CN103197188A - 电池电流传感器故障诊断系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出电池电流传感器失效(短路、断路、功能偏差)的故障诊断系统及其方法。首先建立诊断系统主要包括：电流传感器信号采样模块、电池端电压采样模块、电池端电压冗余采样模块、诊断策略模块、故障保护模块。其次，建立诊断策略，基本方法为：根据电流传感器当前的采样值，通过电池的电压响应算法，计算出端电压响应值，再将端电压的计算值与端电压采样值通过设定算法进行数据处理和比较，判断是否发生电流传感器的失效事件。本发明提高了新能源汽车电池电流传感器的意外失效的可探测性，有助于增强使用高压电池的新能源车辆的安全性。

Description

电池电流传感器故障诊断系统及其方法

技术领域

本发明属于新能源汽车控制领域，涉及电池电流传感器失效(短路、断路、功能偏差)的故障诊断系统及方法。

背景技术

高压电池是新能源汽车的能量源存储及提供系统，其正常工作关系着车辆的整体安全等级，及功能实现。而准确检测电池系统是否在正常进行电流输出，是电池管理系统及其电流传感器的一项重要功能，关系着电池系统的安全运行，以及对于电池重要参数的准确计算，如荷电状态(SOC)及当前输入输出功率。比较常见的电流传感器，有霍尔式及电阻式电流传感器，其检测到的电流值都通过电压信号的方式传递给电池管理系统，而电池管理系统通过各产品特定的计算公式再算出当前的电流值。

由于电流传感器在新能源汽车中，可能受到高温、振动等工况影响，导致其多种失效模式。对于霍尔式或电阻式的电流传感器的失效模式，通常有如下几种：1.传感器电压输出线路短到地、2.传感器电压输出线短路到低压电源、3.传感器电压输出线断路、4.传感器电压输出线短路到其他信号线、5.传感器功能性偏差。

对于前两种方式，有较为成熟的诊断方式来检测传感器的失效，如设置传感器电压信号的上下死区方法，当电流传感器信号线短到地时，传感器电压信号小于下限死区，当短到电源线时传感器电压信号大于上限死区。但是，对于失效模式3/4/5，如果此时检测出的电流值和实际电流值偏差较大，但传感器电压信号线的值又在上下死区之内，就无法通过死区方式加以诊断。

为了增强对于3/4/5类型失效的可探测度，提高电流检测系统的安全等级，可以使用的方法是在同一高压回路中再增加一个冗余的电流传感器，如果其中一个电流传感器产生了失效，那么两个传感器转化的电流值就会存在差异。但是这种方式在工业运用中，必然会增加系统成本。

发明内容

由于目前使用的电池管理系统中电压采样通道资源充足，且实现成本远低于冗余电流传感器，同时，电池实际加载电流与其电压响应存在着一定的关系，所以本发明在此基础上提出了电池电流传感器故障诊断系统及其方法以较小成本解决对于电流传感器故障模式1/2/3/4/5均能够探测的技术问题。

所述电池电流传感器故障诊断的系统主要包括：电流传感器信号采样模块、电池端电压采样模块、电池端电压冗余采样模块、诊断策略模块、故障保护模块。

电流传感器信号采样模块，与电池包中电流传感器的采样信号线连接，将采样信号通过计算公式转换为电流采样值。

电池端电压采样模块，与电池包中高压电池正负极连接，且连接点尽可能贴近正负两极，用于采集电池端电压。

电池端电压冗余采样模块，与电池包中高压电池正负极连接，且连接点尽可能远离正负极，用于冗余采集电池端电压，校验端电压采样模块的电压采样值的有效性。

诊断策略模块，与电流传感器信号采样模块、电池端电压采样模块、电池端电压冗余采样模块连接，用于根据电流电压采样情况，判断电流传感器是否发生故障。

故障保护模块，与整车控制器通过通讯总线连接，进行信息传递，当电流传感器故障确认后，采取一些保护措施，如降低发送给整车控制器的电池可输出及输入功率限值，同时将电流传感器故障警告发送给整车控制器，最终点亮仪表板故障灯向驾驶员告警等。

