劉 榮,童 亮,b,龔國慶,b，許永紅，任繼愈

(北京信息科技大學 a.機電工程學院;b.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100192)

0 引 言

純電動汽車需要頻繁地啟停，動力驅(qū)動系統(tǒng)上的高壓總線脈沖電流對動力電池造成很大的沖擊，單體動力電池之間的均衡狀態(tài)極易被打破。高比功率超級電容和高比能量動力電池的復合使用所構(gòu)成的復合電源系統(tǒng)(Hybrid Energy Storage System，HESS)，能夠利用超級電容快速回收制動能量來補充動力電池功率，減緩動力電池容量衰減，從而增加純電動汽車續(xù)駛里程。HESS在很大程度上也滿足了車載動力電源對高能量、大功率、小體積的技術(shù)要求。為了確保蓄電池、超級電容器和負載三者之間的能量和功率動態(tài)流動，通常會將蓄電池和超級電容器各自串聯(lián)一個功率變換器后再并聯(lián)，通過主動控制功率變換器，使得蓄電池和超級電容器及時出力，隨時滿足負載的能量和功率需求[1]。

由此可見，HESS是一個復雜的非線性時變系統(tǒng)，在復雜工況環(huán)境下，HESS很容易出現(xiàn)過壓、欠壓、短路以及絕緣等故障，而這些故障關(guān)聯(lián)的節(jié)點復雜多變，導致故障識別難度高，診斷系數(shù)大。國內(nèi)外對電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的故障診斷方法研究投入了大量的精力，一方面對整個電驅(qū)動系統(tǒng)作為一個整體對象進行研究；另一方面也對單個故障節(jié)點進行具體的方法研究。其中，Satadru等[2]以動力電池熱模型為研究基礎(chǔ)，設(shè)計基于電池熱模型的非線性觀測器來生成殘余信號重構(gòu)表面溫度和核心溫度反饋等測量參數(shù)，此外，還設(shè)計了自適應(yīng)閾值發(fā)生器來抑制建模所產(chǎn)生的不確定性影響;Oukaour等[3]對超級電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效電容(C)進行了測量和分析，以此對超級電容老化故障進行精確的診斷；Liu等[4]建立動力電池的熱模型，通過模型預測溫度與實際溫度的對比,對電池溫度異常狀況進行在線診斷,并將診斷信息通過控制器局域網(wǎng)(CAN)通信傳送給整車控制器,使整車及時對故障做出響應(yīng)；Fu等[5]對電池管理系統(tǒng)故障診斷開發(fā)過程中的故障監(jiān)測、診斷數(shù)據(jù)管理和診斷服務(wù)方面進行針對性研究，提出基于ISO14229診斷服務(wù),設(shè)計了適合HEV的車用的電池管理系統(tǒng)診斷服務(wù)模塊。

本文通過分析純電動汽車整車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及HESS工作原理，利用統(tǒng)一診斷服務(wù)(Unified Diagnostic Services，UDS)診斷協(xié)議對HESS各個節(jié)點進行故障分類，制定相應(yīng)節(jié)點不同狀態(tài)下的故障診斷碼(Diagnostic Trouble Code,DTC)。最后在搭建好的HESS實驗平臺上對該故障診斷方法進行驗證。

1 復合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

純電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電動機、電機控制器、動力電池、超級電容、雙向DC/DC變換器、高壓低功率輔助系統(tǒng)(助力油泵、氣泵等)等組成。高比功率超級電容通過雙向DC/DC變換器與高比能量動力電池構(gòu)成了能實現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)換的復合電源系統(tǒng)，裝載復合電源系統(tǒng)的純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝載復合電源系統(tǒng)的純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

復合電源工作的基本原則是，鋰電池提供整車系統(tǒng)運行中需求的平均功率，使之工作在一個較穩(wěn)定的狀態(tài)下，高于平均功率的部分由超級電容來“削峰填谷”[6]。DC/DC變換器在復合電源系統(tǒng)中的作用非常關(guān)鍵，針對純電動汽車不同的功率需求，對動力電池以及超級電容能量轉(zhuǎn)換進行動態(tài)的調(diào)節(jié)，當車輛加速、爬坡需要大功率輸出時超級電容通過DC/DC變換器對負載進行升壓放電，剎車制動工況產(chǎn)生的回饋功率通過DC/DC 變換器對超級電容降壓充電，間接減小大電流對蓄電池的沖擊，延長蓄電池循環(huán)壽命[7]。當車輛處于起步和一般行駛狀態(tài)下，車輛的功率需求比較小，動力電池單獨放電能滿足功率需求；車輛上坡或行駛在泥濘的道路時需要加大驅(qū)動力，驅(qū)動電機的功率需求也變大，此時需要電池和超級電容一起工作增大功率以滿足驅(qū)動功率的需求；當車輛處在剎車或急速減速行駛狀態(tài)下，可利用超級電容瞬間充放電特性回收多余的制動能量，提高能量的利用率。

