李 瑋，王 晶Li Wei，Wang Jing

純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器CAN通信丟失故障處理方法

李 瑋1，王 晶2Li Wei1，Wang Jing2

（1. 北京新能源汽車(chē)股份有限公司 工程研究院，北京 100176；2. 廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北 廊坊 065000）

給出了一種適用于純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器由于電磁干擾導(dǎo)致CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）通信丟失的故障處理方法。該方法通過(guò)電機(jī)控制器中間層軟件發(fā)送CAN通信生命信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件對(duì)零部件CAN通信狀態(tài)的監(jiān)控，應(yīng)用層根據(jù)生命信號(hào)計(jì)算出CAN通信的丟幀率，并評(píng)估出CAN通信丟失狀況，在此基礎(chǔ)上對(duì)與電機(jī)控制器通過(guò)CAN通信的零部件按照通信故障后的危害程度進(jìn)行分級(jí)，并分別給出了不同嚴(yán)重程度下各零部件的通信丟失故障處理方法。該方法在不改變現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案及硬件選型的基礎(chǔ)上，充分通過(guò)策略?xún)?yōu)化將電機(jī)控制器CAN通信故障的危害程度降低，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)提高了車(chē)上人員的駕乘感受。

純電動(dòng)汽車(chē)；通信丟失；故障處理

0 引 言

車(chē)輛作為當(dāng)今世界的重要交通工具，其行駛環(huán)境復(fù)雜多樣，與傳統(tǒng)燃油車(chē)不同，純電動(dòng)汽車(chē)存在大量的高壓零部件，如動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、空調(diào)系統(tǒng)（壓縮機(jī)與加熱電阻）、DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流/直流轉(zhuǎn)換器）等，因此面臨著比傳統(tǒng)燃油車(chē)更為嚴(yán)峻的電磁干擾問(wèn)題[1-3]。電磁干擾能夠干擾傳感器、通信等系統(tǒng)的正常工作，進(jìn)而引發(fā)安全隱患，也因?yàn)槿绱?，純電?dòng)汽車(chē)的電磁干擾問(wèn)題也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一[4-5]。目前解決純電動(dòng)汽車(chē)電磁干擾問(wèn)題主要從3個(gè)方面著手，一是設(shè)計(jì)源頭優(yōu)化；二是硬件防御；三是軟件防護(hù)。設(shè)計(jì)源頭優(yōu)化指的是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段就采用各種措施，如通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等，來(lái)避免或減少未來(lái)產(chǎn)品的電磁干擾問(wèn)題；硬件防御一般指的是通過(guò)提高零部件等級(jí)與抗干擾能力降低電磁干擾問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)整體的影響；軟件防御則是在現(xiàn)有電磁環(huán)境下，通過(guò)合理設(shè)計(jì)軟件策略來(lái)降低電磁干擾對(duì)車(chē)輛的影響。一般而言，首先需要通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)避免或減少后期產(chǎn)品的電磁干擾問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提高硬件水平，軟件防御大多是作為最后的手段來(lái)彌補(bǔ)電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)行駛工況的復(fù)雜多樣，以及由于自身特性導(dǎo)致當(dāng)前階段車(chē)輛電磁干擾未被完全解決的問(wèn)題[6-9]，提出了一種適用于純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器由于電磁干擾導(dǎo)致CAN通信丟失的故障處理方法。該方法通過(guò)電機(jī)控制器的中間層軟件發(fā)送CAN通信生命信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件對(duì)零部件CAN通信狀態(tài)的監(jiān)控，應(yīng)用層根據(jù)生命信號(hào)計(jì)算出CAN通信的丟幀率，并評(píng)估出CAN通信丟失狀況，在此基礎(chǔ)上對(duì)與電機(jī)控制器通過(guò)CAN通信的零部件按照通信故障后的危害程度進(jìn)行分級(jí)，并分別給出了不同嚴(yán)重程度下各零部件的通信丟失故障處理方法。該方法在不改變現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案及硬件選型的基礎(chǔ)上，充分通過(guò)策略?xún)?yōu)化將電機(jī)控制器CAN通信故障的危害程度降低，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)提高了車(chē)上人員的駕乘感受。

