便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

肖 廣 兵， 孫 寧， 陳 勇， 陳 寧

(1.南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

磷酸鐵鋰電池作為HEV的主要?jiǎng)恿υ粗?，在使用過程中需要對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行在線檢測(cè)和快速故障診斷[1]。針對(duì)當(dāng)前HEV動(dòng)力電池故障診斷自動(dòng)化程度低以及電池組管理困難的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力電池的電壓、充放電電流、電池阻抗和電池組工作溫度等參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)。故障診斷信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給手持故障診斷終端、無線打印機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。相對(duì)于傳統(tǒng)人工電池檢測(cè)的管理方法，便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池組狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和快速故障診斷，以及電池?cái)?shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，解決了傳統(tǒng)車載動(dòng)力電池管理系統(tǒng)布線的困難，具有成本低、易于安裝、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)由電池組高壓檢測(cè)模塊、STM32F103VB主處理器、支持ZigBee協(xié)議棧的無線傳感模塊、觸摸屏手持終端、無線打印機(jī)等組成，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)HEV動(dòng)力電池故障信息的在線檢測(cè)與快速故障診斷。便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，每個(gè)電池組分別由10塊磷酸鐵鋰電池組成。

當(dāng)故障診斷系統(tǒng)對(duì)HEV動(dòng)力電池進(jìn)行在線檢測(cè)診斷時(shí)，便攜式終端通過STM32F103VB主處理器分別對(duì)每個(gè)電池組發(fā)送診斷指令。各電池組中的下位機(jī)在接收到診斷指令后分別檢測(cè)每塊電池的電壓、充/放電電流、電池阻抗、電池組溫度等信息，并將故障信息(電池編號(hào)、故障代碼等)通過無線傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送至故障診斷系統(tǒng)的便攜式終端，由主處理器STM32F103VB對(duì)動(dòng)力電池的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理、顯示、存儲(chǔ)和無線打印。

圖1 動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)實(shí)際HEV動(dòng)力電池可能出現(xiàn)的故障，對(duì)其故障碼進(jìn)行分類，如表1所示。

表1 HEV動(dòng)力電池故障代碼

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 高壓隔離與采樣

通常情況下，HEV動(dòng)力電池由100塊磷酸鐵鋰電池串聯(lián)而成。電池組中各采樣點(diǎn)具有較高的共模電壓而相鄰采樣點(diǎn)之間的壓差不大，因此必須對(duì)其進(jìn)行高壓隔離。在對(duì)HEV動(dòng)力電池狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過程中，既要解決前端采樣電路與后端數(shù)據(jù)處理電路之間的共地問題，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)HEV動(dòng)力電池電壓采樣通路的高速開關(guān)控制。

HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)采用日本松下AQW214S光耦繼電器作為高壓隔離器件，同時(shí)也作為電壓采集系統(tǒng)的高速信號(hào)采樣器件。AQW214S光耦繼電器的隔離電壓高達(dá)1 500 V，耐壓值為400 V，連續(xù)負(fù)載電流為±130 mA，平均動(dòng)作時(shí)間 0.3 ms，且具有較小的導(dǎo)通電阻和漏電流，滿足診斷系統(tǒng)高壓采樣和隔離的設(shè)計(jì)要求。具體的高壓隔離與采樣開關(guān)電路如圖2所示。

除此之外,下位機(jī)STM32F103VB內(nèi)部還集成了12 bit的A/D轉(zhuǎn)換器,對(duì)隔離后的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，滿足便攜式HEV動(dòng)力電池診斷系統(tǒng)的精度要求。

2.2 CC2530無線傳感節(jié)點(diǎn)

便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)選用支持Zig-Bee協(xié)議棧的CC2530無線傳輸模塊。CC2530是TI公司以C51為內(nèi)核的ZigBee芯片,支持了國(guó)際通用的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，提供了101 dB的鏈路質(zhì)量，具有較高的接收靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾性，同時(shí)具有較低的系統(tǒng)功耗、低成本、時(shí)延短、高容量、高安全性等特點(diǎn)[2]。

CC2530在無線數(shù)據(jù)傳輸方面表現(xiàn)出了良好的性能，但由于自身資源有限，在觸摸屏控制(真彩液晶屏)、數(shù)據(jù)處理、海量存儲(chǔ)等方面不能滿足系統(tǒng)的要求[3]。因此，便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)選用了基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VB主處理器來實(shí)現(xiàn)上述功能，與CC2530構(gòu)成雙處理器結(jié)構(gòu)。

CC2530與ARM處理器 (手持終端中的主處理器、電池組中的下位機(jī))之間采用串口通信,波特率設(shè)置為57 600 b/s，實(shí)現(xiàn)便攜式終端、上位機(jī)以及下位機(jī)之間數(shù)據(jù)信息的無線收發(fā)，具體電路如圖3所示。

圖2 動(dòng)力電池的光耦隔離

圖3 無線傳感節(jié)點(diǎn)CC2530

需要說明的是，與動(dòng)力電池組下位機(jī)串聯(lián)在一起的CC2530被設(shè)置為路由器，用于收發(fā)STM32F103VB主處理器與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)信息；與手持終端相連的CC2530則被設(shè)置為協(xié)調(diào)器，除了實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備模塊間的數(shù)據(jù)收發(fā)功能外，還用于控制整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的加入、刪除與通信控制。

