（动力机械及工程专业论文）并联充电式混合动力驱动系统故障诊断分析仪开发.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：楚细：查日期：堡型：盎：；旦 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 蹴引鹤) 嘲以引鹤) 差妒呲勺 摘要 随着全球汽车保有量的增加，石油的供应日趋紧张，石油资源的枯竭正在 加剧，同时汽车排入大气中的有害污染物导致空气中有害污染物增加，环境污 染问题日益严重，新能源汽车以其低能耗、低污染等特点成为当前各汽车企业 和科研机构的研发热点。 混合动力汽车以其低排放，低能耗，以及兼有传统汽车和新能源汽车双方 的优点，引起各政府和各大汽车公司的关注。但是混合动力汽车控制系统和功 能比传统的汽车复杂很多，因此在混合动力汽车开发的过程中，其开发和调试 诊断的成本、难度都高于传统汽车。本文分析对比了几种混合动力汽车的布置 形式，在此基础上提出了并联充电式的混合动力系统的基本结构，并且对发动 机、电机、变速箱、电池、整车控制单元等基本组成部件进行分析介绍。同时 本文还研究了国内外混合动力汽车和汽车诊断的发展现状，分析了各种汽车故 障诊断方法，在对并联充电式混合动力驱动系统进行详细分析的基础上，提出 了适合于充电式混合动力驱动系统的故障诊断仪的基本构架。在分析了诊断仪 系统的基本需求后，对系统的软件和硬件进行了选型，选择p l c 、e v i e w 触摸 屏作为系统的硬件基础，选择e v i e w 自带的e v 5 0 0 0 作为系统与混合动力驱动 系统整车控制单元通讯程序和系统显示、诊断界面的编程软件。 根据系统的基本需求，分析了并联充电式混合动力驱动系统可能出现的故 障种类，并在整车控制单元的控制程序中编写了相关的子程序对可能出现的故 障进行了判断，判断后生成一个标志位信号，这个标志位和e v i e w 中制作的故 障指示界面中故障指示灯地址相同，这样故障信号就从整车控制单元传到触摸 屏中，同时设置驱动系统各参数在p l c 中的地址和触摸屏中的制作的显示界面 中的各元件的地址相同。通过这个通讯程序，就可以将系统各参数的实时状态 和出现的故障传到e v i e w 触摸屏中，实现了对系统的实时监测和故障的报警。 实验表明，诊断仪能够对驱动系统在启动、加速、换档、制动过程中各参 数的状态进行实时的硅示，并且在系统出现故障时能够及时的在诊断界面提示 报警，基本实现了对j 二并联充电式混合动力驱动系统的故障诊断，并且为后续 研究开发提供了必要的经验。 关键词：混合动；驱动系统；诊断分析仪；触摸屏；故障诊断 a b s t r a c t w i t ht h er e t a i nn u m b e ro fa u t o m o b i l ei n c r e a s i n g ，s u p p l yo ft h ep e t r o l e u mi s g e t t i n gt e n s ea n di t ss t o r a g ei sd r y i n gu p i nt h em e a n w h i l e ，t h ee x h a u s tg a sf r o mt h e c a t l si n c r e a s et h eh a r m f u lp o l l u t a n ti nt h ea t m o s p h e r ea n dt h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni s g e t t i n gw o r s ea n dw o r s e t h en e we n e r g yv e h i c l e i sb e c o m i n gt h eh i td u et oi t sl o w e r e n e r g yc o n s u m p t i o na n d l e s sp o l l u t e d t h eh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l ei sl o w e ri ne m i s s i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o na n di t h a st h ea d v a n t a g e so f b o t ht r a d i t i o n a lv e h i c l e sa n dn e we n e r g yv e h i c l e s ，w h i c hc a u s e s g r e a ta t t e n t i o no fg o v e r n m e n t sa n da u t o m o b i l ec o m p a n i e s b u tt h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no