CN103454477A

CN103454477A - 基于单霍尔传感器架构的汽车起动电流的控制

Info

Publication number: CN103454477A
Application number: CN2012101702657A
Authority: CN
Inventors: 邓恒; 杨凯; 张崇生; 郝飞
Original assignee: SAIC Motor Corp Ltd
Current assignee: SAIC Motor Corp Ltd
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: CN103454477B

Abstract

本发明涉及汽车起动电流的测量和控制，特别涉及一种基于单霍尔传感器架构的汽车电流测量装置和基于该架构的起动机控制方法。按照本发明的实施例，采用单个霍尔传感器即可实现对启动过程和非启动过程中蓄电池电流的测量和监控，因此有效降低了系统的成本和复杂程度。

Description

基于单霍尔传感器架构的汽车起动电流的控制

技术领域

本发明涉及汽车起动电流的测量和控制，特别涉及一种基于单霍尔传感器架构的汽车电流测量装置和基于该架构的起动机控制方法。

背景技术

起动机是现代汽车普遍使用的电力起动装置，当需要发动机工作时，由起动机驱动发动机转动，使发动机自行点火工作。

图1示出了一种双蓄电池汽车电气系统示意图。参见图1，该双蓄电池汽车供电系统10包括控制单元110、交流发电机120、第一和第二蓄电池130A和130B、起动机140、用电器件150和第一-第四开关装置K1-K4。在图1中，粗实线表示功率或能量流，而细实线表示控制信号和测量信号流。

在图1中，控制单元110是整个电气系统10的核心，其一方面负责根据用电状况（例如起动机140和用电器件150的用电需求）、蓄电池状态（这里例如是第一和第二蓄电池130A和130B的工作电流、工作电压、温度、老化程度和荷电状态（SOC）中的一种或多种）和发电机状态（例如交流发电机120当前所能提供的工作电流）等确定合适的电能管理策略，另一方面，控制单元110还具有直流-直流转换能力，以通过升压和降压操作向第一和第二蓄电池130A和130B提供合适的充电电压。

取决于不同的负载特性，汽车供电电流具有较大的差异。例如在发动机启动阶段，蓄电池需要为起动机工作提供大安倍的瞬间电流，而对于诸如照明、音响之类的用电设备，需要提供的是较长时间的小电流。在图1所示的电气系统中，第一和第二蓄电池130A和130B可能担负双重角色。例如，当用电器件150负荷较高而发电机120与第二蓄电池130B无法满足用电需求时，在控制单元110的控制下，第一蓄电池130A的电能将作为补充能源提供给用电器件150。

为了在储能元件（这里为第一和第二蓄电池130A和130B）、发电机和用电负荷之间合理、有效地分配能量，控制单元110需要准确、快速地获得关于储能元件的状态参数（例如电流、电压、温度等）。由于担负双重角色的蓄电池（例如第一蓄电池130A）的电流具有较大的动态变化范围，因此一般需要采用两组电流检测装置，它们包含量程各异的霍尔传感器，分别检测启动过程中的电流和非启动过程中的电流。

但是这种架构增加了系统的复杂性（例如两个霍尔传感器需要互校准），降低了可靠性，而且也不利于降低成本。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于单霍尔传感器架构的汽车电流测量装置，其能够同时满足汽车启动过程和非启动过程的控制需求。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种基于单霍尔传感器架构的汽车电流测量装置，包括：

适于设置在汽车蓄电池的输电导线附近的霍尔传感元件；

信号处理单元，其具有一个预先设定的范围，对于大于该范围的上限的模拟电压信号，其输出具有截止值的数字信号，而对于该范围内的模拟电压信号，其输出与模拟电压信号成比例的数字信号，

