CN101782629A - 基于obd—ⅱ的电池***监测方法及装置 - Google Patents

基于obd—ⅱ的电池***监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

基于OBD-II的电池***监测方法及装置涉及车用电池监测技术领域。其方法的特征在于，含有：数据采集模块、OBD-II故障诊断模块、安全监测模块、热监测模块、通讯模块、SOC估计模块和交互式显示模块；其中：OBD-II故障诊断模块含有：信号采集单元，故障识别单元和故障处理单元。本发明的装置含有：数据采集接口，信号调理电路，微处理器，数据存储器，程序存储器试验证明，本发明能够实施监测电池***的各项参数，进行故障诊断，提高了***的安全性，便于日常维护和故障修复，对于当前整车分布式控制网络的发展具有重要的作用。

Description

基于OBD—Ⅱ的电池***监测方法及装置
技术领域
基于OBD-II的电池***监测方法及装置涉及车用电池监测技术领域，特别是应用于混合动力车辆以及纯电动车辆的电池监测***。
背景技术
由于能源、环境等问题的日益突出，包括混合动力车辆在内的电动汽车得到快速发展。动力电池作为电动汽车的动力源，其性能和寿命至关重要。在人们努力发展电池技术的同时，电池管理技术已成为提高电池性能和寿命的重要手段。
当前的电池管理***主要包括一下几个功能：数据采集，安全管理，热管理，SOC估计，单体均衡，通讯显示等，基本上实现了保证电池正常使用，通过控制优化电池性能，延长电池寿命，防止危险发生等目的。但是随着***结构和控制算法的日益复杂，其自身缺乏一个安全保护机制，因此还存在一定的安全隐患。
OBD-II***在发动机控制***的应用则提供了一个解决思路。OBD-II对***的输入输出进行实时监测，一旦发现故障就会进行故障处理和报警，提高了***的安全性和车辆的排放性能；同时根据标准的通讯接口，维修人员可以根据记录的故障码识别和定位故障，从而方便维修。
因此，将OBD-II功能嵌入到电池监测***中，在提高***的安全性和稳定性的同时可进一步改善电池的运行状况。另一方面，随着电动车辆上电控***的日益复杂和数目增多，分布式的控制网络也得到广泛应用，其结果是分布式的OBD-II体系的产生。带有OBD-II功能的电池监测***可直接接入整车诊断网络而无需再进行额外的硬件设计。
目前国内的电池监测***和OBD-II***尚处于发展阶段，经检索，为发现与本发明相关的技术内容，本发明具有良好的发展前景。
发明内容
本发明为电动车辆提供了带有OBD-II功能的电池监测***，目的是提高***的安全性和可靠性，同时还提供了分布式车载控制网络和诊断网络的接口，具有良好的实用性。
本发明提出的基于OBD-II的电池监测方法，其特征在于，含有：数据采集模块、OBD-II故障诊断模块、安全监测模块、热监测模块、通讯模块、SOC估计模块和交互式显示模块；其中：
数据采集模块，对电池***的参量进行巡检，并根据不同参量的重要程度和变化率决定各参量的巡检周期，将检测到的数据输出到所述OBD-II故障诊断模块；
OBD-II故障诊断模块，实时检测电池***所有的输入输出信号，如出现故障，则记录故障码，
通过CAN网络与所述交互式显示单元实时通讯，并将诊断信息上传给安全监测模块和热监测模块；
安全监测模块，接收OBD-II故障诊断模块上传的故障诊断信息，若出现安全故障，则通过执行机构进行相应的降低风险的动作；
热监测模块，接收到所述OBD-II故障诊断模块传来的温度故障数据，通过相应的温度调节装置进行温度调节，保证电池单体间温度均匀及保持合适的工作温度范围；
SOC估计模块，以采集的实时信号为基础，估计电池组当前的荷电状态，并将荷电状态信息传给所述交互式显示单元；
通讯模块，将所述OBD-II故障诊断模块、安全监测模块、热监测模块以及SOC估计模块的发出的监测信息以及故障信息通过CAN网络发送至交互显示模块，同时将交互显示模块接收到的外部控制信号发送到相应的目标地址。
交互显示模块，带有CAN接口，接收所述OBD-II故障诊断模块、安全监测模块、热监测模块以及SOC估计模块的发出的监测信息以及故障信息，并实时显示，同时接收外部输入的控制信息，将控制信息下传到相应的执行机构。