fc o n t r o ls y s t e mo fh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l ea r em o r ec o m p l e xt h a nt h e t r a d i t i o n a lv e h i c l e s t h ec o s to fd e v e l o p i n g ，t e s t i n ga n dd i a g n o s i n gi sh i g h e rt h a nt h e t r a d i t i o n a lo n e s t h et h e s i sc o m p a r e dt h es e v e r a ll a y o u t so fh y b r i dv e h i c l e s ，b a s e do n w h i c hi tp r o p o s e da n di n t r o d u c e dt h eb a s i cs t r u c t u r eo fp a r a l l e lp l u g - i nh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e ma n da l s oc h o s et h ee n g i n e ，t h em o t o r , t h et r a n s m i s s i o n ，t h eb a t t e r ya n dt h e h y b r i dc o n t r o l l i n gu n i t a n dt h et h e s i sa l s od i ds o m er e s e a r c ho nt h eh y b r i de l e c t r i c a l v e h i c l e sa n dt h ev e h i c l ed i a g n o s i sh o m ea n da b r o a d a f t e rr e f e r r i n gt ot h ev a r i o u s k i n d so fd i a g n o s i sm e t h o d sa n dg e t t i n gad e t a i la n a l y s i so nt h ep a r a l l e lp l u g - i nh y b r i d e l e c t r i c a lp o w e rt r a i ns y s t e m ，i tb r o u g h tf o r w a r dab a s i cs t r u c t u r eo ff a u l td i a g n o s i s s c a n n e rs u i t a b l et ot h ep a r t i c u l a rp o w e rt r a i ns y s t e m b a s e do nt h eb a s i cn e e do ft h e f a u l td i a g n o s i ss c a n n e r , i tc h o s ep l c ，e v i e wa st h eh a r d w a r ea n dt h ee v 5 0 0 0 a t t a c h e di nt h ee v i e wt o u c hs c r e e na st h es o f t w a r ef o r p r o g r a m m i n go f c o m m u n i c a t i o np a r tw i t ht h eh y b r i dc o n t r o l l i n gu n i t ，d i s p l a ya n dd i a g n o s i si n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h eb a s i cn e e do ft h ep o w e rt r a i ns y s t e m ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h e p o t e n t i a lf a u l to c c u r r e di n t h ep o w e rt r a i ns y s t e m a n di tw r o t eas u b - p r o g r a m e m b e d d i n gi nt h ec o n t r o lp r o g r a mt om a k eaj u d g m e n tt ot h ep o t e n t i a lf a u l t a f t e rt h e j u d g m e n tw a sm a d e ，as i g n a