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混合动力控制器故障诊断系统研究

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摘要:混合动力整车控制器(VCU)作为整车最高级别的控制器,其安全性能非常重要,需要通过故障诊断系统来保证系统安全性。本文主要介绍了混合动力整车控制器故障诊断的重要性以及研究意义,从故障诊断原理、故障处理、测试验证三个大的方面展开研究,并进行实车的测试验证。最后完成了混合动力整车控制器故障诊断系统的开发和验证,保障整车控制系统的安全性。

关键词:混合动力整车控制器;故障诊断;故障处理;测试验证

引言

整车控制器作为混合动力汽车的大脑,承担着整车的正常行驶,扭矩分配,再生能量回收,网络管理,故障诊断与处理,车辆的状态与监视等功能。[1]由于其功能的关键性,其安全级别也是最高的,需要通过可靠的诊断系统来保障系统安全可靠的运行。

1故障诊断系统概述

故障诊断系统的设计主要由两部分组成:基于协议的诊断通信功能和针对具体故障处理应用功能。其中基于协议的诊断通信功能主要是UDS协议的设置,这里不深入介绍,本文主要研究诊断应用部分,如图1所示。[2]针对混合动力汽车整车控制器故障诊断系统应用部分主要的要求为:①能够正确且快速的识别出故障状态,并且不允许出现误诊断。②准确地为识别到的故障码设置DTC和故障级别,并且能够存储对应的故障码信息(包括冻结帧和拓展数据等),警告驾驶员并且能够让外部设备通过OBD口读到对应的故障信息。③能够从整车控制层面对故障做出恰当的响应措施(例如陂行、限制功率等)。[3]基于以上要求,本文主要针对故障处理功能从故障诊断原理、故障管理以及故障确认后处理三个部分进行介绍。并实车进行故障码的测试以验证故障诊断系统的鲁棒性。

2故障诊断原理

2.1诊断分类

混合动力系统的诊断从诊断原理方面区分,可以分为以下三大类:①硬件输入输出信号诊断,包括数字信号输入故障诊断、模拟信号故障诊断。硬件输入输出信号主要是进行信号的开路、短路、信号数据范围进行诊断。主要分为最大、最小、信号以及合理性故障。②CAN总线故障诊断、输入信号有效性的诊断。CAN总线通讯故障主要有:CAN报文长度不合理、CAN报文接受超时、CAN报文丢失、CAN报文循环计数器值计算异常、CAN报文CRC校验无效,CANBUSOFF、无效的CAN报文等故障。这个部分的诊断主要报的故障码为接收到无效报文、与控制器丢失通讯、BUSOFF。③混合动力系统综合故障,包括混合动力子系统的故障诊断(电池、电机、发动机等)。系统控制综合故障主要是在系统控制的层面检测和监控,如果发现系统中存在异常将及时报出故障码。例如:整车控制器检测到发动机启动失败、检测到扭矩信号异常、发动机和电机之间的异常信号,堵转等一些危险工况。另外,扭矩安全监控也可以归属于这一类的故障。

2.2诊断具体原理

2.2.1硬件输入输出信号诊断整车控制器的底层软件可以实现数字信号开路、短路和断路的诊断。模拟信号的故障诊断主要是基于模拟信号数据的范围进行诊断。以燃油压力传感器的诊断为例,图2为燃油压力传感器信号电压与燃油压力的特性曲线,诊断主要基于该曲线的电压范围进行。该燃油压力传感器正常的工作电压范围为0.33-4.93V,当控制器检测到信号电压值大于4.93V超过30ms,之后将会报出短接到电源的最大故障P018D。当检测到信号电压值小于0.33V超过30ms,将会报出短接到地的最小故障P018C。当控制器检测到已经向燃油泵输出控制指令,但是燃油压力传感器未收到充分的燃油压力变化,将会报出燃油压力信号不合理的故障P018B。

