UDS診斷協(xié)議在純電動(dòng)汽車(chē)電機控制器中的應用

0   引言

目前，“中國制造2025”將汽車(chē)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(chē)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(dòng)汽車(chē)由于其能量利用率高、零排放的優(yōu)點(diǎn)成為了汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。電機控制器是控制電機驅動(dòng)整車(chē)行駛的控制單元，屬于電動(dòng)汽車(chē)核心零部件。電機控制器具有CAN通信功能、過(guò)流保護、過(guò)載保護、欠壓保護、過(guò)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(chē)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(wù)[3]，可以有效實(shí)現電機控制器的各項故障診斷功能需求。UDS 診斷協(xié)議通過(guò)診斷服務(wù)^[4] 不僅可以讀取電機控制器中的動(dòng)態(tài)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(zhuān)業(yè)人員的維修工作。

UDS 診斷協(xié)議^[5] 可以實(shí)現電機控制器的刷新。正是由于這些優(yōu)勢，ISO 14229 道路車(chē)輛統一診斷服務(wù)（UDS）廣泛應用于純電動(dòng)汽車(chē)的電機控制器。

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(dòng)系統故障分類(lèi)與等級劃分

2.1 電機驅動(dòng)系統故障分類(lèi)

本文針對系統中導致電機驅動(dòng)系統故障、影響整車(chē)正常運行的元件或部件故障進(jìn)行研究。包括：由于電流應力、溫度應力、振動(dòng)、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(xiàn)電容斷路、直流母線(xiàn)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(guò)壓/ 欠壓、低壓供電過(guò)壓/ 欠壓、電機控制器過(guò)流/ 過(guò)載、轉子偏心、電機/ 電機控制器過(guò)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(dòng)扭矩不足、電機/ 電機控制器過(guò)熱等故障。

2.2 電機驅動(dòng)系統故障等級的劃分

本文根據電機驅動(dòng)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(dòng)系統的故障等級進(jìn)行劃分。當出現I 級故障時(shí)，此類(lèi)故障對電機驅動(dòng)系統不會(huì )產(chǎn)生較大的影響，電機控制器會(huì )根據故障的嚴重程度來(lái)進(jìn)行降功率操作，同時(shí)上報最大使用扭矩；當I 級故障消失時(shí)，電機控制器會(huì )令電驅系統達到滿(mǎn)功率輸出狀態(tài)，同時(shí)對應的故障碼會(huì )立刻消失。I 級故障包括電機過(guò)溫故障、控制器(IGBT) 過(guò)溫故障、電機超速故障、相電流過(guò)載報警、母線(xiàn)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(shí)，此類(lèi)故障對電機驅動(dòng)系統會(huì )產(chǎn)生嚴重損害，電機控制器會(huì )令電驅系統限制功率，同時(shí)限制正常的動(dòng)力輸出，將會(huì )對嚴重影響整車(chē)的性能，電機控制器自動(dòng)關(guān)閉PWM 輸出，停止功率輸出；II 級故障不會(huì )自動(dòng)回復，需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)診斷設備將此類(lèi)故障清除。II 級故障主要包括模塊故障、相電流過(guò)流故障、母線(xiàn)電壓過(guò)壓故障、CAN 通信故障、旋變傳感器故障、母線(xiàn)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(xiàn)電壓傳感器故障等。當出現Ⅲ級故障時(shí)，電機驅動(dòng)系統極具危險性，此時(shí)整車(chē)的安全性會(huì )受到嚴重影響，電機控制器會(huì )發(fā)送斷高壓指令，并且此類(lèi)故障不能清除，需要專(zhuān)業(yè)人員檢查維修后才可修復此故障。Ⅲ級故障包括母線(xiàn)電流過(guò)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(jìn)行控制或獲取電機控制器中的信息。通過(guò)22 服務(wù)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(guò)2E 服務(wù)向電機控制器寫(xiě)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(guò)19 服務(wù)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(zhù)故障碼信息；通過(guò)11 服務(wù)實(shí)現電機控制器的復位功能；通過(guò)請求上傳服務(wù)（0×34）、請求下載服務(wù)（0×35）、傳輸數據服務(wù)（0×36）、請求停止數據傳輸服務(wù)（0×37）實(shí)現電機控制器的在線(xiàn)刷新功能，通過(guò)外部設備診斷接口直接對ECU 進(jìn)行軟件更新。

4   實(shí)驗測試

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

通過(guò)19 服務(wù)可以讀取電機控制器的故障信息，便于整車(chē)開(kāi)發(fā)人員調試和專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員維修。以11 服務(wù)為例通過(guò)獲取的數據流同時(shí)參考診斷協(xié)議，11 服務(wù)完全滿(mǎn)足診斷協(xié)議要求。測試實(shí)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(kāi)發(fā)，具有診斷功能完善、運行穩定的優(yōu)點(diǎn)，以及有廣泛的市場(chǎng)應用前景。

5   結語(yǔ)

本文介紹了UDS 診斷協(xié)議在電機控制器中的具體應用場(chǎng)景及功能使用情況，通過(guò)開(kāi)發(fā)的上位機進(jìn)行臺架測試。實(shí)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(kāi)發(fā)，其具有診斷功能完善、運行穩定的優(yōu)點(diǎn)，以及廣泛的市場(chǎng)應用前景。根據UDS診斷協(xié)議對于電機控制器診斷功能的開(kāi)發(fā)是后期研究的重點(diǎn)。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）