某型純電動(dòng)車ECU 故障診斷控制策略的研究

陳龍

（漢陽專用汽車研究所，湖北 武漢430050）

1 前言

純電動(dòng)汽車的大腦即整車控制單元（Electronic Control Unit，ECU）通過CAN 信號(hào)與BMS、TCU、DCDC 等電器元件通訊，接收和發(fā)出各種指令，控制汽車。隨著新能源汽車的到來，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜、智能。當(dāng)前市場(chǎng)上的整車控制器功能強(qiáng)大，但故障診斷功能仍然不夠完善，有待提高。本文旨在制訂更加完善的故障診斷控制策略。

2 故障機(jī)理分析

2.1 ECU 結(jié)構(gòu)

ECU 是實(shí)現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元，ECU通過采集執(zhí)行器如加速踏板、變速器擋位、制動(dòng)踏板等信號(hào)來判斷司機(jī)的駕駛行為，ECU 判斷計(jì)算處理后，向相應(yīng)系統(tǒng)如BMS 和電機(jī)控制器等發(fā)送車輛的下一步運(yùn)行控制指令。另外，ECU 還具有整車系統(tǒng)故障診斷保護(hù)與存儲(chǔ)功能、制動(dòng)能量的優(yōu)化控制及能量管理、CAN 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理、車輛狀態(tài)監(jiān)視等[1]。

2.2 ECU 故障機(jī)理分析

對(duì)于純電動(dòng)汽車，ECU 自檢的故障一般歸納為兩種——常見的傳感器、執(zhí)行器以及電路等故障為一種，另一種是CAN 通訊，總結(jié)原因如下：①波特率不匹配或者節(jié)點(diǎn)沒有初始化，導(dǎo)致沒有報(bào)文接發(fā)送。②總線線纜短路、斷路、接反，例如高低速CAN 總線接反，導(dǎo)致不匹配[2]。如果ECU在規(guī)定時(shí)間周期內(nèi)未檢測(cè)到MCU 或BMS 的反饋信號(hào)，若不采取處理措施，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致發(fā)生電機(jī)過載或電池過充過放等故障，因此，ECU 必須時(shí)刻監(jiān)測(cè)CAN 信號(hào)并做出快速反應(yīng)。

3 故障診斷控制策略

3.1 故障等級(jí)的定義

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，ECU 通過自身檢測(cè)和CAN 信號(hào)收集其他控制器發(fā)送的故障報(bào)文信息，并同時(shí)針對(duì)汽車當(dāng)前的狀態(tài)，做出正確響應(yīng)和反饋。按照ISO 15765《車載診斷標(biāo)準(zhǔn)》、QC/T 893—2011《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障診斷分類及判斷》和QC/T 897—2011《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)純電動(dòng)車故障定義和要求以及拓展項(xiàng)目，結(jié)合實(shí)驗(yàn)車的實(shí)際技術(shù)要求，本文劃分整車故障為4 個(gè)等級(jí)，ECU把收集的故障信息依據(jù)故障嚴(yán)重程度和等級(jí)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)控制和處理。

故障等級(jí)的具體定義如表1 所示。

表1 故障等級(jí)定義表

結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行可診斷項(xiàng)目拓展，以便制訂完善的故障診斷策略。每個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)故障特性及類型又會(huì)劃分為不同的故障等級(jí)。由于分類較多，不一一列舉。TCU 詳細(xì)的故障等級(jí)劃分情況如表2 所示。

3.2 故障容錯(cuò)處理準(zhǔn)則

整車的各個(gè)系統(tǒng)，比如電機(jī)或電池產(chǎn)生故障時(shí)，ECU為了保持汽車正常的運(yùn)行狀態(tài)，必須能做出快速、及時(shí)的響應(yīng)。因此，本文把故障處理總結(jié)為以下2 種[3]。

