BSG啟停系統(tǒng)失效模式影響及診斷策略分析

左從兵，裴 蕾，孫四軍Zuo Congbing，Pei Lei，Sun Sijun

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BSG啟停系統(tǒng)失效模式影響及診斷策略分析

左從兵1，裴 蕾2，孫四軍3Zuo Congbing1，Pei Lei2，Sun Sijun3

（1. 貴州長江汽車有限公司 汽車工程研究院，貴州 貴陽 550081；2. 北京寶沃汽車有限公司 汽車工程研究院，北京 102206；3. 北京長城華冠汽車研發(fā)有限公司 汽車工程研究院，北京 101300）

分析BSG（Belt Starter Generator，皮帶式啟動發(fā)電機(jī)）啟停系統(tǒng)的失效模式影響及診斷策略，從系統(tǒng)、部件、器件逐級分析了非預(yù)期發(fā)動機(jī)重啟和發(fā)動機(jī)重啟失敗兩種潛在失效模式下的故障原因及其診斷策略，設(shè)計(jì)了HCU（Hybrid Control Unit，混合動力整車控制器）OBD（On-Board Diagnostics，在線診斷模塊），通過HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在環(huán)）測試，驗(yàn)證了HCU在線診斷功能。

BSG啟停系統(tǒng)；FMEDA；在線診斷；硬件在環(huán)測試

0 引 言

BSG（Belt Starter Generator，皮帶式啟動發(fā)電機(jī)）是雙軸并聯(lián)弱混合動力系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)與電機(jī)之間采用皮帶傳動方式，以發(fā)動機(jī)為整車的動力源，電機(jī)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)快速啟動和發(fā)電功能，在正常行駛時(shí)，BSG電機(jī)和常規(guī)汽車發(fā)電機(jī)一樣給蓄電池充電，當(dāng)汽車停止時(shí)，發(fā)動機(jī)關(guān)閉，消除發(fā)動機(jī)怠速狀態(tài)；再啟動時(shí)，BSG電機(jī)快速帶動發(fā)動機(jī)到怠速轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火啟動。

目標(biāo)車輛選用自動擋、1.8T汽油發(fā)動機(jī)，電機(jī)選用無刷交流電機(jī)，電池為12V鉛酸電池。HCU（Hybrid Control Unit，混合動力整車控制器）是整車系統(tǒng)的大腦，根據(jù)發(fā)動機(jī)以及整車混合動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，決定混合動力控制策略，包括發(fā)動機(jī)自動啟停策略、電機(jī)工作模式策略、電池充放電策略等，EMS（Engine Management System，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)）相對于常規(guī)汽車增加了發(fā)動機(jī)自動啟停相關(guān)的功能性故障診斷，并將診斷信息通過CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）傳送給HCU。

1 BSG啟停系統(tǒng)失效模式分析

BSG啟停系統(tǒng)部件包括：HCU、EMS、發(fā)動機(jī)、鉛酸電池、BSG電機(jī)，其中器件包括：離合器、空擋信號、鑰匙信號、加速踏板、母線電流（DC-Link）傳感器、電池電壓測量、電池溫度傳感器、轉(zhuǎn)子位置信號、逆變器、逆變器基板溫度傳感器等。BSG啟停系統(tǒng)的兩種潛在失效后果為發(fā)動機(jī)非預(yù)期啟動和發(fā)動機(jī)啟動失敗，按照逐級分解的方法，依據(jù)《道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)》[1]，開展器件、部件、系統(tǒng)3個(gè)層級FMEDA（Failure Modes Effect and Diagnosis Analysis，失效模式和診斷策略分析）；其中，上一級的潛在失效后果是下一級的失效模式，上一級的失效模式是下一級的失效原因，具體分析見表1、表2。

2 HCU在線診斷模塊設(shè)計(jì)

通過FMEDA分析中的發(fā)現(xiàn)措施和防范措施，設(shè)計(jì)開發(fā)HCU的OBD模塊，包括BSG啟停系統(tǒng)故障診斷、電池狀態(tài)故障診斷、電機(jī)驅(qū)動故障診斷，分別用來診斷BSG啟停系統(tǒng)、電池、電機(jī)及其傳感器、執(zhí)行器的故障狀態(tài)。

2.1 啟停系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)首次點(diǎn)火啟動時(shí)，HCU測試啟停系統(tǒng)快速啟動發(fā)動機(jī)功能，如果啟動失敗，EMS通知HCU禁止請求發(fā)動機(jī)自動啟停，改用常規(guī)啟動電機(jī)啟動發(fā)動機(jī)；反之，只有啟動成功，發(fā)動機(jī)才能執(zhí)行車輛運(yùn)行過程的自動啟停功能；車輛運(yùn)行過程中，如果EMS診斷出發(fā)動機(jī)有自動啟停的功能性故障發(fā)生，也將通知HCU禁止請求發(fā)動機(jī)自動啟停。