lw a sg e n e r a t e d ，w h i c hh a dt h es a m ea d d r e s sw i t ht h e w a r n i n gl i g h ti nt h ed i a g n o s t i ci n t e r f a c e i nt h i sw a y , t h e f a u l ts i g n a l sw e r et r a n s m i t t e d t ot h et o u c hs c r e e n m e a n w h i l e ，t h ea d d r e s s e so fc o m p o n e n t si nt h ed i s p l a yi n t e r f a c e w e r es e tt h es a n l ew i t ht h ep a r a m e t e r si nt h ep l c s ot h r o u g ht h i sc o m m u n i c a t i n g p r o g r a m ，t h er e a l - t i m es t a t u so ft h ep a r a m e t e r so ft h ep o w e rt r a i ns y s t e ma n dt h ef a u l t i i o c c u r r e dw e r et r a n s m i t t e dt ot h es c r e e n a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，t h es c a n n e rc a np r o v i d ear e a l 。t i m ed i s p l a yt ot h e p a r a m e t e r sw h e nt h ep o w e rt r a i ng e t ss t a r t e d ，a c c e l e r a t i n g , s h i f t i n g ，b r a k i n ga n d p r o m p taw a r n i n gw h e nt h ep o w e rt r a i ns y s t e mg e taf a u l t i nt h i sw a y , b a s i c a l l y , t h e d i a g n o s i ss c a n n e ra c h i e v e st h eg o a lt h a td i a g n o s e st h ep a r a l l e lp l u g - i nh y b r i de l e c t r i c a l p o w e rt r a i ns y s t e ma n dp r o v i d e sn e c e s s a r ye x p e r i e n c ef o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：h y b r i d ，p o w e rt r a i n ，d i a g n o s i ss c a n n e r , t o u c hs c r e e n ，f a i l u r ed i a g n o s i s i i i 第2 章诊断仪系统总体技术原理9 2 1 诊断仪系统的总体方案设计9 2 2 诊断仪系统总体设计流程9 2 3 诊断仪系统需求分析。1 0 2 4 故障诊断技术原理及方法。1 1 2 4 1 人工直观经验法1 1 2 4 2 故障树分析法1 1 2 4 3 现代仪器设备诊断法1 2 2 4 4 汽车自诊断方法。1 2 2 4 5 专家系统故障诊断方法1 4 2 4 6 基于数值特征识别的汽车故障诊断方法。1 6 第3 章混合动力电动汽车驱动系统分析1 8 3 1 混合动力驱动系统分类1 8 3 2 并联充电式混合动力驱动系统基本组成部件介绍2 1 3 2 1 系统发动机介绍2 1 3 2 2 系统电机介绍一2 2 3 2 3 动力电池介绍2 3 3 2 4 系统e m t 介绍2 4 3 2 5 传感器介绍2 5 3 2 6 整车控制单元介绍2 5 第4 章诊断分析仪设计2 7 4 1 诊断分析仪总体设计2 7 4 2 硬件选型2 8 4 2 1 可编程控制器的基本结构2 8 4 2 2 系统可编程控制器选犁2 9 i v 5 4 1 试验调试配置要求5 0 5 4 2 系统集成调试5 0 5 4 3 台架调试与结果分析。5 1 第6 章全文总结与展望5 3 6 1 全文总结。5 3 6 2 展望5 3 j l 定谢5 1 ； 参考文献5 6 攻读硕士学位期间科研成果5 9 v 武汉理丁大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 汽车从它诞生起，以其独有的姿态推动人类文明向前迈进，它从一个简单 的代步工具和交通工具，逐渐演变成为许多人的生活必需品和文化生活的一部 分。