所述OBD-II故障诊断模块含有：
信号采集单元，对电池***的传感器和执行器进行信号采集，采集的信号包括模拟信号、数字信号和脉冲信号；将采集到的信号输出给故障识别单元；
故障识别单元，含有条件滤波单元、异常确认单元、防抖处理单元和故障确认单元；所述条件滤波单元根据设定条件判断是否对采集的信号进行处理，若需要处理则将采集的信号传给异常确认单元；所述异常确认单元根据设定的条件判断采集到的信号是否异常，若判断为异常，则将异常信号传给防抖处理单元；所述防抖处理单元利用计数器对在设定的时间内发生异常的次数进行记录，若异常地次数超过设定的限值，则将该异常确定为故障，并将相应的故障码和停帧传给故障处理单元；所述故障码是对每一种故障设定的唯一对应的故障码，所述停帧是在故障发生后，将当前的电池***参数和环境参数进行记录；
故障处理单元，由故障码存储子单元记录故障码和更新故障码状态；由报警及功能限值单元对故障类型和故障严重程度进行判断，并故障类型和故障严重程度通过CAN网络向显示单元和整车控制单元发送故障信息；容错处理单元对可以忽略的故障，采取可替代的方式运行，使整车具有跛行能力。
基于OBD-II的电池检测方法而设计的装置，其特征在，含有：
数据采集接口，采集电池***中的传感器和执行器的参数，将采集到的参数输入信号调理电路；所述传感器含有绝缘电阻检测电路、单体电压检测电路、母线电压传感器，母线电流传感器和温度传感器；所述执行器含有选通电路开关、冷却风扇、主接触器和副接触器；
信号调理电路，含有模拟信号调理电路和数字信号调理电路；所述数字信号调理电路采用光耦电路；模拟信号调理电路含有包含两个运算放大器的低通滤波电路，在第一个运算放大器的输入端连接数据采集接口传来的模拟信号，输出端连接第二个运算放大器的输入端，第二个运算放大器的输出端连接单片机的模拟信号输入端，在所述第二个运算放大器的输出端还连接一个TVS瞬态电压抑制管；
微处理器，接收数字信号调理电路传来的模拟信号和数字信号，对信号进行故障判断，将确认为故障的信息通过CAN通讯电路输出到显示单元；同时接收外部输入的控制信号，将控制信号输出到执行器，执行相应的动作；
数据存储器，与微处理器连接，用于存储微处理器接收的数据信息；
程序存储器，与微处理器连接，用于存储微处理器运行的程序；
所述微处理器的型号为英飞凌的16位单片机XC167。
试验证明，本发明能够实时监测电池***的各项参数，并准确地进行故障诊断，达到了预期的目的。
附图说明
图1为一个电池***的结构示意图；
图2为电池管理***功能结构示意图；
图3为故障诊断模块软件结构示意图；
图4为故障诊断模块硬件结构示意图；
图5为单片机及外扩FLASH电路原理图；
图6为电源电路原理图；
图7为数字信号调理电路原理图；
图8为模拟信号调理电路原理图；
图9为CAN通讯电路原理图。
具体实施方式
所述电池管理***包括以下功能模块：数据采集模块(3)，OBD-II故障诊断模块(4)，安全管理模块(5)，热管理模块(6)，通讯模块(8)，SOC估计模块(7)，交互式显示模块
(9)。
所述的OBD-II故障诊断模块的软件部分由信号采集单元(10)，故障识别单元(11)，故障处理单元(12)，标准通讯接口单元组成。
其中信号采集单元(10)对所有电池监测***故障诊断相关的信号进行采集，为***执行提供基本信息。所述的信号包括但不限于数字量、模拟量以及脉冲量。
故障识别单元(11)又包含四个子单元：条件滤波单元(13)、异常确认单元(14)、防抖处理单元(15)以及故障确认单元(16)。***通过故障识别单元(11)，可以对所有采集的信号进行处理，有效地识别并确认故障。
故障处理单元(12)也分为三个子单元：故障码存储单元(17)、报警及功能限制单元(18)以及容错处理单元(19)。一旦由故障识别单元(11)确认故障后，故障处理单元(12)立即将对应的故障码以及发生故障时的环境信息进行存储，同时根据故障的类别和严重程度进行相应的处置。容错处理单元(19)可在故障发生后采取一定的措施使得***能够工作在一个正常的范围内。
标准通讯接口单元可以使得电池监测***与满足与OBD-II相关的ISO标准的***设备进行CAN通讯，完成包括但不限于故障码读取、停帧读取、***自测，清空存储器等功能。
