純電動汽車電機控制器CAN通信丟失故障處理方法

李 瑋，王 晶Li Wei，Wang Jing

純電動汽車電機控制器CAN通信丟失故障處理方法

李 瑋1，王 晶2Li Wei1，Wang Jing2

（1. 北京新能源汽車股份有限公司 工程研究院，北京 100176；2. 廊坊職業(yè)技術學院機電工程系，河北 廊坊 065000）

給出了一種適用于純電動汽車電機控制器由于電磁干擾導致CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）通信丟失的故障處理方法。該方法通過電機控制器中間層軟件發(fā)送CAN通信生命信號的方式實現(xiàn)應用層軟件對零部件CAN通信狀態(tài)的監(jiān)控，應用層根據(jù)生命信號計算出CAN通信的丟幀率，并評估出CAN通信丟失狀況，在此基礎上對與電機控制器通過CAN通信的零部件按照通信故障后的危害程度進行分級，并分別給出了不同嚴重程度下各零部件的通信丟失故障處理方法。該方法在不改變現(xiàn)有設計方案及硬件選型的基礎上，充分通過策略優(yōu)化將電機控制器CAN通信故障的危害程度降低，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，同時提高了車上人員的駕乘感受。

純電動汽車；通信丟失；故障處理

0 引 言

車輛作為當今世界的重要交通工具，其行駛環(huán)境復雜多樣，與傳統(tǒng)燃油車不同，純電動汽車存在大量的高壓零部件，如動力電池、驅動電機、電機控制器、空調系統(tǒng)（壓縮機與加熱電阻）、DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流/直流轉換器）等，因此面臨著比傳統(tǒng)燃油車更為嚴峻的電磁干擾問題[1-3]。電磁干擾能夠干擾傳感器、通信等系統(tǒng)的正常工作，進而引發(fā)安全隱患，也因為如此，純電動汽車的電磁干擾問題也是當前研究的熱點之一[4-5]。目前解決純電動汽車電磁干擾問題主要從3個方面著手，一是設計源頭優(yōu)化；二是硬件防御；三是軟件防護。設計源頭優(yōu)化指的是在系統(tǒng)設計的初始階段就采用各種措施，如通過優(yōu)化設計方案等，來避免或減少未來產品的電磁干擾問題；硬件防御一般指的是通過提高零部件等級與抗干擾能力降低電磁干擾問題對系統(tǒng)整體的影響；軟件防御則是在現(xiàn)有電磁環(huán)境下，通過合理設計軟件策略來降低電磁干擾對車輛的影響。一般而言，首先需要通過設計優(yōu)化來避免或減少后期產品的電磁干擾問題，在此基礎上提高硬件水平，軟件防御大多是作為最后的手段來彌補電磁干擾對系統(tǒng)的影響。

針對純電動汽車行駛工況的復雜多樣，以及由于自身特性導致當前階段車輛電磁干擾未被完全解決的問題[6-9]，提出了一種適用于純電動汽車電機控制器由于電磁干擾導致CAN通信丟失的故障處理方法。該方法通過電機控制器的中間層軟件發(fā)送CAN通信生命信號的方式實現(xiàn)應用層軟件對零部件CAN通信狀態(tài)的監(jiān)控，應用層根據(jù)生命信號計算出CAN通信的丟幀率，并評估出CAN通信丟失狀況，在此基礎上對與電機控制器通過CAN通信的零部件按照通信故障后的危害程度進行分級，并分別給出了不同嚴重程度下各零部件的通信丟失故障處理方法。該方法在不改變現(xiàn)有設計方案及硬件選型的基礎上，充分通過策略優(yōu)化將電機控制器CAN通信故障的危害程度降低，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，同時提高了車上人員的駕乘感受。

1 電機控制器軟件架構

MCU（Motor Control Unit，電機控制器）的軟件構架如圖1所示。

圖1 電機控制器軟件構架

電機控制器軟件可分為3層，分別為應用層、中間層與底層。應用層為具體的控制算法實現(xiàn)提供支持，如弱磁控制、電流環(huán)控制等，其目的是生成具體的控制器代碼；中間層為應用層的功能實現(xiàn)提供支持，如操作系統(tǒng)一般在這一層；底層為中間層提供具體支持，是硬件與軟件溝通的橋梁，如提供通信驅動，實現(xiàn)A/D（Analog to Digital，模擬數(shù)字轉換器）功能等，并向中間層提供控制和算法所需要的接口。

2 CAN通信丟失檢測與嚴重度分級

CAN通信丟失故障處理方法主要由中間層與應用層共同實現(xiàn)。

由中間層判斷某零部件的CAN通信狀態(tài)，并按照固定周期n向應用層發(fā)送生命信號Counter，其中中間層每接收到一次CAN生命信號Counter便自動加1；令該零部件的CAN報文發(fā)送周期為，則應用層每×時間判斷一次生命信號Counter的增量（其中×為一個檢測周期，為正整數(shù)，>0），定義Counter的增量為n，在此基礎上得到本次檢測周期內的CAN丟幀率，具體為

