CN103675493A - 汽车起动机故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车起动状态的检测，特别涉及一种基于单霍尔传感器架构的汽车起动机故障检测方法。按照本发明的汽车起动机故障检测方法包含下列步骤：利用霍尔传感元件测量汽车启动时的蓄电池输出电流；按照下列方式处理所述霍尔传感元件的模拟输出信号，将截止区内的所述模拟输出信号变换为截止信号形式的数字信号并提供给控制单元，将截止区以外的所述模拟输出信号变换为成比例的数字信号并提供给所述控制单元，其中，所述在所述截止区内，所述模拟输出信号大于一个预先设定的第一阈值（TH1），所述第一阈值（TH1）小于所述蓄电池在汽车启动过程时输出电流的峰值（I_max）；以及所述控制单元根据所述数字信号确定所述起动机是否发生故障。

Description

汽车起动机故障检测方法

技术领域

本发明涉及汽车起动状态的检测，特别涉及一种基于单霍尔传感器架构的汽车起动机故障检测方法。

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与第一蓄电池130A无法满足用电需求时，在控制单元110的控制下，第二蓄电池130B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（例如第二蓄电池130B）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，从而实现对汽车起动机的故障检测。

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起动机故障检测方法，其能够降低系统复杂性并提高可靠性的优点。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种汽车起动机故障检测方法，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；

按照下列方式处理所述霍尔传感元件的模拟输出信号，将截止区内的所述模拟输出信号变换为截止信号形式的数字信号并提供给控制单元，将截止区以外的所述模拟输出信号变换为成比例的数字信号并提供给所述控制单元，其中，所述截止区被设定为，在其内中所述模拟输出信号大于一个预先设定的第一阈值，所述第一阈值小于所述蓄电池在汽车启动过程时输出电流的峰值；以及

