CN114714912A - 一种电驱车辆能源动力系统故障诊断方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电驱车辆能源动力系统故障诊断方法和装置，解决能源动力系统的故障诊断缺少有效技术手段导致故障诊断准确性和诊断响应效率低下的技术问题。方法包括：根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象；对所述故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化；根据所述故障影响因子控制电输出功率并形成故障处理策略。采用基于影响因子的分级控制，依据不同设备的故障类型定义了能源动力系统故障诊断策略和应急故障处理策略。分级控制手段有效解决了特种电驱车辆能源动力系统故障类型多、数量多，耦合性强，处理方式复杂的问题。

Description

一种电驱车辆能源动力系统故障诊断方法和装置

技术领域

本发明涉及车辆驱动控制技术领域，具体涉及一种电驱车辆能源动力系统故障诊断方法和装置。

背景技术

现有技术中，特种电驱车辆采用分布式能源动力系统设计方案，改变了以往的集中式系统部署架构。能源动力系统的动力单元(发电机组)及多组动力电池组分布于底盘空间，基于智能功率流管理策略，根据车辆行驶工况及能源需求状态分配各动力单元及动力电池组的输出功率。

电驱车辆能源动力系统具有系统构成复杂、故障类型多、故障耦合性强的特点，对单点故障等级与单点故障间相关性判断复杂，而故障处理方式受故障判断影响，会对车辆可靠、平稳运行形成较大影响。因此，如何有效进行能源动力系统故障诊断对车辆安全高效行驶意义重大。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种电驱车辆能源动力系统故障诊断方法和装置，解决能源动力系统的故障诊断缺少有效技术手段导致故障诊断准确性和诊断响应效率低下的技术问题。

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，包括：

根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象；

对所述故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化；

根据所述故障影响因子控制电输出功率并形成故障处理策略。

本发明一实施例中，根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象，包括：

根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取控制功能节点并确定数量；

根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取机电转换功能节点并确定数量；

根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取蓄能充放节点并确定数量。

本发明一实施例中，所述对所述故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化，包括：

根据能源动力系统中丧失功能状态划分一级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为致命；

根据能源动力系统中严重故障状态划分二级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为严重；

根据能源动力系统中轻微故障状态划分三级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为轻微。

本发明一实施例中，所述根据能源动力系统中丧失功能状态划分一级故障诊断等级，包括：

当能源动力系统控制器全部离线时，故障影响因子量化为致命；

当全部动力电池包失效时，故障影响因子量化为致命。

本发明一实施例中，所述根据能源动力系统中严重故障状态划分二级故障诊断等级，包括：

当存在能源动力系统控制器离线时，故障影响因子量化为严重；

当一个动力单元故障且功能受限时，故障影响因子量化为严重；

当一个动力电池组故障且功能受限时，故障影响因子量化为严重。

本发明一实施例中，所述根据能源动力系统中轻微故障状态划分三级故障诊断等级，包括：

当存在至少一个动力单元故障，故障影响因子量化为轻微；

当存在至少一个动力电池组故障，故障影响因子量化为轻微。

本发明一实施例中，所述根据所述故障影响因子控制电输出功率并形成故障处理策略，包括：

根据故障影响因子对整车驱动功率进行限幅；

设置常规故障处理过程中功能节点的安全工作温度阈值作为能源动力系统运行的边界条件；

设置应急故障处理过程中功能节点的安全工作温度阈值作为能源动力系统运行的边界条件。

本发明一实施例中，所述根据故障影响因子对整车驱动功率进行限幅略，包括：

当动力电池组出现功能丧失型故障，无法充/放电时，依据动力电池组系统最大充/放电功率衰减比例，同比限制动力单元最大输出总功率。

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断装置，包括：

存储器，用于存储如上述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法的诊断过程的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断装置，包括：

诊断对象定义模块，用于根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象；

影响因子量化模块，用于对所述故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化；

故障处理策略模块，用于根据所述故障影响因子控制电输出功率并形成故障处理策略。

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法和装置采用基于影响因子的分级控制，依据不同设备的故障类型定义了能源动力系统故障诊断策略和应急故障处理策略。分级控制手段有效解决了特种电驱车辆能源动力系统故障类型多、数量多，耦合性强，处理方式复杂的问题。

