CAN-Diagnose von Prius Hybridbatterien

Willkommen / Welcome
Aktuelle Forschungsergebnisse
zur Hybridbatterie
Present hybrid battery research
results
05.12.2011
Alexander Nagel
Joachim Kleylein-Feuerstein
Fraunhofer Projektgruppe Prozessinnovation
Universität Bayreuth
Folie 1
Forschungsprojekt: Automotive Battery Remanufacturing
Hybrid-BatterieTechnologie des
Toyota Prius
Untersuchung des Fehlerverhaltens / Error detection inspection
Alexander Nagel
Joachim Kleylein-Feuerstein
Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation
an der Universität Bayreuth
Gliederung
1. Vors tellung des Tes tfahrzeugs Prius NHW 20 / Tes t v ehicle
2. Kom ponenten des Batteries y s tem s / Battery com ponents
3. Unters uchung des Verhaltens der Hy bridbatterie / Ins pection
4. CAN Bus Analy s e / CAN Bus analy zing
5. Zus am m enfas s ung / S um m ary
2
Daten und Fakten zu den Modellen des Toyota Prius / Data and facts
Generation
identification
from:
till:
Name of hybrid system
NHW 10 *
December
1997
End 2000
THS
NHW 11
End 2000
End 2003
THS
II
NHW 20
2003/2004
Start of 2009
HSD
III
ZVW 30
May 2009
-
HSD
I
*: only available in japan
THS = Toyota Hybrid System
HSD = Hybrid Synergy Drive
3
Daten und Fakten zu den Modellen des Toyota Prius
NHW 10
NHW 11
1997
2000
*: ins pected v ehicle
NHW 20 *
2003/2004
4
ZVW 30
2009
Vorstellung des Testfahrzeugs Prius NHW 20

