基于ＬａｂＶＩ ＥＷ的混合动力汽车故障诊断 系统开发 吴静波，郭志军，申彦杰 （河南科技大学车辆及动力工程学院，河南洛阳４７１００３） 摘要：为提高混合动力汽车的安全性和可靠性，采用ＬａｂＶｌＥＷ软件开发一种ＣＡＮ网络在线监测功能与故障诊断功能 相结合的诊断系统，能够在线监测各控制器节点中的状态参数，且可以通过故障诊断模块分析混合动力系统状态参数和 历史故障数据，进行故障诊断并给出适当的解决方案。通过硬件在环仿真试验，结果表明该系统不仅可实时监测混合动 力系统中各个节点的状态，还可以根据整车参数进行故障诊断与分析，系统的实时性与可靠性均能满足混合动力汽车整 车要求。 关键词：混合动力汽车；故障诊断系统；ＬａｂＶＩＥＷ；ＣＡＮ 中图分类号：Ｕ４７２ ＤＯＩ：１０．３９６９８．ｉｓｓｎ．１６７３—６４７８．２０１３．０５．０１０ 文献标识码：Ａ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ Ｗｕ Ｊｉｎｇｂｏ，Ｇｕｏ Ｚｈｉｊｕｎ，Ｓｈｅｎ Ｙａｎｊｉｅ （Ｖｅｈｉｃｌｅ＆Ｍｏｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｎａｎ Ｌｕｏｙａｎｇ ４７ １ ００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｄ ｔｈｅ Ｌａｂ— ＶＩＥＷ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ＣＡＮ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉａｇｎｏ— ｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｎｏｄｅ ｓｔａｔｅ ｏｎ—ｌｉｎｅ，ａｎｄ ｃａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄａｔａ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓ－ ｔｅｍ ｃａｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｄｅ，ｃａｎ ａｌｓｏ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｈｅ ｔｅｎｔｉｒｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙ ｏｆ ｔｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｖｅｈｉｃｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ；ＬａｂＶｌＥＷ；ＣＡＮ 基金项目：河南省教育厅科学技术研究重点项目（１３Ａ４６０２３９）；河南科技大学青年科学基金项目（１３０００８３０） 作者简介：吴静波（１９７９－），男，河南洛阳人，讲师，博士，研究方向为新能源汽车及电驱动技术．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｂｏｃｎ２００５＠１６３．ｔｏｍ 交通节能与环保ｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ 混合动力汽车是在常规汽车的基础上增加了电 机驱动系统、动力电池组等设备，利用混合动力系 统提高发动机在油耗、排放性能良好区域的运行工 况分布，从而达到提高燃油经济性和降低排放的目 的。混合动力汽车结构更加复杂，科技含量比较高 ｎ ，这就要求在汽车运行过程中，对其运行状况及 时进行监测，对其运行状态做出正确的判断，及早 发现故障并采取相应的措施，从而确保其实现较高 的使用性能和可靠性，延长汽车的使用寿命 。 为了解决这个问题，针对混合动力汽车特点， 采用ＬａｂＶＩＥＷ软件开发一种ＣＡＮ网络在线监测与 故障诊断系统相结合的混合动力汽车故障诊断系 统。该诊断系统具有良好的人机交互界面，能够通 过ＣＡＮ网络在线监测总线上各节点的状态参数，发 现故障及时报警，且可以通过故障诊断模块进行故 障诊断分析并给出适当的解决方案，从而提高混合 动力系统的可靠性。 １ 系统设计思想 混合动力汽车内的各个控制系统作为ＣＡＮ网络 的节点，通过ＣＡＮ总线进行数据交换【３１。故障诊断 系统作为其中的一个节点，通过ＣＡＮ网络获得总线 上的各个节点的状态信息及故障信息报文。混合动 力汽车的网络结构如图１所示。 混合动力汽车故障诊断系统包括３部分。 （１）以电脑为媒介的上位机软件，可为使用者 提供友好的人机交互界面，实现总线监测、命令发 送和故障分析及建议等功能。 （２）具有ＣＡＮ接口和ＵＳＢ接口的ＵＳＢＣＡＮ接 口卡，通过ＵＳＢＣＡＮ接口卡使上下位机连接起来。 （３）嵌套在整车控制器程序内的下位机程序， 图１混合动力汽车网络结构 ２０１３年第５期 汽车工程Ｉ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃ 图２故障诊断系统设计思想 生成故障诊断码并存储，执行上位机软件的控制指 令。 故障诊断设计思想如图２所示。上位机处于离 线状态时，整车控制器内的下位机程序根据车辆运 行的各项参数进行故障诊断，如发生故障，将产生 的故障码及故障时间、故障级别等相关信息存储至 整车控制器的ＥＥＰＲＯＭ中，供上位机软件在线时调 用查询。上位机软件通过ＵＳＢＣＡＮ接口卡连接到 ＣＡＮ总线中时，ＵＳＢＣＡＮ卡通过验收滤波后将获 得关于各个节点状态信息的ＣＡＮ消息存入缓冲区， 然后将信息解析后显示在上位机软件前面板，并可 通过上位机软件调出整车控制器存储的历史故障 码，故障解除后可发送命令清除故障码。系统采用 的接口卡是周立功ＵＳＢＣＡＮ接口卡，周立功ＵＳＢ— ＣＡＮ接口卡是与ＵＳＢ２．０总线兼容的带有１路／２路 ＣＡＮ接口的智能型ＣＡＮ数据接口卡。通过ＵＳＢ— ＣＡＮ接口卡，用户可以连接至ＣＡＮ网络 。 ２故障诊断系统设计 系统软件包括两部分：一是下位机程序，功能 是进行故障码的生成及存储，并根据上位机软件的 控制指令，读取或清除故障码，该部分程序整合在 整车控制器中；二是上位机软件，是故障诊断系统 的核心，功能是数据接收和处理，故障诊断等。为 了使程序具有更好的人机交互功能，上位机界面采 用ＬａｂＶＩＥｗ编写。 ２．１ 下位机程序设计 ４７ 汽车工程Ｉ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 图３下位机程序流程图 在下位机程序内，接收ＣＡＮ网络整车各部件节 点的状态信息，分析数据，进行故障诊断，并对照 故障诊断协议生成故障诊断码，作为历史故障存储 在整车控制器的ＥＥＰＲＯＭ中，并根据上位机软件的 控制指令读取或清除故障码。图３是下位机程序流 程图。 ２．２上位机软件设计 上位机程序的主要功能是在线监测和故障诊 断。通过ＵＳＢＣＡＮ接口卡获得ＣＡＮ网络上各个节 点发送的ＣＡＮ消息，在上位机在线监测界面显示并 保存为文件，以供以供离线分析和报表制作时使 用。同时也可进行故障诊断，根据汽车运行的各项 状态参数和历史故障码进行故障诊断，发现故障时 及时报警。 上位机软件采用图形化的编程语言ＬａｂＶＩＥＷ进 行开发。ＬａｂＶＩＥＷ（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ）是由美国国家仪器公司所开 发的图形化程序编译平台，用户可通过人机界面直 接进行控制开发 】。ＬａｂＶＩＥＷ集成了与满足ＧＰＩＢ、 ＶＸＩ、ＣＡＮ、Ｐ．Ｓ一２３２和Ｐ．Ｓ一４８５协议的硬件及数据 采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用ＴＣＰ／ ＩＰ、ＡｃｔｉｖｅＸ等软件标准的库函数，利用它可以方便 地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程 及使用过程变的简单易行。 不同的混合动力汽车生产厂商或同一生产厂商 生产的不同汽车型号的混合动力汽车，采用的ＣＡＮ 图４界面关系图 通信协议可能不一样，为了使该故障诊断软件能够 具有良好的兼容性，应用在不同的混合动力汽车 上，在进入诊断界面之前需要进行通信协议选择。 人机显示界面主要包括故障诊断和在线监测数据两 个窗体。两个界面之间的层次关系如图４所示。 ２．２．