CN109484392B - 一种多轮分布式混合动力系统集成故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多轮分布式混合动力系统集成故障诊断方法，旨在准确判定系统故障等级并进行容错处理，包括以下步骤：首先，对系统构型与拓扑结构进行分析；其次，遵循“信号‑部件‑系统”的故障等级映射机制，确定系统故障等级；然后，根据系统故障等级在原有基本能量算法上进行容错控制集成，包括高压上下电、模式选择与行车控制模块；最后，对故障信息进行存储。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆故障诊断方法，尤其是涉及一种多轮分布式混合动力系统的集成故障诊断方法。
背景技术
近年来，随着环境和能源问题的日益突出，具有节能环保优势，且当前技术条件下可行性较好的混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)取得了长足的发展。相比于传统车辆，混合动力汽车增加了一系列的高压元器件，如动力电池、电机等，容易对自身弱电设备造成干扰，另一方面，增加的电池管理系统与电机控制系统也使得HEV系统结构和控制更加复杂，其潜在故障也高于传统车辆。此外，现有车载自动诊断系统(On-BoardDiagnostics，OBD)并不能监控HEV中电池、电机等设备，其应用具有局限性。因此，针对HEV建立一套合理的故障诊断体系对于提高车辆安全性与可靠性具有重要意义。
现有的一些专利，如中国专利公布号CN101947939A，公布日2011-01-19，发明名称为“一种中度混合动力汽车加速踏板故障诊断及处理方法”，该发明由整车控制器对加速踏板信号进行超限判断和合理性判断，然后根据加速踏板的不同故障设置不同标志位，对信号进行不同的处理，极大减小加速踏板信号故障对整车安全性的影响。中国专利公布号CN106608257A，公布日2017-05-03，发明名称为“混合动力汽车的故障诊断和管理方法”，该发明对整车与零部件的故障进行在线分析，并记录故障的当前和历史信息，有利于对故障数据离线分析，提高整车驾驶安全性。中国专利公布号CN105882649A，公布日2016-08-24，发明名称为“一种混合动力汽车故障诊断方法”，该发明针对现有故障诊断方法不完善，不能满足对短时故障、闭环系统间歇故障诊断要求的问题，进行故障检测与故障确认模块开发，实现了动力系统故障信号的准确检测。
综上，现有的少量混合动力系统故障诊断方面专利能够实现故障信号的初步检测与确认，但在故障信号对整车系统的影响以及故障发生后车辆的容错处理层面上少有涉及，即目前缺少一种包含故障等级划分、容错控制、故障信息存储的混合动力系统集成故障诊断方法。
发明内容
本发明旨在解决现有混合动力系统故障诊断方法不完善、少有涉及故障信号对整车系统影响以及故障发生后车辆容错处理的问题，提出一种合理的混合动力系统集成故障诊断方法。
为解决上述技术问题，本发明基于多轮分布式驱动试验样车，在原有基本能量管理策略的基础上，完善一种综合故障等级划分、容错控制、故障信息存储的混合动力系统集成故障诊断方法；具体包括下述步骤：
步骤一：系统构型与拓扑结构分析。
本专利研究对象为多轮分布式串联混合动力驱动试验样车，主要动力部件为发动机-发电机组、动力电池、八个走行电机与液压电机。其中，发动机-发电机组和动力电池通过电路径为八个走行电机与液压电机提供电能；液压电机通过带动液压泵运转，实现车辆的转向、升降与制动功能。从拓扑结构划分，系统包含的节点为：八个走行电机控制器MCU1～MCU8、液压电机控制器MCU9、整车控制器HCU、发动机-发电机组控制器APU、电池管理系统BMS、顶层智能系统AGV、整车处理单元PLC、散热系统控制器FAN。其中，整车控制器HCU接收顶层智能系统AGV或整车处理单元PLC的操作指令进行运算，并输出控制指令到八个驱动电机控制器MCU1～MCU8；液压电机控制器MCU9接收顶层智能系统AGV或整车处理单元PLC的操作指令，单独控制车辆的转向、升降与制动动作。电池管理系统BMS与整车控制器HCU共同负责车辆的高压上下电过程。