Typ:
Toyota Prius NHW 20

Erstzulassung:
11/2004

Leistung:
57 kW, 78PS (Verbrennungsmotor) / Combustion engine

Hubraum:
1497cm³

Battery:
NiMH (210 V, 6500 mAh)
5
Gliederung
1. Vors tellung des Tes tfahrzeugs Prius NHW 20 / Tes t v ehicle
2. Kom ponenten des Batteries y s tem s / Battery com ponents
3. Unters uchung des Verhaltens der Hy bridbatterie / Ins pection
4. CAN Bus Analy s e / CAN Bus analy zing
5. Zus am m enfas s ung / S um m ary
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Komponenten des Hybridbatterie-Systems (Übersicht) / Components
7
◄ Batterieeinheit ohne Abdeckung / Battery unit without covering
Batterieeinheit mit Abdeckung /
Battery unit with covering ►
Komponenten des Hybridbatterie-Systems (Detail) / Components Detail
Thermoelement /
Thermocouple
Batteriezellen / Battery cell
Steuergerät / Control unit
Entgasung / Degassing
Anschluss Thermoelemente /
Connector thermocouples
Kontaktleiste
Reihenschaltung / Contact
strip series connection
Überwachung Batteriemodule
/ Monitoring battery modules
Strommessung / Current
measurement
Relais / Relay
8
Schaltplan: Prius im Ruhezustand / Passive state
Hauptrelais 2 /
Main relay 2
Hauptrelais 1 /
Main relay 1
Widerstand
/ Resistance
Kabelstrang zum
Inverter / cable to
HV- Batteriepack /
inverter
High voltage battery
pack
Service
Disconnect
Hauptrelais 3 /
Main relay 3
9
Schaltplan: Prius beim Einschalten der Zündung / Switch on ingition
Hauptrelais 2
Hauptrelais 1
Service
Disconnect
HVBatteriepack
Hauptrelais 3
Widerstand
Kabelstrang
zum Inverter
10
Schaltplan: Prius im Betriebsbereiten Zustand / Ready-to-operate
Hauptrelais 2
Hauptrelais 1
Service
Disconnect
HVBatteriepack
Hauptrelais 3
Widerstand
Kabelstrang
zum Inverter
11
Schaltplan: Prius bei entferntem Wartungsstecker / Service Disconnect
Hauptrelais 2
Hauptrelais 1
Service
Disconnect
HVBatteriepack
Hauptrelais 3
Widerstand
Kabelstrang
zum Inverter
12
Gliederung
1. Vors tellung des Tes tfahrzeugs Prius NHW 20 / Tes t v ehicle
2. Kom ponenten des Batteries y s tem s / Battery com ponents
3. Unters uchung des Verhaltens der Hy bridbatterie / Ins pection
4. CAN Bus Analy s e / CAN Bus analy zing
5. Zus am m enfas s ung / S um m ary
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Untersuchung des Verhaltens der Hybridbatterie / Analyse behaviour
1.
Entfernen der Thermoelemente / Remove thermocouples
2.
Entfernen der Thermoelemente und des Lüfters / Remove fan
3.
Entladung von 2 Batteriemodulen / Discharge battery modules
4.
Unterbrechung der Batteriemodulüberwachung / Interrupt battery monitoring
•
1 Batteriemodul / 1 battery module …
•
2 Batteriemodule
•
3 Batteriemodule
5.
Entfernen der kompletten Batterieeinheit / Remove whole battery unit
6.
Tauschen der kompletten Batterieeinheit / Swap whole battery unit
14
Versuch 1: Entfernen der Thermoelemente / Removing the thermocouples
 Simulation defekter Thermoelemente /
simulation of faulty thermocouples
 Es wurden alle 4 Thermoelemente gleichzeitig
vom Steuergerät getrennt / Disconnection of all 4
thermocouples
Ergebnis / Results:
 Der Lüfter für die Kühlung der gesamten
Hybridbatterie läuft permanent und hochtourig /
Fan is running under full load
 Fahrzeug startet / Vehicle is starting
 Normales Fahrverhalten / Normal behaviour
Fehlerspeichereinträge: / Fault memory item
 P0A9B: Einer der Temperatursensoren Unterbrechung oder Kurzschluss
 P0AAC: Eingangstemperatursensor Unterbrechung oder Kurzschluss
 P3000: Batteriemanagement-Steuergerät (vom Hybridsystem 2.0)
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Versuch 2: Entfernen der Thermoelemente und des Lüfters / Removing of
the thermocouples and fan
 Simulation defekter Thermoelemente und eines
defekten Lüfters/ Remove fan and thermocouples
 Es wurden alle 4 Thermoelemente und der
Lüftermotor gleichzeitig vom Steuergerät
getrennt / Disconnect from ECU
Ergebnis: / Results
 Abschaltung der Batterie / Battery switched off
 Kein Laden und Entladen der Batterie / No charge
 Fahrzeug startet / Vehicle is starting
 Fahrzeug fährt nur im Otto-Betrieb (Notlauf) /
Emergency operation
Fehlerspeichereinträge: / Fault memory item
 P3000, P0A9B, P0AAC  siehe vorherige Folie
 P0A81, P0A82, P0A84, P0A85:
Diese Fehler deuten auf Probleme mit dem Lüftermotor hin
16
Versuch 3: Entladung von 2 Batteriemodulen / Discharge 2 battery modules 17
 Simulation von 2 defekten Batteriemodulen /
Simulation of 2 defect battery modules
 Es wurden 2 Module, also 1 Batterieblock,
vollständig bis auf 6 Volt entladen / Discharge to 6V
Ergebnis: / Results
 Die Batterie wird freigeschalten und die entladenen
Zellen werden geladen / Battery is charging
 Fahrzeug startet / Vehicle is starting
 Normales Fahrverhalten / Normal driving behaviour
Fehlerspeichereinträge : / Fault memory item
 P0A80: Batterieeinheit tauschen!  Anmerkung: Es wird ein Kompletttausch vorgeschlagen!
 P3011: Batterieblock 1 schwach
 P3000: Batteriemanagement-Steuergerät (vom Hybridsystem 2.0)
Versuch 4: Unterbrechung der Batteriemodulüberwachung / Disconnection
of battery modul monitoring
 Simulation von defekten (z.B. kurzgeschlossenen)
Batteriemodulen bzw. Batterieblöcken / Simulation of short
circuit batteries
 Es wurden nacheinander 1, 2 und 3 Überwachungsleitungen
entfernt / Removing of 3 wires for monitoring
Ergebnis: / Results
 Bei max. 2 entfernen Überwachungsleitungen war
das Fahrzeug noch nutzbar Warnung im Display / Till
2 removed wires the vehicle is useable
 Fahrzeug startet / Vehicle is starting
 Normales Fahrverhalten / Normal driving behaviour
