純電動汽車電驅動故障診斷監控系統設計

2020-03-22 03:30:50溫晶晶

機械工程與自動化 2020年1期

溫晶晶，劉歡

（廣東工商職業技術大學智能制造學院，廣東肇慶 526000）

0 引言

隨著環境的惡化和燃料資源的減少，傳統燃油汽車的代價越來越高。為了緩解能源與環境的壓力，維護汽車的可持續發展，研發新能源汽車已被世界各國和各大汽車生產商所重視。其中，以電能為能源的純電動汽車以其環保、節能、功效高、噪聲小等優點而被各國廣泛關注［1］。純電動汽車相對傳統的燃料汽車存在著很多技術難題，如電池的續航能力差，電機的控制技術不完善，電驅動系統發生故障的原因難于確定、可靠性偏低，動力系統參數的匹配需要優化等［2］。電驅動系統是純電動汽車的重要部分，其一旦發生故障，則影響車輛的正常行駛，嚴重時甚至會引發交通事故。因此，建立純電動汽車電驅動故障診斷系統十分必要，為此，本文搭建了純電動汽車電驅動故障診斷監控系統。

1 電驅動故障診斷監控系統總體硬件設計

電驅動故障診斷監控系統的目的是實現純電動汽車電驅動系統中的過溫、過壓、欠壓、過流、IGBT開路等故障的監控診斷，其組成框圖如圖1所示。該系統的工作過程為：電驅動系統通過CAN網絡將CAN報文發送給監控系統，監控系統接收到報文后對其進行解析，并將處理結果顯示在LCD上，同時會發出報警信號，還可以將故障信息儲存到SD卡中。

圖1 電驅動故障診斷監控系統組成框圖

2 主控微處理器的選擇

由于電驅動故障診斷監控系統需要搭建液晶屏顯示模塊和SD卡儲存模塊，同時還需要實時處理數據，如果選用51單片機，則它在刷新液晶屏時需要處理大批量的數據和頻繁中斷服務程序，處理速度明顯跟不上，導致發生數據丟失、系統出錯等現象［3］，因此中央處理器選用運行速度快、數據處理能力較強的ARM芯片——STM32F103ZET6。STM32F103ZET6的引腳如圖2所示。

3 故障診斷監控系統的外圍模塊設計

3.1 電源電路設計

STM32及與其連接的各個模塊正常工作都需要外接電源，由于一般的純電動汽車可以提供12V的低壓直流電源，與模塊正常工作電壓不符，因此需要合理的電壓轉換模塊。在電源電路設計中，先將12V的低壓電源轉換為5V的電源，再將5V的電源轉換為3.3V電源。本電路設計中共設計了4路相互獨立的5V和

3.3 V電源轉換電路。

本文中采用MP2359芯片進行電源轉換，電源轉換電路如圖3所示。DC＿IN為直流電源的輸入端，經過MP2359的電壓轉換，可輸出5V的直流電壓。

3.2 CAN模塊的硬件設計

在硬件上，CAN報文的處理需要CAN的收發器和控制器。CAN的收發器和控制器按照結構分為獨立的CAN控制器＋CAN收發器和帶有CAN控制器的微處理器＋CAN收發器兩種。本系統選擇后一種，即TJA1050。

本系統CAN接口的硬件電路包括CAN收發器TJA1050、兩個光耦隔離芯片6N137以及若干電子器件。其中TJA1050的CAN＿H和CAN＿L引腳分別與CAN網絡中的CAN＿H和CAN＿L相連接；TJA1050的數據發送引腳R和接收引腳D分別通過6N137光耦隔離器與CAN的接收引腳和發送引腳相連。CAN模塊的控制電路如圖4所示。

3.3 監控顯示模塊的設計

故障診斷系統需要通過監控顯示模塊來顯示驅動系統當前所處的狀態，對于顯示屏的選擇在考慮成本和功耗的基礎上，本文選擇型號為ILI19341的TFT-LCD液晶顯示器。

TFT-LCD屬于薄膜晶體管液晶顯示器，與普通的顯示器相比，它具有很多優點：可以很好地克服非選通時的串擾、功耗低、成本低、圖像質量較高、功能強大、掃描速度較快等。

圖2 STM32F103ZET6的引腳

圖3 電源轉換電路

TFT-LCD模塊與STM32有兩種并行方式，分別為16位和8位并行方式，本文從數據量和速度等方面考慮，選用16位的并行方式。TFT-LCD由STM32的FSMC接口驅動控制，其原理圖如圖5所示。

3.4 報警模塊

當故障診斷系統診斷出故障發生時，STM32首先根據故障診斷策略判斷故障等級，然后通過蜂鳴器發出報警信號。在報警模塊的硬件設計中，蜂鳴器的引腳通過防誤發聲電路與STM32的PB8引腳相連。當有故障發生時PB8引腳置為高電平，報警器持續發出蜂鳴聲，一旦故障消失，蜂鳴器則停止發聲。報警模塊如圖6所示。

3.5 SD卡儲存模塊

在故障診斷監控系統中，需要儲存大量的歷史故障代碼、故障類型、故障發生時間以及GBK字庫。目前電子設備中的存儲器種類較多，包括U盤、SD卡、SDRAM等，其中SD卡具有讀寫速度較快、體積小、安全性高等優點，被大量使用在MP4、數碼相機等產品中。根據故障診斷監控系統的要求本設計選用SD卡作為存儲器，SD卡的控制電路如圖7所示。SD卡與STM32以6根線的方式相連接。其中SD卡的數據位DATA 0～DATA 3分別與STM32的PC8～PC11引腳相連，命令引腳CND與STM32的PD2引腳相連。