Intelligente Batteriediagnose für automobile Bordnetze

Das Bordnetz in modernen Fahrzeugen steckt in einer Zwickmühle: Höherer Komfort, die Elektrifizierung sicherheitsrelevanter Funktionen, der Umstieg auf Hybridfahrzeuge, mehr Fahrerassistenzsysteme und Infotainment erhöhen den Stromverbrauch, während gleichzeitig alle Welt den CO₂-Ausstoß senken will. Die immer anspruchsvolleren Anforderungen erhöhen das Risiko von Instabilitäten im Bordnetz und plötzlichen Spannungseinbrüchen. Der Ladezustand einer Autobatterie war aber schon immer ein unbekannter Faktor und ist für viele Autopannen verantwortlich. Je nach Alter des Autos können Batterie-bedingte Ausfallraten durchaus auf bis zu 10.000 ppm [1] hochschnellen.

Um die sich widersprechenden Anforderungen in den Griff zu bekommen, benötigt man ein intelligentes Energiemanagementsystem. Dieses muss gewährleisten, dass die Batterie für alle Betriebsszenarien genügend Energie für den Anlassvorgang bereitstellt und als passive Energiequelle genutzt werden kann, beispielsweise um intelligente Lichtmaschinen und Start-Stopp-Systeme zu unterstützen.

Bild 1: Typisches Bordnetz für 48 und 12 V mit dem Xtrinsic Batteriesensor MM9Z1J638 von Freescale.Freescale

Die Komplexität des Energiemanagementsystems hängt von der Bordnetzarchitektur ab, die im Falle eines konventionellen 12-V-Bordnetzes relativ einfach ausfallen kann, aber für ein  Mildhybrid-Fahrzeug mit zwei gleichzeitig vorhandenen Bordnetzen, beispielsweise einem für 48 V und einem zweiten für 12 V, schon ziemlich komplex wird. Bild 1 zeigt das Prinzip eines solchen Bordnetzes.

Verfügbare Energie

Unabhängig von Art und Komplexität der Topologie muss die Fahrzeugelektronik in allen Fällen die verfügbare Bordnetzenergie kennen. Die entsprechenden Algorithmen können sehr komplex sein, außerdem gilt es, Spannung, Strom und Temperatur der Batteriezellen immer wieder zu messen – und zwar schnell und sehr genau. Da die Algorithmen für das Energiemanagement typischerweise in einem zentralen Steuergerät (BCM oder Energy Management Controller) verarbeitet werden, muss die Kommunikation schnell ablaufen.

Zudem sind Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Um Plausibilitätsprüfungen zu ermöglichen, müssen redundante Messungen von Spannung, Strom und Temperatur durchgeführt werden. Die Automobilindustrie hat Anforderungen anhand des spezifischen Verhaltens von Bordnetzen definiert, aus denen spezifische Testfälle für die Autoelektronik abgeleitet wurden, beispielsweise [3][4].

Batteriesensor zur Bordnetz-Diagnostik

Lösungen, in denen herkömmliche intelligente Batteriesensoren zum Einsatz kommen, offerieren typischerweise nicht den benötigten Funktionsumfang für die effiziente Bewältigung der oben erwähnten Herausforderungen wie hohe Datenraten, eine große Anzahl von Messkanälen und intelligentes Leistungsmanagement. Aufgrund der benötigten externen Komponenten sind die Bauteilkosten für ein solches System zu hoch.