2.2.2CAN总线故障诊断、信号有效性CAN总线的诊断分为几个层次。OSI(OpenSystemInterchange)模型里,一个网络分为7个层次,其中CAN总线用了5个层次,如图3。根据ISO26262功能安全的要求,基于CAN的每一层都会进行对应的诊断。输入信号的有效性判断,有很多种方法。有信号源给出的有效位方法;有输入信号的奇偶校验和方法;有输入信号的交叉比较方法等。具体每个输入信号或者每类输入信号,需要根据实际情况来判断。例如:混合动力整车控制器报U0111与电池控制器丢失通讯故障。诊断原理为混合动力整车控制器未收到电池控制器所发出的BPCM_MSG_01和BPCM_MSG_02CAN报文,超过200ms,就会报出对应的丢失通讯故障码。

2.2.3混合动力系统综合故障混合动力系统综合诊断的目的是把各个子系统的故障模式,分门别类,组合在一起;分成几个类型的故障;从而方便设计故障模式下的整车控制器的处理策略。在整车控制器里面,必须做综合性故障诊断,比如发动机的故障诊断,有非常多的故障模式,在整车控制器里,必须要根据这些故障模式来分类,组合,综合成几类故障。这个叫混合动力子系统的故障诊断。这些混合动力子系统的故障诊断,和各个子系统内部的故障诊断又有不同。他们不是互相取代的关系。而是在整车控制器里进行分门别类,综合判断的高一级别的故障模式。例如发动机和电机之间的离合器、混合动力系统的冷却系统、充电系统等故障的诊断,这种诊断不能单方面的基于某一个系统进行诊断,需要结合整车系统来判断。例如:混合动力整车控制器报P1B11发动机输出扭矩性能低故障,主要诊断原理为混合动力整车控制器通过电机测出的发动机的实际输出扭矩小于发动机自身计算并发送到CAN上的扭矩值,便会报此故障码。正常情况如果仅发动机自身的诊断是无法诊断出该故障码的,需要从整车系统层级进行综合的诊断。

3故障管理

混合动力整车控制器(VCU)检测到各故障并分配独立的DTC码,另外,各ECU需要具备掉电不丢失数据的非易失性存储器以便在检测到故障时存储DTC码及其冻结帧和扩展数据等信息。ECU的故障DTC分配原则上尽量使用ISO标准所定义的DTC,部分DTC没有被ISO标准列出将使用主机厂自定义DTC码。经过确认的故障DTC及其DTC状态、冻结帧和扩展数据等信息将被存储在故障DTC存储器中,此故障DTC存储器中的所有信息会在下电之前被存储到非易失性存储器中。并且会基于故障的等级和分类来点亮故障指示灯(MIL)。

3.1故障防抖动确认

故障码确认时,为避免出现因信号毛刺导致故障误触发,各ECU在实现故障诊断原理策略时需要进行故障防抖动确认。故障防抖动的检测简单的理解其实就是基于一个计时器,进行故障发生次数的计数,确认则加1,未确认减1,最后在一定周期内如果故障计数器达到设定值则报出故障码。这样可以较大程度的避免故障的误报。图4为故障防抖的的原理图。

3.2故障指示灯

(MIL)控制故障发生且确认之后在采取对应的应对措施同时,需要通过仪表提醒驾驶员对车辆进行维修和检查。基于国六法规对MIL灯的控制逻辑如下:国六法规GB18352.6-2016中规定存储了未决故障代码后,如果识别到的故障在下一个诊断进行的驾驶循环结束前再次被检测到,MIL灯应持续点亮,并在10s内存储一个确认的故障代码。也就是一般故障码确认两个驾驶循环时需要点亮MIL灯,当出现故障点亮MIL灯以后,如果在至少三个连续驾驶循环中,OBD检测系统不再需要点亮MIL,之前导致点亮MIL的故障也没有再出现,并且也没有检测到其他根据要求需要单独点亮MIL的故障,可以熄灭MIL灯,另外在连续40个暖机循环中也一直没有再检测到故障,对应的故障码也将会清除。[4]对应该逻辑的示意图如图5。