OBD-II故障诊断模块的硬件部分由微处理器(21)、电源电路(24)、程序存储器(23)、数据存储器(22)、CAN通讯电路(25)、信号调理电路(26)、数据采集接口(27)、传感器(28)、执行器(29)组成。其中传感器又包括电池单体电压检测电路(31)、母线电压传感器(32)、母线电流传感器(33)、温度传感器(34)、绝缘电阻检测电路(30)；执行器包括冷却风扇(35)、主接触器(36)、副接触器(37)、电路选通开关(38)。
下面结合附图对带有OBD-II功能的电池管理***进行示例性的说明，并不对本发明和它的应用或使用进行限制。
本发明所述的电池管理***工作过程如下：
附图1所示为一个电池***的结构示意图，由电池管理***(1)、电池组(2)、电池箱体、线束组成。电池管理***(1)以电池组(2)为对象进行监测和保护。
上电后OBD-II故障诊断模块(4)进行初始化诊断，检测传感器(28)和执行器(29)各个部分的信号以及***软硬件，判断是否正常。如果有错误则停止启动过程，将故障码进行存储，并由通讯模块(8)通过CAN总线将故障发送给整车控制单元和交互式显示单元(9)。关于错误的判断和具体的处理过程将在后面进行介绍。如果正常则通过CAN网络向整车控制单元发送ready信号，等待整车控制单元的应答后进入工作模式。
数据采集模块(3)对电池***的各个参量进行巡检，包括电池单体电压，总线电压，总线电流、测温点温度，绝缘电阻值等。各个信号根据其重要程度以及变化率而决定各自的巡检周期。OBD-II故障诊断模块(4)实时检测***所有的输入输出信号，一旦发现故障，则记录故障码，通过CAN网络与交互式显示单元实时通讯，并将诊断信息上传给安全管理模块(5)和热管理模块(6)。安全管理模块(5)对电池的状态进行管理，判断电池是否存在过充电、过放电，单体电压不一致性大，温度过高、绝缘电阻值过低等情况，并进行处理。比如若发现电池组总线正向电流过大，则为电池过放电状态，应立即通知整车控制器更换控制策略，以降低电池组负荷，减小放电电流。若绝缘电阻值过低，则迅速改变工作模式，警示驾驶员危险，需要立即停靠并检修。热管理模块(6)则根据电池的温度数据，以保证电池单体间温度均匀及保持合适的工作温度范围为目的，进行优化控制，比如控制冷却风扇。SOC估计模块(7)以采集的实时信号为基础，采用某些特定的算法来估计电池组当前的荷电状态。通讯模块(8)将电池信息以及故障信息通过CAN网络发送至相应的目标地址，同时接收外部的控制信号。交互式显示单元(9)带有CAN接口，可以实时显示***的安全信息以及运行状态，同时可以由驾驶员通过该单元实现部分外部诊断工具的功能，包括但不限于故障码读取，停帧读取等。根据对电池监测***工作流程的描述，下面对OBD-II故障诊断模块(4)工作过程所做详细说明。
如图4所示，微处理器作为控制电路的数字核心对各个部分进行控制，本***采用的微处理器是英飞凌的16位单片机XC167。该单片机自带10位8通道ADC，双CAN控制器，以及多个定时器以及串/并行通讯接口等，资源丰富，功能完善。同时为了提供足够的数据和程序存储空间，模块外扩了两个FLASH ROM。图5为电路原理图，P1为单片机提供启动配置，U2和U3分别对应数据存储器(22)和程序存储器(23)。电源电路原理图如图6所示，电路输入为+24V，输出为+5V和+2.5V，供板上***使用。
OBD-II故障诊断模块(4)首先启动信号采集单元(10)，开始信号巡检。对传感器(28)、执行器(29)进行信号采集，同时也对板上的电源信号、接插件连接信号等进行采集。所述的传感器(28)、执行器(29)分别包括绝缘检测电路(30)、单体电压采集电路(31)、母线电压传感器(32)，母线电流传感器(33)、温度传感器(34)和冷却风扇(35)、主接触器(36)、副接触器(37)、多路选通开关(38)。
信号采集单元的硬件部分是图4中信号调理电路(26)和数据采集接口(27)，调理电路分为模拟信号调理电路和数字信号调理电路，目的是保证单片机的安全可靠以及数据采样准确。图7是数字信号调理电路原理图，外部的数字信号通过高速光耦6N137将数据发送给单片机，两边的信号被隔离开来，避免输入信号中高频干扰对单片机的影响，图8是模拟信号调理电路原理图，电路的主要作用是实现低通滤波以及阻抗匹配，运放末端放置了一个TVS瞬态电压抑制管，目的在于保护单片机的模拟输入端。信号采集单元根据这些信号的重要程度和变化速度设定采样频率，比如绝缘检测电路的信号重要性要大于电池箱温度信号，因此其采样频率也要高。
