基于LabVIEW的電動(dòng)汽車核心部件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭拓

摘要：近年來，我國新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展迅速。在新能源汽車市場(chǎng)中，電動(dòng)汽車由于其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，目前市場(chǎng)占有率最高。但由于電動(dòng)汽車屬于較新的汽車產(chǎn)品，其售后檢測(cè)及故障診斷工作中存在先進(jìn)檢測(cè)方法、診斷設(shè)備相對(duì)缺乏的情況。鑒于以上背景，本文結(jié)合電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，基于LabVIEW對(duì)其核心部件BMS、MCU、VCU進(jìn)行線束外部信號(hào)的檢測(cè)，將虛擬儀器技術(shù)與電動(dòng)汽車進(jìn)行良好地結(jié)合，分析各核心部件的線束數(shù)據(jù)以獲取較為完整的參數(shù)信息，并進(jìn)行自動(dòng)分析判斷，能夠達(dá)到快速定位故障點(diǎn)的效果。

Abstract： In recent years， new energy vehicle market is developing rapidly in China. In this market，Electric Vehicle has the highest proportion at present because of its characteristics of energy conservation and environmental protection. However， Electric Vehicle is a new automotive product， there is a lack of advanced detection methods and diagnostic equipment for the after-sales detection and fault diagnosis. Therefor， this paper， combining with the structural characteristics and working principle of electric vehicle， detects the external signal of harness for its core components BMS， MCU and VCU based on LabVIEW， and it combines virtual instrument technology with electric vehicle. Also， this paper analyzes the harness data of each core component to obtain more complete parameter information， and makes automatic analysis and judgment， It helps to quickly locate the faults.

關(guān)鍵詞：LabVIEW;電動(dòng)汽車;檢測(cè)診斷

Key words： LabVIEW;electric vehicle;detection and diagnosis

中圖分類號(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0006-02

0? 引言

傳統(tǒng)的燃油汽車帶來了環(huán)境污染以及能源匱乏的問題，催生了電動(dòng)汽車這個(gè)新能源汽車產(chǎn)品的出現(xiàn)和快速發(fā)展。在電動(dòng)汽車的售后市場(chǎng)方面，新的產(chǎn)品也帶來了新的挑戰(zhàn)，目前電動(dòng)汽車發(fā)展的時(shí)間相對(duì)較短，售后服務(wù)人員普遍缺乏相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)，技術(shù)水平有待進(jìn)一步提高。更重要的是，在電動(dòng)汽車售后檢測(cè)診斷的過程中，缺少先進(jìn)的檢測(cè)儀器和設(shè)備。因此，研究電動(dòng)汽車檢測(cè)技術(shù)，使其檢測(cè)診斷過程向智能化、便捷化的方向發(fā)展，通過快速檢測(cè)，精準(zhǔn)診斷，能夠提高電動(dòng)汽車售后檢測(cè)診斷的工作效率，具有一定的研究意義。

1? 電動(dòng)汽車核心部件信號(hào)分析

電動(dòng)汽車核心部件主要包含了與驅(qū)動(dòng)相關(guān)的動(dòng)力電池系統(tǒng)（BMS），電機(jī)控制系統(tǒng)（MCU），整車控制器（VCU）等，這些系統(tǒng)或部件是電動(dòng)汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車的主要差異。目前市場(chǎng)上對(duì)于這些核心部件的檢測(cè)主要運(yùn)用了基于OBD的診斷儀器，具有一定的智能化優(yōu)點(diǎn)。但是此類儀器主要針對(duì)控制單元的內(nèi)部數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，導(dǎo)致該儀器具有一定的局限性，包括：在某些特定情況下（控制單元電源故障、內(nèi)部硬件故障和通信故障等），無法進(jìn)行檢測(cè)診斷;檢測(cè)的范圍只能涵蓋所有信號(hào)參數(shù)的70～80%，無法涵蓋100%的信號(hào)參數(shù)，比如供電狀態(tài)、CAN總線通信狀態(tài)等基本參數(shù)，無法有效地進(jìn)行檢測(cè)。

本文研究的電動(dòng)汽車核心部件檢測(cè)信號(hào)主要針對(duì)ECU的原始外部信號(hào)參數(shù)，即ECU外部低壓連接線束上的所有信號(hào)參數(shù)。按照控制單元的功能劃分，其主要信號(hào)包括以下幾個(gè)方面：

1.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)BMS

該部件為電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的控制ECU，其對(duì)外主要搜集相應(yīng)的整車信息，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后給出指令，對(duì)高壓繼電器進(jìn)行控制，從而對(duì)動(dòng)力電池組的電能進(jìn)行管理。其外部低壓連接線束上的信號(hào)參數(shù)主要包括ECU供電正負(fù)極、點(diǎn)火開關(guān)輸入信號(hào)、CAN總線信號(hào)等。