更有人提出汽车的普及程度和技术水平已成为一个国家和地区现代化程度 的标志i l j 。而且近年来，汽车作为一种时尚文化的符号频频出现在各个领域。汽 车产业在其生产、技术、规模、效益等取得巨大成就的同时，也带来了一系列 问题。汽车尾气排放带来的环境污染、能源消耗引发的石油能源的枯竭危机以 及全球温室效应等都成为亟待解决的难题。因此，汽车新能源技术成为人们最 关心的话题。在这种背景下，电动汽车的概念又被人们重新提出。电动汽车是 针对内燃机车辆而提出的概念，其至少有一种动力源为车载电源，或部分或全 部由电动机驱动，符合道路交通法规的汽车。现在我们所说的电动汽车实际上 包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。 电动汽车相对于传统汽车优势明显：良好的环境保护效果，电动汽车由电 力驱动，在行驶过程中基本不排放n o x 或者s o x 等污染物，减轻了对大气的污染； 噪声低，电池按照电化学原理运作，运动部件少，没有的燃烧噪声和进气门， 排气门、活塞与曲轴等部件的机械噪声；热效率高，电池的等温的将化学能转 化为电能，不通过热力过程，其理论的热点转化效率可达8 5 9 0 ：排放的废 热少，传统汽车燃料在缸内燃烧后排除的气体温度明显高于大气温度，随排气 带出的热量将导致大气温度升高，对大城市的“热岛效应产生一定影响，混 合动力汽车有较高的热效率，单位里程带出的热量少，而纯电动和燃料电池汽 车不带出废热；可回收利用的能量多，电动汽车可以在电机反转时进行能量回 收；可以开发出替代能源，改善能源结构，除了电能之外，还可以用氢气，甲 醇，二甲醚等作为能源，改变了传统上单纯依赖石油燃料的问题。 作为纯电动汽车的一种，混合动力汽车在其诞生之初由于电机控制、电池 等技术的限制，并未有较大的发展，但是随着近年来新技术的应用，混合动力 汽车作为向纯电动汽车以及氢动力汽车的过度车型，受到世界各大汽车公司的 重视。在混合动力汽车的研发过程中，如果能够对驱动系统的故障及时的发现 并排除，就可以缩短研发周期，降低研发成本。因此混合动力汽车的诊断分析 武汉理工大学硕十学位论文 仪的研发，对混合动力汽车的整车控制策略研究，试验调试以及故障的排查有 着重要的意义。“诊断一词是来自医学领域，“诊”就是“望、闻、问、切”， “断”就是医生对病人病情的判断，指出发生了什么疾病。将医学诊断中这种 由现象到本质，由当前推断未来的逻辑思想推广到工程技术领域，再到汽车领 域就形成了汽车故障诊断学这一新兴科学，由于现代汽车的结构日益复杂化、 电子化、电脑化，采用以往的分拆零部件排查，或根据经验诊断或者依靠人的 感觉来进行故障诊断已经成为不可能，故障判断的难度也越来越大。而且对于 混合动力汽车来说，其结构较传统汽车更复杂，零部件更繁多，对于传统汽车 适用的经验和熟练技师的感觉用在混合动力汽车上可能已经不再适用。这样， 采用传统的“事后维修 和定期强制保养的维修方式，就会对于混合动力汽车 的正常行驶带来一定的问题。 我国交通部在汽车运输业车辆技术管理规定中对车辆修理和检测做出 了相应的规定，规定中要求根据车辆的实际情况进行车辆的维修工作，它要求 车辆在通过严格的检测诊断鉴定后，对车辆进行“对症下药 ，不能拖后修理， 也不能提前修理。事后维修，不坏不修，只是出现了故障后才对汽车进行故障 排查和处理，这种传统的故障排除方式存在着对汽车驾驶者、乘客的人身财产 安全严重的威胁和造成重大事故的危机。强制定期性的车辆保养，往往造成盲 目修理，一定程度上减少了某些部件的使用寿命或者失修现象，对于某些已达 到使用寿命但仍正常工作的部件，仍然让其继续工作，从而埋下隐患。随着原 材料质量的提高、制造工艺改进，汽车寿命大大延长，事后维修的方式已不适 应今天的形势。因此，诊断技术在汽车的维修和开发中扮演着重要的角色。而 数据的采集、存储和显示为查找故障确切部位和发生原因，并且确定故障排除 方法提供了参考依据，是故障诊断的基础，对故障诊断是十分重要和必要的。 混合动力汽车和传统汽车相比，在组成结构上多了驱动电机、动力电池等，在 行驶的工况上分为电机独立驱动的纯电动工况和发动机、电机共同驱动的混合 动力工况，因此它要进行检测的部分比传统汽车多，而用于传统的车辆的各种 仪表和诊断工具不能满足对混合动力汽车进行全方位的检测和测试工作。混合 动力汽车的出现，是在对传统汽车的不足之处进行了分析总结，并结合电机技 术，整车控制技术等开发出来，因此针对混合动力的故障监测诊断系统的开发 也要对传统的监测诊断系统的结构功能进行分析，在此基础上进行拓展开发， 检测诊断系统的基本结构如图1 - 1 所示。许多大的汽车公司，如丰田，本田等， 在开发混合动力汽车的同时，也非常重视其监测诊断系统的研发。 2 武汉理工人学硕士学位论文 图1 - 1 故障诊断系统的基本组成【2 l 在混合动力汽车开发或行驶的过程中，检测诊断系统能够对于整车的各参 数进行实时显示，对开发过程中各个实验的完成提供了帮助；数据的采集功能 对于实验后和故障后分析提供了数据支持；报警故障功能能够帮助我们及时发 现汽车出现的故障，这些都为混合动力汽车的开发、后期优化和故障及时排除 提供了可靠的保证。 