商用車動力電池故障診斷系統(tǒng)開發(fā)

曹學自　宋興鑫　王濤　王秀鑫

【摘? 要】為提高商用車動力電池的安全性和可靠性，保證車輛安全平穩(wěn)地行駛，開發(fā)一套動力電池的故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于SAE J1939協(xié)議選取診斷參數(shù)組，搭建Simulink診斷策略模型，并通過CANoe完成系統(tǒng)的仿真測試。測試結(jié)果表明：開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)ι逃密噭恿﹄姵氐膶崟r數(shù)據(jù)進行故障分析及處理，實現(xiàn)對動力電池故障診斷功能，保證車輛的行駛安全。

【關(guān)鍵詞】SAE J1939協(xié)議；電池管理系統(tǒng)；故障診斷；Simulink仿真

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：B? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）08-0017-03

Development of Power Battery Diagnosis System for Commercial Vehicles

CAO Xue-zi，SONG Xing-xin，WANG Tao，WANG Xiu-xin

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261200，China）

【Abstract】In order to improve the safety and reliability of commercial vehicle power batteries and ensure safe and smooth driving of vehicles，a fault diagnosis system for power batteries has been developed. The system selects diagnostic parameter groups based on the SAE J1939 protocol，builds a Simulink diagnostic strategy model，and completes system simulation testing through CANoe. The test results show that the developed fault diagnosis system can analyze and process real-time data of commercial vehicle power batteries，achieve fault diagnosis function for power batteries，and ensure the driving safety of the vehicle.

【Key words】SAE J1939 protocol；battery management system；fault diagnosis；Simulink simulation

作者簡介

曹學自（1995—），男，碩士，初級工程師，主要研究方向為智能硬件測試。

隨著新能源動力技術(shù)的全球普及，商用車電池動力技術(shù)迎來了高速發(fā)展。動力電池作為車輛行駛的核心動力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，電池的安全性和可靠性越來越成為人們關(guān)注的焦點。為了實時監(jiān)控商用車動力電池的工作狀態(tài)，避免因電池發(fā)生故障威脅到駕駛員和車輛的行駛安全，開發(fā)了商用車的動力電池故障診斷系統(tǒng)。

1? 故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

圖1為故障診斷系統(tǒng)的總體架構(gòu)。電動商用車的動力電池由多個單體電池串聯(lián)而成，系統(tǒng)通過兩種方式獲取電池組數(shù)據(jù)，一種是系統(tǒng)自身對電池組進行數(shù)據(jù)采集，例如電池電壓和電池溫度；另外一種是通過CAN總線接收來自于電池管理系統(tǒng)的電池組數(shù)據(jù)，例如工作電流以及電池電量等。系統(tǒng)對獲取的數(shù)據(jù)進行分析整理，發(fā)送到診斷上位機進行故障顯示。

1.1? 故障診斷系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

故障診斷系統(tǒng)主要用于動力電池的故障分析，核心外圍硬件電路包括A/D采集電路、CAN收發(fā)電路以及供電電路。故障診斷系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。單片機為系統(tǒng)核心控制單元，負責數(shù)據(jù)的分析與處理；單片機供電電壓為5V，DCDC將車載24V電源轉(zhuǎn)化為5V電壓給單片機供電。CAN通信電路由CAN收發(fā)器、共模濾波器及CAN接口組成，用于外部通信。選用高收發(fā)速率及抗電磁干擾能力強的CAN收發(fā)器可以進行高效的數(shù)據(jù)傳輸；共模濾波器用于過濾電路中的干擾信號，提高CAN總線的抗干擾能力；CAN接口為控制器與外部通信的CAN總線接口。A/D采集電路用于采集動力電池的電壓、電流等參數(shù)，作為單片機故障診斷分析的數(shù)據(jù)輸入來源。

1.2? 故障診斷系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

1.2.1? 故障診斷協(xié)議

SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程協(xié)會為中重型道路車輛制定的推薦標準協(xié)議，本文基于SAE J1939協(xié)議選取3個診斷參數(shù)組實現(xiàn)對動力電池的故障診斷，分別為當前故障代碼DM1、歷史故障代碼DM2和清除歷史故障代碼DM3，對應(yīng)的參數(shù)組編號PGN分別為0x00FECA、0x00FECB和0x00FECC[1-3]。診斷上位機通過CAN總線對故障診斷系統(tǒng)發(fā)出請求，報文數(shù)據(jù)中攜帶被請求的參數(shù)組PGN，然后系統(tǒng)回復(fù)請求并將相應(yīng)的故障診斷碼（DTC）信息打包發(fā)送給上位機，最后診斷上位機接收故障信息并進行處理[4]。在診斷流程中診斷參數(shù)組DM1不需要診斷工具的請求，系統(tǒng)就可以周期性地向診斷工具發(fā)送故障消息。

