CN104422917B - 在范围内的电流传感器的故障检测 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在范围内的电流传感器的故障检测，公开了一种电流传感器故障检测系统，所述电流传感器故障检测系统能够在电流传感器运行并提供位于正常运行范围内的电流传感器输出时检测电流传感器故障。电流传感器由至少一个控制器监视，所述至少一个控制器比较电池荷电状态误差的变化量与预定阈值。所述电池荷电状态误差的变化量是通过电池电流关于时间作积分运算而计算的电池荷电状态第一变化与基于在所述时间期间的电池开路电压而计算的电池荷电状态第二变化之间的差。

Description

在范围内的电流传感器的故障检测
技术领域
本公开涉及当电流传感器在有效运行范围内操作时电流传感器故障的检测。
背景技术
电流传感器用于混合动力车辆以检测流入和流出电池包的电流。这些传感器的准确性和操作性在监视整个混合动力系统操作-允许车辆满足排放和安全需求中可能是很重要的。传统地，如果传感器提供可容许的运行范围之外的输出，那么传感器故障被确定。当传感器提供在特定以及正常运行范围内的输出数据时，更难检测传感器故障。
现在，装备有电流传感器的车辆在传感器停止输出数据时或在输出超过特定运行范围的情况下检测故障。
发明内容
公开了一种电流传感器故障检测策略，所述电流传感器故障检测策略能够在电流传感器运行并提供位于正常运行范围内的电流传感器输出时检测电流传感器故障。在特定的示例中，通过至少一个控制器监视电流传感器，所述至少一个控制器将电池荷电状态误差的变化量与预定阈值进行比较。电池荷电状态误差的变化量可来源于由电池电流关于时间作积分运算而计算的电池荷电状态第一变化量与基于在所述时间期间的电池开路电压而计算的电池荷电状态第二变化量之间的差值。如果所述误差大于所述阈值，那么控制器可调节电机的运转。所述运转变化可包括限制来自电池的电流或产生信号。
根据本发明的一方面，一种车辆，包括：电池；传感器，被构造为感测电池的电流；电机，电连接到电池；至少一个控制器，被配置为响应于检测传感器的误差状态，在随后的驱动循环期间限制用于电机的最大电流，以限制来自电池的电流，其中，所述传感器的误差状态由电池的在驱动循环之前的开路电压与在驱动循环之后的开路电压的差比用于驱动循环的电池荷电状态的变化量大或小预定量而限定。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个控制器还被配置为响应于检测误差状态，输出指示电流传感器的误差状态的信号。
根据本发明的一个实施例，电池荷电状态的变化量是基于用于驱动循环的电池的安培小时净变化量与电池容量的商。
根据本发明的另一方面，一种控制用于车辆的动力系统的方法，包括：响应于请求起动车辆，在驱动循环开始之前测量牵引电池的第一开路电压；在驱动循环期间测量牵引电池的电流；在车辆停止之后，测量牵引电池的第二开路电压；基于开路电压之间的差以及电流检测与牵引电池关联的电流传感器的误差状态；响应于检测误差状态，产生指示电流传感器的误差状态的输出。
根据本发明的一个实施例，在牵引电池的预定稳定时间到期时测量第二开路电压。
根据本发明的一个实施例，电池的预定稳定时间大于4秒。
根据本发明的一个实施例，检测误差状态还基于电池的容量。
根据本发明的另一方面，一种车辆，包括：电池；传感器，被配置为感测电池的电流；电机，电连接到电池；至少一个控制器，被编程为响应于检测传感器的误差状态，输出指示传感器的误差状态的信号，其中，所述传感器的误差状态由电池的在驱动循环之前开路电压与在驱动循环之后开路电压的差比用于驱动循环的电池荷电状态的变化量大或小预定量而限定。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个控制器还被编程为，响应于检测误差状态，在随后的驱动循环期间限制用于电机的最大电流，以限制来自电池的电流。
根据本发明的一个实施例，电池荷电状态的变化量是基于用于驱动循环的电池的安培小时净变化量与电池容量的商。
附图说明
图1示出了具有电池包的混合动力电动车辆的示例；
图2示出了由电池单元与电池单元监视和控制系统组成的电池包布置；
图3是示出用于典型锂离子电池单元的开路电压(VOC)和电池荷电状态(SoC)关系的图；
图4示出了利用电池SoC和时间的关系图计算SoC变化的不同的方法；
图5示出了在随后的电力循环中系统电力增加时确定的故障检测的流程图；
图6示出了在单个电力循环结束时确定的故障检测的流程图。
具体实施方式
本说明书描述了本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其他实施例可以以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。本领域内的普通技术人员应理解，参考任一附图说明和描述的多个特征可与一个或更多个其它附图中说明的特征组合以形成未明确说明或描述的实施例。说明的特征组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本发明的教导一致的特征的多种组合和变型可以根据需要用于特定应用或实施。