Bild 2: Vereinfachtes Blockschaltbild der Xtrinsic Batteriesensor-Familie MM9Z1J638 von Freescale.Freescale

Freescale hat daher eine spezielle, hoch integrierte Bausteinfamilie entwickelt, mit der sich die Kosten für solche Applikationen reduzieren lassen: die Xtrinsic Batteriesensor-Familie MM9Z1J638. Dabei handelt es sich um hochintegrierte Bausteine für die Batterieüberwachung. Bild 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild [2]. Die Bausteine der MM9Z1J638-Familie warten mit intelligenten Leistungsmanagement-, Präzisions-Mixed-Signal-Analog- und MCU-Funktionalität auf:

Strommessung: Ein 16-Bit-SD-ADC (der Ausgangswert ist ein vorzeichenbehafteter 24-Bit-Wert) arbeitet in Kombination mit einem PGA mit vier verschiedenen Verstärkungsfaktoren. Die Verstärkung des PGAs kann wahlweise durch den Anwender oder automatisch eingestellt werden. Der Anwender kann auswählen, welche Verstärkungsfaktoren im Rahmen der automatischen Auswahl genutzt werden. Das Wandlungsergebnis im Ausgangsregister besitzt einen festen LSB-Wert – unabhängig von der gewählten Verstärkung.

Spannungsmessung: Über einen Multiplexer können vier Kanäle mit integrierten Spannungsteilern (VSENSE0 bis VSENSE3) und fünf Kanäle ohne integrierte Teiler (PTB0 bis PTB4) für die Spannungsmessung durch einen 16-Bit-SD-ADC selektiert werden. Die PTB-Eingänge lassen sich mit einem anwenderspezifischen Widerstandsteiler beschalten und ermöglichen einen negativen Messbereich. Die VSENSE0- bis VSENSE2-Anschlüsse sind mit einer maximal zulässigen Spannung von -40 bis +42 V spezifiziert und arbeiten mit Messbereichen von 10 V, 16 V oder 28 V. VSENSE3 kann maximal Spannungen von -40 bis +62 V verkraften und ist für einen Betrieb bis zu 52 V ausgelegt. Die für die vorliegende Untersuchung eingesetzten Bausteine konnten sogar mit Spannungen bis zu 56 V arbeiten, wobei allerdings die Genauigkeit über 52 V sinkt.

Temperaturmessung: Dem 16-Bit-SD-ADC für die Temperaturmessung ist ein Multiplexer vorgeschaltet. Wahlweise können der interne Temperatursensor oder externe, an die Pins PTB0 bis PTB4 angeschlossene Temperatursensoren selektiert werden.

Powermanagement: Ein integrierter Spannungsregler, der mit einer Spannung zwischen 3,5 und 28 V betrieben werden kann, versorgt die MCU und kann bis zu 150 mA Strom bereitstellen, so dass er optional auch externe Komponenten wie ein CAN-Transceiver versorgt. Eine ganze Reihe intelligenter Betriebsarten, Weckquellen und andere Funktionen unterstützen einen effizienten Stromsparbetrieb.

Integrierter Mikrocontroller: Zum Einsatz kommt eine S12Z-CPU mit linearem Adressraum und 32-Bit-ALU, 128 KByte Flash, 4 KByte EEPROM, 8 KByte SRAM, jeweils mit ECC, einem PLL-Frequenz-Multiplizierer mit internem Filter, einem Pierce-Oszillator für 4,0…16 MHz mit einstellbarer Amplitude, einem internen 1,024-MHz-RC-Oszillator und bis zu 50 MHz Busfrequenz.

Kommunikation: Mehrere Kommunikationsoptionen stehen zur Verfügung: ein digitales CAN-Modul (msCAN), ein SCI-Modul (UART), ein integrierter LIN 2.1 PHY sowie ein SPI-Modul.

Wie als Beispiel in Bild 1 dargestellt, kann der MM9Z1J638 dank dieser Funktionen sowohl ein 12- als auch ein 48-V-Bordnetz schnell und effizient überwachen und die Ergebnisse per CAN-Protokoll rasch an den BCM/Energy Management Controller übermitteln.

Die folgenden Abschnitte beschreiben die gewählten Testfälle und die entsprechenden Ergebnisse.

Auswahl der Testfälle

Die in diesem Artikel dokumentierten experimentellen Ergebnisse basieren auf sechs Testfällen. Vier davon gehen auf [3] und [4] zurück, wurden für diesen Artikel aber leicht modifiziert. Die beiden anderen Testfälle zeigen typische BMS-Applikationsszenarien. Die Kombination dieser Testfälle kann nach Meinung der Autoren einen guten Eindruck über die Vorteile der CAN-basierten BMS-Lösung für die Bordnetzdiagnose von 12- und 48-V-Bordnetztopologien vermitteln.

