商用車動力電池故障診斷系統開發

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，保證車輛安全平穩地行駛，開發一套動力電池的故障診斷系統。該系統基于SAE J1939協議選取診斷參數組，搭建Simulink診斷策略模型，并通過CANoe完成系統的仿真測試。測試結果表明：開發的故障診斷系統能夠對商用車動力電池的實時數據進行故障分析及處理，實現對動力電池故障診斷功能，保證車輛的行駛安全。

【關鍵詞】SAE J1939協議；電池管理系統；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的全球普及，商用車電池動力技術迎來了高速發展。動力電池作為車輛行駛的核心動力發揮著至關重要的作用，電池的安全性和可靠性越來越成為人們關注的焦點。為了實時監控商用車動力電池的工作狀態，避免因電池發生故障威脅到駕駛員和車輛的行駛安全，開發了商用車的動力電池故障診斷系統。

1? 故障診斷系統總體架構設計

圖1為故障診斷系統的總體架構。電動商用車的動力電池由多個單體電池串聯而成，系統通過兩種方式獲取電池組數據，一種是系統自身對電池組進行數據采集，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的電池組數據，例如工作電流以及電池電量等。系統對獲取的數據進行分析整理，發送到診斷上位機進行故障顯示。

1.1? 故障診斷系統硬件架構設計

故障診斷系統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收發電路以及供電電路。故障診斷系統硬件架構如圖2所示。單片機為系統核心控制單元，負責數據的分析與處理；單片機供電電壓為5V，DCDC將車載24V電源轉化為5V電壓給單片機供電。CAN通信電路由CAN收發器、共模濾波器及CAN接口組成，用于外部通信。選用高收發速率及抗電磁干擾能力強的CAN收發器可以進行高效的數據傳輸；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，作為單片機故障診斷分析的數據輸入來源。

1.2? 故障診斷系統軟件架構設計

1.2.1? 故障診斷協議

SAE J1939協議是美國汽車工程協會為中重型道路車輛制定的推薦標準協議，本文基于SAE J1939協議選取3個診斷參數組實現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，對應的參數組編號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發出請求，報文數據中攜帶被請求的參數組PGN，然后系統回復請求并將相應的故障診斷碼（DTC）信息打包發送給上位機，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組DM1不需要診斷工具的請求，系統就可以周期性地向診斷工具發送故障消息。

故障診斷碼DTC由4個部分組成，分別為可疑參數組編號（SPN）、故障模式標志（FMI）、可疑參數組編號轉化方式（CM）和故障發生的次數（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生或者僅有單個故障發生時，故障信息采用單包發送方式，單幀報文的數據格式如表2所示。其中字節1為故障燈狀態字節，第3～6字節為DTC所在的字節，其余為保留字節。當動力電池發生多個故障時，僅憑一個CAN數據幀無法發送全部的故障數據，系統發送故障時需要采用協議中規定的數據多包發送方式[5]。系統首先發送一個TP.CM_BAM公告信息，信息包含報文字節數、參數組編號和被拆分的數據包數目等內容，接著發送被拆分的TP.DT數據包信息。協議規定將所有的故障信息拆分為多個數據幀，然后將拆分的數據打包發送到CAN總線，其中每個數據包的字節1為數據幀的編號，第1個數據包的字節2為故障燈狀態字節，字節3為保留字節，剩余字節填充動力電池的故障碼DTC，其余數據包字節格式為數據幀編號加DTC。其中DTC按故障發生的順序依次填充到數據幀中，當最后一個數據幀的數據小于7個字節時，剩余的字節填充為0xFF[6-7]。表3為TP.DT數據包信息，表4為TP.CM_BAM公告報文數據格式。