1.2 電機(jī)控制系統(tǒng)MCU

該部件為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的控制ECU，主要搜集相應(yīng)的整車信息，同時(shí)參考電機(jī)的繞組溫度、位置信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行配電，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。其外部低壓連接線束上的信號(hào)參數(shù)主要包括ECU供電正負(fù)極、點(diǎn)火開關(guān)輸入信號(hào)、CAN總線信號(hào)、電機(jī)溫度及位置傳感器電源輸出及反饋信號(hào)輸入等。

1.3 整車控制器VCU

該控制器的主要作用是搜集駕駛員駕駛動(dòng)作相關(guān)的控制信號(hào)及車輛運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，通過CAN總線向BMS及MCU發(fā)送整車控制需求，作為BMS對(duì)電能管理及MCU對(duì)電機(jī)控制的重要依據(jù)。其外部低壓連接線束上的信號(hào)參數(shù)主要包括ECU供電正負(fù)極、點(diǎn)火開關(guān)輸入信號(hào)、CAN總線信號(hào)、制動(dòng)開關(guān)信號(hào)、加速踏板位置傳感器信號(hào)、制動(dòng)主缸壓力傳感器信號(hào)、制動(dòng)真空助力器真空度傳感器信號(hào)、換擋桿擋位開關(guān)信號(hào)及駕駛模式開關(guān)位置信號(hào)等，同時(shí)VCU也對(duì)外輸出提供部分傳感器的供電正負(fù)極。

通過對(duì)以上電動(dòng)汽車核心部件控制ECU的分析，其外部低壓線束的信號(hào)按照相似程度可劃分為四類，即電源供電電壓類、CAN總線信號(hào)類、開關(guān)信號(hào)類、傳感器信號(hào)類。

2? 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析結(jié)果，本檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路為：首先對(duì)這些核心部件的主控制單元（BMS/MCU/VCU）外部低壓連接線束進(jìn)行硬件接入，以獲取線束上的信號(hào)參數(shù)，并通過LabVIEW設(shè)計(jì)檢測(cè)軟件，在計(jì)算機(jī)上顯示相應(yīng)參數(shù)，最后按照不同類別信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)照其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，自動(dòng)給出信號(hào)是否異常的結(jié)果，以達(dá)到快速定位故障點(diǎn)的目的。

檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)示意如圖1所示。

2.1 檢測(cè)硬件

針對(duì)指定車型，設(shè)計(jì)專用檢測(cè)板，串聯(lián)在ECU線束與待檢測(cè)系統(tǒng)ECU（BMS/MCU/VCU）之間，在保持車輛正常運(yùn)行的情況下將各核心部件信號(hào)參數(shù)不失真、不缺失地進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)硬件面板上預(yù)留了檢測(cè)口，可使用萬用表、示波器等工具進(jìn)行手動(dòng)快捷檢測(cè)，同時(shí)也設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集卡連接口，方便將信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集電路傳送至計(jì)算機(jī)上的檢測(cè)軟件。

2.2 檢測(cè)軟件

本系統(tǒng)中的檢測(cè)軟件基于LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，其為一種虛擬儀器技術(shù)（Virtual instrument）軟件開發(fā)環(huán)境，可結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖形管理、數(shù)據(jù)處理和在線幫助等功能，建立友好的人機(jī)交互虛擬儀器軟件面板，完成對(duì)各類信號(hào)參數(shù)的分析、處理與顯示，并可實(shí)現(xiàn)適合不同應(yīng)用環(huán)境和完全由用戶自己定義的各種功能。其對(duì)信號(hào)是否異常的評(píng)價(jià)方法及故障診斷思路如下：

2.2.1 電源供電正負(fù)極的評(píng)價(jià)方法及故障診斷思路

通常控制單元的B+供電可直接采集信號(hào)電壓值來進(jìn)行判斷，一般在12V左右，當(dāng)電壓值低于10.5V或高于15V時(shí)，BMS/MCU/VCU可能無法正常工作，軟件評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可參考此范圍進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)該電壓不正常時(shí)，可能存在12V蓄電池電量不足，保險(xiǎn)絲損壞或接觸不良，B+供電線路損壞或接觸不良等故障點(diǎn)。

控制單元供電負(fù)極可采集待測(cè)線路對(duì)地之間的通斷情況，當(dāng)顯示斷路時(shí)，可能存在負(fù)極線路損壞、接地點(diǎn)接觸不良等故障點(diǎn)。