图1描述了插电式混合动力电动车辆的示例。插电式混合动力电动车辆102可以包含机械连接至混合动力传动装置106的一个或更多个电动马达104。此外，混合动力传动装置106机械连接至发动机108。混合动力传动装置106还可以机械连接至驱动轴110，驱动轴110机械连接至车轮112。当发动机108打开时电动马达104能提供推进。当发动机108关闭时电动马达104能提供减速。电动马达104可以被构造为发电机并且通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热量损失掉的能量可以提供燃料经济性益处。由于在特定状况下可以电动模式运转混合动力电动车辆102，所以电动马达104还可以减少污染排放。
牵引电池或电池包114储存电动马达104可以使用的能量。车辆电池包114通常提供高压直流(DC)输出。电池包114电连接至电力电子(power electronic)模块116。电力电子模块116还电连接至电动马达104并且能在电池包114和电动马达104之间双向传输能量。例如，典型的电池包114可以提供直流电压而电动马达104的运转可能需要三相交流(AC)电。电力电子模块116可以将直流电压转换为电动马达104需要的三相交流电。在再生模式中，电力电子模块116将来自作为发电机的电动马达104的三相交流电转换为电池包114需要的直流电压。本说明书中描述的方法同样可以应用到纯电动车辆或者使用电池包的任何其它装置。
电池包114除了提供推进能量之外，还可以提供用于其它车辆电子系统的能量。典型的系统可以包括将电池包114的高压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低压DC输出的DC/DC转换器模块118。其它高压负载(比如压缩器和电动加热器)可以直接连接至从电池包114引出的高压总线。在典型的车辆中，低压系统电连接至12V电池120。纯电动车辆可以具有类似的配置只是没有发动机108。
可以通过外部电源126向电池包114再充电。外部电源126可以经由充电端口124通过电连接向车辆102提供交流或直流电。充电端口124可以是配置用于从外部电源126向车辆102传输电力的任何类型的端口。充电端口124可以电连接至电力转换模块122。电力转换模块可以适配来自外部电源126的电力以向电池包114提供适合的电压和电流水平。在一些运用中，外部电源126可以配置用于向电池包114提供适合的电压和电流水平并且电力转换模块122不是必需的。在一些运用中，电力转换模块122的功能可以设置在外部电源126中。车辆发动机、变速器、电动机以及电力电子器件可由动力传动系统控制模块(PCM)128控制。
除了示出插电式混合动力车辆，图1如果去除组件108可示出电池电动车辆(BEV)。同样，图1如果去除组件122、124和126可示出传统的混合动力电动车辆(HEV)或动力分流式混合动力电动车辆。
可以通过多种化学配方构建电池包中的单个电池单元。典型的电池包化学物质可包括但不限于铅酸、镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NIMH)、锂离子或锂离子聚合物。图2显示了N个电池单元模块202简单串联配置的典型电池包200。电池单元模块202可包含单个电池单元或并联电连接的多个电池单元。然而，电池包可以由串联或并联或它们组合连接的任意数量的单个电池单元以及电池单元模块组成。典型系统可以具有监视并控制电池包200的性能的一个或更多个控制器(比如电池控制模块(BCM)208)。BCM 208可以监视不同的电池包水平特性，比如由电流传感器测量的电池包电流206、电池包电压210以及电池包温度212。在特定布置中，电流传感器的性能对于建立可靠的电池监视系统来说可能是至关重要的。电流传感器的精确性对于评估电池荷电状态和容量来说可以是有用的。电流传感器可利用基于物理原理的多种方法来检测电流，包括霍尔效应IC传感器、变压器或电流钳、使电压与电流直接成比例的电阻器、利用干涉来测量由磁场产生的光中的相位变化的光纤(fiber potics)或罗氏线圈(Rogowski coil)。
除了电池包的水平特性外，还存在需要测量和监视的电池单元的水平特性。例如，可以测量每个单元的端电压、电流和温度。系统可利用传感器模块204来测量一个或更多个电池单元模块202的特性。该特性可包括电池单元电压、温度、寿命、充电/放电循环的次数等。通常，传感器模块将测量电池单元电压。电池单元电压可以是单个电池的电压或并联或串联电连接的一组电池的电压。电池包200可利用多达NC个传感器模块204来测量所有电池单元202的特性。每个传感器204可以将测量值传输至BCM 208以进一步处理和协调。传感器模块204可以将模拟或数字格式的信号传输至BCM 208。
