汽車BCM的故障診斷設(shè)計及實現(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實驗室(山東 濟(jì)南 250014)2.山東省科學(xué)院自動化研究所(山東 濟(jì)南 250014)

*基金項目：山東省重點研發(fā)計劃(重大關(guān)鍵技術(shù))(編號：2016ZDJS03A04);山東省科學(xué)院創(chuàng)新工程專項《純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用》;山東省重點研發(fā)計劃(編號：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BCM的負(fù)載控制功能設(shè)計了一種電流反饋電路及過載、短路、開路故障診斷方法，能夠?qū)崟r監(jiān)測負(fù)載的工作電流，根據(jù)負(fù)載電流的變化情況及驅(qū)動方案選型，準(zhǔn)確判斷出是否發(fā)生過載故障、短路故障及開路故障，以正常啟動或關(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)生過載、短路故障時及時關(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)計車身控制模塊(BCM)時，需要根據(jù)負(fù)載的特性、功率等要求，選擇不同的驅(qū)動及故障診斷方案，一般選擇智能功率芯片或繼電器驅(qū)動車燈負(fù)載和電機(jī)負(fù)載。當(dāng)電子負(fù)載發(fā)生短路故障或過載故障時，如果沒有及時診斷出短路/過載故障并進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)，在負(fù)載保險絲熔斷前，驅(qū)動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)動電路的使用壽命，重則燒毀電路，引燃電路板、線束，甚至整臺汽車，造成重大的人員及財產(chǎn)損失。電子負(fù)載發(fā)生開路故障不會損壞電路板，但是無法完成指定的功能，會給汽車駕駛和使用過程帶來安全隱患^[1]。

　　車身電子負(fù)載啟動時，會產(chǎn)生較大的浪涌電流，一般為額定電流的5～10倍，經(jīng)過一段時間后，電流慢慢恢復(fù)到正常值，發(fā)生短路時，驅(qū)動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)智能功率芯片自動關(guān)斷保護(hù)后^[2]，電流下降為零，發(fā)生開路故障時，驅(qū)動電流也為零。本文根據(jù)智能功率芯片、繼電器這兩種方案的特點，以及負(fù)載啟動、正常工作、過載、短路及開路時的電流變化，設(shè)計了電流反饋電路及過載、短路、開路故障診斷方法，可以正確檢測出過載、短路及開路故障，并在過載、短路的情況下實施關(guān)斷保護(hù)。

1 方案設(shè)計

　　設(shè)計電路檢測電路，MCU通過ADC端口周期性采集取樣電壓，計算負(fù)載工作電流，根據(jù)額定工作電流和實際負(fù)載工作電流判斷是否發(fā)生開路故障或過載故障。同時，為了及時檢測出短路故障，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電路如圖1所示。智能功率芯片方案中的電流檢測和短路故障檢測電路與繼電器方案類似，在此不再贅述。

1.1 電流檢測

　　在圖1中，為了使取樣電阻基本上不影響該通道的驅(qū)動能力，Rs取值很小^[3]，為毫歐級，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ADC結(jié)果計算負(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)動某路負(fù)載時，電流反饋引腳輸出一個與負(fù)載工作電流成線性比例關(guān)系的小電流源^[4]，采集對其電阻取樣后的電壓值便可以計算出工作電流，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ADC結(jié)果計算負(fù)載電流的公式為：

　　I=(D*5)/(1024*R*K) 　(2)

1.2 短路檢測

　　在圖1中，通過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VCC的0.9倍時，比較器輸出高電平，低于VCC的0.9倍時，比較器輸出低電平。將比較器輸出連接至MCU的一個中斷觸發(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，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，MCU捕捉到上升沿中斷，檢測出短路故障并進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)。

2 負(fù)載故障診斷算法設(shè)計

　　當(dāng)滿足負(fù)載接通條件時，啟動負(fù)載并開啟一個周期定時器，周期性地采集負(fù)載的工作電流，關(guān)斷負(fù)載時，停止定時器并停止對負(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)過一段時間后，電流慢慢恢復(fù)到正常值，因此，在啟動期間檢測到的電流僅用于開路故障診斷，不用于過載故障診斷^[5]。

　　在周期性檢測期間，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，而且中斷引腳上沒有捕捉到過高電平，認(rèn)為出現(xiàn)開路故障，BCM存儲該路負(fù)載的開路故障。當(dāng)啟動時間結(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，而且中斷引腳上沒有捕捉到過高電平，認(rèn)為出現(xiàn)過載故障，BCM關(guān)斷負(fù)載并存儲該路負(fù)載的過載故障。算法流程如圖2所示。

3 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種BCM故障診斷方案，針對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，采用中斷方式及時檢測出短路故障并關(guān)斷負(fù)載，能夠保護(hù)BCM和汽車安全。同時，通過ADC端口進(jìn)行電流采集，通過IO口捕捉中斷，能夠區(qū)分開路故障、短路故障和過載故障，有利于故障排查和維護(hù)。另外，通過設(shè)置啟動時間，區(qū)分浪涌電流和過載電流，避免了誤判斷及誤動作。本方法應(yīng)用在為某車型設(shè)計的BCM中，具有較強(qiáng)的實用性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉靈歌,田海蘭.淺析汽車自燃事故成因及預(yù)防[J].汽車實用技術(shù),2015,(9):141-142.

　　[2]侯志成.一種新型智能功率模塊(IPM)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(3):171-175.

　　[3]宋麗華,戰(zhàn)穎,簡陽,等.一種用于大電流LED驅(qū)動的高側(cè)電流檢測電路[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,(4):592-595.

　　[4]王知學(xué),馬建輝,車曉波,等.基于MC9S12XS128的汽車BCM 的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程,2011,(3):190-192.

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

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