CN104345199B - 校正蓄电池测量电流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车电子技术，特别涉及对汽车蓄电池的测量电流进行校正的方法以及基于该方法的汽车电子控制器。按照本发明的用于汽车启停控制的蓄电池SOC确定方法包括下列步骤：接收所述霍尔元件的电压测量信号；根据所述电压测量信号确定所述通电导线内的电流；根据汽车发电机和用电设备的状态对所述电流进行校正；以及对所述电流的校正值在时间上进行积分以得到蓄电池的SOC值。

Description

校正蓄电池测量电流的方法和装置

技术领域

本发明涉及汽车电子技术，特别涉及对汽车蓄电池的测量电流进行校正的方法以及基于该方法的汽车电子控制器。

背景技术

为了提高能源利用效率，启停控制在汽车中正在得到越来越多的应用。在一个典型的启停控制过程中，当刹车踏板被按下时，启停控制系统将检测下列条件是否同时被满足：1)发动机空转并且没有挂挡；2)车轮转速传感器显示为零；以及3)电池传感器显示蓄电池有足够的电能进行下次启动。只有同时满足上述条件，启停系统才关闭发动机，并且在刹车踏板被松开后自动启动发动机。

蓄电池的SOC状态反映了其存储电量的多少，因此准确测定SOC值是实现精准的启停控制的前提条件之一。在现有技术中，常利用电阻法测量流出蓄电池的电流。为此，一般需要在蓄电池的回路内串接精密电阻器，通过测量该精密电阻器两端的电压可确定相应的蓄电池电流。由于需将电阻器串接在回路中，因此要求电阻器与接线端子之间保持很好的电气接触，并且在将它们连接在一起之后尽量不要再拆卸。但是出于维护的需要，拆卸操作将是不可避免的。

基于霍尔原理的电流测量也是现有技术中常用的方法。制造霍尔元件的材料一般为半导体材料(例如硅、锗、砷化铟和锑化铟等)，这使得霍尔元件的输出线性受温度影响较大。考虑到汽车内部的温度环境非常复杂，影响因素众多，这使误差问题变得更为突出。虽然业界已经提出了多种对霍尔传感器进行温度补偿的方法，但是这些补偿方法在处理大的温度动态变化范围方面仍然显得力不从心。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种对汽车蓄电池的测量电流进行校正的方法，其可有效校正蓄电池测量电流的误差以获得精确的SOC值。

按照本发明的一个是实施例，在用于汽车启停控制的蓄电池SOC确定方法中，霍尔元件被设置在与蓄电池相连的通电导线附近，所述方法包括下列步骤：

接收所述霍尔元件的电压测量信号；

根据所述电压测量信号确定所述通电导线内的电流；

根据汽车发电机和用电设备的状态对所述电流进行校正；以及

对所述电流的校正值在时间上进行积分以得到蓄电池的SOC值。

优选地，在上述蓄电池SOC确定方法中，根据下式确定所述电流：

这里，I为所述电流，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅为常数，U_H和U_t分别为所述电压测量信号和所述霍尔元件附近的温度测量信号。

更好地，所述常数α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅通过求解下列方程确定：

这里，l＝m×n，m为温度采样点的数量，n为电流采样点的数量，U_Hk为霍尔元件的电压测量信号的第k个采样值，U_tk为霍尔元件附近的温度测量信号的第k个采样值。

优选地，在上述蓄电池SOC确定方法中，利用BP神经网络确定所述电流，所述BP神经网络包含：

输入层，其包含两个输入节点u₁和u₂，分别输入下列信号：

u₁＝k₁×U_H×U_t

u₂＝k₂×U_H-U_t

U_H和U_t分别为所述电压测量信号和所述霍尔元件附近的温度测量信号，k₁和k₂为归一化常数；

隐含层；

输出层，其包含一个输入节点，输出所述电流。

优选地，在上述蓄电池SOC确定方法中，按照下列方式对所述电流进行校正：

确定汽车发电机输出电流与汽车用电负载的工作电流的差值；以及

对所述差值与所述电流取加权平均以得到所述电流的校正值，其中所述差值的权重因子小于或等于所述电流的权重因子。

本发明的还有一个目的是提供一种实现启停功能的汽车电子控制器，其可有效校正蓄电池测量电流的误差以获得精确的SOC值，从而实现精准的启停控制。

按照本发明一个实施例的实现启停功能的汽车电子控制器包括：输入单元、输出单元和与输入单元和输出单元耦合的处理器，其中，所述输入单元被配置为从设置在与蓄电池相连的通电导线附近的霍尔元件接收电压测量信号，所述输出单元被配置为向发动机控制器发送由所述处理器生成的控制命令，