附图说明

图1所示为本发明一实施例电驱车辆能源动力系统的架构示意图。

图2所示为本发明一实施例电驱车辆能源动力系统故障诊断方法的流程示意图。

图3所示为本发明一实施例电驱车辆能源动力系统故障诊断装置的架构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例特种电驱车辆的能源动力系统架构如图1所示。在图1中，本实施例主要由能源动力系统控制器、动力单元、动力电池组、电气及网络连接部件等组成。其中：

能源动力系统控制器，用于根据控制需求形成动力单元的同步驱动数据和动力电池组的功率输出控制数据，获取能源动力系统中状态反馈数据，根据预置判断策略形成控制-反馈-修正过程。控制需求包括但不限于工况过程中对动力单元和动力电池组功率输出的需求，以及根据功率输出需求对发动机和电动机的驱动数据、对动力电池组充放电状态的控制数据。控制-反馈-修正过程中包括故障诊断过程和故障处理策略，根据能源动力系统故障诊断方法进行故障诊断、修正对应处理过程。

动力单元，用于接收对应的同步驱动数据，根据同步驱动数据将低压供电信号形成内部机电功率转换过程的驱动信号，控制机电转换过程将机械能转换为电功率信号并联输出。每个动力单元包括动力单元控制器、发电机以及与发电机传动啮合的发动机，动力单元控制器控制机电转换过程中传动啮合过程，根据发动机输出功率和机电功率转换效率控制机电转换过程。各动力单元输出的电功率信号通过变频整流形成高压直流功率信号。

动力电池组，用于受控接受高压直流功率信号对动力电池充电，受控形成放电输出功率。每个动力电池组包括电池包和用于对电池包充放电受控管理和电池状态反馈控制的电管理系统从控制器。

控制CAN总线，用于在控制端和受控端间形成信号传输总线，上行传输监测数据，下行传输控制数据。本实施例中，控制端为能源动力系统控制器，受控端为动力单元或动力电池组。

低压供电母线，用于获取形成控制信号的工作电源。

高压直流母线，用于获取通过机电转换过程形成的工作电源。高压直流电流的形成装置本示意图未示出。

电池主控盒，用于形成各动力电池组的内联CAN总线与控制CAN总线数据的受控交换。

动力电池组内置CAN总线节点部件，动力电池组间建立独立的内联CAN总线，通过电池主控盒形成内联CAN总线与控制CAN总线数据的数据级联，形成动力电池组与能源动力系统整体的低耦合性，保持模块化动力电池组的数据控制灵活性和独立性。

本发明一实施例电驱车辆能源动力系统故障诊断方法如图2所示。在图2中，本实施例包括：

步骤100：根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象。

本领域技术人员可以理解，功能节点中包括网元单元，通过网元单元实现对应功能，通过网元单元获取对应功能实现过程的反馈状态和控制状态。功能节点包括控制信号形成设备、机电转换设备和充放电设备，通过能源动力系统中功能节点间的控制信号传递的拓扑结构确定实现能源动力系统的功能节点类型和数量，以各功能节点作为故障诊断对象，以功能节点中网元单元提供的功能状态作为故障诊断依据。传递拓扑结构包括至少包括控制信号下行的传递拓扑结构、状态反馈信号上行的传递拓扑结构。

在本发明一实施例中，能源动力系统包括能源动力系统控制器两台，以主从热备份方式运行；动力单元数量为n1，不少于1≤n1≤2，动力电池组采用模块化设计，和车辆的电驱动轴数量大致相同，数量为n2(2≤n2≤7)，一个动力电池组对应一台电机驱动器，一台电机驱动器驱动成对的轮边驱动电机。

步骤200：对故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化。

通过故障表现和故障形成因素间网元单元的经验数据和经验判断的关联性确定故障的定性类别，为每种故障的定性类别建立可量化的故障影响因子。通过故障影响因子的量化诊断能源动力系统故障的危害程度。

步骤300：根据故障影响因子控制电输出功率并形成故障处理策略。

通过以功能节点的安全工作阈值为边界条件将故障影响因子的量化数据用于控制能源动力系统的机电转换和/或动力电池组的电输出功率，形成对电驱车辆在工况下不同故障等级的驱动保护。

