存入报表模版中。报表生成程序如图6所示。

3 整车电性能测试系统性能试验

对测试系统分别进行长时工作稳定性试验、温度稳定性试验、精度及线性度。实验结果表明，该测试系统具有很高的测量精度及线性度，符合测试需求。部分试验结果如下。

1）长时工作稳定性试验：通过模拟电子负载以及发热电阻分别给系统输入稳定的电流电压信号 （即0 mA、20 mA、0 V、5 V、50 V）和温度信号 （0℃、1 000℃），分别进行

图5 数据分析程序

图6 报表生成程序

2）精度及线性度试验：因整车休眠后的静态电流为mA级，对测试精度要求较高。故对20 mA内的电流进行精度及线性度试验，本测试系统结果如表3所示，其测量精度为0.45%，线性度为0.19%。60 min、120 min、240 min、360 min、480 min、540 min的参数测量。其测量结果如表2所示，各信号的测试值误差均小于设计要求。

4 结束语

以整车电气系统性能测试为对象，设计了高效便携的电性能测试系统。该系统硬件可实现各类信号的采集；所编软件可实现参数采集、测试项目管理、历史数据分析、自动化报表生成等功能。该系统弥补现有测试设备的不足，提高了整车电性能测试的效率，有效验证了电气系统性能水平。

表2 长时工作稳定性试验数据

表3 0～20mA静态电流信号精度及线性度试验数据