本发明提供的电池电流传感器故障诊断的方法采用如下步骤：

步骤一，电池端电压采样模块对电池端电压进行采样得到电压值U₁，同时电池端电压冗余采样模块采样得到电压值U₂，继而通过诊断策略模块算法判断电池端电压采样值U₁的有效性；

步骤二，电流传感器信号采样模块采样得到当前电流I₁，通过电池等效电路模型的电压响应算法，诊断策略模块计算出端电压响应值U₁’；

步骤三，将端电压的计算值与经过检验的端电压采样值通过诊断策略模块的比较算法，判断电流传感器是否发生故障事件，通过诊断策略模块的故障计数器对故障事件进行累计，当到达一定数值时确认故障；

步骤四，进行故障处理。

较佳地，所述步骤一电池端电压U₁有效性判断方法如下：设定电压阈值V1及V2，且V1＜V2；如果U₁与U₂的误差绝对值小于V1，则说明端电压U₁为有效采样值；如果U₁与U₂的误差绝对值大于V2，则直接发出电压采样故障报警；如果U1与U2的误差绝对值处于V1与V2之间，包括V1和V2时，电池端电压有效性保持之前状态；此步骤提高了端电压采样的可靠性，为之后基于端电压响应判断电流传感器工作情况提供了保障。

较佳地，步骤三判断电流传感器是否失效的比较算法进一步包括如下步骤：

步骤01，计算U₁及U₁’的滑动平均值；

步骤02，计算U₁及U₁’相对于电流的变化率；

步骤03，基于变化率的诊断策略；

步骤04，故障事件计数器处理；

步骤05，基于滑动平均值的电压绝对误差诊断策略；

步骤06，故障事件计数器的继续处理；

步骤07，故障判定。

较佳地，步骤02计算U₁及U₁’相对于电流的变化率策略如下：内部计时器清零，记录零时刻U₁初始值，记为U₁(1)，记录U₁’的初始值，记为U₁’(1)，记录电流传感器值I₁(1)，同时开始计时；设定电流阈值V3，当某时刻电流传感器值I₁(n)与零时刻电流传感器值I₁(1)之差的绝对值大于V3时，记录该时刻U₁的值记为U₁(n)，记录U₁’的值，记为U₁’(n)；电压相对于电流的变化率可以计算为：δ₁＝(U₁(n)-U₁(1))/(I₁(n)-I₁(1))，δ₁’＝(U₁’(n)-U₁’(1))/(I₁(n)-I₁(1))；进一步地，如果从计时器零时刻起，超过V4秒仍然没有出现I₁(n)与I₁(1)之差的绝对值大于V3的工况，则不进行变化率的计算，δ₁与δ₁’保持上一周期计算值。

较佳地，步骤03基于变化率的诊断策略如下：设定变化率阈值V5及V6，且V5＜V6；如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值小于V5，则认为电流传感器通过变化率诊断；如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值大于V6，则认为发生一次电流传感器故障事件；如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值在V5与V6之内，包括V5和V6，则保持前一次的诊断结果；如果δ₁等于0，则根据步骤02中计算δ₁的算法，在传感器正常情况下δ₁不可能为0，所以认为发生一次电流传感器故障事件。

较佳地，步骤04故障事件计数器处理策略如下：设定计数器单次递增值V7，递减值V8，计数器阈值V9和V10，且V9＞V10；对于每个诊断周期，当步骤03确认产生电流传感器故障事件后，m加V7，直到m等于V9时，停止递增；当未诊断出故障时，m减V8，直到m等于V10时，停止递减。

