基于UDS协议的复合电源系统故障诊断方法.doc

基于UDS协议的复合电源系统故障诊断方法 第38卷第5期2019年5月Vol.38No.5May2019ISSN1006-7167311707/TRESEARCH ANDEXPLORATION INLABORATORY-实验技术-基于UDS协议的复合电源系统故障诊断方法刘荣a,童亮a#b,龚国庆a#b,许永红a,任继愈a（北京信息科技大学a.机电工程学院；b.北京电动车辆协同创新中心，北京100192%摘要针对纯电动汽车复合电源系统（HESS）发生故障原因复杂、诊断难度高的问题，结合纯电动汽车HESS结构，提出一种基于UDS协议的故障诊断方法，制定不同的DTC状态，并在HESS实验台架中对该诊断方法进行验证。 实验结果表明,该诊断方法能很好地实现HESS故障诊断要求。 关键词纯电动汽车；动力电池；超级电容；复合电源系统；故障诊断:TM912文献标志码:A1006-7167（2019%05-0004-04Fault DiognosisMethod ofHybriO EnergyStorage SystemBased onUDS ProtocolLIURong y,TONG Liangy，b,GONG Guoqiny，b,XU Yonghongy,REN J)u y(a.School ofElectromechanil Engineering；b.Beijing CollaborativeInnovvtion Centeeof ElectricVehicles,Beijing InformationScien&Technology Universita,Beijing100192,China%AbstractThe hybrid eneray storaye system(HESS%was mposedof supeecopacitos,powee batteraand DC/DCconveWes,which mpensatesthe shortboard ofpure electricwhicle.The hybrideneray storaye system ofpure electricwhicleis plicotedand difficultto diaynose.It binesthe structureof the hybrid enerosstoraye systemof pureelectricwhicle.A faultdiaynosis methodbased onUDS protoco-is proposed,and differentDTC statesare formulated,at thelast the diaynosis methodis wrifiedin theexperimental platformof thehybrid enerosstorayesystem.The experimentalresultr showthat thediaynostic methodn reslizethediaynosisrequirementr ofthehybrideneray storayesystem.Key wordt:pure electricwhicle；power battera；$96009101x0；hybrideneraystorayesystem；fault diaynosiso引言纯电动汽车需要频繁地启停，动力驱动系统上的高压总线电流对动力电池很大的冲击,单2018-09-12基金项目国家自然科学基金项目（51575056%；国家青年科学基金项目（51608040%；科技创新服务能力建设-科研基地建设-新能源汽车北京实验室（市级）项目（PXMxx_014224_000005%（北京市促进高校内涵发展项目（5111810800%作者简介:刘荣（1991-%男,江西赣州人，硕士生,研究方向新能源汽车电子电控技术*E-mail18810391753163.通信作者:童亮（1965-%男,内蒙古集宁人,博士,教授,研究方向先进制造技术、新能源汽车关键技术*TelE-mailtongliangtsinghua.动力电池之间的均衡状态极易被打破*高比功率超级电容和高比能量动力电池的复合使的复合电源系统（Hybrid EnergyStorage System,HESS%，能够利用超级电容快速回量来补充动力电池功率,缓动力电池容量衰减,从而增加纯电动汽车续驶里程*HESS在很大程度上也满足了车载动力电源对高量、大功率、积的技求*为确保蓄电池、超级电容器和负载三者的能量和功率流动,常会将蓄电池和超级电容器各自串联一个功率变换器后再并联，通过主动控率变换器,使得蓄电池和超级电容器及时出力，随时满足负载的能量和功率需求1*,HESS是一个复杂的非线性时变系统，第5期刘荣，等基于DS协议的复合电源系统故障诊断方法5在复杂工况环境下，HESS很容易出现过压、欠压、短路以及绝缘等故障，而这些故障的节点复杂多变,致故障识别难度高,诊断系数大。 