基于控制系統的汽車電器故障診斷方法研究

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0147-03

Research on Fault Diagnosis Method of Automotive Electrical Appliances Based on Control

ZhangJiefei，WangChen （School of Automotive Engineering，Henan Vocational and Technical College of Transportation，Zhengzhou 45Oooo，China）

【Abstract】With the evolutionof automotive electrical architecture towards centralization，traditional fault diagnosis methodshavebeen dificult to meet therequirements ofcomplex fault scenarios.Thisarticleconductsanin-depth study ontheautomotiveelectrical fault diagnosis technology basedonthecontrol system.Firstly，itanalyzestheprinciple structureoftheautomotiveelectricalcontrolsystemandexploresitsuniqueadvantages infaultdiagnosisandthespecific application of thecontrol algorithm.Furthermore，a hierarchical hardwarearchitectureandamulti-dimensionaldata acquisitionsystemare designed，and signal procesing，feature extractionand decisionreasoning algorithmsare integrated toprovidethecodeof thefaultdetectionalgorithm.Bybuildinganexperimental platform tosimulatevarious faultconditionsfortesting，theresultsshowthattheoptimizedsystemhassignificantlyimprovedkeyindicatorssuchas open-circuit recognition rateand short-circuit response time.The average diagnostic delay is shortened by 42.3% ，power consumption is reduced by 31.6% ，and the diagnostic coverage rate reaches 95.1% .The research results provide a new path for fault diagnosis of automotiveelectronic systems and have important reference significance for the developmentof multi-domain fusion diagnosis systems for new energy vehicles.

【KeyWords】 control system；domain controller；fault diagnosis；centralization of electrical architecture

0 引言

汽車電氣架構集中化變革重構故障診斷技術。域控制器主導架構中，電力分配與信號傳輸耦合加強，傳統閾值法難識多重故障。線控系統致電氣與機械故障聯鎖，診斷需解決時空雙重問題。控制系統觀測器機制借狀態空間模型動態基準，可對電氣參數異常機理溯源，為診斷領域提供參考。

1控制系統在汽車電器故障診斷中的應用

1.1控制系統的基本原理與結構

控制系統是基于反饋調節的閉環動態系統，核心由信息采集、中央處理和執行機構構成閉環鏈路。傳感器監測電氣參數，經模數轉換后處理，中央處理單元采用比例積分微分（ProportionalIntegralDerivative，PID）控制算法補償系統偏差，輸出信號經功率放大調節電氣負載1]。

系統采用硬軟解耦的層次化設計，嵌入式系統保障毫秒級調度。借助控制器局域網CAN協議實現節點通信，其自監測機制通過對比設定與反饋值偏差識別異常，為故障診斷筑牢硬件根基。

1.2控制系統在電器故障診斷中的優勢

控制系統用于汽車電器故障診斷優勢顯著，核心是建立動態實時監測基準。相比易受工況干擾的傳統靜態閾值診斷法，控制理論的狀態觀測能微分分析電氣參數瞬變，嵌入式處理器還可自適應調整檢測閾值2。閉環控制雙向信息流助力故障溯源，通過解析執行偏差定位失效點；數字孿生技術以虛擬傳感器重構信號，強化診斷能力。同時，控制系統的時序管理可規避間歇性故障漏檢，在復雜電磁環境中，其狀態觀測器還能過濾噪聲，提升診斷可信度。

1.3控制算法在電器故障診斷中的應用

先進控制算法從狀態重構與參數辨識兩大維度，為汽車電器故障診斷提供多維分析手段。自適應滑模觀測器構建非線性方程生成理想電氣參數軌跡，以測量值與估計值殘差為診斷核心；基于李雅普諾夫穩定性的算法可在線更新模型參數，確保元件老化時診斷有效。

模糊邏輯控制器針對難以精確建模的故障，依專家規則庫對短路阻抗漸變進行模糊推理；模型預測控制（ModelPredictiveControl，MPC）框架下的殘差發生器，能通過殘差信號關聯分析隔離傳感器與執行器故障3。深度學習與控制理論融合的強化學習策略，優化制動能量回收系統電壓紋波診斷邊界。重要安全部件采用雙重閉環設計，主控制器負責功能調節，副控制器專司故障仲裁，借硬件冗余滿足等級D（Automotive Safety Integrity Level-D，ASIL-D）級功能安全標準。

2汽車電器故障診斷系統的設計與實現

2.1系統硬件架構設計

汽車電器故障診斷系統采用分層式硬件架構，以域控制器為核心構建分布式監測網絡。傳感層部署高精度電壓電流檢測模塊與寬溫域溫度傳感器，實現狀態參數實時采集；傳輸層集成高速總線接口，保障跨系統診斷信息交互；處理層利用異構計算架構，確保故障分析實時處理4。架構采用多重冗余設計與優化電磁屏蔽，保障關鍵信號穩定采集，滿足嚴苛車載環境需求。系統硬件架構設計見表1。