较佳地，步骤05基于滑动平均值的电压绝对误差诊断策略如下：设定电压阈值V3及V4，且V11＜V12；计算得出U₁及U₁’在一定时间窗口内滑动平均值U₄及U₄’，如果U₄与U₄’误差绝对值小于V11，则认为电流传感器通过绝对误差诊断；如果U₄与U₄’误差绝对值大于V12，则认为电流传感器发生一次故障事件；如果U₄与U₄’误差绝对值在V11与V12之内，包括V11和V12时，则保持前一次的诊断结果。

较佳地，步骤06故障事件计数器的继续处理策略如下：首先故障计数器延续步骤04的计算值m，对于每个诊断周期，当步骤05确认产生电流传感器故障事件后，m加V7，直到m等于V9时，停止递增；当未诊断出故障时，m减V8，直到m等于V10时，停止递减。

较佳地，步骤07故障判定策略如下：设定判定阈值V13，且V13＜V9；如果故障事件计数器m等于V9，则确认探测出电流传感器发生故障；如果故障计数器m小于等于V13则认为未探测出有电流传感器故障发生；如果m在V13和V9之内，则保持之前的诊断状态；通过步骤01到步骤07，能够清晰识别电流传感器如下故障：1.传感器电压输出线路短到地、2.传感器电压输出线短路到低压电源、3.传感器电压输出线断路、4.传感器电压输出线短路到其他信号线、5.传感器功能性偏差。

较佳地，步骤四故障处理方法包括通过诊断系统的故障保护模块采取一些保护措施，如降低发送给整车控制器的电池可输出及输入功率限值，同时将电流传感器故障警告发送给整车控制器，最终点亮仪表板故障灯向驾驶员告警等。

通过本发明电池电流传感器故障诊断系统及其方法，能够以较低的系统成本对于电流传感器的多种失效模式进行识别，特别是对于电流传感器的功能性偏差较大这样的错误，其传感器电压信号虽然没有超出上下死区范围，本发明也能够探测出此类失效。所以作为电流传感器的一种诊断系统，有助于提高电池及电动汽车工作的可靠性及安全性。

附图说明

附图1为本发明的电池电流传感器故障诊断系统结构图

附图2为本发明电流传感器故障诊断方法一种实施例的流程图

附图3为一种电池等效电路模型

附图4为根据采样电压与计算电压判断电流传感器故障流程图

附图5为采样电压与计算电压的滑动平均值计算示意图

附图6为采样电压与计算电压的变化率计算示意图

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步详细解释，其为本发明多种实施方式的一种优选实施例，应当理解，此处所描述具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1为本发明电流传感器故障诊断系统的一种实施例，主要包括：电流传感器信号采样模块1、电池端电压采样模块2、电池端电压冗余采样模块3、诊断策略模块4、故障保护模块5。

电流传感器信号采样模块1，与电池包中电流传感器的采样信号线连接，用于将采样信号通过计算公式转换为电流采样值，记为I₁；

电池端电压采样模块2，与电池包中高压电池正负极连接，且连接点尽可能贴近正负两极，用于采集电池端电压，记为U₁；

电池端电压冗余采样模块3，与电池包中高压电池正负极连接，且连接点尽可能远离正负极，用于冗余采集电池端电压，校验端电压采样模块的电压采样值的有效性，记为U₂；

诊断策略模块4，与电流传感器信号采样模块、电池端电压采样模块、电池端电压冗余采样模块连接，用于根据电流电压采样情况，执行电池电流传感器故障诊断的方法判断电流传感器是否发生故障；

故障保护模块5，与整车控制器通过通讯总线连接，当电流传感器故障确认后，采取一些保护措施，如降低发送给整车控制器的电池可输出及输入功率限值，同时将电流传感器故障警告发送给整车控制器，最终点亮仪表板故障灯向驾驶员告警等。

