汽车发动机与整车热管理测试软件开发
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摘 要
发动机与整车热管理概念的提出能够有效提升汽车的安全性、经济型和驾驶
的舒适性。目前对于整车热管理的研究手段主要有仿真分析以及实验分析。仿真
分析基于计算机，能够极大的减少实验时间，降低实验成本。而实验分析在项目
进行初期便可提供有效的边界条件以供仿真研究，在仿真分析完成后更可对试验
结果予以验证。整车热管理试验平台具有需采集的热相关参数数量多，以及不同
工况下需要采集模拟量参数种类多的特点。因此，开发一套综合性的采集系统尤
为必要，可以大大方便实验。
本文来源于受某公司委托的“整车热管理试验系统设计”项目，用以支持该
集团商用车技术中心对现有车型的改进和对新车型的开发工作；借助该软件建立
一套完整的整车热平衡评估体系，用以评价、分析车辆行驶过程中，不同工况下
的动态热量分布状况，进而获取热管理系统进一步开发的依据，同时为车辆冷却
系统，机械结构等的设计提供可靠依据，为提升车辆的燃油经济性以及舒适安全
性带来帮助。
论文主要以 LabVIEW 作为软件开发平台；利用 Access 数据库作为后台数据
库，实现对整车热管理相关参数的采集、图形化显示、数据储存等功能。论文首
先介绍了热管理测试系统相关的理论基础；而后针对设计需求，对硬件进行了选
型和集成；最后详细介绍了采集系统软件的设计和实现。论文详细介绍了上位机
与不同设备间的通信，包括上位机与自定义协议的采集卡之间的通信；上位机与
GPS模块之间的基于 NMEA-0183协议的通信；上位机与汽车 CAN BUS基于 CAN
2.0B 的通信以及上位机与三菱 FX-2N 型PLC 的通信以及控制等。同时，由于通
信设备多，针对不同设备，不同采样频率间的同步协调，对基于 I/O 服务器的通
信结构与基于生产者消费者循环的通信结构在实际使用中作分析对比。对 Access
数据库的建立，介绍了 LabVIEW 的DCT 工具包的应用。论文最后介绍了使用汽
车发动机与整车热管理系统的一次应用试验。
关键字：汽车热管理 测试系统 LabVIEW 数据库
ABSTRACT
Proposed engine and vehicle thermal management concepts can effectively
enhance vehicle safety, economy and driving comfort. The main research techniques
for vehicle thermal management are the simulation analysis and experimental analysis.
Simulation-based computer, can greatly reduce test time and reduce test costs.
Experimental analysis of early in the project can provide effective boundary conditions
for the simulation study, simulation analysis can be completed more validation of the
test results. Vehicle thermal management test platform has a lot of the number of
channel thermal parameters, the condition to be measured the amount of many kinds of
simulation characteristics parameters, and to develop a comprehensive collection
system can greatly facilitate the experiment, it is particularly necessary to appear.
This paper comes from vehicle thermal management test system design by a
company commissioned to support a group of commercial vehicle technology center to
improve existing models and the development of new models. Aim is to use the
software to establish a set of complete vehicle thermal balance assessment method, is
used to evaluate the analysis of vehicle dynamic distribution of heat in the process of
running under different conditions, thereby obtaining the thermal management system
on the basis of further development, as well as vehicle cooling system mechanical
structure is designed to provide a reliable basis. Help to improve the vehicle fuel
economy and enhance the comfort and safety.
This paper mainly uses LabVIEW as the software development platform. Using
Access as the backstage database to achieve vehicle thermal management-related
parameters of the acquisition, graphical display, data storage and other functions. This
paper first introduces the basic theories related to the thermal management test system,
and then in view of the design requirements of hardware selection and integration,
finally introduced in detail the realization way of acquisition system software,
specifically the communication between PC and different devices, including
communications between PC and custom protocols between acquisition cards.
Communication based on NMEA-0183 protocol between the host computer and
the GPS module, PC and car CAN BUS based on CAN communication and PC with
Mitsubishi FX 2N type PLC communication and control. Meanwhile, time, because a
lot of communication equipment, in view of the different equipment, the synchronous
coordination between different sampling frequency, On the communication structure
based on I/O server and communication structure of producer consumer cycle based in
practical use for comparative analysis. The establishment of Access database,
introduces the DCT of LabVIEW toolkit.
At the end of the paper briefly introduced the use of automobile engine and
vehicle thermal management system of an application test, and then give a summary of
the text, pointing out deficiencies and development.
