新能源汽車電控系統(tǒng)功能測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

肖 潔，陳 竹，申冬海，呂永賓，劉 壬，方 芳

(1.中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南 株洲 412000；2.長(zhǎng)沙中車智馭新能源科技有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心單元，直接影響到車輛的可靠性、安全性和舒適性等。而電控單元作為整個(gè)控制系統(tǒng)的“大腦”[1]，主要包含中央處理、電源管理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集與處理、通訊與診斷等功能。因此，電控單元功能測(cè)試平臺(tái)的搭建尤為重要。

1 硬件架構(gòu)組成

硬件功能電路是搭建整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)?；谇捌谂渲眯璩渥慵昂笃谂渲脩?yīng)預(yù)留的開(kāi)發(fā)理念，對(duì)功能測(cè)試平臺(tái)的硬件架構(gòu)進(jìn)行了多次選型調(diào)整、重點(diǎn)評(píng)估和優(yōu)化配置[2]，主要包含中央處理、電源管理、矩陣控制、CAN通訊、信號(hào)采集與處理(電壓、電流、溫度等)、旋變信號(hào)控制、故障診斷、安全預(yù)警、機(jī)械連接及傳輸、備用功能擴(kuò)展等單元，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 功能測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)組成圖

與傳統(tǒng)的功能測(cè)試平臺(tái)相比，該測(cè)試系統(tǒng)可完全脫離人工操作，在被測(cè)件(Device Under Test，DUT，此處指新能源汽車電控系統(tǒng))的裝卸、測(cè)試、判斷、故障診斷及傳輸?shù)确矫婵蓪?shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。同時(shí)可根據(jù)不同DUT進(jìn)行智能化管控，具體包括型號(hào)識(shí)別、工裝調(diào)用、功能測(cè)試、程序裝載、故障診斷等。而在拓展應(yīng)用方面，則可同時(shí)滿足不同種類、不同功能電控系統(tǒng)的測(cè)試需求和備用功能擴(kuò)展，一定程度上降低了不同產(chǎn)品采用不同功能測(cè)試所帶來(lái)的附加成本[3-4]。

2 基本工作原理

2.1 中央處理單元

采集和接收DUT的電壓、電流、溫度、帶載情況及故障代碼等信息，通過(guò)分析、比較、控制等處理后，一方面判定控制器的當(dāng)前狀態(tài)，如功能是否正常、故障是否鎖定等[5]；另一方面控制DUT的后續(xù)運(yùn)行，如測(cè)試合格則繼續(xù)流向下一工位，異常則退至不合格品/返修區(qū)。

基于中央處理單元的高使用頻次、高可靠性和高穩(wěn)定性要求[6]，同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、通訊交互、信息存儲(chǔ)等重要功能，測(cè)試系統(tǒng)中央處理器直接采用了可完全兼容上述功能配置的工控機(jī)。

2.2 電源管理單元

主要包含高、低壓電源管理兩大部分，并具有對(duì)DUT和功能測(cè)試平臺(tái)的過(guò)流、過(guò)壓、短路等保護(hù)功能。其中高壓程控電源自身帶有相應(yīng)的電路保護(hù)和故障復(fù)位功能，低壓電源則兼顧+12 V和+24 V兩種系統(tǒng)的供電。此外,電源管理單元可直接對(duì)測(cè)試平臺(tái)功能單元或DUT進(jìn)行外部使能觸發(fā)，以保證相關(guān)功能電路的正常運(yùn)行和上電檢測(cè)[7]。

2.3 矩陣控制和旋變信號(hào)控制單元

矩陣控制單元包含高、低壓矩陣兩大控制功能，主要接收中央處理單元的指令，控制多路低壓/高壓繼電器的動(dòng)作，從而接通或斷開(kāi)DUT相應(yīng)的功能電路，如快/慢充、電加熱、電空調(diào)、電除霜等。

旋變信號(hào)控制單元的功能是模擬DUT連接配置旋轉(zhuǎn)變壓器的電機(jī)負(fù)載時(shí)，檢測(cè)其內(nèi)部旋變解碼功能是否正常。主要包含兩路激勵(lì)EXC+、EXC-和兩路旋變COS±、SIN±信號(hào)?；诠δ軉卧渲米顑?yōu)化和可移植應(yīng)用理念，功能測(cè)試設(shè)計(jì)了獨(dú)立的旋變信號(hào)控制模塊，并采用與實(shí)車同型號(hào)的旋轉(zhuǎn)變壓器，確保信號(hào)的真實(shí)性與可靠性。旋變功能控制單元既可作為單獨(dú)的測(cè)試臺(tái)使用，也可作為功能測(cè)試平臺(tái)的內(nèi)置功能單元。其功能框圖如圖2所示。

圖2 旋變信號(hào)控制單元功能框圖

2.4 信號(hào)檢測(cè)單元

主要包含功能測(cè)試系統(tǒng)、DUT關(guān)鍵零部件及負(fù)載電壓/電流/溫度采樣三部分。其中電壓、電流采樣為DUT空載或不同負(fù)載條件下的母線/相位電壓及電流采樣，溫度采樣則涉及DUT的關(guān)鍵零部件(如驅(qū)動(dòng)模塊)和負(fù)載(模擬或真實(shí))。功能測(cè)試中央處理單元根據(jù)采集到的電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行算法控制和綜合判斷，確定是否啟動(dòng)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)功能，避免損壞DUT或電路中的負(fù)載；還是維持持續(xù)工作功能，使功能測(cè)試和DUT繼續(xù)運(yùn)行。

