BSG啟停系統失效模式影響及診斷策略分析

左從兵，裴 蕾，孫四軍Zuo Congbing，Pei Lei，Sun Sijun

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BSG啟停系統失效模式影響及診斷策略分析

左從兵1，裴 蕾2，孫四軍3Zuo Congbing1，Pei Lei2，Sun Sijun3

（1. 貴州長江汽車有限公司 汽車工程研究院，貴州 貴陽 550081；2. 北京寶沃汽車有限公司 汽車工程研究院，北京 102206；3. 北京長城華冠汽車研發有限公司 汽車工程研究院，北京 101300）

分析BSG（Belt Starter Generator，皮帶式啟動發電機）啟停系統的失效模式影響及診斷策略，從系統、部件、器件逐級分析了非預期發動機重啟和發動機重啟失敗兩種潛在失效模式下的故障原因及其診斷策略，設計了HCU（Hybrid Control Unit，混合動力整車控制器）OBD（On-Board Diagnostics，在線診斷模塊），通過HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在環）測試，驗證了HCU在線診斷功能。

BSG啟停系統；FMEDA；在線診斷；硬件在環測試

0 引 言

BSG（Belt Starter Generator，皮帶式啟動發電機）是雙軸并聯弱混合動力系統，發動機與電機之間采用皮帶傳動方式，以發動機為整車的動力源，電機系統用于實現發動機快速啟動和發電功能，在正常行駛時，BSG電機和常規汽車發電機一樣給蓄電池充電，當汽車停止時，發動機關閉，消除發動機怠速狀態；再啟動時，BSG電機快速帶動發動機到怠速轉速，發動機點火啟動。

目標車輛選用自動擋、1.8T汽油發動機，電機選用無刷交流電機，電池為12V鉛酸電池。HCU（Hybrid Control Unit，混合動力整車控制器）是整車系統的大腦，根據發動機以及整車混合動力系統的工作狀態和故障狀態，決定混合動力控制策略，包括發動機自動啟停策略、電機工作模式策略、電池充放電策略等，EMS（Engine Management System，發動機管理系統）相對于常規汽車增加了發動機自動啟停相關的功能性故障診斷，并將診斷信息通過CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）傳送給HCU。

1 BSG啟停系統失效模式分析

BSG啟停系統部件包括：HCU、EMS、發動機、鉛酸電池、BSG電機，其中器件包括：離合器、空擋信號、鑰匙信號、加速踏板、母線電流（DC-Link）傳感器、電池電壓測量、電池溫度傳感器、轉子位置信號、逆變器、逆變器基板溫度傳感器等。BSG啟停系統的兩種潛在失效后果為發動機非預期啟動和發動機啟動失敗，按照逐級分解的方法，依據《道路車輛功能安全標準》[1]，開展器件、部件、系統3個層級FMEDA（Failure Modes Effect and Diagnosis Analysis，失效模式和診斷策略分析）；其中，上一級的潛在失效后果是下一級的失效模式，上一級的失效模式是下一級的失效原因，具體分析見表1、表2。

2 HCU在線診斷模塊設計

通過FMEDA分析中的發現措施和防范措施，設計開發HCU的OBD模塊，包括BSG啟停系統故障診斷、電池狀態故障診斷、電機驅動故障診斷，分別用來診斷BSG啟停系統、電池、電機及其傳感器、執行器的故障狀態。

2.1 啟停系統故障診斷設計

發動機首次點火啟動時，HCU測試啟停系統快速啟動發動機功能，如果啟動失敗，EMS通知HCU禁止請求發動機自動啟停，改用常規啟動電機啟動發動機；反之，只有啟動成功，發動機才能執行車輛運行過程的自動啟停功能；車輛運行過程中，如果EMS診斷出發動機有自動啟停的功能性故障發生，也將通知HCU禁止請求發動機自動啟停。

表1 發動機非預期啟動情形的FMEDA

表2 發動機啟動失敗情形的FMEDA

HCU啟停控制策略主要考慮整車加速踏板位置、空擋開關、鑰匙開關等輸入狀態，以及電池性能狀態和電機故障狀態，啟停系統故障診斷負責診斷駕駛員動作狀態及狀態信號可靠性。鑰匙開關主要診斷線路連接的故障狀態；空擋開關兩路冗余信號分別供給HCU和EMS，HCU把采樣的信號通過CAN通信發給EMS，EMS把收到的信號和自身采樣信號進行比較，這種交叉檢測的診斷方式可以避免過渡狀態的誤診斷；加速踏板位置兩路冗余信號由HCU負責校驗；另外，HCU控制策略需要HCU和EMS、ABS（Antilock Brake System，制動防抱死系統）、ISU（Intelligent Switch Unit，智能控制開關單元）之間的數據通信，HCU對CAN通信的故障診斷是控制策略的重要內容。如果HCU診斷出上述部件或CAN通信故障，會通過OBD的失效模式管理單元禁止HCU的發動機自動啟停功能請求，啟停系統故障診斷架構設計如圖1所示。

注：DEM（Diagnosis Effect Management，診斷事件管理）

圖1 啟停系統故障診斷架構設計

2.2 電池狀態故障診斷設計

電池狀態故障診斷用于估算電池SOC、SOH、電池內阻等，SOC值過低影響HCU的自動啟停功能，SOH和電池內阻反映電池的老化狀態，SOH值過低，HCU會通過儀表發出更換電池請求，并存儲電池老化故障信息。電池狀態故障診斷架構設計如圖2所示。

