一种混合动力热管理系统故障诊断方法及装置

本发明涉及一种混合动力热管理系统故障诊断方法及装置，属于动力系统故障诊断。

背景技术：

1、混合动力汽车(简称hev)是“节能-降碳”的有效手段之一，相较于传统车辆，hev具有多动力源和多热源的特点，同时又由于不同热源各自的适宜温度不同，导致混合动力总成热管理系统冷却温度范围变宽，复杂度大大增加，因此其热管理系统更加复杂。

2、hev热管理系统的性能对车辆的动力性和经济性都有影响，同时hev系统的性能表现，反过来会影响系统的热平衡性能，进而影响到车辆的可靠及耐久性；因此将hev性能与系统热管理特性建立联系，使得在系统出现热故障时能够平衡经济性和工作性能之间的冲突，在牺牲一定混动系统经济性的前提下，提高混动系统的热平衡表现，使得混动系统在容错控制范围内带故障运行，对混动系统控制有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种混合动力热管理系统故障诊断方法及装置，选取混合动力系统中发动机、电池和电机的特征信号建立热管理系统冷却能力的综合评价指标，当混合动力热管理系统出现故障后，通过获取特征信号并对其进行归一化处理，实时计算综合评价指标，根据故障后综合评价指标偏离正常值的程度，准确诊断出混合动力热管理系统故障，当混合动力热管理系统故障确认后，通过动量梯度下降法重新分配混合动力系统不同动力源的功率占比，充分发挥混合动力系统多动力源的优势，使得混合动力热管理系统在容错控制范围内能够带故障运行。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、本发明公开一种混合动力热管理系统故障诊断方法，基于下述一种混合动力热管理系统故障诊断装置实现。所述一种混合动力热管理系统故障诊断方法，包括以下步骤：

4、步骤一、通过待测信号获取模块获得车辆的瞬时信号，并对应得到的混合动力总成的状态信号。

5、步骤1.1：待测信号获取模块获取车辆部件的原始瞬时模拟信号；

6、步骤1.2：对步骤1.1获得的原始瞬时模拟信号进行信号转换和标定，得到原始模拟信号和原始数字信号的关系，并进行滤波处理，得到所述车辆的瞬时状态信号；

7、步骤1.3：基于步骤1.1获取的原始瞬时模拟信号、步骤1.2获取的瞬时状态信号，获取混合动力热管理系统状态信号，所述状态信号包括如下柴油机瞬时状态信号、柴油机冷却系统瞬时状态信号、电池冷却系统瞬时状态信号三类信号：柴油机瞬时状态信号包括曲轴信号盘信号、油门开度、进气压力和温度；柴油机冷却系统瞬时状态信号包括柴油机高、低温冷却循环出水口温度，柴油机冷却液温度，柴油机排气温度和机油温度。电池冷却系统瞬时状态信号包括电池温度和电池冷却循环出水口温度。

8、步骤二、利用信号处理模块对步骤一中得到的混合动力总成的状态信号进行归一化处理，消除不同量纲的影响。

9、步骤三、根据信号处理模块输入的统一量纲的状态信号，通过特征选择方法得到混合动力总成各冷却性能指标及其权重值范围，综合评价指标通过权重表征冷却性能受柴油机高、低温冷却循环出水口温度、柴油机冷却液温度、柴油机排气温度和机油温度、电池温度和电池冷却循环出水口温度的影响程度。将构建好的综合评价指标嵌入故障诊断模块，混合动力热管理系统故障诊断时故障诊断模块直接调用综合评价指标进行故障诊断，提高故障诊断效率，得到综合评价指标对热故障的判断结果。

10、步骤四、容错控制模块先利用步骤一中获得的车辆瞬时信号，通过vcu计算基于动量梯度下降的混合动力总成的功率分配策略，接收步骤三中综合评价指标对热故障的判断结果，通过使用基于动量梯度下降的方法，调整下降比例，不断减少混合动力总成故障子系统的功率占比，使其不再超温。对于故障子系统减少的功率缺口，由混合动力总成中其他正常子系统补充，得到混合动力总成热故障下新的动力分配，充分发挥混合动力系统多动力源的协同优势，使得混合动力系统在容错控制范围内带故障运行。

11、所述动量梯度下降法(gradient descent with momentum)通过计算梯度的指数加权平均数，以指数衰减的形式累计历史梯度，并利用该梯度更新权重，相较于传统梯度下降法，动量梯度下降法最大的区别在于在确定下降步长上引入动量α，即能够加快收敛速度，又能够修正梯度迭代方向来减少其震荡的幅度。梯度的更新规则如下：

