基于LabVIEW的電動汽車核心部件檢測系統設計

鄭拓

摘要：近年來，我國新能源汽車市場發展迅速。在新能源汽車市場中，電動汽車由于其節能環保的特點，目前市場占有率最高。但由于電動汽車屬于較新的汽車產品，其售后檢測及故障診斷工作中存在先進檢測方法、診斷設備相對缺乏的情況。鑒于以上背景，本文結合電動汽車的結構特點及工作原理，基于LabVIEW對其核心部件BMS、MCU、VCU進行線束外部信號的檢測，將虛擬儀器技術與電動汽車進行良好地結合，分析各核心部件的線束數據以獲取較為完整的參數信息，并進行自動分析判斷，能夠達到快速定位故障點的效果。

Abstract： In recent years， new energy vehicle market is developing rapidly in China. In this market，Electric Vehicle has the highest proportion at present because of its characteristics of energy conservation and environmental protection. However， Electric Vehicle is a new automotive product， there is a lack of advanced detection methods and diagnostic equipment for the after-sales detection and fault diagnosis. Therefor， this paper， combining with the structural characteristics and working principle of electric vehicle， detects the external signal of harness for its core components BMS， MCU and VCU based on LabVIEW， and it combines virtual instrument technology with electric vehicle. Also， this paper analyzes the harness data of each core component to obtain more complete parameter information， and makes automatic analysis and judgment， It helps to quickly locate the faults.

關鍵詞：LabVIEW;電動汽車;檢測診斷

Key words： LabVIEW;electric vehicle;detection and diagnosis

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0006-02

0? 引言

傳統的燃油汽車帶來了環境污染以及能源匱乏的問題，催生了電動汽車這個新能源汽車產品的出現和快速發展。在電動汽車的售后市場方面，新的產品也帶來了新的挑戰，目前電動汽車發展的時間相對較短，售后服務人員普遍缺乏相應的專業知識，技術水平有待進一步提高。更重要的是，在電動汽車售后檢測診斷的過程中，缺少先進的檢測儀器和設備。因此，研究電動汽車檢測技術，使其檢測診斷過程向智能化、便捷化的方向發展，通過快速檢測，精準診斷，能夠提高電動汽車售后檢測診斷的工作效率，具有一定的研究意義。

1? 電動汽車核心部件信號分析

電動汽車核心部件主要包含了與驅動相關的動力電池系統（BMS），電機控制系統（MCU），整車控制器（VCU）等，這些系統或部件是電動汽車相對于傳統汽車的主要差異。目前市場上對于這些核心部件的檢測主要運用了基于OBD的診斷儀器，具有一定的智能化優點。但是此類儀器主要針對控制單元的內部數字信號進行分析，導致該儀器具有一定的局限性，包括：在某些特定情況下（控制單元電源故障、內部硬件故障和通信故障等），無法進行檢測診斷;檢測的范圍只能涵蓋所有信號參數的70～80%，無法涵蓋100%的信號參數，比如供電狀態、CAN總線通信狀態等基本參數，無法有效地進行檢測。

本文研究的電動汽車核心部件檢測信號主要針對ECU的原始外部信號參數，即ECU外部低壓連接線束上的所有信號參數。按照控制單元的功能劃分，其主要信號包括以下幾個方面：

1.1 動力電池系統BMS

該部件為電動汽車電源系統的控制ECU，其對外主要搜集相應的整車信息，經過邏輯運算后給出指令，對高壓繼電器進行控制，從而對動力電池組的電能進行管理。其外部低壓連接線束上的信號參數主要包括ECU供電正負極、點火開關輸入信號、CAN總線信號等。

1.2 電機控制系統MCU

該部件為電動汽車驅動電機系統的控制ECU，主要搜集相應的整車信息，同時參考電機的繞組溫度、位置信號對電機進行配電，從而控制電機的轉矩、轉速及轉動方向。其外部低壓連接線束上的信號參數主要包括ECU供電正負極、點火開關輸入信號、CAN總線信號、電機溫度及位置傳感器電源輸出及反饋信號輸入等。

1.3 整車控制器VCU

該控制器的主要作用是搜集駕駛員駕駛動作相關的控制信號及車輛運行狀態信號，經過邏輯運算后，通過CAN總線向BMS及MCU發送整車控制需求，作為BMS對電能管理及MCU對電機控制的重要依據。其外部低壓連接線束上的信號參數主要包括ECU供電正負極、點火開關輸入信號、CAN總線信號、制動開關信號、加速踏板位置傳感器信號、制動主缸壓力傳感器信號、制動真空助力器真空度傳感器信號、換擋桿擋位開關信號及駕駛模式開關位置信號等，同時VCU也對外輸出提供部分傳感器的供電正負極。