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法采用基于影响因子的分级控制，依据不同设备的故障类型定义了能源动力系统故障诊断策略和应急故障处理策略。分级控制手段有效解决了特种电驱车辆能源动力系统故障类型多、数量多，耦合性强，处理方式复杂的问题。

如图2所示，在本发明一实施例中，步骤100中，包括：

步骤110：根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取控制功能节点并确定数量。

在本发明一实施例中，存在多个控制功能节点，即两个形成主备的能源动力系统控制器。

步骤120：根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取机电转换功能节点并确定数量。

在本发明一实施例中，存在多个机电转换节点，即并行受控的动力单元。

步骤130：根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取蓄能充放节点并确定数量。

在本发明一实施例中，存在多个蓄能充放节点，即同步受控的动力电池组。

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法通过确定能源动力系统的控制和受控关联关系确定故障诊断对象和故障诊断对象的基本控制特征，为故障判断分析和策略化消除故障形成统一对象基础。

如图2所示，在本发明一实施例中，步骤200中，包括：

步骤210：根据能源动力系统中丧失功能状态划分一级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为致命。

丧失功能状态包括但不限于导致机电转换、充放电功能缺失的功能节点的设备、信号、数据的失效、失控或低效等。故障影响因子的量化数据设定为K＝0，为致命故障。

步骤220：根据能源动力系统中严重故障状态划分二级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为严重。

严重故障状态包括但不限于导致机电转换、充放电功能严重故障的功能节点的设备、信号、数据的稳定性跳变、劣化或不可测等。

在本发明一实施例中，故障影响因子K＝min{(n_{动力电池总数}-n_{动力电池致命故障数量})/n_{动力电池总数}，[P_{动力单元总功率*}(n_{动力单元总数}-n_{动力单元致命故障数量})+P_{动力电池总功率}]/(P_{动力单元总功}+P_{动力电池总功率})}，为严重故障。

步骤230：根据能源动力系统中轻微故障状态划分三级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为轻微。

轻微故障状态包括但不限于导致机电转换、充放电功能轻微故障的功能节点反馈的设备、信号、数据的初级告警、早期故障阈值触发或边界信号反馈异常等。故障影响因子K＝1，为轻微故障。

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法通过故障反馈和功能判断对故障诊断对象进行系统故障分析，使得故障影响因子的量化真实反映整体能源动力系统的故障等级。

如图2所示，在本发明一实施例中，步骤210中，包括：

步骤211：当能源动力系统控制器全部离线时，故障影响因子量化为致命。

在本发明一实施例中，根据CAN总线状态表征所有能源动力系统控制器的离线状态。

步骤212：当全部动力电池包失效时，故障影响因子量化为致命。

在本发明一实施例中，所有动力电池包充放电不可控为功能丧失状态。

如图2所示，在本发明一实施例中，步骤220中，包括：

步骤221：当存在能源动力系统控制器离线时，故障影响因子量化为严重。

在本发明一实施例中，根据CAN总线状态表征一个能源动力系统控制器的离线状态。

步骤222：当一个动力单元故障且功能受限时，故障影响因子量化为严重。

在本发明一实施例中，动力单元中的动力单元控制器或发电机反馈表征功能丧失，且发电机输出电功率下降。

步骤223：当一个动力电池组故障且功能受限时，故障影响因子量化为严重。

在本发明一实施例中，根据车辆能够正常工作的动力电池组数量≥1，且动力电池组数量故障数量≥1，且输出电功率保持下降状态。

如图2所示，在本发明一实施例中，步骤230中，包括：

步骤231：当存在至少一个动力单元故障，故障影响因子量化为轻微。

在本发明一实施例中，动力单元故障数量≥1，且故障动力单元功能未丧失，且输出电功率性能为未下降状态。

步骤232：当存在至少一个动力电池组故障，故障影响因子量化为轻微。

在本发明一实施例中，动力电池组故障数量≥1，且故障动力电池组功能未丧失，且输出电功率性能为未下降状态。

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法通过建立故障影响因子量化过程，建立系统级故障现象的全面特征概括，保证故障诊断的系统性和系统故障定位的准确性，为后续应急策略提供有效的补救依据。