１ 在线监测系统 在线监测系统主要负责在混合动力汽车运行过 程中实时监测各部件的各种运行参数，并显示在前 面板上，以便实时了解整车、混合动力系统和电池 组的工作状况 。此外，它还可以将这些实时数据 保存到ＥＸＣＥＬ文件中，以供离线分析和报表制作时 使用。 系统监测的信息主要分为以下几个部分：整车 控制单元部分，显示整车控制器发出的转速及扭矩 需求、发动机和电机的工作模式及各部件的开关等 控制命令；混合动力系统部分，显示离合器状态、 发动机转速、机油压力、油耗、发动机故障、电机 转速、电机实际扭矩、电机工作模式、电机母线电 压、电机及控制器故障等信息；电池管理系统部 分，显示动力电池组电压、ＳＯＣ、温度、充、放电 电流、单节电池电压以及电池组故障等信息。 ２－２．２故障诊断系统 故障诊断系统负责实时根据汽车的各项状态参 数进行故障诊断，发现故障时及时报警，并生成故 障码以备维修时参考使用。故障诊断故障界面显示 的详细信息如下： （１）故障代码信息。发生的故障所产生的故障 交通节能与环保ｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ 码，内容包括故障发生时间、故障级别、该故障所 属子系统和故障发生部位等信息。 （２）故障分类。在进行子系统级故障处理策略 设计时，将其故障按照其对子系统或部件的危害程 度划分为３个级别，并且根据故障级别和故障类型 确定相应的处理方式。分别是严重故障，中级故 障，一级故障。其中严重故障码是最严重故障，触 发红色故障指示灯。中级故障是次严重的一类故 障，黄色指示灯点亮，并存储相应的故障码。一级 故障码表示发生轻微的故障，绿色指示灯点亮。 （３）建议操作。该功能对维修人员及驾驶员提 供维修建议，以方便故障的排除。这一部分是故障 诊断系统的输出，随着故障经验的积累，可为专家 系统提供经验支持。 （４）清除故障码。该功能是上位机软件向下位 机程序发出清除故障码指令，清除存储的历史故障 码，表示故障已被排除。 ３ 系统验证 为验证开发的故障诊断系统的功能及可靠性， 利用搭建的混合动力系统硬件在环仿真平台，在仿 真试验过程中，对故障诊断系统的诊断结果进行验 证证明。 在硬件在环仿真系统中，采用真实的驾驶员操 纵设备和整车控制单元，被控对象及其外界环境用 数学模型来模拟实现，构成虚拟的被控对象系统， 提供与车辆实际工作相近似的混合动力汽车运行环 境。 首先验证在混合动力系统没有出现故障时，故 障诊断系统的在线监测模块的运行情况。选定几种 典型工况，进行混合动力系统硬件在环仿真。 ２０１３年第５期 汽车工程Ｉ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 然后通过设置故障，验证混合动力系统出现故 障时，故障诊断系统的故障诊断模块的工作情况。 通过测试表明，该故障诊断系统的功能性、实时性 与可靠性均能满足混合动力汽车整车故障诊断的需 求。 ４ 结语 本文利用ＬａｂＶＩＥＷ提供的功能强大的数据处理 功能，参考混合动力汽车ＣＡＮ通信协议，开发一种 ＣＡＮ网络信号监测与故障诊断系统相结合的诊断系 统。硬件在环仿真试验结果表明，该系统不仅可实 时监测混合动力系统各个节点的工作状态，并根据 实际运行参数进行故障诊断与报警，还可以存储故 障码以供车辆维修时使用，其功能性、实时性与可 靠性均能满足混合动力汽车整车故障诊断的需求。 下一步的研究工作中可考虑采用专家系统进行故障 诊断与分析，并进行实车试验对系统的功能和可靠 性进行进一步的改进和验证。 参考文献： ［１］Ｃｈａｕ Ｋ Ｔ，Ｗｏｎｇ Ｙ Ｓ，Ｃｈａｎ ＣＣ．Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓ Ｍｇｍｔ，１９９９， ４０（１０）：１０２１－１０３９． ［２］陈清泉，孙逢春，祝嘉光．现代电动汽车技术［Ｍ】．北京： 北京理工大学出版社，２００２． 【３】邵斌，朱茂桃，张彤，等．混合动力汽车ＣＡＮ网络信号 监测与故障诊断系统的开发Ⅱ］．汽车技术．２００９，（２），４６— ５０． ［４］生翔九．并联充电式混合动力驱动系统故障诊断分析仪 开发［Ｄ Ｊ＿武汉：武汉理工大学，２０１１． ［５】罗婷．基于ＬａｂＶＩＥＷ的车辆故障分析系统［Ｄ］．武汉：武 汉理工大学，２００７． ４９