经过了硬件的信号调理和单片机的AD转换，信号采集单元(10)将采集来的数据交给后端的模块继续处理。故障识别单元(11)接收上传来的信号，首先由条件滤波子单元(13)进行判断当前是否对采集的信号进行处理，比如在判断检测电池单体电压1时，需满足电池管理***供电正常，电池管理***处于工作模式，并且工作状态正常等条件。
接着由异常确认子单元(14)判断信号是否异常。对于模拟量而言异常包括测量值超过正常范围、信号变化率超过正常范围以及测量值不合理等情况。比如电池单体电压的正常范围应在2.8V～4.2V之间，如果测量结果为5V，则认定为信号异常，单体电压过高。如果某电池单体电压测量结果为3.0V，而电池组其他电池单体电压平均值为4.0V，且已排除该电池单体损坏的情况，则认为信号异常，不满足合理性。异常确认子单元(14)将认为状态异常的信号传给防抖处理单元(15)。
为了防止将信号在传输中因受到扰动而导致的信号瞬时异常误判为故障的情况发生，需要经过防抖处理单元(15)来确认故障。防抖处理利用计数器对在一定时间内发生的异常进行记录，如果超过设定的限值，则将异常设定为故障。比如对电池单体电压进行测量时发现了异常，假设当时的采样频率为100Hz，则在1s内测量了100次，如果异常次数为90次，而设定的阈值为80/100，则认为该信号故障。
为了识别、维护和管理，对每一个信号的每一种故障设定了唯一对应的故障码。例如电池单体1单体电压过高的故障码为B0011，电池单体1电压过低的故障码为B0012，电池单体1电压值不合理的故障码为B0013；电池箱温度点1的温度值过高的故障码为B1011，电池箱温度点1温度值过低的故障码为B1012，电池箱温度点1的温度值不合理的故障码为B1013。大部分的信号故障可以设定为过高、过低、不合理三种情况，也有部分信号对其他方面进行检测，如接插件互锁信号只需要判断通断，冷却风扇的控制信号只需要判断是否过高或者过低。同时为了进行故障分析和修复，在故障发生后，将当前的***参数和环境参数进行记录，称为停帧。故障确认单元(16)用于生成故障码以及停帧。
当由故障识别单元(11)确认故障后，将故障码和停帧发送给故障处理单元(12)。故障码存储子单元(16)既负责故障码的记录，也负责故障码的状态管理。故障码的状态包括激活、激活消除、重新出现等。比如在记录了故障码后，接下来的检测发现该故障已经消除，则故障码由激活状态变为激活消除状态。故障码的状态也可以由外部工具一并读取。
记录故障码的同时，报警及功能限值单元(17)对故障类型和故障严重程度进行判断，采取相应措施。一方面，报警功能通过CAN网络向显示单元和整车控制单元发送出错信息，告知驾驶员以便进行及时的维修和安全处理。除了接到驾驶员或整车控制单元的指令之外，***自身还可以根据故障特征限制某些检测功能，比如有些检测需要满足故障水平较低时才可进行，当发生严重故障时，该函数即被禁止。
容错处理单元(18)则根据故障的不同采取不同的控制策略，忽略错误或以其他方式使***仍然能够以一定的水平运行，即使整车具有跛行能力。比如当确定某一温度传感器失效后，***忽略其输入，采用周边的温度传感器的平均值代替。
交互式显示模块(9)实时显示电池状态，***运行状态以及故障状态信息。当发生故障时将故障码对应的故障进行显示，同时驾驶员还可以手动选择查看故障存储器的内容，对***的情况有全面的了解。
通讯模块(8)是标准通讯模块，其的硬件电路如图9所示。将故障存储单元中的数据按照如SAE J1939通讯协议进行数据打包，同时读取接收到的报文中的数据和指令，使故障诊断单元完成相应的操作。比如在停车时，满足ISO基于CAN通讯的诊断标准的外部工具可以通过通用接口对电池监测***进行相关的故障检测和操作，包括故障码读取，停帧读取，***自测试，***自测试结果读取，故障码清除等。
本发明能够实施监测电池***的各项参数，进行故障诊断，提高了***的安全性，便于日常维护和故障修复，对于当前整车分布式控制网络的发展具有重要的作用。

Claims (4)

