汽车电子水泵综合性能测试系统研究

针对目前水泵测试系统存在的自动化程度低､功能单一等问题,以工控机为载体,基于上位机与下位机协作控

制的方式,研制一套电子水泵综合性能测试系统｡该电气系统下位机采用PLC控制比例阀和真空泵等电气元件,完成测试

(资料图片)

流程控制;采用温控仪控制加热棒工作,可自动调节测试介质温度;基于研华高精度数据采集模块采集传感器数据并传输

给上位机;上位机以LabVIEW为平台开发测试系统软件,实现数据交互､数据处理､报表生成等功能｡结果表明:该系统

可实现不同功率的电子水泵在各温度条件下的流量-扬程､流量-功率､流量-汽蚀余量等性能的高度自动化测试｡

关键词：电子水泵性能测试系统; 数据采集; LabVIEW

作者：张雅琴１范伟军１，２ 郭斌１，２ 江文松１

１. 中国计量大学计量测试工程学院， 浙江杭州

２. 杭州沃镭智能科技股份有限公司， 浙江杭州

电子水泵根据车辆工况调节循环冷却液流量,实现汽车电动机的温度调控,是新能源汽车冷却系统中的重要组成部分[1-2]｡性能测试是水泵研发和生产不可或缺的重要环节[3]｡目前汽车电子水泵测试技研究和装备研制尚未跟上电子水泵发展[4],其测试术的研究主要集中在传统水泵方面｡重庆理工大学的小型水泵测试系统在常温下可测得水泵流量､扬程､轴效率等性能参数,实现测试数据的快速采集[5]｡朱桂英[6]设计的便捷水泵气密性检测试验台采用差压式检测水泵气密性｡陶冉和张辉[7]采用嵌入式和模电路的方式设计了水泵通用测试系统｡国内外与电子水泵测试系统相关的公开文献较少,企业生产用的电子水泵测试台质量参差不齐,存在自动化程度不