Key Words: Vehicle Thermal Management, Test System, LabVIEW,
Database
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................... 1
1.1 课题研究背景及意义 ............................................ 1
1.2 汽车热管理技术的国内外发展情况 ................................ 2
1.2.1 国内发展情况 ............................................... 2
1.2.2 国外发展情况 ............................................... 3
1.3 本课题研究的内容及关键技术 .................................... 4
1.4 本章小结 ...................................................... 5
第二章 汽车发动机与整车热管理测试系统的 需求分析 ................... 6
2.1 系统概述 ...................................................... 6
2.2 主要输入信号及需要达到的技术指标 .............................. 6
2.3 数据采集系统需求分析 .......................................... 7
2.4 系统软件的需求分析与应实现的功能 .............................. 9
2.5 本章小结 ...................................................... 9
第三章 测试系统基本理论概述 ........................................ 11
3.1 采集系统概述 .................................................. 11
3.1.1 数据采集的过程 ............................................. 11
3.1.2 数据采集系统的构成 ........................................ 12
3.2 提高采集系统精度的方法 ....................................... 12
3.2.1 A/D 转换器及带通滤波器 ..................................... 13
3.2.2 软件滤波 .................................................. 13
3.3 采集系统的可靠性 ............................................. 14
3.3.1 硬件上采集系统可靠性的实现 ................................ 14
3.3.2 软件上采集系统可靠性的实现 ................................ 14
3.4 本章小结 ..................................................... 15
第四章 测试系统的设备选型及系统设计 ............................... 16
4.1 传感器选型与连接方式 ......................................... 16
4.1.1 温度传感器 ................................................ 16
4.1.2 湿度传感器 ................................................ 16
4.1.3 坡度传感器 ................................................ 17
4.1.4 电压/电流变送器 ............................................ 18
4.1.5 压力传感器 ................................................ 19
4.1.6 流量传感器 ................................................ 20
4.2 数据采集卡的选型 ............................................. 21
4.2.1 温度采集卡 ................................................ 21
4.2.2 模拟量数据采集卡 .......................................... 22
4.3 车速采集 ..................................................... 23
4.3.1 GPS 模块的选型 ............................................. 23
4.3.2 CAN-BUS 转RS-232/RS-485 .................................. 24
4.4 可编程逻辑控制器的选择 ....................................... 26
4.5 系统总线间的通信及 RS-485—USB HUB 的选型 ................... 26
4.6 测试系统的硬件结构设计 ....................................... 29
4.7 本章小结 ..................................................... 32
第五章 汽车发动机与整车热管理测试软件设计 ......................... 33
5.1 LabVIEW 平台简介 ............................................ 33
5.2 VISA 函数介绍以及通信流程图 .................................. 33
5.3 温度/模拟量模块的通信设计 .................................... 37
5.3.1 自定义通信协议 ............................................ 37
5.3.2 温度及模拟量采集 LabVIEW 程序设计 ......................... 37
5.4 GPS 模块的通信设计 ........................................... 40
5.4.1 GPS 通信协议 ............................................... 40
5.4.2 GPS 车速信号的 LabVIEW 程序设计 ........................... 41
5.5 CAN 总线数据的读取与分析 .................................... 43
5.5.1 CAN 总线数据解析 .......................................... 43
5.5.2 CAN 总线车速及发动机转速采集 LabVIEW 程序设计 ............. 44
5.6 PLC 程序设计与通信 ........................................... 46
5.6.1 通信命令设计 .............................................. 46
5.6.2 PLC 程序设计 ............................................... 47
5.6.3 频率量采集及开关量控制 LabVIEW 程序设计 ................... 49
5.7 数据采集模块通信结构比较与分析 ............................... 50
5.8 配置文件的保存与读取 ......................................... 53