其中，所述处理器被配置为：根据所述电压测量信号确定所述通电导线内的电流，并且根据汽车发电机和用电设备的状态对所述电流进行校正，以及对所述电流的校正值在时间上进行积分以得到蓄电池的SOC值。

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为按照本发明一个实施例的汽车电子控制器的结构框图。

图2为按照本发明一个实施例的用于汽车启停控制的蓄电池SOC确定方法的流程图。

图3为图2所示方法中所用神经网络模型的示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述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。

还需要指出的是，为阐述方便，附图中各单元并不一定按照它们实际的比例绘制，而且附图中各单元的尺寸以及它们之间的比例不构成对本发明保护范围的限定。

图1为按照本发明一个实施例的汽车电子控制器的结构框图。

如图1所示，按照本实施例的汽车电子控制器10包括输入单元110、处理器120、动态随机存储器130A、非易失存储器130B和输出单元140。

输入单元110与位于汽车电子控制器10外部的传感器和开关211-21n耦合。优选地，输入单元110与传感器和开关211-21n通过总线方式(例如CAN总线)连接。传感器和开关211-21n例如包括但不限于用于测量蓄电池电流的霍尔传感器、温度传感器、汽车速度传感器、发动机转速与曲轴位置传感器、空气流量/进气压力传感器、节气门位置传感器和扭矩传感器等，它们为汽车电子控制器10提供进行控制所需的各种反馈信号。输出单元140将处理器生成的各种控制命令发送给诸如汽车发动机30和汽车发电机40之类的受控设备。

处理器120与输入单元110、动态随机存储器130A、非易失存储器130B和输出单元140耦合，作为汽车电子控制器10的核心单元，其根据非易失存储器130B中存储的控制程序和标准数据，对输入单元110从传感器和开关接收的信号进行预处理、分析、判断，生成相应的控制命令，并且将控制命令经输出单元140发送至受控设备(例如图1中的汽车发动机30和汽车发电机40)。

以下描述图1所示汽车电子控制器的工作原理。

当汽车电子控制器10的处理器120加电启动时，其从非易失存储器130B中将控制程序加载到动态随机存储器130A中。这里的控制程序包括用于实现下面将要所述的蓄电池SOC确定方法的计算机程序。

输入单元110从传感器和开关211-21n接收检测信号和开关信号并传送给处理器120。在本实施例中，输入单元110定期与霍尔传感器和设置在霍尔传感器附近的温度传感器通信以分别接收霍尔电压测量信号和温度测量信号。可选地，输入单元120也可不定期地从霍尔传感器和温度传感器通信接收带时间戳记的蓄电池的状态信号。处理器120处由电压测量信号计算得到与蓄电池相连的通电导线内的电流(可以视为是蓄电池的输入或输出电流)，并由此在时间上对电流进行积分以得到SOC值，该SOC值将在启停控制中用于判断蓄电池是否有足够的电能确保关闭发动机之后还能成功启动。值得指出的是，在本实施例中，电流的计算除了考虑温度校正因素之外，还借助汽车发电机和用电设备的工作参数进行间接校正，这可以明显提高电流精度。

图2为按照本发明一个实施例的用于汽车启停控制的蓄电池SOC确定方法的流程图。为阐述方便起见，这里假设利用图1所示的汽车电子控制器实现本实施例的方法。但是需要指出的是，本发明的原理并不局限于特定类型和结构的控制装置。

如图2所示，在步骤210，图1中的输入单元110从霍尔传感器获取电压测量信号并且从设置在霍尔传感器附近的温度传感器获取温度测量信号。霍尔传感器包含设置在与蓄电池相连的通电导线附近的霍尔元件(例如通电导线穿过霍尔元件的环形线圈)，由于电压较小，因此还可以将放大器集成在霍尔传感器中以放大感测到的信号。另外，为了精确地测量霍尔元件的温度，可以将温度传感器与霍尔元件贴合在一起。