高、功能单一等问题，因此开发自动化、多功能

子水泵测试系统具有重要意义。针对现有的问题，设

计一套电子水泵综合性能测试系统，适用于不同功率

汽车电子水泵的测试，以满足电子水泵厂商研发与生

产需求。

01、系统测试需求分析

根据行业标准QC/T288.2—2001与JB/T

8126.9—2017及相关企业需求,冷却水泵型式检验

主要包括性能试验､汽蚀试验等[8-9]｡通过测试一定

工况下电子水泵的流量､电压､电流､进出口压力,

计算扬程､功率､效率､汽蚀余量等性能参数,完成

电子水泵的流量-扬程､流量-功率､流量-效率､流

量-汽蚀余量性能曲线绘制[10-11]｡

与机械冷却水泵不同的是,电子水泵转速由自身

集成系统控制,给定电压与控制信号可使内部直流无

刷电机以相应转速工作｡测试电机扭矩和转速计算水

泵输入功率的传统方式不适用电子水泵的测试,因此

配备可编程电源回读水泵运行时的电压,通过电流电

压计算电机的输入功率,再乘以效率系数即可作为电

子水泵的输入功率｡

测试系统主要技术参数:流量测量范围0~500

L/min,测量精度±0.2%FS;进出口压力测量范围

-100~200kPa,测试精度±0.1%FS;电流测量范围

0~30A,测试精度±0.1%FS;可编程电源电压供电

范围0~24V,回读精度±0.1%FS,功率范围0~200

W;温度测量范围-20~100℃,测量精度±0.2%FS,

温度控制范围0~80℃,控制精度±2℃｡

02、检测系统设计

检测系统设计包括测试管路与测试方案设计､系

统硬件设计与软件设计｡设计试验台的测试管路,并

确定电子水泵的性能测试方案,根据测试方案设计硬

件与软件程序｡

系统测试管路设计

泵试验台分为开式试验结构与闭式试验结构,二

者都可用于电子水泵扬程､功率､效率的性能测试｡

对于汽蚀试验,开式试验台需要在电子水泵入口处设

置阀门,通过节流的方式增加水泵入口处的真空度｡

这种控制方式易产生局部汽蚀,影响水泵汽蚀测试精

度并加速阀门老化[12-14]｡因此,此系统中采用闭式

试验结构,通过抽真空方式降低入口压力,避免开式

试验台带来的局部汽蚀问题｡设计闭式电子水泵综合

性能测试管路如图1所示｡

将待测电子水泵1置于工作台上与进口管道更换

阀3和出口管道更换阀2连接,进口段管路装有温度传感器10､差压传感器12､进口压力传感器5实时监测测试管路进口温度､压力,出口段管路除出口压力传感器11与差压传感器12外还装有流量计14与流量比例阀15,用于调节管路流量;进出口管路与主水箱18连接,其开闭由手动球阀和进口三通阀7与出口三通阀13控制｡测试时电子水泵在指定转速下抽取主水箱底部测试介质;测试介质流经入口三通阀7进入电子水泵入口,流经出口三通阀13与比例阀15回到封闭主水箱,形成闭合测试回路真空泵接封闭水箱顶部真空泵24,用于汽蚀测试抽真空｡以水箱上的安全阀21和压力表19确保水箱内气压安全｡主水箱内设加热棒17控制测试介质的加热;主水箱液位传感器16实时监测水箱液位;副水箱8存储测试结束后电子水泵内剩余的液体｡副水箱的液位计6测量到满液位后,补液泵9将副水箱内液体自动抽取回主水箱｡

测试方案设计

测试方案包括通用性能测试方案与汽蚀性能测试

方案｡其中,通用性能测试包括流量-扬程､流量-

功率､流量-效率性能曲线测试,汽蚀性能测试即流

量-汽蚀余量曲线测试｡测试时,将被测电子水泵安

装于工作台上,确保其进出口连接部分完全密封｡

通用性能测试方案

依据相关行业测试标准,水泵通用性能测试要求

在水泵40%~120%额定转速范围内,根据测试管路

通过的流量最大值与最小值均匀设置不少于8个流量

工作点｡通过PID控制,调节出口比例阀的开度使

流量稳定在流量点｡传感器实时监测电子水泵测试管

路进出口压力､温度､流量､电子水泵的工作电压与

电流参数值,当流量计监控到管路内流量稳定一段时

间后,记录电子水泵的各参数值｡已知管径､进出口

高度差､液体密度参数和重力加速度,计算得到电子

水泵在额定转速下的流量-扬程､流量-功率､流量-

效率曲线｡

汽蚀性能测试方案

一般汽蚀测试采用定流量方式,抽真空过程中流

量稳定时间长,因此该系统设计变流量的测试方法｡

设置比例阀开度,打开真空泵入口阀,运行变频真空

泵控制主水箱水面压力,实时监测水泵进出口压力传

感器､温度传感器和流量传感器的值,并根据对应温

度传感器的示值获得介质的汽化压力,计算电子水泵

的汽蚀余量与扬程｡实时显示扬程-汽蚀余量曲线,

并计算扬程曲线下降值,当扬程下降3%时控制真空

泵停止抽真空,此时电子水泵已发生汽蚀现象,打开

排气阀恢复水箱压力,电子水泵停止工作｡记录并绘

制该过程扬程与装置汽蚀余量的对应曲线,找出扬程

下降3%点处的汽蚀余量与对应时刻的流量｡设置不

同的开度进行相同试验,得到不同流量条件下对应的

汽蚀余量,绘制生成汽蚀余量-扬程和流量-汽蚀余

量曲线

系统硬件模块设计

硬件系统以研华工控机为核心,根据功能大致可

划分为数据采集与信号处理模块､控制模块､通信模

块｡如图2所示,工控机通过与数据采集卡､PLC､

温控仪通信获得测试参数｡

数据采集模块选用研华PCI⁃1716L板卡采集测试管路中进出口压力传感器､差压传感器､流量传感器､温度传感器､电流传感器的数据,共计6个模拟量输入｡数据采集卡以中断的工作方式实现传感器输出电流信号的高速采集[15]｡各传感器将压力､差压､流量､电流､温度信号转化为电压或电流信号,经过PA⁃1187信号隔离器调制､隔离､解调与放大,消除信号内耦合噪声并将信号转换为4~20mA的电流信号输入至研华板卡AI通道｡