车辆能够安全行驶不仅是汽车工程师努力奋斗的目标，也一直是人们迫切 的期望，同时也是衡量一个国家、一个汽车企业汽车技术发展的标志。如何能 及时的发现汽车的故障以及在汽车发生事故后能够及时的获取相关故障信息已 成为了各个汽车巨头竞相研究的热门课题。及时发现故障并及时采取恰当的处 理手段解决故障源，可以预防汽车行驶时的事故发生，避免惨剧的发生，保障 人们的生命财产安全。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 混合动力汽车的发展现状 在我国，中国第一汽车集团公司、美国电动车( 亚洲) 公司、汕头国家电动汽 车试验示范区三方合作推出一款混合动力轿车一红旗c a 7 1 8 0 a e i 引。同时一汽集 团在国家“8 6 3 计划中承担了电动汽车重大专项资助项目，并开发出“解放牌 c a 6 1 0 0 h e v 混合动力城市客车”，其动力性和经济性均达到国内领先水平。东风 电动车辆股份有限公司在现有成熟底盘基础上开发了e q 6 1 1 0 h e v 型混合动力城 市公交车，其采用开关磁阻电动机、四缸共轨电喷柴油机、全新设计的车身底 盘，最高车速大于8 0 k m h ，0 5 0 k m h 的加速时间小于1 0 s ，最大爬坡度大于2 0 ， 如图1 2 所示。还有以风神蓝鸟轿车为基本平台的e q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车， 如图1 3 所示，该车采用电控自动变速箱和并联布置的方案，配置直流永磁无刷 3 武汉理工大学硕士学位论文 电动机和镍氢电池，其整车排放不低于欧i i i 标准。 上汽工程院和上海交大等联合开发了申新动1 号混合动力客车，采用了并联 式的驱动方案，车上装载了超级电容作为动力电池，提高了制动能量回收的效 率和整车的动力性能。 吉利华普海尚s t a ( 海i 尚3 0 5 ) 在第7 届上海工业博览会上登场。这款车是由上 海交通大学自主知识产权的混合动力技术改造开发的一台中度混合动力轿车。 该车采用发动机曲轴i s g 方案，1 5 发动机曲轴并联电动机的一体化设计，优点是 结构紧凑、可靠性高、成本低，可节省燃料2 0 左右。 图1 2e q 6 1 1 0 h e v 型混合动力城市公交车 图1 3e q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车 2 0 1 0 年3 月比亚迪发布了f 3 d m 双模电动车全球首创的双动力混合系 统，纯电动加混合动力，实现了既可充电又可加油的双模式，如图1 4 。该车既 可以在纯电动模式下行驶，又可以在油电混合的模式下行驶。驾驶糟通过按键， 可轻松使实现纯电动( e v ) 和混合动力( e v + h e v ) 两种模式之间自由切换。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 图1 4 比亚迪f 3 d m 双模电动车 1 8 9 9 年f e r d i n a n dp o r s c h e 研制成功世界上第一辆由汽油机与电动机组合的混 合动力汽车，但是由于受到电动机、电池和控制等技术的制约，而且环境，能 源问题未凸显危机，它并未引起人们的重视。 1 9 9 3 年，克林顿政府发表p n g v ( t h ep a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no f v e h i c l e s ) 计划【1 】1 4 。该计划由政府带头，与克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司 合作，目的是推动美国汽车技术革命，开发新一代汽车。p n g v 计划提出了三个 战略目标：显著改善和增强美国制造业的竞争力，尽快将具有商业可行性的技 术创新成果应用于汽车生产当中，开发出具有3 倍与现行汽车燃料效率的新一代 汽车。在1 9 9 7 年，p n g v 计划完成了新一代汽车的技术选择，经过多方筛选，最 终确定轻质材料、混合动力、高性能发动机c i d i ( c o m p r e s s i o ni g n i t i o n d i r e c t i n j e c t i o ne n g i n e s ) 和燃料电池为p n g v 的技术主攻方向。2 0 0 2 年，美国政 府提出了f r e e d o m c a r ( c o o p e r a t i v e a u t o m o t i v er e s e a r c h ) “自由车 计划1 1 j 1 5 。 它将研究的领域集中于燃料电池汽车，利用国内的可再生能源制造燃料电池， 使其能够不损害汽车的自由选择、自由使用，并且将燃料电池的技术发展到多 种汽车上。