UDS診斷協(xié)議在純電動汽車電機控制器中的應用

0   引言

目前，“中國制造2025”將汽車產(chǎn)業(yè)作為中國經(jīng)濟發(fā)展的十大重要產(chǎn)業(yè)之一，新能源汽車成為了重點的發(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)點成為了汽車產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)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(tǒng)。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(xiàn)電機控制器的各項故障診斷功能需求。UDS 診斷協(xié)議通過診斷服務^[4] 不僅可以讀取電機控制器中的動態(tài)數(shù)據(jù)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(yè)人員的維修工作。

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

1   UDS診斷協(xié)議的服務介紹

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   電機驅動系統(tǒng)故障分類與等級劃分

2.1 電機驅動系統(tǒng)故障分類

本文針對系統(tǒng)中導致電機驅動系統(tǒng)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(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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)控制不當、設計參數(shù)不合理、散熱系統(tǒng)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(tǒng)故障等級的劃分

本文根據(jù)電機驅動系統(tǒng)故障模式、故障的嚴重程度和對系統(tǒng)造成的影響等因素對電驅動系統(tǒng)的故障等級進行劃分。當出現(xiàn)I 級故障時，此類故障對電機驅動系統(tǒng)不會產(chǎn)生較大的影響，電機控制器會根據(jù)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(tǒng)達到滿功率輸出狀態(tài)，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(xiàn)II 級故障時，此類故障對電機驅動系統(tǒng)會產(chǎn)生嚴重損害，電機控制器會令電驅系統(tǒng)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(yè)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(xiàn)Ⅲ級故障時，電機驅動系統(tǒng)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(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)議在電機控制器中的應用

本文利用UDS 診斷協(xié)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(shù)據(jù)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(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(xiàn)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(shù)據(jù)服務（0×36）、請求停止數(shù)據(jù)傳輸服務（0×37）實現(xiàn)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(jù)電機控制器診斷規(guī)范，本人利用C# 軟件開發(fā)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(jù)數(shù)據(jù)流生成測試報告，以驗證UDS 診斷協(xié)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(fā)人員調試和專業(yè)技術人員維修。以11 服務為例通過獲取的數(shù)據(jù)流同時參考診斷協(xié)議，11 服務完全滿足診斷協(xié)議要求。測試實驗表明，UDS 診斷協(xié)議可以有效地應用于電機控制器診斷功能的開發(fā)，具有診斷功能完善、運行穩(wěn)定的優(yōu)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(xié)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(fā)的上位機進行臺架測試。實驗表明，UDS 診斷協(xié)議可以有效地應用于電機控制器的診斷功能的開發(fā)，其具有診斷功能完善、運行穩(wěn)定的優(yōu)點，以及廣泛的市場應用前景。根據(jù)UDS診斷協(xié)議對于電機控制器診斷功能的開發(fā)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(tǒng)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(wǎng)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)的設計與實現(xiàn)[J].電子測量技術,2016,39(8):32-36.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）