电动车高压上电故障诊断与监测

【摘  要】电动车成为未来汽车发展的主攻方向，人们对电动车高压安全的关注日益凸显。借助电动车试验数据链路，结合常见高压上电故障失效类型，以电动车高压上电时序及对应CAN总线数据流为基础，建立电动车高压上电故障诊断与监测方法。结果表明，该数据驱动方法能够快速、有效地对高压上电故障导致原因进行诊断并对故障状态进行实时在线监测，为量化分析高压上电故障分析提供了依据。

【关键词】电动车；高压上电；故障诊断；故障监测

中图分类号：U469.72    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0036-04

High Voltage Power-on Fault Diagnosis and Monitoring of Electric Vehicles

YANG Peng-chun

（SAIC Motor R&D Innovation Headquarter，Shanghai 201804，China）

【Abstract】Electric vehicle has become the main direction of the future automobile development trend，and people's attention to the high voltage safety of electric vehicles has become increasingly prominent. With the help of data link for electric test vehicles，this paper combines common types of high-voltage power-on faults，a diagnosis and monitoring method for high-voltage power-on faults based on the high voltage power-on sequence and CAN data flow of electric vehicle. Results show that the method can diagnose the high-voltage power-on fault quickly and effectively and monitor the fault online in real time，which provides a basis for quantitative analysis of high-voltage power-on fault.

【Key words】electric vehicle；high voltage power-on；fault diagnosis；fault monitoring

综合近几年国内汽车销售结构来看，纯电动汽车成为新能源汽车的主流，在未来，纯电动汽车依旧拥有庞大的上升空间。汽车道路试验全面考核了整车各个子系统，在开发过程中起着关键的验证作用[1]。试验数据的采集、处理和分析一直是汽车道路试验过程中不可缺少的过程，电动车CAN（Controller Area Network）总线数据对于电动车试验中三电系统故障排查、零部件和子系统认证发挥着重要的作用[2]。

针对电动车整车试验中常见的高压上电故障，首先介绍了电动车整车试验数据流回传链路，然后分析了电动车高压上电常见故障诊断方法，最后以电动车高压上电时序及相关CAN总线数据为基础，对电动车高压上电流程以及故障诊断和监测方法进行研究分析。

1  电动车试验数据链路

电动车和传统燃油车相比有很大的不同之处，电动车的动力电池、电机和电控系统代替了传统燃油车的发动机和变速器。电动汽车在CAN网络中使用大量的ECU控制器及传感器，对整车故障处理不仅是整车控制策略功能的重要内容，还是整车系统可靠性的关键支撑[3]。图1为某电动车项目CAN网络拓扑示意图，整车多控制器之间的数据交互依靠CAN总线进行通信，同时这些数据也是对整车试验中故障分析的重要依据。

通过将电动车控制器总线数据进行定制化采集并统一通过数据平台进行管理，同时根据对数据实时性的不同需求，可选取无线或有线的回传方式来搭建电动车整车试验数据回传的链路，如图2所示。与传统的现场故障排查方式相比，结合自动化的数据链路及三电系统相关数据的诊断分析可以大大缩短问题排查时间，从而提高试验效率。

2  高压上电故障诊断与监测

2.1  电动车高压上电常见故障诊断

2.1.1  高压互锁故障

高压互锁（Hazardous Voltage Interlock Loop，HVIL）是通过使用低压信号来确认整个高压产品、导线、连接器及护盖的电气完整性。一般电动车使用的高压部件有：动力电池（ESS）、集成充电模块（CCU）、高压直流转直流模块（HVDCDC）、电驱单元（TM）、加热装置（PTC）、空调压缩机（EAC）等。只有当互锁回路形成了一个完整的闭环时，车辆的高压部件状态才能认为是正常的，此时方可接入高压电源。

高压互锁故障出现时，电动车仪表的动力系统故障、动力电池故障指示灯会点亮，查看控制器故障码和高压部件相关CAN总线数据，主要信息如表1所示。

查看故障車如上信息，可进一步缩小排查范围，进而排查相关接插件和零部件状态，即可锁定故障的直接原因。

2.1.2  绝缘阻值低故障

整车上高压前必须进行绝缘检测，绝缘检测方法依据《GB/T 18384—2020 电动汽车安全要求》，其中对高压绝缘电阻值也做了最小的规定，动力系统绝缘电阻在交流电路为500Ω/V、直流电路为100Ω/V，若绝缘阻值过低，则将无法上高压电[4-5]。各整车厂开发的纯电动车辆，则根据各自设定的电压等级来确定动力系统的绝缘电阻报警阈值。电动车高电压回路构成如图3所示。

电动车整车控制器需自带绝缘检测策略，某自主品牌电动车设定最低报警绝缘电阻值定为500kΩ，同时如果整车控制器（VCU）检测值低于设定阈值，则报出相关故障码，见表2。

车辆出现绝缘阻值低故障后，需要通过绝缘表进一步根据图3高压回路测量各回路绝缘值，从而进一步锁定故障源。

2.1.3  高压继电器故障

电动车高压直流继电器主要负责的是动力电池和各个高压用电器之间的电能通断，最终达到高度隔离的效果。常见的高压继电器有主正继电器、主负继电器和预充继电器等，其主要失效模式有：①粘连；②卡死；③耐压下降。高压继电器一般处于封闭状态，通过外观检查或直接测量十分困难，一旦高压继电器的触点发生粘连或者断开，会导致高压系统功能丧失，主要可以监测的关联数据：继电器状态、触点两端电压及整个回路的电流。

