具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统，其特征是：在电池管理系统中设置单体信息采集和故障诊断模块，利用单体信息采集和故障诊断模块获得电池组中电池单体电压和电池包温度数据，并诊断可能出现故障的各故障点获得故障自诊断信息；将电池单体电压、电池包温度数据以及故障自诊断信息作为输出信号通过隔离与接口转换模块发送给电池管理系统中主控制器MCU，电池管理系统中主控制器MCU接收输出信号并传送至整车控制器。本发明可有效提升电动汽车动力电池管理系统的ASIL。
【专利说明】
具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电动汽车动力电池管理系统，特别是具有完备故障自诊断功能的电池 管理系统。
【背景技术】
[0002] 目前，电动汽车动力电池管理系统虽然都能实现单体电压采集、温度采集和均衡 等各功能，但是在故障诊断，提升功能安全等级方面研究欠缺。关于锂离子电池及其管理系 统故障诊断的已有研究中，基本是针对电池系统的诊断进行研究，包括过流、过温、过压、欠 压和绝缘检测等，但对于电池管理系统本身并没有进行全面的诊断。
[0003] 在电动汽车运行过程中，电池管理系统存在有出现各种故障的可能性，包括:ADC 故障、参考电压故障、单体电压采集线开路、短路，均衡引脚开路、短路，通信线开路、短路 等。任一故障的出现都有可能导致整个系统运行异常。与此同时，为了实现汽车上电子和电 气系统的功能安全设计，道路车辆功能安全标准ISO 26262已于2011年正式发布，为开发汽 车安全相关系统提供了指南。标准给出了汽车安全完整性等级ASIL。为了达到最高安全等 级ASIL-D，电池管理系统就必须具有完备的故障自诊断功能，但是，迄今未有相关技术的公
【发明内容】
[0004] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具有完备故障自诊断 功能的电动汽车动力电池管理系统，保障汽车安全运行。
[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0006] 本发明具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统的结构特点是:在 所述电池管理系统中设置单体信息采集和故障诊断模块，利用所述单体信息采集和故障诊 断模块获得电池组中电池单体电压和电池包温度数据，并诊断可能出现故障的各故障点获 得故障自诊断信息；将所述电池单体电压、电池包温度数据以及故障自诊断信息作为输出 信号通过隔离与接口转换模块发送给电池管理系统中主控制器MCU，所述电池管理系统中 主控制器MCU接收所述输出信号并传送至整车控制器。
[0007] 本发明具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统的结构特点也在 于:在所述单体信息采集和故障诊断模块与主控制器MCU之间设置磁耦隔离电路，利用接口 转换电路将磁耦隔离电路的差分UART接口转换成SPI接口，主控制器MCU与整车控制器通过 CAN总线进彳丁通{目。
[0008] 本发明具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统的结构特点也在 于:所述电池管理系统中主控制器Μ⑶与整车控制器的通信协议依照SAE J1939-21-2006标 准进行制定。
[0009] 本发明具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统的结构特点也在 于:所述故障自诊断信息包括单体电压测量引脚开路故障诊断信息、单体电压测量线开路 故障诊断信息、均衡引脚短路故障诊断信息、均衡引脚开路故障信息、单体电压测量引脚与 均衡引脚短路故障诊断信息，以及通信故障诊断信息、电源故障诊断信息、晶振故障诊断信 息、参考电压故障诊断信息和ADC故障诊断信息。
[0010]本发明具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统的结构特点也在 于:所述单体电压测量引脚开路故障诊断信息是按如下方式获得：
[0011] 采用MAX17823芯片，利用所述MAX17823芯片的内部电流源进行测试，所述 MAX17823芯片的单体电压测量引脚为端脚a和端脚b，在端脚a和端脚b上设置外接电阻R1、 R3和外接电容C1、C3;由电阻R1和电容C1以及电阻R2和电容C2分别构成低通滤波器，电阻R1 接被测电池E的正极端，电阻R2接被测电池的负极端；