其中，所述上限小于所述汽车蓄电池在汽车启动过程时输出电流的峰值。

优选地，在上述汽车电流测量装置中，所述上限根据环境温度调整。

优选地，在上述汽车电流测量装置中，所述霍尔传感元件与所述信号处理单元被集成在一个集成电路器件中。

优选地，在上述汽车电流测量装置中，所述集成电路为开环霍尔效应换能器或闭环霍尔效应换能器中的一种。

本发明的一个目的是提供一种基于单霍尔传感器架构的汽车电气系统，其能够同时满足汽车启动过程和非启动过程的控制需求。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种汽车电气系统，包括：

发电机；

起动机；

第一蓄电池，其与所述发电机并联耦合以形成供电回路；

第二蓄电池，其与起动机并联耦合以形成启动回路；以及

控制单元，其可控地耦合在所述供电回路与所述启动回路之间并提供直流-直流变换，包括电流测量装置，该电流测量装置包括：

适于设置在汽车蓄电池的输电导线附近的霍尔传感元件；

其中，所述上限小于所述汽车蓄电池在汽车启动过程时输出电流的峰值，在汽车启动过程时，所述控制单元被配置为根据所述信号处理单元输出的数字信号监控所述起动机的运行。

本发明的一个目的是提供一种基于单霍尔传感器架构的汽车起动机控制方法，其能够同时满足汽车启动过程和非启动过程的控制需求。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种基于单霍尔传感器架构的汽车起动机控制方法，包括下列步骤：

利用霍尔传感元件测量汽车启动时的蓄电池输出电流；

按照下列方式处理所述霍尔传感元件的模拟输出信号，如果所述输出信号大于一个预先设定的范围的上限，则向控制单元提供截止数字信号，否则，向所述控制单元提供与所述模拟输出信号成比例的数字信号，其中，所述上限小于所述蓄电池在汽车启动过程时输出电流的峰值；

所述控制单元根据所述数字信号监控所述起动机的运行。

优选地，在上述方法中，所述控制单元按照下列方式监控所述起动机的运行：

如果在汽车启动过程开始后的第一预设时间段内，所述数字信号仍然为截止值，则关闭起动机。

优选地，在上述方法中，所述第一预设时段根据下式确定：

I _{limit_max} =α+βT ₁ +γT ² ₁

其中，I _{limit_max} 为所述起动机的允许的最大峰值电流，T ₁ 为所述第一预设时段。

如果在汽车启动过程开始后的第二预设时间段内，所述数字信号的平均值大于第一阈值，则关闭起动机。

按照本发明的实施例，采用单个霍尔传感器即可实现对启动过程和非启动过程中蓄电池电流的测量和监控，因此有效降低了系统的成本和复杂程度。

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。

发明内容

图1示出了一种双蓄电池汽车电气系统示意图。

图2为按照本发明的一个实施例的汽车电流测量装置的示意图。

图3为汽车启动过程中蓄电池输出电流、电压的示意图。

图4为按照本发明的一个实施例的汽车电流测量装置测得的蓄电池输出电流的示意图。

图5为按照本发明的一个实施例的汽车起动机控制方法的流程图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述本发明的具体实施方式来阐述本发明。但是需要理解的是，这些具体实施方式仅仅是示例性的，对于本发明的精神和保护范围并无限制作用。

在本说明书中，“耦合”一词应当理解为包括在两个单元之间直接传送能量或信号的情形，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号的情形，而且这里所称的信号包括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。另外，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。再者，诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之类的用语并不表示单元或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元或数值之用。

如图2所示，该测量装置20包括霍尔传感元件211、放大电路212、温度检测电路220、信号处理单元230和LIN接口240。

霍尔传感元件211被设置在汽车蓄电池的输电导线附近，放大电路212与霍尔传感元件211相连，用于放大检测到的霍尔电压信号。霍尔传感元件211和放大电路212组成了电流检测电路。

