CN102472778B - 用于借助于磁通门传感器确定电池的充电状态的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于确定机动车中的电池的充电状态的设备和方法。所述方法包括以下步骤：以测量电压加载线圈；当流过所述线圈的次级电流的量值超过一预先确定的阈值时，周期地转换所述测量电压的极性；对所述次级电流进行采样；基于所采样的次级电流值来重构所述次级电流的变化过程；以及基于所述次级电流值的变化过程来确定所述充电状态。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定电池的充电状态的技术。本发明尤其涉及用于借助于磁通门磁强计确定机动车中的电池的充电状态的方法和设备。
背景技术
现代机动车拥有大量依赖电流供应的子系统。一些这样的子系统——例如电子防盗锁止装置或者警报设备，在机动车的驱动马达不运行并且所需的电流由车载电池供给时也可能消耗电流。所述的子系统通常仅仅在一定的时间间隔中是启用的，而其余时间进入省电模式。为了在机动车的较长停车时间之后确保足以借助于起动电动机来起动驱动马达的电池充电状态，根据电池充电状态来控制这些子系统。为了确定充电状态，一些不同的技术是已知的。通常，这些技术要求确定进入电池或者来自电池的电池电流的变化过程。由电流变化过程可以推断出电池的充电或放电，由此可以求得电池的充电状态。
为了避免电池电流的电流确定时的电流耦合，借助于磁通门磁强计来确定在与电池连接的导体区段(Leiterstück)中由电池电流感应出的磁场。随后，由磁场确定电池电流。为了进行磁场测量，借助于次级线圈周期地使经受导体区段的磁场的软磁线圈芯磁饱和。在这样的测量周期的某些部分期间，流过线圈的电流相应于除以变压比的电池电流。
DE 4228948A1示出一种基于磁通门磁强计的这样的电流传感器。每个测量周期的线圈芯已达到磁饱和的时间区段可以不用于确定磁场或电池电流，使得磁通门磁强计在这些时间区段内是“盲的”。特别是在具有周期性变化的电流消耗的电负载中，这些“盲的”时间区段可能导致电池电流的不准确的确定。
发明内容
因此，本发明的任务在于，说明一种用于使借助于磁通门磁强计确定机动车中的电池的充电状态更准确且更可靠的技术。所述任务通过根据权利要求1的方法和根据权利要求8的设备解决。从属权利要求说明可能的或符合目的的构型方案。
以测量电压加载借助于软磁线圈芯与由电池电流流过的导体区段磁耦合的线圈，直至流过所述线圈的次级电流达到一个预先确定的阈值，这说明线圈芯达到磁饱和，随后转换测量电压的极性。如果次级电流再次达到所述阈值，则再次转换测量电压的极性，并且完整地执行了一个测量周期。在所述测量周期期间，对次级电流进行采样并且由采样重构所述次级电流的变化过程。随后，基于所述次级电流值的变化过程来确定电池的充电状态。
通过重构次级电流的变化过程，还可检测到电池电流中在借助于磁通门磁强计的所述结构不可能直接测量的时刻出现的波动。尤其是超过多个测量周期确定电池电流的变化过程时，借助所说明的方法避免了确定具有所谓的假频(即：差频)的电池电流的电流波动，所述假频可能在周期性地采样周期性波动的电池电流并且两个周期不一致时出现。
每个周期可以对次级电流进行采样两次以上，例如，在每个半周期中进行至少两次或者更多次采样。通过重构步骤，每个单独测量可以改善磁场确定的准确性，从而实际上不存在每个周期采样次数的上限。因此，对于每单位时间的采样次数的增加，周期时间可以保持恒定，从而可以不需要测量装置的匹配。
能够以不同的时间间隔实施采样。通过适当实施的重构，可以如此处理非等距采样的值，使得优选在周期的以下区域中进行采样：在所述区域中通过采样的信息获取是最大化的。例如在软磁线圈芯不处于磁饱和的时间区段时是这种情形。
可以仅仅基于在转换测量电压的极性的时刻周围的预先确定的时间范围以外进行的采样来实施重构。当软磁线圈芯处于磁饱和时，进行测量电压的极性转换。在所述时刻周围的一定时间范围内，次级电流的值不提供关于待确定的磁场或者引起磁场的电池电流的可用信息。因此，所述范围内的采样可能由于缺少信息获取而不发生，或者在所述范围内进行的采样可以被丢弃，使得重构次级电流的变化过程的步骤仅仅基于指示电池电流的采样。