在整個復合電源系統(tǒng)中，動力電池以及超級電容都需要處于穩(wěn)定的狀態(tài)下，以保障整車的安全行駛，但是，由于兩者都是能耗型器件，在驅(qū)動電機大功率需求以及大電流脈沖沖擊下很容易產(chǎn)生過、欠壓等現(xiàn)象，加上大功率雙向DC/DC變換器存在器件容差以及非線性問題，很容易產(chǎn)生短路故障，DC/DC變換器性能失效，從而導致復合電源系統(tǒng)無法正常工作。建立完善的故障診斷機制能很好地抑制復合電源系統(tǒng)發(fā)生故障的影響，為純電動汽車穩(wěn)定安全行駛保駕護航。

2 故障診斷方法設(shè)計

2.1 UDS診斷協(xié)議

統(tǒng)一診斷服務(wù)協(xié)議是基于開發(fā)系統(tǒng)互聯(lián)參考(Open System Interconnect，OSI)模型，是一種分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、會話層和應(yīng)用層[8]。由文獻[9]中可知，UDS協(xié)議診斷層級之間有診斷通訊功能、數(shù)據(jù)傳輸存儲、故障碼記錄、數(shù)據(jù)管理以及上傳下載功能。在應(yīng)用層集中使用UDS診斷協(xié)議的相關(guān)服務(wù)，如：Session Control(0X10)、Read Data By Identifier(0X22)、ECU Reset(0X11)、Read DTC Information(0X19)、Write Data By Identifier(0X2E)以及Communication Control(0X28)，制定復合電源系統(tǒng)的不同狀態(tài)下故障碼，與此同時，將相應(yīng)的故障碼匹配到對應(yīng)的節(jié)點診斷協(xié)議中。UDS協(xié)議服務(wù)機制簡化圖如圖2所示。

圖2 UDS協(xié)議服務(wù)

UDS協(xié)議在各個層級都有明確的分工協(xié)作，網(wǎng)絡(luò)層能夠快速地實現(xiàn)幀數(shù)據(jù)的傳輸，尤其是靈活處理多包報文數(shù)據(jù)的重構(gòu)，而在多幀報文數(shù)據(jù)傳輸過程中，應(yīng)用層不會干涉數(shù)據(jù)的解包與重組，維護會話功能的順利進行[10]。UDS診斷協(xié)議具有良好的移植性，能夠覆蓋整個故障診斷的測試功能，可以通過會話控制模式對系統(tǒng)ECU進行正向反向測試，通過相應(yīng)的指令可以訪問系統(tǒng)控制單元，如果得到的是正向響應(yīng)，則可以通過分析響應(yīng)的消息來判定當前系統(tǒng)的故障信息；如果得到的反向響應(yīng)，則需要分析指令是否正確或者診斷的環(huán)境是否具備需要滿足的條件。由圖2可知，當制定好復合電源系統(tǒng)的故障碼表時，通過指令就能讀取不同節(jié)點下相應(yīng)的故障信息，在滿足診斷條件的情況下，每個DTC的狀態(tài)信息都是可讀取的，在DTC不同的字節(jié)信息中可以獲得更為具體的故障信息，如動力電池出現(xiàn)均衡故障，解析DTC的字節(jié)可以準確地定位壓差過大的單體位置信息，提高故障診斷的效率和準確性。

2.2 復合電源系統(tǒng)故障診斷策略

復合電源系統(tǒng)的重要作用之一就是提升車輛的續(xù)駛里程，實現(xiàn)制動能量回收[11]，減少大電流脈沖對動力電池的沖擊，制定完善的故障診斷策略尤為重要。但故障出現(xiàn)時，能夠快速地將故障信息傳輸?shù)秸嚳刂破鳎上鄳?yīng)節(jié)點的控制單元或整車控制器做出決策，從而保證車輛行駛安全。復合電源系統(tǒng)主要由動力電池、超級電容以及雙向大功率DC/DC變換器三大部件構(gòu)成[12]，對動力電池以及超級電容而言，內(nèi)部容易造成過壓、欠壓、溫度過高、短路，外部容易溫度過高、絕緣性能過低以及斷路等現(xiàn)象，需要將這些故障信息傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中。對DC/DC變換器而言，容易出現(xiàn)短路、雙端輸入電壓超出范圍、電壓校準失效等故障[13]，這些故障容易降低動力電池和超級電容兩者間能量轉(zhuǎn)換效率，甚至無法實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，損壞復合電源相關(guān)器件。

