汽车电子技术之测试混合动力发动机技术

　　汽车的传动系本质上就是一个包含给汽车提供动力的发动机(传统的内燃机)，并将动力传递给变速箱、传动轴最终到达汽车车轮的系统。传动系的电气化正在改变汽车技术的未来发展前景，同时也受到来自可持续能源驱动、提高燃油效率以及符合相关二氧化碳排放法规等的影响。另外，目前的关键技术推进工作主要集中于提高操控性能与耐用性，还有就是一些新的实用技术，比如因再生制动而催生的逆变器技术，这种技术用于给电动机供电，或者给电池充电。

　　在传动系任何部分的开发过程中，都需要测量与机械性能相关的各种电气信号和物理参数，并作为完整测试过程的一部分。电气信号来自链接高压电池和逆变器的电力电路，而物理参数涉及电气到机械的转换过程。为了透彻理解整个系统性能，必须对电磁电力转换器和电力电路进行测量，并分析来自CAN等汽车串行总线网络上工作的传动系管理系统的数据。此外，这些测试必须同时进行，以便达到总体最优的解决方案，而不是单独优化某个元件。

　　传统的做法是使用采样率最高为10000样本/秒的数据记录仪或数据采集系统测量汽车中的电气和物理参数。这种系统通常具有很多通道，允许用户将多个传感器输出和隔离型输入通道结合在一起测量电气系统(经常包括浮动电压值)以及温度、振动及对材料的压力等物理参数。

　　汽车版ScopeCorder

　　电气移动性开发趋势导致了电源逆变器日益广泛的使用，而由于这些器件支持更高的频率和更高的电压，因此有了速度高达1亿样本/秒(100MS/s)的隔离式测量要求。这些采样率以前是由示波器结合差分探头实现的，可以让工程师观察以更高频率出现的瞬态电压与电流。一个令人更感兴趣的领域是传动管理系统，它工作在诸如CAN网络等汽车串行总线之上，可连续传送发动机温度、转速和压力值等发动机性能参数。而通过一次测量就能获得传动管理系统中的电气信号、物理性能参数和数据具有相当大的挑战性。为了减少整合这些众多参数记录所需的时间和工作量，日本横河公司的DL850VScopeCorder汽车版仪器在单个便携式封装中融合了高速示波器的优势和传统数据采集记录仪的优势。ScopeCorder可以捕获和分析可能只持续几个毫秒的瞬态事件，也能执行长达30天的完整传动系耐用性测试。

　　图1：在DL850V上创建的单个测量文件，它整合了多种高压与电流信号、物理参数测量结果及解码后的CAN总线信号。

　　这台最新汽车版本DL850VScopeCorder仪器具有通道隔离、信号调节和高通道数量的特点，还能提供CAN和LIN总线监视功能，可以帮助用户解码CAN或LIN信号并监视传送的物理数据，如发动机温度、车轮速度、加速度和压力。然后将这些值与来自实际模拟传感器的数据进行比较。通过将多种高压与电流信号(以高达100MS/s采样)与物理参数测量结果(如温度、压力或振动以及解码出来的CAN总线信号)的有机组合，DL850V可以创建单个完整的测量文件，见图1。与来自多台测量仪器的测量文件必须经过整合才能在PC上进行分析的其它方法相比，这种方法可以极大地减少分析整个系统所需的时间和工作量。

　　汽车应用中的电力电子

　　用于汽车应用的逆变器越来越多地采用速度更快、电压更高的器件，这就要求具有更高采样速率的隔离型高耐受电压测量功能，并能够在更长时间内同时测量更多数量的信号。像数字存储示波器这种传统的波形测量仪器在高压逆变器测量方面能力非常有限，因为它们缺少单独隔离的输入、高压隔离性能和12或16位高分辨率。其它波形测量解决方案通常要求外部(有源)信号调节电路才能实现高压隔离。