待测电流在霍尔元件中诱发的霍尔电压除了取决于器件结构和参数之外，还受到温度的影响，因此可以将待测电流视为是霍尔电压和温度的函数。本发明的发明人发现，对于一定的温度范围(例如-10℃至+50℃，具体范围与霍尔传感元件的结构和材料参数相关)，待测电流与霍尔电压测量信号和温度测量信号之间的关系可以用下列简单的解析式作比较精确的描述：

这里，I为待测电流的经过温度校正的值，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅为常数，U_H和U_t分别为霍尔电压测量信号和温度测量信号。

以下描述常数α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅的标定方法。

对于式(1)确定的I，其与实验标定值之间存在误差e，为使校正值与标定值最佳拟合，则应使均方误差R最小。为此，可令R对α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅的偏导数为零，从而可得下列方程：

其中，

这里，l＝m×n，m为温度采样点的数量，n为电流采样点的数量，U_Hk为霍尔元件的电压测量信号的第k个采样值，U_tk为霍尔元件附近的温度测量信号的第k个采样值。也就是说，首先设置m个温度采样点，对于每个温度采样点，设置n个电流采样点(也即在导线中通以已知大小的电流)，由此测得n个电压信号的采样值。当将上述温度采样值和电压采样值代入上述方程(2)和(3)之后，即可求解出常数α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅。

按照本发明的实施例，对于式(1)不适用的温度范围，采用神经网络模型来计算待测电流的修正值。

图3为所用神经网络模型的示意图。如图3所示，该模型采用三层反向传播神经网络，其包含一层输入层、一层隐含层和一层输出层。输入层包含2个输入神经元，输出层包含1个输出神经元。

本发明的发明人发现，如果在输入层的两个输入节点u₁和u₂上分别输入下列信号可以在保证精度的前提下有效简化神经网络模型的结构并提高计算速度：

U_H和U_t分别为霍尔电压测量信号和温度测量信号，k₁和k₂为归一化常数。

对于隐含层，其节点的数量可以取各种数值，例如从4个到16不等。输出层包含一个输入节点，输出待测电流。对于隐含层和输出层，其激活函数可采用下列形式：

这里，δ取值范围为0.2-0.5之间。

基于上述考虑，在步骤220中，处理器120判断测得的温度是否属于预设范围(例如-10℃至+50℃)之内，如果判断结果为真，则进入步骤230，根据上面所述的解析式(1)来计算与蓄电池相连的通电导线内的电流，否则，则进入步骤240，利用图3所示的神经网络模型计算与蓄电池相连的通电导线内的电流。应该理解的是，这里的电流既可以是流入蓄电池的充电电流，也可以是流出蓄电池的输出电流。

步骤230和240完成之后均进入步骤250，处理器120计算汽车发电机的输出电流与用电设备的工作电流之差。当该差值大于0时，表示汽车发电机在向用电设备提供工作电流的同时，还向蓄电池充电；当该差值小于0时，表示汽车发电机和蓄电池同时向用电设备提供工作电流。

随后进入步骤260，处理器120对步骤230和240中计算得到的电流按照下式(6)进行校正：

I_m＝λ₁I_H+λ₂(I_G-I_L) (6)

这里，I_m、I_H、I_G和I_L分别为校正电流、在步骤230和240中由霍尔电压测量信号计算得到的电流、汽车发电机的输出电流以及用电设备的工作电流，λ₁和λ₂为归一化的权重因子并且λ₁≥λ₂。

接着进入步骤270，处理器120按照下式(7)对校正电流I_m在时间上进行积分以得到蓄电池当前的SOC值并且保存在非易失存储器130B中以供启停控制过程调用：

这里，I_m为校正电流，Δt为采样周期。

随后进入步骤280，处理器120判断是否经过一个预设的采样周期(也即式(7)中的Δt)，如果已经经过一个采样周期，则返回步骤210，否则则继续等待。

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 (8)