通过所述的技术，尤其可以检测由机动车的周期性激活的子系统引起的周期性的电池电流波动。
可以基于前一周期的周期持续时间来确定采样时刻。根据一系列参数——例如电池电流值或者当前的温度值，测量周期可以持续不同长度的时间，其中，在时间上彼此相继的测量周期通常在其周期持续时间方面仅仅具有较小偏差。测量周期的长度通常在2至5ms的范围内。
可以附加地基于电池电压来确定充电状态，其中，可以与次级电流同时地对电池电压进行采样，并且可以通过相应的方式基于所采样的电池电压值来确定电池电压的变化过程。通过所述方式可以确保，电池电压的所重构的变化过程与电池电流的所重构的变化过程是彼此同步的，使得不会由不同的时间参考导致确定误差。在一种替代的实施方式中，也可以借助于时间元件使所采样的电池电压值在时间上如此延迟，使得这些电池电压值可以在次级电流变化过程的重构之后被分配给相应的次级电流值。能够以静态地预先确定的持续时间或者动态地以完整重构分别所需的持续时间进行这样的延迟。
所提到的技术可以实现为专用IC(ASIC)的形式。线圈、线圈芯和所述的设备可以集成在单独的组件中。
可以借助于过程控制来在时间上控制采样。特别地，可以由过程控制基于前一周期的周期持续时间来确定采样时刻。
附图说明
以下根据附图更详细地说明本发明，其中
图1：用于根据磁补偿原理来确定电池电流的测量装置；
图2：图1中的磁通门磁强计的次级电流的时间变化过程；
图3：借助图1中的磁通门磁强计来确定电池的充电状态的设备的示意图；以及
图4：图1中的用于确定电池的充电状态的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出用于确定电池110的电池电流(初级电流)IP的测量装置100。线圈120围绕环形的线圈芯130缠绕，导体区段穿过所述线圈芯130通到电池110。未示出的负载在示图的上方与电池110连接。线圈120的两个连接端子通到H电路140。所述H电路包括四个开关S1至S4，这四个开关S1至S4如此彼此同步，使得或者仅仅S1和S3闭合或者仅仅S2和S4闭合，从而测量电压源150的测量电压Umess以标准极性或者反向极性施加在线圈120上。在测量电阻(分流电阻)R1至R4中的每一个上下降表征流过线圈120的次级电流IS的电压。在实践中，电阻R1至R4中的仅仅一个实施为分流电阻，其他由导体区段替代。
现在根据图2阐述借助于测量装置100的测量原理，图2示出了图1中的线圈120的次级电流IS的时间变化过程200。在图2中，在垂直方向上表示次级电流IS而在水平方向上表示时间t。所示出的变化过程200相应于一个测量周期；在所述测量周期之后重复所述过程。
围绕线圈芯130构造变压器，所述变压器的初级绕组由与电池110连接的导体区段(初级绕组匝数：1)构成而其次级绕组由线圈120(次级绕组匝数：通常为500-1000)组成。所述变压器具有相应于绕组匝数比的变压比，即例如1∶500至1∶1000。电池电流IP在与电池110连接的导体区段中在软磁线圈芯130的区域内产生磁场。现在应当如此调节通过线圈120的次级电流IS，使得借助于线圈120引起的磁场恰好补偿通过初级电流产生的磁场。随后，次级电流IS乘以变压比等于电池电流IP。
在时刻t0在线圈120上施加测量电压Umess之后，线圈120在其建立磁场期间如同一个大电感，并且流过它的次级电流IS缓慢地增大。在时刻t2，所建立的磁场如此大，使得线圈芯130处于磁饱和，并且线圈120如同一个小电感，即次级电流IS快速地增大。在时刻t3，次级电流IS达到一个预先确定的阈值，并且控制H电路140以转换施加在线圈120上的测量电压的极性。
线圈120随后又如同一个小电感并且次级电流IS以改变的正负号又缓慢地增大，直至线圈芯130在时刻t5在相反的方向上完全磁化并且进入磁饱和。随后，线圈120又如同一个小电感并且流过它的次级电流IS在数值上又快速地增大。在时刻t6，次级电流IS的数值又达到所述阈值，并且控制H电路140以再次转换施加在线圈120上的测量电压Umess的极性。
