CN109410366A - 一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，包括传感器采集模块、数据采集传输线、数据处理装置、USB串口以及计算机显示平台，所述传感器采集模块的输出端通过数据采集传输线与数据处理装置的输入端信号连接，且数据处理装置的输出端通过USB串口与计算机显示平台的输入端连接。该增程式电动汽车故障预测与健康管理平台集成信息采集，分析，传输，显示为一体，能适用于某一型号的发动机—发电机组类型的增程式电动汽车故障预测；并且通过显示屏直观展示所接收和处理后的数据，展示实验平台的故障信息，解决了现有增程式电动汽车故障诊断平台的故障模拟单一性及显示不直观等问题。

Description

一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台

技术领域

本发明涉及增程式电动汽车技术领域，具体为一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台。

背景技术

随着如今能源的紧张和现有国家政策的倾斜，增程式电动汽车受到了广泛的关注，其中重要的增程器以及相应的故障实验平台孕育而生，与此同时正需要一个故障实验平台的数据信息的采集，分析，显示平台。利用此平台解决下接的故障实验平台的故障分析诊断以及显示。

由于增程器故障实验平台已经考虑到了的故障只有具体数据，而无人机展示界面，无法直观展示故障的问题所在，不便于学习研究。

因现有故障实验传感器已定，当故障实验平台随着实验的进行和发展的需要，日后需改变或者增加传感器时会极其不便。简而言之，现有增程式电动汽车故障诊断平台的故障模拟存在单一性及显示不直观的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，以解决上述背景技术中提出的现有增程式电动汽车故障诊断平台的故障模拟单一性及显示不直观的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，包括传感器采集模块、数据采集传输线、数据处理装置、USB串口以及计算机显示平台，所述传感器采集模块的输出端通过数据采集传输线与数据处理装置的输入端信号连接，且数据处理装置的输出端通过USB串口与计算机显示平台的输入端连接。

所述数据处理装置包括数据调理装置、FPGA串并行转换接口以及DSP数据处理芯片，且数据调理装置的输入端与数据处理装置的输出端连接，该数据调理装置的输出端通过FPGA串并行转换接口与DSP数据处理芯片的输入端连接，且DSP数据处理芯片的输出端通过USB串口与计算机显示平台的输入端连接。

所述数据处理装置与维修数据库双向信号连接，且数据处理装置的输出端与报警单元的输入端连接，且报警单元包括蜂鸣报警器以及信号指示灯。

所述计算机显示平台的输入端与故障检测与维修控制台的输出端连接，且故障检测与维修控制台的输入端与状态监测模块的输出端连接，该状态监测模块的输出端还与健康评估模块的输入端连接，且健康评估模块的输入端与故障预测模块的输出端连接，该健康评估模块的输出端与计算机显示平台的输入端连接，且计算机显示平台以及故障预测模块均与云数据库双向信号连接。

所述故障检测与维修控制台通过通信模块与维修部门终端双向信号连接，且故障检测与维修控制台制定维修大纲和维修方式，从而制定维修计划，制定后的维修计划通过故障检测与维修控制台发送至计算机显示平台进行显示。

优选的，所述传感器采集模块包括温度传感器、位移传感器、输出转矩传感器以及加速度传感器。

优选的，所述位移传感器设置有两个，其中一个为测量轴承位移传感器，其安装在发电机轴末端轴承上，另一个为测量主轴位移传感器，其安装在发电机轴前端与轴承碰摩装置之间的位置。

优选的，所述加速度传感器采用压电效应的加速度传感器，该加速度传感器通过螺栓固定在靠近飞轮一侧的发动机曲轴下方。

优选的，所述温度传感器采用红外温度传感器。

优选的，所述数据调理装置包括信号调理电路以及AD转换芯片，该信号调理电路的输入端通过数据采集传输线与传感器采集模块的输出端连接，且信号调理电路的输出端与AD转换芯片的输入端连接，该AD转换芯片的输出端。