步骤二：故障等级划分，对混合动力系统各节点输入故障信号进行部件与系统的故障等级划分，包括以下步骤：
(1)部件故障等级划分
首先，根据节点反馈的故障信号，进行基于计时的故障确认；当故障信号为0，则整车控制器HCU确认当前信号无故障，计时器为0；当故障信号为1，则整车控制器HCU通过计时器计算故障持续时间；如果故障持续时间超过设定的故障时间门限，则整车控制器HCU确认发生故障；如果故障持续时间未设定的故障时间门限，则整车控制器HCU确认为短时故障，不做处理，计时器清零；
然后，针对确认的故障，将单一故障信号映射到部件故障等级；最后，取最大值作为部件故障等级。
(2)系统故障等级确认
本专利所述的多轮分布式串联混合动力驱动试验样车，共有5个故障等级，分别对应5个故障等级号0-4。在得到各部件故障等级后，分析部件故障对系统的映射关系，本专利针对各主要部件的映射机制如下：
a.顶层智能系统AGV与整车处理单元PLC
目前，顶层智能系统AGV与整车处理单元PLC存在的故障主要为CAN通讯故障，当两者之间任何一个发生CAN通讯故障时，对应整车故障等级号为3。
b.走行电机
当8个走行电机中最大故障为1级故障时，对应整车故障等级号为1；当8个走行电机中最大故障为2级故障时，对应整车故障等级号为2；当8个走行电机中最大故障为3级故障，即停机故障时，整车故障等级号取决于反馈3级故障的电机个数：
当反馈3级故障的电机个数小于等于4个时，整车故障等级号为2；
当反馈3级故障的电机个数大于4个时，整车故障等级号为3。
c.液压电机
当液压电机最大故障为1级或2级故障时，对应整车故障等级号为2；最大故障为3级故障时，对应整车故障等级号为4；
d.动力电池
当动力电池最大故障为1级或2级故障时，对应整车故障等级号为2；最大故障为3级故障时，对应整车故障等级号为4；
e.发动机-发电机组
目前发动机-发电机组故障只包括1级报警故障与3级停机故障。当发动机-发电机组故障等级为1时，对应整车故障等级号为2；当发动机-发电机组故障等级为3时，整车故障等级取决于动力电池的故障状态：
当动力电池为3级故障时，整车故障等级号为3；
当动力电池小于3级故障时，整车故障等级号为2。
步骤三：容错控制实现
首先，本发明基本能量管理算法主要包括5大模块：信号输入与输出模块、信号处理模块、高压上下电模块、模式选择模块以及行车控制模块，具体包括以下内容：
(1)信号输入与输出模块：用于底层模块的搭建，实现整车控制器HCU与其他各节点信号的通讯功能。
(2)信号处理模块：对各节点输入到整车控制器HCU中的各个信号进行降噪、滤波等处理。
(3)高压上下电模块：根据整车电子电气架构，设置合理的高压上下电流程，保证行车安全。
(4)模式选择模块：根据输入到整车控制器HCU各节点相关信号，判断车辆当前的行驶状态，然后进行各个工作模式的选择，具体包括模式切换条件制定以及基于状态机的工作模式制定。
(5)行车控制模块，根据模式选择模块确定的工作模式，对各部件进行控制。
其次，根据故障等级划分模块确定的系统故障等级，进行系统级的容错控制，其容错核心思想为：
(1)故障等级号为0时，表示系统正常，不做处理；
(2)故障等级号为1时，表示系统处于报警状态，此时车辆维持运行并记录故障，本次任务结束后，通知维修，重新启动检查；