如图2，为完成本发明提出的诊断工作，电流传感器故障诊断系统在固定周期中完成如下步骤：

步骤一：端电压U₁有效性判断。电池端电压采样模块2对电池端电压进行采样得到电压值U₁，同时电池端电压冗余采样模块3采样得到电压值U₂，诊断策略模块4判断如果U₁与U₂的误差绝对值小于1伏，则说明端电压U₁为有效采样值；如果U₁与U₂的误差绝对值大于2伏，则由故障保护模块5直接发出电压采样故障报警；如果U₁与U₂的误差绝对值处于1伏与2伏之间，包括1伏和2伏时，电池端电压有效性保持之前状态。

步骤二：基于模型的电压响应值U₁’计算。电流传感器信号采样模块1得到当前电流采样值I₁，诊断策略模块4根据电池等效电路模型，将传感器采样电流值I₁输入模型公式，算得电压响应值U₁’。在本具体实施例中定义的等效电路模型如图3所示，主要分为电池直流内阻R₀环节；等效电荷在正负两极移动及反应过程动态特性的R₁C₁环节，等效离子在电解液扩散过程动态行为的R₂C₂环节，以及等效电池开路电压OCV环节。R₀取决于电池SOC和电池温度Temp，通过事先实验所得静态二维表Table(SOC，Temp)可以得到R_o值，其电压响应U₁₁＝R₀*I₁；R₁C₁环节的电压响应U₁₂取决于以R₁，C₁及电流值I₁为参数的关系式，记为U₁₂＝f₁(R₁，C₁，I₁)。同样的，R₂C₂环节的电压响应U₁₃＝f₁(R₂，C₂，I₁)。所以，由以上各环节电压响应计算值，可以得到电池端电压响应计算值，U₁’＝U₁₁+U₁₂+U₁₃+OCV。对于每个端电压采样时刻，都需要同时进行一次电压响应的计算。

步骤三：故障判断。诊断策略模块4对于U₁与U₁’值进行处理，并通过相应算法判断电流传感器是否发生故障。步骤三主要包括如图4所示以下步骤：

步骤01，计算U₁及U₁’的滑动平均值。如图5所示，在一定的时间窗口内，本实施例为4秒，假设其中有n个端电压采样值U₁，则计算其滑动平均值

同时，在此窗口内同样具有n个电压响应的计算值U₁’，也同样计算其滑动平均值

步骤02，计算U₁及U₁’相对于电流的变化率。如图6所示，计时器清零，记录零时刻U₁初始值，记为U₁(1)，记录U₁’的初始值，记为U₁’(1)，记录电流传感器值I₁(1)，同时开始计时，当某时刻电流传感器值I₁(n)满足关系I₁(n)与I₁(1)差的绝对值大于30安培时，记录U₁的值记为U₁(n)，记录U₁’的值，记为U₁’(n)。电压相对于电流的变化率可以计算为：

δ₁＝(U₁(n)-U₁(1))/(I₁(n)-I₁(1))，

δ₁’＝(U₁’(n)-U₁’(1))/(I₁(n)-I₁(1)).

进一步地，如果从计时器计时起，超过2秒仍然没有出现I₁(n)与I₁(1)差的绝对值大于30安培的工况，则不进行变化率的计算，计数器重新清零，开始记录初始值，继续等待电流变化。

步骤03基于变化率的诊断策略。主要包括，如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值小于3.75安培/伏，则认为电流传感器通过变化率诊断；如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值大于4.5安培/伏，则认为发生一次电流传感器故障事件；如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值在3.75与4.5安培/伏之内，包括3.75和4.5安培/伏，则保持前一次的诊断结果；如果δ₁等于0，则直接认为发生一次电流传感器故障事件，因为在I₁(n)与I₁(1)差的绝对值大于30安培时，正常情况下U₁(n)和U₁(1)差不可能为0，即δ₁不可能为0。

步骤04故障事件计数器处理。设定故障事件计数器为m，每个诊断周期中，当每发生一次步骤03的故障事件时，m加2，直到m达到8停止累加，当通过一次步骤03的诊断时，m减1，直到m为0停止相减。

