一種新型測試混合動力發(fā)動機技術(shù)
2014-3-26 來源：數(shù)控機床市場網(wǎng) 作者：
汽車的傳動系本質(zhì)上就是一個包含給汽車提供動力的發(fā)動機（傳統(tǒng)的內(nèi)燃機），并將動力傳遞給變速箱、傳動軸最終到達(dá)汽車車輪的系統(tǒng)。傳動系的電氣化正在改變汽車技術(shù)的未來發(fā)展前景，同時也受到來自可持續(xù)能源驅(qū)動、提高燃油效率以及符合相關(guān)二氧化碳排放法規(guī)等的影響。另外，目前的關(guān)鍵技術(shù)推進工作主要集中于提高操控性能與耐用性，還有就是一些新的實用技術(shù)，比如因再生制動而催生的逆變器技術(shù)，這種技術(shù)用于給電動機供電，或者給電池充電。
在傳動系任何部分的開發(fā)過程中，都需要測量與機械性能相關(guān)的各種電氣信號和物理參數(shù)，并作為完整測試過程的一部分。電氣信號來自鏈接高壓電池和逆變器的電力電路，而物理參數(shù)涉及電氣到機械的轉(zhuǎn)換過程。為了透徹理解整個系統(tǒng)性能，必須對電磁電力轉(zhuǎn)換器和電力電路進行測量，并分析來自CAN等汽車串行總線網(wǎng)絡(luò)上工作的傳動系管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。此外，這些測試必須同時進行，以便達(dá)到總體最優(yōu)的解決方案，而不是單獨優(yōu)化某個元件。
傳統(tǒng)的做法是使用采樣率最高為10000樣本/秒的數(shù)據(jù)記錄儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量汽車中的電氣和物理參數(shù)。這種系統(tǒng)通常具有很多通道，允許用戶將多個傳感器輸出和隔離型輸入通道結(jié)合在一起測量電氣系統(tǒng)（經(jīng)常包括浮動電壓值）以及溫度、振動及對材料的壓力等物理參數(shù)。
汽車版ScopeCorder
電氣移動性開發(fā)趨勢導(dǎo)致了電源逆變器日益廣泛的使用，而由于這些器件支持更高的頻率和更高的電壓，因此有了速度高達(dá)1億樣本/秒（100MS/s）的隔離式測量要求。這些采樣率以前是由示波器結(jié)合差分探頭實現(xiàn)的，可以讓工程師觀察以更高頻率出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓與電流。一個令人更感興趣的領(lǐng)域是傳動管理系統(tǒng)，它工作在諸如CAN網(wǎng)絡(luò)等汽車串行總線之上，可連續(xù)傳送發(fā)動機溫度、轉(zhuǎn)速和壓力值等發(fā)動機性能參數(shù)。而通過一次測量就能獲得傳動管理系統(tǒng)中的電氣信號、物理性能參數(shù)和數(shù)據(jù)具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。為了減少整合這些眾多參數(shù)記錄所需的時間和工作量，日本橫河公司的DL850VScopeCorder汽車版儀器在單個便攜式封裝中融合了高速示波器的優(yōu)勢和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集記錄儀的優(yōu)勢。ScopeCorder可以捕獲和分析可能只持續(xù)幾個毫秒的瞬態(tài)事件，也能執(zhí)行長達(dá)30天的完整傳動系耐用性測試。
圖1：在DL850V上創(chuàng)建的單個測量文件，它整合了多種高壓與電流信號、物理參數(shù)測量結(jié)果及解碼后的CAN總線信號。
這臺最新汽車版本DL850VScopeCorder儀器具有通道隔離、信號調(diào)節(jié)和高通道數(shù)量的特點，還能提供CAN和LIN總線監(jiān)視功能，可以幫助用戶解碼CAN或LIN信號并監(jiān)視傳送的物理數(shù)據(jù)，如發(fā)動機溫度、車輪速度、加速度和壓力。然后將這些值與來自實際模擬傳感器的數(shù)據(jù)進行比較。通過將多種高壓與電流信號（以高達(dá)100MS/s采樣）與物理參數(shù)測量結(jié)果（如溫度、壓力或振動以及解碼出來的CAN總線信號）的有機組合，DL850V可以創(chuàng)建單個完整的測量文件，見圖1。與來自多臺測量儀器的測量文件必須經(jīng)過整合才能在PC上進行分析的其它方法相比，這種方法可以極大地減少分析整個系統(tǒng)所需的時間和工作量。
汽車應(yīng)用中的電力電子
用于汽車應(yīng)用的逆變器越來越多地采用速度更快、電壓更高的器件，這就要求具有更高采樣速率的隔離型高耐受電壓測量功能，并能夠在更長時間內(nèi)同時測量更多數(shù)量的信號。像數(shù)字存儲示波器這種傳統(tǒng)的波形測量儀器在高壓逆變器測量方面能力非常有限，因為它們?nèi)鄙賳为毟綦x的輸入、高壓隔離性能和12或16位高分辨率。其它波形測量解決方案通常要求外部（有源）信號調(diào)節(jié)電路才能實現(xiàn)高壓隔離。
