UDS診斷協議在純電動汽車電機控制器中的應用

閆肖梅 杭孟荀 王瑛

摘 要：針對UDS診斷協議在電動汽車電機控制器中的應用問題，利用UDS診斷協議中各項服務的功能，同時根據電機控制器的功能需求，實現UDS診斷協議在電機控制器中的應用。本文首先介紹了UDS各項服務的功能及應用場景，其次詳細闡述了電機驅動系統故障分類與等級劃分，最后介紹了UDS協議在電機控制器中的具體應用場景及功能使用情況，通過開發的上位機進行臺架測試。實驗表明，UDS診斷協議可以有效應用于電機控制器的診斷功能的開發，其具有診斷功能完善、運行穩定的優點，以及廣泛的市場應用前景。

關鍵詞：UDS診斷協議；電機控制器；電機驅動系統；電動汽車

0 引言

目前，“中國制造2025”將汽車產業作為中國經濟發展的十大重要產業之一，新能源汽車成為了重點的發展對象，獲得了國家的大力扶持。純電動汽車由于其能量利用率高、零排放的優點成為了汽車產業的重點發展方向。電機控制器是控制電機驅動整車行駛的控制單元，屬于電動汽車核心零部件。電機控制器具有CAN通信功能、過流保護、過載保護、欠壓保護、過壓保護、缺相保護、能量回饋、限功率、高壓互鎖、故障診斷[1]等功能。電機控制器的故障診斷功能使用了車載UDS[2]（unified diagnostic service）診斷系統。UDS是基于OSI參考模型設計的，它只定義診斷服務[3]，可以有效實現電機控制器的各項故障診斷功能需求。UDS診斷協議通過診斷服務[4]不僅可以讀取電機控制器中的動態數據流、電機控制器的各項配置信息，還可以讀取控制器當前所存儲的故障碼，方便專業人員的維修工作。UDS診斷協議[5]可以實現電機控制器的刷新。正是由于這些優勢，ISO 14229道路車輛統一診斷服務（UDS）廣泛應用于純電動汽車的電機控制器。

1 UDS診斷協議的服務介紹

UDS診斷協議主要包括以下功能：診斷和通信管理功能、數據傳輸功能、存儲數據傳輸功能、輸入輸出控制功能、例行程序功能、上傳/下載功能等。具體功能如表1、表2、表3所示。

2 電機驅動系統故障分類與等級劃分

2.1 電機驅動系統故障分類

本文針對系統中導致電機驅動系統故障、影響整車正常運行的元件或部件故障進行研究。包括：由于電流應力、溫度應力、振動、電沖擊、疲勞、磨損、粉塵等原因，導致電機出現損壞性故障：功率器件斷路、功率器件短路、直流母線電容斷路、直流母線電容短路、預充電電阻斷路等；由于高溫、潮濕、漏油、漏液、老化的因素導致電機出現退化型故障：定子繞組絕緣不良、永磁體退磁等；由于電機系統控制不當、機械間隙調整不當導致高壓供電過壓/欠壓、低壓供電過壓/欠壓、電機控制器過流/過載、轉子偏心、電機/電機控制器過溫故障等；由于電機系統控制不當、設計參數不合理、散熱系統等原因導致驅動扭矩不足、電機/電機控制器過熱等故障。

2.2 電機驅動系統故障等級的劃分

本文根據電機驅動系統故障模式、故障的嚴重程度和對系統造成的影響等因素對電驅動系統的故障等級進行劃分。當出現I級故障時，此類故障對電機驅動系統不會產生較大的影響，電機控制器會根據故障的嚴重程度來進行降功率操作，同時上報最大使用扭矩；當I級故障消失時，電機控制器會令電驅系統達到滿功率輸出狀態，同時對應的故障碼會立刻消失。I級故障包括電機過溫故障、控制器（IGBT）過溫故障、電機超速故障、相電流過載報警、母線電壓欠壓故障、DCDC故障、電機堵轉故障、電機溫度報警、控制器（ IGBT） 溫度報警、電機溫度傳感器故障、IGBT 溫度傳感器故障等。