步骤05基于滑动平均值的电压绝对误差诊断策略。对于步骤01计算的滑动平均值U₄及U₄’，如果U₄与U₄’的差的绝对值小于0.8伏，则认为电流传感器通过绝对误差诊断；如果U₄与U₄’差的绝对值大于1.1伏，则认为电流传感器发生一次故障事件；如果U₄与U₄’差的绝对值在0.8和1.1伏之内，包括0.8和1.1伏，则保持前一次的诊断结果。

步骤06故障事件计数器的继续处理。首先故障计数器m延续步骤04的值，每个诊断周期中，当每发生一次步骤05的故障事件时，m加2，直到m达到8停止累加，当每通过一次步骤05诊断策略时，m减1，直到m为0停止相减。

步骤07故障判定。如果故障事件计数器m等于8，则可以确认探测出电流传感器发生故障。如果故障计数器m小于等于4则认为未探测出有电流传感器故障发生。如果m在4和8之内，则保持之前的诊断状态。

步骤四：故障处理。如果诊断策略模块4通过上述步骤确认检测到电流传感器故障，则系统通过故障保护模块5采取一些保护措施，如降低发送给整车控制器的电池可输出及输入功率限值，同时将电流传感器故障警告发送给整车控制器，最终点亮仪表板故障灯向驾驶员告警等。

通过上述的说明可知，本发明通过电池管理系统现有资源，增强端电压采样的可靠性，并在此基础上，根据电池等效模型及电流采样值，得到端电压的计算值。对于端电压采样值和计算值进行算法处理，分别通过基于变化率的诊断策略和基于滑动平均值的电压绝对误差诊断策略累计故障事件，并通过故障计数器的滞回算法进行故障确认。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.电池电流传感器故障诊断系统，其特征在于：系统主要包括：电流传感器信号采样模块、电池端电压采样模块、电池端电压冗余采样模块、诊断策略模块、故障保护模块；

所述电流传感器信号采样模块，与电池包中电流传感器的采样信号线连接，用于将采样信号通过计算公式转换为电流采样值；

所述电池端电压采样模块，与电池包中高压电池正负极连接，且连接点尽可能贴近正负两极，用于采集电池端电压；

所述电池端电压冗余采样模块，与电池包中高压电池正负极连接，且连接点尽可能远离正负极，用于冗余采集电池端电压，校验端电压采样模块的电压采样值的有效性；

所述诊断策略模块，与所述电流传感器信号采样模块、所述电池端电压采样模块、所述电池端电压冗余采样模块连接，用于根据电流电压采样情况，判断电流传感器是否发生故障；

所述故障保护模块，与整车控制器连接，当电流传感器故障确认后，采取一些保护措施，如降低发送给整车控制器的电池可输出及输入功率限值，同时将电流传感器故障警告发送给整车控制器，最终点亮仪表板故障灯向驾驶员告警等。

2.用于电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1所述的诊断系统实现功能，包括以下步骤：

步骤一，所述电池端电压采样模块对电池端电压进行采样得到电压值U₁，同时所述电池端电压冗余采样模块采样得到电压值U₂，继而通过所述诊断策略模块算法判断电池端电压采样值U₁的有效性；

步骤二，所述电流传感器信号采样模块采样得到当前电流I₁，通过电池等效电路模型的电压响应算法，所述诊断策略模块计算出端电压响应值U₁’；

步骤三，将端电压的计算值与经过检验的端电压采样值通过所述诊断策略模块的比较算法，判断电流传感器是否发生故障事件，通过所述诊断策略模块的故障计数器对故障事件进行累计，当到达一定数值时确认故障；

步骤四，进行故障处理。

3.如权利要求2所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤一电池端电压U₁有效性判断方法如下：

设定电压阈值V1及V2，且V1＜V2；如果U₁与U₂的误差绝对值小于V1，则说明端电压U₁为有效采样值；如果U₁与U₂的误差绝对值大于V2，则直接发出电压采样故障报警；如果U₁与U₂的误差绝对值处于V1与V2之间，包括V1和V2时，电池端电压有效性保持之前状态。