2.1.4  控制器故障

在电动车高压上电的过程中，整车各控制器按控制时序进行状态检查及信息交互，并对整个高压系统进行监控管理，当车辆状态、控制器状态或高压部件异常时，整车控制器将根据情况决定高压继电器是否断开或阻止高压上电的完成。表3列举了各控制器可能导致高压上电失败的一些常见故障。

2.2  基于数据驱动的高压上电故障监测模型

在电动车整车道路试验中，仅仅从故障表面现象上很难确认故障的原因，基于上文中常见电动车高压上电故障及相关的数据表征量，可以采用数据驱动的方法对高压上电故障进行诊断分析，通过数据表征确认故障的直接原因，进而缩小排查范围，节省排查時间。除此之外将试验车辆实时回传的关键数据项和相关算法结合，可以实现对高压上电故障的实时监控和预警。

本文以某自主品牌电动车项目高压上电为例，纯电动车的高压控制回路如图4所示，由动力电池、手动维修开关、主正继电器、主负继电器、预充电回路、高压负载、控制器等组成。

电动车的高压上电流程如图5所示。车辆在P挡、静止、下电且未充电的车辆前置状态下，踩制动踏板按启动按键，此时车辆电源状态信号SysPwrMd会从OFF跳转至CRANK Request，VCU（整车控制单元）和BMS（动力电池控制系统）接收到启动命令，然后开始系统自检，自检无故障后首先闭合主负继电器，然后闭合预充继电器，最后闭合主正继电器，完成车辆高压上电过程。

结合上述高压上电流程，并以实车数据做分析，高压上电时序中继电器动作过程如图6所示。

电动车的高压上电过程时间序列具有相似性，但是每次高压上电过程的时间和数据变化不一定完全吻合，而动态时间规整（Dynamic Time Warping，DTW）是一种广泛用于衡量两个长度不同的时间序列相似度的算法。DTW 距离通过动态规整实现两个序列的最优映射，能够有效解决时间序列在时间轴上的数据不对等问题，因此被广泛应用于语音识别、手势识别和数据挖掘等诸多领域[6]。

假设有两个时间序列C和Q，长度分别为m和n，C=（c₁，c₂，…，c_n），Q=（q₁，q₂，…，q_n），为了对齐两个序列，在算法中构造了一个m×n的矩阵，矩阵的位置（i，j）用于存储点c_i与点q_j的曼哈顿距离，即：

d（i，j）=|c_i-d_j|（1）

DTW距离为最优规整路径累计距离r（i，j）之和，规整路径从d（1，1）到d（m，n）的最小累加距离，公式为：

r（i，j）=d（i，j）+min{[r（i-1，j），r（i，j-1），r（i-1，j-1）]}（2）

D_dtw=min{r（m，n）}（3）

本文采用基于DTW算法的电动车高压上电系统健康度诊断和监测方法。

3  实车应用

结合电动车高压控制回路和上电时序，选取电动车高压上电过程关键数据项，如表4所示。

通过数据自动化处理程序，可根据实时采集的数据进行监测和诊断。在对某自主品牌整车试验数据自动化处理中，识别到绝缘阻值小于500kΩ，读取VCU控制器故障码存在P1B41_00，判断为整车绝缘故障导致车辆无法完成高压上电，数据分析如图7所示。锁定车辆无法高压上电的直接原因为绝缘故障，通过进一步对车辆绝缘部件进行测量，锁定为动力电池内部绝缘故障导致高压上电失败，更换动力电池后车辆恢复正常。

通过分析表4中关键数据项在整个高压上电过程中数据流的变化情况，发现动力电池电流具有明显相似的变化特征，当主负继电器闭合时出现第一个电流尖峰，当预充继电器闭合时出现第二个电流尖峰，如图8所示。因此选取高压上电过程中的动力电池电流作为DTW计算分析的时间序列，选取第一次正常高压上电过程的动力电池电流作为计算基准，根据公式（3）计算后续所有高压上电过程中的Ddtw值，根据历史数据结果设定偏差阈值为10，根据Ddtw值大小监测高压上电过程是否存在异常。

本文选取某一电动车项目整车试验车辆，监测每次高压上电数据流，图9为对该试验车600次的高压上电健康度监测结果，可以发现在第214次和第569次出现高压上电失败事件，监测结果与实际表现一致。

4  结束语

本文根据对电动车高压上电故障常见的原因类型及诊断方法的分析，结合电动车试验数据链路和相关CAN总线数据，进一步提出了一种基于数据驱动的高压上电故障诊断与监测方法，并对DTW算法的监测流程进行了详细的介绍，最后举出了基于上述方法分析电动车高压上电故障诊断和监测案例。通过本文的研究可以提高电动车高压上电系统故障诊断的效率以及准确性。

参考文献：

[1] 朱少彬，顾振飞，姚烈. 基于客户数据的电动车型动力总成耐久试验规范开发方法研究[J]. 上海汽车，2020（3）：10-14.

[2] 杨鹏春，洪流，张兴龙，等. 基于数据驱动的整车试验故障识别与监测[C]//2020中国汽车工程学会年会论文集（2），2020：192-196.

[3] 吴源波. 纯电动车整车电控系统的设计及可靠性研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2019.

[4] GB/T 18384—2020，电动汽车安全要求[S].

[5] 田晟，裴锋，李拾成. 纯电动汽车上下电及电池管理系统故障控制策略[J]. 华南理工大学学报（自然科学版），2016，44（9）：107-115.

[6] 方伟，王玉，闫文君，等. 基于DTW的复杂飞行动作快速评估方法研究[J]. 中国电子科学研究院学报，2022，17（1）：44-49.

（编辑  杨凯麟）