导致所寻求的线圈芯130中的磁场的补偿的次级电流IS总是在次级电流IS的变化过程200的以下区域的中部：在所述区域中线圈120如同一个大电感，即时刻t1和t4。时刻t1与t4之间的次级电流值IS之间的数值上的差别是由围绕线圈芯130缠绕的线圈120的迟滞决定的。因此，两个次级电流值IS之间的平均值乘以变压比相应于电池电流IP。
次级电流IS在时间区段t0-t2或t3-t5内的采样由于变化过程200在这些区域内的线性可以用于改善时刻t1和t4的初级电流IS的确定。在线圈体130处于磁饱和的时间区段t2-t3和t5-t6中，可以不实施次级电流IS的有效表达待确定的磁场的采样。
例如可以在以下时刻对从t0至t6的测量周期采样12次：
[0.15；0.20；0.25；0.30；0.35；0.40；0.65；0.70；0.75；0.80；0.85；0.90]*T周期；
其中，T周期表示t0与t6之间的持续时间，所述持续时间可以近似地基于前一周期的周期持续时间来确定。对于变化过程200的等距采样缺少的时刻[0.05；0.10；0.45；0.50；0.55；0.60；0.95]位于磁饱和区域t2-t3和t5-t6内，从而不进行采样。
在随后的处理过程中可以首先如此转换次级电流IS的通过所述方式非等距采样的值，使得这些值具有与电池电流IP相同的正负号。随后，能够以围绕线圈芯130缠绕的线圈120的迟滞以及第一测量区段t0-t2中和第二测量区段t3-t5中的线性偏差补偿所采样的值。作为中间结果，提供一系列非等距采样的次级电流值IS，这些次级电流值IS指示不同测量时刻的电池电流IP。为了也检测电池电流IP在区域t2-t3和t5-t6中的变化过程，现在使现有的采样值经历信号重构，所述信号重构重构采样时刻之间的周期性信号。因此可以提供也能够非常良好地跟踪“盲的”区段t2-t3和t5-t6上的实际的电池电流IP的次级电流IS的变化过程。由所述变化过程能够以高可靠性推断出电池110的充电状态。
重构可以反映在预先确定的最大频率以下次级电流的变化过程的周期性部分。为了重构，例如可以使用在DE 10 2005 060 874 A1中公开的用于实时重构非等距采样的模拟信号的方法。在所述方法中，提供多个滤波器，这些滤波器分别重构原始信号的一个周期性部分。信号的可重构的最大频率取决于滤波器的类型和数量以及每个测量周期的采样数。
图3示出借助图1中的测量装置100来确定电池的充电状态的方法300。在步骤305中，所述方法处于起始状态中。在步骤310中，在线圈120上施加测量电压Umess。随后，在步骤315中，对次级电流IS和电池110的电池电压进行采样。这些采样的时刻可以基于前一测量周期的周期持续时间来确定，例如确定为预先确定的相对时刻(周期持续时间的5％、10％...)。分两类来分析处理所采样的次级电流。一方面，在步骤320中将次级电流IS与一个阈值进行比较，并且在步骤325中检验次级电流是否已经超过所述阈值。如果是这种情形，则在步骤330中转换测量电压的极性。所述方法从步骤325或者330返回到步骤315并且重新执行。
另一方面，在步骤335中，采集在步骤315中采样的次级电流IS的值。在步骤340中随后确定是否存在足够的采样值。通常在存在一个完整的测量周期的采样值时是这种情形。如果不是这种情形，则所述方法返回到步骤335并且采集其他采样值。如果在步骤340中采集到足够的值，则在随后的步骤345中预处理次级电流IS的所采集的值，其方式是，使这些值的正负号相同，补偿变压器以及在区域t0-t2或t3-t5内的线性变化过程方面的迟滞。可以舍弃可直接测量的电池电压的预处理。随后，在步骤350中，由所采样的值重构次级电流IS的变化过程和电池电压的变化过程。最后，在步骤355中，基于所重构的变化过程来确定电池110的充电状态。
