基于数据流分析的新能源汽车专家诊断系统设计及实现

顾 晔，李溢群，张 毅

（东风商用车有限公司东风商用车技术中心，湖北 武汉 430056）

1 序言

伴随着国家对新能源车型的大力推行，现如今纯电动新能源车型已经走上了逐步取代燃油车的趋势，同时欧盟及各大发达国家纷纷发布了禁止生产燃油车的年限规定。但相较于燃油车而言，纯电动新能源车发展的年限较短，其存在的故障现象与燃油车也不尽相同，因此对纯电动新能源车的故障诊断和维修是目前伴随着纯电动新能源车市场发展急需解决的难题。

目前常见的故障诊断及排除方法主要分为几类，常见的有通过诊断仪读取控制单元的数据流、故障码，利用示波器读取波形，利用万用表等进行测量，采用换件对比方法等，如表1所示。

表1 故障诊断方法对比

2 数据流分析方法

数据流分析法具有使用便利、分析方便、准确性高的优点，新能源汽车专家诊断系统采纳该方法进行开发。进一步，数据流分析方法按照研究对象和分析策略的不同可以细分为值域分析法、时域分析法、因果分析法、关联分析法、比较分析法5种类型。

1）值域分析法通过研究数值的变化规律和范围进行分析，从而判断故障。

2）时域分析法是分析数值在一段时间内的变化周期和变化频率。

3）因果分析法是分析多个数据之间的因果关系，从而判断故障。

4）关联分析法是分析相互联系的数据间存在的关联性或者相关性。

5）比较分析法是对同一车型及系统在相同条件下的一组或者几组数据进行比较分析。

3 新能源汽车专家诊断系统设计

3.1 新能源汽车故障诊断现状分析

通常故障诊断是通过诊断仪等设备获取故障诊断代码，维修人员根据故障代码表的故障描述进行维修。由于故障诊断代码的自身局限，在某些情况下，让维修服务人员根据代码找到故障原因并排除故障，操作实施的难度较大。

3.2 诊断平台结构搭建

诊断平台基于ARM架构、Windows CE系统开发，并通过专用适配器与车辆建立通信，如图1所示。车辆行驶过程中，整车控制器（VCU）通过与其他控制模块或智能传感器进行实时数据交互，实时监测数据是否正常和可靠。当VCU发现其发送或接收的数据出现异常时，会在内部设置相应的故障诊断码，同时通过车辆人机界面（通常是仪表）提示驾驶员系统暂时不可用，该提示是否出现和以何种形式展现是根据需求来定义的。诊断平台通过向VCU发送诊断请求服务，获取VCU记录的诊断信息并显示在平台上。维修人员通过在显示器上查看信息可以定位问题并排除故障。

图1 诊断平台结构

3.3 诊断平台的软件设计

诊断平台的诊断指令符合国际标准ISO 15765《道路车辆 控制器局域网络的诊断通信》规范及国家和汽车行业的相关标准和规范。售后诊断平台的软件设计流程如图2所示。

图2 售后诊断平台的软件设计流程

3.4 专家诊断平台界面及使用说明

专家诊断平台界面效果如图3所示，控制面板划分为3个区域，最上方是诊断仪功能选择区，左侧是车型选择区，中心区域是车型包含的ECU信息，面板右下角显示测试时间。

图3 专家诊断平台界面效果

以电池管理系统（BMS）为例，如图4所示，诊断信号说明如下。

图4 诊断信号说明

1）“版本信息”区域显示电池管理系统的软硬件版本信息。

2）“电池状态信息”区域显示当前动力电池的总电压、电流、电池荷电状态（SOC）等信息。

3）“电池管理系统信息”区域显示电池管理系统各元件的状态信息，如总正继电器吸合状态、总负继电器吸合状态、中间继电器吸合状态、充电继电器吸合状态、散热风扇工作状态等信息。

4）“电池管理系统故障记录”区域显示记录在BMS内部寄存器上的当前和历史诊断代码，通过具体的诊断代码可以获取对应的维修建议。

新能源汽车专家诊断系统运用层次化与集成化的诊断软件架构，覆盖本公司新能源车型平台，涵盖行业主流诊断协议；引入诊断数据库，解决诊断海量数据存储、管理、数据之间依赖、从属关系等问题；进行诊断功能全面设计，囊括四大诊断功能类，309个诊断功能点，1202个故障排查树以及综合诊断专家系统；ECU数据安全在线刷写，系统软件安全在线升级；带有通信、速率、供电方式自动切换的智能适配器。这些技术的应用使得该新能源汽车专家诊断系统能被全面开发；根据研发、制造、售后等用户的需求和用途，系统可裁剪、可配置、可扩展。

