電動車高壓上電故障診斷與監(jiān)測

【摘? 要】電動車成為未來汽車發(fā)展的主攻方向，人們對電動車高壓安全的關(guān)注日益凸顯。借助電動車試驗數(shù)據(jù)鏈路，結(jié)合常見高壓上電故障失效類型，以電動車高壓上電時序及對應(yīng)CAN總線數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，建立電動車高壓上電故障診斷與監(jiān)測方法。結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)驅(qū)動方法能夠快速、有效地對高壓上電故障導(dǎo)致原因進行診斷并對故障狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，為量化分析高壓上電故障分析提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】電動車；高壓上電；故障診斷；故障監(jiān)測

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0036-04

High Voltage Power-on Fault Diagnosis and Monitoring of Electric Vehicles

YANG Peng-chun

（SAIC Motor R&D Innovation Headquarter，Shanghai 201804，China）

【Abstract】Electric vehicle has become the main direction of the future automobile development trend，and people's attention to the high voltage safety of electric vehicles has become increasingly prominent. With the help of data link for electric test vehicles，this paper combines common types of high-voltage power-on faults，a diagnosis and monitoring method for high-voltage power-on faults based on the high voltage power-on sequence and CAN data flow of electric vehicle. Results show that the method can diagnose the high-voltage power-on fault quickly and effectively and monitor the fault online in real time，which provides a basis for quantitative analysis of high-voltage power-on fault.

【Key words】electric vehicle；high voltage power-on；fault diagnosis；fault monitoring

綜合近幾年國內(nèi)汽車銷售結(jié)構(gòu)來看，純電動汽車成為新能源汽車的主流，在未來，純電動汽車依舊擁有龐大的上升空間。汽車道路試驗全面考核了整車各個子系統(tǒng)，在開發(fā)過程中起著關(guān)鍵的驗證作用[1]。試驗數(shù)據(jù)的采集、處理和分析一直是汽車道路試驗過程中不可缺少的過程，電動車CAN（Controller Area Network）總線數(shù)據(jù)對于電動車試驗中三電系統(tǒng)故障排查、零部件和子系統(tǒng)認證發(fā)揮著重要的作用[2]。

針對電動車整車試驗中常見的高壓上電故障，首先介紹了電動車整車試驗數(shù)據(jù)流回傳鏈路，然后分析了電動車高壓上電常見故障診斷方法，最后以電動車高壓上電時序及相關(guān)CAN總線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對電動車高壓上電流程以及故障診斷和監(jiān)測方法進行研究分析。

1? 電動車試驗數(shù)據(jù)鏈路

電動車和傳統(tǒng)燃油車相比有很大的不同之處，電動車的動力電池、電機和電控系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機和變速器。電動汽車在CAN網(wǎng)絡(luò)中使用大量的ECU控制器及傳感器，對整車故障處理不僅是整車控制策略功能的重要內(nèi)容，還是整車系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵支撐[3]。圖1為某電動車項目CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖，整車多控制器之間的數(shù)據(jù)交互依靠CAN總線進行通信，同時這些數(shù)據(jù)也是對整車試驗中故障分析的重要依據(jù)。

通過將電動車控制器總線數(shù)據(jù)進行定制化采集并統(tǒng)一通過數(shù)據(jù)平臺進行管理，同時根據(jù)對數(shù)據(jù)實時性的不同需求，可選取無線或有線的回傳方式來搭建電動車整車試驗數(shù)據(jù)回傳的鏈路，如圖2所示。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場故障排查方式相比，結(jié)合自動化的數(shù)據(jù)鏈路及三電系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的診斷分析可以大大縮短問題排查時間，從而提高試驗效率。

2? 高壓上電故障診斷與監(jiān)測

2.1? 電動車高壓上電常見故障診斷

2.1.1? 高壓互鎖故障

高壓互鎖（Hazardous Voltage Interlock Loop，HVIL）是通過使用低壓信號來確認整個高壓產(chǎn)品、導(dǎo)線、連接器及護蓋的電氣完整性。一般電動車使用的高壓部件有：動力電池（ESS）、集成充電模塊（CCU）、高壓直流轉(zhuǎn)直流模塊（HVDCDC）、電驅(qū)單元（TM）、加熱裝置（PTC）、空調(diào)壓縮機（EAC）等。只有當互鎖回路形成了一個完整的閉環(huán)時，車輛的高壓部件狀態(tài)才能認為是正常的，此時方可接入高壓電源。

