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整车电性能测试综述

        【摘要】本文先容了整车电性能主要测试项的理论分析与评价方法,结合实际案例对整车电性能测试方法的实施进行了阐述。
1、概述
        随着人们对舒适性、安全性和经济性要求的提高,越来越多的电子电气设备或系统被集成于整车内。在整车的设计开发过程中,由于电器部件往往来自多家供应商,而各供应商在开发能力和实行标准等方面参差不齐,因此整车电子电气系统匹配合理性的测试与验证已成为整车开发中的重要一个环节。在新车型的试制过程中,对整车电子电气系统进行全面和正确的测试,可以大大减少整车在电性能方面隐藏的缺陷,从而提高整车的电气水平。本文对整车电子电气的主要测试项进行了阐述和分析,并结合实际的测试案例进行了说明。
2、整车电性能主要测试项
        整车电子电气的测试主要有电源系统性能测试、控制器电性能测试和电气部件的电性能测试三个方面;由此衍生出来的测试项主要包括:整车电平衡测试、启动性能测试、整车静态电流测试、抛负载测试、整车接地悬浮测试及感性负载的测试等。
2.1整车电平衡测试
        电平衡指的是整车中发电机、蓄电池和用电设备之间电能产生与消耗的相互制约关系。在新车型试制阶段发电机和蓄电池的选择多依据经验公式或由电量平衡计算方法(基于使用频度系数)[1,2]得出,发电机和蓄电池的选择以及系统匹配的合理性均需要通过电平衡测试进行验证。应当指出电平衡的实车测试只是整车电量平衡设计过程的一部分,这部分工作位于计算和选型工作之后。因此,电平衡测试除了验证系统匹配的合理性、引导新车型的开发,还可为电量平衡计算中使用频度系数的经验值积累经验,从而丰富和改进已有数据库。
        整车电平衡测试过程中关注的被测参数主要有发电机输出电流、蓄电池充放电电流、发电机电压、发电机温度、负载工作电流、发动机转速、车速等,其中非常重要的参数是发电机输出电流和蓄电池充放电电流,二者也是整车电平衡的主要评判依据。电平衡测试实施时要充分考虑车辆可能使用的实际状况,针对不同工况下的整车电平衡状态进行数据采集和分析。目前,实车测试中主要考虑的测试工况如图2所示。不同工况测试时,所开启的负载也不同。以某型号重卡80 km/h电平衡测试为例,测试过程中负载的开启情况如表1所示。在发动机转速2000rpm匀速行驶状态下,利用传感器对发电机输出电流和蓄电池充放电电流进行数据采集,数据情况如图2所示。数据表明:发电机能够保证整车电气系统的正常用电(蓄电池仍处于充电状态),且没有达到发电机该转速的额定输出电流的限值。由此可以判断:整车系统在发电机的选择上能够满足负载的需求。各工况的电平衡测试表明,该车所选发电机可以满足整车用电需要,且保有充足的发电余量。
图1 整车电平衡测试工况
表1 不同季节下负载选择标准

序号

电气负载

夏季

冬季

1

发动机运转时的负载(如EMS、IC等)

自动开启、关闭

自动开启、关闭

2

车辆行驶时的负载(如主动悬架、EPS、ABS等)

自动开启、关闭

自动开启、关闭

3

位置灯

开启

开启

4

前照灯(近光灯)

关闭

关闭

5

前照灯(远光灯)

开启

开启

6

危险报警灯

关闭

关闭

7

刹车灯

关闭(即不踩

制动踏板)

关闭(即不踩

制动踏板)

8

空调暖风风扇(最大档减一档)

关闭

开启

9

空调冷却风扇(最大档)

开启

关闭

10

空调风量

100%

100%

11

A/C开关

开启

关闭

12

散热器风扇(低速)

自动开启、关闭

(无需手动选择)

自动开启、关闭

(无需手动选择)

13

后部除霜、加热(如后视镜除霜等)

关闭

开启

14

雨刮(低速)

开启

开启

15

音响

开启(音量40%)

开启(音量40%)

