车辆部件节油虚拟测试系统设计与快速分析*

吴 媞，刘鹏飞，张小龙，葛胜迅，宋 健

(1. 安徽农业大学工学院，合肥 230036； 2. 安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，合肥 230601；3.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

2016084

车辆部件节油虚拟测试系统设计与快速分析*

吴 媞1，刘鹏飞1，张小龙1，葛胜迅2，宋 健3

(1. 安徽农业大学工学院，合肥 230036； 2. 安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，合肥 230601；3.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

本文中以发电机为例，研究汽车部件节油效果。首先基于PXI虚拟仪器搭建汽车电器功耗测试系统，采用多线程、FIFO队列和状态机架构、RTSI总线同步、TCP传输等方法实现多通道电压和电流、瞬时油耗、转鼓车速等信息的同步快速可靠采集与处理。然后基于MATLAB建立了节油因素快速分析平台，采取发动机油耗MAP图分段拟合、发动机停喷判断等措施提高仿真精度。最后进行实车测试并对比分析普通发电机和智能发电机节油效果。结果表明：分析平台仿真油耗与实测值吻合很好，NEDC循环总油耗偏差在3%以内；智能发电机NEDC循环节油10.17mL；所设计的数据采集系统和快速分析平台工作稳定可靠。

汽车部件；节油；测试系统；快速分析；转鼓试验

前言

探究汽车节油、节能技术，提高汽车燃油经济性具有重要战略意义[1-2]。其中,对汽车节油部件选型和整车匹配测试是一种有效的节油方法。汽车节油部件如智能发电机[3]、变排量空调压缩机、PWM燃油泵等，其节油比例小，且只在整车特定工况下才有节油效果，孤立地对节油部件进行实车测试和仿真不能准确量化节油效果。实际上，有效的做法是在整个NEDC循环中对比测试与量化部件的节油效果。

目前，专业汽车动力性、经济性仿真软件主要有Advisor和Cruise等[4-5]。NEDC工况中节油部件是变工况工作，Advisor中对节油部件工况设定采用确定经验常量，与实际测试工况不符。Cruise整车仿真模型用户不能修改，发动机停喷判断建模难以实现。现有仿真软件对小比例节油部件节油分析精度不高，需要搭建节油快速分析平台。

实际试验时驾驶操作一致性不高，仅通过NEDC工况总油耗无法量化节油效果，需要构建测试系统对节油部件功耗进行同步测试。通过测试系统准确测试节油部件实际功耗，将试验数据与理论分析相结合可提高节油分析精度。

本文中以发电机节油精确分析为例，构建PXI虚拟测试系统以实现电器功耗、瞬时油耗、车速等同步测试，并基于MATLAB搭建测试分析平台，采用实测节油部件功耗输入、油耗和效率MAP优化、发动机停喷判断等措施提高分析精度。本研究可为汽车节油快速精确分析提供手段。

1 虚拟测试系统设计

1.1 硬件设计与选型

图1 测试系统结构

基于NI公司PXI控制器搭建测试系统如图1所示，包括传感器、数据采集器和上位机3个部分，实时、同步采集多通道电压和电流、瞬时油耗、累计油耗、车速、距离等信息。其中，数据采集器是整个测试系统的核心，由控制器[6]、机箱[7]、数据采集模块组成，实时采集传感器数据并通过TCP网络传送给上位机，上位机实时接收、解析、显示和记录数据，并实现参数配置和人机交互功能。

系统选用传感器的参数如表1所示。选用钳式电流传感器[8]，非接触测量不破坏原车电路结构。油耗传感器正交编码信号输出，可表征油量和燃油流动方向[9]，通过信号辨识处理可提高测试精度。

表1 传感器选型及性能参数

1.2 软件设计

软件包括在PXI中运行的实时应用程序和在PC机中的上位机程序，均基于NI公司的LabVIEW编写。

1.2.1 数据采集器软件设计

数据采集器软件结构如图2所示。软件采用两个独立的while循环分别实现数据采集和TCP通信，while循环间通过FIFO队列共享和缓存数据，保证数据采集和通信相互独立，提高软件工作可靠性[10-11]。

图2 数据采集器软件结构

通过DAQmx工具和NI-SCOPE工具实现各通道数据的采集。其中，瞬时油耗采集通过DAQmx的线性编码器功能，编码采用X4方式，对油耗脉冲的分辨率达到0.25个脉冲周期。通过脉冲计数采集油耗和车速信息。各通道数据采样频率设置为1kHz，每1s读取一次，采集的数据打包整理成二维DBL数组并通过TCP网络传送给上位机。