高壓互鎖故障出現(xiàn)時，電動車儀表的動力系統(tǒng)故障、動力電池故障指示燈會點亮，查看控制器故障碼和高壓部件相關(guān)CAN總線數(shù)據(jù)，主要信息如表1所示。

查看故障車如上信息，可進一步縮小排查范圍，進而排查相關(guān)接插件和零部件狀態(tài)，即可鎖定故障的直接原因。

2.1.2? 絕緣阻值低故障

整車上高壓前必須進行絕緣檢測，絕緣檢測方法依據(jù)《GB/T 18384—2020 電動汽車安全要求》，其中對高壓絕緣電阻值也做了最小的規(guī)定，動力系統(tǒng)絕緣電阻在交流電路為500Ω/V、直流電路為100Ω/V，若絕緣阻值過低，則將無法上高壓電[4-5]。各整車廠開發(fā)的純電動車輛，則根據(jù)各自設(shè)定的電壓等級來確定動力系統(tǒng)的絕緣電阻報警閾值。電動車高電壓回路構(gòu)成如圖3所示。

電動車整車控制器需自帶絕緣檢測策略，某自主品牌電動車設(shè)定最低報警絕緣電阻值定為500kΩ，同時如果整車控制器（VCU）檢測值低于設(shè)定閾值，則報出相關(guān)故障碼，見表2。

車輛出現(xiàn)絕緣阻值低故障后，需要通過絕緣表進一步根據(jù)圖3高壓回路測量各回路絕緣值，從而進一步鎖定故障源。

2.1.3? 高壓繼電器故障

電動車高壓直流繼電器主要負責的是動力電池和各個高壓用電器之間的電能通斷，最終達到高度隔離的效果。常見的高壓繼電器有主正繼電器、主負繼電器和預(yù)充繼電器等，其主要失效模式有：①粘連；②卡死；③耐壓下降。高壓繼電器一般處于封閉狀態(tài)，通過外觀檢查或直接測量十分困難，一旦高壓繼電器的觸點發(fā)生粘連或者斷開，會導(dǎo)致高壓系統(tǒng)功能喪失，主要可以監(jiān)測的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)：繼電器狀態(tài)、觸點兩端電壓及整個回路的電流。

2.1.4? 控制器故障

在電動車高壓上電的過程中，整車各控制器按控制時序進行狀態(tài)檢查及信息交互，并對整個高壓系統(tǒng)進行監(jiān)控管理，當車輛狀態(tài)、控制器狀態(tài)或高壓部件異常時，整車控制器將根據(jù)情況決定高壓繼電器是否斷開或阻止高壓上電的完成。表3列舉了各控制器可能導(dǎo)致高壓上電失敗的一些常見故障。

2.2? 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的高壓上電故障監(jiān)測模型

在電動車整車道路試驗中，僅僅從故障表面現(xiàn)象上很難確認故障的原因，基于上文中常見電動車高壓上電故障及相關(guān)的數(shù)據(jù)表征量，可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法對高壓上電故障進行診斷分析，通過數(shù)據(jù)表征確認故障的直接原因，進而縮小排查范圍，節(jié)省排查時間。除此之外將試驗車輛實時回傳的關(guān)鍵數(shù)據(jù)項和相關(guān)算法結(jié)合，可以實現(xiàn)對高壓上電故障的實時監(jiān)控和預(yù)警。

本文以某自主品牌電動車項目高壓上電為例，純電動車的高壓控制回路如圖4所示，由動力電池、手動維修開關(guān)、主正繼電器、主負繼電器、預(yù)充電回路、高壓負載、控制器等組成。

電動車的高壓上電流程如圖5所示。車輛在P擋、靜止、下電且未充電的車輛前置狀態(tài)下，踩制動踏板按啟動按鍵，此時車輛電源狀態(tài)信號SysPwrMd會從OFF跳轉(zhuǎn)至CRANK Request，VCU（整車控制單元）和BMS（動力電池控制系統(tǒng)）接收到啟動命令，然后開始系統(tǒng)自檢，自檢無故障后首先閉合主負繼電器，然后閉合預(yù)充繼電器，最后閉合主正繼電器，完成車輛高壓上電過程。