放大电路212和温度检测电路220均连接至信号处理单元230。信号处理单元230包括比较器231、A/D转换器232、处理器233和存储器234，比较器231将放大电路212的输出信号与一个预设的阈值TH1进行比较，如果大于该阈值，则向处理器233输出一个截止信号，否则该信号被输出至A/D转换器232，经模数转换后在输出至处理器233。处理器233与LIN接口240相连，其将比较器231和A/D转换器232输出的数字信号封装为信号帧以通过LIN接口240发送给外部的设备，例如汽车电气系统的控制单元的处理器（未画出）；另一方面，处理器233还与存储器234相连，其将前端电路提供的检测信号加上相应的时间戳记存储在存储器234内。

此外，处理器233可以接收温度检测电路220测得的温度信号以对放大电路212提供的测量信号进行温度修正。

图3为汽车启动过程中蓄电池输出电流、电压的示意图。在该图中，纵轴表示启动用蓄电池的输出电流I，而横轴表示时间t。

如图3所示，在汽车启动刚开始时，蓄电池的输出电流I急剧升高，随后形成多个幅值均不断下降的波峰和波谷。为了防止启动过程过长从而造成起动机损坏，图2所示的测量装置20将周期性地采样蓄电池的输出电流I，并报告给控制单元的处理器。受到可靠性和成本等诸多因素的限制，单个电子电路和传感元件的测量范围一般很难覆盖从启动期间的最大峰值电流I _max 到0的范围。

在本发明的实施例中，将电子电路和传感元件的测量范围设计为仅覆盖较小的范围，在该范围以外的信号不作模数转换而只是输出固定值。特别是，将上述较小范围的上限和下限分别设定为阈值TH1和0，该阈值TH1小于I _max ，例如可以是I _max 的60%-70%。这样，当蓄电池的输出电流小于或等于I _max 时，测量装置20将检测到的霍尔信号转换为成比例的数字信号，否则，则将检测到的霍尔信号转换为一个固定的截止信号值。

图4为采用按照本发明实施例的测量装置测得的汽车启动过程中蓄电池输出电流的示意图。在该图中，纵轴表示启动用蓄电池的输出电流I，而横轴表示时间t。

参见图4，将输出电流I跌破阈值TH1的时刻记为t ₀ ，此后输出电路I达到峰值（I ₁ 和I ₂ ）的时刻记为t ₁ 和t ₂ 。本发明的发明人经过研究发现，时刻t ₀ 的大小与图3中的启动过程输出电路最大峰值I _max 切相关并且它们之间的关系可以用下列方程表示：

（1）

这里

、

和

为实验确定的常数。为了更为精确地确定最大峰值I _max，可以将温度因素纳入。为此，使不同的环境温度对应不同的常数组{、

、 }。

优选地，可以将图2所示的霍尔传感元件211、放大电路212、温度检测电路220、信号处理单元230以及LIN接口240集成在一个集成电路器件中。此外，对于本发明而言，集成电路器件可以采用各种类型的霍尔器件来实现，例如包括但不限于开环霍尔效应换能器或闭环霍尔效应换能器。

图5为按照本发明的一个实施例的汽车起动机控制方法的流程图。示例性地，本实施例的方法被应用于图1所示的汽车电气系统并且采用图2所示的测量装置20来测量蓄电池的输出电流。

当汽车启动时，图1所示的控制单元110接通第一蓄电池130A与起动机140的回路，起动机140开始工作。参见图5，在步骤510中，测量装置20周期性地测量第一蓄电池130A的输出电流，并且在步骤520判断自启动起经历的时间t是否达到第一预设时间段T1。如果大于第一预设时间段，则转入步骤530，否则返回步骤510。第一预设时间段T1的长度根据起动机140的耐大电流时间设定，例如可以设置为2-3秒。可选地，可以根据起动机140的极限电流设定，也就是说，可以利用上式（1），由给定的极限电流或允许的最大峰值电流I _{limit_max} 计算出相应的时刻t0作为预设时段T1。在经过了预设时段T1之后，如果第一蓄电池130A的输出电流仍然为截止值，则可以判断起动机的峰值电流肯定超过极限电流或允许的最大峰值电流I _{limit_max} 。