2.5 CAN通訊單元

根據(jù)不同功能電路組成及通訊要求，DUT一般包含多組不同電氣功能模塊的CAN通訊，如驅(qū)動(dòng)、輔源、絕緣檢測(cè)等。功能測(cè)試平臺(tái)從資源配置最優(yōu)化出發(fā)，選用了雙路CAN通訊模塊，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程可根據(jù)功能測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試功能進(jìn)行不同CAN通道的選擇與切換。

2.6 其他功能單元

1) 故障診斷單元。包含故障判定和故障存儲(chǔ)兩大功能，分別涉及DUT的故障診斷和測(cè)試平臺(tái)的自我診斷，便于測(cè)試過(guò)程中的故障識(shí)別和異常鎖定。其中DUT的故障診斷主要基于電控系統(tǒng)自身測(cè)試軟件對(duì)故障代碼的細(xì)化和分類，如1X代表大類別“電機(jī)異?！惫收希渥宇悇t可細(xì)化至11、12等具體的電機(jī)異常狀態(tài)，便于快速實(shí)現(xiàn)DUT故障的智能診斷、鎖定與排查。

2) 安全預(yù)警單元。一方面用于高壓上電和斷電的警示，避免出現(xiàn)觸電事故；另一方面用于測(cè)試過(guò)程中異物或人員誤入測(cè)試工裝臺(tái)，干擾測(cè)試或?qū)е乱馔庥|電。

3) 機(jī)械連接及傳輸單元。用于對(duì)不同型號(hào)DUT裝卸工裝的自動(dòng)切換和自動(dòng)連接，同時(shí)包括設(shè)定距離內(nèi)的產(chǎn)品傳輸控制。

4) 負(fù)載管理單元?；诓煌珼UT電氣功能配置及測(cè)試需求，進(jìn)行不同負(fù)載的匹配、連接等管理。

5) 備用功能擴(kuò)展單元。主要包含兩個(gè)功能:一是在現(xiàn)有技術(shù)上為兼容不同電控系統(tǒng)所做的測(cè)試功能擴(kuò)展，如有些DUT帶電輔熱等模塊，而有些DUT則沒(méi)有；二是為技術(shù)更新所做的儲(chǔ)備功能擴(kuò)展，如三電技術(shù)整合后系統(tǒng)電氣對(duì)接功能的測(cè)試需求，以降低后續(xù)單獨(dú)擴(kuò)展所帶來(lái)的附加成本和不良影響。

3 軟件控制流程

3.1 控制總流程

功能測(cè)試平臺(tái)的軟件算法主要包含對(duì)測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)和DUT重要性能參數(shù)兩方面的控制和處理，開(kāi)發(fā)軟件由LabVIEW、TestStand(序列管理軟件)等共同完成。功能測(cè)試平臺(tái)一方面采集來(lái)自DUT的運(yùn)行狀態(tài)及故障代碼等信號(hào)，用于分析和判定DUT測(cè)試過(guò)程的功能狀態(tài)，并控制其后續(xù)的傳輸運(yùn)行；另一方面采集測(cè)試平臺(tái)自身的電流、電壓等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行報(bào)警閥值的判斷和控制[8-10]，確保測(cè)試過(guò)程功能測(cè)試平臺(tái)的正常工作。測(cè)試平臺(tái)控制總流程如圖3所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)控制總流程圖

3.2 工裝調(diào)用流程

在測(cè)試平臺(tái)控制總流程中，工裝調(diào)用為兩個(gè)關(guān)鍵流程之一，控制流程如圖4所示。功能測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)射頻識(shí)別、激光測(cè)距等方式采集2～3個(gè)具有代表性的產(chǎn)品特征指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)既有存儲(chǔ)庫(kù)中的特征信息進(jìn)行對(duì)比分析和產(chǎn)品辨識(shí)，確定無(wú)誤后啟動(dòng)工裝調(diào)用和連接指令。工裝連接則根據(jù)產(chǎn)品信息存儲(chǔ)庫(kù)中的電氣連接特性，鎖定不同連接點(diǎn)的坐標(biāo)值來(lái)控制連接工裝的運(yùn)動(dòng)，從而有效實(shí)現(xiàn)與匹配工裝的可靠連接。

3.3 自動(dòng)測(cè)試流程

自動(dòng)測(cè)試流程是另一個(gè)關(guān)鍵流程。系統(tǒng)調(diào)用該流程前會(huì)再次確認(rèn)產(chǎn)品型號(hào)，同時(shí)調(diào)用和燒錄相應(yīng)的測(cè)試軟件。啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)試程序后，首先調(diào)用上電檢測(cè)指令，分別對(duì)DUT連接高/低壓后的電壓、電流等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行自檢，確認(rèn)無(wú)異常后方可轉(zhuǎn)入功能測(cè)試，并通過(guò)對(duì)比分析測(cè)量數(shù)據(jù)與既存數(shù)據(jù)，對(duì)DUT進(jìn)行合格判定。如有差異，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行再次分析，確保判據(jù)的正確性。其流程如圖5所示。

圖5 自動(dòng)測(cè)試控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合高可靠性、多功能的硬件電路組成及軟件控制算法開(kāi)發(fā)了新能源汽車電控單元功能測(cè)試平臺(tái)。在保障不同電控單元正常進(jìn)行功能檢測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了對(duì)DUT各電氣功能狀態(tài)的正確識(shí)別和自動(dòng)判斷，尤其是產(chǎn)品故障的智能診斷與快速鎖定，一定程度上提升了電控系統(tǒng)及整車工作的可靠性、安全性，起到了明顯的提質(zhì)、降本、增效作用。