4故障确认后的处理

根据不同的故障码类型,整车控制器将进行不同的故障处理逻辑。主要分为:陂行(禁止纯电行驶、限功率、限扭矩),系统直接下电。

4.1故障处理策略

主要基于具体的故障码,根据整车控制器对故障码的管理和分类,决定对应故障码发生后的处理策略。主要分为限制纯电模式(进入传统动力模式、陂行回家、系统关闭)。例如P0A1DHybridPowertrainControlModule混合动力控制模块内部故障处理策略:发动机持续运行,进入传统动力模式;MIL灯点亮;跛行回家功能:以传统动力模式,跛行回家。P0A94DC/DCConverterPerformance直流/直流转换器性能故障处理策略:发动机持续运行,使能传统发动机12V发电机发电,MIL灯点亮;跛行回家功能:以传统动力模式,跛行回家。U0037VehicleCommunicationBusB整车BCAN掉线故障处理策略:因为整车控制器,电机控制器,和电池控制器以及ABS无法通讯,电机状态未知,电池无法控制,整车安全不能保障,必须是整车下电,MIL灯闪烁。跛行回家功能:不能跛行回家。另外,例如加速踏板信号故障、发动机节气门信号故障这类可以设置一个默认值或者通过限制功率和扭矩来实现故障后的陂行模式以确认整车安全。但是像与制动系统无法通讯,与混合动力系统CAN丢失通讯这类严重的故障将会直接使得系统下电,无法进入陂行回家模式。

5故障诊断的测试验证

每一个故障码在基于控制策略确定了故障诊断原理方法,故障管理路径以及故障应对措施后还需要进行系统的验证和测试。由于目前混合动力车型涉及的模块较多,故障码数量巨大,且各个故障又可以分为多种类型的故障失效模式。因此纯粹靠人为一个个的去造故障码耗时耗力。通过对具体的故障码进行相应的HIL测试和验证可以极大的减少工作量,节省成本和加快开发进度。但是必要的功能性安全要求很高的故障码仍需要人为的进行验证,具体的验证方法如下:①P0A1DHybridPowertrainControlModule混合动力控制模块内部故障测试方法:使用Break-Out-Box;断开VCU12V电源,或者间歇性地提供电源,造VCU不能正常工作。②U0111LostCommunicationWithBatteryEnergyControlModule"A"与电池控制模块丢失通讯测试方法:使用Break-Out-Box,断开电池控制器CAN总线。导致该故障发生。③P0A7FHybridBatteryPackDeterioration高压电池包失效测试方法1:将高压电池包的某一个或者几个电池单元,更换成老化的电池单元。造成电池控制器发出的SOH超限值。测试方法2:使用CAN总线设备(比如VectorCANAnalyzer),过滤修改电池控制器的CAN数据。人为地改变电池控制器发出的SOH值,使其超出限值。通过造故障后的车辆的故障现象来检查故障诊断系统是否准确的进行了报码和实现了对应的故障后处理措施,以完成诊断系统的测试验证。

6结论

本文主要结合实践工作中对混合动力整车控制器的故障诊断系统的理解,分别从故障诊断原理、故障管理、故障处理三个方面对混合动力整车控制器的故障诊断系统进行较为系统的研究。并基于具体的故障码进行了故障诊断、后处理的测试验证,确保了混合动力整车控制器诊断系统的安全性。

参考文献:

[1]左义和,项昌乐,闫清东.混联混合动力车辆整车控制器设计[J].微计算机信息,2010(26):1-2.

[2]陈领平.汽油机车载诊断(OBD)技术及催化器监控开发试验研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[3]张龙.汽油机车载诊断系统的诊断策略和标定研究[D].西华大学,2014.[4]GB18352.6-2016,轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)[S].

作者:何智渊 何兴 黄迎 单位:广汽菲亚特克莱斯勒汽车有限公司 

混合动力控制器故障诊断系统研究责任编辑:张雨    阅读:人次
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