Testfall 1: 12-V-Bordnetz – Schneller U_B-Anstieg von 0 V auf 12 V. Mit diesem Test soll die minimale Zeit bestimmt werden, die das BMS nach einem Power-On-Reset benötigt, bis die erste CAN-Nachricht mit den ersten Spannungswerten auf den CAN-Bus ausgegeben wird. Hier gibt es keine Verbindung zu einer Bordnetzspezifikation.

Testfall 2: 12-V-Bordnetz – Wecken von Bus-Knoten. Dieser Testfall basiert auf [3], 5.2.1.7.1 „Kurzes Ein-/Ausschalten von Bus-Knoten“. Mit diesem Testfall wird das Weckverhalten von Busknoten getestet.

Testfall 3: 12-V-Bordnetz – Langsamer Abfall, schneller Anstieg. Dieser Testfall basiert auf [3], 5.2.1.3.2 „Langsamer Abfall / schneller Anstieg von U_B“. Dieses Szenario beschreibt den Anschluss einer Starthilfe an eine leere Batterie.

Testfall 4: 48-V-Bordnetz – Langsamer Abfall, langsamer Anstieg für den Betrieb mit Energiespeicher. Dieses Testszenario basiert auf [4], E48-06 für den Betrieb mit einem Energiespeichersystem – Teil 2. Es simuliert den Anschluss des Generators an ein nicht verbundenes Speichersystem und danach den Anschluss des Speichersystems. Für diesen Test wird angenommen, dass der IBS vom 12-V-Bordnetz versorgt wird und zur Diagnose des 48-V-Bordnetzes benutzt wird.

Testfall 5: 48-V-Bordnetz – Energierückgewinnung. In diesem auf [4], E48-04, basierten Test wird der Spannungsverlauf während der Energierückgewinnung nachgestellt. Für diesen Test wird angenommen, dass der IBS vom 12-V-Bordnetz versorgt wird und zur Diagnose des 48-V-Bordnetzes benutzt wird.

Testfall 6: 12-V-Bordnetz – Anlassvorgang. Für diesen Test wurde das MM9Z1J638-System an eine Autobatterie angeschlossen, und Spannung und Strom während eines Anlassvorgangs wurden aufgezeichnet.

Bordnetz-Prüfstand

Bild 3: Prüfstand für Spannungsverläufe.Freescale

Für die sechs Testfälle muss man flexible Spannungsmuster mit Spannungen größer 50 V und daneben einen Anlassimpuls mit hohem Strom erzeugen. Daher werden zwei verschiedene Bordnetz-Prüfstände eingesetzt: Der erste Prüfstand ist für Spannungsverläufe gedacht und wurde für die Testfälle 1 bis 5 eingesetzt. Er besteht aus einem Funktionsgenerator, einem Leistungsverstärker, einem digitalen Vierkanal-Oszilloskop, einem MM9Z1J638 Evaluation-Board und einem CAN-PC-Interface, über das die CAN-Daten auf dem PC aufgezeichnet werden. Das Grundkonzept der Spannungsmessung ist in Bild 3 dargestellt. Mit der Kombination aus einem Arbiträr-Funktionsgenerator und einem Leistungsverstärker verfügt man über ein leistungsfähiges Instrument zur Erzeugung der benötigten Spannungsverläufe.

Das MM9Z1J638 Evaluation-Board besteht aus dem intelligenten Batteriesensor MM9Z1J638 [2], einem CAN-Transceiver [5], einem Quarzoszillator, den benötigten passiven Komponenten und einer ganzen Reihe von Steckverbindungen für die Messkanäle. In diesem Fall wurde VSENSE3 für die Spannungsmessung benutzt, weil der Messbereich dieses Anschlusses die Messung von 48-V-Bordnetztests ermöglicht. Um die Spannungsmesswerte so schnell wie möglich per CAN zu übertragen, kommt eine Kommunikationsgeschwindigkeit von 500 KBit/s zum Einsatz.