2.3 STM32F103VB主處理器

STM32F103VB是一款高性能、低功耗的32位ARM處理器。芯片集成了豐富的片上資源，支持1 μs的雙12位A/D轉(zhuǎn)換器、4 MB/s的USART,以及18 MB/s的SPI等。此外，處理器還在系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，支持單周期乘法、硬件除法和高效的Thumb2指令集。STM32F103VB時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz，每秒可完成200萬次的乘加運(yùn)算。在待機(jī)模式下，消耗電流下降到2 μA，具有較低的系統(tǒng)功耗。

STM32F103VB主處理器及外圍接口電路如圖4所示。存儲(chǔ)電路采用24C128，用于保存動(dòng)力電池的故障記錄及SOC值等。時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生時(shí)間和日期，外接32.768 kHz的晶振用于提供精確的秒中斷以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池SOC值的計(jì)算和校正。

便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)采用3.7 V高性能鋰電池供電，而系統(tǒng)各個(gè)電路模塊均采用3.3 V供電。因此系統(tǒng)采用LM1117-3.3作為穩(wěn)壓模塊。LM1117-3.3壓差僅為0.18 V，即使鋰電池電壓下降到3.5 V，仍能提供3.3 V的穩(wěn)定電壓。此外，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，系統(tǒng)選用TL431為A/D轉(zhuǎn)換器提供精準(zhǔn)的2.495 V參考電壓，其誤差不超過±0.4%。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，需要分別對(duì)協(xié)處理器CC2530和主處理器STM32F103VB進(jìn)行編程。CC2530采用IAR Embedded Workbench平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，選用的 Z-Stack版本是ZS-tack-CC2530 -2.3.0 -1.4.0。STM32F103VB則選用 Keilfor ARM平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。

主處理器協(xié)同CC2530(協(xié)調(diào)器)負(fù)責(zé)診斷指令的發(fā)送、分析處理電池診斷信息，以及手持終端的顯示、數(shù)據(jù)的分析、上傳和無線打印等；下位機(jī)協(xié)同CC2530(路由功能)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組中各種參數(shù)的采集、監(jiān)控和故障診斷，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)接收來自主處理器的診斷指令并將診斷數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。具體的系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖4 STM32F103VB處理器及外圍電路

便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)采用雙處理器

圖5 動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)軟件流程圖

上位機(jī)分析軟件采用Visual Basic6.0軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，利用VB軟件中的窗口控件實(shí)現(xiàn)界面主體的搭建。與診斷儀之間的數(shù)據(jù)通信則通過MSComm控件來實(shí)現(xiàn)，在上位機(jī)分析軟件中，可直觀地查看電池電壓、溫度、阻抗、充放電電流、SOC值以及故障代碼等信息。

由于車載環(huán)境中存在較多的外界干擾，故障診斷系統(tǒng)需要對(duì)動(dòng)力電池各個(gè)狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除偶然因素引起的波動(dòng)或者由于采樣器不穩(wěn)定引起的脈動(dòng)干擾。系統(tǒng)對(duì)各電池參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣，通過滑動(dòng)濾波對(duì)采樣序列進(jìn)行處理，以減小外界干擾引起的誤差。最后將濾波后的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32F103VB主處理器上，由便攜式終端將診斷數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行分析、評(píng)估和打印。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選用南京嘉遠(yuǎn)HEV動(dòng)力電池(磷酸鐵鋰電池，10個(gè)電池組共100塊)進(jìn)行測(cè)試，以福祿克萬用表的測(cè)量讀數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值[4-5]。使用HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)對(duì)不同工況下磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的狀態(tài)信息進(jìn)行在線檢測(cè)診斷，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)。表2顯示了某次實(shí)驗(yàn)過程中怠速狀態(tài)下診斷系統(tǒng)3號(hào)電池組的讀數(shù)以及故障代碼。

從表2中數(shù)據(jù)及故障代碼可以看出，第36號(hào)電池出現(xiàn)電壓過低的現(xiàn)象。經(jīng)排查，該故障是由于該電池質(zhì)量不合格，長(zhǎng)期充放電引起電池起鼓所致。此外，動(dòng)力電池放電電流的誤差主要是由于電流值偏小、對(duì)應(yīng)霍爾傳感器的非線性區(qū)造成的，可通過軟件校正或選用其他線性度更好的電流傳感器來替代。

表2 HEV動(dòng)力電池診斷系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)

結(jié)合HEV動(dòng)力電池故障診斷和ZigBee無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)。診斷系統(tǒng)采用STM32F103VB實(shí)現(xiàn)對(duì)HEV動(dòng)力電池的在線檢測(cè)診斷,選用CC2530模塊對(duì)動(dòng)力電池的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，避免了在車輛上鋪設(shè)通信線路的困難。便攜式HEV動(dòng)力電池故障診斷系統(tǒng)成本低，服務(wù)設(shè)施靈活，不受車載空間條件的限制，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的要求，可方便改進(jìn)并推廣到其他檢測(cè)診斷系統(tǒng)中。

[1]郭佑民,胡廣鵬,謝飛.機(jī)車蓄電池在線監(jiān)測(cè)與地面分析系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，23(8):51-54.

[2]唐慧強(qiáng),咸愛國(guó).基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持式校準(zhǔn)器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(8):50-52.

[3]AKYILDIZ I F,SU W,SANKARASUBRAMANIAM Y.Wireless sensor networks:A Survey.Computer Networks，2002，38：393-341.

[4]劉玉珍，程政，蔣靖.基于 ZigBee的井下巷道瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，9(9):49-52.

[5]中國(guó)惠普.HP3458A 8 1/2位數(shù)字式萬用表中的AD轉(zhuǎn)換器[J].電子技術(shù),2009(10):26-29.