(3)故障等级号为2时，表示系统处于降功率状态，此时车辆限功率运行，降功率行驶至维修地点，停车检查；
(4)故障等级号为3时，表示系统处于停车且高压维持状态，此时车辆清空驱动电机转矩，保持液压电机运行，使车辆具备转向和制动能力，保证车辆行驶安全；
(5)故障等级号为4时，表示系统处于停车且高压故障状态，车辆紧急停止，所有电机动力清除，延时5s后车辆下高压，此时液压电机无法保持运行。
最后，在原有基本能量管理算法中集成容错控制模块，主要涉及到高压上下电、模式选择与行车控制模块的集成容错，具体措施如下：
(1)高压上下电模块容错控制：当故障等级号为4时，系统进入到紧急下电模式，延时5s后车辆下高压；当故障等级号小于4时，系统维持高压，不做容错处理。
(2)模式选择模块容错控制：在原有的基于能量管理的模式切换条件和状态机的基础上，加入对系统故障等级的补充与修正。
(3)行车控制模块容错控制：在原有的基于能量管理的各个工作模式上，根据系统故障等级新增跛行模式和强制停车模式。
步骤四：故障信息存储
当发生故障时，整车控制器HCU确定系统故障等级号，将其发送至顶层智能系统AGV；顶层智能系统AGV根据反馈的故障等级号确定车辆故障状态，并采取与整车控制器HCU类似的容错措施，与整车控制器HCU冗余保证行车安全；此外，顶层智能系统AGV可以通过记录故障的当前与历史信息，更有利于对故障信息进行离线分析，提高车辆行驶安全性。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
(1)本发明构建了混合动力汽车HEV的故障诊断体系，完善从故障等级划分、容错控制到故障信息存储的混合动力系统集成故障诊断方法开发；
(2)本发明在故障等级划分中从试验样车系统工作原理出发，遵循“信号-部件-系统”的故障映射机制，结构清晰合理；
(3)本发明将容错控制算法集成到原有基本控制策略中，尽可能减小对前期控制策略模型改动，保证不影响已有的能量管理策略正常功能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明提出的混合动力系统集成故障诊断方法总流程图；
图2为本发明提出的多轮分布式串联混合动力系统拓扑结构；
图3为本发明提出的故障等级划分模块示意图；
图4为本发明提出的基本能量管理算法组成部分示意图；
图5为本发明提出的基本能量管理算法模式选择模块示意图；
图6为本发明提出的包含容错控制的模式选择模块集成示意图；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更细致的描述：
本发明基于多轮分布式驱动试验样车，在原有基本能量管理策略的基础上，完善一种综合故障等级划分、容错控制、故障信息存储的混合动力系统集成故障诊断方法，如图1所示，具体包括下述步骤：
步骤一：系统构型与拓扑结构分析
本专利研究对象为多轮分布式串联混合动力驱动试验样车，主要动力部件为发动机-发电机组、动力电池、八个走行电机与液压电机。其中，发动机-发电机组和动力电池通过电路径为八个走行电机与液压电机提供电能；液压电机通过带动液压泵运转，实现车辆的转向、升降与制动功能。从拓扑结构划分，系统包含的节点，如图2所示，分别为：八个走行电机控制器MCU1～MCU8、液压电机控制器MCU9、整车控制器HCU、发动机-发电机组控制器APU、电池管理系统BMS、顶层智能系统AGV、整车处理单元PLC、散热系统控制器FAN1～FAN3。其中，整车控制器HCU接收顶层智能系统AGV或整车处理单元PLC的操作指令进行运算，并输出控制指令到八个驱动电机控制器MCU1～MCU8；液压电机控制器MCU9接收顶层智能系统AGV或整车处理单元PLC的操作指令，单独控制车辆的转向、升降与制动动作。电池管理系统BMS与整车控制器HCU共同负责车辆的高压上下电过程。