1 電機(jī)控制器軟件架構(gòu)

MCU（Motor Control Unit，電機(jī)控制器）的軟件構(gòu)架如圖1所示。

圖1 電機(jī)控制器軟件構(gòu)架

電機(jī)控制器軟件可分為3層，分別為應(yīng)用層、中間層與底層。應(yīng)用層為具體的控制算法實(shí)現(xiàn)提供支持，如弱磁控制、電流環(huán)控制等，其目的是生成具體的控制器代碼；中間層為應(yīng)用層的功能實(shí)現(xiàn)提供支持，如操作系統(tǒng)一般在這一層；底層為中間層提供具體支持，是硬件與軟件溝通的橋梁，如提供通信驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)A/D（Analog to Digital，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）功能等，并向中間層提供控制和算法所需要的接口。

2 CAN通信丟失檢測(cè)與嚴(yán)重度分級(jí)

CAN通信丟失故障處理方法主要由中間層與應(yīng)用層共同實(shí)現(xiàn)。

由中間層判斷某零部件的CAN通信狀態(tài)，并按照固定周期n向應(yīng)用層發(fā)送生命信號(hào)Counter，其中中間層每接收到一次CAN生命信號(hào)Counter便自動(dòng)加1；令該零部件的CAN報(bào)文發(fā)送周期為，則應(yīng)用層每×?xí)r間判斷一次生命信號(hào)Counter的增量（其中×為一個(gè)檢測(cè)周期，為正整數(shù)，>0），定義Counter的增量為n，在此基礎(chǔ)上得到本次檢測(cè)周期內(nèi)的CAN丟幀率，具體為

式中：CANloss為本次檢測(cè)周期內(nèi)的CAN丟幀率。在計(jì)算出CAN丟幀率的前提下評(píng)估CAN通信丟失的嚴(yán)重程度，具體邏輯如圖2所示。

其中為連續(xù)一定檢測(cè)周期條件下的CAN通信丟幀率。如圖2所示若小于等于規(guī)定閾值1，則認(rèn)為此時(shí)CAN網(wǎng)絡(luò)處于輕度丟失狀態(tài)（輕度級(jí)別，該級(jí)別包括無(wú)丟幀情況），同時(shí)認(rèn)為對(duì)行車(chē)安全無(wú)影響；若1＜則由輕度CAN通信丟失狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到中度CAN通信丟失狀態(tài)（中度級(jí)別），此時(shí)認(rèn)為對(duì)行車(chē)安全有輕微影響；若值繼續(xù)升高并超過(guò)2，則由中度CAN通信丟失狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到嚴(yán)重CAN通信丟失狀態(tài)（嚴(yán)重級(jí)別）。若值降低，則可以從嚴(yán)重級(jí)別向中度及輕度級(jí)別跳轉(zhuǎn)，在跳轉(zhuǎn)過(guò)程中引入了滯環(huán)參數(shù)（>0），以防止相鄰狀態(tài)間的頻繁切換。

車(chē)輛中不同零部件會(huì)根據(jù)其所實(shí)現(xiàn)的功能按照不同的周期發(fā)送CAN報(bào)文，中間層利用固定周期n進(jìn)行計(jì)數(shù)，并輸出CAN通信生命信號(hào)，在應(yīng)用層中根據(jù)該零部件CAN報(bào)文發(fā)送周期進(jìn)行丟幀率的計(jì)算，保證中間層軟件的可移植性，使其便于平臺(tái)化推廣。相對(duì)于中間層來(lái)說(shuō)，應(yīng)用層軟件更加易于修改，并且在車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中，時(shí)常會(huì)根據(jù)CAN總線負(fù)載率來(lái)調(diào)整零部件的CAN報(bào)文發(fā)送周期，因此對(duì)于應(yīng)用層軟件來(lái)說(shuō)可將零部件的CAN報(bào)文發(fā)送周期設(shè)定為標(biāo)定量，之后根據(jù)需求的變化對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，不僅方便軟件開(kāi)發(fā)，同時(shí)能夠保證中間層軟件的一致性。

