混合動(dòng)力控制器故障診斷系統(tǒng)研究范文

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摘要：混合動(dòng)力整車控制器（VCU）作為整車最高級(jí)別的控制器，其安全性能非常重要，需要通過故障診斷系統(tǒng)來保證系統(tǒng)安全性。本文主要介紹了混合動(dòng)力整車控制器故障診斷的重要性以及研究意義，從故障診斷原理、故障處理、測(cè)試驗(yàn)證三個(gè)大的方面展開研究，并進(jìn)行實(shí)車的測(cè)試驗(yàn)證。最后完成了混合動(dòng)力整車控制器故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證，保障整車控制系統(tǒng)的安全性。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力整車控制器；故障診斷；故障處理；測(cè)試驗(yàn)證

引言

整車控制器作為混合動(dòng)力汽車的大腦，承擔(dān)著整車的正常行駛，扭矩分配，再生能量回收，網(wǎng)絡(luò)管理，故障診斷與處理，車輛的狀態(tài)與監(jiān)視等功能。[1]由于其功能的關(guān)鍵性，其安全級(jí)別也是最高的，需要通過可靠的診斷系統(tǒng)來保障系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

1故障診斷系統(tǒng)概述

故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：基于協(xié)議的診斷通信功能和針對(duì)具體故障處理應(yīng)用功能。其中基于協(xié)議的診斷通信功能主要是UDS協(xié)議的設(shè)置，這里不深入介紹，本文主要研究診斷應(yīng)用部分，如圖1所示。[2]針對(duì)混合動(dòng)力汽車整車控制器故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用部分主要的要求為：①能夠正確且快速的識(shí)別出故障狀態(tài)，并且不允許出現(xiàn)誤診斷。②準(zhǔn)確地為識(shí)別到的故障碼設(shè)置DTC和故障級(jí)別，并且能夠存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的故障碼信息（包括凍結(jié)幀和拓展數(shù)據(jù)等），警告駕駛員并且能夠讓外部設(shè)備通過OBD口讀到對(duì)應(yīng)的故障信息。③能夠從整車控制層面對(duì)故障做出恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)措施（例如陂行、限制功率等）。[3]基于以上要求，本文主要針對(duì)故障處理功能從故障診斷原理、故障管理以及故障確認(rèn)后處理三個(gè)部分進(jìn)行介紹。并實(shí)車進(jìn)行故障碼的測(cè)試以驗(yàn)證故障診斷系統(tǒng)的魯棒性。

2故障診斷原理

2.1診斷分類

混合動(dòng)力系統(tǒng)的診斷從診斷原理方面區(qū)分，可以分為以下三大類：①硬件輸入輸出信號(hào)診斷，包括數(shù)字信號(hào)輸入故障診斷、模擬信號(hào)故障診斷。硬件輸入輸出信號(hào)主要是進(jìn)行信號(hào)的開路、短路、信號(hào)數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行診斷。主要分為最大、最小、信號(hào)以及合理性故障。②CAN總線故障診斷、輸入信號(hào)有效性的診斷。CAN總線通訊故障主要有：CAN報(bào)文長(zhǎng)度不合理、CAN報(bào)文接受超時(shí)、CAN報(bào)文丟失、CAN報(bào)文循環(huán)計(jì)數(shù)器值計(jì)算異常、CAN報(bào)文CRC校驗(yàn)無效，CANBUSOFF、無效的CAN報(bào)文等故障。這個(gè)部分的診斷主要報(bào)的故障碼為接收到無效報(bào)文、與控制器丟失通訊、BUSOFF。③混合動(dòng)力系統(tǒng)綜合故障，包括混合動(dòng)力子系統(tǒng)的故障診斷（電池、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等）。系統(tǒng)控制綜合故障主要是在系統(tǒng)控制的層面檢測(cè)和監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在異常將及時(shí)報(bào)出故障碼。例如：整車控制器檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗、檢測(cè)到扭矩信號(hào)異常、發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的異常信號(hào)，堵轉(zhuǎn)等一些危險(xiǎn)工況。另外，扭矩安全監(jiān)控也可以歸屬于這一類的故障。

