純電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)研究分析

田路軍　田永樂　張開然

摘? 要：純電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械長期工作在惡劣且工況復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，所以對車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、安全監(jiān)控是保證車輛安全可靠工作的關(guān)鍵。針對純電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械實(shí)施有效的監(jiān)控管理，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛在運(yùn)行、作業(yè)、維護(hù)中的事故苗頭，從而降低故障發(fā)生概率;同時(shí)能夠提供故障設(shè)備修復(fù)依據(jù)，有利于減少故 障設(shè)備修復(fù)時(shí)間，大大改善設(shè)備的監(jiān)管狀況。本文針對純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)展開監(jiān)控系統(tǒng)需求分析和方案設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：純電驅(qū)動(dòng);工程機(jī)械;監(jiān)控系統(tǒng)

一、監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

1.監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能

純電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械在作業(yè)過程中常常會(huì)面臨諸如維護(hù)、保養(yǎng)、故障排查等一些難以解決的問題，因此對車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是非常有必要的。將監(jiān)測參數(shù)回傳到交互終端管理平臺(tái)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并通過故障管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析并實(shí)時(shí)預(yù)警。綜上所述，具體需求如下：

（1）數(shù)據(jù)信息采集功能：采集可以表征純電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)所需的信息參數(shù)，主要包括電池管理系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、整車控制器、輔助電源等模塊反饋的參數(shù)信息，為監(jiān)控管理平臺(tái)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸功能：純電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械主要通過布置 CAN 總線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，為了滿足數(shù)據(jù)傳輸需求，需在車載終端使能I/O 端口、ADC 通道、CAN 接口以及 USART 等模塊以適應(yīng)不同傳感器、接口的信號類型。

（3）監(jiān)控管理平臺(tái)應(yīng)具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障實(shí)時(shí)預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備維護(hù)記錄等多項(xiàng)功能。

2.主要監(jiān)控對象和內(nèi)容

本文的監(jiān)控對象是型號為HNL-16EL 的純電驅(qū)動(dòng)輪式裝載機(jī)，其試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括液壓系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、整車運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷系統(tǒng)反饋的參數(shù)信息，監(jiān)控內(nèi)容具體如下：

（1）液壓系統(tǒng)：主泵壓力、泵馬達(dá)壓力、變速泵壓力、蓄能器壓力、先導(dǎo)壓力之和、氣罐壓力、制動(dòng)壓力、液壓油溫、冷卻水溫等。

（2）電驅(qū)系統(tǒng)：行走電機(jī)轉(zhuǎn)速、主泵電機(jī)轉(zhuǎn)速、行走電機(jī)扭矩、主泵電機(jī)扭矩、行走電機(jī)功率、主泵電機(jī)功率、行走電機(jī)母線電壓、主泵電機(jī)母線電壓、行走電機(jī)直流電流、主泵電機(jī)直流電流、行走電機(jī)溫度、主泵電機(jī)溫度、行走電機(jī)控制器溫度、主泵電機(jī)控制器溫度、行走電機(jī)控制模式、主泵電機(jī)控制模式等。

（3）電池管理系統(tǒng)：電池剩余電量百分比（SOC）、電池健康度（SOH）、動(dòng)力電池總電流、動(dòng)力電池總電壓、累計(jì)充電電量、累計(jì)放電電量、電芯平均溫度、電芯最大溫度、電芯最小溫度、電芯單體平均電壓、電芯單體最大電壓、電芯單體最小電壓、充電連接狀態(tài)等。

（4）整車運(yùn)行狀態(tài)：先導(dǎo)手柄液壓鎖開關(guān)狀態(tài)、行走擋位、駐車狀態(tài)、怠速模式、手/自動(dòng)模式、當(dāng)前車速、可續(xù)駛時(shí)間等。

（5）故障診斷系統(tǒng)：電池管理系統(tǒng)最高報(bào)警等級、行走電機(jī)最高報(bào)警等級、主泵電機(jī)最高報(bào)警等級、油泵工作狀態(tài)、氣泵工作狀態(tài)、DC-DC 工作狀態(tài)，以及各模塊反饋的具體故障信息。

二、總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端、CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)、交互終端、監(jiān)控管理平臺(tái)等組成。車載終端通過初始化信號采集單元對試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，設(shè)計(jì)交互界面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過布置 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛各子系統(tǒng)間的信息交互，并基于交互終端（CZ6）做整車故障診斷，最后由上位機(jī)（PC 端）對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析。

1.車載終端

車載終端是以 STM32F767 單片機(jī)為主處理器作嵌入式軟件開發(fā)。主要設(shè)計(jì)思想是將 CAN 通訊、數(shù)據(jù)集成、嵌入式、emWin 圖形界面開發(fā)、邏輯控制等多項(xiàng)技術(shù)引入到純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)基于信息技術(shù)的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)的監(jiān)控。車載終端微控制器是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理試驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.CAN通訊網(wǎng)絡(luò)

純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)的工況一般較為復(fù)雜且作業(yè)環(huán)境相對惡劣，需保證各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性。CAN（Controller Area Network）以一種高速率、高可靠性、數(shù)字化、分散式、雙向多點(diǎn)的通信方式，解決了車輛 ECU 間眾多數(shù)據(jù)交互問題。

3.監(jiān)控管理平臺(tái)功能分析

監(jiān)控管理平臺(tái)主要包含以下幾種功能。

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)控功能：記錄試驗(yàn)樣機(jī)的各子系統(tǒng)控制器、傳感器以及執(zhí)行器反饋的重要運(yùn)行數(shù)據(jù)，并基于STemWin作人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，由RGBLCD顯示觸控集成面板實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋數(shù)據(jù)。

（2）輔助駕駛功能：用戶在集成面板上可切換怠速模式、手自動(dòng)模式輔助駕駛。

（3）故障診斷功能：本文基于交互終端（CZ6）設(shè)計(jì)整車故障子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反饋車輛具體故障信息以及各子系統(tǒng)的最高故障等級，并針對故障嚴(yán)重程度設(shè)計(jì)保護(hù)機(jī)制以提醒駕駛員車輛故障情況。

（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：主要針對故障事件觸發(fā)，保存其事件發(fā)生的時(shí)間、故障碼，并通過串口通信將發(fā)生故障時(shí)間點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)至上位機(jī)，為故障診斷或故障預(yù)測提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（6）設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)功能：檢查車輛保養(yǎng)信息、使用情況、累計(jì)工作時(shí)間、電池健康狀態(tài)等。

本文針對純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)概述了監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)功能以及監(jiān)控對象和內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的分析。整個(gè)系統(tǒng)劃分成車載終端、CAN通訊網(wǎng)絡(luò)、交互終端、監(jiān)控管理平臺(tái)四個(gè)功能模塊，并對每一模塊的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，為后續(xù)車載終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及整車故障監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

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