通過對以上電動汽車核心部件控制ECU的分析，其外部低壓線束的信號按照相似程度可劃分為四類，即電源供電電壓類、CAN總線信號類、開關信號類、傳感器信號類。

2? 檢測系統總體設計

根據以上分析結果，本檢測系統的總體設計思路為：首先對這些核心部件的主控制單元（BMS/MCU/VCU）外部低壓連接線束進行硬件接入，以獲取線束上的信號參數，并通過LabVIEW設計檢測軟件，在計算機上顯示相應參數，最后按照不同類別信號的特點對照其標準進行分析評價，自動給出信號是否異常的結果，以達到快速定位故障點的目的。

檢測系統總體架構示意如圖1所示。

2.1 檢測硬件

針對指定車型，設計專用檢測板，串聯在ECU線束與待檢測系統ECU（BMS/MCU/VCU）之間，在保持車輛正常運行的情況下將各核心部件信號參數不失真、不缺失地進行測量。檢測硬件面板上預留了檢測口，可使用萬用表、示波器等工具進行手動快捷檢測，同時也設計了數據采集卡連接口，方便將信號通過數據采集電路傳送至計算機上的檢測軟件。

2.2 檢測軟件

本系統中的檢測軟件基于LabVIEW進行開發，其為一種虛擬儀器技術（Virtual instrument）軟件開發環境，可結合計算機實現圖形管理、數據處理和在線幫助等功能，建立友好的人機交互虛擬儀器軟件面板，完成對各類信號參數的分析、處理與顯示，并可實現適合不同應用環境和完全由用戶自己定義的各種功能。其對信號是否異常的評價方法及故障診斷思路如下：

2.2.1 電源供電正負極的評價方法及故障診斷思路

通?？刂茊卧腂+供電可直接采集信號電壓值來進行判斷，一般在12V左右，當電壓值低于10.5V或高于15V時，BMS/MCU/VCU可能無法正常工作，軟件評價標準可參考此范圍進行設置。當該電壓不正常時，可能存在12V蓄電池電量不足，保險絲損壞或接觸不良，B+供電線路損壞或接觸不良等故障點。

控制單元供電負極可采集待測線路對地之間的通斷情況，當顯示斷路時，可能存在負極線路損壞、接地點接觸不良等故障點。

2.2.2 CAN總線信號的評價方法及故障診斷思路

目前電動汽車廣泛采用速率500kBit/s的高速CAN總線，在激活狀態下，CAN-H線信號電壓為2.5～3.5V，CAN-L線信號電壓為1.5～2.5V，可直接采集這兩條線上的平均電壓值作為參考數據。一般工作時CAN-H線信號平均電壓值比2.5V略高，在2.6～2.7V左右;CAN-L線信號平均電壓值比2.5V略低，在2.3～2.4V左右，各車型略有差異，可參考實際情況將這些數值范圍作為軟件的評價標準。當CAN-H或CAN-L線路上的信號平均電壓值不正常時，可能存在CAN總線通信故障。進一步分析故障點，如果兩條線路上任一信號平均電壓值接近12V，可能是對應線路與蓄電池正極短路;如果電壓值接近0V時，可能是對應線路與接地短路;如果兩條線路的信號電壓值均接近2.5V，可能是兩條線之間出現了相互短路。

2.2.3 開關信號的評價方法及故障診斷思路

在電動汽車核心部件控制單元中，主要的開關輸入信號包括點火開關、制動開關、擋位開關、駕駛模式開關等。這些開關在位置變化時，通常使相應線路上的信號電壓值在12V與0V之間變換。當駕駛員做出相應的駕駛動作，使開關到達對應位置時，信號電壓值應發生變化，軟件可以以此作為評價標準。當信號電壓不隨之變化時，說明對應的開關、線路存在損壞或者接觸不良等故障點。

2.2.4 傳感器信號的評價方法及故障診斷思路

BMS/MCU/VCU主要的外部傳感器包括有制動主缸壓力、加速踏板位置、真空度、溫度、電機三相位置等傳感器。對于這些傳感器的檢測，可從傳感器供電正負極開始，通常傳感器供電正極線路電壓為5V左右，負極線路對地之間導通，這兩者可參考ECU供電正負極的檢測及故障診斷方法。當這兩個條件正常時，傳感器反饋信號電壓范圍一般在0.5～4.5V之間，軟件可按照此范圍作為參考評價標準，如反饋信號電壓不正常，則檢查傳感器及對應線路是否存在損壞。

當BMS/MCU/VCU所有外部低壓線束信號均正常的情況下，則控制單元本身可能存在損壞。

3? 結語

通過硬件和軟件的設計，構建形成電動汽車多參數自動檢測系統，可實現電動汽車核心部件的檢測診斷。首先，系統自動檢測并顯示出這些部件連接線束上的全部參數，包含電源參數（ECU供電正負極）、輸入信號參數（開關及傳感器信號參數）、總線信號參數（CAN-H及CAN-L總線信號參數）以及輸出信號參數（傳感器供電正負極）。其次，系統將檢測到的參數與預先設定的標準參數范圍進行對比分析，對這些信號參數進行自動分析和判斷，顯示參數是否正常，以達到縮小排查范圍，定位故障點的效果。

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