汽車BCM的故障診斷設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

作者/ 馬建輝^1,2 孫常青^1,2 郭坤^1,2   1.山東省汽車電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東 濟(jì)南 250014)2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所(山東 濟(jì)南 250014)

*基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(重大關(guān)鍵技術(shù))(編號(hào)：2016ZDJS03A04);山東省科學(xué)院創(chuàng)新工程專項(xiàng)《純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用》;山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號(hào)：2016GGC01023)

馬建輝(1983-)，男，助理研究員，研究方向：嵌入式及汽車電子。

摘要：本文針對(duì)BCM的負(fù)載控制功能設(shè)計(jì)了一種電流反饋電路及過(guò)載、短路、開(kāi)路故障診斷方法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載的工作電流，根據(jù)負(fù)載電流的變化情況及驅(qū)動(dòng)方案選型，準(zhǔn)確判斷出是否發(fā)生過(guò)載故障、短路故障及開(kāi)路故障，以正常啟動(dòng)或關(guān)斷負(fù)載，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)既定的負(fù)載控制功能，還能夠在發(fā)生過(guò)載、短路故障時(shí)及時(shí)關(guān)斷保護(hù)。

引言

　　在汽車車身電子系統(tǒng)中，存在車燈、雨刮電機(jī)、車窗電機(jī)、后視鏡電機(jī)、門鎖電機(jī)等各種電子負(fù)載，在設(shè)計(jì)車身控制模塊(BCM)時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載的特性、功率等要求，選擇不同的驅(qū)動(dòng)及故障診斷方案，一般選擇智能功率芯片或繼電器驅(qū)動(dòng)車燈負(fù)載和電機(jī)負(fù)載。當(dāng)電子負(fù)載發(fā)生短路故障或過(guò)載故障時(shí)，如果沒(méi)有及時(shí)診斷出短路/過(guò)載故障并進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)，在負(fù)載保險(xiǎn)絲熔斷前，驅(qū)動(dòng)電路將一直在很大的電流下工作，這將產(chǎn)生很大的熱量，輕則降低功率驅(qū)動(dòng)電路的使用壽命，重則燒毀電路，引燃電路板、線束，甚至整臺(tái)汽車，造成重大的人員及財(cái)產(chǎn)損失。電子負(fù)載發(fā)生開(kāi)路故障不會(huì)損壞電路板，但是無(wú)法完成指定的功能，會(huì)給汽車駕駛和使用過(guò)程帶來(lái)安全隱患^[1]。

　　車身電子負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，一般為額定電流的5～10倍，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電流慢慢恢復(fù)到正常值，發(fā)生短路時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的電流迅速上升，一般為額定電流的15倍以上，持續(xù)的短路電流觸發(fā)智能功率芯片自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)后^[2]，電流下降為零，發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流也為零。本文根據(jù)智能功率芯片、繼電器這兩種方案的特點(diǎn)，以及負(fù)載啟動(dòng)、正常工作、過(guò)載、短路及開(kāi)路時(shí)的電流變化，設(shè)計(jì)了電流反饋電路及過(guò)載、短路、開(kāi)路故障診斷方法，可以正確檢測(cè)出過(guò)載、短路及開(kāi)路故障，并在過(guò)載、短路的情況下實(shí)施關(guān)斷保護(hù)。

1 方案設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)電路檢測(cè)電路，MCU通過(guò)ADC端口周期性采集取樣電壓，計(jì)算負(fù)載工作電流，根據(jù)額定工作電流和實(shí)際負(fù)載工作電流判斷是否發(fā)生開(kāi)路故障或過(guò)載故障。同時(shí)，為了及時(shí)檢測(cè)出短路故障，采用中斷方式捕捉短路故障。將ADC輸入端口連接到比較器的輸入端，比較器電路的輸出與MCU的中斷捕捉IO口相連，如果檢測(cè)到上升沿中斷，表示發(fā)生短路故障。繼電器負(fù)載電流和短路故障檢測(cè)電路如圖1所示。智能功率芯片方案中的電流檢測(cè)和短路故障檢測(cè)電路與繼電器方案類似，在此不再贅述。

1.1 電流檢測(cè)

　　在圖1中，為了使取樣電阻基本上不影響該通道的驅(qū)動(dòng)能力，Rs取值很小^[3]，為毫歐級(jí)，取樣電壓的放大倍數(shù)為(R1+R2)/R1，使得在額定工作電流下，送入ADC端口的電壓值為ADC模塊參考電壓VCC的十五分之一左右。筆者所選MCU的ADC精度為10位，ADC的參考電壓VCC為5V，假設(shè)負(fù)載工作電流為I，ADC的結(jié)果為D，通過(guò)ADC結(jié)果計(jì)算負(fù)載電流的公式為：