3 CAN通信零部件分級(jí)

為保證電機(jī)控制器的功能實(shí)現(xiàn)，需要與6個(gè)外部零部件進(jìn)行CAN通信，分別為ICM（Instrument Control Monitor，儀表控制器）、DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流/直流轉(zhuǎn)換器）、ABS（Antilock Brake System，制動(dòng)防抱死系統(tǒng)）、ESP（Electronic Stability Program，車(chē)身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）、VCU（Vehicle Control Unit，整車(chē)控制器）、BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)），電機(jī)控制器與以上6個(gè)部件發(fā)生通信丟失故障后對(duì)整車(chē)安全造成的影響是不同的，因此根據(jù)發(fā)生CAN通信故障后的危害對(duì)以上6個(gè)零部件進(jìn)行分級(jí)，如圖3所示。

ICM、DC/DC與電機(jī)控制器發(fā)生CAN通信故障時(shí)對(duì)整車(chē)安全影響較小，即使接收不到ICM與DC/DC的CAN報(bào)文也不會(huì)影響電機(jī)控制器的正常工作與行車(chē)安全，因此將這2個(gè)零部件的CAN通信故障危害等級(jí)定為低；行車(chē)過(guò)程中，若接收不到ABS與ESP的CAN報(bào)文，會(huì)影響電機(jī)控制器的制動(dòng)能量回收功能，進(jìn)而對(duì)駕駛員的駕乘感受造成影響，因此將這2個(gè)零部件的CAN通信故障危害等級(jí)定為中；若電機(jī)控制器接收不到VCU或BMS的CAN報(bào)文，會(huì)使電機(jī)控制器無(wú)法接收到VCU的控制命令、扭矩命令、電池的SOC和電池最大放電功率值等信息，影響電機(jī)的扭矩輸出和功率輸出，同時(shí)危害行車(chē)安全，因此將這2個(gè)零部件的CAN通信故障危害等級(jí)定為高。

圖3 CAN通信故障零部件危害等級(jí)

4 CAN通信丟失電機(jī)控制器故障策略

結(jié)合CAN通信丟失的嚴(yán)重等級(jí)，給出各零部件發(fā)生通信丟失后的故障策略，見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)控制器CAN通信丟失故障及應(yīng)對(duì)策略

5 結(jié) 論

純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器CAN通信丟失故障處理方法首先根據(jù)中間層發(fā)出的生命信號(hào)提出一種判斷CAN通信丟失程度的機(jī)制，根據(jù)計(jì)算得到的丟幀率將CAN通信丟失分為輕度、中度以及嚴(yán)重3個(gè)級(jí)別，為后續(xù)制定零部件CAN通信丟失故障策略提供了量化依據(jù)；另外該方法對(duì)與電機(jī)控制器進(jìn)行CAN通信的各相關(guān)零部件按照通信丟失后的行車(chē)危害程度進(jìn)行了區(qū)分，分為輕、中、嚴(yán)重3個(gè)等級(jí)，同樣為制定通信丟失故障具體策略提供了參考。在此基礎(chǔ)上針對(duì)同電機(jī)控制器進(jìn)行CAN通信的6個(gè)部件給出了一套CAN通信丟失故障的處理方法，其中6個(gè)零部件分別為ICM、DC/DC、ABS、ESP、VCU和BMS。所給出的故障策略以CAN通信丟失程度及各部件通信丟失后的安全危害程度為主要依據(jù)，在所制定的策略中，當(dāng)通信丟失危害程度較低時(shí)，充分考慮駕駛員的行車(chē)感受，盡量減少對(duì)車(chē)輛的限制；當(dāng)危害程度達(dá)到一定程度后，通過(guò)主動(dòng)限制（限制扭矩、功率輸出、關(guān)閉PWM）、點(diǎn)亮報(bào)警燈、鳴報(bào)警音等方式降低安全隱患、提醒車(chē)上人員，為行車(chē)安全提供了有力保障。

以上電機(jī)控制器CAN通信丟失故障處理機(jī)制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于量產(chǎn)純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品中，并取得了良好的效果。

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U463.6

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.010

1002-4581（2020）01-0035-04