汽车BCM的故障诊断设计及实现

作者/ 马建辉^1,2 孙常青^1,2 郭坤^1,2   1.山东省汽车电子重点实验室(山东 济南 250014)2.山东省科学院自动化研究所(山东 济南 250014)

*基金项目：山东省重点研发计划(重大关键技术)(编号：2016ZDJS03A04);山东省科学院创新工程专项《纯电动汽车关键技术研究及产业化应用》;山东省重点研发计划(编号：2016GGC01023)

马建辉(1983-)，男，助理研究员，研究方向：嵌入式及汽车电子。

摘要：本文针对BCM的负载控制功能设计了一种电流反馈电路及过载、短路、开路故障诊断方法，能够实时监测负载的工作电流，根据负载电流的变化情况及驱动方案选型，准确判断出是否发生过载故障、短路故障及开路故障，以正常启动或关断负载，不仅能够实现既定的负载控制功能，还能够在发生过载、短路故障时及时关断保护。

引言

　　在汽车车身电子系统中，存在车灯、雨刮电机、车窗电机、后视镜电机、门锁电机等各种电子负载，在设计车身控制模块(BCM)时，需要根据负载的特性、功率等要求，选择不同的驱动及故障诊断方案，一般选择智能功率芯片或继电器驱动车灯负载和电机负载。当电子负载发生短路故障或过载故障时，如果没有及时诊断出短路/过载故障并进行关断保护，在负载保险丝熔断前，驱动电路将一直在很大的电流下工作，这将产生很大的热量，轻则降低功率驱动电路的使用寿命，重则烧毁电路，引燃电路板、线束，甚至整台汽车，造成重大的人员及财产损失。电子负载发生开路故障不会损坏电路板，但是无法完成指定的功能，会给汽车驾驶和使用过程带来安全隐患^[1]。

　　车身电子负载启动时，会产生较大的浪涌电流，一般为额定电流的5～10倍，经过一段时间后，电流慢慢恢复到正常值，发生短路时，驱动电路的电流迅速上升，一般为额定电流的15倍以上，持续的短路电流触发智能功率芯片自动关断保护后^[2]，电流下降为零，发生开路故障时，驱动电流也为零。本文根据智能功率芯片、继电器这两种方案的特点，以及负载启动、正常工作、过载、短路及开路时的电流变化，设计了电流反馈电路及过载、短路、开路故障诊断方法，可以正确检测出过载、短路及开路故障，并在过载、短路的情况下实施关断保护。

1 方案设计

　　设计电路检测电路，MCU通过ADC端口周期性采集取样电压，计算负载工作电流，根据额定工作电流和实际负载工作电流判断是否发生开路故障或过载故障。同时，为了及时检测出短路故障，采用中断方式捕捉短路故障。将ADC输入端口连接到比较器的输入端，比较器电路的输出与MCU的中断捕捉IO口相连，如果检测到上升沿中断，表示发生短路故障。继电器负载电流和短路故障检测电路如图1所示。智能功率芯片方案中的电流检测和短路故障检测电路与继电器方案类似，在此不再赘述。

1.1 电流检测

　　在图1中，为了使取样电阻基本上不影响该通道的驱动能力，Rs取值很小^[3]，为毫欧级，取样电压的放大倍数为(R1+R2)/R1，使得在额定工作电流下，送入ADC端口的电压值为ADC模块参考电压VCC的十五分之一左右。笔者所选MCU的ADC精度为10位，ADC的参考电压VCC为5V，假设负载工作电流为I，ADC的结果为D，通过ADC结果计算负载电流的公式为：

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

　　智能功率芯片正常驱动某路负载时，电流反馈引脚输出一个与负载工作电流成线性比例关系的小电流源^[4]，采集对其电阻取样后的电压值便可以计算出工作电流，假设负载工作电流为I，智能功率芯片的电流反馈系数为K，取样电阻为R，ADC的结果为D，通过ADC结果计算负载电流的公式为：

　　I=(D*5)/(1024*R*K) 　(2)

1.2 短路检测

　　在图1中，通过R5和R6分压产生比较器的阈值电压VT，VT设定为VCC的0.9倍，比较电压值超过VCC的0.9倍时，比较器输出高电平，低于VCC的0.9倍时，比较器输出低电平。将比较器输出连接至MCU的一个中断触发引脚。

　　正常工作情况下，比较器输入为VCC的十五分之一左右，小于阈值电压，比较器输出低电平。当发生短路故障时，负载电流迅速上升到正常工作电流的十五倍以上，比较器输入被钳位在VCC，大于阈值电压，比较器输出高电平，此时，MCU捕捉到上升沿中断，检测出短路故障并进行关断保护。

2 负载故障诊断算法设计

　　当满足负载接通条件时，启动负载并开启一个周期定时器，周期性地采集负载的工作电流，关断负载时，停止定时器并停止对负载工作电流的周期性采样。汽车负载从关断状态切换到接通状态后，有一定的浪涌时间，在浪涌期间，负载电流一般为额定电流的5~10倍，经过一段时间后，电流慢慢恢复到正常值，因此，在启动期间检测到的电流仅用于开路故障诊断，不用于过载故障诊断^[5]。

　　在周期性检测期间，如果中断引脚捕捉到上升沿，认为出现短路故障，BCM关断负载并存储该路负载的短路故障。如果ADC端口连续三次采集到的工作电流都基本为零，而且中断引脚上没有捕捉到过高电平，认为出现开路故障，BCM存储该路负载的开路故障。当启动时间结束后，连续三次采集到的工作电流都大于额定工作电流的2倍，而且中断引脚上没有捕捉到过高电平，认为出现过载故障，BCM关断负载并存储该路负载的过载故障。算法流程如图2所示。

3 结论

　　本文设计了一种BCM故障诊断方案，针对继电器和智能功率芯片控制的电机负载及车灯负载，采用中断方式及时检测出短路故障并关断负载，能够保护BCM和汽车安全。同时，通过ADC端口进行电流采集，通过IO口捕捉中断，能够区分开路故障、短路故障和过载故障，有利于故障排查和维护。另外，通过设置启动时间，区分浪涌电流和过载电流，避免了误判断及误动作。本方法应用在为某车型设计的BCM中，具有较强的实用性。

　　参考文献：

　　[1]刘灵歌,田海兰.浅析汽车自燃事故成因及预防[J].汽车实用技术,2015,(9):141-142.

　　[2]侯志成.一种新型智能功率模块(IPM)[J].现代电子技术,2011(3):171-175.

　　[3]宋丽华,战颖,简阳,等.一种用于大电流LED驱动的高侧电流检测电路[J].厦门大学学报(自然科学版),2016,(4):592-595.

　　[4]王知学,马建辉,车晓波,等.基于MC9S12XS128的汽车BCM 的设计与实现[J].电子设计工程,2011,(3):190-192.

　　[5]山东省科学院自动化研究所.一种汽车车身控制模块的故障诊断电路和方法:中国,201610972480.7 [P].2016-10-27.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第6期第43页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。