BSG启停系统失效模式影响及诊断策略分析

左从兵，裴 蕾，孙四军Zuo Congbing，Pei Lei，Sun Sijun



BSG启停系统失效模式影响及诊断策略分析

左从兵1，裴 蕾2，孙四军3Zuo Congbing1，Pei Lei2，Sun Sijun3

（1. 贵州长江汽车有限公司 汽车工程研究院，贵州 贵阳 550081；2. 北京宝沃汽车有限公司 汽车工程研究院，北京 102206；3. 北京长城华冠汽车研发有限公司 汽车工程研究院，北京 101300）

分析BSG（Belt Starter Generator，皮带式启动发电机）启停系统的失效模式影响及诊断策略，从系统、部件、器件逐级分析了非预期发动机重启和发动机重启失败两种潜在失效模式下的故障原因及其诊断策略，设计了HCU（Hybrid Control Unit，混合动力整车控制器）OBD（On-Board Diagnostics，在线诊断模块），通过HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在环）测试，验证了HCU在线诊断功能。

BSG启停系统；FMEDA；在线诊断；硬件在环测试

0 引 言

BSG（Belt Starter Generator，皮带式启动发电机）是双轴并联弱混合动力系统，发动机与电机之间采用皮带传动方式，以发动机为整车的动力源，电机系统用于实现发动机快速启动和发电功能，在正常行驶时，BSG电机和常规汽车发电机一样给蓄电池充电，当汽车停止时，发动机关闭，消除发动机怠速状态；再启动时，BSG电机快速带动发动机到怠速转速，发动机点火启动。

目标车辆选用自动挡、1.8T汽油发动机，电机选用无刷交流电机，电池为12V铅酸电池。HCU（Hybrid Control Unit，混合动力整车控制器）是整车系统的大脑，根据发动机以及整车混合动力系统的工作状态和故障状态，决定混合动力控制策略，包括发动机自动启停策略、电机工作模式策略、电池充放电策略等，EMS（Engine Management System，发动机管理系统）相对于常规汽车增加了发动机自动启停相关的功能性故障诊断，并将诊断信息通过CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）传送给HCU。

1 BSG启停系统失效模式分析

BSG启停系统部件包括：HCU、EMS、发动机、铅酸电池、BSG电机，其中器件包括：离合器、空挡信号、钥匙信号、加速踏板、母线电流（DC-Link）传感器、电池电压测量、电池温度传感器、转子位置信号、逆变器、逆变器基板温度传感器等。BSG启停系统的两种潜在失效后果为发动机非预期启动和发动机启动失败，按照逐级分解的方法，依据《道路车辆功能安全标准》[1]，开展器件、部件、系统3个层级FMEDA（Failure Modes Effect and Diagnosis Analysis，失效模式和诊断策略分析）；其中，上一级的潜在失效后果是下一级的失效模式，上一级的失效模式是下一级的失效原因，具体分析见表1、表2。

2 HCU在线诊断模块设计

通过FMEDA分析中的发现措施和防范措施，设计开发HCU的OBD模块，包括BSG启停系统故障诊断、电池状态故障诊断、电机驱动故障诊断，分别用来诊断BSG启停系统、电池、电机及其传感器、执行器的故障状态。

2.1 启停系统故障诊断设计

发动机首次点火启动时，HCU测试启停系统快速启动发动机功能，如果启动失败，EMS通知HCU禁止请求发动机自动启停，改用常规启动电机启动发动机；反之，只有启动成功，发动机才能执行车辆运行过程的自动启停功能；车辆运行过程中，如果EMS诊断出发动机有自动启停的功能性故障发生，也将通知HCU禁止请求发动机自动启停。

表1 发动机非预期启动情形的FMEDA

表2 发动机启动失败情形的FMEDA

HCU启停控制策略主要考虑整车加速踏板位置、空挡开关、钥匙开关等输入状态，以及电池性能状态和电机故障状态，启停系统故障诊断负责诊断驾驶员动作状态及状态信号可靠性。钥匙开关主要诊断线路连接的故障状态；空挡开关两路冗余信号分别供给HCU和EMS，HCU把采样的信号通过CAN通信发给EMS，EMS把收到的信号和自身采样信号进行比较，这种交叉检测的诊断方式可以避免过渡状态的误诊断；加速踏板位置两路冗余信号由HCU负责校验；另外，HCU控制策略需要HCU和EMS、ABS（Antilock Brake System，制动防抱死系统）、ISU（Intelligent Switch Unit，智能控制开关单元）之间的数据通信，HCU对CAN通信的故障诊断是控制策略的重要内容。如果HCU诊断出上述部件或CAN通信故障，会通过OBD的失效模式管理单元禁止HCU的发动机自动启停功能请求，启停系统故障诊断架构设计如图1所示。

注：DEM（Diagnosis Effect Management，诊断事件管理）

图1 启停系统故障诊断架构设计

2.2 电池状态故障诊断设计

电池状态故障诊断用于估算电池SOC、SOH、电池内阻等，SOC值过低影响HCU的自动启停功能，SOH和电池内阻反映电池的老化状态，SOH值过低，HCU会通过仪表发出更换电池请求，并存储电池老化故障信息。电池状态故障诊断架构设计如图2所示。