Eine PC-Schnittstelle zum Signalgenerator und zum CAN-Interface ermöglichen die umfassende Kontrolle des Prüfstands und eine automatische Analyse auf dem PC. Das Oszilloskop wurde für die Erfassung zusätzlicher Details herangezogen.

Prüfstand im Auto

Der zweite Prüfstand wurde für Testfall 6 eingesetzt. Hier kommt eine MM9Z1J638 APP-Board für die Messung von Batteriestrom und -spannung auf dem 12-V-Bordnetz in einem realen Testfahrzeug zum Einsatz, ein CAN-PC-Interface sorgt für die Weiterleitung der Sensordaten an den PC.

Das APP-Board besteht aus den gleichen Komponenten wie das Evaluation-Board, es wird aber über einen Shunt-Widerstand angeschlossen und ermöglicht daher eine präzise Strommessung am Minuspol der Batterie. Dieser Aufbau ähnelt daher dem finalen Anwendungsszenario des IBS im Fahrzeug. Das gleiche CAN-PC Interface wie im anderen Prüfstand wird benutzt.

Experimentelle Ergebnisse

Im folgenden Abschnitt werden die aus den sechs unterschiedlichen Testfällen gewonnenen Ergebnisse präsentiert. Die Prüfstände wurden an der Hochschule Coburg aufgebaut.

Der IBS misst mit der schnellsten verfügbaren Abtastrate (8 kHz), und eine typische Filterkonfiguration kommt zur Anwendung, die eine gute Balance zwischen Abtastgenauigkeit, Frequenzcharakteristik und Akquisitionszeit gewährleistet. Es wird angenommen, dass keine Verzögerungen auf dem CAN-Bus durch andere Nachrichten auftreten.

Bild 4: Zeit zwischen Einschalten und erster CAN-Message; Testfall 1.Freescale

Testfall 1: 12-V-Bordnetz – Unmittelbarer Anstieg V_SUP: In diesem Test werden das Verhalten des IBS nach einem Power-on-Reset und die Dauer der Initialisierungssequenz bis zur ersten CAN Message analysiert. Bild 4 zeigt den Test und die Ergebnisse. Die Bordnetzspannung U_B ist dargestellt, ebenso die Ausgangsspannung des Spannungsreglers V_DDX (für die Versorgung von CPU und CAN-Transceiver). Auch CAN_H und CAN_L sind dokumentiert.

Die Anstiegsflanke der Bordnetzspannung nimmt zirka 820 µs ein. Vom Durchlaufen der unteren Betriebsspannungsschwelle bei 3,5 V wurde eine Zeit von 3,65 ms gemessen, bis die erste gültige CAN-Nachricht auf dem Bus ausgegeben wird. Diese Zeitspanne wird hauptsächlich bestimmt durch die Anlaufzeit des Spannungsreglers, die Systeminitialisierung und zirka 1,6 ms für die Messwerterfassung, bis der erste Messwert von der Software ausgewertet werden kann. Aufgrund der Sigma-Delta-Architektur der A/D-Wandler muss eine vom Dezimationsfaktor und den konfigurierbaren integrierten digitalen Filtern abhängige Latenzzeit berücksichtigt werden. Durch eine Konfiguration der Filter auf die absolut minimale Latenzzeit kann man die Verzögerung weiter reduzieren.

Bild 5: Zeit zwischen Wecken und erster CAN-Message; Testfall 2.Freescale

Testfall 2: 12-V-Bordnetz – Wecken von Bus-Knoten. In diesem Testfall wird das Weckverhalten des IBS untersucht. Im Testaufbau befinden sich sowohl der MM91ZJ638 als auch der CAN-Transceiver im Standby-/Sleep-Modus. Nach der Triggerung des CAN-Transceiver-Wakeups durch CAN_H/CAN_L, stößt die Aktivität auf dem CAN-RX-Ausgang des Transceivers  den Weckvorgang für den MM9Z1J638 an. Eine fallende Flanke auf CAN RX wird durch den Anschluss PTB4 erfasst, wodurch die Weckfunktion implementiert wird.

