基于UDS协议的复合电源系统故障诊断方法

0 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脉冲电流对动力电池造成很大的冲击，单体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用所构成的复合电源系统(Hybrid Energy Storage System，HESS)，能够利用超级电容快速回收制动能量来补充动力电池功率，减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能量、大功率、小体积的技术要求。为了确保蓄电池、超级电容器和负载三者之间的能量和功率动态流动，通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，通过主动控制功率变换器，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]。

由此可见，HESS是一个复杂的非线性时变系统，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，而这些故障关联的节点复杂多变，导致故障识别难度高，诊断系数大。国内外对电动汽车电驱动系统的故障诊断方法研究投入了大量的精力，一方面对整个电驱动系统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行具体的方法研究。其中，Satadru等[2]以动力电池热模型为研究基础，设计基于电池热模型的非线性观测器来生成残余信号重构表面温度和核心温度反馈等测量参数，此外，还设计了自适应阈值发生器来抑制建模所产生的不确定性影响;Oukaour等[3]对超级电容的等效串联电阻(ESR)和等效电容(C)进行了测量和分析，以此对超级电容老化故障进行精确的诊断；Liu等[4]建立动力电池的热模型，通过模型预测温度与实际温度的对比,对电池温度异常状况进行在线诊断,并将诊断信息通过控制器局域网(CAN)通信传送给整车控制器,使整车及时对故障做出响应；Fu等[5]对电池管理系统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,设计了适合HEV的车用的电池管理系统诊断服务模块。

本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 Diagnostic Services，UDS)诊断协议对HESS各个节点进行故障分类，制定相应节点不同状态下的故障诊断码(Diagnostic Trouble Code,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、高压低功率辅助系统(助力油泵、气泵等)等组成。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构成了能实现能量高效转换的复合电源系统，装载复合电源系统的纯电动汽车驱动系统结构如图1所示。

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，锂电池提供整车系统运行中需求的平均功率，使之工作在一个较稳定的状态下，高于平均功率的部分由超级电容来“削峰填谷”[6]。DC/DC变换器在复合电源系统中的作用非常关键，针对纯电动汽车不同的功率需求，对动力电池以及超级电容能量转换进行动态的调节，当车辆加速、爬坡需要大功率输出时超级电容通过DC/DC变换器对负载进行升压放电，刹车制动工况产生的回馈功率通过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，延长蓄电池循环寿命[7]。当车辆处于起步和一般行驶状态下，车辆的功率需求比较小，动力电池单独放电能满足功率需求；车辆上坡或行驶在泥泞的道路时需要加大驱动力，驱动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功率以满足驱动功率的需求；当车辆处在刹车或急速减速行驶状态下，可利用超级电容瞬间充放电特性回收多余的制动能量，提高能量的利用率。

在整个复合电源系统中，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，由于两者都是能耗型器件，在驱动电机大功率需求以及大电流脉冲冲击下很容易产生过、欠压等现象，加上大功率双向DC/DC变换器存在器件容差以及非线性问题，很容易产生短路故障，DC/DC变换器性能失效，从而导致复合电源系统无法正常工作。建立完善的故障诊断机制能很好地抑制复合电源系统发生故障的影响，为纯电动汽车稳定安全行驶保驾护航。

2 故障诊断方法设计

2.1 UDS诊断协议

统一诊断服务协议是基于开发系统互联参考(Open System Interconnect，OSI)模型，是一种分层结构设计，其中包括物理层、数据链路层、网络层、会话层和应用层[8]。由文献[9]中可知，UDS协议诊断层级之间有诊断通讯功能、数据传输存储、故障码记录、数据管理以及上传下载功能。在应用层集中使用UDS诊断协议的相关服务，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)，制定复合电源系统的不同状态下故障码，与此同时，将相应的故障码匹配到对应的节点诊断协议中。UDS协议服务机制简化图如图2所示。

图2 UDS协议服务

UDS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传输，尤其是灵活处理多包报文数据的重构，而在多帧报文数据传输过程中，应用层不会干涉数据的解包与重组，维护会话功能的顺利进行[10]。UDS诊断协议具有良好的移植性，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，则可以通过分析响应的消息来判定当前系统的故障信息；如果得到的反向响应，则需要分析指令是否正确或者诊断的环境是否具备需要满足的条件。由图2可知，当制定好复合电源系统的故障码表时，通过指令就能读取不同节点下相应的故障信息，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不同的字节信息中可以获得更为具体的故障信息，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差过大的单体位置信息，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

复合电源系统的重要作用之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，制定完善的故障诊断策略尤为重要。但故障出现时，能够快速地将故障信息传输到整车控制器，由相应节点的控制单元或整车控制器做出决策，从而保证车辆行驶安全。复合电源系统主要由动力电池、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、绝缘性能过低以及断路等现象，需要将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、双端输入电压超出范围、电压校准失效等故障[13]，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，甚至无法实现能量转换，损坏复合电源相关器件。

当动力电池以及超级电容出现内部故障时，将通过采样功能准确定位到单体或模组的位置，出现外部故障时将故障信息传送至仪表，通过仪表显示故障码提醒，管理系统针对传输的故障信息进行甄别，严重的故障需要切断高压，保护复合电源系统。

当DC/DC变换器出现双端输入电压超出范围时，通过采样电阻判别是否超级电容或动力电池端出现短路，通过DC/DC变换器内部检测电路检测是否输入端出现断路情况，将这些故障信息整合成CAN报文上报管理系统，决策是否切断高压继电器，将故障码信息显示在仪表[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，匹配故障信息与节点故障状态，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)，超级电容单体过压(0x1BC0)，超级电容单体欠压(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变换校准失效(0xA1E2)，DC/DC变换器输入过压(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测试。为了验证基于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行负载变工况测试，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。复合电源系统测试平台[15]如图4所示。

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+CV模式下取不同的测试时间段T1、T2、T3，在大电流冲击时出现动力电池与超级电容过压、过温的情况下出现相应的故障码信息，随着测试的进行，出现单体电压压差超过设定的安全阈值，出现动力电池以及超级电容均衡故障信息；在满足电子负载不同功率需求的过程中，出现的欠压、绝缘状态故障信息也能够实时的展现。由此可见，基于UDS故障诊断协议的故障诊断方法能够实时准确的匹配复合电源系统出现的故障信息，满足了复合电源系统的故障诊断要求。

图5 CP+CV模式下DTC测试

图6 CR+CV模式下DTC测试

4 结 语

在对纯电动汽车复合电源系统结构进行分析的基础上，利用UDS诊断协议匹配复合电源系统多节点故障信息，制定相应的DTC故障码表。通过在搭建好的复合电源系统实验平台上对该故障诊断方法进行可靠性验证。验证过程中，采取负载变工况模式进行正向、反向故障诊断测试。测试结果表明，该故障诊断方法能很好地实现复合电源系统的故障诊断要求。

在复杂行驶工况下，本文提出的基于UDS诊断协议的故障诊断方法，具有全局匹配复合电源系统故障信息的优势，UDS诊断协议具有很强的移植性，将复合电源系统动力电池以及超级电容的容量均衡影响因素考虑进来，能够更加有效地提高复合电源系统的故障诊断效率和精确性。