2.2.2 CAN總線信號(hào)的評(píng)價(jià)方法及故障診斷思路

目前電動(dòng)汽車廣泛采用速率500kBit/s的高速CAN總線，在激活狀態(tài)下，CAN-H線信號(hào)電壓為2.5～3.5V，CAN-L線信號(hào)電壓為1.5～2.5V，可直接采集這兩條線上的平均電壓值作為參考數(shù)據(jù)。一般工作時(shí)CAN-H線信號(hào)平均電壓值比2.5V略高，在2.6～2.7V左右;CAN-L線信號(hào)平均電壓值比2.5V略低，在2.3～2.4V左右，各車型略有差異，可參考實(shí)際情況將這些數(shù)值范圍作為軟件的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)CAN-H或CAN-L線路上的信號(hào)平均電壓值不正常時(shí)，可能存在CAN總線通信故障。進(jìn)一步分析故障點(diǎn)，如果兩條線路上任一信號(hào)平均電壓值接近12V，可能是對(duì)應(yīng)線路與蓄電池正極短路;如果電壓值接近0V時(shí)，可能是對(duì)應(yīng)線路與接地短路;如果兩條線路的信號(hào)電壓值均接近2.5V，可能是兩條線之間出現(xiàn)了相互短路。

2.2.3 開關(guān)信號(hào)的評(píng)價(jià)方法及故障診斷思路

在電動(dòng)汽車核心部件控制單元中，主要的開關(guān)輸入信號(hào)包括點(diǎn)火開關(guān)、制動(dòng)開關(guān)、擋位開關(guān)、駕駛模式開關(guān)等。這些開關(guān)在位置變化時(shí)，通常使相應(yīng)線路上的信號(hào)電壓值在12V與0V之間變換。當(dāng)駕駛員做出相應(yīng)的駕駛動(dòng)作，使開關(guān)到達(dá)對(duì)應(yīng)位置時(shí)，信號(hào)電壓值應(yīng)發(fā)生變化，軟件可以以此作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)信號(hào)電壓不隨之變化時(shí)，說明對(duì)應(yīng)的開關(guān)、線路存在損壞或者接觸不良等故障點(diǎn)。

2.2.4 傳感器信號(hào)的評(píng)價(jià)方法及故障診斷思路

BMS/MCU/VCU主要的外部傳感器包括有制動(dòng)主缸壓力、加速踏板位置、真空度、溫度、電機(jī)三相位置等傳感器。對(duì)于這些傳感器的檢測(cè)，可從傳感器供電正負(fù)極開始，通常傳感器供電正極線路電壓為5V左右，負(fù)極線路對(duì)地之間導(dǎo)通，這兩者可參考ECU供電正負(fù)極的檢測(cè)及故障診斷方法。當(dāng)這兩個(gè)條件正常時(shí)，傳感器反饋信號(hào)電壓范圍一般在0.5～4.5V之間，軟件可按照此范圍作為參考評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如反饋信號(hào)電壓不正常，則檢查傳感器及對(duì)應(yīng)線路是否存在損壞。

當(dāng)BMS/MCU/VCU所有外部低壓線束信號(hào)均正常的情況下，則控制單元本身可能存在損壞。

3? 結(jié)語

通過硬件和軟件的設(shè)計(jì)，構(gòu)建形成電動(dòng)汽車多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車核心部件的檢測(cè)診斷。首先，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)并顯示出這些部件連接線束上的全部參數(shù)，包含電源參數(shù)（ECU供電正負(fù)極）、輸入信號(hào)參數(shù)（開關(guān)及傳感器信號(hào)參數(shù)）、總線信號(hào)參數(shù)（CAN-H及CAN-L總線信號(hào)參數(shù)）以及輸出信號(hào)參數(shù)（傳感器供電正負(fù)極）。其次，系統(tǒng)將檢測(cè)到的參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)這些信號(hào)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)分析和判斷，顯示參數(shù)是否正常，以達(dá)到縮小排查范圍，定位故障點(diǎn)的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳浩瑋，張旋，孫鑫，張涔，王科舉，馬仕麟，趙紅順.基于虛擬儀器技術(shù)的新能源汽車檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（23）：104-105.

[2]姚子欣，劉凌飛，趙瑞林，郭昊.基于LabVIEW 純電動(dòng)汽車能源系統(tǒng)診斷平臺(tái)開發(fā)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（02）：23-26.

[3]盧光明，杜森，王家忠，謝立潔，周刊.基于LabVIEW的電動(dòng)汽車BMS數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2019，06（02）：28-33.

[4]麥鵬.電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)故障檢測(cè)及診斷方法研究[D].長安大學(xué)，2019.

[5]胥軍，李剛炎，胡劍，陳濤濤.汽車駕駛室電器在線檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)[J].汽車技術(shù)，2012（04）：20-24.