故障診斷碼DTC由4個部分組成，分別為可疑參數(shù)組編號（SPN）、故障模式標志（FMI）、可疑參數(shù)組編號轉(zhuǎn)化方式（CM）和故障發(fā)生的次數(shù)（OC）。商用車動力電池部分故障如表1所示。

當動力電池無故障發(fā)生或者僅有單個故障發(fā)生時，故障信息采用單包發(fā)送方式，單幀報文的數(shù)據(jù)格式如表2所示。其中字節(jié)1為故障燈狀態(tài)字節(jié)，第3～6字節(jié)為DTC所在的字節(jié)，其余為保留字節(jié)。當動力電池發(fā)生多個故障時，僅憑一個CAN數(shù)據(jù)幀無法發(fā)送全部的故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)發(fā)送故障時需要采用協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)多包發(fā)送方式[5]。系統(tǒng)首先發(fā)送一個TP.CM_BAM公告信息，信息包含報文字節(jié)數(shù)、參數(shù)組編號和被拆分的數(shù)據(jù)包數(shù)目等內(nèi)容，接著發(fā)送被拆分的TP.DT數(shù)據(jù)包信息。協(xié)議規(guī)定將所有的故障信息拆分為多個數(shù)據(jù)幀，然后將拆分的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到CAN總線，其中每個數(shù)據(jù)包的字節(jié)1為數(shù)據(jù)幀的編號，第1個數(shù)據(jù)包的字節(jié)2為故障燈狀態(tài)字節(jié)，字節(jié)3為保留字節(jié)，剩余字節(jié)填充動力電池的故障碼DTC，其余數(shù)據(jù)包字節(jié)格式為數(shù)據(jù)幀編號加DTC。其中DTC按故障發(fā)生的順序依次填充到數(shù)據(jù)幀中，當最后一個數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)小于7個字節(jié)時，剩余的字節(jié)填充為0xFF[6-7]。表3為TP.DT數(shù)據(jù)包信息，表4為TP.CM_BAM公告報文數(shù)據(jù)格式。

1.2.2? 故障診斷策略

本文進行動力電池故障診斷功能設(shè)計時，首先需要根據(jù)商用車的實際工作狀況以及所實現(xiàn)的功能進行診斷策略分析，分析可能出現(xiàn)并影響商用車電池安全的故障，然后結(jié)合SAE J1939協(xié)議進行故障歸類以及對故障代碼進行定義。診斷系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行分析，若超出數(shù)據(jù)范圍即可認定動力電池產(chǎn)生故障，診斷系統(tǒng)計算出故障發(fā)生的次數(shù)然后打包DTC，通過CAN總線發(fā)送到系統(tǒng)診斷工具。當診斷工具發(fā)送請求時，若請求的診斷參數(shù)組為DM2，診斷系統(tǒng)會將歷史故障碼通過DM2報文發(fā)送到診斷工具，其中DM2與DM1報文數(shù)據(jù)格式相同，若請求的診斷參數(shù)組為DM3，VCU將清除歷史故障碼來釋放存儲空間故障[8]。

圖3為診斷系統(tǒng)Simulink策略模型。模型中On_Switch為系統(tǒng)喚醒信號數(shù)組，包含Key_On整車喚醒信號、RTC_On時鐘喚醒信號及Charge_On充電喚醒信號，是系統(tǒng)診斷策略執(zhí)行的鑰匙，Switch模塊對喚醒信號值分析處理后輸出WakeUp_Switch作為故障整理模塊Error的執(zhí)行信號；Cell1_Vol、Cell2_Vol、Cell3_Vol、Cell4_Vol為56路單體電壓輸入值，每個輸入變量為14路單體電壓數(shù)組，Cell1_Temp、Cell2_Temp、Cell3_Temp、Cell4_Temp為16路單體溫度輸入值，每個輸入變量為4路單體溫度數(shù)組；I_Chr為充電電流，I_Work為放電電流，SOC為電池SOC，Total_Vol為電池總壓。