當出現II級故障時，此類故障對電機驅動系統會產生嚴重損害，電機控制器會令電驅系統限制功率，同時限制正常的動力輸出，將會對嚴重影響整車的性能，電機控制器自動關閉PWM輸出，停止功率輸出；II級故障不會自動回復，需要通過專業診斷設備將此類故障清除。II級故障主要包括模塊故障、相電流過流故障、母線電壓過壓故障、CAN通信故障、旋變傳感器故障、母線電流傳感器故障、A相電流傳感器故障、C相電流傳感器故障、母線電壓傳感器故障等。

當出現Ⅲ級故障時，電機驅動系統極具危險性，此時整車的安全性會受到嚴重影響，電機控制器會發送斷高壓指令，并且此類故障不能清除，需要專業人員檢查維修后才可修復此故障。Ⅲ級故障包括母線電流過流故障。

3 UDS診斷協議在電機控制器中的應用

本文利用UDS診斷協議對電機控制器進行控制或獲取電機控制器中的信息。通過22服務讀取電機控制器的數據流信息，包括電機的硬件版本號、軟件版本號、電機序列號、電機轉速等信息；通過2E服務向電機控制器寫入數據流信息，包括軟件版本號、硬件版本號、日期等信息；通過19服務讀取電機控制器中的故障信息，包括I級故障、II級故障和Ⅲ級故障對應著故障碼信息；通過11服務實現電機控制器的復位功能；通過請求上傳服務（0×34）、請求下載服務（0×35）、傳輸數據服務（0×36）、請求停止數據傳輸服務（0×37）實現電機控制器的在線刷新功能，通過外部設備診斷接口直接對ECU進行軟件更新。

4 實驗測試

根據電機控制器診斷規范，本人利用C#軟件開發上位機進行測試，測試上位機如圖1所示。使用19服務讀取電機控制器的故障信息并通過上位機腳本將故障信息顯示出來，如圖2所示。以11服務為例根據數據流生成測試報告，以驗證UDS診斷協議的準確性，11服務上位機功能如圖3所示，生成的測試報告如表4所示。

通過19服務可以讀取電機控制器的故障信息，便于整車開發人員調試和專業技術人員維修。以11服務為例通過獲取的數據流同時參考診斷協議，11服務完全滿足診斷協議要求。測試實驗表明，UDS診斷協議可以有效地應用于電機控制器診斷功能的開發，具有診斷功能完善、運行穩定的優點，以及有廣泛的市場應用前景。

5 結語

本文介紹了UDS診斷協議在電機控制器中的具體應用場景及功能使用情況，通過開發的上位機進行臺架測試。實驗表明，UDS診斷協議可以有效地應用于電機控制器的診斷功能的開發，其具有診斷功能完善、運行穩定的優點，以及廣泛的市場應用前景。根據UDS診斷協議對于電機控制器診斷功能的開發是后期研究的重點。

參考文獻：

[1] 丁志華，羅峰，孫澤昌.基于CANoe的汽車故障診斷系統研制[J].汽車工程，2007（5）：449-452.

[2] 李銳，王晶瑩，姚燕，等.基于ISO15765的車載CAN網絡診斷設計[J].計算機工程，2012（4）：35-36，39.

[3] 劉彤，趙益宏，蔡偉杰，等.基于UDS的汽車通信故障診斷機制與處理策略[J].汽車電器，2013（2）：60-64.

[4] 張麗莉，儲江偉，強添剛，等.現代汽車故障診斷方法及其應用研究[J].機械研究與應用，2008（1）：8-16.

[5] 屠雨，張鳳登，單冰華.基于汽車OBD車聯網的設計與實現[J].電子測量技術，2016，39（8）：32-36.