某型純電動車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

純電動汽車的大腦即整車控制單元（Electronic Control Unit，ECU）通過CAN 信號與BMS、TCU、DCDC 等電器元件通訊，接收和發出各種指令，控制汽車。隨著新能源汽車的到來，CAN 總線網絡更加復雜、智能。當前市場上的整車控制器功能強大，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 故障機理分析

2.1 ECU 結構

ECU 是實現整車控制決策的核心電子控制單元，ECU通過采集執行器如加速踏板、變速器擋位、制動踏板等信號來判斷司機的駕駛行為，ECU 判斷計算處理后，向相應系統如BMS 和電機控制器等發送車輛的下一步運行控制指令。另外，ECU 還具有整車系統故障診斷保護與存儲功能、制動能量的優化控制及能量管理、CAN 網絡的維護和管理、車輛狀態監視等[1]。

2.2 ECU 故障機理分析

對于純電動汽車，ECU 自檢的故障一般歸納為兩種——常見的傳感器、執行器以及電路等故障為一種，另一種是CAN 通訊，總結原因如下：①波特率不匹配或者節點沒有初始化，導致沒有報文接發送。②總線線纜短路、斷路、接反，例如高低速CAN 總線接反，導致不匹配[2]。如果ECU在規定時間周期內未檢測到MCU 或BMS 的反饋信號，若不采取處理措施，進一步會導致發生電機過載或電池過充過放等故障，因此，ECU 必須時刻監測CAN 信號并做出快速反應。

3 故障診斷控制策略

3.1 故障等級的定義

當故障發生時，ECU 通過自身檢測和CAN 信號收集其他控制器發送的故障報文信息，并同時針對汽車當前的狀態，做出正確響應和反饋。按照ISO 15765《車載診斷標準》、QC/T 893—2011《電動汽車用驅動電機系統故障診斷分類及判斷》和QC/T 897—2011《電動汽車用電池管理系統技術條件》標準對純電動車故障定義和要求以及拓展項目，結合實驗車的實際技術要求，本文劃分整車故障為4 個等級，ECU把收集的故障信息依據故障嚴重程度和等級進行優先級控制和處理。

故障等級的具體定義如表1 所示。

表1 故障等級定義表

結合上述標準，每個子系統進行可診斷項目拓展，以便制訂完善的故障診斷策略。每個子系統根據故障特性及類型又會劃分為不同的故障等級。由于分類較多，不一一列舉。TCU 詳細的故障等級劃分情況如表2 所示。

3.2 故障容錯處理準則

整車的各個系統，比如電機或電池產生故障時，ECU為了保持汽車正常的運行狀態，必須能做出快速、及時的響應。因此，本文把故障處理總結為以下2 種[3]。

3.2.1 參數缺失容錯處理

例如，某電壓值瞬間缺失，ECU 會自動獲取最后測得的歷史變量值作為替代值進行計算處理。

3.2.2 限制扭矩容錯處理

汽車行駛途中出現異常現象，ECU 為控制故障狀態加劇惡化，會對電機控制器發送限制扭矩指令，以便電機維持在較低負荷狀態工作，從而能跛行回家。

表2 TCU 故障等級劃分

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 通訊節點失效故障檢測與處理，包括整車控制器與電機控制器之間的通訊節點失效故障、整車控制器與電池管理系統之間的通訊節點失效故障，對通訊過程中的其他故障不進行詳細研究。CAN 通訊故障檢測及處理的流程如圖1 所示。

圖1 CAN 通訊故障檢測及處理流程

3.3.2 CAN 信號故障處理策略

在正常通訊狀態下，ECU 設定允許CAN 線容錯通訊次數閾值。ECU 中的接收報文計數器會持續累加計數，如果達到閾值后，則默認該線路存在故障，存儲故障碼信息并發送警報指令；相反，則不會觸發警報指令，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，實現相關控制。

4 控制策略的實車驗證

將整車控制器ECU 安裝到試驗車上，并完成靜態調試和動態實驗；通過模擬故障和道路實驗完成整車控制器ECU各個功能及故障診斷控制策略的驗證。由于目標車型及實驗條件的限制，只對部分故障進行了測試和驗證。

4.1 電池掉高壓故障

電池掉高壓現象如圖3 所示，上電后，雖然ECU 發送指令控制繼電器進行吸合，但BMS 無法實現繼電器吸合，Fail_grade 為1。通過檢查底層程序發現，控制繼電器的針腳接錯位置，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 電池掉高壓現象

4.2 電機抖動故障

實驗車正常行駛時電機轉速和扭矩表現如圖4 所示。在起步后車車速超過45 km/h 后，電機故障Mot_Fault 為1，車子抖動嚴重，減速后抖動現象消失。停車使用軟件檢查控制器，ECU 報送電機旋變硬線故障代碼。分析原因是車輛的電機未接地線，用萬用表測得電機殼體并未與車身導通，接上地線后車子恢復正常。

圖4 電機抖動現象

5 結語

文章對ECU 的結構功能和故障機理進行分析，然后對故障進行分類分級，制定控制策略和相應的容錯控制策略仿真模型，借助MATLAB 工具實現控制策略模型自動生成C代碼，刷入ECU，通過某型純電動客車進行大量道路實驗，過濾有效故障數據和對比分析，證明了ECU 能夠很好地檢測出發生的故障和進行有效反饋處理。