表1 發(fā)動機(jī)非預(yù)期啟動情形的FMEDA

表2 發(fā)動機(jī)啟動失敗情形的FMEDA

HCU啟?？刂撇呗灾饕紤]整車加速踏板位置、空擋開關(guān)、鑰匙開關(guān)等輸入狀態(tài)，以及電池性能狀態(tài)和電機(jī)故障狀態(tài)，啟停系統(tǒng)故障診斷負(fù)責(zé)診斷駕駛員動作狀態(tài)及狀態(tài)信號可靠性。鑰匙開關(guān)主要診斷線路連接的故障狀態(tài)；空擋開關(guān)兩路冗余信號分別供給HCU和EMS，HCU把采樣的信號通過CAN通信發(fā)給EMS，EMS把收到的信號和自身采樣信號進(jìn)行比較，這種交叉檢測的診斷方式可以避免過渡狀態(tài)的誤診斷；加速踏板位置兩路冗余信號由HCU負(fù)責(zé)校驗(yàn)；另外，HCU控制策略需要HCU和EMS、ABS（Antilock Brake System，制動防抱死系統(tǒng)）、ISU（Intelligent Switch Unit，智能控制開關(guān)單元）之間的數(shù)據(jù)通信，HCU對CAN通信的故障診斷是控制策略的重要內(nèi)容。如果HCU診斷出上述部件或CAN通信故障，會通過OBD的失效模式管理單元禁止HCU的發(fā)動機(jī)自動啟停功能請求，啟停系統(tǒng)故障診斷架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

注：DEM（Diagnosis Effect Management，診斷事件管理）

圖1 啟停系統(tǒng)故障診斷架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 電池狀態(tài)故障診斷設(shè)計(jì)

電池狀態(tài)故障診斷用于估算電池SOC、SOH、電池內(nèi)阻等，SOC值過低影響HCU的自動啟停功能，SOH和電池內(nèi)阻反映電池的老化狀態(tài)，SOH值過低，HCU會通過儀表發(fā)出更換電池請求，并存儲電池老化故障信息。電池狀態(tài)故障診斷架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電池狀態(tài)故障診斷架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)SOC、SOH、電池內(nèi)阻的算法要求，該電池狀態(tài)故障診斷需要測量或計(jì)算電池充/放電電流、電池充/放電電壓、電池溫度和電池內(nèi)阻等參數(shù)，以及電池的復(fù)位檢測等，并負(fù)責(zé)診斷相關(guān)傳感器故障，判斷信號測量值的合理性。為了實(shí)現(xiàn)對電池充放電電流值的精確測量，選用雙量程的電流傳感器，根據(jù)電流值的范圍選用精確量程的測量值，還可以對雙量程的測量值進(jìn)行交叉比較，如果二者的測量值誤差超過合理的范圍，判斷電流傳感器故障；對電池電壓過高狀態(tài)進(jìn)行診斷，防止電機(jī)對電池的過充；更換的電池首次上電，HCU需要進(jìn)行電池復(fù)位檢測，重新計(jì)算電池狀態(tài)參數(shù)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動故障診斷設(shè)計(jì)

BSG電機(jī)共有3種工作模式：速度模式、發(fā)電模式和空閑模式，發(fā)動機(jī)自動重啟時(shí)電機(jī)工作在速度模式下，電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)達(dá)到噴油點(diǎn)火轉(zhuǎn)速以啟動發(fā)動機(jī)，然后電機(jī)進(jìn)入空閑模式，空閑模式是速度模式和發(fā)電模式的過渡模式，在發(fā)電模式下電機(jī)充當(dāng)汽車交流發(fā)電機(jī)給蓄電池充電，發(fā)電時(shí)有兩種整流方式，即主動整流和被動整流。

電機(jī)驅(qū)動故障診斷的輸入?yún)?shù)包括各種模擬信號、硬件保護(hù)信號和指令模式請求等，根據(jù)這些輸入?yún)?shù)由具體的故障模型進(jìn)行故障診斷。轉(zhuǎn)子位置信號是電機(jī)控制的重要參數(shù)，依據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器測量的轉(zhuǎn)子位置和發(fā)電時(shí)相電壓的對應(yīng)關(guān)系原理來診斷轉(zhuǎn)子位置傳感器安裝位置是否正?；騻鞲衅鞅旧硎欠窨梢哉９ぷ鳎桓鶕?jù)發(fā)動機(jī)速度及電機(jī)轉(zhuǎn)子速度差，診斷電機(jī)皮帶是否打滑；對電機(jī)直流母線電壓及電池電壓進(jìn)行比較，診斷電機(jī)直流母線連接是否斷開或?yàn)楦咦锠顟B(tài)；對勵磁繞組正極/負(fù)極電路的短路/斷路故障診斷，對逆變器基板溫度的測量，診斷逆變器是否正常工作等。電機(jī)驅(qū)動故障診斷架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動故障診斷架構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動故障診斷的結(jié)果影響發(fā)電模式時(shí)的整流方式和逆變器的門驅(qū)動控制，當(dāng)電機(jī)相關(guān)的器件有故障發(fā)生時(shí)，HCU對逆變器門驅(qū)動PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）波關(guān)斷，電機(jī)不能啟動發(fā)動機(jī)；在電機(jī)的主動整流發(fā)電模式下，當(dāng)有轉(zhuǎn)子相位關(guān)系異常故障發(fā)生或逆變器基板溫度過高時(shí)，電機(jī)發(fā)電將轉(zhuǎn)入被動整流模式。