所述控制单元根据所述数字信号确定所述起动机是否发生故障。

优选地，在上述方法中，所述第一阈值根据环境温度调整。

优选地，在上述方法中，所述控制单元按照下列方式确定所述起动机是否发生故障：

确定从汽车启动过程开始到所述数字信号的平均值小于第二阈值之间的第一时间间隔，所述第二阈值小于所述第一阈值；

如果所述第一时间间隔大于或等于预设的第一时间段，则判断所述起动机出现异常。

优选地，在上述方法中，所述控制单元确定所述起动机是否发生故障的步骤进一步包括下列步骤：

如果所述第一时间间隔小于所述第一时间段，则进一步确定从汽车启动过程开始到所述数字信号的平均值小于第三阈值之间的第二时间间隔，所述第三阈值小于所述第二阈值；

如果所述第二时间间隔大于或等于预设的第二时间段，则判断所述起动机出现异常，所述第二时间段大于所述第一时间段。

优选地，在上述方法中，所述数字信号的平均值按照下列方式确定：

根据所述截止区外的数字信号，将所述截止区内的数字信号变换为随时间变化的数字信号；

根据所述截止区外的数字信号以及所述截止区内随时间变化的数字信号生成蓄电池输出电流随时间变化的曲线；

根据所述曲线计算所述蓄电池输出电流随时间变化的平均值。

优选地，在上述方法中，所述变换基于所述曲线在所述截止区外的波峰的高度和相应的时间位置。

优选地，在上述方法中，所述变换包含下列步骤：

计算所述曲线在所述截止区之后相邻的波峰之间的时间间隔值以及波峰之间的高度差；

根据所述时间间隔值，由最接近所述截止区的波峰位置确定所述截止区内波峰的时间位置；

将所述输出电流的峰值确定为最接近所述汽车起动机开始启动时刻的波峰的高度，并且将该高度依次递减所述高度差以得到所述截止区内后续的波峰的高度；以及

根据前述步骤确定的所述截止区内的波峰的时间位置和高度进行插值运算以将所述截止区内的数字信号变换为随时间变化的数字信号。

优选地，在上述方法中，所述插值运算基于三角函数差值法。

优选地，在上述方法中，当在所述截止区外存在多对相邻波峰时，取平均值作为所述时间间隔值和高度差。

优选地，在上述方法中，根据下式确定所述输出电流的峰值I_max：

其中，t₀为所述截止区结束时刻，α、β和γ为实验确定的常数。

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。

附图说明

图1示出了一种双蓄电池汽车电气系统示意图。

图2为一种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-时间的示意图。

图4为图2所示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故障检测方法的流程图。

图6为按照本发明的一个实施例的截止区内输出电流曲线确定方法的流程图。

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。

图2为一种汽车电流测量装置的示意图。

 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-时间的示意图。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为图2所示汽车电流测量装置测得的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，将输出电流首次高于阈值TH1的时刻记为t^’ ₀并且将输出电流I首次跌破阈值TH1的时刻记为t₀，此后输出电流I达到峰值（I₁和I₂）的时刻记为t₁和t₂。以下将蓄电池输出电流首次取值为TH1和首次跌破TH1之间的时间段（在图4所示的情形下，也即t₀与t^’ ₀之间的时间差）称为截止区。本发明的发明人经过研究发现，时刻t₀的大小与图3中的启动过程输出电流最大峰值I_max相关并且它们之间的关系可以用下列方程表示：

                                     （1）

这里α、β和γ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{α、β、γ}。

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故障检测方法的示意图。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的处理器233来检测故障。但是如果处理器233的处理能力不足，本实施例的方法也可以由控制单元的处理器实现。

在本实施例中，利用截止区之后输出电流的峰值信息来外推出截止区内输出电流的曲线。在图4所示的情形中，将启动汽车起动机的时刻记为启动过程的开始时刻，并且将输出电流跌落至0的时刻记为结束时刻，因此启动过程的持续时间也即上述两个时刻之间经历的时间长度。

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，并且测量装置20周期性地测量第一蓄电池130A的输出电流。参见图5，在步骤510中，测量装置20的处理器233访问存储器235以搜索截止区之后每个波峰的高度以及相应的时间位置。

接着进入步骤520，处理器233根据搜索到的波峰的高度和相应的时间位置计算截止区内波峰的高度和时间位置，并在计算得到的波峰之间进行插值运算，从而得到截止区内的输出电流的曲线。有关截止区内输出电流的确定方式将在下面作进一步的描述。

随后，在步骤530中，根据截止区之内和之外的输出电流曲线可得到其平均值随时间变化的曲线。

随后进入步骤540，处理器233判断平均值自汽车起动机开始启动到回落至阈值TH2以下的时间段t_drop1是否大于或等于一个预设的第一时间段t_TH1，如果判断结果为真，则确定起动机可能存在故障隐患，因此进入步骤550生成指示可能存在故障的消息报文；否则，进入步骤560。这里，阈值TH2小于阈值TH1。

在步骤560，处理器233进一步判断平均值自汽车起动机开始启动到回落至阈值TH3以下的时间段t_drop2是否大于或等于一个预设的第二时间段t_TH2，其中阈值TH3小于阈值TH2，时间段t_drop2大于t_drop1。如果判断结果为真，则确定起动机可能存在故障隐患，因此进入步骤550，生成指示可能存在故障的消息报文；否则，进入步骤570，生成指示发动机运行正常的消息报文。

步骤550和570完成之后都进入步骤580。在该步骤中，处理器233通过LIN接口234将消息报文发送给控制单元110的处理器。

发明人经过研究发现，具有最大峰值I_max的波峰为最接近汽车起动机开始启动时刻的波峰，并且在整个汽车起动机的启动过程期间，相邻波峰的时间间隔和高度差接近相等。基于上述发现，优选地，可采用下列方式确定截止区内的输出电流曲线。

图6为按照本发明的一个实施例的截止区内输出电流曲线确定方法的流程图。

参见图6，在步骤610中，首先计算截止区之后相邻的波峰之间的时间间隔值τ（例如在图4中为波峰l₁与l₂之间的时间间隔）以及波峰之间的高度差δ。当存在多对相邻波峰时，可以取平均值作为所需的时间间隔值τ和高度差δ。

