智能化車身驅動電路故障診斷與保護功能設計

黃東杰

(東風柳州汽車有限公司，廣西，柳州 545005)

車身電氣系統是車輛舒適、安全運行的支持系統，在車輛智能化的背景下，車身電氣系統正變得越來越智能化。現有車身系統通常采用CAN、LIN等總線進行控制，不僅簡化了線束，還豐富了車身控制功能[1]。但這類系統也存在潛在的風險，由于車身電氣設備如車燈、電機、加熱電阻等需采用功率器件進行驅動和控制，這些器件焊裝在電路板上，一旦發生短路將會造成整個電路板的損壞，所以應采取專門的保護措施[2]。此外，車身設備發生斷路故障也會影響車輛的安全舒適性，這類輕微故障通常難以及時發現，在智能化汽車上，需要實現對故障的實時監測并把信息反饋給駕駛員。

傳統車身電氣設備采用保險絲實現短路保護，由于體積原因該方式不適用于智能化車身。在智能化系統中短路保護的方式是選用具有自關斷功能的芯片，但很多車身系統在該方面的功能還不是很完善，如無法區分短路和斷路故障[3]。實現短路保護和故障檢測的可靠方式是通過電流信息來判斷系統狀態并自動切斷電路。趙登福等[4]針對電力系統直流電路短路保護問題采用了霍爾傳感器檢測電流法，該方法能夠精確檢測電流情況，但成本較高。李超[5]使用串聯電阻的方式檢測回路中的電流，進而檢測系統故障，該方法原理簡單，結果也比較準確，但這種方法的功率消耗與所檢測電流的二次方成正比，不適用于大電流驅動的場合。此外，還有利用功率驅動管導通電阻，通過檢測功率管源極和漏極之間的電壓檢測電流的方法[6]，該方法結構簡單，但是功率驅動管的電阻隨電流非線性變化，導致標定困難，且導通電阻隨溫度變化很大，會帶來較大的誤差。在通過電流檢測進行短路保護的方案中，李超[5]設計了專門的電路來實現。該電路利用邏輯芯片進行判斷并將過流信號鎖存。但該方法電路設計復雜，未能充分發揮系統中已有單片機的功能。

本文提出了一種運用靈巧功率的集成電路，通過功率芯片自帶的電流檢測功能檢測電流大小，并結合單片機軟件編程來判斷系統工作狀態。當檢測到故障時，系統輸出關斷信號并產生故障代碼。該方案的電路設計簡單，運行可靠，成本低，特別適用于智能化車身控制系統。

1 車身驅動電路

智能化車身控制系統通常包括儀表盤模塊、前部車燈模塊、后部車燈模塊、車門模塊等，其中的車燈、電機等設備額定工作電流通常在10 A以內，因此，采用場效應管實現驅動。為實現故障診斷和短路保護功能，選用了具有電流檢測功能的靈巧功率集成電路。

所設計的車身設備驅動電路如圖1所示。其中，選用的驅動器件為BTS6143，該芯片能夠實現正常8 A的電流驅動，最大驅動電流能夠達到75 A。器件的導通電阻僅有10 mΩ，能有效降低驅動芯片上的功耗。芯片的TAB端為電源端，與電源正極相連，驅動端為引腳1和5，兩個引腳并聯后輸出至電路板的輸出端子。IN引腳為芯片控制端，接地時芯片導通，與地斷開時，電路截止。為了實現可靠控制，使用光耦進行隔離，光耦初級連接單片機引腳，次級串接一電阻，減小功耗。4號引腳為電流檢測端，根據芯片特性，該端輸出與主驅動電流成固定比例的電流。通過為該引腳配置電阻，可將電流信號轉變為電壓信號。由于芯片使用12 V電源進行驅動，輸出信號有可能高于單片機的供電電壓，為避免燒毀單片機，在AD采集端使用了4.7 V的穩壓管。