图2 电池状态故障诊断架构设计

根据SOC、SOH、电池内阻的算法要求，该电池状态故障诊断需要测量或计算电池充/放电电流、电池充/放电电压、电池温度和电池内阻等参数，以及电池的复位检测等，并负责诊断相关传感器故障，判断信号测量值的合理性。为了实现对电池充放电电流值的精确测量，选用双量程的电流传感器，根据电流值的范围选用精确量程的测量值，还可以对双量程的测量值进行交叉比较，如果二者的测量值误差超过合理的范围，判断电流传感器故障；对电池电压过高状态进行诊断，防止电机对电池的过充；更换的电池首次上电，HCU需要进行电池复位检测，重新计算电池状态参数。

2.3 电机驱动故障诊断设计

BSG电机共有3种工作模式：速度模式、发电模式和空闲模式，发动机自动重启时电机工作在速度模式下，电机拖动发动机达到喷油点火转速以启动发动机，然后电机进入空闲模式，空闲模式是速度模式和发电模式的过渡模式，在发电模式下电机充当汽车交流发电机给蓄电池充电，发电时有两种整流方式，即主动整流和被动整流。

电机驱动故障诊断的输入参数包括各种模拟信号、硬件保护信号和指令模式请求等，根据这些输入参数由具体的故障模型进行故障诊断。转子位置信号是电机控制的重要参数，依据转子位置传感器测量的转子位置和发电时相电压的对应关系原理来诊断转子位置传感器安装位置是否正常或传感器本身是否可以正常工作；根据发动机速度及电机转子速度差，诊断电机皮带是否打滑；对电机直流母线电压及电池电压进行比较，诊断电机直流母线连接是否断开或为高阻状态；对励磁绕组正极/负极电路的短路/断路故障诊断，对逆变器基板温度的测量，诊断逆变器是否正常工作等。电机驱动故障诊断架构设计如图3所示。

图3 电机驱动故障诊断架构设计

电机驱动故障诊断的结果影响发电模式时的整流方式和逆变器的门驱动控制，当电机相关的器件有故障发生时，HCU对逆变器门驱动PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）波关断，电机不能启动发动机；在电机的主动整流发电模式下，当有转子相位关系异常故障发生或逆变器基板温度过高时，电机发电将转入被动整流模式。

2.4 诊断事件管理功能设计

HCU在线诊断模块实时诊断瞬时故障，诊断事件管理参照UDS[2]（Unified Diagnostic Services，统一诊断服务）标准设计了专门的DEM模块来完成。DEM定义瞬时故障状态位、瞬时故障记数器、瞬时故障最大阈值、确认故障状态位、确认故障记数器、确认故障最大阈值、警告灯标志位等参数。OBD实时诊断每个故障状态，若某个瞬时故障发生，则该故障的瞬时故障记数器按标定的递增步长增加一次，当该故障的瞬时故障记数器累加到其最大阈值时，该故障的确认故障状态位置位；若某个瞬时故障没发生，则该故障的瞬时故障记数器按标定的递减步长减少一次，直至为零。在每个驾驶周期内，如果某个确认故障状态位被置位，确认故障记数器就按标定的递增步长增加一次，当该故障的确认故障记数器递增到其最大阈值时，点亮故障警告灯，及时通知驾驶员去维修站排除故障。确认故障状态置位时，需要存储故障信息及冻结帧数据，供维修时用诊断工具按照标准ISO 15765 CAN诊断通信协议读出故障信息，及时排查故障。

3 HCU在线诊断功能测试和实车验证

HIL是HCU系统集成阶段的测试环节，利用LabCar实时控制仿真平台作为硬件载体，运行整车环境模型，而HCU运行整车控制模型，二者形成控制上的闭环，同时利用标定工具观测和标定参数。

HIL系统模拟故障的方法有两种：一是通过修改控制面板上的参数值模拟整车环境故障；二是利用故障注入单元注入整车环境故障。发动机启动失败的失效模式可以通过模拟电池系统、电机系统故障逐一验证，例如修改控制面板上电池温度值模拟电池过温故障，当DEM模块故障累计确认后，HCU记录故障信息，BSG系统的发动机启动功能被禁止；对于发动机非预期启动失效模式，通过控制面板模拟与实际信号不一致的挡位、加速踏板信号，并满足发动机启动条件，验证发动机非预期启动。

4 总 结

BSG启停系统的失效模式及诊断策略分析，涉及发动机、电池、电机、整车挡位开关和加速踏板等复杂油电系统，诊断策略要求高，通过FMEDA自下而上归纳分析法，分析了BSG系统的失效风险和子系统的可诊断性，并在HIL台架和实车上通过了测试验证。FMEDA作为功能安全的重要开发内容，今后可以进行深入研究，采用定量分析部件及器件的失效概率，为功能安全的ASIL（Automotive Safety Integration Level，安全完整性等级）计算提供有效数据支撑。

[1]道路车辆功能安全标准:ISO 26262—2016[S].

[2]道路车辆统一诊断标准:ISO 14229—2013[S].

2019-03-13

U469.79

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.03.010

1002-4581（2019）03-0036-04