1.一种用于汽车启停控制的蓄电池SOC确定方法，其中，霍尔元件被设置在与蓄电池相连的通电导线附近，所述方法包括下列步骤：

接收所述霍尔元件的电压测量信号；

根据所述电压测量信号确定所述通电导线内的电流；

根据汽车发电机和用电设备的状态对根据所述电压测量信号确定的电流进行校正；以及

对根据所述电压测量信号确定的电流的校正值在时间上进行积分以得到蓄电池的SOC值，

其中，按照下列方式对根据所述电压测量信号确定的电流进行校正：

确定汽车发电机输出电流与汽车用电负载的工作电流的差值；以及

对所述差值与根据所述电压测量信号确定的电流取加权平均以得到根据所述电压测量信号确定的电流的校正值，其中所述差值的权重因子小于或等于根据所述电压测量信号确定的电流的权重因子。

2.如权利要求1所述的蓄电池SOC确定方法，其中，如果所述霍尔元件的温度在预设范围之内，则根据下式确定根据所述电压测量信号确定的电流：

<mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>H</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>3</mn> </msub> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>4</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>H</mi> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>5</mn> </msub> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow>

这里，I为根据所述电压测量信号确定的电流，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅为常数，U_H和U_t分别为所述电压测量信号和所述霍尔元件附近的温度测量信号。

3.如权利要求2所述的蓄电池SOC确定方法，其中，所述常数α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅通过标定方法确定。

4.如权利要求1所述的蓄电池SOC确定方法，其中，如果所述霍尔元件的温度在预设范围之外，则利用BP神经网络确定根据所述电压测量信号确定的电流，所述BP神经网络包含：

输入层，其包含两个输入节点u₁和u₂，分别输入下列信号：

u₁＝k₁×U_H×U_t

u₂＝k₂×U_H-U_t

U_H和U_t分别为所述电压测量信号和所述霍尔元件附近的温度测量信号，k₁和k₂为归一化常数；

隐含层；

输出层，其包含一个输入节点，输出根据所述电压测量信号确定的电流。

5.一种实现启停功能的汽车电子控制器，包括：输入单元、输出单元和与输入单元和输出单元耦合的处理器，其中，所述输入单元被配置为从设置在与蓄电池相连的通电导线附近的霍尔元件接收电压测量信号，所述输出单元被配置为向发动机控制器发送由所述处理器生成的控制命令，

其中，所述处理器被配置为：根据所述电压测量信号确定所述通电导线内的电流，并且根据汽车发电机和用电设备的状态对根据所述电压测量信号确定的电流进行校正，以及对根据所述电压测量信号确定的电流的校正值在时间上进行积分以得到蓄电池的SOC值,

其中，所述处理器按照下列方式对根据所述电压测量信号确定的电流进行校正：

确定汽车发电机输出电流与汽车用电负载的工作电流的差值；以及

对所述差值与根据所述电压测量信号确定的电流取加权平均以得到根据所述电压测量信号确定的电流的校正值，其中所述差值的权重因子小于或等于根据所述电压测量信号确定的电流的权重因子。

6.如权利要求5所述的汽车电子控制器，其中，如果所述霍尔元件的温度在预设范围之内，则所述处理器根据下式确定根据所述电压测量信号确定的电流：

<mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>H</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>3</mn> </msub> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>4</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>H</mi> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>5</mn> </msub> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow>

这里，I为根据所述电压测量信号确定的电流，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅为常数，U_H和U_t分别为所述电压测量信号和所述霍尔元件附近的温度测量信号。

7.如权利要求6所述的汽车电子控制器，其中，所述常数α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅通过标定方法确定。

8.如权利要求5所述的汽车电子控制器，其中，如果所述霍尔元件的温度在预设范围之外，则所述处理器利用BP神经网络确定根据所述电压测量信号确定的电流，所述BP神经网络包含：

输入层，其包含两个输入节点u₁和u₂，分别输入下列信号：

u₁＝k₁×U_H×U_t

u₂＝k₂×U_H-U_t

U_H和U_t分别为所述电压测量信号和所述霍尔元件附近的温度测量信号，k₁和k₂为归一化常数；

隐含层；

输出层，其包含一个输入节点，输出根据所述电压测量信号确定的电流。