4.如权利要求2所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤三判断电流传感器是否失效的比较算法进一步包括如下步骤：

步骤01，计算U₁及U₁’的滑动平均值；

步骤02，计算U₁及U₁’相对于电流的变化率；

步骤03，基于变化率的诊断策略；

步骤04，故障事件计数器处理；

步骤05，基于滑动平均值的电压绝对误差诊断策略；

步骤06，故障事件计数器的继续处理；

步骤07，故障判定。

5.如权利要求4所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤02计算U₁及U₁’相对于电流的变化率策略如下：

内部计时器清零，记录零时刻U₁初始值，记为U₁(1)，记录U₁’的初始值，记为U₁’(1)，记录电流传感器值I₁(1)，同时开始计时；设定电流阈值V3，当某时刻电流传感器值I₁(n)与零时刻电流传感器值I₁(1)之差的绝对值大于V3时，记录该时刻U₁的值记为U₁(n)，记录该时刻U₁’的值，记为U₁’(n)；电压相对于电流的变化率可以计算为：δ₁＝(U₁(n)-U₁(1))/(I₁(n)-I₁(1))，δ₁’＝(U₁’(n)-U₁’(1))/(I₁(n)-I₁(1))；进一步地，如果从计时器零时刻起，超过V4秒仍然没有出现I₁(n)与I₁(1)之差的绝对值大于V3的工况，则不进行变化率的计算，δ₁与δ₁’保持上一周期计算值。

6.如权利要求4所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤03基于变化率的诊断策略如下：

设定变化率阈值V5及V6，且V5＜V6；如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值小于V5，则认为电流传感器通过变化率诊断；如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值大于V6，则认为发生一次电流传感器故障事件；如果δ₁不等于0，且1/δ₁与1/δ₁’误差绝对值在V5与V6之内，包括V5和V6，则保持前一次的诊断结果；如果δ₁等于0，则根据步骤02中计算δ₁的算法，在传感器正常情况下δ₁不可能为0，所以认为发生一次电流传感器故障事件。

7.如权利要求4所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤04故障事件计数器处理策略如下：

设定计数器单次递增值V7，递减值V8，计数器阈值V9和V10，且V9＞V10；对于每个诊断周期，当所述步骤03确认产生电流传感器故障事件后，m加V7，直到m等于V9时，停止递增；当未诊断出故障时，m减V8，直到m等于V10时，停止递减。

8.如权利要求4所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤05基于滑动平均值的电压绝对误差诊断策略如下：

设定电压阈值V3及V4，且V11＜V12；计算得出U₁及U₁’在一定时间窗口内滑动平均值U₄及U₄‘，如果U₄与U₄’误差绝对值小于V11，则认为电流传感器通过此步骤的诊断；如果U₄与U₄’误差绝对值大于V12，则认为电流传感器发生一次故障事件；如果U₄与U₄’误差绝对值在V11与V12之内，包括V11和V12时，则保持前一次的诊断结果。

9.如权利要求4所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤06故障事件计数器的继续处理策略如下：

首先故障计数器延续所述步骤04的计算值m，对于每个诊断周期，当通过所述步骤05确认产生电流传感器故障事件后，m加V7，直到m等于V9时，停止递增；当未诊断出故障时，m减V8，直到m等于V10时，停止递减。

10.如权利要求4所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤07故障判定策略如下：设定判定阈值V13，且V13＜V9；如果故障事件计数器m等于V9，则确认探测出电流传感器发生故障；如果故障计数器m小于等于V13则认为没有电流传感器故障发生；如果m在V13和V9之内，则保持之前的诊断状态。

11.如权利要求2所述电池电流传感器故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤四故障处理方法包括通过诊断系统的故障保护模块采取一些保护措施，如降低发送给整车控制器的电池可输出及输入功率限值，同时将电流传感器故障警告发送给整车控制器，最终点亮仪表板故障灯向驾驶员告警等。

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