基于UDS協(xié)議的新能源汽車整車控制器故障診斷研究

何國俊

摘要：隨著新能源汽車技術(shù)水平的不斷更新，先進(jìn)的汽車整車控制技術(shù)被運用不同車型中，但當(dāng)前整車控制技術(shù)還是不太成熟，有著較大的提高空間。其中新能源汽車整車控制器的優(yōu)化升級是目前亟待解決的問題，UDS協(xié)議的新能源汽車整車控制器適合動態(tài)測量，它擁有強(qiáng)大的輸出能力，并且配用的電路較為簡單，性能較為穩(wěn)定，一直是汽車測試中的首選。本文基于UDS協(xié)議的新能源汽車整車控制器故障診斷研究，以此來為我國汽車測試提供一些見解和貢獻(xiàn)。

Abstract： With the continuous renewal of new energy vehicle technology， advanced vehicle control technology is used in different models， but the current vehicle control technology is still not mature and has a lot of room for improvement. Among them， the optimization and upgrade of the new energy vehicle controller is a problem that needs to be solved urgently. The new energy vehicle controller of the UDS protocol is suitable for dynamic measurement. It has a strong output capability， and the equipped circuit is relatively simple， and the performance is relatively stable. ， Has always been the first choice in automotive testing. This article is based on the research of the fault diagnosis of the new energy vehicle controller based on the UDS protocol， in order to provide some insights and contributions for my country's vehicle testing.

關(guān)鍵詞：UDS協(xié)議;汽車測試;應(yīng)用探究

Key words： UDS protocol;automotive testing;application exploration

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0127-03

0 ?引言

隨著新能源汽車技術(shù)的不斷升級，我國新能源汽車集成化、模塊化程度也在不斷提高，操控性和舒適性的提升更是有目共睹。新能源汽車由復(fù)雜的電氣和高壓的電氣部件構(gòu)成，在沒有診斷功能和安全控制策略的情況下，是很難獲取汽車的故障信息，并且新能源汽車出現(xiàn)故障時會造成嚴(yán)重后果。所以對新能源汽車控制器的性能要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也十分的嚴(yán)格。汽車控制器必須得長期經(jīng)受復(fù)雜工況的嚴(yán)苛考驗，所以對監(jiān)測的精度和可靠性還有反應(yīng)速度和抗壓能力都有較高要求。只有合格的控制器才能更加準(zhǔn)確的實時性的監(jiān)測駕駛車輛的正常運行工作狀態(tài)。它們能否穩(wěn)定工作，將直接影響車輛的正常行駛?，F(xiàn)代汽車維修監(jiān)測技術(shù)是汽車日常檢修的一項核心技術(shù)，其主要通過與汽車電子化和智能檢測技術(shù)的有效緊密結(jié)合，實現(xiàn)了在汽車日常維修過程中的故障診斷、記錄與故障排查功能，并將汽車有關(guān)故障信息實時存儲至內(nèi)置的監(jiān)測設(shè)備的源代碼中。汽車維修監(jiān)測技術(shù)是指通過對各種汽車維修故障情況進(jìn)行合理、有效地監(jiān)測分析，來完成汽車故障的排查，對于新能源汽車整車控制器的故障排查起到了關(guān)鍵的作用。

1 ?CAN 總線 UDS 協(xié)議故障診斷架構(gòu)

近年來隨著新能源汽車技術(shù)的突飛猛進(jìn)，汽車安全性以及操控性都有了很大的提高，這也是衡量新能源汽車質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。國家制定了嚴(yán)格的安全法規(guī)以規(guī)范新能源汽車行業(yè)，為了滿足安全法規(guī)的要求，新能源汽車企業(yè)對車輛進(jìn)行系統(tǒng)功能上的調(diào)整與改進(jìn)，并采用多種安全測試方法來保證汽車的安全控制性能，其中汽車電子技術(shù)的優(yōu)化起了重大的推動作用。汽車控制器作為電子控制系統(tǒng)的重要部件，也是其核心領(lǐng)域的研究技術(shù)之一。零件的精度和可靠性還有反應(yīng)速度和抗壓能力都有較高要求，只有裝備高水平的自動控制器才能更加準(zhǔn)確的實時性的監(jiān)測駕駛車輛的正常運行工作狀態(tài)，它們能否穩(wěn)定工作，將直接影響新能源汽車安全行駛。

