电动汽车动力电池故障诊断系统设计

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图２ ＢＭＳ通信电路结构图
图３数据记录仪部分
２·２动力电池故障诊断系统软件设计
动力电池故障诊断系统的功能目标是： （１）在电动汽车运行时诊断动力电池的状态，为整车主控制器提供必要的参数信息，满足 整车对动力电池故障状态的诊断需求，即对动力电池进行在线诊断。 （２）通过上位机软件读取数据记录仪中记录的动力电池运行状态数据，分析动力电池在电 动汽车运行中的工作状态是否有故障，动力电池各项参数的变化趋势，动力电池在整车中的应
图６为上位机故障诊断界面，在界面中可以对动力电池的电池基本信息、各部件状态及与
整车ＥＣＵ配合状态等进行实时监测。
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第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与 新能源汽车创新发展论坛优秀论文集（新能源汽车）
电动汽车动力电池故障诊断系统设计
许宝立，齐铂金，郑敏信，杜晓伟
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１ ００ １ ９ １）
摘 要：研制开发了一套基于ＰＣ机的电动汽车动力电池故障诊断系统，该系统 具有在线诊断和离线诊断两种诊断模式，可以对动力电池进行状态监测和故障的识 别、判断及预测。通过在线数据诊断和离线存储数据的分析，可以对动力电池的运行 状态做出更准确的状态监测和故障判断，对动力电池的使用性能做出合理的评价，为 进一步改善提高动力电池性能、改善电池管理系统设计提供必要的数据和理论支持， 提高了电动汽车运行的可靠性和安全性。
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ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉ—
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ＳＤ卡存 储数据 图１ 动力电池故障诊断系统总体设计方案
口。电池管理系统的核心处理模块采用飞思卡尔半导体公司生产的ＭＣ９Ｓ１２ＤＰ５１２芯片［５］。 电池管理系统部分电路图如图２所示。
图２中经过ＢＭＳ核心处理模块ＭＣ９Ｓ１２ＤＰ５１２处理过的数பைடு நூலகம்信息通过ＭＳＣＡＮ模块输 出，经光耦隔离电路，将ＣＡＮ信号通过ＰＣＡ８２Ｃ２５０进行发送和接收。
数据记录仪作为离线故障诊断中的重要的数据存储设备，在设计过程中采用Ｃｙｇｎａｌ公司 推出的一款新型微处理器芯片８０５ １ Ｆ３ ２０为核心处理模块［６］。ＳＤ卡（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ）轻巧、传输速度快、容量大、成本低、读写方便，本设计中利用ＳＤ卡对数据进行存储［７］。 数据记录仪硬件结构如图３所示。
ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｔ １ａｓｔ。ｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ
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ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｌｃｌｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；Ｐｏｗｅｒ Ｂａｔｔｅｒｙ；Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；Ｆａｕｌｔ
关键词：电动汽车；动力电池；电池管理系统；故障诊断；数据存储
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｘｕ Ｂａｏｌｉ，Ｑｉ Ｂｏｊｉｎ，Ｚｈｅｎｇ Ｍｉｎｘｉｎ，Ｄｕ Ｘｉａｏｗｅｉ
（Ｓｃｈ００１ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ。Ｂｅｉｊ ｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊ ｉｎｇ １ ００ １９ １，Ｃｈｉｎａ）
图７为上位机按照规定协议，接收下位机发送的ＣＡＮ通信数据，图中对相关的ＣＡＮ数 据进行了锁定，按照协议对这些ＣＡＮ数据帧进行解析就可得知动力电池在运行过程中的各
图５上位机软件执行流程简图
３动力电池故障诊断系统实验结果分析
为了对动力电池故障诊断系统的设计功能进行验证，设计了在线诊断验证和离线诊断验
证。在线故障诊断验证是通过设置已知故障，验证故障诊断系统能否对已知故障进行正确诊
断；离线故障诊断验证，通过分析数据记录仪中记录动力电池运行过程中的各项参数，绘制图
形，与已知动力电池运行状态曲线、故障情况进行对比，验证离线诊断功能。
Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ
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混合动力与纯电动汽车／Ｃ｝蔓ＡＰ鼍、ＥＲ Ｉｌ
１引言
当前，随着社会的飞速发展，能源变得日益短缺，环境污染越来越严重。为了降低废气排 放量及追求更高的燃油经济性，替代以石油为动力来源的电动汽车得到快速发展［１］。动力电 池作为电动汽车中重要的能源存储装置，在电动汽车的使用过程中发挥着重要的作用。为了 实时监测动力电池的故障状态，避免动力电池重大故障的发生，减轻动力电池故障对电动汽车 正常运行的影响，研究开发动力电池故障诊断系统具有重要的意义和工程应用价值。
２·１动力电池故障诊断系统硬件结构设计
本文设计的动力电池故障诊断系统以电池管理系统硬件结构作为基础，在已有电池管理 系统硬件结构基础上增加用于故障诊断的ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＡＮ）总线通信接
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｅｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ
ＰＣ．Ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｍｏｄｅｌ。ｏｎｌｉｎｅ ｄｉａｇ一
动力电池故障诊断系统通过分析电池管理系统的电池状态参数，对动力电池故障状态做 出判断，对动力电池可能出现的故障进行预测，给出动力电池使用的合理建议，避免电池重大 故障的发生。动力电池故障诊断系统提高了电池管理系统对动力电池的安全监控和有效管理 的水平，提高了动力电池的使用效率和可靠性，延长了动力电池的使用寿命。
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ｎｏＳＩＳ ａｎｄ ｏｌＩｌｌｎｅ ｄｌａｇ。ｎｏｓｌｓ，ｏｒｏｖｌｄｌｎｇ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ｒｅｃｏｇｎｌ—
ｔｉｏｎ。ｊ ｕｄｇｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｍａｋｅ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｎ——
上位机经过初始化配置后判断是否进行离线诊断，若为离线诊断将读取存储于ＳＤ卡中 的数据，然后根据需要将指定的数据搜索出来供绘图分析。若为在线诊断则启动数据接收函 数进行实时数据接收，然后执行相应的故障诊断处理。程序功能执行流程图如图５。
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图４故障诊断系统下位机软件流程图
（２）上位机软件的设计开发采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ６．０开发环境。上位机软件对动力电池进行 全面的诊断，如对每个电池单体的运行状态、继电器吸合状态、总电压总电流变化状态、ＳＯＣ 值变化速率是否正常、充放电功率是否在动力电池的可承受范围内等。
运行于ＰＣ机中的上位机采用ＵＳＢ－ｔｏ—ＣＡＮ适配器获取下位机实时数据。在本设计中 ＵＳＢ－ｔｏ—ＣＡＮ适配器选用德国ＩＸＸＡＴ公司的ＵＳＢ－ｔｏ—ＣＡＮ版本适配器。和诸多ＣＡＮ卡厂 家一样，ＩＸＸＡＴ公司为其每块ＰＣ／ＣＡＮ—Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ都提供了一套功能强大的软件开发包ＶＣＩ （Ｖｉｒｔｕａｌ ＣＡＮ Ｉｎｔｅｒ｛ａｃｅｓ），以备用户在ＰＣ机上开发应用程序使用，该开发包包含了基于 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函数的Ｄｅｍｏ程序和通用程序模块的ＤＬＬ文件，通过调用这些函数，可以实现 上位机与ＣＡＮ总线通信的功能。在上位机ＶＢ软件中通过添加Ｔｅｅ ｃｈａｒｔ实时绘图插件来实 现数据的图形化处理［８］。
ｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｊ ｕｄｇｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｅ
ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｎｌｉｎｅ ｄａｔａ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｏｆｆｌｉｎｅ ｓｔｏｒｅｄ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｆｆｅｒ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ
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图６上位机故障诊断界面
电池管理系统（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，ＢＭＳ）能够监测动力电池的充放电电流、总 电压、单体电压、温度等状态量，进而估算动力电池荷电状态（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）以及最大 充放电功率，使动力电池工作于最佳工作状态以最大限度地发挥动力电池的储能作用。电池 管理技术是电动汽车发展的关键技术之一［２’３］。
２动力电池故障诊断系统总体设计方案
应用于电动汽车中的动力电池通常是由数十个甚至上百个单体电池串联组成动力电池 组。动力电池故障主要包括动力电池自身故障和动力电池应用故障。动力电池自身故障是指 动力电池本身特性产生的一些故障，如内阻过高、单体断路或短路等；动力电池应用故障是指 动力电池在电动汽车中使用过程中不能正常地充放电，高压继电器不正常工作，电池热保护不 合理等Ｉ－４｜。
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混合动力与纯电动汽车／Ｃ｝蔓ＡＰ鼍、ＥＲ Ｉｌ 用是否处于最佳状态等。
依据上述功能要求，将动力电池故障诊断系统的软件设计为两部分： （１）下位机软件部分使用具有较强的可移植特性的ＡＮＳＩ Ｃ语言进行编写，按照整车主控 制器的要求，将对动力电池特征参数诊断功能部分写入下位机。此部分对动力电池状态进行 基本的特征状态诊断，诊断这些状态特征参数是否在正常值范围内，并将诊断结果上传给整车 主控制器。数据记录仪按照协议格式将ＢＭＳ上传的数据保存在ＳＤ卡中。下位机故障诊断 系统软件设计流程图如图４所示。
如图１中所示动力电池故障诊断系统总体设计方案，诊断系统下位机为工作于电池管理 系统内部的动力电池故障诊断模块及数据记录仪；上位机为进行在线诊断及离线诊断时使用 的ＰＣ机应用程序。动力电池工作期间数据记录仪将数据存储到ＳＤ卡中，当进行离线诊断时 取下ＳＤ卡插入电脑，利用上位机软件进行动力电池离线故障诊断。
动力电池故障诊断系统通过对电池管理系统采集的数据分析来进行故障诊断，基于已有 的实际工程经验进行故障预测，给出合理的预处理建议。动力电池故障诊断系统分为在线诊 断和离线诊断两个诊断状态。在线诊断指在动力电池运行状态时对动力电池进行故障诊断， 并将诊断结果上报给整车主控制器；离线诊断是指动力电池数据记录仪将动力电池运行期间 的相关参数进行保存，通过ＰＣ机上位机软件对记录的数据进行分析，重现动力电池运行时的 状态曲线，对动力电池的运行状态进行故障判断和应用评价。动力电池故障诊断系统总体设 计方案如图１所示。