3.5 应用案例（纯电动卡车高压掉电问题）

故障现象

本例车辆在行驶过程中出现高压掉电现象，经服务站组织人员及厂家多轮排查，包括更换五合一控制器、BMS低压控制盒等，均不能排除故障。

本例车辆是一款纯电动清洗车型，用于市政作业，该车型总质量18000kg，额定载质量8595kg，轴距5000mm，前悬1430mm，后悬2075mm，最高车速100km/h，动力电池采用宁德时代新能源科技股份有限公司的磷酸铁锂动力电池，电池型号MFH3L8；电机采用苏州绿控传动科技有限公司的TZ370XS-LKM1101电机，额定功率160kW，峰值功率217kW。该车型配有水罐总成、水路和控制系统等，用于清洗作业；选装前喷水架、右侧工具箱、后喷雾装置。罐体有效容积9.02m，罐体外形尺寸为2390×1310×4030（长轴×短轴×罐长，mm）。该车型有2种整备质量9210kg和9500kg，当整备质量为9500kg时，对应的罐体有效容积8.72m，罐体外形尺寸（长轴×短轴×罐长）：2390×1310×3900。介质名称：水，密度1000kg/m。选装前喷水架时，整车长为9375mm，前伸870mm，接近角10°，质量变化可忽略不计。侧防护栏的材质为铝合金，采用螺栓连接；后防护装置材料为Q345B，采用螺栓连接，截面尺寸为180mm×65mm，最大离地高度480mm。同时，该车安装具有卫星定位功能的行驶记录仪。

故障现象1，行驶过程中掉高压，仪表主界面STOP灯亮，仪表故障界面报DC/DC输入欠压、电机控制系统母线欠压保护。如果在故障出现时，立即拧钥匙至START挡，可重新上高压。

故障现象2，行驶过程中掉高压，仪表主界面STOP灯亮，报电池管理系统掉线，仪表故障界面报DC/DC输入欠压、电机控制系统母线欠压保护。如果在故障出现时，立即拧钥匙至START挡，车辆不能上高压，需等待数分钟后才能上高压。

电气原理分析

电池管理系统控制电路原理及系统线束图如图5所示。电池管理系统的1号脚是其低压电源控制管脚，由继电器通过#8210进行供电，继电器的线圈端的正极，即控制端接点火锁的ON挡，负极搭铁，继电器的触点端的正极接常电，负极（输出端）接电池管理系统的1号脚。

图5 电池管理系统控制电路原理及系统线束图

诊断分析

笔者携带新能源汽车专家诊断系统跟车，使用该系统记录故障时的整车报文数据，诊断系统自带数据回放功能，以图形显示的方式回放的数据如图6所示。

图6 回放的数据

通过分析报文数据可知：①BMS的Keyon信号在车辆运行1310s后，丢失60ms后又恢复；②电池组高压输出电压丢失1.1346s后恢复，恢复后电压596V左右。

通过检查整车线束，发现驾驶室与车架对接端插接件的#8200端子表面存在黑色物质，造成接触不良。如图7所示。

图7 线束实物及细节放大图

检修方法验证

故障重现，现场通过拔插#8200端熔断丝模拟#8200端子接触不良现象。如图8所示。

图8 故障发生时BMS发出的“Keyon状态”信号曲线

1）步骤1，模拟短时接触不良，将#8200端熔断丝拔插时间不超过1s，故障现象同故障1。

2）步骤2，模拟长时间接触不良，将#8200端熔断丝断开时间超过5s，故障现象同故障2。

3）步骤3，截取模拟#8200端子接触不良时整车报文，与截取的实车故障时报文进行对比，两者BMS的Keyon信号丢失恢复时间间隔一致。

用CANoe对多次实车故障和模拟故障进行数据采集，比较实车故障和模拟故障下的Keyon状态信号曲线，发现dt时间相同，T1/T2均不同，说明模拟故障可以很好地复现实车故障，而且与实车故障产生机理等效。

4 结束语

本文基于数据流分析技术，与汽车故障诊断协议相结合，设计了具有数据交互功能的、可靠性高的、易于操作的便携式汽车专家诊断系统，该系统具备诊断和排除故障、ECU软件和数据安全在线刷写、诊断服务软件安全在线升级等功能。使用新能源汽车专家诊断系统可以帮助车辆售后维修人员发现新能源车辆产生故障的原因，进一步对车辆进行维修。