TCP通信通过“函数-数据通信-协议-TCP”工具实现。在编程时须要注意对通信的容错处理，发生故障时清空FIFO数据并重新创建连接。

通过RTSI(实时系统集成总线)共享时钟和触发信号实现数据的同步采集。软件混合采用两种方式实现同步，第一种是共享参考时钟并共享开始触发；第二种是直接共享采样时钟，具体同步方法如图3所示。

图3 数据采集同步原理

1.2.2 上位机软件设计

测试系统上位机软件基于状态机架构设计。软件使用3个独立的while循环，分别实现上位机控制、TCP数据通信和数据处理功能。数据通信和数据处理通过FIFO队列共享和缓存数据，各vi之间和vi内部通过功能型全局变量传递数据和控制命令。软件计算油耗时根据油耗大小自适应调节更新频率，保证计算周期为0.25个有效脉冲的整数倍，提高计算精度，并及时捕获燃油停喷现象。

2 快速分析平台设计

基于MATLAB，根据汽车动力学和能量流原理搭建汽车部件节油快速分析平台[12-13]，如图4所示。以智能发电机节油分析为例，首先根据NEDC工况车速和变速器传动效率MAP分析计算传动系统需求功率，根据发电机电压、电流和效率MAP分析计算发电机需求功率；然后根据传动系统和发电机的需求功率，结合发动机转速对发动机油耗MAP进行查表，分别得到有、无发电机情况下NEDC工况油耗；两者之差值就是整个NEDC循环发电机的燃油消耗量。

图4 汽车部件节油快速分析平台

2.1 传动系统需求功率计算

2.1.1 轮边驱动功率计算

首先根据NEDC工况车速，结合试验车配置参数，运用式(1)和式(2)计算试验过程中整车的行驶阻力和加速阻力[14]，然后结合汽车行驶方程分析计算试验过程中发动机提供的驱动力和整车制动力[15-16]。

(1)

(2)

Fdrive+Fbrake=Froad+Facc+Fslope

(3)式中:Froad为整车道路行驶阻力(包括空气阻力和滚动阻力)；f0，f1和f2分别为测试车辆滑行阻力常数项、速度一次方项和速度二次方项系数；vNEDC为NEDC工况车速；Facc为整车加速阻力；m为整车测试质量；Itire为轮胎转动惯量；r为轮胎滚动半径；Ie为发动机(包括飞轮)等效转动惯量；i0为主减速比；ig为变速器速比；ηT为变速器传动效率；aNEDC为NEDC工况加速度；Fdrive为整车驱动力；Fbrake为整车制动力；Fslope为坡道阻力(在进行转鼓测试时，该项为0)。

根据NEDC工况，分析整车的驱动力和制动力，并根据驱动力和NEDC工况车速计算测试车辆的轮边驱动功率。

2.1.2 传动系统需求功率计算

根据变速器厂家提供的参数和效率测试数据，搭建变速器模型。由于变速器效率数据点很有限，为了提高快速分析平台的计算精度，对原始效率测试数据进行二次多项式拟合，运用拟合后的数据建立变速器效率MAP图。测试车辆变速器3挡效率曲线如图5所示。

图5 试验车变速器3挡传动效率曲线

根据轮边驱动功率和测试车速计算变速器输出端的需求转矩，然后结合变速器模型获得传动系统需求功率。

2.2 发电机需求功率计算

根据发电机厂家提供的效率测试数据，结合普通发电机和智能发电机效率测试数据的特点(普通发电机指输出电压基本维持恒定的常规发电机，其发电效率只与发电机转速和发电电流有关；智能发电机输出电压可随负载情况自动调节，其发电效率不仅与发电机转速和发电电流有关，还受输出电压的影响)，分别搭建普通发电机二维查表(已知发电机转速和输出电流查效率值)和智能发电机三维查表(已知发电机转速、发电机电流和输出电压查效率值)模型，然后分别结合两款发电机的测试电压、测试电流以及发电机转速计算发电机的需求功率。

2.3 发动机油耗MAP处理

NEDC油耗测试时发动机大部分时间工作在中低负荷工况，发动机油耗计算时采用瞬时油耗MAP。如图6所示，发动机瞬时油耗在各转速低负荷下均呈现出较好的线性关系,可对低负荷工况进行一次线性拟合，对中高负荷工况进行二次多项式拟合。