2.4 診斷事件管理功能設(shè)計(jì)

HCU在線診斷模塊實(shí)時(shí)診斷瞬時(shí)故障，診斷事件管理參照UDS[2]（Unified Diagnostic Services，統(tǒng)一診斷服務(wù)）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了專門的DEM模塊來完成。DEM定義瞬時(shí)故障狀態(tài)位、瞬時(shí)故障記數(shù)器、瞬時(shí)故障最大閾值、確認(rèn)故障狀態(tài)位、確認(rèn)故障記數(shù)器、確認(rèn)故障最大閾值、警告燈標(biāo)志位等參數(shù)。OBD實(shí)時(shí)診斷每個(gè)故障狀態(tài)，若某個(gè)瞬時(shí)故障發(fā)生，則該故障的瞬時(shí)故障記數(shù)器按標(biāo)定的遞增步長增加一次，當(dāng)該故障的瞬時(shí)故障記數(shù)器累加到其最大閾值時(shí)，該故障的確認(rèn)故障狀態(tài)位置位；若某個(gè)瞬時(shí)故障沒發(fā)生，則該故障的瞬時(shí)故障記數(shù)器按標(biāo)定的遞減步長減少一次，直至為零。在每個(gè)駕駛周期內(nèi)，如果某個(gè)確認(rèn)故障狀態(tài)位被置位，確認(rèn)故障記數(shù)器就按標(biāo)定的遞增步長增加一次，當(dāng)該故障的確認(rèn)故障記數(shù)器遞增到其最大閾值時(shí)，點(diǎn)亮故障警告燈，及時(shí)通知駕駛員去維修站排除故障。確認(rèn)故障狀態(tài)置位時(shí)，需要存儲故障信息及凍結(jié)幀數(shù)據(jù)，供維修時(shí)用診斷工具按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 15765 CAN診斷通信協(xié)議讀出故障信息，及時(shí)排查故障。

3 HCU在線診斷功能測試和實(shí)車驗(yàn)證

HIL是HCU系統(tǒng)集成階段的測試環(huán)節(jié)，利用LabCar實(shí)時(shí)控制仿真平臺作為硬件載體，運(yùn)行整車環(huán)境模型，而HCU運(yùn)行整車控制模型，二者形成控制上的閉環(huán)，同時(shí)利用標(biāo)定工具觀測和標(biāo)定參數(shù)。

HIL系統(tǒng)模擬故障的方法有兩種：一是通過修改控制面板上的參數(shù)值模擬整車環(huán)境故障；二是利用故障注入單元注入整車環(huán)境故障。發(fā)動機(jī)啟動失敗的失效模式可以通過模擬電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)故障逐一驗(yàn)證，例如修改控制面板上電池溫度值模擬電池過溫故障，當(dāng)DEM模塊故障累計(jì)確認(rèn)后，HCU記錄故障信息，BSG系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)啟動功能被禁止；對于發(fā)動機(jī)非預(yù)期啟動失效模式，通過控制面板模擬與實(shí)際信號不一致的擋位、加速踏板信號，并滿足發(fā)動機(jī)啟動條件，驗(yàn)證發(fā)動機(jī)非預(yù)期啟動。

4 總 結(jié)

BSG啟停系統(tǒng)的失效模式及診斷策略分析，涉及發(fā)動機(jī)、電池、電機(jī)、整車擋位開關(guān)和加速踏板等復(fù)雜油電系統(tǒng)，診斷策略要求高，通過FMEDA自下而上歸納分析法，分析了BSG系統(tǒng)的失效風(fēng)險(xiǎn)和子系統(tǒng)的可診斷性，并在HIL臺架和實(shí)車上通過了測試驗(yàn)證。FMEDA作為功能安全的重要開發(fā)內(nèi)容，今后可以進(jìn)行深入研究，采用定量分析部件及器件的失效概率，為功能安全的ASIL（Automotive Safety Integration Level，安全完整性等級）計(jì)算提供有效數(shù)據(jù)支撐。

[1]道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn):ISO 26262—2016[S].

[2]道路車輛統(tǒng)一診斷標(biāo)準(zhǔn):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