纯电驱动工程机械监控系统研究分析

田路军　田永乐　张开然

摘  要：纯电驱动工程机械长期工作在恶劣且工况复杂的作业环境，所以对车辆的运行数据进行记录、安全监控是保证车辆安全可靠工作的关键。针对纯电驱动工程机械实施有效的监控管理，有助于及时发现车辆在运行、作业、维护中的事故苗头，从而降低故障发生概率;同时能够提供故障设备修复依据，有利于减少故 障设备修复时间，大大改善设备的监管状况。本文针对纯电驱动装载机展开监控系统需求分析和方案设计。

关键词：纯电驱动;工程机械;监控系统

一、监控系统需求分析

1.监控系统主要实现功能

纯电驱动工程机械在作业过程中常常会面临诸如维护、保养、故障排查等一些难以解决的问题，因此对车辆运行状态进行监测是非常有必要的。将监测参数回传到交互终端管理平台实时动态显示，并通过故障管理系统对数据进行诊断分析并实时预警。综上所述，具体需求如下：

（1）数据信息采集功能：采集可以表征纯电驱动工程机械运行状态所需的信息参数，主要包括电池管理系统、电驱系统、液压系统、整车控制器、辅助电源等模块反馈的参数信息，为监控管理平台提供数据基础。

（2）数据传输功能：纯电驱动工程机械主要通过布置 CAN 总线通讯网络实现车辆各子系统间的数据交互，为了满足数据传输需求，需在车载终端使能I/O 端口、ADC 通道、CAN 接口以及 USART 等模块以适应不同传感器、接口的信号类型。

（3）监控管理平台应具备数据实时监控、故障实时预警、历史数据存储、设备维护记录等多项功能。

2.主要监控对象和内容

本文的监控对象是型号为HNL-16EL 的纯电驱动轮式装载机，其试验平台系统结构包括液压系统、电驱系统、电池管理系统、整车运行状态、故障诊断系统反馈的参数信息，监控内容具体如下：

（1）液压系统：主泵压力、泵马达压力、变速泵压力、蓄能器压力、先导压力之和、气罐压力、制动压力、液压油温、冷却水温等。

（2）电驱系统：行走电机转速、主泵电机转速、行走电机扭矩、主泵电机扭矩、行走电机功率、主泵电机功率、行走电机母线电压、主泵电机母线电压、行走电机直流电流、主泵电机直流电流、行走电机温度、主泵电机温度、行走电机控制器温度、主泵电机控制器温度、行走电机控制模式、主泵电机控制模式等。

（3）电池管理系统：电池剩余电量百分比（SOC）、电池健康度（SOH）、动力电池总电流、动力电池总电压、累计充电电量、累计放电电量、电芯平均温度、电芯最大温度、电芯最小温度、电芯单体平均电压、电芯单体最大电压、电芯单体最小电压、充电连接状态等。

（4）整车运行状态：先导手柄液压锁开关状态、行走挡位、驻车状态、怠速模式、手/自动模式、当前车速、可续驶时间等。

（5）故障诊断系统：电池管理系统最高报警等级、行走电机最高报警等级、主泵电机最高报警等级、油泵工作状态、气泵工作状态、DC-DC 工作状态，以及各模块反馈的具体故障信息。

二、总体方案设计

本文设计的纯电驱动装载机监控系统由车载终端、CAN 通讯网络、交互终端、监控管理平台等组成。车载终端通过初始化信号采集单元对试验样机运行数据进行集成，设计交互界面实时动态显示车辆运行数据，通过布置 CAN 通讯网络实现车辆各子系统间的信息交互，并基于交互终端（CZ6）做整车故障诊断，最后由上位机（PC 端）对故障数据进行存储、分析。

1.车载终端

车载终端是以 STM32F767 单片机为主处理器作嵌入式软件开发。主要设计思想是将 CAN 通讯、数据集成、嵌入式、emWin 图形界面开发、逻辑控制等多项技术引入到纯电驱动装载机中，从而实现基于信息技术的纯电驱动装载机的监控。车载终端微控制器是监控系统的核心，负责处理试验样机的运行数据。

2.CAN通讯网络

纯电驱动装载机的工况一般较为复杂且作业环境相对恶劣，需保證各系统间数据交互的稳定性。CAN（Controller Area Network）以一种高速率、高可靠性、数字化、分散式、双向多点的通信方式，解决了车辆 ECU 间众多数据交互问题。

3.监控管理平台功能分析

监控管理平台主要包含以下几种功能。

（1）数据监控功能：记录试验样机的各子系统控制器、传感器以及执行器反馈的重要运行数据，并基于STemWin作人机交互界面设计，由RGBLCD显示触控集成面板实时动态反馈数据。

（2）辅助驾驶功能：用户在集成面板上可切换怠速模式、手自动模式辅助驾驶。

（3）故障诊断功能：本文基于交互终端（CZ6）设计整车故障子系统，实时反馈车辆具体故障信息以及各子系统的最高故障等级，并针对故障严重程度设计保护机制以提醒驾驶员车辆故障情况。

（5）数据存储功能：主要针对故障事件触发，保存其事件发生的时间、故障码，并通过串口通信将发生故障时间点前后的数据流存储至上位机，为故障诊断或故障预测提供了数据基础。

（6）设备保养维护功能：检查车辆保养信息、使用情况、累计工作时间、电池健康状态等。

本文针对纯电驱动装载机概述了监控系统的总体方案设计，并对系统功能以及监控对象和内容进行详细的分析。整个系统划分成车载终端、CAN通讯网络、交互终端、监控管理平台四个功能模块，并对每一模块的功能实现进行了分析，为后续车载终端系统设计以及整车故障监测系统的实现奠定了基础。

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