當動力電池以及超級電容出現(xiàn)內(nèi)部故障時，將通過采樣功能準確定位到單體或模組的位置，出現(xiàn)外部故障時將故障信息傳送至儀表，通過儀表顯示故障碼提醒，管理系統(tǒng)針對傳輸?shù)墓收闲畔⑦M行甄別，嚴重的故障需要切斷高壓，保護復合電源系統(tǒng)。

當DC/DC變換器出現(xiàn)雙端輸入電壓超出范圍時，通過采樣電阻判別是否超級電容或動力電池端出現(xiàn)短路，通過DC/DC變換器內(nèi)部檢測電路檢測是否輸入端出現(xiàn)斷路情況，將這些故障信息整合成CAN報文上報管理系統(tǒng)，決策是否切斷高壓繼電器，將故障碼信息顯示在儀表[14]。

針對上述幾種故障診斷制定動力電池、超級電容以及DC/DC變換器三節(jié)點的DTC故障碼表，匹配故障信息與節(jié)點故障狀態(tài)，故障碼表如下：動力電池單體過壓(0X1A00)，動力電池單體欠壓(0X1A01)，動力電池過溫(0X1A02)，動力電池絕緣弱(0X1A11)，動力電池采樣故障(0X1A12)，動力電池均衡故障(0X1A13)，超級電容單體過壓(0X1BC0)，超級電容單體欠壓(0X1BC1)，超級電容過溫(0X1BC2)，超級電容絕緣弱(0X1BC3)，超級電容采樣故障(0X1BC4)，超級電容均衡故障(0X1BC5)，DC/DC變換器斷路(0XA1E0)，DC/DC變換器短路(0XA1E1)，DC/DC變換校準失效(0XA1E2)，DC/DC變換器輸入過壓(0XA1E3)，系統(tǒng)CAN總線通信故障(0XC206)。

3 測試環(huán)境與分析

利用制定好的復合電源系統(tǒng)故障診斷策略以及DTC匹配信息，對動力電池以及超級電容進行正向與反向測試。為了驗證基于UDS診斷協(xié)議的故障診斷方法的可行性，在已搭建好的復合電源測試環(huán)境下進行負載變工況測試，變工況模式有恒功率恒壓(CP+CV)模式、恒阻恒壓(CR+CV)模式，如圖3所示。復合電源系統(tǒng)測試平臺[15]如圖4所示。

圖3 負載變工況模式

圖4 復合電源實驗平臺

通過電子負載變工況模式下正向反向測試得到如圖5、6的實驗結(jié)果圖。在CP+CV、CR+CV模式下取不同的測試時間段T1、T2、T3，在大電流沖擊時出現(xiàn)動力電池與超級電容過壓、過溫的情況下出現(xiàn)相應(yīng)的故障碼信息，隨著測試的進行，出現(xiàn)單體電壓壓差超過設(shè)定的安全閾值，出現(xiàn)動力電池以及超級電容均衡故障信息；在滿足電子負載不同功率需求的過程中，出現(xiàn)的欠壓、絕緣狀態(tài)故障信息也能夠?qū)崟r的展現(xiàn)。由此可見，基于UDS故障診斷協(xié)議的故障診斷方法能夠?qū)崟r準確的匹配復合電源系統(tǒng)出現(xiàn)的故障信息，滿足了復合電源系統(tǒng)的故障診斷要求。

圖5 CP+CV模式下DTC測試

圖6 CR+CV模式下DTC測試

4 結(jié) 語

在對純電動汽車復合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析的基礎(chǔ)上，利用UDS診斷協(xié)議匹配復合電源系統(tǒng)多節(jié)點故障信息，制定相應(yīng)的DTC故障碼表。通過在搭建好的復合電源系統(tǒng)實驗平臺上對該故障診斷方法進行可靠性驗證。驗證過程中，采取負載變工況模式進行正向、反向故障診斷測試。測試結(jié)果表明，該故障診斷方法能很好地實現(xiàn)復合電源系統(tǒng)的故障診斷要求。

在復雜行駛工況下，本文提出的基于UDS診斷協(xié)議的故障診斷方法，具有全局匹配復合電源系統(tǒng)故障信息的優(yōu)勢，UDS診斷協(xié)議具有很強的移植性，將復合電源系統(tǒng)動力電池以及超級電容的容量均衡影響因素考慮進來，能夠更加有效地提高復合電源系統(tǒng)的故障診斷效率和精確性。