在步骤530，测量装置20判断测得的第一蓄电池130A的输出电流I（T1）是否等于第一阈值TH1，如果等于第一阈值TH1，则表明流经起动机140的大电流持续时间过长，将导致导线损毁，因此转入步骤540，测量装置20向控制单元110的处理器报警，作为响应，控制单元110立即关闭起动机140。如果小于第一阈值TH1，则转入步骤550。

在步骤550，测量装置继续周期性地测量第一蓄电池130A的输出电流，并且在步骤560判断自启动起经历的时间t是否达到第二预设时间段T2。如果大于或等于第二预设时间段，则转入步骤570，否则返回步骤550。第二预设时间段T2的长度根据起动机140发生故障的概率设定。例如试验发现，对于在自启动起第30秒时蓄电池的输出电流仍然大于TH2的情况，起动机发生故障的概率为80%，如果80%的概率是发动机故障的容忍极限值，则此时可以将T2设置为30秒。

在步骤570，测量装置20判断测得的第一蓄电池130A的输出电流I（T2）是否大于或等于第二阈值TH2，如果大于或等于第二阈值TH2，则表明起动机140可能存在故障，因此转入步骤580，测量装置20向控制单元110的处理器输出可能发生故障的提示。随后，进入步骤590。

作为步骤570的另外一个分支，如果输出电流小于第二阈值TH2，则直接转入步骤590。

在步骤590，控制单元110按照普通的方式对起动机140进行控制以完成启动过程。

值得指出的是，在本实施例中，判断步骤530和570都基于输出电流的单时点值。但是在实际应用中，在时刻T1和T2附近蓄电池的输出电流可能会由于偶发因素而突然增大或减小，这将造成对起动机运行状态的误判。为了避免这个问题，在步骤530和570，可以用第一蓄电池130A的输出电流时间平均值（例如在T1和T2之前一段时间的平均值或者自启动开始起的平均值）来代替单时点值。

由于可以在不背离本发明基本特征的精神下，以各种形式实施本发明，因此本实施方式是说明性的而不是限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求定义，而不是由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包涵。

Claims

1.一种基于单霍尔传感器架构的汽车电流测量装置，其特征在于，包括：

适于设置在汽车蓄电池的输电导线附近的霍尔传感元件；

其中，所述上限小于所述汽车蓄电池在汽车启动过程时输出电流的峰值。

2.如权利要求1所述的汽车电流测量装置，其中，所述上限根据环境温度调整。

3.如权利要求1所述的汽车电流测量装置，其中，所述霍尔传感元件与所述信号处理单元被集成在一个集成电路器件中。

4.如权利要求3所述的汽车电流测量装置，其中，所述集成电路为开环霍尔效应换能器或闭环霍尔效应换能器中的一种。

5.一种汽车电气系统，其特征在于，包括：

发电机；

起动机；

第一蓄电池，其与所述发电机并联耦合以形成供电回路；

第二蓄电池，其与起动机并联耦合以形成启动回路；以及

控制单元，其可控地耦合在所述供电回路与所述启动回路之间并提供直流-直流变换，包括电流测量装置，该电流测量装置包括：

适于设置在汽车蓄电池的输电导线附近的霍尔传感元件；

6.一种基于单霍尔传感器架构的汽车起动机控制方法，其特征在于，包含下列步骤：

利用霍尔传感元件测量汽车启动时的蓄电池输出电流；

所述控制单元根据所述数字信号监控所述起动机的运行。

7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述第一预设时段根据下式确定：

I_{limit_max}=α+βT₁+γT² ₁

其中，I_{limit_max}为所述起动机的允许的最大峰值电流，T₁为所述第一预设时段。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述控制单元按照下列方式监控所述起动机的运行：

如果在汽车启动过程开始后的第一预设时刻，所述数字信号仍然为截止值，则关闭起动机。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述控制单元按照下列方式监控所述起动机的运行：

如果在汽车启动过程开始后的第二预设时刻，所述数字信号的平均值大于第一阈值，则关闭起动机。