CN104364662A - 用于通过采样确定负荷信号的最大电压值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过以一个给定频率采样以确定至少一个机动车辆电池单体的负荷信号的最大电压值的方法，有待采样的负荷信号被整流并且是正弦曲线形式、并且具有比该采样频率更高的一个频率，该方法包括以下步骤：确定该采样频率、在该采样频率下的测量时间以及相关的不精确度，用这个预确定的采样频率和这个预确定的测量时间测量该负荷电压，以及确定该最大负荷电压。

Description

用于通过采样确定负荷信号的最大电压值的方法

技术领域

本发明的技术领域是高频测量系统并且更具体地讲是在采样下的高频测量系统。

背景技术

在串行通信的高频测量系统中，必须优化数据测量和处理时间以便能够以一个可接受的精确度执行所有的测量。为此，目标是使分配给每次测量的时间最小。

在机动车辆的电池领域中，在由一个单项充电器对单体电池充电的过程中检测单体的最大电压值中出现了这个问题。

在这样的充电过程中，一个单体的电压表现出一个缓慢变化的几乎连续的分量和一个交流分量，该交流分量的出现是直接与由充电器输送的充电电流相关联的。在单相充电过程中，这个交流分量是一个整流正弦信号。该信号的这个部分被称作纹波。检测该信号的最大值要求足够精确的测量采样。

该单体电压对于监控而言是一个特别重要的参数。实际上，当这个电压偏离推荐的值带时，会发生不正常的电化学反应，从而导致电池的退化。这些事件可能不会立即发生，但其过程在该单体电压超出授权的电压带时立即开始。因此当达到上限或下限时有必要立即行动。在这样一种情况下，采取的反应可以是限制或中断该电流以保持在授权的电压带内。因此有能够测量每个电池单体的电压最大值是必要的。

出于安全起见，将一个裕度值添加到测量值。因此所考虑的测量值是过高估算的。如以上看到的，高的单体电压引起低的充电功率。由于对单体电压的过度估算对于确定充电功率而言是显然的，这将导致降低充电功率，这将涉及增加充电时间。

于是目标是使裕度值最小化，从而使得有可能确保将信号保持在使之有可能使充电功率最大化而同时维护每个单体的安全的极限之间。

优化分配给电压测量的时间也是必要的。

目前存在两种解决方案来解决对低测量时间和高测量精确度的约束。

第一种解决方案是并联地连接测量装置以便减少串行通信。然而，这必需使硬件元件增多，这会产生不是不值得考虑的成本增加。

另一种解决方案在于用少的测量采样来实现，该信号的平均值则仅是可触及的有意义的值。这可以通过增大该上限或下限周围的安全裕度来实现。借助于以上说明的充电电流计算，增加安全裕度会导致对充电功率的永久低估。于是直接增加充电时间。

因此，使得有可能使安全裕度最小化并增加充电功率且同时确保机动车电池单体的安全性的测量参数的确定仍然存在问题。

具体实施方式

本发明的主题是一种用于通过以一个频率采样以确定机动车辆的至少一个电池单体的充电信号的最大电压值的方法，有待采样的充电信号被整流成正弦曲线形式并且具有比该采样频率更大的一个频率。该方法包括以下步骤：