式中：CANloss為本次檢測周期內的CAN丟幀率。在計算出CAN丟幀率的前提下評估CAN通信丟失的嚴重程度，具體邏輯如圖2所示。

其中為連續(xù)一定檢測周期條件下的CAN通信丟幀率。如圖2所示若小于等于規(guī)定閾值1，則認為此時CAN網絡處于輕度丟失狀態(tài)（輕度級別，該級別包括無丟幀情況），同時認為對行車安全無影響；若1＜則由輕度CAN通信丟失狀態(tài)跳轉到中度CAN通信丟失狀態(tài)（中度級別），此時認為對行車安全有輕微影響；若值繼續(xù)升高并超過2，則由中度CAN通信丟失狀態(tài)跳轉到嚴重CAN通信丟失狀態(tài)（嚴重級別）。若值降低，則可以從嚴重級別向中度及輕度級別跳轉，在跳轉過程中引入了滯環(huán)參數(shù)（>0），以防止相鄰狀態(tài)間的頻繁切換。

車輛中不同零部件會根據(jù)其所實現(xiàn)的功能按照不同的周期發(fā)送CAN報文，中間層利用固定周期n進行計數(shù)，并輸出CAN通信生命信號，在應用層中根據(jù)該零部件CAN報文發(fā)送周期進行丟幀率的計算，保證中間層軟件的可移植性，使其便于平臺化推廣。相對于中間層來說，應用層軟件更加易于修改，并且在車輛開發(fā)過程中，時常會根據(jù)CAN總線負載率來調整零部件的CAN報文發(fā)送周期，因此對于應用層軟件來說可將零部件的CAN報文發(fā)送周期設定為標定量，之后根據(jù)需求的變化對其進行調整，不僅方便軟件開發(fā)，同時能夠保證中間層軟件的一致性。

3 CAN通信零部件分級

為保證電機控制器的功能實現(xiàn)，需要與6個外部零部件進行CAN通信，分別為ICM（Instrument Control Monitor，儀表控制器）、DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流/直流轉換器）、ABS（Antilock Brake System，制動防抱死系統(tǒng)）、ESP（Electronic Stability Program，車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）、VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器）、BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)），電機控制器與以上6個部件發(fā)生通信丟失故障后對整車安全造成的影響是不同的，因此根據(jù)發(fā)生CAN通信故障后的危害對以上6個零部件進行分級，如圖3所示。

ICM、DC/DC與電機控制器發(fā)生CAN通信故障時對整車安全影響較小，即使接收不到ICM與DC/DC的CAN報文也不會影響電機控制器的正常工作與行車安全，因此將這2個零部件的CAN通信故障危害等級定為低；行車過程中，若接收不到ABS與ESP的CAN報文，會影響電機控制器的制動能量回收功能，進而對駕駛員的駕乘感受造成影響，因此將這2個零部件的CAN通信故障危害等級定為中；若電機控制器接收不到VCU或BMS的CAN報文，會使電機控制器無法接收到VCU的控制命令、扭矩命令、電池的SOC和電池最大放電功率值等信息，影響電機的扭矩輸出和功率輸出，同時危害行車安全，因此將這2個零部件的CAN通信故障危害等級定為高。

圖3 CAN通信故障零部件危害等級

4 CAN通信丟失電機控制器故障策略

結合CAN通信丟失的嚴重等級，給出各零部件發(fā)生通信丟失后的故障策略，見表1。

表1 電機控制器CAN通信丟失故障及應對策略

5 結 論

純電動汽車電機控制器CAN通信丟失故障處理方法首先根據(jù)中間層發(fā)出的生命信號提出一種判斷CAN通信丟失程度的機制，根據(jù)計算得到的丟幀率將CAN通信丟失分為輕度、中度以及嚴重3個級別，為后續(xù)制定零部件CAN通信丟失故障策略提供了量化依據(jù)；另外該方法對與電機控制器進行CAN通信的各相關零部件按照通信丟失后的行車危害程度進行了區(qū)分，分為輕、中、嚴重3個等級，同樣為制定通信丟失故障具體策略提供了參考。在此基礎上針對同電機控制器進行CAN通信的6個部件給出了一套CAN通信丟失故障的處理方法，其中6個零部件分別為ICM、DC/DC、ABS、ESP、VCU和BMS。所給出的故障策略以CAN通信丟失程度及各部件通信丟失后的安全危害程度為主要依據(jù)，在所制定的策略中，當通信丟失危害程度較低時，充分考慮駕駛員的行車感受，盡量減少對車輛的限制；當危害程度達到一定程度后，通過主動限制（限制扭矩、功率輸出、關閉PWM）、點亮報警燈、鳴報警音等方式降低安全隱患、提醒車上人員，為行車安全提供了有力保障。

以上電機控制器CAN通信丟失故障處理機制已經廣泛應用于量產純電動汽車產品中，并取得了良好的效果。

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U463.6

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10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.010

1002-4581（2020）01-0035-04