基于CAN總線的純電動汽車故障診斷系統(tǒng)

崔書超，柴 智，南金瑞

(北京理工大學 電動汽車國家工程實驗室，北京 100081)

汽車智能化的發(fā)展，導致汽車上電子控制單元逐漸增多，某個ECU出現(xiàn)錯誤則很難方便的檢測出來，說明傳統(tǒng)的線束連接方法早已不能滿足要求.CAN網絡由于其高性能、高可靠性以及獨特的設計，而且能夠檢測出通信中產生的任何錯誤而越來越受到人們的重視，被越來越多的汽車制造商應用于汽車控制、診斷和通信[1].福田純電動環(huán)衛(wèi)車采用基于SAE-J1939的CAN通訊協(xié)議作為主通信網絡來控制各個控制器的信息傳輸.文中以福田純電動兩噸環(huán)衛(wèi)車為例，分析了基于CAN的車載故障診斷標準IS0 15765體系結構，設計了基于CAN網絡的故障診斷系統(tǒng)及控制器故障診斷代碼，利用瑞典先進的KVASER USBcan II總線分析儀對純電動汽車下線故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)展開研究.

1 ISO 15765協(xié)議介紹

ISO 15765作為一種基于CAN總線的汽車網絡診斷協(xié)議，因其在傳輸機制、時間控制、錯誤檢測等方面的優(yōu)點，目前在汽車網絡診斷中得到廣泛應用[2].ISO 15765網絡診斷協(xié)議在應用層提供了全面的診斷服務.網絡層通過向應用層提供服務接口獲得診斷服務數(shù)據(jù)，通過內部處理將診斷數(shù)據(jù)轉換成符合CAN網絡通信的數(shù)據(jù)格式，最后通過數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務接口發(fā)送數(shù)據(jù).ISO 15765的網絡層包含4種不同類型的協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PDU)[3]:單幀 (SF N_PDU)、首幀 (FF N_PDU)、連續(xù)幀 (CF N_PDU)、流控制幀 (FC N_PDU).ISO 15765-2定義了網絡層發(fā)送和接收故障信息的診斷服務，所有CAN的診斷服務是對ISO 14229的一個補充.診斷信息 (DM)包含故障燈代碼 (2-Bytes)和故障診斷代碼 (4-Bytes)，后者簡稱DTC.

2 整車CAN網絡分析

CAN總線最初的構想就是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增多的信號線.于是，一個多主方式的串行通訊總線被設計，其他外圍控制器可以不受影響地掛在該網絡上進行通訊，理論上該網絡可以掛無窮多個節(jié)點，但由于受網絡硬件電器特性的影響，CAN網絡最多只能掛110個節(jié)點[4].福田純電動環(huán)衛(wèi)車的CAN網絡拓撲如圖1.采用兩路高速CAN:CAN1為動力CAN，傳遞車速、檔位等動力信息，信息刷新速率較快;CAN2為信息CAN，傳遞電池電壓、溫度等信息，信息刷新速度略慢.

圖1 整車CAN網絡拓撲簡圖

3 CAN總線通訊原理

福田純電動2T環(huán)衛(wèi)車內部采用CAN網絡進行通信，它是基于 SAE-J1939的 CAN 2.0B.SAE J1939的數(shù)據(jù)幀是以PDU(Protocol Data Unit)為單位的，它共有7個域組成[5-6]:優(yōu)先權 (P)、保留位 (R)、數(shù)據(jù)頁 (DP)、PDU格式 (PF)、PDU特定場 (PS)、源地址 (SA)及數(shù)據(jù)域(Data Field)，如表1所示.

表1 PDU格式

優(yōu)先權P越小，則優(yōu)先級越高;保留位R固定為0;數(shù)據(jù)頁DP也固定為0;PF代表報文幀的傳輸方式;PS取決于PF;SA規(guī)定為報文ID的源地址.J1939 PDU的第4到第21位為參數(shù)值PGN(Parameter Group Number)，PGN對數(shù)據(jù)塊 (參數(shù)值)進行編號，廣播方式下.

ECU根據(jù)PGN識別參數(shù)塊內容.表2以電機檢測模塊為例來說明報文編碼規(guī)則.

表2 電機控制器報文編碼

R、DP、PF、PS由高到低轉換為二進制則為PNG:

將P、R、DP、PF、PS、SA由高到低組合起來則構成29位的擴展ID，ID在報文傳輸過程中具有唯一性，也具有識別作用，報文的ID為:

4 故障診斷代碼DTC編碼規(guī)則

故障診斷代碼DTC長度為4字節(jié) (32-bit)，包括:可疑參數(shù)組SPN(19-bit)、故障類型代碼FMI(5-bit)、故障發(fā)生頻率OC(7-bit)、SPN轉算方法CM(1-bit).一般而言，SPN的值在SAE J1939-73中有嚴格的標準，但對于沒有定義的標準，則需要用戶自己定義，總共有4種方法可以定義SPN[3].如下表3為DTC格式.

