基于控制系統(tǒng)的汽車(chē)電器故障診斷方法研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）07-0147-03

Research on Fault Diagnosis Method of Automotive Electrical Appliances Based on Control

ZhangJiefei，WangChen （School of Automotive Engineering，Henan Vocational and Technical College of Transportation，Zhengzhou 45Oooo，China）

【Abstract】With the evolutionof automotive electrical architecture towards centralization，traditional fault diagnosis methodshavebeen dificult to meet therequirements ofcomplex fault scenarios.Thisarticleconductsanin-depth study ontheautomotiveelectrical fault diagnosis technology basedonthecontrol system.Firstly，itanalyzestheprinciple structureoftheautomotiveelectricalcontrolsystemandexploresitsuniqueadvantages infaultdiagnosisandthespecific application of thecontrol algorithm.Furthermore，a hierarchical hardwarearchitectureandamulti-dimensionaldata acquisitionsystemare designed，and signal procesing，feature extractionand decisionreasoning algorithmsare integrated toprovidethecodeof thefaultdetectionalgorithm.Bybuildinganexperimental platform tosimulatevarious faultconditionsfortesting，theresultsshowthattheoptimizedsystemhassignificantlyimprovedkeyindicatorssuchas open-circuit recognition rateand short-circuit response time.The average diagnostic delay is shortened by 42.3% ，power consumption is reduced by 31.6% ，and the diagnostic coverage rate reaches 95.1% .The research results provide a new path for fault diagnosis of automotiveelectronic systems and have important reference significance for the developmentof multi-domain fusion diagnosis systems for new energy vehicles.

【KeyWords】 control system；domain controller；fault diagnosis；centralization of electrical architecture

0 引言

汽車(chē)電氣架構(gòu)集中化變革重構(gòu)故障診斷技術(shù)。域控制器主導(dǎo)架構(gòu)中，電力分配與信號(hào)傳輸耦合加強(qiáng)，傳統(tǒng)閾值法難識(shí)多重故障。線控系統(tǒng)致電氣與機(jī)械故障聯(lián)鎖，診斷需解決時(shí)空雙重問(wèn)題。控制系統(tǒng)觀測(cè)器機(jī)制借狀態(tài)空間模型動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，可對(duì)電氣參數(shù)異常機(jī)理溯源，為診斷領(lǐng)域提供參考。

1控制系統(tǒng)在汽車(chē)電器故障診斷中的應(yīng)用

1.1控制系統(tǒng)的基本原理與結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)是基于反饋調(diào)節(jié)的閉環(huán)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，核心由信息采集、中央處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成閉環(huán)鏈路。傳感器監(jiān)測(cè)電氣參數(shù)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后處理，中央處理單元采用比例積分微分（ProportionalIntegralDerivative，PID）控制算法補(bǔ)償系統(tǒng)偏差，輸出信號(hào)經(jīng)功率放大調(diào)節(jié)電氣負(fù)載1]。

系統(tǒng)采用硬軟解耦的層次化設(shè)計(jì)，嵌入式系統(tǒng)保障毫秒級(jí)調(diào)度。借助控制器局域網(wǎng)CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通信，其自監(jiān)測(cè)機(jī)制通過(guò)對(duì)比設(shè)定與反饋值偏差識(shí)別異常，為故障診斷筑牢硬件根基。

1.2控制系統(tǒng)在電器故障診斷中的優(yōu)勢(shì)

控制系統(tǒng)用于汽車(chē)電器故障診斷優(yōu)勢(shì)顯著，核心是建立動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)。相比易受工況干擾的傳統(tǒng)靜態(tài)閾值診斷法，控制理論的狀態(tài)觀測(cè)能微分分析電氣參數(shù)瞬變，嵌入式處理器還可自適應(yīng)調(diào)整檢測(cè)閾值2。閉環(huán)控制雙向信息流助力故障溯源，通過(guò)解析執(zhí)行偏差定位失效點(diǎn)；數(shù)字孿生技術(shù)以虛擬傳感器重構(gòu)信號(hào)，強(qiáng)化診斷能力。同時(shí)，控制系統(tǒng)的時(shí)序管理可規(guī)避間歇性故障漏檢，在復(fù)雜電磁環(huán)境中，其狀態(tài)觀測(cè)器還能過(guò)濾噪聲，提升診斷可信度。