优选的，所述信号指示灯包括用于表示温度不合格的蓝色信号指示灯、用于表示位移不合格的红色信号指示灯、用于表示输出转矩不合格的黄色信号指示灯以及用于表示加速度不合格的紫色信号指示灯。

优选的，所述通信模块采用无限网络通信模块。

优选的，所述维修部门终端采用可接入无线网络的PC机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该增程式电动汽车故障预测与健康管理平台集成信息采集，分析，传输，显示为一体，能适用于某一型号的发动机—发电机组类型的增程式电动汽车故障预测；并且通过显示屏直观展示所接收和处理后的数据，展示实验平台的故障信息，解决了现有增程式电动汽车故障诊断平台的故障模拟单一性及显示不直观等问题。

附图说明

图1为本发明***原理示意图；

图2为本发明健康管理平台的***原理示意图；

图3为本发明故障检测与维修控制台的***框图；

图4为本发明报警单元的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，包括传感器采集模块、数据采集传输线、数据处理装置、USB串口以及计算机显示平台，所述传感器采集模块的输出端通过数据采集传输线与数据处理装置的输入端信号连接，且数据处理装置的输出端通过USB串口与计算机显示平台的输入端连接。

所述数据处理装置包括数据调理装置、FPGA串并行转换接口以及DSP数据处理芯片，且数据调理装置的输入端与数据处理装置的输出端连接，该数据调理装置的输出端通过FPGA串并行转换接口与DSP数据处理芯片的输入端连接，且DSP数据处理芯片的输出端通过USB串口与计算机显示平台的输入端连接。

所述数据处理装置与维修数据库双向信号连接，且数据处理装置的输出端与报警单元的输入端连接，且报警单元包括蜂鸣报警器以及信号指示灯。

所述计算机显示平台的输入端与故障检测与维修控制台的输出端连接，且故障检测与维修控制台的输入端与状态监测模块的输出端连接，该状态监测模块的输出端还与健康评估模块的输入端连接，且健康评估模块的输入端与故障预测模块的输出端连接，该健康评估模块的输出端与计算机显示平台的输入端连接，且计算机显示平台以及故障预测模块均与云数据库双向信号连接。

所述故障检测与维修控制台通过通信模块与维修部门终端双向信号连接，且故障检测与维修控制台制定维修大纲和维修方式，从而制定维修计划，制定后的维修计划通过故障检测与维修控制台发送至计算机显示平台进行显示。

本发明中：传感器采集模块包括温度传感器、位移传感器、输出转矩传感器以及加速度传感器。

本发明中：位移传感器设置有两个，其中一个为测量轴承位移传感器，其安装在发电机轴末端轴承上，另一个为测量主轴位移传感器，其安装在发电机轴前端与轴承碰摩装置之间的位置。

本发明中：加速度传感器采用压电效应的加速度传感器，该加速度传感器通过螺栓固定在靠近飞轮一侧的发动机曲轴下方。

本发明中：温度传感器采用红外温度传感器，温度传感器的探头对准转子的转轴位置进行安装。

本发明中：信号指示灯包括用于表示温度不合格的蓝色信号指示灯、用于表示位移不合格的红色信号指示灯、用于表示输出转矩不合格的黄色信号指示灯以及用于表示加速度不合格的紫色信号指示灯。

本发明中：通信模块采用无限网络通信模块。

本发明中：维修部门终端采用可接入无线网络的PC机。

本发明中：故障维修与控制台能够对状态监测模块的数据进行调试与控制，进而输送到显示台；另一个功能是维修计划的制定。

本发明中：云数据库，储存云端故障数据库及诊断信息数据库，并实时储存故障诊断信息。

本发明中：数据调理装置包括信号调理电路以及AD转换芯片，该信号调理电路的输入端通过数据采集传输线与传感器采集模块的输出端连接，且信号调理电路的输出端与AD转换芯片的输入端连接，该AD转换芯片的输出端。

本发明的信号调理电路：由于传感器输出的都是很小的电压或者电流的变化，并且可能信号干扰较大，所以在进行AD模数转换前必须进行信号调理，也就是对模拟信号进行放大，滤波，缓冲，定标等，使其适合AD转换芯片的输入，便于处理。信号调理电路可以将数据采集***的性能和精度提高数倍。信号调理电路简单来说就是把传感器信号转换成能够采集的标准信号。