步骤二：故障等级划分，对混合动力系统各节点输入故障信号进行部件与系统的故障等级划分，如图3所示，具体包括以下步骤：
(1)部件故障等级划分
首先，根据节点反馈的故障信号，进行基于计时的故障确认；当故障信号为0，则整车控制器HCU确认当前信号无故障，计时器为0；当故障信号为1，则整车控制器HCU通过计时器计算故障持续时间；如果故障持续时间超过设定的故障时间门限，则整车控制器HCU确认发生故障；如果故障持续时间未设定的故障时间门限，则整车控制器HCU确认为短时故障，不做处理，计时器清零；
然后，针对确认的故障，将单一故障信号映射到部件故障等级；最后，取最大值作为部件故障等级。
(2)系统故障等级确认
本专利所述的多轮分布式串联混合动力驱动试验样车，共有5个故障等级，分别对应5个故障等级号0-4。在得到各部件故障等级后，分析部件故障对系统的映射关系，本专利针对各主要部件的映射机制如下：
a.顶层智能系统AGV与整车处理单元PLC
目前，顶层智能系统AGV与整车处理单元PLC存在的故障主要为CAN通讯故障，当两者之间任何一个发生CAN通讯故障时，对应整车故障等级号为3。
b.走行电机
当8个走行电机中最大故障为1级故障时，对应整车故障等级号为1；当8个走行电机中最大故障为2级故障时，对应整车故障等级号为2；当8个走行电机中最大故障为3级故障，即停机故障时，整车故障等级号取决于反馈3级故障的电机个数：
当反馈3级故障的电机个数小于等于4个时，整车故障等级号为2；
当反馈3级故障的电机个数大于4个时，整车故障等级号为3。
c.液压电机
当液压电机最大故障为1级或2级故障时，对应整车故障等级号为2；最大故障为3级故障时，对应整车故障等级号为4；
d.动力电池
当动力电池最大故障为1级或2级故障时，对应整车故障等级号为2；最大故障为3级故障时，对应整车故障等级号为4；
e.发动机-发电机组
目前发动机-发电机组故障只包括1级报警故障与3级停机故障。当发动机-发电机组故障等级为1时，对应整车故障等级号为2；当发动机-发电机组故障等级为3时，整车故障等级取决于动力电池的故障状态：
当动力电池为3级故障时，整车故障等级号为3；
当动力电池小于3级故障时，整车故障等级号为2。
步骤三：容错控制实现
首先，本发明基本能量管理算法主要包括5大模块：信号输入与输出模块、信号处理模块、高压上下电模块、模式选择模块以及行车控制模块，如图4所示，具体包括以下内容：
(1)信号输入与输出模块：用于底层模块的搭建，实现整车控制器HCU与其他各节点信号的通讯功能。
(2)信号处理模块：对各节点输入到整车控制器HCU中的各个信号进行降噪、滤波等处理。
(3)高压上下电模块：根据整车电子电气架构，设置合理的高压上下电流程，保证行车安全。
(4)模式选择模块：根据输入到整车控制器HCU各节点相关信号，判断车辆当前的行驶状态，然后进行各个工作模式的选择，具体包括模式切换条件制定以及基于状态机的工作模式制定。模式切换条件如图5所示，数字1、2、8、9、10、11为外层停车-制动-驱动工作模式切换条件；剩余数字为停车、驱动、制动内部模式之间的模式切换条件。
(5)行车控制模块，根据模式选择模块确定的工作模式，对各部件进行控制。整车工作模式同样参考图5，主要包括停车模式、纯电动模式、发动机启动模式、发动机工作模式、再生制动模式以及机械制动模式。
其次，根据故障等级划分模块确定的系统故障等级，进行系统级的容错控制，其容错核心思想为：
(1)故障等级号为0时，表示系统正常，不做处理；
(2)故障等级号为1时，表示系统处于报警状态，此时车辆维持运行并记录故障，本次任务结束后，通知维修，重新启动检查；
