某型纯电动车ECU 故障诊断控制策略的研究

陈龙

（汉阳专用汽车研究所，湖北 武汉430050）

1 前言

纯电动汽车的大脑即整车控制单元（Electronic Control Unit，ECU）通过CAN 信号与BMS、TCU、DCDC 等电器元件通讯，接收和发出各种指令，控制汽车。随着新能源汽车的到来，CAN 总线网络更加复杂、智能。当前市场上的整车控制器功能强大，但故障诊断功能仍然不够完善，有待提高。本文旨在制订更加完善的故障诊断控制策略。

2 故障机理分析

2.1 ECU 结构

ECU 是实现整车控制决策的核心电子控制单元，ECU通过采集执行器如加速踏板、变速器挡位、制动踏板等信号来判断司机的驾驶行为，ECU 判断计算处理后，向相应系统如BMS 和电机控制器等发送车辆的下一步运行控制指令。另外，ECU 还具有整车系统故障诊断保护与存储功能、制动能量的优化控制及能量管理、CAN 网络的维护和管理、车辆状态监视等[1]。

2.2 ECU 故障机理分析

对于纯电动汽车，ECU 自检的故障一般归纳为两种——常见的传感器、执行器以及电路等故障为一种，另一种是CAN 通讯，总结原因如下：①波特率不匹配或者节点没有初始化，导致没有报文接发送。②总线线缆短路、断路、接反，例如高低速CAN 总线接反，导致不匹配[2]。如果ECU在规定时间周期内未检测到MCU 或BMS 的反馈信号，若不采取处理措施，进一步会导致发生电机过载或电池过充过放等故障，因此，ECU 必须时刻监测CAN 信号并做出快速反应。

3 故障诊断控制策略

3.1 故障等级的定义

当故障发生时，ECU 通过自身检测和CAN 信号收集其他控制器发送的故障报文信息，并同时针对汽车当前的状态，做出正确响应和反馈。按照ISO 15765《车载诊断标准》、QC/T 893—2011《电动汽车用驱动电机系统故障诊断分类及判断》和QC/T 897—2011《电动汽车用电池管理系统技术条件》标准对纯电动车故障定义和要求以及拓展项目，结合实验车的实际技术要求，本文划分整车故障为4 个等级，ECU把收集的故障信息依据故障严重程度和等级进行优先级控制和处理。

故障等级的具体定义如表1 所示。

表1 故障等级定义表

结合上述标准，每个子系统进行可诊断项目拓展，以便制订完善的故障诊断策略。每个子系统根据故障特性及类型又会划分为不同的故障等级。由于分类较多，不一一列举。TCU 详细的故障等级划分情况如表2 所示。

3.2 故障容错处理准则

整车的各个系统，比如电机或电池产生故障时，ECU为了保持汽车正常的运行状态，必须能做出快速、及时的响应。因此，本文把故障处理总结为以下2 种[3]。

3.2.1 参数缺失容错处理

例如，某电压值瞬间缺失，ECU 会自动获取最后测得的历史变量值作为替代值进行计算处理。

3.2.2 限制扭矩容错处理

汽车行驶途中出现异常现象，ECU 为控制故障状态加剧恶化，会对电机控制器发送限制扭矩指令，以便电机维持在较低负荷状态工作，从而能跛行回家。

表2 TCU 故障等级划分

3.3 故障诊断及控制策略

3.3.1 CAN 通讯故障诊断处理策略

CAN 通讯节点失效故障检测与处理，包括整车控制器与电机控制器之间的通讯节点失效故障、整车控制器与电池管理系统之间的通讯节点失效故障，对通讯过程中的其他故障不进行详细研究。CAN 通讯故障检测及处理的流程如图1 所示。

图1 CAN 通讯故障检测及处理流程

3.3.2 CAN 信号故障处理策略

在正常通讯状态下，ECU 设定允许CAN 线容错通讯次数阈值。ECU 中的接收报文计数器会持续累加计数，如果达到阈值后，则默认该线路存在故障，存储故障码信息并发送警报指令；相反，则不会触发警报指令，保持正常通讯[4]。控制策略如图2 所示。

图2 CAN 周期通讯故障诊断模块

根据上述整车故障诊断控制策略，用MATLAB 搭建了故障诊断策略模型，生成C 代码，编译后刷写至ECU 中，实现相关控制。

4 控制策略的实车验证

将整车控制器ECU 安装到试验车上，并完成静态调试和动态实验；通过模拟故障和道路实验完成整车控制器ECU各个功能及故障诊断控制策略的验证。由于目标车型及实验条件的限制，只对部分故障进行了测试和验证。

4.1 电池掉高压故障

电池掉高压现象如图3 所示，上电后，虽然ECU 发送指令控制继电器进行吸合，但BMS 无法实现继电器吸合，Fail_grade 为1。通过检查底层程序发现，控制继电器的针脚接错位置，使得该继电器断开，重新修改线束，解决了电池掉高压的问题。

图3 电池掉高压现象

4.2 电机抖动故障

实验车正常行驶时电机转速和扭矩表现如图4 所示。在起步后车车速超过45 km/h 后，电机故障Mot_Fault 为1，车子抖动严重，减速后抖动现象消失。停车使用软件检查控制器，ECU 报送电机旋变硬线故障代码。分析原因是车辆的电机未接地线，用万用表测得电机壳体并未与车身导通，接上地线后车子恢复正常。

图4 电机抖动现象

5 结语

文章对ECU 的结构功能和故障机理进行分析，然后对故障进行分类分级，制定控制策略和相应的容错控制策略仿真模型，借助MATLAB 工具实现控制策略模型自动生成C代码，刷入ECU，通过某型纯电动客车进行大量道路实验，过滤有效故障数据和对比分析，证明了ECU 能够很好地检测出发生的故障和进行有效反馈处理。