国内外对电动汽车电驱的故障诊断方法研究投入量的精力,一面对整个电驱作为一个整体对象进行研究；另一方面也对单个故障节点进的方法研究*,Satadru等.2力电池热模型为研究基,设基于电池热模型的非线来余表面温度和度等测量参数，此外,还设发来建模的不确;Oukaour等.3】对超级电容的等效串联电阻(ESR)和等效电容(C)进量和分析,对超级电容故障进确的诊断;Liu等.4建立动力电池的热模型，模度与实度的对比,对电池温度异常状况进行在线诊断，并诊断、通过控制器局域网(CAN)送整车控,使整车及时对故障做出；Fu等.51对电池管理故障诊断开发过程中的故障监测、诊断数据管理和诊断服务方面进行针对性研究，提出基于ISO14229诊断服务,设HE；的车用的电池管理系统诊断服务模块*文通过分析纯电动汽车整车动力系统结构以及HESS工作原理，利用统一诊断服务(Unified DiagnosticServices,UDS)诊断协议对HESS各个节点进行故障分类，节点下的故障诊断码(Diagnostic TroubleCode,DTC)。 最后在搭建好的HESS实验平台上对该故障诊断方法进行验证*1复合电源系统结构分析纯电动汽车的驱动系统主要由驱动电动机、电机控制器、动力电池、超级电容、双向DC/DC变换器、高压率(助力、气泵等)等*高比功率超级电容通过双向DC/DC变换器与高比能量动力电池实量高效转换的复合电源，载复合电源的纯电动汽车驱1*高压配电箱整车控制器-动力电池、4?高压分流器-超级电容油泵电动机控制器DC/DC变换器、气泵永磁同步电动机图1装载复合电源系统的纯电动汽车驱动系统结构图复合电源工作的基本原则是，锂电池提供整车系需求的平均功率,使工作在一个的下,高平均功率的部分由超级电容来“削峰谷”.6-DC/DC变换器在复合电源的作常,针对纯电汽车的率需求,对力电池及超级电容能量转换进的调节,当车辆加速、爬坡需要大功率输出时超级电容通过DC/DC变换器对负载进压放电，刹车工况的回率通过DC/DC变换器对超级电容降压充电，间接减小大电流对蓄电池的冲击，延长蓄电池循环.7*当车辆处步和一驶下,车辆的功率需求比较，动力电池单电能满足功率需求;车辆上坡或行驶在的道路时需要加大驱动力,驱电机的功率需求也变大，此时需要电池和超级电容一起工作增大率以满足驱率的需求;当车辆处在刹车或急速速行驶下，超级电容充放电特性回多余的量,高量的率*在整个复合电源，动力电池以及超级电容都需要处于稳定的状态下，以保障整车的安全行驶，但是，者都是，在驱动电机率需求以及大电流击下很容易产生过、欠压等现象,加上率双向DC/DC变换在容及非线,很容易产生短路故障,DC/DC变换器悄，从致复合电源法正常工作*建立1的故障诊断机很好地抑制复合电源发生故障的，为纯电动汽车驶航*2故障诊断方法设计2.1UDS诊断协议统一诊断服务协议是基于开发系统互联参考(Open SystemIntercenneci,OSI)模型,是一种分层结构设计，包括物理层、数路层、网络层、会层和层8-由文9/,UDS协诊断层级之间有诊断、数、故障、数据管理以及上传下载*在层使用UDS诊断协议的相关服务，如:Session Control!0X10)、Read6宝淹生科玄匀摇虑第38卷电源系统的不同状态下故障码，与此同时，将相应的故障到对应的节点诊断协。 UDS协服务机制简2*Data By Identifier(0X22)、ECU Reset(0X11)、Read DTCInformation(0X19)、Write DataByIdentifier(0X2E)以及Communicotion Control(0X28)，制定复合图2UDS协议服务012314|56I7PID报告类型标志位DTC DTC状态5902DTC状态标志位DTCDTC状态信息0E1306标志位DTC状态记录DTC状态信息01028FUDS协议在各个层级都有明确的分工协作,网络层能够快速地实现帧数据的，是处理多包报文数据的，而在多帧报文数程中，应层不会数据的解包与，会的顺利进行.10-UDS诊断协有良好的移植性，能够覆盖整个故障诊断的测试功能，可以通过会话控制模式对系统ECU进行正向反向测试,通过相应的指令可以访问系统控制单元，如果得到的是正向响应，则可以通分的来当前的故障；如果得到的反向，则需分是否正确或者诊断的环境是需要满足的条件。 2，当定好复合电源的故障码表时，通节点下的故障，在满足诊断条件的情况下，每个DTC的状态信息都是可读取的，在DTC不同的字节获得更为的故障，如动力电池出现均衡故障，解析DTC的字节可以准确地定位压的单体位，提高故障诊断的效率和准确性。 2?2复合电源系统故障诊断策略复合电源的作一就是提升车辆的续驶里程，实现制动能量回收.11，减少大电流脉冲对动力电池的冲击，的故障诊断为。 