(3)故障等级号为2时，表示系统处于降功率状态，此时车辆限功率运行，降功率行驶至维修地点，停车检查；
(4)故障等级号为3时，表示系统处于停车且高压维持状态，此时车辆清空驱动电机转矩，保持液压电机运行，使车辆具备转向和制动能力，保证车辆行驶安全；
(5)故障等级号为4时，表示系统处于停车且高压故障状态，车辆紧急停止，所有电机动力清除，延时5s后车辆下高压，此时液压电机无法保持运行。
最后，在原有基本能量管理算法中集成容错控制模块，主要涉及到高压上下电、模式选择与行车控制模块的集成容错，具体措施如下：
(1)高压上下电模块容错控制：当故障等级号为4时，系统进入到紧急下电模式，延时5s后车辆下高压；当故障等级号小于4时，系统维持高压，不做容错处理。
(2)模式选择模块容错控制：在原有的基于能量管理的模式切换条件和状态机的基础上，加入对系统故障等级的补充与修正，如图6所示。具体地，在图5的基础上，新增了由无故障模式到故障模式的切换条件，包括无故障模式到跛行模式14、跛行模式到紧急停车模式15以及紧急停车模式到停车模式16。
(3)行车控制模块容错控制：如图6所示，在原有的基于能量管理的各个工作模式上，根据系统故障等级新增跛行模式和紧急停车模式。
步骤四：故障信息存储
当发生故障时，整车控制器HCU确定系统故障等级号，将其发送至顶层智能系统AGV；顶层智能系统AGV根据反馈的故障等级号确定车辆故障状态，并采取与整车控制器HCU类似的容错措施，与整车控制器HCU冗余保证行车安全；此外，顶层智能系统AGV可以通过记录故障的当前与历史信息，更有利于对故障信息进行离线分析，提高车辆行驶安全性。
Claims (1)
1.一种多轮分布式混合动力系统集成故障诊断方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：
步骤一：系统主要部件与拓扑结构分析
多轮分布式串联混合动力驱动试验样车，主要动力部件为发动机-发电机组、动力电池、八个走行电机与液压电机；其中，发动机-发电机组和动力电池通过电路径为八个走行电机与液压电机提供电能；液压电机通过带动液压泵运转，实现车辆的转向、升降与制动功能；从拓扑结构划分，系统包含的节点为：八个走行电机控制器MCU1～MCU8、液压电机控制器MCU9、整车控制器HCU、发动机-发电机组控制器APU、电池管理系统BMS、顶层智能系统AGV、整车处理单元PLC和散热系统控制器FAN；其中，整车控制器HCU接收顶层智能系统AGV或整车处理单元PLC的操作指令进行运算，并输出控制指令到八个走行电机控制器MCU1～MCU8；液压电机控制器MCU9接收顶层智能系统AGV或整车处理单元PLC的操作指令，单独控制车辆的转向、升降与制动动作；电池管理系统BMS与整车控制器HCU共同负责车辆的高压上下电过程；
步骤二：故障等级划分，对混合动力系统各节点输入故障信号进行部件与系统的故障等级划分，包括以下步骤：
(1)部件故障等级划分
首先，根据节点反馈的故障信号，进行基于计时的故障确认；当故障信号为0，则整车控制器HCU确认当前信号无故障，计时器为0；当故障信号为1，则整车控制器HCU通过计时器计算故障持续时间；如果故障持续时间超过设定的故障时间门限，则整车控制器HCU确认发生故障；如果故障持续时间未超过设定的故障时间门限，则整车控制器HCU确认为短时故障，不做处理，计时器清零；
然后，针对确认的故障，将单一故障信号映射到部件故障等级；最后，取最大值作为部件故障等级；
(2)系统故障等级确认
多轮分布式串联混合动力驱动试验样车，共有5个故障等级，分别对应5个故障等级号0-4；在得到各部件故障等级后，分析部件故障对系统的映射关系，各主要部件的映射机制如下：
