用于电池管理系统开发、标定和测试的故障模拟系统 【技术领域】
用于电池管理系统开发、标定和测试的故障模拟系统涉及电池管理系统的故障监测技术领域。
背景技术
目前OBD-II标准已经广泛应用于传统内燃机车辆上。车载OBD-II系统对内燃机电控系统的各个传感器、执行器和子系统都要进行故障诊断。诊断对象和可能出现的故障种类都很多。无论在电控系统的开发过程或者实际生产过程中，需要对所开发的故障诊断功能在线调试与验证。而实物在环测试，会增加测试成本，同时给设备的制造、使用和维护带来不便。因此，故障模拟装置得以应用，它可以模拟内燃机电控系统中大部分故障，加快了故障诊断功能的开发和生产。
另一方面，随着电动汽车的发展，车载控制系统日趋复杂，电控单元数目众多，使得分布式的控制网络和故障诊断网络应运而生。电池管理系统用于实时监测动力电池的参数，保证其安全高效的使用，是电动车辆控制网络的一个重要单元。当前，电池管理系统的开发水平与内燃机电控系统相比还存在一定的距离，在故障诊断方面缺乏一种与之相适的故障模拟装置，因而在开发研制电池管理系统的故障诊断功能时存在成本高、不方便等缺点。本发明针对此提出了一种适用于电池管理系统的故障模拟系统。
该系统针对电池系统以及电池管理系统中可能出现的故障进行模拟，且可以通过上位机编程控制，灵活多样，对于电池管理系统的OBD-II功能的开发、标定和测试具有重要作用；该系统也可用于电池管理系统其他功能的开发和测试。
【发明内容】
本发明基于当前尚无一种针对电池管理系统的故障模拟系统的情况，提出了一个解决方案。该故障模拟系统根据电池管理系统的故障诊断功能，可以模拟产生系统传感器、执行器、以及电气连接的各种故障以及正常值，而且实现可配置、可扩展，具有便于操作、便于观测等优点。
本发明的特征在于，含有：
上位机控制系统，通过CAN总线与故障控制单元连接，将用户需要的故障信息输出到故障控制单元；与电池管理系统通过CAN总线连接，读取电池管理系统的故障码。
故障控制单元，输入端通过CAN总线与上位机控制系统相连，输出端与故障发生单元的控制信号输入端相连；
故障发生单元，控制信号输入端与故障控制单元的控制指令输出端相连，产生的故障信号与电池管理系统的相应端口连接。
所述故障发生单元含有模拟信号发生单元、数字信号发生单元和脉冲信号发生单元。
所述模拟信号发生单元产生的信号有对地短路信号、对电源短路信号、瞬时扰动信号和正常输出信号，所述信号之间的切换由三个光电耦合器或继电器级联进行切换；所述正常输出信号是通过DAC产生，或通过单片机输出PWM波，并将PWM波进行低通滤波产生；所述对电源短路故障是通过将信号发生端与电源电压连接实现；对地短路故障是通过将信号发生端与地线连接实现；瞬时扰动故障通过将正常输出与地或电源间快速切换实现。
所述脉冲信号发生单元是将单片机输出的脉冲信号利用光藕元件进行信号调理得到脉冲信号。
所述故障控制单元含有XC167单片机最小系统、电源模块、IO扩展模块和故障发生单元接口；所述XC167单片机最小系统通过内置的CAN模块，与上位机控制系统连接；通过IO扩展模块将故障发生指令输出到故障发生单元的控制信号输入端。
试验证明，本发明可以模拟产生电池管理系统的传感器、执行器、以及电气连接的各种故障以及正常值，而且实现可配置、可扩展，具有便于操作、便于观测等优点。
【附图说明】
图1是故障模拟系统的结构示意图；
图3是上位机系统的“故障工况”示意图；
图4是故障控制单元结构示意图；
图5是故障发生单元结构示意图；
图6是模拟信号状态生成示意图。
【具体实施方式】
本发明所述的故障模拟系统包括：人机交互式上位机系统(1)，故障控制单元(2)，可扩展的故障发生单元(3)。人机交互式上位机系统(1)为终端输入系统，用户根据使用需要可以同时产生多路故障或正常信号，完全模拟电池管理系统正常工作时的状态。上位机与故障控制单元(2)通过CAN总线连接通讯，将用户输入的指令转换为单片机控制指令，再将这些指令发送给由故障控制单元直接控制的故障发生单元(3)。故障发生单元(3)与电池管理系统信号输入端和故障发生单元的控制指令输出端相连。另外上位机系统(1)还可以与待检测的电池管理系统进行CAN通讯，不必采用外部诊断工具而可以直接得到其故障诊断结果。
下面结合附图对故障模拟系统进行示例性的说明，并不对本发明和它的应用或使用进行限制。