　　DL850ScopeCorder则在其高压测量模块中使用了一种被称为isoPRO的技术，无需外部有源信号调节设备就能提供100MS/s的采样率、1kV的隔离性能和12位的分辨率。isoPRO技术采用了一种使用半导体激光二极管将数字数据转换为光信号的系统，转换出来的光数据通过光纤传送给仪器。由于半导体激光二极管的数据传输速率特别高，靠单个设备可以传送大量数据，所以隔离区可以做得非常小。另外，因为光纤本身是绝缘的，沿光纤的信号传输距离足以提供合适的绝缘，因此即使在1kV高压情况下也能保证信号输入与主单元之间的绝缘距离。利用isoPRO技术可以在尺寸大约100×200mm的紧凑模块中封装两个通道的100MS/s、1kV高耐受电压隔离测量电路。

　　这种技术的另外一个好处是可以提供卓越的噪声抑制。因为高压逆变器的开关速度很快，因此噪声很可能被引入测量路径。然而在高压隔离模块中，卓越的噪声抑制性能可以带来良好的共模抑制比(CMMR)，而且对IGBT等逆变器和设备来说常见的浮动电压开关波形可以被精确捕获，见图2。

　　图2：使用DL850ScopeCorder模块测量的逆变器信号脉冲波形。左侧是采样率为100MS/s的测量结果，右边是使用较老的10MS/s单元得到的测量结果。

　　机械/物理参数值

　　发动机试验台是一种用于开发、表征、测试发动机和仿真传动系的器具。一个复杂的发动机测试台包含多种传感器(或变换器)、数据采集功能和致动器，可用来控制发动机状态。DL850DscopeCorder有一个模块化结构和众多的输入模块来监视机械性能与电气信号。变换器将来自发动机的信号转换为输入模块可以理解的形式——一般是电压信号。例如，单位为每分钟转数的发动机速度用转速计进行测量。这将产生一个电压输出或一个脉冲输出信号，然后将这个信号发送到ScopeCorder进行脉冲输出处理，并在显示器后显示实际的加速度图形——甚至扩展绘制出机械/电气相位差，见图3。

　　图3：用于计算旋转角趋势的旋转编码器信号。

　　通过使用温度模块可以使用热电偶(通常是K型器件)。这些热电偶价廉物美，具有足够精度完成任务。每个输入模块最多可以有16个热电偶连接仪器。为了监视传动系部件的振动，可以使用带压电传感器的加速度模块。

　　汽车串行总线

　　汽车内的CAN或LIN网络连接着ECU(电子控制单元)，网络上传送的是温度、车轮转速、加速度和压力等众多参数和控制信号。汽车串行总线和ECU单元一起组成了传动系管理系统。这意味着在开发过程中，不仅能测量来自模拟传感器的电气与机械信号，还能测量在汽车串行总线上传输的这些物理参数，它们也被称为电气与模拟传感器输出参数。DL850V汽车版仪器能够解码这些CAN和LIN总线消息，并在屏幕上同时显示出模拟值以及电气或机械信号。图4给出了这样一个例子。这个功能可以用来直接映射汽车串行总线上传送的数据与电气和机械值之间的关系，从而实时观察系统的行为。DL850V支持CAN-dbc文件(由矢量小组开发)和LIN网络定义文件，从而允许用户方便地选择感兴趣的CAN和LIN消息。

　　图4：DL850汽车版仪器能够解码这些CAN和LIN总线消息，并在屏幕上同时显示出模拟值以及电气或机械信号。

　　本文小结

　　DL850VScopeCorder提供了现代数字示波器的所有测量与分析工具，包括光标、波形参数计算、数学和DSP通道以及快速傅里叶变换。它还能作为多通道数据采集单元/记录仪，在单台设备中整合电气、机械和汽车串行总线测量功能。在大多数情况下，用户能够立即分析数据并取得结果，无需离线的后处理步骤。