a.顶层智能系统AGV与整车处理单元PLC
目前，顶层智能系统AGV与整车处理单元PLC存在的故障主要为CAN通讯故障，
当两者之间任何一个发生CAN通讯故障时，对应整车故障等级号为3；
b.走行电机
当8个走行电机中最大故障为1级故障时，对应整车故障等级号为1；当8个走行电机中最大故障为2级故障时，对应整车故障等级号为2；当8个走行电机中最大故障为3级故障，即停机故障时，整车故障等级号取决于反馈3级故障的电机个数：
当反馈3级故障的电机个数小于等于4个时，整车故障等级号为2；
当反馈3级故障的电机个数大于4个时，整车故障等级号为3；
c.液压电机
当液压电机最大故障为1级或2级故障时，对应整车故障等级号为2；最大故障为3级故障时，对应整车故障等级号为4；
d.动力电池
当动力电池最大故障为1级或2级故障时，对应整车故障等级号为2；最大故障为3级故障时，对应整车故障等级号为4；
e.发动机-发电机组
目前发动机-发电机组故障只包括1级报警故障与3级停机故障；当发动机-发电机组故障等级为1时，对应整车故障等级号为2；当发动机-发电机组故障等级为3时，
整车故障等级取决于动力电池的故障状态：
当动力电池为3级故障时，整车故障等级号为3；
当动力电池小于3级故障时，整车故障等级号为2；
步骤三：容错控制实现
首先，基本能量管理算法主要包括以下内容：
(1)信号输入与输出模块：用于底层模块的搭建，实现整车控制器HCU与其他各节点信号的通讯功能；
(2)信号处理模块：对各节点输入到整车控制器HCU中的各个信号进行降噪、滤波、规整处理；
(3)高压上下电模块：根据整车电子电气架构，设置合理的高压上下电流程，保证行车安全；
(4)模式选择模块：根据输入到整车控制器HCU各节点信号，判断车辆当前的行驶状态，然后进行各个工作模式的选择，具体包括模式切换条件制定以及基于状态机的工作模式制定；
(5)行车控制模块，根据模式选择模块确定的工作模式，对各部件进行控制；
其次，根据故障等级划分模块确定的系统故障等级，进行系统级的容错控制：
(1)故障等级号为0时，表示系统正常，不做处理；
(2)故障等级号为1时，表示系统处于报警状态，此时车辆维持运行并记录故障，本次任务结束后，通知维修，重新启动检查；
(3)故障等级号为2时，表示系统处于降功率状态，此时车辆限功率运行，降功率行驶至维修地点，停车检查；
(4)故障等级号为3时，表示系统处于停车且高压维持状态，此时车辆清空走行电机转矩，保持液压电机运行，使车辆具备转向和制动能力，保证车辆行驶安全；
(5)故障等级号为4时，表示系统处于停车且高压故障状态，车辆紧急停止，所有电机动力清除，延时5s后车辆下高压，此时液压电机无法保持运行；
最后，在原有基本能量管理算法中集成容错控制模块，具体措施如下：
(1)高压上下电模块容错控制：当故障等级号为4时，系统进入到紧急下电模式，延时5s后车辆下高压；当故障等级号小于4时，系统维持高压，不做容错处理；
(2)模式选择模块容错控制：在原有的基于能量管理的模式切换条件和状态机的基础上，加入对系统故障等级的补充与修正；
(3)行车控制模块容错控制：在原有的基于能量管理的各个工作模式上，根据系统故障等级新增跛行模式和强制停车模式；
步骤四：故障信息存储；
当发生故障时，整车控制器HCU确定系统故障等级号，将其发送至顶层智能系统AGV；顶层智能系统AGV根据反馈的故障等级号确定车辆故障状态，并采取与整车控制器HCU相同的容错措施，与整车控制器HCU冗余保证行车安全；此外，顶层智能系统AGV可以通过记录故障的当前与历史信息，更有利于对故障信息进行离线分析，提高车辆行驶安全性。
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