圖1 車身設備驅動電路

PTA0是電流信息采集端，通過單片機的AD模塊完成對電流信息的實時采集。為簡化電路設計，電流檢測信號采用軟件濾波方式進行處理。

2 SenseFET電流檢測原理

本系統使用的集成功率芯片BTS6143采用電流鏡原理檢測電流大小，原理如圖2所示。芯片由上萬個功率單元并聯而成，分成MainFET和SenseFET兩部分，大部分單元用于功率驅動，屬于MainFET，少部分單元用來引出測試電流，屬于SenseFET。根據電流鏡的原理[7]，電流檢測端輸出電流與功率驅動端的電流之比等于SenseFET與MainFET中的單元個數之比，BTS6143中兩部分功率管的個數比約為1∶10 000。由于芯片的功率單元采用相同工藝制作，因此一致性高，電流檢測的精度也較高。由于電流檢測端電流輸出比較小，因此檢測功耗較小，屬于一種無損檢測方式。

圖2 SenseFET電流檢測原理圖

3 電流標定與軟件濾波

3.1 試驗系統組成

對電流檢測端的輸出信號進行標定是準確測量的基礎，對系統檢測功能的實現至關重要。為此，專門設計了標定測試系統，系統選用車燈作為負載，功率分別為21 W和55 W。驅動采用自行開發的驅動電路板，控制器為飛思卡爾S08系列單片機。

電流標定測量設備選用電流探頭，型號為Tektronix TCP0030A，探頭能夠實現最大30 A電流的測量。系統同時還測量電流測量端匹配電阻上的電壓值，并與電流探頭的輸出值進行比較。為分析設計合理的濾波方式，控制器中包含了CAN通訊程序，將采集到的電流測量端電壓值發送到上位機。上位機使用周立功CAN-2E-U板卡進行采集。試驗系統如圖3所示。

3.2 電流測試端信號特征及標定

理想情況下，BTS6143檢測端電流與實際負載電流大小比例為1∶10 000，即系統輸出1 A電流，檢測端的電流為0.1 mA，匹配1 kΩ電阻，系統檢測到的電壓為0.1 V。但測量電阻精度和芯片本身的因素都會引起系數發生變化，因此需采用試驗標定。為測試電流測量值在動態過程中的信息準確度，試驗中使用周期為1 s、占空比為50%的PWM信號進行驅動。

圖3 試驗系統

試驗同時采集電流探頭電流值與電流感知端的電壓值，標定后對比曲線如圖4所示。

圖4 標定結果對比

圖4中，信號1為BTS6143電流檢測端的信號，信號2為電流探頭檢測的電流信號。由圖可知，二者趨勢一致，因此，電流檢測端能有效檢測到電流信號。通過數據處理，測得電壓值與實際電流值之間的系數為9。

3.3 軟件濾波

從芯片原理分析并通過示波器檢測發現，上述系統的輸出中包含噪聲，嚴重影響系統采集信息的準確性。為避免系統識別錯誤，電流檢測端需選定適當的采樣頻率和濾波方法。

采樣頻率的選取需考慮負載的動態響應過程，對車燈、雨刷等電器，其驅動信號通常采用簡單的開關信號，系統的響應時間在毫秒級，通過實際測量，在系統短路時電流上升時間在2 ms左右。平衡各種因素，本系統中的采樣頻率設為1 kHz。

通過分析AD端采集到的信息可以發現，系統中的噪聲主要是毛刺噪聲。為簡化系統的運行，降低運算需求，系統需要選用較為簡單的濾波方法。常用的濾波方法中中位值濾波法能夠有效消除脈沖干擾信號，因此采用中位值濾波。具體方法為：系統每1 ms采集1次信號，單片機每3 ms對采集到的信號進行排序，選擇中間值作為濾波結果。依據上述方法進行采集和濾波后的曲線如圖5中紅線所示。

圖5 濾波效果對比

由圖5可知，濾波后的信號噪聲明顯變小，且符合車燈系統的電流特點。

4 故障判定與短路保護功能實現

4.1 故障判斷

利用單片機進行邏輯判斷，實現故障檢測和短路保護功能。系統實時監測電流的大小，當電流高于上限工作電流時，即發生短路故障，當電流小于系統下限工作電流時即發生斷路故障。系統故障判斷的真值見表1。

表1 系統故障判斷真值

系統能夠正常判斷的關鍵是獲取合理的上、下限值。車身電氣設備包含有電阻類負載和電感類負載，對于電阻型負載，通常會受到溫度的影響，如車燈在冷啟動時電阻較小，會發生浪涌電流。對感性負載，系統關斷的瞬間會產生一個較大的脈沖，這對短路檢測功能構成了干擾。為解決該問題，需要進行試驗確定系統上下限值。