Für diesen Test wird als Stromsparmodus für den MM9Z1J638 der Sleep-Modus gewählt. Diese Betriebsart gewährleistet die geringstmögliche Stromaufnahme (typisch 60 µA), bringt aber im Vergleich mit den anderen verfügbaren Low-Power-Modi eine etwas längere Anlaufzeit mit sich. Die Versorgungsspannung bleibt konstant bei 12 V. Bild 5 zeigt die gemessenen Testergebnisse. Der Ausgang des Spannungsreglers V_DDX (für die Versorgung von CPU und CAN-Transceiver) ist dargestellt, um die Wecksequenz der MCU zu zeigen. Wakeup-Input ist das CAN-RX-Signal, das mit Anschluss PTB4 verbunden ist. Auch CAN_H und CAN_L sind in der Abbildung enthalten.

Die gemessene Zeitdauer von der ersten Änderung des CAN_H/CAN_L-Spannungspegels, bis das erste Messergebnis auf den Bus gegeben wird, beträgt 3,54 ms. Diese Zeitspanne liegt leicht unter der Zeit für die Reaktion nach dem Einschalten (siehe Testfall 1), weil der MM9Z1J638 aus dem Sleep-Modus weniger Anlaufzeit benötigt. Die Zeitspanne für Spannungs- und Strommessung entspricht der in Testfall 1.

Bild 6: Zeit zwischen Einschalten und erster CAN-Message; Testfall 3.Freescale

Testfall 3: 12-V-Bordnetz – Langsamer Abfall, schneller Anstieg. Dieser Test zeigt das Verhalten des IBS für einen langsamen Abfall und einen schnellen Anstieg der Versorgungsspannung. Obwohl der Name des Tests einen schnellen Anstieg vermuten lässt, ist die Anstiegszeit von mehr als 100 ms für die Spannung für den IBS ziemlich langsam. Das Testergebnis ist in Bild 6 dargestellt. Die Bordnetzspannung U_B ist dargestellt, ebenso die Ausgangsspannung des Spannungsreglers V_DDX (für die Versorgung von CPU und CAN-Transceiver). Auch CAN_H und CAN_L sind dokumentiert.

Für diesen Test, der maßgeblich durch die Anstiegszeit der Versorgungsspannung bestimmt wird, wurde eine Zeitspanne von 23,2 ms gemessen. Die linke Markierung in Bild 6 kennzeichnet den Zeitpunkt, wenn im MM9Z1J638 ein Power-on-Reset ausgelöst wird, weil die Versorgungsspannung die 3,2-V-Linie überschreitet. Dies ist der untere Spannungspegel für den Reset der 5-V-Versorgung. Nach dem Anlauf von V_DDX wird der Power-on-Reset-Vektor ausgelesen, die CPU arbeitet ihre Startroutinen ab, und die Spannungsmessungen werden durchgeführt. Jedoch kann die erste CAN-Nachricht erst dann auf den Bus gegeben werden, wenn V_DDX 4,06 V durchläuft – dies ist die Mindestbetriebsspannung für den CAN-Transceiver in diesem Prüfstand.

Bild 7: Per CAN übertragene Spannungswerte des Testsignals; testfall 4.Freescale

Testfall 4: 48-V-Bordnetz – Langsamer Abfall, langsamer Anstieg für Betrieb mit Energiespeicher. Dieser Testfall simuliert den Anschluss des Generators an ein nicht verbundenes Speichersystem und danach den Anschluss des Speichersystems. Das Diagnosesystem (zum Beispiel der IBS) muss in der Lage sein, die Frequenz der Versorgungsspannung zu erfassen und muss die gemessenen Spannungen und etwaige Fehlermeldungen sehr schnell senden können. Für diesen Test wird angenommen, dass der IBS vom 12-V-Bordnetz versorgt wird und zur Diagnose des 48-V-Bordnetzes benutzt wird.