2.2診斷具體原理

2.2.1硬件輸入輸出信號(hào)診斷整車控制器的底層軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)開路、短路和斷路的診斷。模擬信號(hào)的故障診斷主要是基于模擬信號(hào)數(shù)據(jù)的范圍進(jìn)行診斷。以燃油壓力傳感器的診斷為例，圖2為燃油壓力傳感器信號(hào)電壓與燃油壓力的特性曲線，診斷主要基于該曲線的電壓范圍進(jìn)行。該燃油壓力傳感器正常的工作電壓范圍為0.33-4.93V，當(dāng)控制器檢測(cè)到信號(hào)電壓值大于4.93V超過30ms，之后將會(huì)報(bào)出短接到電源的最大故障P018D。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)電壓值小于0.33V超過30ms，將會(huì)報(bào)出短接到地的最小故障P018C。當(dāng)控制器檢測(cè)到已經(jīng)向燃油泵輸出控制指令，但是燃油壓力傳感器未收到充分的燃油壓力變化，將會(huì)報(bào)出燃油壓力信號(hào)不合理的故障P018B。

2.2.2CAN總線故障診斷、信號(hào)有效性CAN總線的診斷分為幾個(gè)層次。OSI（OpenSystemInterchange）模型里，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為7個(gè)層次，其中CAN總線用了5個(gè)層次，如圖3。根據(jù)ISO26262功能安全的要求，基于CAN的每一層都會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的診斷。輸入信號(hào)的有效性判斷，有很多種方法。有信號(hào)源給出的有效位方法；有輸入信號(hào)的奇偶校驗(yàn)和方法；有輸入信號(hào)的交叉比較方法等。具體每個(gè)輸入信號(hào)或者每類輸入信號(hào)，需要根據(jù)實(shí)際情況來判斷。例如：混合動(dòng)力整車控制器報(bào)U0111與電池控制器丟失通訊故障。診斷原理為混合動(dòng)力整車控制器未收到電池控制器所發(fā)出的BPCM_MSG_01和BPCM_MSG_02CAN報(bào)文，超過200ms，就會(huì)報(bào)出對(duì)應(yīng)的丟失通訊故障碼。

2.2.3混合動(dòng)力系統(tǒng)綜合故障混合動(dòng)力系統(tǒng)綜合診斷的目的是把各個(gè)子系統(tǒng)的故障模式，分門別類，組合在一起；分成幾個(gè)類型的故障；從而方便設(shè)計(jì)故障模式下的整車控制器的處理策略。在整車控制器里面，必須做綜合性故障診斷，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷，有非常多的故障模式，在整車控制器里，必須要根據(jù)這些故障模式來分類，組合，綜合成幾類故障。這個(gè)叫混合動(dòng)力子系統(tǒng)的故障診斷。這些混合動(dòng)力子系統(tǒng)的故障診斷，和各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部的故障診斷又有不同。他們不是互相取代的關(guān)系。而是在整車控制器里進(jìn)行分門別類，綜合判斷的高一級(jí)別的故障模式。例如發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的離合器、混合動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等故障的診斷，這種診斷不能單方面的基于某一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行診斷，需要結(jié)合整車系統(tǒng)來判斷。例如：混合動(dòng)力整車控制器報(bào)P1B11發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩性能低故障，主要診斷原理為混合動(dòng)力整車控制器通過電機(jī)測(cè)出的發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出扭矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)自身計(jì)算并發(fā)送到CAN上的扭矩值，便會(huì)報(bào)此故障碼。正常情況如果僅發(fā)動(dòng)機(jī)自身的診斷是無法診斷出該故障碼的，需要從整車系統(tǒng)層級(jí)進(jìn)行綜合的診斷。