确定该采样频率、在该采样频率下的测量时间以及相关联的不精确度，

用这个确定的采样频率和这个确定的测量时间测量该充电电压，以及

确定该充电电压的最大值。

可以通过执行以下步骤来确定该采样频率、该测量时间以及相关联的不精确度：

a)针对一个采样频率范围内的每个采样频率实施以下步骤b)至步骤e)，

b)针对一个相位差范围的每个相位差值，实施以下步骤c)至步骤d)，

c)针对一个测量时间范围的每个测量时间，确定与以展示根据该测量时间值的一个相位差的频率进行的一次测量相关联的不精确度，

d)针对所考虑的采样频率，从与所考虑的相位差相关的所有不精确度中选择出针对各个相位差的最低不精确度，

e)从针对所考虑的各个相位差和各个采样频率所确定的这些最低不精确度的值中选择出针对各个采样频率的“最坏情况”不精确度，

f)从针对各个采样频率所确定的这些最低不确定度值确定出最低不精确度，

g)确定与该最低不精确度相对应的采样频率和测量时间。

可以限定包括一个最小频率、一个最大频率、以及一个频率步长的一个采样频率范围，

可以限定包括一个最小相位差、一个最大相位差以及一个相位差步长的一个相位差范围，并且

可以限定包括一个最小测量时间、一个最大测量时间以及一个测量时间步长的一个测量时间范围。

该最大测量时间可以被定义为是由该采样频率的倒数与有待采样的信号的频率同该采样频率的比率的整数部分的乘积推导出的。

通过阅读仅作为非限制性实例并且参照单一附图给出的以下说明，将会清楚其他目的、特征和优点，在附图中展示了一种用于确定最大电压值的方法。

对电池充电所采用的交流电压通常是正弦形式的。为了确定要施用的最小裕度，有必要对充电交流电压的最大值进行精确测量。

这种交流电压的测量信号可以由以下方程来定义：

s(t)＝A·|sin(ω·t+Φ)|+B      (Eq.1)

其中：

A：测量信号的幅值

B：平均信号值

ω信号的脉冲ω＝2.π.f

f：频率，单位Hz

Φ：信号的相位差，在从0至π的范围内变化

t：时间变量，其起点取自于获取第一样本的时刻。

时间信号s(t)是以脉冲ω_e进行采样的。由这次采样产生的测量点满足以下方程：

$S_e\left(k\right)=A\·\left|\sin (2\·\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_e}\·k+\mathrm{\Φ})\right|---(\mathrm{Eq}.2)$

其中k是在从0至n的范围内变化的一个整数。

在以脉冲ω_e测量n次之后，获得包括n+1个样本S_e(0)至S_e(n)的矢量，从而形成以下矢量

$S_{\mathrm{\Φ}}^{*}=\left[\begin{array}{cccccc}{s}_e^{\mathrm{\Φ}}\left(0\right)& s_e^{\mathrm{\Φ}}\left(1\right)& ...& s_e^{\mathrm{\Φ}}\left(k\right)& ...& s_e^{\mathrm{\Φ}}\left(\mathrm{\Φ}\right)\end{array}\right]---(\mathrm{Eq}.3)$

在一次测量过程中，只有矢量是可触及的。因此，通过可获得的的最大值，仅存在A的一个估算值。换言之，有可能仅确定出矢量中可获得的这些值中的最大值。因此，不可能确定该信号实际上是否已经通过还未被测量的上限值。然而，通过增加获取点的个数可以使这种情形最小化。于是显现的是，有必要确定获取点的个数与可获得的测量时间之间的权衡。

概括地说，为了使A的估算值具有良好的精确度，对于一个给定的脉冲ω_e而言，必须获得足够的样本数n。

相位差Φ取决于测量第一个样本所在的时刻。由于在不知道测量第一个样本的时刻的情况下不可能知道该相位差，所以该相位差是该问题的一个约束参数。对的最大值的计算围绕这个问题，称作“最坏情况”。这考虑到寻找随Φ变化而变化的最大值的最不好的估算值。在这些条件下，根据该相位差的测量值可能仅等于或者好于这个“最坏情况”估算值。因此，有可能使在测量中不可控制的相位差的影响消失。

总体上，样本S_e(k)展示了一种从一个连续分量和正弦分量的叠加推导出的形状。为了使S_e(k)最大化，作出努力使其正弦分量最大化。

对于正弦函数而言，时为最大值，其中p是一个整数。变量p是在0与p_max之间变化的一个整数。通过选择最接近有待采样的频率与该采样频率的比率的整数来获得p_max值。在实践中，优先考虑在2与p_max之间变化的p值。实际上，等于1的p值不可能获得可靠的测量。该p值可以被比作该采样频率每次交替时开始的并且取决于有待采样信号的测量时间。因此，应当理解的是，该p值可以在该最大值处仅对应于两次采样之间的时间，对有待采样的信号的多次测量是在这个时间内进行的。