Für den Test wurden die Verläufe der erzeugten Betriebsspannung gemessen und per CAN an den PC übertragen. Die empfangenen Spannungswerte sind in Bild 7 aufgetragen. Dank der hohen Messfrequenz (8 kHz) und der CAN-Datenrate von 500 KBit/s kann eine CAN-Message mit einem neuen Spannungswert alle 125 µs gesendet werden, wobei die CAN-Datenrate nicht den limitierenden Faktor darstellt.

Bild 8: Per CAN übertragene Spannungswerte des Testsignals; Testfall 5.Freescale

Testfall 5: 48-V-Bordnetz – Energierückgewinnung. Dieser Test simuliert den Spannungsverlauf während der Energierückgewinnung. Die Bordnetzspannung steigt bis zu 54 V, die aber vom MM9Z1J638 noch direkt, also ohne externe Spannungsteiler, gemessen werden kann. Für diesen Test wird angenommen, dass der IBS vom 12-V-Bordnetz versorgt wird und zur Diagnose des 48-V-Bordnetzes genutzt wird. Der Plot der per CAN empfangenen Spannungswerte ist in Bild 8 aufgetragen.

Die Anstiegs- und Abfallzeit zwischen den zwei Spannungen im Test wurde von 100 ms auf 2 ms reduziert. Damit wurde demonstriert, dass der IBS steigende und fallende Flanken auch dieses Testsignals noch messen und übertragen kann. Wiederum ist die Übertragungsgeschwindigkeit auf dem CAN-Bus nicht der limitierende Faktor. Die kritische Zeit für die Erkennung gefährlicher Zustände oder Ausfälle wird daher von der Abtastgeschwindigkeit des IBS bestimmt.

Bild 9: Per CAN übertragene Spannungs- und Stromwerte des Testsignals; Testfall 6.Freescale

Testfall 6: 12-V-Bordnetz – Anlassvorgang. Der letzte Test ist ein Anlassimpuls, der in einem Fahrzeug gemessen wird, wie das auch in der typischen 12-V-Batteriemanagement-Applikation geschieht. Die Strom- und Spannungswerte werden so schnell wie möglich per CAN übertragen. Bild 9 zeigt die per CAN empfangenen Messwerte für Spannung und Strom als Plot.

Wie in den vorangegangenen Testfällen erlaubt die CAN-Datenrate die Erfassung gefährlicher Zustände oder Ausfälle, wobei die maximale Verzögerung wiederum von der Abtastgeschwindigkeit des IBS bestimmt wird.

Zusammenfassung

Dieser Artikel zeigt, wie der MM9Z1J638 Bordnetze mit 12 V und 48 V schnell und effizient überwacht und die Ergebnisse per CAN-Protokoll rasch an das BCM- oder Energiemanagement-Steuergerät weiterleitet. Die maximale Latenzzeit für das Senden von CAN-Nachrichten mit Diagnosedaten wurde für die wichtigsten Betriebszustände des IBS (Power-down/Power-on-Reset, Low-Power-/Sleep-Modus und Normalbetrieb) experimentell ermittelt. Obwohl die meisten in diesem Artikel beschriebenen Tests spannungsbasiert erfolgten, korrelieren die Ergebnisse mit den entsprechenden strombasierten Messungen, weil sich die Kanäle zur Spannungs- und Strommessung symmetrisch und absolut synchron (innerhalb 2 µs) verhalten und weil wegen der automatischen Verstärkungsregelung auf dem Stromkanal keine Verzerrung zu erwarten ist.

Wie in Testfall 6 dokumentiert, bietet die Kommunikationsbandbreite ausreichende Reserven, um Spannungs- und Stromwerte auf beiden Kanälen gleichzeitig mit der höchsten Abtastrate von 8 kHz zu übertragen.

(lei)