圖2 電池狀態故障診斷架構設計

根據SOC、SOH、電池內阻的算法要求，該電池狀態故障診斷需要測量或計算電池充/放電電流、電池充/放電電壓、電池溫度和電池內阻等參數，以及電池的復位檢測等，并負責診斷相關傳感器故障，判斷信號測量值的合理性。為了實現對電池充放電電流值的精確測量，選用雙量程的電流傳感器，根據電流值的范圍選用精確量程的測量值，還可以對雙量程的測量值進行交叉比較，如果二者的測量值誤差超過合理的范圍，判斷電流傳感器故障；對電池電壓過高狀態進行診斷，防止電機對電池的過充；更換的電池首次上電，HCU需要進行電池復位檢測，重新計算電池狀態參數。

2.3 電機驅動故障診斷設計

BSG電機共有3種工作模式：速度模式、發電模式和空閑模式，發動機自動重啟時電機工作在速度模式下，電機拖動發動機達到噴油點火轉速以啟動發動機，然后電機進入空閑模式，空閑模式是速度模式和發電模式的過渡模式，在發電模式下電機充當汽車交流發電機給蓄電池充電，發電時有兩種整流方式，即主動整流和被動整流。

電機驅動故障診斷的輸入參數包括各種模擬信號、硬件保護信號和指令模式請求等，根據這些輸入參數由具體的故障模型進行故障診斷。轉子位置信號是電機控制的重要參數，依據轉子位置傳感器測量的轉子位置和發電時相電壓的對應關系原理來診斷轉子位置傳感器安裝位置是否正常或傳感器本身是否可以正常工作；根據發動機速度及電機轉子速度差，診斷電機皮帶是否打滑；對電機直流母線電壓及電池電壓進行比較，診斷電機直流母線連接是否斷開或為高阻狀態；對勵磁繞組正極/負極電路的短路/斷路故障診斷，對逆變器基板溫度的測量，診斷逆變器是否正常工作等。電機驅動故障診斷架構設計如圖3所示。

圖3 電機驅動故障診斷架構設計

電機驅動故障診斷的結果影響發電模式時的整流方式和逆變器的門驅動控制，當電機相關的器件有故障發生時，HCU對逆變器門驅動PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）波關斷，電機不能啟動發動機；在電機的主動整流發電模式下，當有轉子相位關系異常故障發生或逆變器基板溫度過高時，電機發電將轉入被動整流模式。

2.4 診斷事件管理功能設計

HCU在線診斷模塊實時診斷瞬時故障，診斷事件管理參照UDS[2]（Unified Diagnostic Services，統一診斷服務）標準設計了專門的DEM模塊來完成。DEM定義瞬時故障狀態位、瞬時故障記數器、瞬時故障最大閾值、確認故障狀態位、確認故障記數器、確認故障最大閾值、警告燈標志位等參數。OBD實時診斷每個故障狀態，若某個瞬時故障發生，則該故障的瞬時故障記數器按標定的遞增步長增加一次，當該故障的瞬時故障記數器累加到其最大閾值時，該故障的確認故障狀態位置位；若某個瞬時故障沒發生，則該故障的瞬時故障記數器按標定的遞減步長減少一次，直至為零。在每個駕駛周期內，如果某個確認故障狀態位被置位，確認故障記數器就按標定的遞增步長增加一次，當該故障的確認故障記數器遞增到其最大閾值時，點亮故障警告燈，及時通知駕駛員去維修站排除故障。確認故障狀態置位時，需要存儲故障信息及凍結幀數據，供維修時用診斷工具按照標準ISO 15765 CAN診斷通信協議讀出故障信息，及時排查故障。

3 HCU在線診斷功能測試和實車驗證

HIL是HCU系統集成階段的測試環節，利用LabCar實時控制仿真平臺作為硬件載體，運行整車環境模型，而HCU運行整車控制模型，二者形成控制上的閉環，同時利用標定工具觀測和標定參數。

HIL系統模擬故障的方法有兩種：一是通過修改控制面板上的參數值模擬整車環境故障；二是利用故障注入單元注入整車環境故障。發動機啟動失敗的失效模式可以通過模擬電池系統、電機系統故障逐一驗證，例如修改控制面板上電池溫度值模擬電池過溫故障，當DEM模塊故障累計確認后，HCU記錄故障信息，BSG系統的發動機啟動功能被禁止；對于發動機非預期啟動失效模式，通過控制面板模擬與實際信號不一致的擋位、加速踏板信號，并滿足發動機啟動條件，驗證發動機非預期啟動。

4 總 結

BSG啟停系統的失效模式及診斷策略分析，涉及發動機、電池、電機、整車擋位開關和加速踏板等復雜油電系統，診斷策略要求高，通過FMEDA自下而上歸納分析法，分析了BSG系統的失效風險和子系統的可診斷性，并在HIL臺架和實車上通過了測試驗證。FMEDA作為功能安全的重要開發內容，今后可以進行深入研究，采用定量分析部件及器件的失效概率，為功能安全的ASIL（Automotive Safety Integration Level，安全完整性等級）計算提供有效數據支撐。

[1]道路車輛功能安全標準:ISO 26262—2016[S].

[2]道路車輛統一診斷標準:ISO 14229—2013[S].

2019-03-13

U469.79

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.03.010

1002-4581（2019）03-0036-04