1.基于OBD-II的电池监测方法，其特征在于，含有：数据采集模块、OBD-II故障诊断模块、安全监测模块、热监测模块、通讯模块、SOC估计模块和交互式显示模块；其中：
数据采集模块，对电池***的参量进行巡检，并根据不同参量的重要程度和变化率决定各参量的巡检周期，将检测到的数据输出到所述OBD-II故障诊断模块；
OBD-II故障诊断模块，实时检测电池***所有的输入输出信号，如出现故障，则记录故障码，通过CAN网络与所述交互式显示单元实时通讯，并将诊断信息上传给安全监测模块和热监测模块；
安全监测模块，接收OBD-II故障诊断模块上传的故障诊断信息，若出现安全故障，则通过执行机构进行相应的降低风险的动作；
热监测模块，接收到所述OBD-II故障诊断模块传来的温度故障数据，通过相应的温度调节装置进行温度调节，保证电池单体间温度均匀及保持合适的工作温度范围；
SOC估计模块，以采集的实时信号为基础，估计电池组当前的荷电状态，并将荷电状态信息传给所述交互式显示单元；
通讯模块，将所述OBD-II故障诊断模块、安全监测模块、热监测模块以及SOC估计模块的发出的监测信息以及故障信息通过CAN网络发送至交互显示模块，同时将交互显示模块接收到的外部控制信号发送到相应的目标地址。
交互显示模块，带有CAN接口，接收所述OBD-II故障诊断模块、安全监测模块、热监测模块以及SOC估计模块的发出的监测信息以及故障信息，并实时显示，同时接收外部输入的控制信息，将控制信息下传到相应的执行机构。
2.如权利要求1所述的基于OBD-II的电池检测方法，其特征在于，所述OBD-II故障诊断模块含有：
信号采集单元，对电池***的传感器和执行器进行信号采集，采集的信号包括模拟信号、数字信号和脉冲信号；将采集到的信号输出给故障识别单元；
故障识别单元，含有条件滤波单元、异常确认单元、防抖处理单元和故障确认单元；所述条件滤波单元根据设定条件判断是否对采集的信号进行处理，若需要处理则将采集的信号传给异常确认单元；所述异常确认单元根据设定的条件判断采集到的信号是否异常，若判断为异常，则将异常信号传给防抖处理单元；所述防抖处理单元利用计数器对在设定的时间内发生异常的次数进行记录，若异常地次数超过设定的限值，则将该异常确定为故障，并将相应的故障码和停帧传给故障处理单元；所述故障码是对每一种故障设定的唯一对应的故障码，所述停帧是在故障发生后，将当前的电池***参数和环境参数进行记录；
故障处理单元，由故障码存储子单元记录故障码和更新故障码状态；由报警及功能限值单元对故障类型和故障严重程度进行判断，并故障类型和故障严重程度通过CAN网络向显示单元和整车控制单元发送故障信息；容错处理单元对可以忽略的故障，采取可替代的方式运行，使整车具有跛行能力。
3.根据权利要求1所述的基于OBD-II的电池检测方法而设计的装置，其特征在，含有：
数据采集接口，采集电池***中的传感器和执行器的参数，将采集到的参数输入信号调理电路；所述传感器含有绝缘电阻检测电路、单体电压检测电路、母线电压传感器，母线电流传感器和温度传感器；所述执行器含有选通电路开关、冷却风扇、主接触器和副接触器；
信号调理电路，含有模拟信号调理电路和数字信号调理电路；所述数字信号调理电路采用光耦电路；模拟信号调理电路含有包含两个运算放大器的低通滤波电路，在第一个运算放大器的输入端连接数据采集接口传来的模拟信号，输出端连接第二个运算放大器的输入端，第二个运算放大器的输出端连接单片机的模拟信号输入端，在所述第二个运算放大器的输出端还连接一个TVS瞬态电压抑制管；
微处理器，接收数字信号调理电路传来的模拟信号和数字信号，对信号进行故障判断，将确认为故障的信息通过CAN通讯电路输出到显示单元；同时接收外部输入的控制信号，将控制信号输出到执行器，执行相应的动作；
数据存储器，与微处理器连接，用于存储微处理器接收的数据信息；
程序存储器，与微处理器连接，用于存储微处理器运行的程序；
4.如权利要求3所述的基于OBD-II的电池检测方法而设计的装置，其特征在于，所述微处理器的型号为英飞凌的16位单片机XC167。
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WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Open date: 20100721