3.2.1 參數(shù)缺失容錯(cuò)處理

例如，某電壓值瞬間缺失，ECU 會(huì)自動(dòng)獲取最后測(cè)得的歷史變量值作為替代值進(jìn)行計(jì)算處理。

3.2.2 限制扭矩容錯(cuò)處理

汽車行駛途中出現(xiàn)異常現(xiàn)象，ECU 為控制故障狀態(tài)加劇惡化，會(huì)對(duì)電機(jī)控制器發(fā)送限制扭矩指令，以便電機(jī)維持在較低負(fù)荷狀態(tài)工作，從而能跛行回家。

表2 TCU 故障等級(jí)劃分

3.3 故障診斷及控制策略

3.3.1 CAN 通訊故障診斷處理策略

CAN 通訊節(jié)點(diǎn)失效故障檢測(cè)與處理，包括整車控制器與電機(jī)控制器之間的通訊節(jié)點(diǎn)失效故障、整車控制器與電池管理系統(tǒng)之間的通訊節(jié)點(diǎn)失效故障，對(duì)通訊過程中的其他故障不進(jìn)行詳細(xì)研究。CAN 通訊故障檢測(cè)及處理的流程如圖1 所示。

圖1 CAN 通訊故障檢測(cè)及處理流程

3.3.2 CAN 信號(hào)故障處理策略

在正常通訊狀態(tài)下，ECU 設(shè)定允許CAN 線容錯(cuò)通訊次數(shù)閾值。ECU 中的接收?qǐng)?bào)文計(jì)數(shù)器會(huì)持續(xù)累加計(jì)數(shù)，如果達(dá)到閾值后，則默認(rèn)該線路存在故障，存儲(chǔ)故障碼信息并發(fā)送警報(bào)指令；相反，則不會(huì)觸發(fā)警報(bào)指令，保持正常通訊[4]。控制策略如圖2 所示。

圖2 CAN 周期通訊故障診斷模塊

根據(jù)上述整車故障診斷控制策略，用MATLAB 搭建了故障診斷策略模型，生成C 代碼，編譯后刷寫至ECU 中，實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制。

4 控制策略的實(shí)車驗(yàn)證

將整車控制器ECU 安裝到試驗(yàn)車上，并完成靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)；通過模擬故障和道路實(shí)驗(yàn)完成整車控制器ECU各個(gè)功能及故障診斷控制策略的驗(yàn)證。由于目標(biāo)車型及實(shí)驗(yàn)條件的限制，只對(duì)部分故障進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。

4.1 電池掉高壓故障

電池掉高壓現(xiàn)象如圖3 所示，上電后，雖然ECU 發(fā)送指令控制繼電器進(jìn)行吸合，但BMS 無法實(shí)現(xiàn)繼電器吸合，F(xiàn)ail_grade 為1。通過檢查底層程序發(fā)現(xiàn)，控制繼電器的針腳接錯(cuò)位置，使得該繼電器斷開，重新修改線束，解決了電池掉高壓的問題。

圖3 電池掉高壓現(xiàn)象

4.2 電機(jī)抖動(dòng)故障

實(shí)驗(yàn)車正常行駛時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩表現(xiàn)如圖4 所示。在起步后車車速超過45 km/h 后，電機(jī)故障Mot_Fault 為1，車子抖動(dòng)嚴(yán)重，減速后抖動(dòng)現(xiàn)象消失。停車使用軟件檢查控制器，ECU 報(bào)送電機(jī)旋變硬線故障代碼。分析原因是車輛的電機(jī)未接地線，用萬用表測(cè)得電機(jī)殼體并未與車身導(dǎo)通，接上地線后車子恢復(fù)正常。

圖4 電機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象

5 結(jié)語

文章對(duì)ECU 的結(jié)構(gòu)功能和故障機(jī)理進(jìn)行分析，然后對(duì)故障進(jìn)行分類分級(jí)，制定控制策略和相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略仿真模型，借助MATLAB 工具實(shí)現(xiàn)控制策略模型自動(dòng)生成C代碼，刷入ECU，通過某型純電動(dòng)客車進(jìn)行大量道路實(shí)驗(yàn)，過濾有效故障數(shù)據(jù)和對(duì)比分析，證明了ECU 能夠很好地檢測(cè)出發(fā)生的故障和進(jìn)行有效反饋處理。