1.3控制算法在電器故障診斷中的應(yīng)用

先進(jìn)控制算法從狀態(tài)重構(gòu)與參數(shù)辨識(shí)兩大維度，為汽車(chē)電器故障診斷提供多維分析手段。自適應(yīng)滑模觀測(cè)器構(gòu)建非線性方程生成理想電氣參數(shù)軌跡，以測(cè)量值與估計(jì)值殘差為診斷核心；基于李雅普諾夫穩(wěn)定性的算法可在線更新模型參數(shù)，確保元件老化時(shí)診斷有效。

模糊邏輯控制器針對(duì)難以精確建模的故障，依專(zhuān)家規(guī)則庫(kù)對(duì)短路阻抗?jié)u變進(jìn)行模糊推理；模型預(yù)測(cè)控制（ModelPredictiveControl，MPC）框架下的殘差發(fā)生器，能通過(guò)殘差信號(hào)關(guān)聯(lián)分析隔離傳感器與執(zhí)行器故障3。深度學(xué)習(xí)與控制理論融合的強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略，優(yōu)化制動(dòng)能量回收系統(tǒng)電壓紋波診斷邊界。重要安全部件采用雙重閉環(huán)設(shè)計(jì)，主控制器負(fù)責(zé)功能調(diào)節(jié)，副控制器專(zhuān)司故障仲裁，借硬件冗余滿足等級(jí)D（Automotive Safety Integrity Level-D，ASIL-D）級(jí)功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

2汽車(chē)電器故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車(chē)電器故障診斷系統(tǒng)采用分層式硬件架構(gòu)，以域控制器為核心構(gòu)建分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。傳感層部署高精度電壓電流檢測(cè)模塊與寬溫域溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)采集；傳輸層集成高速總線接口，保障跨系統(tǒng)診斷信息交互；處理層利用異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)，確保故障分析實(shí)時(shí)處理4。架構(gòu)采用多重冗余設(shè)計(jì)與優(yōu)化電磁屏蔽，保障關(guān)鍵信號(hào)穩(wěn)定采集，滿足嚴(yán)苛車(chē)載環(huán)境需求。系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

硬件設(shè)計(jì)通過(guò)優(yōu)化電源管理和布局，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。冗余電源實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)切換供電，多層電路抑制電磁干擾，異構(gòu)計(jì)算加速故障特征識(shí)別。整套系統(tǒng)符合汽車(chē)電子功能安全與可靠性標(biāo)準(zhǔn)，為故障診斷筑牢硬件基礎(chǔ)。

2.2 故障檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障檢測(cè)系統(tǒng)建立多維度數(shù)據(jù)采集機(jī)制，通過(guò)同步獲取電氣參數(shù)與環(huán)境參數(shù)構(gòu)建完整的故障特征空間。故障檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

故障檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建起涵蓋電氣特性、環(huán)境狀態(tài)、機(jī)械動(dòng)態(tài)與通信數(shù)據(jù)的全方位監(jiān)測(cè)體系，借助4類(lèi)專(zhuān)業(yè)模塊協(xié)同采集數(shù)據(jù)。電氣監(jiān)測(cè)單元融合寬量程高精度電流監(jiān)測(cè)與高分辨率電壓采集，符合電氣與通信標(biāo)準(zhǔn)；環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊快速采集溫度，遵循環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范；機(jī)械動(dòng)態(tài)檢測(cè)利用寬頻帶振動(dòng)傳感器捕捉振動(dòng)特征，滿足可靠性要求；通信接口設(shè)置大容量緩存通道，適配主流診斷協(xié)議。各模塊通過(guò)硬件時(shí)間戳同步，構(gòu)建時(shí)空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型，形成多維度故障特征空間，為診斷算法提供完整數(shù)據(jù)支撐。

2.3控制系統(tǒng)算法的實(shí)現(xiàn)

故障檢測(cè)算法代碼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了3層級(jí)聯(lián)式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)：第1層實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)降噪，第2層提取電氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征量，第3層通過(guò)模糊邏輯完成故障狀態(tài)推理與標(biāo)準(zhǔn)診斷代碼輸出，如圖1所示。該代碼模板可直接部署至車(chē)載電子控制單元ECU實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線診斷。