故障出现时，快速地将故障到整车控，节点的控单或整车控出，从车辆行驶。 复电源主力电池、超级电容以及双向大功率DC/DC变换器三大部件构成.12，对动力电池以及超级电容而言，内部容易造成过压、欠压、温度过高、短路，外部容易温度过高、绝缘及断路等，需这些故障信息传输到管理系统中。 对DC/DC变换器而言，容易出现短路、入电压超出范围、电压校准等故障.13二这些故障容易降低动力电池和超级电容两者间能量转换效率，法实量转换，复电源三*当动力电池以及超级电容出现内部故障时，将通过采准确定位到单体或模组的位置，出外部故障时将故障送表，表故障码，管理针对的故障进另IJ，的故障需断高压，复电源*当DCTDC换出入电压超出范时，通过采样电阻判别是否超级电容或动力电池端出现短路，DCTDC换内部电路是入出现断路情况，将这些故障整CAN报文上报管理，是否切断高压继电器，将故障在仪表.14-针对上述几种故障诊断制定动力电池、超级电容以及DC/DC变换器三节点的DTC故障码表，匹配故障与节点故障，故障码表如下动力电池单体过压（0X1A00），动力电池单体欠压（0X1A01），动力电池过温（0X1A02），动力电池绝缘弱（0X1A11），动力电池采样故障（0X1A12），动力电池均衡故障（0X1A13），超级电容单压（0X1BC0），超级电容单体欠压第5期刘荣，等基于UDS协议的复合电源系统故障诊断方法7(0X1BC1),超级电容过温(0X1BC2),超级电容绝缘弱(0X1BC3),超级电容采样故障(0X1BC4),超级电容均衡故障(0X1BC5),DC/DC变换器断路(0XA1E0),DC/DC变换器短路(0XA1E1),DC/DC变换校准(0XA1E2),DC/DC变换入过压(0XA1E3)，系统CAN总线通信故障(0XC206)*3测试环境与分析利用制定好的复合电源系统故障诊断策略以及DTC匹配信息，对动力电池以及超级电容进行正向与反向。 为验证基于UDS诊断协议的故障诊断方法的可行性，在已搭建好的复合电源测试环境下进负载变工况，变工况模式有恒功率恒压(CP+CV)模式、恒阻恒压(CR+CV)模式，如图3所示。 复合电源平台.15/如图4。 图3负载变工况模式图4复合电源实验平台通过电子负载变工况模式下正向反向测试得到如图 5、6的实验结果图。 在CP+CV、CR+C V模式下取不同的测试时间段/、/、/，在大电流冲击时出现动力电池与超级电容过压、的况下出的故障，的进行,出单体电压压差超过设的，出力电池以及超级电容均衡故障;在满足电子负载率需求的过程中，出现的欠压、绝缘故障也实时的展现。 由此可，基UDS故障诊断协议的故障诊断方法实时准确的复合电源出现的故障，满足了复电源系统的故障诊断要求。 4结语在对纯电动汽车复合电源系统结构进行分析的基上，UDS诊断协复合电源多节点故障，的DTC故障码表。 在建好的复合电源实验平台上对该故障诊断方法进靠验证。 验程中，采取负载变工况模式进行正向、向故障诊断。 果表明，该故障诊断方法很好地实现复合电源的故障诊断要求。 在复杂行驶工况下，本文出的基于UDS诊断协的故障诊断方法，具有局复合电源故障的，UDS诊断协有很强的，将复电源力电池以及超级电容的容量均衡I因进来，加有效地提高复合电源的故障诊断效率和精确性。 参考文献(References):.1/Khalig H，Lf Zhihao.Battery,ultracapacitor,fuel cell,and hybridenergystoraae systemsfor electric,hybrid Electric,fuel cell,and plug-in hybridelectric vehicles:state ofthe ari.J/.IEEE Transactionson VehicularTechnology,xx,58 (6):2806-2814.2/Dey S,Biron ZA,Tatipamula S,et al.Model-based reel-time thermalfaul diaanosisof Lithium-ion batteries.J/.ControEngineering Practice,xx,5637-48.3/Oukaour A,Pouliquen M,Tala-Ehil B,eal.Supercapacitors aaingdiaanosisusing leestsquare algorithm.J/.Microelectronics Reliability,xx,53(9-11)1638-1642.:4/刘鹏，朱建新，储爱华,等?基于热模型的动力电池热故障诊断系统J?上海交通大学学报,xx,49 (4)487-493.:5/符兴锋，周斯加,翟艳霞,等?动力电池管理系统诊断服务功能设计研究J.电源技术,xx,38 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