16

雾灯

关闭

开启

图2 某重卡80 km/h下电平衡测试结果
2.2整车静态电流测试
        整车静态电流是指汽车在正常点火开关OFF(整车休眠)后仍然消耗电流。汽车产生静态电流的原因一般有:
• 某些电气设备为保证数据的记忆功能,需长期供电,如音响及导航单元等;
• 某些防盗功能的传感器需要长期供电,以实现全天候的监控;
• 某些需要长期供电的设备,如电子时钟。
        由于静态电流的存在,汽车在静止放置时蓄电池逐渐放电,一段时间后由于蓄电池电量亏损导致车辆无法正常启动。因此,在整车电气系统的开发过程中应当严格控制整车静态电流,将其控制在一定的范围内。
        静态电流的测量主要包括整车静态电流的测试、分系统控制器静态电流的测试和实车长期静止的测试。整车静态电流的测量,一方面是为了评估整车电性能,另一方面是为了发现系统中是否存在大的静态电流。分系统静态电流的测试主要是对各种控制器静态电流的测试;分系统静态电流的测量,一方面是确认各控制器是否满足静电流方面设计要求;另一方面是在整车出现大的静态电流时,定位问题的位置,提请供应商进行设计修改。当整车静态电流测试完成后,一般依据经验公式进行或者整车厂的标准进行计算,判断所设计的系统(主要是蓄电池和漏电流)是否满足车辆长期静置的要求(一般要求静置一个月后可正常启动发动机)。常用的评价标准如下式所示:
        其中,x是经验系数,一般为30%~50%;ID是整车系统的静态电流。
        静态电流测试通过漏电流传感器(一般量程为100mA即可)或者EBS模块、数据采集卡或者示波器等即可实现,在实车测试中不难实现。以某款车型为例,该车整车平均静态电流测试结果为44.9mA,通过经验公式计算(x=50%,电池容量为45Ah)可知:该样车只能保证整车正常静止21天内能够可靠启动,超过21天就有不能可靠启动的风险。 
图3 某车型整车静态电流测试数据
2.3抛负载测试
        发电机在正常工作时,若负载突然减小或完全掉线,会引起发电机输出电流急剧下降,在发电机电枢绕组上产生正向瞬变过载电压。该电压是一个正向指数脉冲电压,其幅值主要决定于抛负载程度,通常可达75~125V。ISO-7637-2 中的标准试验脉冲5a、5b 就是为了模拟抛负载瞬变[3]。抛负载的主要威胁是对整车的电源网络产生瞬态慢脉冲干扰,从而对电源网络中电子设备产生电压冲击。
        在对抛负载的测试中尤其应当给予重视的是脉冲电压对各控制单元电源端子的冲击;如果控制器电源模块设计不合理,往往会造成元器件的击穿,进而导致控制器失效或误动作,这在车辆行驶过程中应当绝对避免的。因此,为提高车辆的安全性和使用寿命对样车进行抛负载测试非常必要。
        实车抛负载测试中所抛卸的负载对象主要是大功率负载,如蓄电池、远光灯、近光灯、大功率加热设备等。其中,尤其值得重视的是抛蓄电池测试,因为当蓄电池处于亏电状态时(发电机正对其进行充电),蓄电池相当于一个大功率的负载。
        测试工况的设计应当充分考虑发动机转速和抛负载的数量,从而较全面的获悉整车抛负载特性。所选测点主要是控制器或被测器件的供电端子;当控制器的供电端子数量较多时,应当首先离断开负载最近的供电端子。
        利用普通的示波器即可完成抛负载测试,测试时以示波器探头连接被测点,选择合适的采样率和触发方式即可捕获脉冲电压的波形数据。目前,通常以ISO-7637-2作为抛负载测试的评价依据。
        以某皮卡车型的抛蓄电池为例,该车进行了抛蓄电池和蓄电池虚接对整车控制器影响的测试(发动机1500rpm、蓄电池SOC=50%,开启常用负载),经测试两种测试工况下控制器电源端对大脉冲电压约为44V,多次测试过程中整车工作正常,无控制器失效和误动作,无故障报警,符合ISO-7637-2的标准。
 