如图2所示，在本发明一实施例中，步骤300中，包括：

步骤310：根据故障影响因子对整车驱动功率进行限幅。

在本发明一实施例中，P_{能源动力系统故障}＝P_{能源动力系统正常}*K

其中：

P_{能源动力系统故障}为故障状态下能源动力系统允许的可提供功率最大值。

P_{能源动力系统正常}为正常状态下能源动力系统允许的可提供功率最大值。

在本发明一实施例中，步骤310包括：

步骤311：当动力电池组出现功能丧失型故障，无法充/放电时，依据动力电池组系统最大充/放电功率衰减比例，同比限制动力单元最大输出总功率。

步骤320：设置常规故障处理过程中功能节点的安全工作温度阈值作为能源动力系统运行的边界条件。

在本发明一实施例中，常规故障处理策略下，动力电池(包含三元锂电池、磷酸铁锂电池及钛酸锂电池)切断输出的过温保护阈值设定为60℃；

动力单元过温停机保护阈值分为分别发动机过温停机保护值、发电机过温停机保护值、发电机控制器过温停机保护值。

其中:

T_{发动机过温停机保护值}＝T_{发动机允许的最高工作温度}-T_裕度

T_{发电机过温停机保护值}＝T_{发电机允许的最高工作温度}-T_裕度。

T_{发电机控制器过温停机保护值}＝T_{发电机控制允许的最高工作温度}-T_裕度

2℃≤T_裕度≤5℃

步骤330：设置应急故障处理过程中功能节点的安全工作温度阈值作为能源动力系统运行的边界条件。

在本发明一实施例中，应急故障处理策略下，动力电池组切断输出的过温停机保护阈值调整为：

T_{三元锂电池过温保护}＝60℃

T_{磷酸铁锂电池过温保护}＝65℃

T_{钛酸锂电池过温保护}＝65℃

动力单元过温停机保护阈值调整为：

T_{发动机过温停机保护值}＝T_{发动机允许的最高工作温度}

T_{发电机过温停机保护值}＝T_{发电机允许的最高工作温度}

T_{发电机控制器过温停机保护值}＝T_{发电机控制允许的最高工作温度}

本发明实施例的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法通过系统运行边界条件和输出功率的限制实现常规和应急策略下电功率输出可用性的可靠性保证。使得电驱车辆电驱动过程中机电转换和电功率输出的可用性和可靠性形成平衡，降低运行风险。

本发明一实施例电驱车辆能源动力系统故障诊断装置，包括：

存储器，用于存储上述实施例电驱车辆能源动力系统故障诊断方法的诊断过程的程序代码；

处理器，用于执行上述实施例电驱车辆能源动力系统故障诊断方法的诊断过程的程序代码。

能源动力系统控制器可以作为处理器，可以采用DSP(Digital SignalProcessor)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。

本发明一实施例电驱车辆能源动力系统故障诊断装置如图3所示。在图3中，本实施例包括：

诊断对象定义模块10，用于根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象；

影响因子量化模块20，用于对故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化；

故障处理策略模块30，用于根据故障影响因子控制能源动力系统输出功率并形成故障处理策略。

如图3所示，在本发明一实施例中，诊断对象定位模块10包括：

控制对象定位单元11，用于根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取控制功能节点并确定数量；

转换对象定位单元12，用于根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取机电转换功能节点并确定数量；

蓄能对象定位单元13，用于根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取蓄能充放节点并确定数量。

如图3所示，在本发明一实施例中，影响因子量化模块20包括：

致命因子形成单元21，用于根据能源动力系统中丧失功能状态划分一级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为致命；

严重因子形成单元22，用于根据能源动力系统中严重故障状态划分二级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为严重；

轻微因子形成单元23，用于根据能源动力系统中轻微故障状态划分三级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为轻微。

