UDS診斷協(xié)議在純電動汽車電機(jī)控制器中的應(yīng)用

0   引言

目前，“中國制造2025”將汽車產(chǎn)業(yè)作為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的十大重要產(chǎn)業(yè)之一，新能源汽車成為了重點(diǎn)的發(fā)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(yōu)點(diǎn)成為了汽車產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。電機(jī)控制器是控制電機(jī)驅(qū)動整車行駛的控制單元，屬于電動汽車核心零部件。電機(jī)控制器具有CAN通信功能、過流保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、能量回饋、限功率、高壓互鎖、故障診斷^[1] 等功能。電機(jī)控制器的故障診斷功能使用了車載UDS^[2]（unified diagnostic service）診斷系統(tǒng)。UDS 是基于OSI 參考模型設(shè)計(jì)的，它只定義診斷服務(wù)[3]，可以有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的各項(xiàng)故障診斷功能需求。UDS 診斷協(xié)議通過診斷服務(wù)^[4] 不僅可以讀取電機(jī)控制器中的動態(tài)數(shù)據(jù)流、電機(jī)控制器的各項(xiàng)配置信息，還可以讀取控制器當(dāng)前所存儲的故障碼，方便專業(yè)人員的維修工作。

UDS 診斷協(xié)議^[5] 可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的刷新。正是由于這些優(yōu)勢，ISO 14229 道路車輛統(tǒng)一診斷服務(wù)（UDS）廣泛應(yīng)用于純電動汽車的電機(jī)控制器。

1   UDS診斷協(xié)議的服務(wù)介紹

UDS 診斷協(xié)議主要包括以下功能：診斷和通信管理功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、存儲數(shù)據(jù)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)故障分類與等級劃分

2.1 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)故障分類

本文針對系統(tǒng)中導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)故障、影響整車正常運(yùn)行的元件或部件故障進(jìn)行研究。包括：由于電流應(yīng)力、溫度應(yīng)力、振動、電沖擊、疲勞、磨損、粉塵等原因，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)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(yù)充電電阻斷路等；由于高溫、潮濕、漏油、漏液、老化的因素導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)退化型故障：定子繞組絕緣不良、永磁體退磁等；由于電機(jī)系統(tǒng)控制不當(dāng)、機(jī)械間隙調(diào)整不當(dāng)導(dǎo)致高壓供電過壓/ 欠壓、低壓供電過壓/ 欠壓、電機(jī)控制器過流/ 過載、轉(zhuǎn)子偏心、電機(jī)/ 電機(jī)控制器過溫故障等；由于電機(jī)系統(tǒng)控制不當(dāng)、設(shè)計(jì)參數(shù)不合理、散熱系統(tǒng)等原因?qū)е买?qū)動扭矩不足、電機(jī)/ 電機(jī)控制器過熱等故障。

2.2 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)故障等級的劃分

本文根據(jù)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)故障模式、故障的嚴(yán)重程度和對系統(tǒng)造成的影響等因素對電驅(qū)動系統(tǒng)的故障等級進(jìn)行劃分。當(dāng)出現(xiàn)I 級故障時(shí)，此類故障對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)不會產(chǎn)生較大的影響，電機(jī)控制器會根據(jù)故障的嚴(yán)重程度來進(jìn)行降功率操作，同時(shí)上報(bào)最大使用扭矩；當(dāng)I 級故障消失時(shí)，電機(jī)控制器會令電驅(qū)系統(tǒng)達(dá)到滿功率輸出狀態(tài)，同時(shí)對應(yīng)的故障碼會立刻消失。I 級故障包括電機(jī)過溫故障、控制器(IGBT) 過溫故障、電機(jī)超速故障、相電流過載報(bào)警、母線電壓欠壓故障、DCDC 故障、電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障、電機(jī)溫度報(bào)警、控制器( IGBT) 溫度報(bào)警、電機(jī)溫度傳感器故障、IGBT 溫度傳感器故障等。

當(dāng)出現(xiàn)II 級故障時(shí)，此類故障對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)會產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害，電機(jī)控制器會令電驅(qū)系統(tǒng)限制功率，同時(shí)限制正常的動力輸出，將會對嚴(yán)重影響整車的性能，電機(jī)控制器自動關(guān)閉PWM 輸出，停止功率輸出；II 級故障不會自動回復(fù)，需要通過專業(yè)診斷設(shè)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(dāng)出現(xiàn)Ⅲ級故障時(shí)，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)極具危險(xiǎn)性，此時(shí)整車的安全性會受到嚴(yán)重影響，電機(jī)控制器會發(fā)送斷高壓指令，并且此類故障不能清除，需要專業(yè)人員檢查維修后才可修復(fù)此故障。Ⅲ級故障包括母線電流過流故障。

3   UDS診斷協(xié)議在電機(jī)控制器中的應(yīng)用

本文利用UDS 診斷協(xié)議對電機(jī)控制器進(jìn)行控制或獲取電機(jī)控制器中的信息。通過22 服務(wù)讀取電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)流信息，包括電機(jī)的硬件版本號、軟件版本號、電機(jī)序列號、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息；通過2E 服務(wù)向電機(jī)控制器寫入數(shù)據(jù)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(wù)讀取電機(jī)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(yīng)著故障碼信息；通過11 服務(wù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的復(fù)位功能；通過請求上傳服務(wù)（0×34）、請求下載服務(wù)（0×35）、傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)（0×36）、請求停止數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（0×37）實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的在線刷新功能，通過外部設(shè)備診斷接口直接對ECU 進(jìn)行軟件更新。

4   實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)電機(jī)控制器診斷規(guī)范，本人利用C# 軟件開發(fā)上位機(jī)進(jìn)行測試，測試上位機(jī)如圖1 所示。使用19 服務(wù)讀取電機(jī)控制器的故障信息并通過上位機(jī)腳本將故障信息顯示出來，如圖2 所示。以11 服務(wù)為例根據(jù)數(shù)據(jù)流生成測試報(bào)告，以驗(yàn)證UDS 診斷協(xié)議的準(zhǔn)確性，11 服務(wù)上位機(jī)功能如圖3 所示，生成的測試報(bào)告如表4所示。

通過19 服務(wù)可以讀取電機(jī)控制器的故障信息，便于整車開發(fā)人員調(diào)試和專業(yè)技術(shù)人員維修。以11 服務(wù)為例通過獲取的數(shù)據(jù)流同時(shí)參考診斷協(xié)議，11 服務(wù)完全滿足診斷協(xié)議要求。測試實(shí)驗(yàn)表明，UDS 診斷協(xié)議可以有效地應(yīng)用于電機(jī)控制器診斷功能的開發(fā)，具有診斷功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，以及有廣泛的市場應(yīng)用前景。

5   結(jié)語

本文介紹了UDS 診斷協(xié)議在電機(jī)控制器中的具體應(yīng)用場景及功能使用情況，通過開發(fā)的上位機(jī)進(jìn)行臺架測試。實(shí)驗(yàn)表明，UDS 診斷協(xié)議可以有效地應(yīng)用于電機(jī)控制器的診斷功能的開發(fā)，其具有診斷功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，以及廣泛的市場應(yīng)用前景。根據(jù)UDS診斷協(xié)議對于電機(jī)控制器診斷功能的開發(fā)是后期研究的重點(diǎn)。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）