(a)抛蓄电池                                                       (b)蓄电池虚接
图4 某型号重卡抛蓄电池测试
2.4启动性能测试
        在发动机启动瞬间起动机对整车电源网络产生的影响主要有两个:蓄电池的输出电流非常大和整车电源网络会出现一个瞬间的压降。两个问题中,启动压降的影响尤为突出,因为在启动过程中电压的剧烈波动,可以造成电器设备的掉电,当发电机进入工作后电器设备才能重新上电,整车中的某些控制器在这个过程中很容易死机或出于失效状态。因此,在新车型试装完成后必须对系统的启动性能进行测试,从而对蓄电池和起动机的选择提供优化依据。
        整车启动性能的测试主要关注启动对整车电源网络和控制单元的影响,而非仅仅是对起动机和启动继电器进行性能测试。测试内容主要包括蓄电池启动电流测试、电源网络启动压降测试、控制器供电端子电压波动测试和特殊关注信号管脚的测试等。测试的方法与抛负载测试类似,利用普通的示波器对被测点进行压降捕捉即可;启动电流的测试借助2000A电流钳和数据采集卡。测试工况的选择主要以低温冷启动为主,因此对测试环境有一定的要求,需要在低温试验室中或在冬季户外进行。以某款商用车的启动性能测试为例(样车采用两165A/12V蓄电池),其整车电源网络的启动性能测试结果如图5所示。测试结果表明:启动瞬间最大启动电流为1210A,整车电源网络最低启动电压为11.7V,高于主要控制器最低瞬间电压跌落要求;经多次测试,整车控制器和电子负载工作正常,无故障报警。
图5 某型号商用车启动性能测试
2.5感性负载的测试
        汽车电气系统存在着大量的感性负载,这些感性负载在开路瞬间,会产生反向瞬变脉冲电压。这种瞬变脉冲的幅值有时会相当大,不但具有浪涌性质,而且具有丰富的谐波,因此易引起电子控制单元的逻辑错误,甚至导致部分敏感器件的损坏。感性负载实车测试的对象较多,主要的测试对象有各种继电器、电机类负载和电磁阀等。测试时,首先以整车电气原理图对所有感性负载进行分析,确定重点测试对象,对于直接连入电源网络进行供电的感性负载给予重视;然后,确定测试点,对于与感性负载同属电源网的络控制器供电端子和特殊信号管脚应当着重关注。感性负载测试所需的工具较少,普通示波器经调整后即可实现。其次,测试时应当遵循多次、多工况的测试,以便确定反向电压的影响范围。
        以某重卡的感性负载测试为例:当空调运转过程中,将点火钥匙由ONàOFF时,压缩机电磁离合器产生将近1kV的负脉冲,高压脉冲传导到同一电源网络的车门控制器和车身控制器的IG信号输入端,导致电路入口的瓷片电容烧毁。因高压脉冲存在,在长期的使用中将控制器的MCU损坏。
图6 某车型压缩机电磁离合器断开瞬间反向脉冲电压测试
2.6接地悬浮测试
        当出现接地导线电阻率较大、接地点或电池负极出现松动等问题时,控制器、传感器等电气部件接地端子的悬浮电压会随之增大。悬浮电压过大将可能导致控制器误动作、传感器信号失真等故障;当车辆处于行驶状态时,悬浮电压的波动会对车辆的安全性产生严重威胁。因此,新车型试制阶段应当对整车控制器接地、搭铁点、各负载地进行接地悬浮测试。
        控制器接地悬浮测试的目的是验证各种工况下各控制器接地端子、搭铁点的悬浮电压是否控制在合理的范围内,并以此对控制器地线、搭铁点、搭铁线等接地回路的设计与安装进行排查与优化。接地悬浮电压值一般应当控制在1V以内。以某车型车身控制器的测试为例,测试时用示波器或数据采集卡连接控制器的接地端子,在发动机低、中、高转速三工况下依次打开车身控制器的相关负载并进行连续采集;负载开启顺序为:室内灯(0s)-开危报(10s)-远光(70s处)-雨刮低速(100s处)-雾灯(170s)-风扇4档(240s)-全关;测试结果如图7所示。测试结果表明:该车车身控制器的C43、C44、E01、F09接地端子各工况下最大悬浮电压值为0.14V<1V,符合设计需求;多次测试过程中,整车控制器和电子负载工作正常,无故障报警。
图7 某车型车身控制器接地端子悬浮电压测试
3、结束语
        本文先容了整车电性能主要测试项的理论分析与评价方法,除了上述的主要电性能测试项外还包括很多方面,诸如电源分配测试、整车电机类负载工作电性能和堵转电性能测试、点火钥匙开关切换对整车电源网络及控制器影响测试、控制器IG、START及特殊关注管脚信号测试等。随着汽车技术的发展和功能需求的增加,新车型电性能的综合测试工作日益重要,新的测试方法和测试手段也不断涌现。综合目前国内外的技术发展来看,整车电性能的测试正朝着自动化和集成化的方向前进。
 

 

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