1.2.2? 故障診斷策略

本文進行動力電池故障診斷功能設計時，首先需要根據商用車的實際工作狀況以及所實現的功能進行診斷策略分析，分析可能出現并影響商用車電池安全的故障，然后結合SAE J1939協議進行故障歸類以及對故障代碼進行定義。診斷系統對采集的數據進行分析，若超出數據范圍即可認定動力電池產生故障，診斷系統計算出故障發生的次數然后打包DTC，通過CAN總線發送到系統診斷工具。當診斷工具發送請求時，若請求的診斷參數組為DM2，診斷系統會將歷史故障碼通過DM2報文發送到診斷工具，其中DM2與DM1報文數據格式相同，若請求的診斷參數組為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Simulink策略模型。模型中On_Switch為系統喚醒信號數組，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，是系統診斷策略執行的鑰匙，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模塊分別為對應數據采集值的故障分析模塊，確認為故障后，將故障狀態發送給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? 系統測試仿真

CANoe是Vector公司推出的針對CAN總線開發的軟件，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，關聯需要的信號線與信號名稱，利用Simulink中的自動代碼生成技術生成嵌入式C代碼，將生成的c文件和h文件與系統控制器的底層代碼結合，把程序寫入到控制器中[10]，然后將系統控制器的CAN線引出并與CANoe進行連接，對故障診斷系統的診斷功能進行實際測試，實物連接圖如圖4所示。

系統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的故障狀態，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。控制部分為上位機的控制按鈕，START為上位機啟動按鈕，END為上位機關斷按鈕，歷史故障按鈕用于請求系統的歷史故障信息，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。系統檢測到電池總壓故障后，將故障信息打包轉發給系統診斷上位機，電池總壓故障亮紅燈表示系統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故障，故障解析正確。

2）多故障測試：對系統制造單體電壓、快充充電電流、放電電流及系統SOC相關的4個故障，并注入相關故障的數值，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部分的故障信息，故障解析準確。

3? 結論

本次設計中，研究開發的商用車動力電池故障診斷功能基于SAE J1939協議，通過實際測試得到以下結論。

1）選取的診斷參數組，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測試的結果，符合實際的故障狀況。系統控制單元能夠將采集的數據進行分析，將不符合要求的數據進行故障分析，產生相應的故障報文發送到CAN總線上，以便診斷工具讀取相應故障數據進行處理，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符合設計需要，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。

參考文獻：

[1] 翟霄雁，郭慶波，高發廷. 車輛電控系統故障診斷的去抖動方法研究[J]. 汽車電器，2020（10）：46-48.

[2] 劉暢，覃永新，陳文輝. J1939協議在車載診斷儀的應用研究綜述[J]. 科技展望，2016，26（1）：119-120.

[3] 潘文卿，李圣展，王夢，等. CANFD協議在故障診斷中的研究與應用[J]. 汽車電器，2022（7）：46-48.

[4] 李桉楠，季金強. 淺談純電動車輛故障診斷及處理[J]. 汽車電器，2019（10）：29-31.

[5] 謝娟娟，李晉，鄭創明. SAE J1939多包傳輸協議及應用分析[J]. 周口師范學院學報，2016，33（2）：66-70.

[6] 溫晶晶，韓峻峰，郭毅鋒，等. 基于CAN的純電動汽車電驅動故障診斷研究[J]. 工業控制計算機，2016，29（11）：35-36.

[7] 許星. 淺談汽車線控技術及其故障診斷[J]. 汽車電器，2017（8）：67-68.

[8] 張繼輝，許勇. 基于SAE J1939的車輛監測與故障診斷車載系統[J]. 計算機系統應用，2013，22（3）：73-77.

[9] 丁志華，羅峰，孫澤昌. 基于CANoe的汽車故障診斷系統研制[J]. 汽車工程，2007，29（5）：449-452.

[10] 馮輝宗，孫瑞雪，蔣建春，等. 基于Simulink的汽車電控單元標定工具箱設計與實現[J]. 科學技術與工程，2014，14（6）：203-206，230.

（編輯? 凌? 波）