本发明的AD转换芯片：AD转换芯片就是进行模拟量/数字量转换的芯片，可以将电压，电流等信号转换成电路可以处理的数字量。输出的数字信号可以有8位，10位，12位，14位，16位等，本发明采用的是某型号的双通道的16位AD转换芯片。即一个AD转换芯片可以进行两个信号数据的模拟量转为数字量的处理工作。并且带有信号调理，可以将从传感器接收到的很弱的输入信号直接转换成串行的数字信号输出，并且无需外部仪表放大器。并且内部使用∑-Δ的ADC，能实现16位无误码的良好性能，更益于数据采集。而传统的积分型和逐次逼近型AD实现起来难度较大。

本发明的FPGA芯片：FPGA即为现场可编程门阵列，可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，让FPGA完成设计者所需要的逻辑功能。FPGA中有大量的可编辑逻辑单元，并且有很多的连接单元，触发器以及寄存器，可以让FPGA更加灵活的编辑。同时，FPGA有高层次的如加法器，乘法器等的内置模块和内置记忆体，可以让部分的***重新配置，允许FPGA的设计随着***的升级或者动态重新配置而改变。

简单来说FPGA就是可以按照自己想法去设计各种各样的电路的一种可编程芯片。本发明的作用是将串行输入转为并行输出。

其中FPGA内置包含有FIFO缓存模块，FIFO是一种先进先出的数据缓存器，由于没有外部读写地址线，无法像普通寄存器那样读取或者写入某个指定的地址。但是FIFO可以做到普通的数据缓冲与数据匹配功。本发明中DSP芯片的处理速度远高于AD转化芯片的速率，所以需要将FIFO将作为数据缓冲，来协调两个芯片之间的数据传递。

同时根据FIFO工作时域，可以将FIFO分为同步FIFO和异步FIFO。本发明采用异步FIFO，即读写时钟相互独立。如果采用同步FIFO，读写采用一个时钟，那么会使得后面的DSP只有接收完数据后才会进行其他工作的处理，这样会降低DSP的工作效率。采用异步FIFO后，缓冲采集的信号可以一次性传递给DSP芯片，提高DSP的工作效率。

本发明的DSP芯片：DSP就是数字信号处理技术，而DSP芯片就是指能够实现数字信号处理技术的芯片。在DSP芯片中，有专门的硬件乘法器，因为哈佛结构可以使内部程序和数据分开，采用流水线操作，可以很快解决实际问题中的各种数字信号处理算法。

能根据用户事先编写好的程序进行信息处理，本发明中将在DSP芯片中利用FFT算法进行快速的傅里叶变换，进行频谱分析，将数据转化为更容易看出的频域信号，也便于计算机进行后续的处理，同时也节约了计算机的运算处理的时间，让计算机更加充分的进行故障的诊断比较分析工作。

本发明的USB转换芯片：DSP芯片无法对数据进行复杂的分析，而借助计算机便可以很好实现数据的比较分析与诊断。因为数据量大，一般传统数据传输方式不能满足大量，实时的数据传输需求，所以为了满足需求和便捷使用，也考虑到USB是一种成熟的计算机外设总线标准，易用，可热插拔，并且USB接口是最为快速和便捷的。所以本发明选择使用USB接口进行与计算机通信。

USB转换芯片可以将DSP的数据通过USB接口传递给计算机。

本发明的计算机显示平台：PC计算机的工作是将DSP传来的数据信号放入事先编写好的MATLAB程序中进行计算，与设定好的此时工况应该有的参数阈值进行比较，然后将程序中事先设定好的故障情况以及故障原因进行显示输出。

工作原理：本发明使用时，以某增程器式电动汽车故障诊断实验平台为下接对象，通过传感器采集实验平台的数据信号，然后通过数据处理装置进行数据处理再传递给计算机进行分析显示，同时计算机也能通过单片机进行故障模拟装置的输出控制。