同一年美国能源部批准了“用于工业研究、开发和演示使用电池的 电动汽车”的项目，其中包括电动汽车用电池的使用效率研究、动力储存研究 和供电质量研究等等。 1 9 9 3 年，美国能源部与克莱斯勒、福特、通用三大汽车公司签订混合动力 开发合同，进行为期5 年的研发工作。在此基础上推出了3 款混合动力概念车： 5 武汉理工大学硕士学位论文 通用p r e c e p t 、福特p r o d i g y 、戴姆勒克莱斯勒d o d g e e s x 3 。其中e s x 3 采用先进的 共轨式柴油高压供油系统、变截面涡轮增压系统和多气门顶置双凸轮轴的直喷 式柴油机，并采用铝合金结构降低重量，达到了最好的燃料经济性。2 0 0 8 年美 国能源部拨款3 0 0 0 万美元，用于三大汽车公司进行插电式混合动力汽车的研发。 通用汽车公司旗下的土星v u e 充电式混合动力汽车也在2 0 0 8 年上市，成为通用集 团第一款使用新型混合动力系统的车型，而其2 0 0 9 款土星v u e 混合动力车也成为 美国当选总统奥巴马就职典礼的礼宾车。2 0 1 0 年通用发布了旗下另一款混合动 力汽车产品c h e v r o l e t 的v o l t 增强型电动车。 日本人口众多，国土面积狭小，石油资源几乎全部依赖进口，但是其汽车 保有量居全球第二位，为解决突出的能源问题，日本政府十分重视新能源汽车 的研究，特别是在开发混合动力电动汽车方面处于全球领先的地位1 1 j 1 6 。1 9 9 7 年 底丰田公司推出了世界上第一款量产的混合动力汽车“p r i u s ”，以其出色的燃 油经济、环保性，以及不输传统汽车动力性、稳定性、舒适性等各方面的出色 表现震惊了世界。在2 0 0 9 年推出的第三代“p r i u s 上，新的t h s 油电混合系统 在提升能源效率提升的基础上，也提高了能源的管理效能，而且这款车采用了 可外插充电技术，能够使用家庭用插入式外部充电。丰田其旗下的雷克萨斯也 陆续发布了l s 6 0 0 h l 、g s 4 5 0 h 、r x 4 5 0 h 等混合动力车型。根据丰田公司官方的 消息，到今年2 月其公司混合动力汽车全球销量已经超过3 0 0 万辆。1 9 9 9 年1 1 月， 日本的本田汽车公司独立研制开发的h l s i g h t 混合动力车也已经实现量产。这款 车，搭载1 3 升i v t e c 发动机和轻质i m a 辅助混合动力系统，在城市中每加仑( 约 合3 7 8 5 升) 可以行驶6 1 英里( 约合9 8 公里) ，而在高速路上可以行驶6 6 英里( 约 合1 0 6 公里) 。2 0 0 1 年，在主力车型c i v i c 上搭载混合动力技术的c i v i ch y b r i d 开 始在日本市场销售。2 0 1 0 年本田公司又推出混合动力版的飞度。 在欧洲，长期以来燃料电池汽车一直是各大汽车公司研发的重点，在混合 动力汽车技术渐渐得到全球汽车业界支持的背景下，各个汽车厂商也不甘落后， 纷纷推出了本公司研制的混合动力汽车。2 0 0 7 年法兰克福车展上，奔驰公司推 出了f 7 0 0 、m l 4 5 0 混合动力车以及混合动力版的s m a r t 。欧宝推出了c o r s a 混合 动力车，该车型采用通用公司新一代混合动力系统及最新的柴油发动机技术， 油耗仅为3 7 5 升1 0 0 公f 曼。标志公司推出了标志3 0 8 混合动力h d i 概念车，该车动 力系统由一台1 1 0 马力的1 6 l 柴油发动机和一台电动机组成，并配有一台手自两 用的六档变速箱。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃r e c h a r g ep h e v 概念车， 这是一辆基于沃尔沃c 3 0 的充电式混合动力汽车，将一台1 6 l 的可变燃料发动机 6 武汉理| t 大学硕+ 学位论文 和车轮马达相结合。从欧洲汽车公司的成果看，欧洲混合动力方向更倾向于将 柴油发动机或其他新能源和电池技术结合。 1 2 2 汽车故障诊断的国内外发展现状 在2 0 世纪5 0 年代，西方发达国家就采用了以故障诊断和性能调试为主的单 项检测技术，并且开发出各种单项检测设备。随着汽车工业的发展和汽车新技 术的采用，非接触式车速仪、前照检测灯检测仪、车轮定位仪、废气分析仪、 汽车制动检测仪、全自动前照灯检测仪、发动机分析仪、计算机四轮定位仪等 一系列先进的检测仪器的开发成型，都是各个物理单项学科新的研究成果和机 械相结合的产物。2 0 世纪8 0 年代，随着计算机的普及，计算机诊断与检测系统 相继问世，汽车故障诊断、数据采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的 汽车检测仪器也被开发出来，目前汽车检测线上正在使用的检测诊断系统，能 够将检测、信号采集、处理、打印以及车辆调度集合在一起，使整个汽车诊断 过程实现自动化处理。