[0012]利用MAX17823芯片分别测得在不加载电流源时的被测电池的端电压E1，以及加载 电流源时的被测电池的端电压E2;若E1和E2的差值达到设定的阈值，判断为存在有单体电 压测量引脚开路故障;反之，则判断为不存在有单体电压测量引脚开路故障。
[0013] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0014] 本发明在实现了传统电池管理系统单体电压采集、温度采集等基本功能的同时， 具备完备的自诊断功能，通过对管理系统本身可能出现的故障点进行实时诊断，大大提升 电动汽车动力电池管理系统的安全等级ASIL。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明功能结构图；
[0016] 图2为本发明单体电压测量引脚开路故障诊断原理图；
【具体实施方式】
[0017] 参见图1，本实施例中具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统是 在电池管理系统中设置单体信息采集和故障诊断模块，利用各单体信息采集和故障诊断模 块获得电池组中电池单体电压和电池包温度数据，并诊断可能出现故障的各故障点获得故 障自诊断信息；将电池单体电压、电池包温度数据以及故障自诊断信息作为输出信号通过 隔离与接口转换模块发送给电池管理系统中主控制器Μ⑶，电池管理系统中主控制器MCU接 收输出信号并传送至整车控制器。
[0018] 如图1所示，本实施例中在单体信息采集和故障诊断模块与主控制器MCU之间设置 磁耦隔离电路，利用接口转换电路将磁耦隔离电路的差分UART转换成SPI接口，主控制器 MCU与整车控制器通过CAN总线进行通信。
[0019] 本实施例中，电池管理系统中主控制器MCU与整车控制器的通信协议依照美国汽 车工程协会推荐的SAE J1939-21-2006标准进行制定;故障自诊断信息包括单体电压测量 引脚开路故障诊断信息、单体电压测量线开路故障诊断信息、均衡引脚短路故障诊断信息、 均衡引脚开路故障信息、单体电压测量引脚与均衡引脚短路故障诊断信息，以及通信故障 诊断信息、电源故障诊断信息、晶振故障诊断信息、参考电压故障诊断信息，ADC故障诊断信 息。
[0020] 具体实施中，单体信息采集与故障诊断模块是由多片MAX17823组成，如图1中所示 的采集芯片1、采集芯片2···采集芯片n-1和采集芯片n，每片MAX17823可采集十二路单体电 压，辅助通道可采集两路温度数据。接口转换模块将芯片MAX17823的差分UART转换成SPI接 口，便于和主控制器MCU进行通信。
[0021]电池管理系统中主控制器MCU与整车控制器的通信协议依照SAE J1939-21-2006 标准进行制定，表1所示为模块地址分配：
[0022] 表1模块地址分配
[0024] 故障自诊断信息的传输以数据包的格式发送，设置传输格式如表2所示：
[0025] 表 2
[0027] 表2中，"zz zz zz"为数据包个数，"?？？？？?"为参数组编号PGN，本实施例中所传输 的数据包为故障自诊断信息，因此，可以直接将参数组编号PGN设置为固定形式，比如："00 〇〇 〇〇"，"yy"为未定义的保留字节，"XX"为传输数据。
[0028] 表2所示针对数据传输内容，多帧传输中数据域中的第一个字节表示帧序号，比如 "01"表征帧序号为"01"；第二字节为采集芯片的序号N，若采集芯片的序号N为零，即N=0， 表示无故障。
[0029]表3所示为字节3的定义：
[0030]表 3
[0032]字节3中各序号与故障的对应关系包括：
[0033]序号26的"测量引脚开路"对应为单体电压测量引脚开路故障；
[0034]序号20的"奇数测量线开路"和序号21的"偶数测量线开路"故障对应为"单体电压 测量线开路故障"；
[0035]序号18的"均衡开关短路"对应为"均衡引脚短路故障"；
[0036]序号19的"均衡开关开路"对应为"均衡引脚开路故障"；
[0037]序号27的"测量引脚与均衡引脚短路"对应为"单体电压测量引脚与均衡引脚短路 故障"；
[0038]序号07的"通信故障"对应为"通信故障"；
[0039] 序号02的"Vhv欠压"和序号3的"Vhv过压"对应为"电源故障"；
[0040]序号05的"32kHz晶振故障"和序号6的"16kHz晶振故障"对应为"晶振故障"；
[0041] 序号12的"参考电压故障"对应为"参考电压故障"；
[0042] 序号15的"ADC满输出"和序号16的"ADC零输出"故障对应为"ADC故障"。