具体为：首先进行信息采集。其步骤为PC开机，电源打开，AD转换芯片，FPGA逻辑转换控制电路，DSP芯片，USB转换模块。电子开关控制单片机受PC的指令控制需要开启的传感器的电子开关，让传感器通电。随后诊断实验平台开始运作，根据实验故障模拟的需要，故障模拟控制单片机受PC的指令控制需要开启的故障模拟装置。此时传感器就可以采集信号了。

其次进行信号传输。其具体为两个传感器采集的信号经过调制电路共用一个两通道AD转换芯片，AD转换芯片通过内部逻辑开关分时对两个信号进行模数转换，然后将转换后的数字量通过一个输出口进行串行输出。

本采集***有6个传感器，即采集***里有三个两通道的AD转换芯片，同时有三个输出通道进行串行输出。因为采用高速AD转换芯片，采样频率高的时候，三个串行的输出信号传递给DSP芯片，DSP芯片未必能完全获取，所以需要FPGA将三个AD转换芯片传递来的串行数据变为并行输出数据后再传递给DSP芯片，这样保证了DSP芯片可以完全处理。并且节省了DSP芯片的资源，缩短了处理时间。同时，FPGA内部含有FIFO缓存模块，可以匹配AD数据信号和DSP的传输速率。FIFO在缓存完一定量数据后可一次性传给DSP,不会一直占用DSP，这样也提高了DSP的处理效率。

DSP芯片接收来自FPGA的并行数据信号后，就按照片内程序对信号数据进行处理，分析，包括使用FFT频谱分析。通过DSP进行FFT快速傅里叶变换的频谱分析，可以获得数据信号的频率结构以及各谐波和相位信息，同时也可求得数据信号中的各个频率成分和频率分布范围等等。这些信息在后面计算机的数据分析比较处理中至关重要。并且运用DSP进行处理可以减轻计算机的负荷，使计算机的资源更好的去对信号故障分析比较，整理，显示，储存以及输出。

DSP的输出需要经过USB转换芯片转换成电脑可以识别的USB串口再传递给电脑。USB转换芯片通过内部硬件将DSP的数据改为串行数据进行传输，并且USB热插拔更加适合电脑的使用。

计算机接收到USB转换模块传来的数据，将其导入MATLAB，按照事先编写好的程序进行运算，与已知的故障及其原因进行比较，通过比较参数的数值大小是否符合所设定的现有的故障阈值来确定是哪一种故障或者哪几种故障。也可以通过故障模拟控制开关控制复合故障中的某一个故障不开启，以得到更加精确的诊断。并且将所得数据进行保存以及图像输出，这样更易于观察，显示，学习。

再次进行图形显示。

1)应用频谱分析

由于通过传感器采集的信号为时域内幅值与时间的函数，发生故障后采集的时域信号看似杂乱无章，通过频谱分找出一定振幅、相位、频率的基本的正弦(余弦)信号中，振幅较大(能量较高)信号对应的频率，从而找出信号的主要振动频率特点，便能够清楚的分析故障来源。频谱分析的原理是对时域内的信号进行变换处理，其原理依据计算公式：

在数据处理芯片中加入频谱分析程序，就能够对采集的曲轴振动角加速度信号、速度信号等进行频谱分析，提取故障特征值，将故障特征存储作为故障检测的依据。

2)温度实时监测

温度作为机械故障检测最常见的诊断参数，说明了机体组的运行环境，在一定程度上既可以作为故障诊断的诊断依据，又可以作为故障检测的重要标准。在增程式电动汽车故障预测与健康平台中需要实时监测增程器机体温度数值，并与转速形成一定的对应区间，即在一定转速下，正常运行的增程器工作环境温度与外间交互，会形成一定的温度区间，而一旦出现温度急剧增长或波动明显，即可初步认定为增程器可能发生了故障。

本发明所述的温度显示装置即通过温度传感器测量温度并通过模数转换为数字信号显示，原理为利用物体的温度高于绝对零度时，内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。大量的热电偶堆集在底层的硅基上，底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量，高温接点上面的黑色吸收层将入射的放射线转化为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线是成比例的，通常热电堆是使用BiSb和NiCr作为热电偶。

