便携式HEV动力电池故障诊断系统的设计*

肖 广 兵， 孙 宁， 陈 勇， 陈 宁

(1.南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

磷酸铁锂电池作为HEV的主要动力源之一，在使用过程中需要对其工作状态进行在线检测和快速故障诊断[1]。针对当前HEV动力电池故障诊断自动化程度低以及电池组管理困难的现状，设计了基于ZigBee无线传感网络的便携式HEV动力电池故障诊断系统。系统采用分布式网络结构对动力电池的电压、充放电电流、电池阻抗和电池组工作温度等参数进行在线检测。故障诊断信息通过无线传感网络发送给手持故障诊断终端、无线打印机和上位机进行存储和管理。相对于传统人工电池检测的管理方法，便携式HEV动力电池故障诊断系统实现了动力电池组状态信息的动态监测和快速故障诊断，以及电池数据信息的网络化传输，解决了传统车载动力电池管理系统布线的困难，具有成本低、易于安装、性能稳定等优点。

1 系统设计与工作原理

便携式HEV动力电池故障诊断系统由电池组高压检测模块、STM32F103VB主处理器、支持ZigBee协议栈的无线传感模块、触摸屏手持终端、无线打印机等组成，通过无线传感网络实现对HEV动力电池故障信息的在线检测与快速故障诊断。便携式HEV动力电池故障诊断系统的系统结构如图1所示。其中，每个电池组分别由10块磷酸铁锂电池组成。

当故障诊断系统对HEV动力电池进行在线检测诊断时，便携式终端通过STM32F103VB主处理器分别对每个电池组发送诊断指令。各电池组中的下位机在接收到诊断指令后分别检测每块电池的电压、充/放电电流、电池阻抗、电池组温度等信息，并将故障信息(电池编号、故障代码等)通过无线传感节点发送至故障诊断系统的便携式终端，由主处理器STM32F103VB对动力电池的数据信息进行分析处理、显示、存储和无线打印。

图1 动力电池故障诊断系统结构图

根据实际HEV动力电池可能出现的故障，对其故障码进行分类，如表1所示。

表1 HEV动力电池故障代码

2 硬件电路设计

2.1 高压隔离与采样

通常情况下，HEV动力电池由100块磷酸铁锂电池串联而成。电池组中各采样点具有较高的共模电压而相邻采样点之间的压差不大，因此必须对其进行高压隔离。在对HEV动力电池状态信息进行实时监测的过程中，既要解决前端采样电路与后端数据处理电路之间的共地问题，还要实现对HEV动力电池电压采样通路的高速开关控制。

HEV动力电池故障诊断系统采用日本松下AQW214S光耦继电器作为高压隔离器件，同时也作为电压采集系统的高速信号采样器件。AQW214S光耦继电器的隔离电压高达1 500 V，耐压值为400 V，连续负载电流为±130 mA，平均动作时间 0.3 ms，且具有较小的导通电阻和漏电流，满足诊断系统高压采样和隔离的设计要求。具体的高压隔离与采样开关电路如图2所示。

除此之外,下位机STM32F103VB内部还集成了12 bit的A/D转换器,对隔离后的电压信号进行模数转换，满足便携式HEV动力电池诊断系统的精度要求。

2.2 CC2530无线传感节点

便携式HEV动力电池故障诊断系统选用支持Zig-Bee协议栈的CC2530无线传输模块。CC2530是TI公司以C51为内核的ZigBee芯片,支持了国际通用的IEEE802.15.4标准以及ZigBee标准，提供了101 dB的链路质量，具有较高的接收灵敏度和较强的抗干扰性，同时具有较低的系统功耗、低成本、时延短、高容量、高安全性等特点[2]。

CC2530在无线数据传输方面表现出了良好的性能，但由于自身资源有限，在触摸屏控制(真彩液晶屏)、数据处理、海量存储等方面不能满足系统的要求[3]。因此，便携式HEV动力电池故障诊断系统选用了基于Cortex-M3内核的STM32F103VB主处理器来实现上述功能，与CC2530构成双处理器结构。

CC2530与ARM处理器 (手持终端中的主处理器、电池组中的下位机)之间采用串口通信,波特率设置为57 600 b/s，实现便携式终端、上位机以及下位机之间数据信息的无线收发，具体电路如图3所示。

图2 动力电池的光耦隔离

图3 无线传感节点CC2530

需要说明的是，与动力电池组下位机串联在一起的CC2530被设置为路由器，用于收发STM32F103VB主处理器与下位机之间的数据信息；与手持终端相连的CC2530则被设置为协调器，除了实现各个设备模块间的数据收发功能外，还用于控制整个无线传感网络节点的加入、删除与通信控制。