隨著車載故障智能診斷技術(shù)不斷發(fā)展，ISO組織為了研究車載故障智能診斷分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，制定了目前已在國際上廣泛通用的車載故障智能診斷分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該協(xié)議在全球大多數(shù)國家通用。本文主要介紹用UDS診斷協(xié)議來定義故障智能診斷的各個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)屬性，確定它的網(wǎng)絡(luò)CAN總線的網(wǎng)絡(luò)屬性，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)可以大致細(xì)分為四層，其中主要部分包括物理層、數(shù)據(jù)系統(tǒng)層和網(wǎng)絡(luò)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的應(yīng)用層和管理層?；谒腜LC的網(wǎng)絡(luò)CAN總線UDS故障診斷網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，見圖1，根據(jù)系統(tǒng)基礎(chǔ)建立以及設(shè)計工作過程，主要大致可細(xì)分為以下幾個基本設(shè)計步驟：

①使用者可以按照自身的應(yīng)用需要來確定故障診斷功能要求，在多個協(xié)議中通過分別選取一個協(xié)議對應(yīng)的用戶故障診斷服務(wù)功能來界定應(yīng)用級，而根據(jù)這些約定，對于需要通過應(yīng)用協(xié)議實現(xiàn)的各個故障診斷，在文中通過依次選擇應(yīng)用協(xié)議的診斷業(yè)務(wù)功能，來具體分析并定義故障診斷分析業(yè)務(wù)。

②基于層的CAN總線，ISO15765-2協(xié)議可以來直接指定在網(wǎng)絡(luò)故障與應(yīng)急診斷處理架構(gòu)體系中的網(wǎng)絡(luò)級。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能之一是按照客戶要求，統(tǒng)一定義各個應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊傳送以及所有數(shù)據(jù)包之間的通訊傳輸服務(wù)，并通過對網(wǎng)絡(luò)底層的所有數(shù)據(jù)單元、數(shù)據(jù)包類型和傳輸方式等分別作出了明確界定，來直接實現(xiàn)基于CAN總線上所有數(shù)據(jù)包的傳送、包裝、解包等主要功能。為網(wǎng)絡(luò)故障應(yīng)急診斷處理過程架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及所有互聯(lián)網(wǎng)客戶端的數(shù)據(jù)通訊傳送服務(wù)奠定了信息基石。

③基于幀的CAN總線ISO11898-1協(xié)議明確通信故障數(shù)據(jù)診斷網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)鏈接線路網(wǎng)絡(luò)層和物理層。在故障診斷信息傳遞過程中，數(shù)據(jù)鏈接線路層將網(wǎng)絡(luò)層診斷傳輸數(shù)據(jù)的不成幀信號進(jìn)行解析分解，將故障數(shù)據(jù)診斷傳輸發(fā)送到幀CAN總線上，并將幀在CAN總線上的診斷數(shù)據(jù)成幀信號傳輸發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層。為網(wǎng)絡(luò)層診斷提供物理服務(wù)，并通過成幀信號處理和數(shù)據(jù)差錯跟蹤監(jiān)測技術(shù)來有效保證數(shù)據(jù)的診斷傳輸線路穩(wěn)定性和診斷準(zhǔn)確性。根據(jù)不同功能線路需要首先來明確定義物理層，對通信接口的主要機(jī)械線路特性、功能線路特性、電氣線路特性、傳輸線路特性等要素進(jìn)行明確定義，為數(shù)據(jù)鏈接線路的分層診斷提供物理服務(wù)。

1.1 新能源汽車CAN總線

目前，國際通用的總線是CAN總線，CAN總線是車載控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱，具有技術(shù)成本低、運行簡單方便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可以多對多發(fā)送數(shù)據(jù)、防止總線擁堵、干擾率和出錯率低等優(yōu)點。CAN總線技術(shù)可以實時精確控制總線上的報文及節(jié)點，還可對網(wǎng)絡(luò)實行分布式控制，提高網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性。