控制模块以PLC为核心,在测试过程中主要通过控制各阀门与泵的工作状态来控制测试流程､读取

水箱温度液位状态以确保系统安全｡选用具有14位DI､10位DO与2位AI的西门子s7⁃1200CPU1214,扩展具有4位模拟输入的SM1231和2位模拟输出的SM1232｡选用具有0.01℃分辨率的宇电AI716温控仪,通过RS485串口通信与工控机交互数据,控制加热棒工作,实现介质的温度控制｡

为满足不同电子水泵的测试需求,设计扩展CAN､LIN转接口与PWM发生器,允许通过LIN､CAN或PWM控制电子水泵工作转速;PLC通过以太网与工控机实现通信｡被测电子水泵供电采用沃森120V/30A直流可编程电源,可在供电范围内任意调节供电电压,回读电压电流值｡

系统软件设计

系统软件设计包括上位机软件设计与下位机控制

程序设计｡

上位机软件设计

基于LabVIEW平台设计电子水泵性能综合测系

统上位机程序,采用用户界面事件处理器设计方式,

按下机械按钮或是布尔控件,执行事件分支程序｡软

件主要实现功能包括用户管理､参数设置､数据采集

与处理､数据库存储与查询､主界面可视化测试过

程､故障报警等辅助功能｡

用户管理分层设计,管理员可进行参数修改､用

户管理,操作员仅有测试权限｡参数设置采用树形选

项卡实现,包括测试项选择､水泵与传感器参数､通

信设置｡数据处理模块选择均值滤波算法消除采集信

号的噪声,对采集信号的每80个数据进行邻域平均,

得到去噪后各被测参数的实时数据,根据采集数据实

时计算扬程､功率､效率,并绘制对应流量-扬程､

流量-功率､流量-效率拟合曲线｡对汽蚀试验的入

口压力-扬程曲线中每5个扬程数据进行均值滤波,

计算得扬程下降3%的点为汽蚀点｡数据库存储与查

询的实现基于LabSQL模块,通过ADO数据接口访问

Access数据库,并执行相关SQL指令,将性能数据

存储于数据库中;设计用户查询界面,访问数据库并

根据时间查询所测数据｡在测试主界面中采用布尔元

件模拟液体在管道内流动情况与阀门开闭情况｡实时

监测界面显示各流量点与性能参数值｡测试主界面与

测试监测界面分别如图3､图4所示｡

下位机程序设计

LabVIEW与PLC之间进行的数据交换,包括参

数设置与控制指令传递由OPCserver实现｡PLC程序

采用模块化设计,主要模块为设备复位､数据收发与

转换､流量控制､周边控制､测试流程控制等｡设备

复位包括进出口三通阀､排气阀､流量比例阀等复

位｡数据收发与转换为传感器的模拟量与工程量的转

换､交互变量的赋值｡基于PID组态实现流量控制,

通过自适应方式调节比例积分微分系数,控制比例阀

的模拟量输出,调整阀门开闭使流量稳定在流量测试

点｡周边控制包括真空泵的变频控制与排压阀控制｡

03、结束语

针对现有电子水泵性能测试系统存在的自动化程

度低､功能单一等问题,研制一种电子水泵综合性能

测试系统｡采用电气自动化技术,利用PLC控制阀

门与泵的动作,配合高精度数据采集卡完成相关测试

参数的采集,实现汽车电子水泵的全自动综合性能测

试｡该系统自动化程度高,经重复性试验,测试系统

运行稳定。所设计的系统已应用于某电子水泵生产厂的水泵研发与生产。

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标签： 性能测试 冷却水泵 汽车电子