5.9 数据的存储及数据库的管理 ..................................... 54
5.10 历史数据的回读 .............................................. 56
5.11 软件界面介绍 ................................................ 58
5.11.1 项目信息页面 ............................................. 58
5.11.2 设置页面 ................................................. 58
5.11.3 总表页面 ................................................. 59
5.11.4.任选页面 .................................................. 60
5.11.5 数据读取 ................................................. 61
5.12 本章小结 .................................................... 63
第六章 测试系统的应用与测试结果分析 ............................... 64
6.1 试验目的 ...................................................... 64
6.2 试验方案 ...................................................... 64
6.3 测试结果与分析 ................................................ 64
6.4 本章小结 ...................................................... 68
第七章 总结与展望 ................................................. 69
7.1 总结 ......................................................... 69
7.2 发展与展望 ................................................... 69
参考文献 ........................................................... 70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 74
致谢 ............................................................... 75
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
本课题来源于受某公司委托的“整车热管理试验系统设计”项目，用以支持
某集团商用车技术中心对现有车型的改进和对新车型的开发工作。
2013 年，中国乘用车和商用车的年产销量分别达到 1799.98 万辆和 1792.96
万辆、403.16 万辆和 405.52 万辆，汽车年生产总量高达 2211.68 万辆，现在已经
成为全世界无可争议的最大的汽车制造国[
1
]。但是，不管从车辆设计，技术开发
等各个方面，与汽车强国相比还存在较大差距。汽车制造中的关键技术，往往是
他国的。产业的高速发展与自有技术的匮乏成为一组重大矛盾，也是限制我国进
一步发展自有品牌的瓶颈。
汽车诞生以来的 100 多年里，各种尖端技术的出现，使得汽车的性能以及燃
油经济性都得到了明显的改善。然而，各大厂商发现，为了进一步提升车辆性能
而在诸如发动机点火系统、气体热交换系统、动力总成等传统项目上的上继续研
究的性价比已明显下降。所幸，整车热管理的提出给汽车产业带来了一个新的出
路。
国内厂商由于现有汽车技术的匮乏落后，尽早对整车热管理的加以研究，以
跟上新技术的发展的步伐显得更为重要。整车热管理的不到位，一方面容易导致
零器件热损伤，丧失正常功能，机油粘度降低或变质给行车带来隐患。另一方面
使得车辆功率下降，传热损失增大，排放恶化。整车热管理系统的提出，不但全
面监控汽车自身产生的废热，保证汽车关键部件的安全运行，而且大大提高汽车
的经济性、动力系统，以及驾驶舒适性。目前，大部分发动机冷却系统仍属于传
统的被动系统，只能有限地调节发动机和汽车的热分布状态[
2
]。这对于车辆的安
全行驶，以及能源使用率来说是远远不够的。车辆热管理是从系统集成和整体角
度，统筹热管理系统与热管理对象的关系[
3
]，变废为宝，化废热为能量，进一步
优化车辆的能源利用率。同时在保护环境，控制废气上也有着巨大的作用。
综上所述，开发一套全面、高效、可靠的汽车发动机与整车热管理测试系统
显得尤为重要。只有全面，才能更好分析、评价车辆行驶过程中的动态热量分布
情况与不同工况下汽车引擎及冷却系统运作情况；只有高效，才能保证对汽车各
个状态监测的实时性要求；只有可靠，才能应对各种恶劣条件下的测试。
本课题结合某集团商用车技术中心对某车型的改进以及某车型的开发，以车
辆热控制为研究对象，以测试运用为研究方法，进行汽车发动机与整车热管理测
试软件开发，旨在借助该软件建立一套完整的整车热平衡评估方法，用以评价、
分析车辆行驶过程中的不同工况下的动态热量分布情况，进而获取热管理系统进
上海理工大学硕士学位论文
2
一步开发的依据，同时为车辆冷却系统，机械结构等的设计提供可靠依据；为提
升车辆的燃油经济性以及舒适安全性带来帮助。
1.2 汽车热管理技术的国内外发展情况
1.2.1 国内发展情况
目前，热管理技术在国内的研究尚处于初级阶段，汽车研发制造企业仅仅刚
开始这一方面的研究，工作重点在于如何冷却，而非从统筹的角度进行热管理方
面的探究。之前的研究较多在各大高校中展开，研究核心往往仅仅是发动机，只
注重部件开发，不重视系统的匹配[
4
]。
热管理技术方面，2002 年，郭新民等[
5
]针对发动机的散热需求进行分析，依
据发动机水温的不同设定节温器、冷却风扇以及导风板的工作状态。系统使用温
度传感器探测水温变化，经由 A/D 模块转换成数字信号后，利用单片机根据不同
的输入信号进行控制。实验表明，该系统在同等情况下能极大减少 90%预热时间
并节油 12.1%。
2004 年，罗建曦等[
6
]通过建立散热器内、外流动与传热耦合效应模型、风扇
旋转效应模型，采用 RNG 湍流模型封闭三维时均 N-S 方程组，建立了适用于热
管理系统与整车集成的汽车内外复杂流动与传热分析数学模型。详细分析了燃料
电池客车热管理系统空气侧的流动与传热特性。有效控制热管理系统空气侧流场
结构，提高热管理系统实际运行性能。
2005 年，付正阳[
7
]等针对电动汽车设计并分析了汽车电池组热管理系统过程
中的关键技术，包括电池最优工作温度范围的确定、电池生热机理研究、热物性
参数的获取、电池组热场计算、传热介质的选择、散热结构的设计等。
郑州宇通集团有限公司于 2007 年自主开发了基于客车的发动机热管理技术
[
8
]，该技术主要涉及冷却系统的智能控制与风扇的智能控制，通过该技术，能够
保证发动机在最适宜的 80℃至 95℃之间工作，从而能够最大限度发挥发动机的能
效，并使发动机的寿命得以大大延长。
2010 年湖南大学的袁侠义[
9
]运用数值模拟的方法，对发动机舱内空气的流动
与传热做出系统研究，讨论了汽车前端设计参数对发动机舱热管理的影响。试验
证明，改进后的中冷器，冷凝器，水箱散热器，冷却风扇的进风量显著增加，水
箱散热器出风面温度，冷凝器出风面温度，中冷器出风面温度以及发动机出水温
度与进气温度都有着明显的降低。
单就汽车发动机与整车热管理测试软件来看，浙江大学的谭建勋等[
10
]于2005
年对工程机械热管理进行研究，将行走系统以及液压系统的工作负载使用水力测
功器模拟实现。系统主要采集转速、温度、压力、流量和风速这五个物理量。由
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2025-01-09 5
作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：80 页
大小：3.65MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