經過實際試驗測量，車燈冷啟動電流的大小依然遠小于短路時的電流，在實現故障診斷時，可以選用浪涌電流的上限作為故障判定的門限值。本研究中選取車燈的電流上限值為20 A，下限值為0.2 A。

4.2 系統軟件實現

系統軟件流程如圖6所示，采用中斷方式完成系統功能。中斷響應程序每1 ms響應1次，采集電流檢測端的值，每3 ms將采集到的數據進行排序，實現中位值濾波，并做1次系統是否有故障的判斷，如檢測到短路故障，則關閉該條驅動電路，形成故障碼。

圖6 系統軟件流程

5 基于電流檢測的驅動電路故障試驗驗證

為驗證所設計的驅動電路故障診斷與短路保護功能，設計了故障檢測試驗。試驗分為兩類，一類是短路故障檢測，一類是斷路故障檢測。

5.1 短路故障

車用電氣設施的短路通常在兩種情況下出現，一是未加電時已存在短路，二是系統工作時由于特殊原因被短路，試驗也針對這兩種情況進行設計。

短路試驗一模擬未加電已短路的情況，方法是在加電前用導線將車燈正負極短接，然后利用單片機控制車燈開啟。試驗中同時采用示波器和電流探頭測試短路過程中的電流信息，測量控制端的輸入信號以及電流測試端的電壓信號。試驗測得的結果如圖7所示。

圖7 車燈關閉狀態下短路試驗曲線

由圖7可知，車燈驅動電路中的電流從0迅速上升，電流達到設定上限值時，將電路關閉，電流變為0，這個過程的時間約為20 ms。因此，該短路情況下，系統能夠有效切斷電路。

短路試驗二是模擬車燈正常使用過程中被短路的情況，方法是在系統上電的情況下，人為用導線在車燈處短接。試驗時同時測量電流、控制端輸入信號和電流檢測端電壓信號，試驗結果如圖8所示。

圖8 車燈開啟狀態下短路試驗曲線

圖8中包含冷啟動過程中電流的響應過程，在冷啟動時，車燈驅動電路中存在1個浪涌電流，該值約為17 A，遠高于運行電流4.6 A。由于系統設置的過流保護值比較大，所以未觸發關閉功能。在第2個階段，系統被短路時，電流探頭測得的電流瞬間變大，由于該值超出了系統設定上限值，單片機切斷控制電路，控制端的輸入電壓變為0，系統關閉的響應時間約為2 ms左右。因此，在該情況下，系統在檢測到故障的同時能迅速實現短路保護功能。

5.2 斷路試驗

斷路故障也包含兩種情況，一種是在系統工作時出現斷路，如車燈燈絲燒斷，一種是在系統通電前已經出現斷路。

斷路試驗一模擬在車燈正常工作時燈絲燒斷故障，方法是在車燈正常工作時將車燈導線拔斷。系統檢測到的開啟信號、電流探頭、感知端電壓信號如圖9所示。

圖9 車燈正常工作時斷路故障試驗曲線

由圖9可知，電流感知端能夠檢測到電流突然變小。為表征故障，試驗過程中編寫了故障響應程序，使用LED頻閃表征短路故障。在該試驗中，頻閃狀態出現，表明單片機監測到故障，并實現了對斷路故障的故障碼生成。

斷路試驗二模擬電氣設備在通電前已經斷路的故障，方法是在斷電情況下斷開車燈連接線，然后對系統上電，試驗電流曲線如圖10所示。

該試驗感知端和電流探頭的電流值均為0，僅單片機LED燈閃亮，說明系統偵測到斷路故障，并生成了斷路故障碼信息。

圖10 車燈上電前斷路故障試驗曲線

由上述試驗可知，所設計的系統能夠檢測用電端的短路和斷路故障，并能實現短路保護和故障碼的生成。

6 結論

本文設計了適用于車身控制系統的小功率電氣設備驅動電路，驅動電路中的電流檢測端經標定和中位值濾波后可以有效檢測出電流的大小，通過邏輯判斷，系統能夠識別短路和斷路故障。經試驗研究證明，所設計的系統電路和檢測方法可以有效防止電路板燒毀。