为了使S_e(k)最大化，因此作出努力求解以下方程：

$2\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_e}\·n+\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}+p\·\mathrm{\π}---(\mathrm{Eq}.4)$

方程4的解给出了n的以下值。

对于一个规模为n的矢量而言，其中n满足方程5，将应用以下方程：

$\max \left(S_{\mathrm{\Φ}}^{*}\right)=A---(\mathrm{Eq}.6)$

求解这个方程的难度在于事实上p和n是整数。因此，总体上，这个方程不采纳任何解。

然而，对于任何p整数而言，总存在一个实数x满足方程5。点x_p的数列X被定义为使得：

此外，必须在0.1秒的时间间隔内求解这个方程。此时，

因此

$p\≤\frac{1}{\mathrm{\π}}\·(0.1\·\mathrm{\ω}-\frac{\mathrm{\π}}{2})---(\mathrm{Eq}.9)$

一旦已经估算出点x_p的数列X，就选择最接近一个整数的点x_p。因此，限定了有待测量的样本数n。为此，求解以下方程：

n＝min|round(x_p)-x_p|       (Eq.10)

其中round()是给出最靠近一个实数的整数的函数。换言之，对于每个p值而言，点x_p被限定由两个整数n和n+1围绕。在我们的样本中，将会有在n和n+1处的信号值：和最接近整数n的点x_p将给出最佳精确度。使用方程10找出这个点。

n可以被写成n^*＝x_p+ε的形式，ε可比于n与整数x_p的估算误差。于是有可能估算对s(t)的最大值作出的误差：

$s_e^{\mathrm{\Φ}}\left(n^{*}\right)=A\·\left|\sin (2\·\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_e}\·(x_p+\mathrm{\ϵ})+\mathrm{\Φ})\right|---(\mathrm{Eq}.11)$

该方程可以被展开成如下：

$s_e^{\mathrm{\Φ}}\left(n^{*}\right)=A\·\left|\sin (2\·\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_e}\·x_p+\mathrm{\Φ}+2\·\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_e}\·\mathrm{\ϵ})\right|---(\mathrm{Eq}.12)$

此时，通过定义，

$2\·\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_e}\·x_p+\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{p\π}---(\mathrm{Eq}.13)$

并且，

$\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{p\π}+x)=\cos \left(x\right)---(\mathrm{Ep}.14)$

因此，获得以下方程：

$s_e^{\mathrm{\Φ}}\left(n^{*}\right)=A.|\cos (2\·\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_e}\·\mathrm{\ϵ})---(\mathrm{Eq}.15)$

因而获得了其余弦部分对应于s(t)的最大值A的不精确度。

作为一种提示，此时目标是找出适用于对正弦曲线形式的测量信号s(t)的幅值A进行测量的一个采样频率ω_e/2π(由fe指代)。该目标还要通过针对各个Φ值应用方程15对进行估算得到不确定度。

该方法开始于步骤1，在该步骤中确定包括一个最小频率、一个最大频率、以及一个频率步长的一个采样频率范围。采样频率fe在0与该采样系统的最大频率fe_max之间变化。采样频率步长可以是该最大频率的一个分数以使得该最大频率对应于整数个频率步长。

类似地，还限定了包括一个最小相位差、一个最大相位差以及一个相位差步长的一个相位差范围。

该相位差在0至π的范围内变化。该步长优选地被限定成使得该最大相位差对应于整数个相位差步长

最后，限定在2与p_max之间变化的一个p值范围。该p值还对应于每次采样时的测量时间。该步长总体上被限定为等于一。

在步骤2的过程中，选择该采样频率范围中的最小频率。

在步骤3的过程中，从该相位差范围中选择最小相位差。

在步骤4的过程中，从该p值范围中选择第一p值。

在步骤5的过程中，通过应用方程7估算xp的值。

在步骤6的过程中，通过应用方程10确定样本数n。通过已知采样频率fe，测量时间等于n/fe。

在步骤7的过程中，通过应用方程15根据参数p的值确定与在频率ω_e下的测量值和相位差Φ相关联的不精确度

在步骤8的过程中，对于在步骤4中选择的值p是否为该p值范围的最后一个值作出确定。

如果不是这种情况，则通过使该p值增加p值步长再次执行步骤5至步骤7。

因此获得与不同的参数p的值各自相关联的不精确度的值。对个各个不精确度而言，频率ω_e和相位差Φ是设定的。

当值p被认为是最后一个值时，该方法继续步骤9，在该步骤的过程中从这些不精确度的值确定出最小值。然后将该最小不精确度的值连同相关联的频率fe、相位差Φ以及参数p值存储到一个图谱中。