如图3所示，在本发明一实施例中，致命因子形成单元21包括：

第一致命量化子单元21a，用于当能源动力系统控制器全部离线时，故障影响因子量化为致命；

第二致命量化子单元21b，用于当全部动力电池包失效时，故障影响因子量化为致命。

如图3所示，在本发明一实施例中，严重因子形成单元22包括：

第一严重量化子单元22a，用于当存在能源动力系统控制器离线时，故障影响因子量化为严重；

第二严重量化子单元22b，用于当一个动力单元故障且功能受限时，故障影响因子量化为严重；

第三严重量化子单元22c，用于当一个动力电池组故障且功能受限时，故障影响因子量化为严重。

如图3所示，在本发明一实施例中，轻微因子形成单元23包括：

第一轻微量化子单元23a，用于当存在至少一个动力单元故障，故障影响因子量化为轻微；

第二轻微量化子单元23b，用于当存在至少一个动力电池组故障，故障影响因子量化为轻微。

如图3所示，在本发明一实施例中，故障处理策略模块30包括：

功率限幅单元31，用于根据故障影响因子对整车驱动功率进行限幅；

常规边控单元32，用于设置常规故障处理过程中功能节点的安全工作温度阈值作为能源动力系统运行的边界条件；

应急边控单元33，用于设置应急故障处理过程中功能节点的安全工作温度阈值作为能源动力系统运行的边界条件。

如图3所示，在本发明一实施例中，功率限幅单元31包括：

联动限制子单元31a，用于当动力电池组出现功能丧失型故障，无法充/放电时，依据动力电池组系统最大充/放电功率衰减比例，同比限制动力单元最大输出总功率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，其特征在于，包括：

根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象；

对所述故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化；

根据所述故障影响因子控制电输出功率并形成故障处理策略。

2.如权利要求1所述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，其特征在于，根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象，包括：

根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取控制功能节点并确定数量；

根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取机电转换功能节点并确定数量；

根据功能节点间的控制信号拓扑结构提取蓄能充放节点并确定数量。

3.如权利要求1所述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，其特征在于，所述对所述故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化，包括：

根据能源动力系统中丧失功能状态划分一级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为致命；

根据能源动力系统中严重故障状态划分二级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为严重；

根据能源动力系统中轻微故障状态划分三级故障诊断等级，形成故障影响因子并量化为轻微。

4.如权利要求3所述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，其特征在于，所述根据能源动力系统中丧失功能状态划分一级故障诊断等级，包括：

当能源动力系统控制器全部离线时，故障影响因子量化为致命；

当全部动力电池包失效时，故障影响因子量化为致命。

5.如权利要求3所述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，其特征在于，所述根据能源动力系统中严重故障状态划分二级故障诊断等级，包括：

当存在能源动力系统控制器离线时，故障影响因子量化为严重；

当一个动力单元故障且功能受限时，故障影响因子量化为严重；

当一个动力电池组故障且功能受限时，故障影响因子量化为严重。

6.如权利要求3所述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，其特征在于，所述根据能源动力系统中轻微故障状态划分三级故障诊断等级，包括：

当存在至少一个动力单元故障，故障影响因子量化为轻微；

当存在至少一个动力电池组故障，故障影响因子量化为轻微。

7.如权利要求3所述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，其特征在于，所述根据所述故障影响因子控制电输出功率并形成故障处理策略，包括：

根据故障影响因子对整车驱动功率进行限幅；

设置常规故障处理过程中功能节点的安全工作温度阈值作为能源动力系统运行的边界条件；

设置应急故障处理过程中功能节点的安全工作温度阈值作为能源动力系统运行的边界条件。

8.如权利要求7所述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法，其特征在于，所述根据故障影响因子对整车驱动功率进行限幅略，包括：

当动力电池组出现功能丧失型故障，无法充/放电时，依据动力电池组系统最大充/放电功率衰减比例，同比限制动力单元最大输出总功率。

9.一种电驱车辆能源动力系统故障诊断装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储如权利要求1至8任一所述的电驱车辆能源动力系统故障诊断方法的诊断过程的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

10.一种电驱车辆能源动力系统故障诊断装置，其特征在于，包括：

诊断对象定义模块，用于根据能源动力系统中功能节点间的传递拓扑结构确定故障诊断对象；

影响因子量化模块，用于对所述故障诊断对象的故障类型分类形成对应分类的故障影响因子并量化；

故障处理策略模块，用于根据所述故障影响因子控制电输出功率并形成故障处理策略。

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