3故障管理

混合動(dòng)力整車控制器（VCU）檢測(cè)到各故障并分配獨(dú)立的DTC碼，另外，各ECU需要具備掉電不丟失數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器以便在檢測(cè)到故障時(shí)存儲(chǔ)DTC碼及其凍結(jié)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)等信息。ECU的故障DTC分配原則上盡量使用ISO標(biāo)準(zhǔn)所定義的DTC，部分DTC沒有被ISO標(biāo)準(zhǔn)列出將使用主機(jī)廠自定義DTC碼。經(jīng)過確認(rèn)的故障DTC及其DTC狀態(tài)、凍結(jié)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)等信息將被存儲(chǔ)在故障DTC存儲(chǔ)器中，此故障DTC存儲(chǔ)器中的所有信息會(huì)在下電之前被存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中。并且會(huì)基于故障的等級(jí)和分類來點(diǎn)亮故障指示燈（MIL）。

3.1故障防抖動(dòng)確認(rèn)

故障碼確認(rèn)時(shí)，為避免出現(xiàn)因信號(hào)毛刺導(dǎo)致故障誤觸發(fā)，各ECU在實(shí)現(xiàn)故障診斷原理策略時(shí)需要進(jìn)行故障防抖動(dòng)確認(rèn)。故障防抖動(dòng)的檢測(cè)簡(jiǎn)單的理解其實(shí)就是基于一個(gè)計(jì)時(shí)器，進(jìn)行故障發(fā)生次數(shù)的計(jì)數(shù)，確認(rèn)則加1，未確認(rèn)減1，最后在一定周期內(nèi)如果故障計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定值則報(bào)出故障碼。這樣可以較大程度的避免故障的誤報(bào)。圖4為故障防抖的的原理圖。

3.2故障指示燈

（MIL）控制故障發(fā)生且確認(rèn)之后在采取對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施同時(shí)，需要通過儀表提醒駕駛員對(duì)車輛進(jìn)行維修和檢查。基于國六法規(guī)對(duì)MIL燈的控制邏輯如下：國六法規(guī)GB18352.6-2016中規(guī)定存儲(chǔ)了未決故障代碼后，如果識(shí)別到的故障在下一個(gè)診斷進(jìn)行的駕駛循環(huán)結(jié)束前再次被檢測(cè)到，MIL燈應(yīng)持續(xù)點(diǎn)亮，并在10s內(nèi)存儲(chǔ)一個(gè)確認(rèn)的故障代碼。也就是一般故障碼確認(rèn)兩個(gè)駕駛循環(huán)時(shí)需要點(diǎn)亮MIL燈，當(dāng)出現(xiàn)故障點(diǎn)亮MIL燈以后，如果在至少三個(gè)連續(xù)駕駛循環(huán)中，OBD檢測(cè)系統(tǒng)不再需要點(diǎn)亮MIL，之前導(dǎo)致點(diǎn)亮MIL的故障也沒有再出現(xiàn)，并且也沒有檢測(cè)到其他根據(jù)要求需要單獨(dú)點(diǎn)亮MIL的故障，可以熄滅MIL燈，另外在連續(xù)40個(gè)暖機(jī)循環(huán)中也一直沒有再檢測(cè)到故障，對(duì)應(yīng)的故障碼也將會(huì)清除。[4]對(duì)應(yīng)該邏輯的示意圖如圖5。