結(jié)合上述高壓上電流程，并以實車數(shù)據(jù)做分析，高壓上電時序中繼電器動作過程如圖6所示。

電動車的高壓上電過程時間序列具有相似性，但是每次高壓上電過程的時間和數(shù)據(jù)變化不一定完全吻合，而動態(tài)時間規(guī)整（Dynamic Time Warping，DTW）是一種廣泛用于衡量兩個長度不同的時間序列相似度的算法。DTW 距離通過動態(tài)規(guī)整實現(xiàn)兩個序列的最優(yōu)映射，能夠有效解決時間序列在時間軸上的數(shù)據(jù)不對等問題，因此被廣泛應(yīng)用于語音識別、手勢識別和數(shù)據(jù)挖掘等諸多領(lǐng)域[6]。

假設(shè)有兩個時間序列C和Q，長度分別為m和n，C=（c₁，c₂，…，c_n），Q=（q₁，q₂，…，q_n），為了對齊兩個序列，在算法中構(gòu)造了一個m×n的矩陣，矩陣的位置（i，j）用于存儲點c_i與點q_j的曼哈頓距離，即：

d（i，j）=|c_i-d_j|（1）

DTW距離為最優(yōu)規(guī)整路徑累計距離r（i，j）之和，規(guī)整路徑從d（1，1）到d（m，n）的最小累加距離，公式為：

r（i，j）=d（i，j）+min{[r（i-1，j），r（i，j-1），r（i-1，j-1）]}（2）

D_dtw=min{r（m，n）}（3）

本文采用基于DTW算法的電動車高壓上電系統(tǒng)健康度診斷和監(jiān)測方法。

3? 實車應(yīng)用

結(jié)合電動車高壓控制回路和上電時序，選取電動車高壓上電過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)項，如表4所示。

通過數(shù)據(jù)自動化處理程序，可根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和診斷。在對某自主品牌整車試驗數(shù)據(jù)自動化處理中，識別到絕緣阻值小于500kΩ，讀取VCU控制器故障碼存在P1B41_00，判斷為整車絕緣故障導(dǎo)致車輛無法完成高壓上電，數(shù)據(jù)分析如圖7所示。鎖定車輛無法高壓上電的直接原因為絕緣故障，通過進一步對車輛絕緣部件進行測量，鎖定為動力電池內(nèi)部絕緣故障導(dǎo)致高壓上電失敗，更換動力電池后車輛恢復(fù)正常。

通過分析表4中關(guān)鍵數(shù)據(jù)項在整個高壓上電過程中數(shù)據(jù)流的變化情況，發(fā)現(xiàn)動力電池電流具有明顯相似的變化特征，當主負繼電器閉合時出現(xiàn)第一個電流尖峰，當預(yù)充繼電器閉合時出現(xiàn)第二個電流尖峰，如圖8所示。因此選取高壓上電過程中的動力電池電流作為DTW計算分析的時間序列，選取第一次正常高壓上電過程的動力電池電流作為計算基準，根據(jù)公式（3）計算后續(xù)所有高壓上電過程中的Ddtw值，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)結(jié)果設(shè)定偏差閾值為10，根據(jù)Ddtw值大小監(jiān)測高壓上電過程是否存在異常。

本文選取某一電動車項目整車試驗車輛，監(jiān)測每次高壓上電數(shù)據(jù)流，圖9為對該試驗車600次的高壓上電健康度監(jiān)測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在第214次和第569次出現(xiàn)高壓上電失敗事件，監(jiān)測結(jié)果與實際表現(xiàn)一致。

4? 結(jié)束語

本文根據(jù)對電動車高壓上電故障常見的原因類型及診斷方法的分析，結(jié)合電動車試驗數(shù)據(jù)鏈路和相關(guān)CAN總線數(shù)據(jù)，進一步提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的高壓上電故障診斷與監(jiān)測方法，并對DTW算法的監(jiān)測流程進行了詳細的介紹，最后舉出了基于上述方法分析電動車高壓上電故障診斷和監(jiān)測案例。通過本文的研究可以提高電動車高壓上電系統(tǒng)故障診斷的效率以及準確性。

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（編輯? 楊凱麟）