1.2 CAN總線通信技術(shù)分析

根據(jù)CAN總線協(xié)議規(guī)范，CAN總線的通信接口包含架構(gòu)中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能。通信時通過發(fā)送幀來傳輸數(shù)據(jù)，通常幀的類型有四種：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和超載幀，CAN總線的報文結(jié)構(gòu)有兩種：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。

從發(fā)送節(jié)點往總線發(fā)送的是數(shù)據(jù)幀，其接收對象是CAN總線上的接收報文的節(jié)點，CAN總線上主要的數(shù)據(jù)傳輸是由數(shù)據(jù)幀完成的;遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀的格式大體一致，但遠(yuǎn)程幀中沒有數(shù)據(jù)域，其發(fā)送對象為報文接收節(jié)點，接收對象是和接收節(jié)點ID一致的報文發(fā)送節(jié)點，在通信時為了成功完成數(shù)據(jù)傳輸，接收節(jié)點向發(fā)送節(jié)點發(fā)送遠(yuǎn)程幀，催促發(fā)送節(jié)點發(fā)出報文;當(dāng)總線上連續(xù)出現(xiàn)6個顯性位時就進(jìn)入錯誤標(biāo)識位即出現(xiàn)錯誤幀，CAN總線上的其他節(jié)點也將發(fā)送錯誤被動標(biāo)識，為了進(jìn)一步防止總線發(fā)送錯誤的信息而導(dǎo)致異常，CAN總線協(xié)議設(shè)置了一套完整的錯誤幀管理機(jī)制，也就是當(dāng)節(jié)點不停的發(fā)送主動錯誤的信息時，總線會直接關(guān)閉，通過延遲報文的接收時間，來降低總線負(fù)載。所以，當(dāng)接收點處理數(shù)據(jù)的能力進(jìn)一步飽和的時候，那么CAN總線通信時為了等待數(shù)據(jù)幀或者遠(yuǎn)程幀發(fā)送后的ACK應(yīng)答，調(diào)整數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級設(shè)置了幀間空間，所以，主要由間歇和總線空閑組成，需要注意的是只有數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)幀，遠(yuǎn)程幀和遠(yuǎn)程幀之間才設(shè)置有幀間間隔，其他幀無幀間間隔。

2 ?整車控制器故障診斷

電氣系統(tǒng)故障主要進(jìn)行基于時域的檢測：機(jī)械故障主要進(jìn)行基于信號頻域的檢測;與模型相關(guān)的故障則進(jìn)行基于累計數(shù)據(jù)的檢測。其作用為判定故障的類型、發(fā)生部位和故障的嚴(yán)重程度以及發(fā)展趨勢?？梢愿鶕?jù)故障的嚴(yán)重程度決定電機(jī)的運行、制定維修計劃。不同的故障等級對應(yīng)不同的故障處理方法，尤其是在車輛的駕駛過程中，通過嚴(yán)重的故障檢測，整車控制應(yīng)進(jìn)入故障模式，并對駕駛員發(fā)出警告，安全停車等待救援;而對于輕微故障，在保證行駛安全性的前提下，可以進(jìn)行容錯的處理，可使車輛跛行回家，或行駛至維修點進(jìn)行故障維修。將具體故障以故障碼的方式進(jìn)行存儲。故障碼的存儲有靜態(tài)存儲值和動態(tài)存儲值。實際上，可以通過靜態(tài)的存儲進(jìn)行外部測試，信號基本不變，可以通過使用控制系統(tǒng)不斷進(jìn)行重復(fù)的編程，而動態(tài)的儲存值是可以被內(nèi)部故障信號進(jìn)行置換的。靜態(tài)存儲值即寫入程序的值，動態(tài)存儲值為寫入flash等掉電存儲的存儲器中的值。

