純電驅動工程機械監控系統研究分析

田路軍　田永樂　張開然

摘? 要：純電驅動工程機械長期工作在惡劣且工況復雜的作業環境，所以對車輛的運行數據進行記錄、安全監控是保證車輛安全可靠工作的關鍵。針對純電驅動工程機械實施有效的監控管理，有助于及時發現車輛在運行、作業、維護中的事故苗頭，從而降低故障發生概率;同時能夠提供故障設備修復依據，有利于減少故 障設備修復時間，大大改善設備的監管狀況。本文針對純電驅動裝載機展開監控系統需求分析和方案設計。

關鍵詞：純電驅動;工程機械;監控系統

一、監控系統需求分析

1.監控系統主要實現功能

純電驅動工程機械在作業過程中常常會面臨諸如維護、保養、故障排查等一些難以解決的問題，因此對車輛運行狀態進行監測是非常有必要的。將監測參數回傳到交互終端管理平臺實時動態顯示，并通過故障管理系統對數據進行診斷分析并實時預警。綜上所述，具體需求如下：

（1）數據信息采集功能：采集可以表征純電驅動工程機械運行狀態所需的信息參數，主要包括電池管理系統、電驅系統、液壓系統、整車控制器、輔助電源等模塊反饋的參數信息，為監控管理平臺提供數據基礎。

（2）數據傳輸功能：純電驅動工程機械主要通過布置 CAN 總線通訊網絡實現車輛各子系統間的數據交互，為了滿足數據傳輸需求，需在車載終端使能I/O 端口、ADC 通道、CAN 接口以及 USART 等模塊以適應不同傳感器、接口的信號類型。

（3）監控管理平臺應具備數據實時監控、故障實時預警、歷史數據存儲、設備維護記錄等多項功能。

2.主要監控對象和內容

本文的監控對象是型號為HNL-16EL 的純電驅動輪式裝載機，其試驗平臺系統結構包括液壓系統、電驅系統、電池管理系統、整車運行狀態、故障診斷系統反饋的參數信息，監控內容具體如下：

（1）液壓系統：主泵壓力、泵馬達壓力、變速泵壓力、蓄能器壓力、先導壓力之和、氣罐壓力、制動壓力、液壓油溫、冷卻水溫等。

（2）電驅系統：行走電機轉速、主泵電機轉速、行走電機扭矩、主泵電機扭矩、行走電機功率、主泵電機功率、行走電機母線電壓、主泵電機母線電壓、行走電機直流電流、主泵電機直流電流、行走電機溫度、主泵電機溫度、行走電機控制器溫度、主泵電機控制器溫度、行走電機控制模式、主泵電機控制模式等。

（3）電池管理系統：電池剩余電量百分比（SOC）、電池健康度（SOH）、動力電池總電流、動力電池總電壓、累計充電電量、累計放電電量、電芯平均溫度、電芯最大溫度、電芯最小溫度、電芯單體平均電壓、電芯單體最大電壓、電芯單體最小電壓、充電連接狀態等。

（4）整車運行狀態：先導手柄液壓鎖開關狀態、行走擋位、駐車狀態、怠速模式、手/自動模式、當前車速、可續駛時間等。

（5）故障診斷系統：電池管理系統最高報警等級、行走電機最高報警等級、主泵電機最高報警等級、油泵工作狀態、氣泵工作狀態、DC-DC 工作狀態，以及各模塊反饋的具體故障信息。

二、總體方案設計

本文設計的純電驅動裝載機監控系統由車載終端、CAN 通訊網絡、交互終端、監控管理平臺等組成。車載終端通過初始化信號采集單元對試驗樣機運行數據進行集成，設計交互界面實時動態顯示車輛運行數據，通過布置 CAN 通訊網絡實現車輛各子系統間的信息交互，并基于交互終端（CZ6）做整車故障診斷，最后由上位機（PC 端）對故障數據進行存儲、分析。

1.車載終端

車載終端是以 STM32F767 單片機為主處理器作嵌入式軟件開發。主要設計思想是將 CAN 通訊、數據集成、嵌入式、emWin 圖形界面開發、邏輯控制等多項技術引入到純電驅動裝載機中，從而實現基于信息技術的純電驅動裝載機的監控。車載終端微控制器是監控系統的核心，負責處理試驗樣機的運行數據。

2.CAN通訊網絡

純電驅動裝載機的工況一般較為復雜且作業環境相對惡劣，需保證各系統間數據交互的穩定性。CAN（Controller Area Network）以一種高速率、高可靠性、數字化、分散式、雙向多點的通信方式，解決了車輛 ECU 間眾多數據交互問題。

3.監控管理平臺功能分析

監控管理平臺主要包含以下幾種功能。

（1）數據監控功能：記錄試驗樣機的各子系統控制器、傳感器以及執行器反饋的重要運行數據，并基于STemWin作人機交互界面設計，由RGBLCD顯示觸控集成面板實時動態反饋數據。

（2）輔助駕駛功能：用戶在集成面板上可切換怠速模式、手自動模式輔助駕駛。

（3）故障診斷功能：本文基于交互終端（CZ6）設計整車故障子系統，實時反饋車輛具體故障信息以及各子系統的最高故障等級，并針對故障嚴重程度設計保護機制以提醒駕駛員車輛故障情況。

（5）數據存儲功能：主要針對故障事件觸發，保存其事件發生的時間、故障碼，并通過串口通信將發生故障時間點前后的數據流存儲至上位機，為故障診斷或故障預測提供了數據基礎。

（6）設備保養維護功能：檢查車輛保養信息、使用情況、累計工作時間、電池健康狀態等。

本文針對純電驅動裝載機概述了監控系統的總體方案設計，并對系統功能以及監控對象和內容進行詳細的分析。整個系統劃分成車載終端、CAN通訊網絡、交互終端、監控管理平臺四個功能模塊，并對每一模塊的功能實現進行了分析，為后續車載終端系統設計以及整車故障監測系統的實現奠定了基礎。

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