纯电动汽车电驱动故障诊断监控系统设计

2020-03-22温晶晶

机械工程与自动化 2020年1期

温晶晶，刘欢

（广东工商职业技术大学智能制造学院，广东肇庆 526000）

0 引言

随着环境的恶化和燃料资源的减少，传统燃油汽车的代价越来越高。为了缓解能源与环境的压力，维护汽车的可持续发展，研发新能源汽车已被世界各国和各大汽车生产商所重视。其中，以电能为能源的纯电动汽车以其环保、节能、功效高、噪声小等优点而被各国广泛关注［1］。纯电动汽车相对传统的燃料汽车存在着很多技术难题，如电池的续航能力差，电机的控制技术不完善，电驱动系统发生故障的原因难于确定、可靠性偏低，动力系统参数的匹配需要优化等［2］。电驱动系统是纯电动汽车的重要部分，其一旦发生故障，则影响车辆的正常行驶，严重时甚至会引发交通事故。因此，建立纯电动汽车电驱动故障诊断系统十分必要，为此，本文搭建了纯电动汽车电驱动故障诊断监控系统。

1 电驱动故障诊断监控系统总体硬件设计

电驱动故障诊断监控系统的目的是实现纯电动汽车电驱动系统中的过温、过压、欠压、过流、IGBT开路等故障的监控诊断，其组成框图如图1所示。该系统的工作过程为：电驱动系统通过CAN网络将CAN报文发送给监控系统，监控系统接收到报文后对其进行解析，并将处理结果显示在LCD上，同时会发出报警信号，还可以将故障信息储存到SD卡中。

图1 电驱动故障诊断监控系统组成框图

2 主控微处理器的选择

由于电驱动故障诊断监控系统需要搭建液晶屏显示模块和SD卡储存模块，同时还需要实时处理数据，如果选用51单片机，则它在刷新液晶屏时需要处理大批量的数据和频繁中断服务程序，处理速度明显跟不上，导致发生数据丢失、系统出错等现象［3］，因此中央处理器选用运行速度快、数据处理能力较强的ARM芯片——STM32F103ZET6。STM32F103ZET6的引脚如图2所示。

3 故障诊断监控系统的外围模块设计

3.1 电源电路设计

STM32及与其连接的各个模块正常工作都需要外接电源，由于一般的纯电动汽车可以提供12V的低压直流电源，与模块正常工作电压不符，因此需要合理的电压转换模块。在电源电路设计中，先将12V的低压电源转换为5V的电源，再将5V的电源转换为3.3V电源。本电路设计中共设计了4路相互独立的5V和

3.3 V电源转换电路。

本文中采用MP2359芯片进行电源转换，电源转换电路如图3所示。DC＿IN为直流电源的输入端，经过MP2359的电压转换，可输出5V的直流电压。

3.2 CAN模块的硬件设计

在硬件上，CAN报文的处理需要CAN的收发器和控制器。CAN的收发器和控制器按照结构分为独立的CAN控制器＋CAN收发器和带有CAN控制器的微处理器＋CAN收发器两种。本系统选择后一种，即TJA1050。

本系统CAN接口的硬件电路包括CAN收发器TJA1050、两个光耦隔离芯片6N137以及若干电子器件。其中TJA1050的CAN＿H和CAN＿L引脚分别与CAN网络中的CAN＿H和CAN＿L相连接；TJA1050的数据发送引脚R和接收引脚D分别通过6N137光耦隔离器与CAN的接收引脚和发送引脚相连。CAN模块的控制电路如图4所示。

3.3 监控显示模块的设计

故障诊断系统需要通过监控显示模块来显示驱动系统当前所处的状态，对于显示屏的选择在考虑成本和功耗的基础上，本文选择型号为ILI19341的TFT-LCD液晶显示器。

TFT-LCD属于薄膜晶体管液晶显示器，与普通的显示器相比，它具有很多优点：可以很好地克服非选通时的串扰、功耗低、成本低、图像质量较高、功能强大、扫描速度较快等。

图2 STM32F103ZET6的引脚

图3 电源转换电路

TFT-LCD模块与STM32有两种并行方式，分别为16位和8位并行方式，本文从数据量和速度等方面考虑，选用16位的并行方式。TFT-LCD由STM32的FSMC接口驱动控制，其原理图如图5所示。

3.4 报警模块

当故障诊断系统诊断出故障发生时，STM32首先根据故障诊断策略判断故障等级，然后通过蜂鸣器发出报警信号。在报警模块的硬件设计中，蜂鸣器的引脚通过防误发声电路与STM32的PB8引脚相连。当有故障发生时PB8引脚置为高电平，报警器持续发出蜂鸣声，一旦故障消失，蜂鸣器则停止发声。报警模块如图6所示。

3.5 SD卡储存模块

在故障诊断监控系统中，需要储存大量的历史故障代码、故障类型、故障发生时间以及GBK字库。目前电子设备中的存储器种类较多，包括U盘、SD卡、SDRAM等，其中SD卡具有读写速度较快、体积小、安全性高等优点，被大量使用在MP4、数码相机等产品中。根据故障诊断监控系统的要求本设计选用SD卡作为存储器，SD卡的控制电路如图7所示。SD卡与STM32以6根线的方式相连接。其中SD卡的数据位DATA 0～DATA 3分别与STM32的PC8～PC11引脚相连，命令引脚CND与STM32的PD2引脚相连。