与此同时，西方的发达国家在汽车检测管理上实现了制 度化管理，在全国各地建立起由政府交通部门统一认证的汽车检测场和监测站， 负责使用车辆的检测工作，并且对经过修理厂维修过的汽车也要进检测场检测， 以确认其安全程度。为实现这些，各发达国家创立了各自的一套完整的标准化 检测指标，来判断受检汽车的技术状况。除了对检测结果要求严格以外，对于 检测设备也有规定，检测设备的性能、检测精度、具体结构等都有严格的规范， 其使用周期，技术更新都有具体的要求【2 j 3 。 在2 0 世纪6 0 年代，我国开始对汽车检测技术进行研究，国家交通部门主持 开发了一些简单的诊断设备。1 9 8 0 年交通部在大连建立了我国第一个汽车监测 站，从此之后，我国的汽车检测诊断技术得到了迅速发展【5 1 。随着世界汽车技术 日新月异、汽车检测技术的飞速发展，我国在这一领域也不甘落后，一系列自 主开发的发动机故障诊断仪、汽车底盘测功机、四轮定位仪、制动检测台、侧 滑试验台、全自动转向角检测仪、汽车传动系故障诊断仪、轴距差检测仪等都 达到了较高的水平，缩短了我国在汽车故障诊断领域同世界先进水平的差距【2 j 4 。 1 9 9 4 年，中国航空工业6 1 1 研究所研制成功“c x 3 车辆行驶记录系统 得到国家 有关部门的认可，并在深圳、上海等地进行道路试验，取得显著的成果。至u 2 0 0 4 年底，全国建立汽车诊断监测站1 4 0 0 多座。2 0 0 1 年，交通部在道路运输车辆 综合性能技术要求与检测方法中提出了，对车辆进行“定期检测、强制维护、 视情修理 的维修新制度，之后在汽车综合性能检测站通用技术条件中， 7 武汉理工大学硕士学位论文 规定了汽车监测站的职责、分级、基本条件和资格认定等等。此后国家有关部 门又颁布了一系列标准，法规，促进了我国汽车检测诊断站的建设和发展，也 加速了我国检测诊断领域向制度化，标准化迈进。尽管如此，我国汽车检测诊 断技术水平和外国发达国家相比还是存在一定的差距，在未来的发展过程中， 我国的汽车检测诊断技术应该向如下三个方面发展： ( 1 ) 完善软件和硬件设施，制定定量化的检测标准，是汽车诊断规范，更 加细致； ( 2 ) 加快大型检测诊断设备的研究和发展，向声、光、电等自动化技术方 向发展，提高汽车故障诊断的智能化水平； ( 3 ) 将汽车故障诊断系统网络化，建立信息共享平台、软件共享平台、硬 件共享平台。利用国家的信息网络，将全国的监测站统一成一个广域网，使有 关部门实施掌握车辆状况【2 j 5 。 1 3 课题的研究内容及研究方法 ( 1 ) 实现并联充电式混合动力驱动系统的基本参数的数据采集、分析，检 测混合动力汽车驱动系统的故障，并进行故障报警。 ( 2 ) 通过与并联充电式混合动力驱动系统控制器的通信，获得驱动系统各 参数的值，并对驱动系统的运行状况进行判断。 ( 3 ) 如何实现触屏与驱动系统控制器的通信，以及如何将实际参数与故障 标准进行比较，确定故障码。通过和传统车诊断系统的对比，找出适合并联充 电式混合动力驱动系统故障诊断分析的方法，并在此基础上制作故障诊断表， 规定各个参数的正常数值范围。 ( 4 ) 通过与驱动系统电控部分的通信，当监测到故障时，现在显示屏中显 示出故障码，实现故障的监测与报警，从而及时解决故障。 8 系统的总体设计是根据需求分析，确定系统硬件选型、软件平台、开发环 境和研制策略等问题，讨论总体技术方案，研究并解决系统中的关键技术问题。 混合动力驱动系统故障诊断分析仪的开发属于混合动力汽车智能化和安全化的 重要途径之一，与基于整车安全的智能控制策略有直接的关系，实时的故障信 息的诊断处理能力直接影响到整车控制单元对整车的控制，故障的排除对混合 动力汽车的行车安全和技术改进有重要作用。因此，在设计该系统时，既要从 驱动系统参数的采集、处理来考虑，也要考虑进行故障分析时的方便性和有效 性。 2 2 诊断仪系统总体设计流程 系统的总体设计流程图如图2 1 所示。在分析系统总体需求的基础上，初步 制定系统的技术方案，根据要实现的功能和哪些要采集和监控的物理量，选择 硬件和软件，从而确定软件开发平台；根据各量不同的采集方法，选择定购硬 件产品，硬件系统集成通过在软件平台及仪器驱动程序的支持下，对硬件资源 进行安装配置和接口的调试。系统软件需求分析需要对使用者进行需求的访问 调查，通过总结分析，在软件系统设计时，根据用户需求的要求，将系统划分 为几个功能块，分块编写程序、设计界面。在进行对各个功能块进行程序编写 的过程中，要注意编写软件设计文档，方便程序的阅读和测试阶段的错误排查。 然后使用选定的软件和程序语言，进行程序的编写，并在完成各个功能块后进 行程序调试。然后将各功能块集合在一起进行调试，在调试无误后将硬件系统 和软件系统集成在一起进行功能的联调，这一阶段必须对每个程序，每个功能 逐项实验，并进行验收实验。最后在调试完毕，各部分工作正常的情况下，进 行实车的功能测试，并完成试验。交付使用后根据使用情况对系统进行定期检 查，并根据反馈情况，不断修复完善系统功能。