Error_Cell_Vol模塊、Error_Cell_Temp模塊、Error_Current模塊、Error_SOC模塊、Error_Total_Vol模塊分別為對應(yīng)數(shù)據(jù)采集值的故障分析模塊，確認為故障后，將故障狀態(tài)發(fā)送給Error模塊進一步分析處理，然后得到Error_SPN、Error_FMI、Error_OCC填充到DTC中。

2? 系統(tǒng)測試仿真

CANoe是Vector公司推出的針對CAN總線開發(fā)的軟件，可以對CAN總線進行在線仿真測試[9]。在完成策略模型的搭建后，關(guān)聯(lián)需要的信號線與信號名稱，利用Simulink中的自動代碼生成技術(shù)生成嵌入式C代碼，將生成的c文件和h文件與系統(tǒng)控制器的底層代碼結(jié)合，把程序?qū)懭氲娇刂破髦衃10]，然后將系統(tǒng)控制器的CAN線引出并與CANoe進行連接，對故障診斷系統(tǒng)的診斷功能進行實際測試，實物連接圖如圖4所示。

系統(tǒng)診斷上位機包含故障指示部分、故障解析部分及控制部分。故障指示部分用于顯示對應(yīng)的故障狀態(tài)，包含單體電壓、單體溫度、電池總壓、快/慢充充電電流、放電電流、電池SOC 6個種類的故障，不同等級的故障對應(yīng)不同的指示燈，從左到右分別為紅燈、黃燈和綠燈，代表著嚴重故障、一般故障和無故障。故障解析部分用于故障信息顯示，顯示故障的序號、名稱、故障碼、故障等級及故障值?？刂撇糠譃樯衔粰C的控制按鈕，START為上位機啟動按鈕，END為上位機關(guān)斷按鈕，歷史故障按鈕用于請求系統(tǒng)的歷史故障信息，保存故障按鈕可以保存故障信息，并保存成文件，便于故障報文分析。清除故障按鈕可以清除當前故障頁面顯示的故障信息。圖5為診斷上位機界面。

1）單故障測試：對系統(tǒng)控制器的輸入端注入30V的模擬電池總壓，制造電池總壓過低故障，上位機單故障診斷頁面如圖6所示。系統(tǒng)檢測到電池總壓故障后，將故障信息打包轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)診斷上位機，電池總壓故障亮紅燈表示系統(tǒng)存在嚴重的電池總壓故障，然后顯示模塊解析出電池總壓的故障信息，其余指示燈為綠燈表示動力電池無相關(guān)故障，故障解析正確。

2）多故障測試：對系統(tǒng)制造單體電壓、快充充電電流、放電電流及系統(tǒng)SOC相關(guān)的4個故障，并注入相關(guān)故障的數(shù)值，其中單體電壓及電池SOC注入最嚴重等級故障，快充充電電流及放電電流注入一般等級故障。上位機多故障診斷頁面如圖7所示，單體電壓與電池SOC診斷亮紅燈表示其存在嚴重等級故障，快/慢充充電電流與放電電流亮黃燈表示其存在一般等級故障，顯示模塊解析出相關(guān)部分的故障信息，故障解析準確。

3? 結(jié)論

本次設(shè)計中，研究開發(fā)的商用車動力電池故障診斷功能基于SAE J1939協(xié)議，通過實際測試得到以下結(jié)論。

1）選取的診斷參數(shù)組，符合商用車實際工作時的需要。

2）制定的商用車動力電池故障診斷策略，符合診斷的需求。

3）CANoe測試的結(jié)果，符合實際的故障狀況。系統(tǒng)控制單元能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)進行分析，將不符合要求的數(shù)據(jù)進行故障分析，產(chǎn)生相應(yīng)的故障報文發(fā)送到CAN總線上，以便診斷工具讀取相應(yīng)故障數(shù)據(jù)進行處理，保證了新能源商用車工作時對故障檢測的實時性和準確性，做到不遺漏故障。

4）本文對新能源商用車動力電池故障診斷功能的研究和開發(fā)符合設(shè)計需要，能夠滿足不同車輛故障工況下動力電池的故障診斷，提高了故障診斷的效率。

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（編輯? 凌? 波）