控制算法融合信號(hào)處理、特征提取與決策推理3大模塊，采用自適應(yīng)濾波技術(shù)提升信號(hào)可靠性，動(dòng)態(tài)特征提取機(jī)制捕捉關(guān)鍵狀態(tài)變化，基于預(yù)設(shè)規(guī)則的模糊推理實(shí)現(xiàn)多維度故障模式識(shí)別。算法架構(gòu)具備高效的數(shù)據(jù)處理流程和可靠的狀態(tài)判斷邏輯，支持實(shí)時(shí)診斷需求并兼容標(biāo)準(zhǔn)車(chē)載診斷協(xié)議。

3基于控制系統(tǒng)的汽車(chē)電器故障診斷試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)平臺(tái)的搭建與測(cè)試設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)集成車(chē)身控制、動(dòng)力系統(tǒng)與關(guān)鍵傳感器，以專(zhuān)用臺(tái)架模擬整車(chē)電氣環(huán)境。通過(guò)可編程負(fù)載復(fù)現(xiàn)開(kāi)路、短路等常見(jiàn)故障工況，構(gòu)建仿真矩陣。診斷系統(tǒng)與車(chē)輛總線深度集成，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，確保測(cè)試符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試按漸近原則，從單體到整車(chē)逐級(jí)驗(yàn)證，覆蓋診斷全鏈路。

3.2故障診斷效果與精度評(píng)估

通過(guò)系統(tǒng)化測(cè)試驗(yàn)證診斷性能，試驗(yàn)平臺(tái)模擬7大類(lèi)典型故障工況開(kāi)展多維度評(píng)估。測(cè)試嚴(yán)格執(zhí)行電壓波動(dòng) ±15% 、溫度循環(huán) -40～125^°C 等邊界條件，經(jīng) 500h 持續(xù)壓力測(cè)試獲取量化數(shù)據(jù)。故障診斷核心指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果如表3所示。核心指標(biāo)優(yōu)化顯著：開(kāi)路識(shí)別率達(dá) 98.7% （提升 9.3% ），短路響應(yīng)時(shí)間縮短至 17ms （降幅 39.3% ），信號(hào)漂移誤報(bào)率降至 1.2% ，多故障并發(fā)識(shí)別率提升 24.8% ，極端溫度診斷成功率超 93% ，系統(tǒng)可靠性大幅提升。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

系統(tǒng)性能綜合優(yōu)化分析見(jiàn)表4。試驗(yàn)分析確認(rèn)優(yōu)化方案達(dá)成3大技術(shù)突破：診斷延遲縮短至 15ms 級(jí)，較基準(zhǔn)值提升 42.3% 顯著超越行業(yè)平均水平；在保持診斷精度的前提下，功耗降低 31.6% 滿足新能源汽車(chē)能效要求；系統(tǒng)抗振容限提升至 8g ，突破傳統(tǒng)車(chē)規(guī)級(jí)電子系統(tǒng)5g的上限。診斷覆蓋率提升至95.1% 的業(yè)界領(lǐng)先水平，內(nèi)存資源占用壓縮 35.3% 支持嵌人式平臺(tái)部署。這些優(yōu)化成果驗(yàn)證了技術(shù)路線的工程可行性，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4結(jié)論

本研究系統(tǒng)論證了基于控制系統(tǒng)的汽車(chē)電器故障診斷技術(shù)路線在提升綜合診斷效能方面的核心價(jià)值。通過(guò)創(chuàng)新性融合分層架構(gòu)設(shè)計(jì)與智能決策算法，成功構(gòu)建具備高魯棒性的整車(chē)故障診斷體系。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方案在故障識(shí)別廣度與深度層面實(shí)現(xiàn)顯著突破，特別是對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)能力及實(shí)時(shí)響應(yīng)性能達(dá)到行業(yè)前沿水平。在技術(shù)實(shí)施層面，優(yōu)化的硬件架構(gòu)與算法協(xié)同機(jī)制有效降低系統(tǒng)誤判率，同時(shí)保障了在嚴(yán)苛環(huán)境應(yīng)力下的診斷穩(wěn)定性。研究成果為解決汽車(chē)電子系統(tǒng)故障早期預(yù)警與精準(zhǔn)定位提供了可行路徑，其架構(gòu)設(shè)計(jì)范式對(duì)新能源汽車(chē)多域融合診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有方法論參考價(jià)值。

注：本文為河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃《面向真實(shí)交通場(chǎng)景智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：23B580006）的研究成果。

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（編輯林子衿）