Fehlerspeichereinträge : / Fault memory item
 P0AFA: Hybridbatteriesystem Spannung zu klein
 P3030: Ein oder mehr Überwachungsleitungen sind nicht verbunden
 P3000: Batteriemanagement-Steuergerät (vom Hybridsystem 2.0)
18
Versuch 5: Entfernen der kompletten Batterieeinheit / Removing the whole
battery unit
 Simulation einer nicht vorhandenen oder total
ausgefallenen Batterie / Simulation of a totally
failed battery module
 Die komplette Hybridbatterie wurde entfernt
Ergebnis: / Results
 Keine Mobilität! / No driving possible!
 Fahrzeug startet nicht / Vehicle is not starting
 Es ist nicht möglich das Fahrzeug aus eigener
Kraft zu bewegen
Fehlerspeichereinträge: / Fault memory item (Auszug aus dem Hybridsystem 2.0)
 P0AA1, P0AA4: Hybridbatterierelais Plus- bzw. Minuspol klemmt / geschlossen
 U0111: Batteriemanagement-Steuergerät keine Kommunikation
 P0A0D: Hochspannungssperre
19
Versuch 6: Tausch der kompletten Batterieeinheit / Changing the whole
battery module
 Simulation eines Hybridbatterietausches in der
Werkstatt / Changing in the garage
 Kompletttausch der Batterieeinheit / The whole
battery was replaced
Ergebnis: / Results
 Problemloser Tausch., keine Beeinträchtigung,
Batterie muss nicht angelernt werden / No learning
or programming necessary
 Fahrzeug startet / Vehicle is starting
 Normales Fahrverhalten / Normal driving behaviour
Fehlerspeicher Einträge : / Fault memory item
 Keine / No entries
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Gliederung
1. Vors tellung des Tes tfahrzeugs Prius NHW 20 / Tes t v ehicle
2. Kom ponenten des Batteries y s tem s / Battery com ponents
3. Unters uchung des Verhaltens der Hy bridbatterie / Ins pection
4. CAN Bus Analy s e / CAN Bus analy zing
5. Zus am m enfas s ung / S um m ary
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CAN Bus Analyse / Analyzing the CAN bus
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 Untersucht wurde die Steuergerätekommunikation zwischen dem Gesamtfahrzeug und
der Batterieeinheit (Hybridbatterie ECU) / Analyzing the communication between vehicle
and battery ECU
 Mittels Restbussimulation kann das Steuergerät bzw. die Batterie außerhalb des Fahrzeugs
betrieben und diagnostiziert werden (z.B. zur Eingangsdiagnose oder
Endfunktionsprüfung bei der Refabrikation)
 Die Diagnose basiert auf dem Transportprotokoll TP2.0 und dem Keywordprotocol
KWP2000 / Diagnose is based on transport protocol TP2.0 and keyword protocol
CAN traffic IDs and meanings on the 3rd generation Prius ( THSII ) in non-solicited mode ( as in these are on the CAN without putting request on the CAN ).
Color codes = Confirmed, Almost sure, Hunch, No idea.
ID
Desc.
2
20
22
f/s
<<1
78~79
Sideway acceleration
sensor
35
Acceleration sensor
23
25
3A
3
O/D (55~60)
ICE
ICE
Gas / Torque / EM Current ?
99~100
----
#1
----
7
4
7
No Chg when ICE off
8
8
8
O/D (170~190)
105
94~95
#0
#0#1 : force value, 0x200 neutral, decreases
with force pointing left, incresases with right
#0#1 : force value, 0x200
neutral, decreases with
force pointing forward,
increases with
acceleration
#0#1 : Angle ( Left most = 0x1BC, Neutral = 0,
Right most = 0xE48 )
bit#7 : 0=pressed
1=released ( 0x84 Not
---pressed / 0x04 Pressed )
---rpm?
Engine Temp in Celsius
----
7
Brakes
30
38
39
Length
4
~22.5
Steering
(*) means I am using it in my onboard computer...
#2
#3
#4
#5
#6
#7
Comment
Quite constant with
ocasional peeks
Measured range : 0x150 0x200 - 0x2C0
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
----
Measured range : 0x1B0 0x200 - 0x260
----
----
Power assist ?
----
----
Range is likely to be Prius
dependent
----
----
----
----
----
------No Chg when
ICE off
------Jitter when
ICE off
-------
---Throttle related (?)
------No Chg when
No Chg when ICE off
ICE off
Strength ( 0:out
~ 0x7F:pushed
in )
------No Chg when
ICE off
----
Schematischer Testaufbau
23
Hybrid battery
01010100111100010001
CAN Bus
Power supply
01010100111100010001
12 V
Residual bus simulation
010101001111000100010011
Garage tester
Gliederung
1. Vors tellung des Tes tfahrzeugs Prius NHW 20 / Tes t v ehicle
2. Kom ponenten des Batteries y s tem s / Battery com ponents
3. Unters uchung des Verhaltens der Hy bridbatterie / Ins pection
4. CAN Bus Analy s e / CAN Bus analy zing
5. Zus am m enfas s ung / S um m ary
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Zusammenfassung
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 Die Hybridbatterie detektiert Fehler selbstständig. / Battery detect errors autonomous,
 Ein Teil der Fehler führt zum Verlust der Mobilität. Jedoch bei den meistens Fehlern bleibt
die Mobilität erhalten. / Some errors lead to stop of engine.
 Fehler können mittels Werkstatttester, OBD Lesegerät oder ähnlichem Equipment
ausgelesen und zurückgesetzt werden. / Errors can be read and deleted by garage tester.
Der Austausch einer Hybridbatterieeinheit ist beim NHW 20 ohne Weiteres problemlos
möglich  Kein „Anlernen“ nötig. / Change of whole battery module is possible.
 Mittels einer geeigneten Restbussimulation und einem entsprechenden Aufbau (Prüfstand)
könnten die Hybridbatterien außerhalb des Fahrzeugs diagnostiziert werden / Diagnosable
with extended test bench
Fazit:
Aus elektrischer Sicht steht einer Aufarbeitung nichts im Wege! /
From the electrical point of view it is possible to remanufacture the battery module!
Fragen / Diskussion
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
26
Folie 27
Herzlichen Dank für Ihre Aufm erks am keit!
Thank y ou v ery m uch for y our attention!