12、

13、θt+1＝δθt+θt           (2)

14、式中，θt为t时刻的状态变量，θt+1为t+1时刻的状态变量，εt为t时刻的学习率，为损失函数的一阶导数，α为动量，其中α取值范围为[0～1]，作为优选，取值为0.9，有较高的鲁棒性。

15、针对混合动力系统的动力源，即柴油机和电池。动力源的输出功率越大，动力源温度及其相应冷子系统部件温度也越高，当动力源及其冷却系统出现热故障时，重新确定各动力源之间的动力分配，能够减少对应系统部件的热效应，使得混合动力系统在容错控制范围内带故障运行。基于动量梯度下降法，计算故障部件的输出功率，来进行功率分配，从而实现对热故障的容错控制。故障部件的故障后下一时刻的输出功率pt+1，如式(3～4)所示：

16、

17、pt+1＝δpt+pt           (4)

18、式中，pt为t时刻的故障部件的输出功率，pt+1为t+1时刻故障部件的输出功率，εt为t时刻的学习率，为损失函数的一阶导数，为输出功率对于其温度的一阶偏导数，α为动量，取值为0.9。

19、本发明还公开一种混合动力热管理系统故障诊断装置，主要由上位机pc、混合动力总成、车载通信装置下位机vcu、待测信号获取模块、故障诊断模块、信号处理模块、容错控制模块组成。上位机pc和车载通信装置下位机vcu通过信号线进行连接。混合动力总成通过信号总线和车载通信装置下位机vcu连接，上位机pc控制车载通信装置下位机vcu接收和处理来自混合动力总成的信号，进行实时信号传递交互，基于写入车载通信装置下位机vcu中的待测信号获取模块、故障诊断模块、信号处理模块、容错控制模块对混合动力热管理系统故障诊断信息，并根据故障诊断信息对混合动力热管理系统进行容错控制。

20、待测信号获取模块接收混合动力热管理系统状态信号，所述状态信号包括如下柴油机瞬时状态信号、柴油机冷却系统瞬时状态信号、电池冷却系统瞬时状态信号三类信号：柴油机瞬时状态信号包括曲轴信号盘信号、油门开度、进气压力和温度；柴油机冷却系统瞬时状态信号包括柴油机高、低温冷却循环出水口温度、柴油机冷却液温度、柴油机排气温度和机油温度；电池冷却系统瞬时状态信号包括电池温度和电池冷却循环出水口温度。

21、信号处理模块获取来自待测信号获取模块的状态信号，将状态信号进行归一化处理，消除不同量纲的影响，为后续故障诊断模块进行预处理，通过统一状态信号量纲在保证不同数量级下特征信号精度的基础上，提高混合动力热管理系统故障诊断效率。

22、根据如下公式(5)对柴油机高、低温冷却循环出水口温度、柴油机冷却液温度、柴油机排气温度和机油温度、电池温度和电池冷却循环出水口温度进行归一化处理：

23、

24、其中，nn为各冷却指标量纲统一化后的值；sn1为混合动力总成的各冷却指标的监测值；sn0为混合动力总成的各冷却指标的阀值。

25、故障诊断模块获取来自信号处理模块的状态信号，根据综合评价指标，通过车载通信装置下位机vcu计算综合热评价指标，判断混合动力总成的热状态，分析混合动力工况并诊断热管理系统是否发生故障。

26、所述综合评价指标根据上述归一化之后的特征信号，即柴油机高、低温冷却循环出水口温度、柴油机冷却液温度、柴油机排气温度和机油温度、电池温度和电池冷却循环出水口温度构建，并将构建好的综合评价指标嵌入故障诊断模块。

27、所述综合评价指标构建方法如下：

28、根据混合动力热管理系统通过传感器直接采集的特征信号，并结合混合动力热管理系统的特点：发动机在启动阶段和正常工作阶段分别通过高温冷却循环和低温冷却循环进行冷却，由于电池的适宜工作温度在20～30摄氏度，并通过空调冷媒水进行冷却。因此选取可以准确标准冷却系统性能的指标，即柴油机高、低温冷却循环出水口温度、柴油机冷却液温度、柴油机排气温度和机油温度、电池温度和电池冷却循环出水口温度，构建通过权重表征冷却性能的综合热评价指标a如公式(6)所示：

29、a＝k1n1+k2n2+···+knnn       (6)