接着进入步骤620，根据步骤610中计算得到的时间间隔值τ，由最接近截止区的波峰位置（例如在图4中为波峰l₁）确定截止区内波峰的位置。例如假设波峰l₁对应的时间位置为t₁，则可以确定截止区内的波峰的时间位置构成一等差数列，即分别为（t₁-τ）、（t₁-2τ）…等。

如上所述，具有最大峰值I_max的波峰为最接近汽车起动机开始启动时刻的波峰，因此随后进入步骤630，根据式（1）计算出该波峰的高度，并且由此将截止区内后续的波峰的高度依次确定为（I_max-δ）、（I_max-2δ）…等。

接着进入步骤640，根据步骤620和630确定的截止区内的波峰的时间位置和高度进行插值运算以生成截止区内的输出电流曲线。优选地，这里的插值运算基于三角函数差值法。

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 (10)

1.一种汽车起动机故障检测方法，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；

按照下列方式处理所述霍尔传感元件的模拟输出信号，将截止区内的所述模拟输出信号变换为截止信号形式的数字信号并提供给控制单元，将截止区以外的所述模拟输出信号变换为成比例的数字信号并提供给所述控制单元，其中，所述截止区被设定为，在其内所述模拟输出信号大于一个预先设定的第一阈值（TH1），所述第一阈值（TH1）小于所述蓄电池在汽车启动过程时输出电流的峰值（I_max）；以及

所述控制单元根据所述数字信号确定所述起动机是否发生故障。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一阈值（TH1）根据环境温度调整。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述控制单元按照下列方式确定所述起动机是否发生故障：

确定从汽车启动过程开始到所述数字信号的平均值小于第二阈值（TH2）之间的第一时间间隔，所述第二阈值（TH2）小于所述第一阈值（TH1）；

如果所述第一时间间隔大于或等于预设的第一时间段，则判断所述起动机出现异常。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述控制单元确定所述起动机是否发生故障的步骤进一步包括下列步骤：

如果所述第一时间间隔小于所述第一时间段，则进一步确定从汽车启动过程开始到所述数字信号的平均值小于第三阈值（TH3）之间的第二时间间隔，所述第三阈值（TH3）小于所述第二阈值（TH2）；

如果所述第二时间间隔大于或等于预设的第二时间段，则判断所述起动机出现异常，所述第二时间段大于所述第一时间段。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中，所述数字信号的平均值按照下列方式确定：

根据所述截止区外的数字信号，将所述截止区内的数字信号变换为随时间变化的数字信号；

根据所述截止区外的数字信号以及所述截止区内随时间变化的数字信号生成蓄电池输出电流随时间变化的曲线；

根据所述曲线计算所述蓄电池输出电流随时间变化的平均值。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述变换基于所述曲线在所述截止区外的波峰的高度和相应的时间位置。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述变换包含下列步骤：

计算所述曲线在所述截止区之后相邻的波峰之间的时间间隔值（τ）以及波峰之间的高度差（δ）；

根据所述时间间隔值（τ），由最接近所述截止区的波峰位置确定所述截止区内波峰的时间位置；

将所述输出电流的峰值（I_max）确定为最接近所述汽车起动机开始启动时刻的波峰的高度，并且将该高度（I_max）依次递减所述高度差（δ）以得到所述截止区内后续的波峰的高度；以及

根据前述步骤确定的所述截止区内的波峰的时间位置和高度进行插值运算以将所述截止区内的数字信号变换为随时间变化的数字信号。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述插值运算基于三角函数差值法。

9.如权利要求7所述的方法，其中，当在所述截止区外存在多对相邻波峰时，取平均值作为所述时间间隔值（τ）和高度差（δ）。

10.如权利要求1所述的方法，其中，根据下式确定所述输出电流的峰值I_max：

其中，t₀为所述截止区结束时刻，α、β和γ为实验确定的常数。

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