硬件設計通過優化電源管理和布局，提升系統穩定性。冗余電源實現毫秒級切換供電，多層電路抑制電磁干擾，異構計算加速故障特征識別。整套系統符合汽車電子功能安全與可靠性標準，為故障診斷筑牢硬件基礎。

2.2 故障檢測與數據采集系統設計

故障檢測系統建立多維度數據采集機制，通過同步獲取電氣參數與環境參數構建完整的故障特征空間。故障檢測與數據采集系統設計見表2。

故障檢測系統構建起涵蓋電氣特性、環境狀態、機械動態與通信數據的全方位監測體系，借助4類專業模塊協同采集數據。電氣監測單元融合寬量程高精度電流監測與高分辨率電壓采集，符合電氣與通信標準；環境監測模塊快速采集溫度，遵循環境試驗規范；機械動態檢測利用寬頻帶振動傳感器捕捉振動特征，滿足可靠性要求；通信接口設置大容量緩存通道，適配主流診斷協議。各模塊通過硬件時間戳同步，構建時空關聯數據模型，形成多維度故障特征空間，為診斷算法提供完整數據支撐。

2.3控制系統算法的實現

故障檢測算法代碼結構呈現了3層級聯式數據處理架構：第1層實現傳感器信號降噪，第2層提取電氣系統的動態特征量，第3層通過模糊邏輯完成故障狀態推理與標準診斷代碼輸出，如圖1所示。該代碼模板可直接部署至車載電子控制單元ECU實現實時在線診斷。

控制算法融合信號處理、特征提取與決策推理3大模塊，采用自適應濾波技術提升信號可靠性，動態特征提取機制捕捉關鍵狀態變化，基于預設規則的模糊推理實現多維度故障模式識別。算法架構具備高效的數據處理流程和可靠的狀態判斷邏輯，支持實時診斷需求并兼容標準車載診斷協議。

3基于控制系統的汽車電器故障診斷試驗

3.1試驗平臺的搭建與測試設計

試驗平臺集成車身控制、動力系統與關鍵傳感器，以專用臺架模擬整車電氣環境。通過可編程負載復現開路、短路等常見故障工況，構建仿真矩陣。診斷系統與車輛總線深度集成，經標準接口實現數據交互，確保測試符合行業標準。測試按漸近原則，從單體到整車逐級驗證，覆蓋診斷全鏈路。

3.2故障診斷效果與精度評估

通過系統化測試驗證診斷性能，試驗平臺模擬7大類典型故障工況開展多維度評估。測試嚴格執行電壓波動 ±15% 、溫度循環 -40～125^°C 等邊界條件，經 500h 持續壓力測試獲取量化數據。故障診斷核心指標優化結果如表3所示。核心指標優化顯著：開路識別率達 98.7% （提升 9.3% ），短路響應時間縮短至 17ms （降幅 39.3% ），信號漂移誤報率降至 1.2% ，多故障并發識別率提升 24.8% ，極端溫度診斷成功率超 93% ，系統可靠性大幅提升。

3.3試驗結果分析與討論

系統性能綜合優化分析見表4。試驗分析確認優化方案達成3大技術突破：診斷延遲縮短至 15ms 級，較基準值提升 42.3% 顯著超越行業平均水平；在保持診斷精度的前提下，功耗降低 31.6% 滿足新能源汽車能效要求；系統抗振容限提升至 8g ，突破傳統車規級電子系統5g的上限。診斷覆蓋率提升至95.1% 的業界領先水平，內存資源占用壓縮 35.3% 支持嵌人式平臺部署。這些優化成果驗證了技術路線的工程可行性，為產業化應用奠定數據基礎。

4結論

本研究系統論證了基于控制系統的汽車電器故障診斷技術路線在提升綜合診斷效能方面的核心價值。通過創新性融合分層架構設計與智能決策算法，成功構建具備高魯棒性的整車故障診斷體系。試驗驗證表明，該方案在故障識別廣度與深度層面實現顯著突破，特別是對復雜工況的適應能力及實時響應性能達到行業前沿水平。在技術實施層面，優化的硬件架構與算法協同機制有效降低系統誤判率，同時保障了在嚴苛環境應力下的診斷穩定性。研究成果為解決汽車電子系統故障早期預警與精準定位提供了可行路徑，其架構設計范式對新能源汽車多域融合診斷系統的開發具有方法論參考價值。

注：本文為河南省高等學校重點科研項目計劃《面向真實交通場景智能網聯汽車虛擬仿真系統關鍵技術研究》（項目編號：23B580006）的研究成果。

參考文獻

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（編輯林子衿）