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 诊断仪系统需求分析 图2 1 系统设计流程副6 】 目前，针对混合动力电动汽车数据和故障的采集处理主要都是做行车记录 仪，记录相关汽车安全的参数，如速度、时间等，为混合动力汽车的安全行驶 和系统的稳定性提供一定的事实依据。本系统的设计目的是显示并联充电式混 合动力驱动系统的常规参数，对诸如动力电池的电压，档位信号，电机转速信 号，踏板信号等参数进行分析，并对系统可能出现的故障进行报警，从而为研 究人员和调试人员在进行混合动力汽车开发和调试过程中提供帮助。特别是当 1 0 能够 确合 查的 汽车的构造和工作原理非常明了的前提下，根据他们自己长年以来积累的经验， 通过道路试验，对汽车或总成工作情况的认真观察，以及利用某些简单的测试 工具，在拆解汽车或不进行局部拆卸的情况下，根据汽车在工作中表现出来的 外部异常，采用眼看、手摸、耳听、鼻闻等手段，一边检查，一边实验，一边 分析，对汽车的技术状况或者可能的故障和现象进行判断【7 j 。人工直观经验，判 断汽车故障一般不需要利用专用设备，可以在任何场合，任何地点进行故障诊 断，能够大大降低维修成本。但这种方法诊断速度较慢，对复杂故障诊断的判 断很大程度上依赖于诊断人员的技术水平和实际经验，而且不能够进行定量分 析。目前，我国熟练的高级汽车维修技师非常少，而且培养这类人才需要大量 投资和较长时间的实践经验，同时诊断者还需要有较高的理论水平，这使得人 工直观经验诊断法的作用受到很大的限制1 8 j 。 2 4 2 故障树分析法 故障树分析法( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 简称f t a 法，在上世纪6 0 年代发展起来， 是一种将故障形成的原冈由总体至部分按树枝状逐渐细化的分析方法【引。它把系 统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，即所谓的顶事件。然后寻找 直接导致这一故障发生的全部因素，即是中间事件。再找出造成中间事件发生 的全部直接因素，一直追查到那些原始的、最基本、不需要在深究的要素为止， 即底事件。然后选择使用代表各种事件的符号和事件之间联系关系的逻辑门符 号，将这三种事件按照逻辑关系连接起来，形成一个树形的逻辑图，即所谓的 故障树。其中逻辑门关系包括与门、或门和禁门。 对于故障树的建立，目前尚没有一种统一的方法，但是一般采用演绎法。 该方法是先选定系统产乍的故障作为顶端事件，然后找出故障发生的各种原因 如人为因素、环境影响、软硬件故障等，作为中间事件，然后再找出导致这些 武汉理工大学硕士学位论文 中间事件的因素，以此类推，循环分析，直到找出引发故障的全部原因，即分 析到不需要再分析的底事件。然后连接各个事件，就建成了一颗倒置的故障树。 然后再对故障树进行各种分析，确定各事件的发生概率，对系统故障进行定量 分析。 2 4 3 现代仪器设备诊断法 这种方法是在人工经验判断法的基础上发展起来的，利用建立在机械、电 子、流体、振动、声学、光学等技术上开发的检测设备、仪器和工具，在不解 体汽车的情况下，来对汽车、总称或某一部分进行测试，获取汽车的结构参数、 技术状态、曲线和波形等，从而对汽车故障进行诊断。 随着汽车技术的发展，各种汽车电控系统诊断设备，结合诊断和分析设备 于一体的测试设备应运而生。在国外，工程师们研究出了结合了声学、光学、 电子技术、物理、化学、与机械相结合的各种检测诊断技术，如非接触的车速 仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、废弃分析仪等。 在我国，汽车检测诊断设备的技术水平也不断提高，一批具有高新技术的 诊断以其被研制出来，例如，我国自主开发的发动机故障诊断仪，汽车底盘测 功机，四轮定位仪、全自动转向角检测仪、汽车传动系故障诊断仪等等。同时 到2 0 0 4 年底，我国还建立了各类汽车诊断站1 4 0 0 0 多座。全国汽车综合监测站年 检测车辆超过1 0 0 0 万台【2 j 4 。 综合检测诊断系统是指将各种现代的检测技术、监测仪器和设备融合在一 起，完成某一特定的测试任务，是汽车故障诊断和检测实现现代化的重要标志。 如皋于l a b v i e w 的混合动力汽车车载参数监控系统，基于人工智能和虚拟仪器 技术的发动机故障诊断专家系统【1 0 l ，混合动力汽车车载信息监测分析系统，汽 车fi 动变速器数据采集及故障诊断系统【1 1 】等等。 2 4 4 汽车自诊断方法 从2 0 世纪8 0 年代起，美、日、欧等各大汽车制造企业开始在其生产的电控 燃油喷射汽车上配备o b d 系统，o b d 是o n b o a r dd i a g n o s t i c s 的缩写，意为“车 载f l 动诊断系统”，这个系统从发动机的运行状况监测汽车排放的尾气是否超 标，一旦超标，马上发出警示，它涉及到发动机上的多个系统和功能部件，其 q - 人多是排放系统的功能组成，包括催化转化器、颗粒捕集器、e g r 、排放系