DL850ScopeCorder則在其高壓測量模塊中使用了一種被稱為isoPRO的技術(shù)，無需外部有源信號調(diào)節(jié)設(shè)備就能提供100MS/s的采樣率、1kV的隔離性能和12位的分辨率。isoPRO技術(shù)采用了一種使用半導(dǎo)體激光二極管將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換出來的光數(shù)據(jù)通過光纖傳送給儀器。由于半導(dǎo)體激光二極管的數(shù)據(jù)傳輸速率特別高，靠單個設(shè)備可以傳送大量數(shù)據(jù)，所以隔離區(qū)可以做得非常小。另外，因為光纖本身是絕緣的，沿光纖的信號傳輸距離足以提供合適的絕緣，因此即使在1kV高壓情況下也能保證信號輸入與主單元之間的絕緣距離。利用isoPRO技術(shù)可以在尺寸大約100×200mm的緊湊模塊中封裝兩個通道的100MS/s、1kV高耐受電壓隔離測量電路。
這種技術(shù)的另外一個好處是可以提供卓越的噪聲抑制。因為高壓逆變器的開關(guān)速度很快，因此噪聲很可能被引入測量路徑。然而在高壓隔離模塊中，卓越的噪聲抑制性能可以帶來良好的共模抑制比（CMMR），而且對IGBT等逆變器和設(shè)備來說常見的浮動電壓開關(guān)波形可以被精確捕獲，見圖2。
圖2：使用DL850ScopeCorder模塊測量的逆變器信號脈沖波形。左側(cè)是采樣率為100MS/s的測量結(jié)果，右邊是使用較老的10MS/s單元得到的測量結(jié)果。
機械/物理參數(shù)值
發(fā)動機試驗臺是一種用于開發(fā)、表征、測試發(fā)動機和仿真?zhèn)鲃酉档钠骶摺Ｒ粋€復(fù)雜的發(fā)動機測試臺包含多種傳感器（或變換器）、數(shù)據(jù)采集功能和致動器，可用來控制發(fā)動機狀態(tài)。DL850DscopeCorder有一個模塊化結(jié)構(gòu)和眾多的輸入模塊來監(jiān)視機械性能與電氣信號。變換器將來自發(fā)動機的信號轉(zhuǎn)換為輸入模塊可以理解的形式——一般是電壓信號。例如，單位為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的發(fā)動機速度用轉(zhuǎn)速計進行測量。這將產(chǎn)生一個電壓輸出或一個脈沖輸出信號，然后將這個信號發(fā)送到ScopeCorder進行脈沖輸出處理，并在顯示器后顯示實際的加速度圖形——甚至擴展繪制出機械/電氣相位差，見圖3。
圖3：用于計算旋轉(zhuǎn)角趨勢的旋轉(zhuǎn)編碼器信號。
通過使用溫度模塊可以使用熱電偶（通常是K型器件）。這些熱電偶價廉物美，具有足夠精度完成任務(wù)。每個輸入模塊最多可以有16個熱電偶連接儀器。為了監(jiān)視傳動系部件的振動，可以使用帶壓電傳感器的加速度模塊。
汽車串行總線
汽車內(nèi)的CAN或LIN網(wǎng)絡(luò)連接著ECU（電子控制單元），網(wǎng)絡(luò)上傳送的是溫度、車輪轉(zhuǎn)速、加速度和壓力等眾多參數(shù)和控制信號。汽車串行總線和ECU單元一起組成了傳動系管理系統(tǒng)。這意味著在開發(fā)過程中，不僅能測量來自模擬傳感器的電氣與機械信號，還能測量在汽車串行總線上傳輸?shù)倪@些物理參數(shù)，它們也被稱為電氣與模擬傳感器輸出參數(shù)。DL850V汽車版儀器能夠解碼這些CAN和LIN總線消息，并在屏幕上同時顯示出模擬值以及電氣或機械信號。圖4給出了這樣一個例子。這個功能可以用來直接映射汽車串行總線上傳送的數(shù)據(jù)與電氣和機械值之間的關(guān)系，從而實時觀察系統(tǒng)的行為。DL850V支持CAN-dbc文件（由矢量小組開發(fā)）和LIN網(wǎng)絡(luò)定義文件，從而允許用戶方便地選擇感興趣的CAN和LIN消息。
圖4：DL850汽車版儀器能夠解碼這些CAN和LIN總線消息，并在屏幕上同時顯示出模擬值以及電氣或機械信號。
總結(jié)
DL850VScopeCorder提供了現(xiàn)代數(shù)字示波器的所有測量與分析工具，包括光標(biāo)、波形參數(shù)計算、數(shù)學(xué)和DSP通道以及快速傅里葉變換。它還能作為多通道數(shù)據(jù)采集單元/記錄儀，在單臺設(shè)備中整合電氣、機械和汽車串行總線測量功能。在大多數(shù)情況下，用戶能夠立即分析數(shù)據(jù)并取得結(jié)果，無需離線的后處理步驟。
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