图6 发动机瞬时油耗测试曲线

2.4 发电机NEDC工况油耗计算

根据快速分析平台得到的传动系统需求功率和发电机需求功率，结合处理后的发动机油耗MAP计算有发电机情况下发动机NEDC工况油耗。试验车辆在离合器接合、变速器在挡、发动机转速高于1 400r/min进行制动时，发动机会出现停喷现象。因此，在获得发动机NEDC工况油耗后，须要结合试验车辆离合器、变速器和发动机工作状态以及2.1.1节中得到的制动力对发动机进行停喷判断，将停喷工况下的分析油耗强制置零。

按照相同方法分析计算无发电机情况下发动机NEDC工况油耗，有、无发电机情况下发动机NEDC工况油耗的差值即为发电机NEDC工况油耗。

3 试验研究

在AVL转鼓试验台架上，使用设计的测试系统对同一试验车分别在使用普通发电机和智能发电机情况下进行NEDC工况试验，采集转鼓车速、瞬时油耗、发电机电压、发电机电流，采样频率为10Hz，采样时间为1 180s。试验现场照片如图7所示，试验车参数配置信息如表2所示，试验采集数据曲线如图8和图9所示。

图7 试验现场照片

部件参数数值整车经济性测试质量/kg1250发动机飞轮转动惯量/(kg·m-2)0.179变速器主减速比各挡速比Ⅰ3.615Ⅱ2.053Ⅲ1.393Ⅳ1.031Ⅴ0.778Ⅵ0.681R3.583主减速比4.056轮胎静负荷半径/mm302转动惯量/(kg·m2)1.5滑行阻力系数f0113.908滑行阻力系数f11.34486滑行阻力系数f20.048544

图8 普通发电机测试数据

图9 智能发电机测试数据

运用试验快速分析平台对测试系统采集的试验数据进行分析，采用普通发电机时NEDC工况分析油耗与转鼓测试油耗、发电机需求功率和发电机NEDC工况油耗如图10所示。采用智能发电机情况下NEDC工况分析油耗与转鼓测试油耗、发电机需求功率和发电机NEDC工况油耗如图11所示。

图10 采用普通发电机时NEDC工况分析结果

图11 采用智能发电机时NEDC工况分析结果

由图10和图11中发动机瞬时油耗曲线可知，无论是采用普通发电机还是智能发电机，试验快速分析平台分析得到的发动机瞬时油耗曲线与转鼓测试得到的发动机瞬时油耗曲线重合度非常好，基本能反映实车测试情况。

对比分析结果如表3所示。由表可见，整个NEDC工况下试验快速分析平台分析得到的发动机总油耗与转鼓测试得到的发动机总油耗分析偏差均在3%以内，具有较高的分析精度。智能发电机相对普通发电机比较节油，整个NEDC工况下节油量为10.17mL。

表3 试验快速分析平台分析结果对比

4 结论

(1)本文中搭建的试验快速分析平台中整个NEDC工况发动机分析油耗与实测值偏差在3%以内，能够对节油部件NEDC工况下的燃油消耗量进行定量分析应用。所提出的采用试验测试与仿真分析相结合的方法研究汽车节油部件节油效果是有效可行的。

>(2)本文中设计的虚拟测试系统能够实时、同步采集多通道电压和电流、车速、瞬时油耗等信息，测试系统集成度高，扩展性好，采集数据准确、可靠。

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Design of Virtual Test System and Rapid Analysis on Fuel Saving of Vehicle Components

Wu Ti1, Liu Pengfei1, Zhang Xiaolong1, Ge Shengxun2& Song Jian3

1.SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036； 2.TechnicalCenter,AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,Hefei230601; 3.TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

With generator as example, the fuel saving of vehicle components is studied in this paper. Firstly a power consumption measurement system for vehicle compliances is constructed based on virtual instrument PXI to realize synchronous collection and processing of information including multi-channel voltages and currents, instantaneous fuel consumption and vehicle speed in dynamometer test etc. by means of multiple thread, FIFO queue and state machine architecture, RTSI bus synchronization and TCP transmission. Then a rapid analysis platform for fuel saving factors is built based on MATLAB, and measures of piecewise fitting of fuel consumption MAP and fuel spraying stop judgment of engine are taken to enhance simulation accuracy. Finally, real vehicle test is conducted to comparatively analyze the fuel saving effects of common generator and intelligent one. The results show that the fuel consumptions simulated by analysis platform are consistent with the measured values with a discrepancy within 3 %. The overall fuel consumption of intelligent generator in a NEDC cycle is 10.17ml less than that of common generator.

vehicle components; fuel saving; test system; rapid analysis; dynamometer test

*清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金(KF14022)和安徽省自然科学基金(1608085ME109)资助 。

原稿收到日期为2015年9月9日，修改稿收到日期为2015年11月23日。