UDS诊断协议在纯电动汽车电机控制器中的应用

0   引言

目前，“中国制造2025”将汽车产业作为中国经济发展的十大重要产业之一，新能源汽车成为了重点的发展对象，获得了国家的大力扶持。纯电动汽车由于其能量利用率高、零排放的优点成为了汽车产业的重点发展方向。电机控制器是控制电机驱动整车行驶的控制单元，属于电动汽车核心零部件。电机控制器具有CAN通信功能、过流保护、过载保护、欠压保护、过压保护、缺相保护、能量回馈、限功率、高压互锁、故障诊断^[1] 等功能。电机控制器的故障诊断功能使用了车载UDS^[2]（unified diagnostic service）诊断系统。UDS 是基于OSI 参考模型设计的，它只定义诊断服务[3]，可以有效实现电机控制器的各项故障诊断功能需求。UDS 诊断协议通过诊断服务^[4] 不仅可以读取电机控制器中的动态数据流、电机控制器的各项配置信息，还可以读取控制器当前所存储的故障码，方便专业人员的维修工作。

UDS 诊断协议^[5] 可以实现电机控制器的刷新。正是由于这些优势，ISO 14229 道路车辆统一诊断服务（UDS）广泛应用于纯电动汽车的电机控制器。

1   UDS诊断协议的服务介绍

UDS 诊断协议主要包括以下功能：诊断和通信管理功能、数据传输功能、存储数据传输功能、输入输出控制功能、例行程序功能、上传/ 下载功能等。具体功能如表1、表2、表3 所示。

2   电机驱动系统故障分类与等级划分

2.1 电机驱动系统故障分类

本文针对系统中导致电机驱动系统故障、影响整车正常运行的元件或部件故障进行研究。包括：由于电流应力、温度应力、振动、电冲击、疲劳、磨损、粉尘等原因，导致电机出现损坏性故障：功率器件断路、功率器件短路、直流母线电容断路、直流母线电容短路、预充电电阻断路等；由于高温、潮湿、漏油、漏液、老化的因素导致电机出现退化型故障：定子绕组绝缘不良、永磁体退磁等；由于电机系统控制不当、机械间隙调整不当导致高压供电过压/ 欠压、低压供电过压/ 欠压、电机控制器过流/ 过载、转子偏心、电机/ 电机控制器过温故障等；由于电机系统控制不当、设计参数不合理、散热系统等原因导致驱动扭矩不足、电机/ 电机控制器过热等故障。

2.2 电机驱动系统故障等级的划分

本文根据电机驱动系统故障模式、故障的严重程度和对系统造成的影响等因素对电驱动系统的故障等级进行划分。当出现I 级故障时，此类故障对电机驱动系统不会产生较大的影响，电机控制器会根据故障的严重程度来进行降功率操作，同时上报最大使用扭矩；当I 级故障消失时，电机控制器会令电驱系统达到满功率输出状态，同时对应的故障码会立刻消失。I 级故障包括电机过温故障、控制器(IGBT) 过温故障、电机超速故障、相电流过载报警、母线电压欠压故障、DCDC 故障、电机堵转故障、电机温度报警、控制器( IGBT) 温度报警、电机温度传感器故障、IGBT 温度传感器故障等。

当出现II 级故障时，此类故障对电机驱动系统会产生严重损害，电机控制器会令电驱系统限制功率，同时限制正常的动力输出，将会对严重影响整车的性能，电机控制器自动关闭PWM 输出，停止功率输出；II 级故障不会自动回复，需要通过专业诊断设备将此类故障清除。II 级故障主要包括模块故障、相电流过流故障、母线电压过压故障、CAN 通信故障、旋变传感器故障、母线电流传感器故障、A 相电流传感器故障、C 相电流传感器故障、母线电压传感器故障等。当出现Ⅲ级故障时，电机驱动系统极具危险性，此时整车的安全性会受到严重影响，电机控制器会发送断高压指令，并且此类故障不能清除，需要专业人员检查维修后才可修复此故障。Ⅲ级故障包括母线电流过流故障。

3   UDS诊断协议在电机控制器中的应用

本文利用UDS 诊断协议对电机控制器进行控制或获取电机控制器中的信息。通过22 服务读取电机控制器的数据流信息，包括电机的硬件版本号、软件版本号、电机序列号、电机转速等信息；通过2E 服务向电机控制器写入数据流信息，包括软件版本号、硬件版本号、日期等信息；通过19 服务读取电机控制器中的故障信息，包括I 级故障、II 级故障和Ⅲ级故障对应着故障码信息；通过11 服务实现电机控制器的复位功能；通过请求上传服务（0×34）、请求下载服务（0×35）、传输数据服务（0×36）、请求停止数据传输服务（0×37）实现电机控制器的在线刷新功能，通过外部设备诊断接口直接对ECU 进行软件更新。

4   实验测试

根据电机控制器诊断规范，本人利用C# 软件开发上位机进行测试，测试上位机如图1 所示。使用19 服务读取电机控制器的故障信息并通过上位机脚本将故障信息显示出来，如图2 所示。以11 服务为例根据数据流生成测试报告，以验证UDS 诊断协议的准确性，11 服务上位机功能如图3 所示，生成的测试报告如表4所示。

通过19 服务可以读取电机控制器的故障信息，便于整车开发人员调试和专业技术人员维修。以11 服务为例通过获取的数据流同时参考诊断协议，11 服务完全满足诊断协议要求。测试实验表明，UDS 诊断协议可以有效地应用于电机控制器诊断功能的开发，具有诊断功能完善、运行稳定的优点，以及有广泛的市场应用前景。

5   结语

本文介绍了UDS 诊断协议在电机控制器中的具体应用场景及功能使用情况，通过开发的上位机进行台架测试。实验表明，UDS 诊断协议可以有效地应用于电机控制器的诊断功能的开发，其具有诊断功能完善、运行稳定的优点，以及广泛的市场应用前景。根据UDS诊断协议对于电机控制器诊断功能的开发是后期研究的重点。

参考文献：

[1] 丁志华,罗峰,孙泽昌.基于CANoe的汽车故障诊断系统研制[J].汽车工程,2007(5):449-452.

[2] 李锐,王晶莹,姚燕,等.基于ISO15765的车载CAN网络诊断设计[J].计算机工程,2012(4):35-36,39.

[3] 刘彤,赵益宏,蔡伟杰,等.基于UDS的汽车通信故障诊断机制与处理策略[J].汽车电器,2013(2):60-64.

[4] 张丽莉,储江伟,强添刚,等.现代汽车故障诊断方法及其应用研究[J].机械研究与应用,2008(1):8-16.

[5] 屠雨,张凤登,单冰华.基于汽车OBD车联网的设计与实现[J].电子测量技术,2016,39(8):32-36.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年4月期）