[0043] 表3列示的字节3与其它字节的对应关系如表4所示：
[0044] 表 4
[0045]
[0046] 在电池管理系统自诊断没有故障时，主控制器只发送一帧数据，且N = 0,如表5所 示；
[0047] 表 5
[0049] 在发生有故障点时，一个故障点发送一帧数据。
[0050] 比如第一片MAX17823上第三根测量线开路，以及第三片第二个均衡开关短路，则 传输两帧数据如表6所不：
[0051] 表 6
[0053]本实施例中单体电压测量引脚开路故障诊断信息是按如下方式获得：
[0054] 采用MAX17823芯片，利用所述MAX17823芯片的内部电流源进行测试，所述 MAX17823芯片的单体电压测量引脚为端脚a和端脚b，在端脚a和端脚b上设置外接电阻R1、 R3和外接电容C1、C3;由电阻R1和电容C1以及电阻R2和电容C2分别构成低通滤波器，电阻R1 接被测电池E的正极端，电阻R2接被测电池的负极端；
[0055]利用MAX17823芯片分别测得在不加载电流源时的被测电池的端电压E1，以及加载 电流源时的被测电池的端电压E2;若E1和E2的差值达到设定的阈值，判断为存在有单体电 压测量引脚开路故障;反之，则判断为不存在有单体电压测量引脚开路故障。根据MAX17823 芯片的数据手册确定阈值为1 〇〇mV。
【主权项】
1. 一种具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统，其特征是：在所述电 池管理系统中设置单体信息采集和故障诊断模块，利用所述单体信息采集和故障诊断模块 获得电池组中电池单体电压和电池包温度数据，并诊断可能出现故障的各故障点获得故障 自诊断信息;将所述电池单体电压、电池包温度数据以及故障自诊断信息作为输出信号通 过隔离与接口转换模块发送给电池管理系统中主控制器MCU，所述电池管理系统中主控制 器MCU接收所述输出信号并传送至整车控制器。2. 根据权利要求1所述的具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统，其 特征是:在所述单体信息采集和故障诊断模块与主控制器MCU之间设置磁耦隔离电路，利用 接口转换电路将磁耦隔离电路的差分UART接口转换成SPI接口，主控制器Μ⑶与整车控制器 通过CAN总线进行通信。3. 根据权利要求1所述的具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统，其 特征是：所述电池管理系统中主控制器Μ⑶与整车控制器的通信协议依照SAE J1939-21-2006标准进行制定。4. 根据权利要求1所述的具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统，其 特征是:所述故障自诊断信息包括单体电压测量引脚开路故障诊断信息、单体电压测量线 开路故障诊断信息、均衡引脚短路故障诊断信息、均衡引脚开路故障信息、单体电压测量引 脚与均衡引脚短路故障诊断信息，以及通信故障诊断信息、电源故障诊断信息、晶振故障诊 断信息、参考电压故障诊断信息和ADC故障诊断信息。5. 根据权利要求4所述的具有完备故障自诊断功能的电动汽车动力电池管理系统，其 特征是所述单体电压测量引脚开路故障诊断信息是按如下方式获得： 采用ΜΑΧ17823芯片，利用所述ΜΑΧ17823芯片的内部电流源进行测试，所述ΜΑΧ17823芯 片的单体电压测量引脚为端脚a和端脚b，在端脚a和端脚b上设置外接电阻R1、R3和外接电 容C1、C3;由电阻R1和电容C1以及电阻R2和电容C2分别构成低通滤波器，电阻R1接被测电池 E的正极端，电阻R2接被测电池的负极端； 利用MAX17823芯片分别测得在不加载电流源时的被测电池的端电压E1，以及加载电流 源时的被测电池的端电压E2;若E1和E2的差值达到设定的阈值，判断为存在有单体电压测 量引脚开路故障;反之，则判断为不存在有单体电压测量引脚开路故障。
【文档编号】B60L3/00GK106080251SQ201610637842
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月5日 公开号201610637842.7, CN 106080251 A, CN 106080251A, CN 201610637842, CN-A-106080251, CN106080251 A, CN106080251A, CN201610637842, CN201610637842.7
【发明人】胡社教, 姚志, 傅万春, 丁更新, 庞艳红, 沙伟, 罗盛, 魏星刚
【申请人】合肥工业大学