该方法继续步骤10，在该步骤的过程中对于在第三步骤中选择的相位差值是否为该相位差范围中的最后一个值作出确定。

如果不是这种情况，则通过使该相位差增加相位差步长再次执行步骤4至步骤8。

因此获得了各自与一个相位差Φ相关联的不精确度的一组最小值。对于各个不精确度而言，频率fe是设定的。该不精确度的每个最小值都是由该第一回路推导出的，其与一个特定的p值相关联。

当值相位差值被认为是最后一个值时，该方法继续步骤11，在该步骤的过程中从获得的这些不精确度的值确定出“最坏情况”值。这样一种选择方法在于选择该精确度最不好时的测量。

因此获得了对于在频率fe下的测量而言的不精确度的最不好的值。此外，该不精确度的每个较不好的值是与参数p的一个值相关联的。所采用的选择方法具有消除相位差的影响的效果。实际上，该精确度最坏将等于该最不好的值，而最好则它将更加精确。由于相位差是难以控制的，这种选择方法使得有可能具有一个过高估算的但仍然有效的测量不精确度的值。

该方法继续步骤12，在该步骤的过程中对于在第三步骤中选择的频率是否为该频率范围中的最后一个值作出确定。

如果不是这种情况，则通过使该频率增加频率步长再次执行步骤4至步骤11。

当该频率值被认为是最后一个值时，该方法继续步骤13。

于是获得了各自与一个频率fe相关联的不精确度的一组最坏值。通过以上这些步骤，该不精确度的每个值都与一个特定的p值相关联。

该方法以确定这些不精确度的值中的最小值结束。然后确定与这个选择的值相关联的采样频率fe和p值测量次数。采用该采样频率fe和p值测量次数以便将该测量装置配置成测量该充电电压。

Claims (4)

1.一种用于通过以一个频率采样以确定机动车辆的至少一个电池单体的充电信号的最大电压值的方法，有待采样的充电信号被整流成正弦曲线形式并且具有比该采样频率更大的一个频率，其特征在于，该方法包括以下步骤：

确定该采样频率、在该采样频率下的测量时间以及相关联的不精确度，

用这个确定的采样频率和这个确定的测量时间测量该充电电压，以及

确定该充电电压的最大值。

2.如权利要求1所述的方法，其中通过执行以下步骤来确定该采样频率、该测量时间以及相关联的不精确度：

a)针对一个采样频率范围的每个采样频率，实施以下步骤b)至步骤e)，

b)针对一个相位差范围的每个相位差值，实施以下步骤c)至步骤d)，

c)针对一个测量时间范围的每个测量时间，确定与以展示根据该测量时间值的一个相位差的频率进行的一次测量相关联的不精确度，

d)针对所考虑的采样频率，从与所考虑的相位差相关的所有不精确度中选择出针对各个相位差的最低不精确度，

e)从针对所考虑的各个相位差和各个采样频率所确定的这些最低不精确度的值中选择出针对各个采样频率的“最坏情况”不精确度，

f)从针对各个采样频率所确定的这些最低不确定度值确定出最低不精确度，

g)确定与该最低不精确度相对应的采样频率和测量时间。

3.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中限定了包括一个最小频率、一个最大频率、以及一个频率步长的一个采样频率范围，

限定了包括一个最小相位差、一个最大相位差以及一个相位差步长的一个相位差范围，并且

限定了包括一个最小测量时间、一个最大测量时间以及一个测量时间步长的一个测量时间范围。

4.如权利要求3所述的方法，其中该最大测量时间被定义为是由该采样频率的倒数与有待采样的信号的频率同该采样频率的比率的整数部分的乘积推导出的。