30、其中：kn为各冷却指标对应的权重系数，nn为各冷却指标量纲统一化后的值，通过综合热评价指标a表征所选冷却能力特征整体的优化/劣化程度。在与正常工况对比后，δa值越大，表明冷却系统整体上偏离正常工况越明显，冷却系统越劣化。当δa即评价值偏差大于预设偏差阈值时，通过对偏差影响最大的特征进行分析，确定故障位置及容错控制目标。

31、作为优选，所述预设偏差阈值为0.05，当综合评价指标与标准评价值的偏差达到0.05时，认为柴电混合动力冷却系统出现了较严重的过热趋向，可以确定混合动力热管理系统故障。

32、通过特征选择方法中的领域分量分析nca确定各冷却指标对应的权重系数kn，提高诊断准确性；nca算法随机选择近邻，通过交叉检验的结果来求得变换矩阵，通过特征选择方法实现降维和权重系数确定，具体实现方法如下：

33、为寻找到一种距离测度使得两者之间距离最小，两者之间距离表达如下：

34、

35、其中wr为特征权重值。此时xj被选中作为xi作为近邻继承其分类标签的概率如下：

36、p(ref(x)＝xj|s)∝k(dw(x,yj))     (8)

37、其中k为反映两点距离的核函数，其大小与两点距离呈负相关，dw(xi,yi)越小，k值越大，其式如下：

38、

39、通过特征选择方法得到混合动力总成各冷却性能指标及其权重值范围如下：

40、1)柴油机高温冷却循环出水口温度：0.35～0.50；

41、2)柴油机低温冷却循环出水口温度：0.12～0.42

42、3)柴油机冷却液温度：2.10～4.25；

43、4)柴油机排气温度：2.4～4.6；

44、5)机油温度：1.50～2.80；

45、6)电池温度：2.15～4.00；

46、7)电池冷却循环出水口温度：0.25～1.60。

47、根据信号处理模块输入的统一量纲的状态信号，通过特征选择方法得到混合动力总成各冷却性能指标及其权重值范围，综合评价指标通过权重表征冷却性能受柴油机高、低温冷却循环出水口温度、柴油机冷却液温度、柴油机排气温度和机油温度、电池温度和电池冷却循环出水口温度的影响程度。将构建好的综合评价指标嵌入故障诊断模块，混合动力热管理系统故障诊断时故障诊断模块直接调用综合评价指标进行故障诊断，提高故障诊断效率。

48、根据混合动力热管理系统工况特点，作为优选，混合动力总成各冷却性能指标及其权重值如下时故障诊断精度最高。

49、1)柴油机高温循环出水口温度：0.43；

50、2)柴油机低温循环出水口温度：0.22

51、3)柴油机冷却液温度：3.05；

52、4)柴油机排气温度：3.20；

53、5)机油温度：2.19；

54、6)电池温度：2.75；

55、7)电池冷却循环出水口温度：0.90。

56、容错控制模块获取来自故障诊断模块的输出和待测信号，获取自故障诊断模块中的混合动力热管理系统状态，通过车载通信装置下位机vcu计算基于动量梯度下降的混动系统功率分配策略，通过不断减小热管理子系统故障下其对应的部分动力源的功率输出，此功率缺口由混动系统的其他动力源补充(如混合动力系统发动机热管理子系统出现故障，降低发动机的输出功率，增大动力电池输出功率来补充功率缺口)，仍然满足混合动力系统的需求功率，减少故障热管理子系统对于混合动力系统的影响。充分发挥混合动力系统多动力源的协同优势，使得混合动力系统在容错控制范围内带故障运行。

57、有益效果：

58、1、本发明公开的一种混合动力热管理系统故障诊断方法及装置，通过分析混合动力热管理系统故障，确定冷却能力指标，并利用nca和交叉验证确认各项冷却能力指标的权重系数，得到混合动力热管理系统的综合热评价指标，能够准确诊断出混合动力热管理系统故障。

59、2、本发明公开的一种混合动力热管理系统故障诊断方法及装置，利用基于动量梯度下降的功率分配策略，充分发挥混合动力系统的优势，使得系统在容错控制范围内带故障运行，增加混合动力系统的宽容度，同时车辆原有的车载通信装置下位机vcu便可满足计算要求，具有响应快和实用性强的特点。

60、3、本发明公开的一种混合动力热管理系统故障诊断方法及装置，将构建好的综合评价指标嵌入故障诊断模块，混合动力热管理系统故障诊断时直接调用综合评价指标进行故障诊断，诊断速度快，能够提高故障诊断效率。