图4示出用于借助于图1中的测量装置100来确定电池的充电状态的设备的示意图400。机动车410车载的设备包括图1中的电池110、线圈120、线圈芯130和H电路140。元件110至140按照图1中的测量装置100彼此连接。此外，所述设备还包括阈值生成器420、比较器430、采样器440、采样控制装置450、处理装置460、低通滤波器470、确定装置480以及能量控制装置490。比较器430与H电路140和阈值生成器420连接并且确定由H电路140提供的次级电流IS是否超过阈值。比较器向采样控制装置450和H电路140提供相应的信号，随后，H电路140根据所述信号转换施加在线圈120上的测量电压Umess的极性。采样器440与H电路140上的测量电阻R1至R4之一连接并且从其获得指示次级电流IS的信号。此外，采样器440与电池110连接并且从电池110得到指示电池电压的信号。此外，采样器440与采样控制装置450连接，以便如以上所述的那样在预先确定的时刻实施采样。
最后，采样器440还与处理装置460连接并且向其提供次级电流IS和电池电压的采样值。处理装置460被设置用于实施以上参照图2和图3阐述的采样值处理，尤其是实施次级电流IS的变化过程的重构。处理装置460与低通滤波器470连接并且向其提供所重构的变化过程。低通滤波器470与确定装置480连接并且向其提供经平滑的变化过程。确定装置480通过与能量控制装置490的连接提供由其确定的电池110的充电状态。能量控制装置490被设置用于根据所确定的电池110的充电状态例如通过改变激活或休眠时间间隔或者通过禁用来在其能量特性方面影响机动车410车载的各个负载。
Claims (7)
1.用于确定机动车(410)中的电池(110)的充电状态的方法(300)，所述方法包括以下步骤：
以测量电压加载一线圈；
当流过所述线圈的次级电流的量值超过一预先确定的阈值时，周期地转换所述测量电压的极性(330)；
对所述次级电流进行采样(315)，其中，每个周期对所述次级电流进行采样两次以上；
基于所采样的次级电流值来重构所述次级电流的变化过程(350)；以及
基于所述次级电流值的变化过程来确定所述充电状态(355)，
其特征在于，仅仅基于在转换所述测量电压的极性的时刻周围的一预先确定的时间范围以外进行的采样来实施所述重构(350)。
2.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，以不同的时间间隔来执行所述采样。
3.根据权利要求1或2所述的方法(300)，其特征在于，所述重构(350)反映在一预先确定的最大频率以下所述次级电流的变化过程的周期性部分。
4.根据权利要求1或2所述的方法(300)，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：基于前一周期的周期持续时间确定采样时刻(315)。
5.根据权利要求1或2所述的方法(300)，其特征在于，通过以下步骤附加地基于所述电池电压来确定所述充电状态：
与所述次级电流同时地对所述电池电压进行采样(315)；
基于所采样的电池电压值来重构所述电池电压的变化过程(350)。
6.用于确定机动车(410)中的电池(110)的充电状态的设备(300)，所述设备包括：
测量电压源(150)，用于以测量电压加载一线圈；
比较装置(430)，用于将流过所述线圈的次级电流与一预先确定的阈值进行比较；
极性转换装置(S1-S4)，用于根据比较结果周期地转换所述测量电压的极性；
采样装置(440)，用于对所述次级电流进行采样；
处理装置(460)，用于基于所采样的次级电流值来重构所述次级电流的变化过程；和
确定装置(480)，用于基于所述次级电流值的变化过程来确定所述充电状态，
其特征在于，所述确定装置(480)设置用于仅仅基于在转换所述测量电压的极性的时刻周围的一预先确定的时间范围以外进行的采样来实施所述重构(350)。
7.根据权利要求6所述的设备(300)，其特征在于，所述设备还包括：
采样控制装置(450)，用于所述采样的时间控制。
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