2.1 系統(tǒng)需求分析

在深入研究基于UDS協(xié)議的新能源汽車整車控制器故障診斷的過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前故障檢測系統(tǒng)的主要功能對于UDS協(xié)議主要體現(xiàn)有以下幾個層面的功能。第一個就是遠(yuǎn)程視頻信息監(jiān)控的主要功能，可以通過智能手機(jī)或者平板電腦上的移動監(jiān)控設(shè)備連接來實時監(jiān)察其現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻信息，通過傳輸設(shè)備再連接到移動端，進(jìn)而幫助設(shè)備進(jìn)行操作。鑒于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的諸多局限性，新能源汽車企業(yè)在設(shè)計新系統(tǒng)時需要更加先進(jìn)的視頻監(jiān)控功能;第二是智能識別動態(tài)目標(biāo)的系統(tǒng)，當(dāng)汽車行駛時此系統(tǒng)實時檢測動態(tài)目標(biāo)并預(yù)警，改善駕駛體驗、增強(qiáng)安全性。監(jiān)控系統(tǒng)要想進(jìn)行全方位的監(jiān)控，不僅需要采集車輛現(xiàn)場信息，同時也要對于各個環(huán)境的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控以及預(yù)警。除此之外，還需要硬件設(shè)施的實用性強(qiáng)，在功能不受影響的同時可以選擇成本較低，體積較小，擴(kuò)展性較強(qiáng)的硬件模塊。

2.2 自動化數(shù)據(jù)使用

在實際應(yīng)用中，新能源汽車充分利用UDS各方面的優(yōu)勢采用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)對自身的各個工作環(huán)節(jié)進(jìn)行實時監(jiān)控。UDS的智能監(jiān)控系統(tǒng)以PC服務(wù)器端為中心，可充分發(fā)揮CAN總線的性能優(yōu)勢對控制器中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，并對其進(jìn)行及時的保存。在編寫控制器故障檢測程序時，要遵循相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸原則，及時優(yōu)化存在差異的細(xì)節(jié)，保證計算機(jī)通訊的順暢性。在系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的工作過程中，要對監(jiān)控服務(wù)器端的監(jiān)控函數(shù)數(shù)據(jù)變化的情況進(jìn)行實時監(jiān)測，并進(jìn)行實時監(jiān)聽。服務(wù)器的監(jiān)控工作管理流程較為復(fù)雜，在實際的監(jiān)控工作流程運行管理環(huán)節(jié)中，要注意保證主機(jī)控制器與主機(jī)攝像頭之間采集視頻數(shù)據(jù)的實時準(zhǔn)確性。因此當(dāng)對新能源汽車整車控制管理系統(tǒng)用戶界面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化自動處理后，要根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)正常運行的實際工作情況自動重啟監(jiān)聽服務(wù)，及時進(jìn)行主機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)聽。當(dāng)系統(tǒng)有其他客戶端數(shù)據(jù)接入時，要及時創(chuàng)建與其他客戶端的實時連接，準(zhǔn)備實際的監(jiān)聽接收數(shù)據(jù)，這大大提升了監(jiān)控的效率。

UDS協(xié)議作為新能源汽車整車控制系統(tǒng)的主要組成部分，在監(jiān)控管理領(lǐng)域中發(fā)揮這重要作用，如圖2，主要就是利用了其較為智能化的技術(shù)特點，對新能源汽車運行情況進(jìn)行實時監(jiān)測并實時監(jiān)控可能出現(xiàn)的故障。這種自動化的監(jiān)控手段比傳統(tǒng)人工監(jiān)控作業(yè)更準(zhǔn)確、更快速，它能實時預(yù)測故障發(fā)生的可能性，并且迅速地做出預(yù)防措施，能更加好地提高了監(jiān)控質(zhì)量及安全水平。

3 ?結(jié)論

新能源汽車技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展要求其故障診斷系統(tǒng)必須緊跟技術(shù)潮流，不斷優(yōu)化升級，而整車控制器是新能源汽車故障診斷的核心所在，是重中之重，目前已經(jīng)基本實現(xiàn)了故障的實時監(jiān)測、故障處理、故障信息存儲和交互式診斷通信等功能，可以說它就是新能源汽車的"大腦"。先進(jìn)的PC端故障診斷功能比傳統(tǒng)故障診斷儀更加高效，功能也更加強(qiáng)大，整車控制器優(yōu)化升級，對新能源汽車故障診斷是十分重要的?；赨DS協(xié)議的新能源汽車整車控制器故障診斷模塊能夠充分利用先進(jìn)診斷技術(shù)根據(jù)新能源汽車實際工作情況，實時監(jiān)測新能源汽車動力電池系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、安全駕駛系統(tǒng)等模塊的各項性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行分析判斷，確定出故障發(fā)生位置以及推測故障發(fā)生原因并將故障信息存儲在ROM存儲器中。

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