2.3 STM32F103VB主处理器

STM32F103VB是一款高性能、低功耗的32位ARM处理器。芯片集成了丰富的片上资源，支持1 μs的双12位A/D转换器、4 MB/s的USART,以及18 MB/s的SPI等。此外，处理器还在系统架构上进行了改进，支持单周期乘法、硬件除法和高效的Thumb2指令集。STM32F103VB时钟频率最高可达72 MHz，每秒可完成200万次的乘加运算。在待机模式下，消耗电流下降到2 μA，具有较低的系统功耗。

STM32F103VB主处理器及外围接口电路如图4所示。存储电路采用24C128，用于保存动力电池的故障记录及SOC值等。时钟芯片DS1302产生时间和日期，外接32.768 kHz的晶振用于提供精确的秒中断以实现对动力电池SOC值的计算和校正。

便携式HEV动力电池故障诊断系统采用3.7 V高性能锂电池供电，而系统各个电路模块均采用3.3 V供电。因此系统采用LM1117-3.3作为稳压模块。LM1117-3.3压差仅为0.18 V，即使锂电池电压下降到3.5 V，仍能提供3.3 V的稳定电压。此外，为了保证A/D转换的精度，系统选用TL431为A/D转换器提供精准的2.495 V参考电压，其误差不超过±0.4%。结构设计，因此在系统软件设计过程中，需要分别对协处理器CC2530和主处理器STM32F103VB进行编程。CC2530采用IAR Embedded Workbench平台进行开发，选用的 Z-Stack版本是ZS-tack-CC2530 -2.3.0 -1.4.0。STM32F103VB则选用 Keilfor ARM平台进行开发。

主处理器协同CC2530(协调器)负责诊断指令的发送、分析处理电池诊断信息，以及手持终端的显示、数据的分析、上传和无线打印等；下位机协同CC2530(路由功能)实现对电池组中各种参数的采集、监控和故障诊断，并通过无线传感网络接收来自主处理器的诊断指令并将诊断数据传送给上位机。具体的系统软件流程如图5所示。

3 软件设计

图4 STM32F103VB处理器及外围电路

便携式HEV动力电池故障诊断系统采用双处理器

图5 动力电池故障诊断系统软件流程图

上位机分析软件采用Visual Basic6.0软件开发设计，利用VB软件中的窗口控件实现界面主体的搭建。与诊断仪之间的数据通信则通过MSComm控件来实现，在上位机分析软件中，可直观地查看电池电压、温度、阻抗、充放电电流、SOC值以及故障代码等信息。

由于车载环境中存在较多的外界干扰，故障诊断系统需要对动力电池各个状态参数的测量数据进行滤波处理，去除偶然因素引起的波动或者由于采样器不稳定引起的脉动干扰。系统对各电池参数进行连续采样，通过滑动滤波对采样序列进行处理，以减小外界干扰引起的误差。最后将滤波后的数据发送到STM32F103VB主处理器上，由便携式终端将诊断数据传送至上位机进行分析、评估和打印。

4 实验结果分析

选用南京嘉远HEV动力电池(磷酸铁锂电池，10个电池组共100块)进行测试，以福禄克万用表的测量读数作为标准值[4-5]。使用HEV动力电池故障诊断系统对不同工况下磷酸铁锂动力电池的状态信息进行在线检测诊断，并与标准值进行比对。表2显示了某次实验过程中怠速状态下诊断系统3号电池组的读数以及故障代码。

从表2中数据及故障代码可以看出，第36号电池出现电压过低的现象。经排查，该故障是由于该电池质量不合格，长期充放电引起电池起鼓所致。此外，动力电池放电电流的误差主要是由于电流值偏小、对应霍尔传感器的非线性区造成的，可通过软件校正或选用其他线性度更好的电流传感器来替代。

表2 HEV动力电池诊断系统与标准值数据

结合HEV动力电池故障诊断和ZigBee无线通信技术，设计了基于无线传感网络的便携式HEV动力电池故障诊断系统。诊断系统采用STM32F103VB实现对HEV动力电池的在线检测诊断,选用CC2530模块对动力电池的状态信息进行实时传输，避免了在车辆上铺设通信线路的困难。便携式HEV动力电池故障诊断系统成本低，服务设施灵活，不受车载空间条件的限制，满足实时监测和远程数据通信的要求，可方便改进并推广到其他检测诊断系统中。

[1]郭佑民,胡广鹏,谢飞.机车蓄电池在线监测与地面分析系统[J].仪表技术与传感器，2012，23(8):51-54.

[2]唐慧强,咸爱国.基于无线传感器网络的手持式校准器[J].电子技术应用,2012,38(8):50-52.

[3]AKYILDIZ I F,SU W,SANKARASUBRAMANIAM Y.Wireless sensor networks:A Survey.Computer Networks，2002，38：393-341.

[4]刘玉珍，程政，蒋靖.基于 ZigBee的井下巷道瓦斯监测系统[J].仪表技术与传感器，2012，9(9):49-52.

[5]中国惠普.HP3458A 8 1/2位数字式万用表中的AD转换器[J].电子技术,2009(10):26-29.