图1所示为故障模拟系统总体的结构示意图，上位机控制系统(1)通过CAN总线分别与故障控制单元(2)和电池管理系统相连。故障控制单元(2)与故障发生单元(3)通过排针连接，故障发生单元(3)与电池管理系统相连，为其提供所有的输入信号。
上位机软件采用Labview编写，具有良好的用户界面，界面示意图如图2所示。界面分为四个区域，一是正常信号生成区，二是故障生成区，三是结果观测区，四是故障工况区。电池管理系统故障诊断的输入输出信号可以粗略分为模拟量、数字量以及脉冲量，而故障类型则可分为连接松动、对地/蓄电池短路、针脚对针脚的故障、电缆断开、漏电等。界面中每个信号都能选择设置为正常值或故障值，当选择了为某信号设置正常值时，系统自动将该信号的故障输出禁止，反之亦然，由此可避免误操作而造成的输出错误。而根据不同的信号类型只能选择与之相适的故障类型。
上位机系统(1)还可以通过编程实现“故障工况”，即随着时间推移，系统按照预定值更改故障发生水平，可以实现对电池管理系统更为全面而准确的测评。图3是一个“故障工况”的示意图。在初始时产生“连接错误”，30秒后消除，1分钟后产生“总线电压过高”错误，5秒后消除，第2分钟出现“电池单体电压信号瞬时扰动”，即每10毫秒出现一次高于5V地电压脉冲，持续500毫秒，用于检测OBD-II系统的防抖能力。第3分钟出现“温度信号对地短路故障”……。故障工况可以根据电池管理系统的OBD-II功能进行设计，这是在对各种故障单一测试后对系统故障检测功能的综合能力更为全面的测试。上位机系统(1)配有CAN通讯模块，可以将用户输入的指令转换为报文的形式通过CAN总线发送给故障控制单元，故障控制单元(2)再将CAN报文转换为相应的单片机指令来对IO口进行编程操作。上位机系统(1)还可以与电池管理系统进行CAN通讯，按照OBD-II标准读取相应的故障码，以此检测故障诊断情况。
如图4所示，故障控制单元(2)由XC167单片机最小系统(4)、电源模块(5)、IO扩展模块(6)、故障发生单元接口(7)组成。其中XC167单片机内置双CAN模块，可以作为网桥使用。由于单片机IO口有限，因此采用了EEprom作为扩展，大大增加了故障生成信号的容量。同时故障控制单元(2)设计成可外接最多4个故障发生电路(3)的形式，因而也可用于对多个系统同步测试，加快了测试过程，节约了时间成本，适合于产品生产中的性能测试。由于故障发生单元(3)不自带电源，因而故障控制单元(2)上的电源模块(5)应具有较大的负载能力。故障模拟系统采用24V外接电源，电源模块(5)转换为12V、5V、3.3V等供各部分电路使用。在接受到了CAN报文指令后，故障控制单元通过IO输出，控制故障发生单元(3)产生期望的信号。
图5所示为故障发生单元(3)结构示意图，由模拟信号单元(8)、数字信号单元(9)、脉冲信号单元(10)组成。模拟信号单元(8)产生的信号有对地短路，对电源短路，瞬时扰动，正常输出等状态。模拟量的正常输出可以采用两种方式，一是采用DAC，用于精度要求较高、控制较为准确的场合，二是通过单片机输出PWM波，在信号生成电路上设计有源低通滤波器实现，这样的优点是控制简单，成本低。本发明不对此处进行限制。状态的生成和切换由光电耦合器或继电器级联进行开关逻辑控制。控制方式如图6所示。每一路模拟信号的四种状态由三个开关选择切换。模拟信号的正常范围在0~5V。数字信号与模拟信号基本相同，只是正常输出只有0V和5V两个量。脉冲信号单元是将单片机输出的脉冲信号利用光藕元件进行信号调理进行输出。为了更为准确的进行控制，故障控制单元(2)对模拟量输出的控制除了调节PWM波的占空比外，还将信号采集回来进行AD转换，与预期的输出值进行比较，若不同则将两者的差值引至输出端，通过PID控制来消除输出的偏差。对电源短路的故障，通过将输入端与电源电压连接实现；对地短路以及开路的情况，通过将输入端与地线连接实现；瞬时扰动的故障，通过在正常输出和地或者电源间快速切换实现；连接松动的故障，可以将产生瞬时扰动故障的方法连续使用得到，而且可以通过编程控制松动的频率。
故障模拟系统除了可以用于电池管理系统故障诊断功能的开发、标定和测试外，它所生成的信号的一部分可以当作电池管理系统的输入来使用。比如电池单体电压传感器的信号既能反映传感器的工作状态，也可以在非故障状态时当作电池单体的实际电压来使用。故障模拟系统除了反映传感器、执行器、连接件的工作状况以外，还可以全面模拟电池箱的正常输出，这样就给电池管理系统的软硬件开发和测试提供了一个得力的工具，这也是该故障模拟系统的另一个重要作用。