3)故障信息预测

本发明提供了一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，涉及的常见故障模拟有发动机失火故障、轴承不对中故障、联轴器不对中故障、轴承碰摩故障、匝间短路故障及故障之间的耦合。通过内置的数据存储能够将所涉及的故障诊断信息进行存储，形成内部数据库，进行故障预测时优先访问内部存储数据进行调用作为诊断依据；对于未涉及的故障则可以通过故障设置装置进行故障模拟，通过显示装置检测诊断数据。

综上所述：该增程式电动汽车故障预测与健康管理平台集成信息采集，分析，传输，显示为一体，能适用于某一型号的发动机—发电机组类型的增程式电动汽车故障预测；并且通过显示屏直观展示所接收和处理后的数据，展示实验平台的故障信息，解决了现有增程式电动汽车故障诊断平台的故障模拟单一性及显示不直观等问题。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本***中涉及到的相关模块均为硬件***模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本***的改进之处；本***的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对***的整体的构造进行改进，以解决本***所要解决的相应技术问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，包括传感器采集模块、数据采集传输线、数据处理装置、USB串口以及计算机显示平台，其特征在于：所述传感器采集模块的输出端通过数据采集传输线与数据处理装置的输入端信号连接，且数据处理装置的输出端通过USB串口与计算机显示平台的输入端连接；

所述数据处理装置包括数据调理装置、FPGA串并行转换接口以及DSP数据处理芯片，且数据调理装置的输入端与数据处理装置的输出端连接，该数据调理装置的输出端通过FPGA串并行转换接口与DSP数据处理芯片的输入端连接，且DSP数据处理芯片的输出端通过USB串口与计算机显示平台的输入端连接；

所述数据处理装置与维修数据库双向信号连接，且数据处理装置的输出端与报警单元的输入端连接，且报警单元包括蜂鸣报警器以及信号指示灯；

所述计算机显示平台的输入端与故障检测与维修控制台的输出端连接，且故障检测与维修控制台的输入端与状态监测模块的输出端连接，该状态监测模块的输出端还与健康评估模块的输入端连接，且健康评估模块的输入端与故障预测模块的输出端连接，该健康评估模块的输出端与计算机显示平台的输入端连接，且计算机显示平台以及故障预测模块均与云数据库双向信号连接；

所述故障检测与维修控制台通过通信模块与维修部门终端双向信号连接，且故障检测与维修控制台制定维修大纲和维修方式，从而制定维修计划，制定后的维修计划通过故障检测与维修控制台发送至计算机显示平台进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，其特征在于：所述传感器采集模块包括温度传感器、位移传感器、输出转矩传感器以及加速度传感器。

3.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，其特征在于：所述位移传感器设置有两个，其中一个为测量轴承位移传感器，其安装在发电机轴末端轴承上，另一个为测量主轴位移传感器，其安装在发电机轴前端与轴承碰摩装置之间的位置。

4.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，其特征在于：所述加速度传感器采用压电效应的加速度传感器，该加速度传感器通过螺栓固定在靠近飞轮一侧的发动机曲轴下方。

5.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，其特征在于：所述温度传感器采用红外温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，其特征在于：所述数据调理装置包括信号调理电路以及AD转换芯片，该信号调理电路的输入端通过数据采集传输线与传感器采集模块的输出端连接，且信号调理电路的输出端与AD转换芯片的输入端连接，该AD转换芯片的输出端。

7.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，其特征在于：所述信号指示灯包括用于表示温度不合格的蓝色信号指示灯、用于表示位移不合格的红色信号指示灯、用于表示输出转矩不合格的黄色信号指示灯以及用于表示加速度不合格的紫色信号指示灯。

8.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，其特征在于：所述通信模块采用无限网络通信模块。

9.根据权利要求1所述的一种增程式电动汽车故障预测与健康管理平台，其特征在于：所述维修部门终端采用可接入无线网络的PC机。