4故障確認(rèn)后的處理

根據(jù)不同的故障碼類型，整車控制器將進(jìn)行不同的故障處理邏輯。主要分為：陂行（禁止純電行駛、限功率、限扭矩），系統(tǒng)直接下電。

4.1故障處理策略

主要基于具體的故障碼，根據(jù)整車控制器對(duì)故障碼的管理和分類，決定對(duì)應(yīng)故障碼發(fā)生后的處理策略。主要分為限制純電模式（進(jìn)入傳統(tǒng)動(dòng)力模式、陂行回家、系統(tǒng)關(guān)閉）。例如P0A1DHybridPowertrainControlModule混合動(dòng)力控制模塊內(nèi)部故障處理策略：發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，進(jìn)入傳統(tǒng)動(dòng)力模式；MIL燈點(diǎn)亮；跛行回家功能：以傳統(tǒng)動(dòng)力模式，跛行回家。P0A94DC/DCConverterPerformance直流/直流轉(zhuǎn)換器性能故障處理策略：發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，使能傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)12V發(fā)電機(jī)發(fā)電，MIL燈點(diǎn)亮；跛行回家功能：以傳統(tǒng)動(dòng)力模式，跛行回家。U0037VehicleCommunicationBusB整車BCAN掉線故障處理策略：因?yàn)檎嚳刂破鳎姍C(jī)控制器，和電池控制器以及ABS無法通訊，電機(jī)狀態(tài)未知，電池?zé)o法控制，整車安全不能保障，必須是整車下電，MIL燈閃爍。跛行回家功能：不能跛行回家。另外，例如加速踏板信號(hào)故障、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門信號(hào)故障這類可以設(shè)置一個(gè)默認(rèn)值或者通過限制功率和扭矩來實(shí)現(xiàn)故障后的陂行模式以確認(rèn)整車安全。但是像與制動(dòng)系統(tǒng)無法通訊，與混合動(dòng)力系統(tǒng)CAN丟失通訊這類嚴(yán)重的故障將會(huì)直接使得系統(tǒng)下電，無法進(jìn)入陂行回家模式。

5故障診斷的測(cè)試驗(yàn)證

每一個(gè)故障碼在基于控制策略確定了故障診斷原理方法，故障管理路徑以及故障應(yīng)對(duì)措施后還需要進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證和測(cè)試。由于目前混合動(dòng)力車型涉及的模塊較多，故障碼數(shù)量巨大，且各個(gè)故障又可以分為多種類型的故障失效模式。因此純粹靠人為一個(gè)個(gè)的去造故障碼耗時(shí)耗力。通過對(duì)具體的故障碼進(jìn)行相應(yīng)的HIL測(cè)試和驗(yàn)證可以極大的減少工作量，節(jié)省成本和加快開發(fā)進(jìn)度。但是必要的功能性安全要求很高的故障碼仍需要人為的進(jìn)行驗(yàn)證，具體的驗(yàn)證方法如下：①P0A1DHybridPowertrainControlModule混合動(dòng)力控制模塊內(nèi)部故障測(cè)試方法：使用Break-Out-Box；斷開VCU12V電源，或者間歇性地提供電源，造VCU不能正常工作。②U0111LostCommunicationWithBatteryEnergyControlModule"A"與電池控制模塊丟失通訊測(cè)試方法：使用Break-Out-Box，斷開電池控制器CAN總線。導(dǎo)致該故障發(fā)生。③P0A7FHybridBatteryPackDeterioration高壓電池包失效測(cè)試方法1：將高壓電池包的某一個(gè)或者幾個(gè)電池單元，更換成老化的電池單元。造成電池控制器發(fā)出的SOH超限值。測(cè)試方法2：使用CAN總線設(shè)備（比如VectorCANAnalyzer），過濾修改電池控制器的CAN數(shù)據(jù)。人為地改變電池控制器發(fā)出的SOH值，使其超出限值。通過造故障后的車輛的故障現(xiàn)象來檢查故障診斷系統(tǒng)是否準(zhǔn)確的進(jìn)行了報(bào)碼和實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的故障后處理措施，以完成診斷系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證。

6結(jié)論

本文主要結(jié)合實(shí)踐工作中對(duì)混合動(dòng)力整車控制器的故障診斷系統(tǒng)的理解，分別從故障診斷原理、故障管理、故障處理三個(gè)方面對(duì)混合動(dòng)力整車控制器的故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。并基于具體的故障碼進(jìn)行了故障診斷、后處理的測(cè)試驗(yàn)證，確保了混合動(dòng)力整車控制器診斷系統(tǒng)的安全性。

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作者：何智淵 何興 黃迎 單位：廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司