表3 DTC格式

若DM1接收到的DTC信息為:

說明故障類型代碼為2的，代表發(fā)動機速度錯誤的故障發(fā)生了1次.

5 故障代碼的制訂

分析各個節(jié)點可能出現(xiàn)的故障，當出現(xiàn)對應的故障的時候，對應的總線呈現(xiàn)隱形置1，反之顯現(xiàn)顯性置0.下面為各個控制器遵循規(guī)則制訂的部分故障代碼.

動力電池故障對應的故障代碼:1，模塊電壓過高;2，模塊電壓過低;3，SOC過高、停止充電;4，SOC過低，需補電;5，過電流;6，溫度過高停車;7，電池不匹配.

主電機故障對應的故障代碼:1，電機控制器溫度過高;2，電機溫度過高;3，W相IGBT飽和保護;4，U相IGBT飽和保護;5，V相IGBT飽和保護;6，高壓欠壓 (預充電狀態(tài)).

CAN故障對應的故障代碼:1，整車控制器掉線;2，電池管理系統(tǒng)通信異常 (CAN1);3，空調系統(tǒng)通信故障;4，電機控制器通信異常;5，電池管理系統(tǒng)通信異常 (CAN2).

整車控制故障對應的故障代碼:1，主電機故障;2，水泵電機故障;3，負極接觸器閉合，但DCDC沒有工作;4，電池均衡故障;5，電池箱連接故障;6，電池絕緣故障.

6 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)在監(jiān)測過程中，通過瑞典公司的雙通道KVASER USBcanII實時的把從下位機和各個控制器發(fā)送到CAN總線上的CAN1，與CAN2的報文信息采集下來傳遞到監(jiān)測的上位機中，由上位機進行實時信息提取，提取故障代碼，經過上位機進行編譯顯示出故障原因，并可以發(fā)送指令發(fā)送到下位機，命令下位機完成各個指令.上位機工作的具體流程圖如圖2所示.

圖2 上位機工作的具體流程圖

在LabVIEW監(jiān)測程序中采集數(shù)據(jù)，其關鍵技術是對數(shù)據(jù)采集卡Kvaser CAN卡的驅動程序的調用，在LabVIEW中，利用Call Library Function節(jié)點模塊可以很容易地實現(xiàn)訪問動態(tài)連接庫，在DLL調用應該注意:①函數(shù)返回類型，LabVIEW中函數(shù)的返回類型可以是空 (void)、整數(shù) (integer)和浮點數(shù) (float)指針為返回值;②函數(shù)的參數(shù)、數(shù)據(jù)類型以及參數(shù)的傳遞順序;③DLL使用的調用規(guī)程，可以采用C和_stdcall(缺省值)兩種調用，win32API使用缺省調用規(guī)程 (_stdcall).

對應的檢測軟件包括整車控制器界面、電機控制器界面、電池控制器界面、空調控制器界面，可以直接顯示各個控制器信息，并能模擬各個控制器控制下位機，信息中心則可以顯示對應故障:動力電池故障、主電機故障、CAN故障、整車控制故障.出現(xiàn)故障，則對應的界面顯示對應的故障信息.

下圖為運行中的檢測程序界面:圖3為整車控制器信息界面;圖4為電池管理系統(tǒng)界面.圖中表格與柱狀圖為單體電池電壓.兩個界面分別報主電機故障和絕緣故障，證明對車輛的實際檢測起到了作用.

7 結論

研究的基于CAN總線的純電動汽車故障診斷系統(tǒng)利用車載網絡的優(yōu)勢，制訂出了故障代碼;通過KVASER USBcan II通信卡，并利用虛擬儀器LabVIEW的強大功能，開發(fā)出一套可實時監(jiān)控車輛各種狀態(tài)和故障信息的監(jiān)測和診斷平臺，并能通過上位機對下位機進行控制.遇到故障時，通過解析故障碼，可以很方便定位故障和解決故障.檢測界面簡潔且功能強大，便于維護和擴展.該系統(tǒng)對車輛故障的排除指引了明確的方向，并在實際的運用中表明，該診斷系統(tǒng)簡單有效，使用方便.

[1] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術[M].北京:北京理工大學出版社，2002.

[2] 牛子孺.駕駛室電器集成檢測系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)[D].武漢:武漢理工大學，2010.

[3] XI Junqiang，XIAO Kuan，YANG Aijun.AMT-Fault-Diagnosis Device Based on ISO 15765 [J].JOURNAL OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY.2010，19(4):405-406.

[4] 楊 飛，鄭貴林.基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].微計算機信息 (嵌入式與soc)，2005，21(7):34-36.

[5] Konrad Etschberger.Controller Area Network [M].Weingarten:IXXAT Automation GmbH，2000.

[6] Vector Informatik GmbH.CANoe Installation Guide，CANoe User Guide，CANdb++User Guide[M].Eberdingen:SATZTEAM Fotosatz＆Neue Medien GmbH，2002.