　　I=(D*5*R1)/(1024*Rs*(R1+R2)) 　　　　　　　　(1)

　　智能功率芯片正常驅(qū)動(dòng)某路負(fù)載時(shí)，電流反饋引腳輸出一個(gè)與負(fù)載工作電流成線性比例關(guān)系的小電流源^[4]，采集對(duì)其電阻取樣后的電壓值便可以計(jì)算出工作電流，假設(shè)負(fù)載工作電流為I，智能功率芯片的電流反饋系數(shù)為K，取樣電阻為R，ADC的結(jié)果為D，通過(guò)ADC結(jié)果計(jì)算負(fù)載電流的公式為：

　　I=(D*5)/(1024*R*K) 　(2)

1.2 短路檢測(cè)

　　在圖1中，通過(guò)R5和R6分壓產(chǎn)生比較器的閾值電壓VT，VT設(shè)定為VCC的0.9倍，比較電壓值超過(guò)VCC的0.9倍時(shí)，比較器輸出高電平，低于VCC的0.9倍時(shí)，比較器輸出低電平。將比較器輸出連接至MCU的一個(gè)中斷觸發(fā)引腳。

　　正常工作情況下，比較器輸入為VCC的十五分之一左右，小于閾值電壓，比較器輸出低電平。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，負(fù)載電流迅速上升到正常工作電流的十五倍以上，比較器輸入被鉗位在VCC，大于閾值電壓，比較器輸出高電平，此時(shí)，MCU捕捉到上升沿中斷，檢測(cè)出短路故障并進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)。

2 負(fù)載故障診斷算法設(shè)計(jì)

　　當(dāng)滿足負(fù)載接通條件時(shí)，啟動(dòng)負(fù)載并開(kāi)啟一個(gè)周期定時(shí)器，周期性地采集負(fù)載的工作電流，關(guān)斷負(fù)載時(shí)，停止定時(shí)器并停止對(duì)負(fù)載工作電流的周期性采樣。汽車負(fù)載從關(guān)斷狀態(tài)切換到接通狀態(tài)后，有一定的浪涌時(shí)間，在浪涌期間，負(fù)載電流一般為額定電流的5~10倍，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電流慢慢恢復(fù)到正常值，因此，在啟動(dòng)期間檢測(cè)到的電流僅用于開(kāi)路故障診斷，不用于過(guò)載故障診斷^[5]。

　　在周期性檢測(cè)期間，如果中斷引腳捕捉到上升沿，認(rèn)為出現(xiàn)短路故障，BCM關(guān)斷負(fù)載并存儲(chǔ)該路負(fù)載的短路故障。如果ADC端口連續(xù)三次采集到的工作電流都基本為零，而且中斷引腳上沒(méi)有捕捉到過(guò)高電平，認(rèn)為出現(xiàn)開(kāi)路故障，BCM存儲(chǔ)該路負(fù)載的開(kāi)路故障。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間結(jié)束后，連續(xù)三次采集到的工作電流都大于額定工作電流的2倍，而且中斷引腳上沒(méi)有捕捉到過(guò)高電平，認(rèn)為出現(xiàn)過(guò)載故障，BCM關(guān)斷負(fù)載并存儲(chǔ)該路負(fù)載的過(guò)載故障。算法流程如圖2所示。

3 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種BCM故障診斷方案，針對(duì)繼電器和智能功率芯片控制的電機(jī)負(fù)載及車燈負(fù)載，采用中斷方式及時(shí)檢測(cè)出短路故障并關(guān)斷負(fù)載，能夠保護(hù)BCM和汽車安全。同時(shí)，通過(guò)ADC端口進(jìn)行電流采集，通過(guò)IO口捕捉中斷，能夠區(qū)分開(kāi)路故障、短路故障和過(guò)載故障，有利于故障排查和維護(hù)。另外，通過(guò)設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，區(qū)分浪涌電流和過(guò)載電流，避免了誤判斷及誤動(dòng)作。本方法應(yīng)用在為某車型設(shè)計(jì)的BCM中，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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　　[5]山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所.一種汽車車身控制模塊的故障診斷電路和方法:中國(guó),201610972480.7 [P].2016-10-27.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第43頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。