对于典型的锂离子电池单元，在SoC与开路电压(VOC)之间存在关系比如VOC＝f(SoC)。图3是显示作为SoC函数的开路电压VOC的典型曲线300。可以从电池属性的分析或者从测试电池单元来确定SoC与VOC之间的关系。该函数可以是通过f1(Voc)计算SoC。函数或反函数可以实施为查值表或等效方程式。曲线300的精确形状可以基于锂离子电池的精确方程式(exact formulation)而变化。电压Voc由于电池的充电和放电而改变。
存在多种方式确定电池SoC，包括测量开路电压、累积进入或离开电池的电荷量、利用电池电解质上的液体比重、阻抗谱以及量子磁性(quantum magnetism)。测量开路电压需要负载与电池分离并且电池端子“悬浮”。在端子“悬浮”的情况下，在进行测量之前，电池必须“静止”或稳定。如果电池在电流流入或流出电池时处于负载，则当电池端子分离时，开路电压将不是电池SoC的准确表达，直至电荷稳定。由于这个方面，使得利用开路电压不是确定在电池工作时的电池SoC的好方法。当电池在工作时，利用库伦(Coulomb)计算是优选方法。该方法测量在给定的时间段期间流入或流出电池的电流。该方法的一个问题是如果在电流传感器中存在故障，那么电池SoC的计算将是不准确的。在混合动力车辆运转期间，准确确定电池SoC使得BCM 208可以利用电池SoC的整个工作范围是至关重要的。
图4示出了利用电池SoC 402和时间404的关系图计算SoC变化的不同方法。当车辆运转时，电池SoC关于时间变化。由于很多原因导致电池SoC可在运转期间增加，如车辆起动的BECM电力418所示，这样的原因包括利用再生制动(车辆下山或车辆减速请求)。另外，电池SoC可在运转期间减小，比如使用电池给电机或电附件供电。在时间段TAH内示出的瞬时SoC 406在时间段TAH内具有SoC变化(ΔSoCAH)408。在时间段内的SoC变化可从基于电流传感器读数的安培小时积分获得。方程式为
在该方程式中t0420是系统电力增加时的点，在该点前的时间是在驱动之前的时间。t1422是系统电力下降时的点，在该点后的时间是在驱动之后的时间，并且i是由电流传感器测量的电池包电流。ΔAh1可以转换到ΔSoCAH408，其中，ΔSoCAH408是通过ΔAh1除以电池容量C而获得的在时间段TAH内的SoC变化。
通过测量开路电压(OCV)并利用OCV和SoC的关系300，安培小时积分还可估计为ΔAh2。该方程式表达为
在该方程式中，N是电池包中的电池单元的数量，是在最终电力增加之前立即测量的开路电压，SoCOCV(t0)410是通过利用SoC-OCV关系300在最终电力增加之前立即测量的电池的SoC。是在稳定时间之后(在系统电力下降之后)测量的开路电压，SoCOCV(t1)412是通过利用在系统电力下降(t1)后的稳定时间之后测量的SoC-OCV关系300而测量的电池的SoC。稳定时间是在电池电力下降之后电池电荷大体上达到平衡所需要的时间。稳定时间取决于包括在电力下降前的电流流动、电池寿命、电池的SoC、电池的温度等的很多因素。在该方程式中，T1422是当系统电力下降时的时间以及稳定时间。C是电池容量，f是SoC与OCV之间的关系SOC＝f(voc)。确定该关系f的一种方法是电池测试和表征方法。例如，用于锂离子电池的关系f可以表示为图3中所示的单调曲线。ΔAhcb(n)是通过BCM打开和关闭单元n的单元平衡而引入的安培小时积分。ΔAhcb(n)等于单元平衡放电电流乘以当单元n的平衡电路闭合时的时间。
ΔAh2可以转换成ΔSoCOCV416，ΔSoCOCV416是通过ΔAh2除以电池容量C而获得的在时间段TAH内的SoC变化。另外当计算ΔSoCOCV416时，测量或SoCOCV(t1)412的时间点在点t1422处示出。然而，它可在t1422和t2424之间的任意点实现，t2424是紧邻在随后电力增加之前的时间点。在点t2424处的SoC值表示为SoCOCV(t2)414，SoCOCV(t2)414示出为与SoCOCV(t1)相等，然而实际上，SoC作为电池寿命、荷电状态、温度以及其它因素的函数将从SoCOCV(t1)减小到SoCOCV(t2)414。
由于下述理由，利用ΔAh2是在驱动循环之后安培小时的变化量的准确估计，这样的理由包括：(i)电池容量在一个时间段期间基本上保持不变，(ii)单元电压传感器非常准确，(iii)传感器准确性即使在单元重新平衡期间也保持很高。准确性的示例是大约2毫伏的响应将导致安培小时的变化量的测量值中最多的相对误差。
使用电流传感器的一个问题是确定传感器是否正常运行。确定电流传感器是否正常运行的一种方法是读取传感器输出。如果传感器输出在有效运行范围之外，那么确定传感器处于故障中。如果输出是0或满量程(可指示传感器可能与电源或地短路)，那么输出可能在有效运行范围之外，这被称作超范围故障。当传感器输出在有效运行范围内时很难确定传感器是否处于故障中，这被称作范围内故障。通过利用两个SoC估计值的变化量或两个安培小时估计值的变化量之间的差|ΔSoCAH-ΔSoCOCV|评价电流传感器性能，可确定可靠且准确的传感器估计值。如果电流传感器良好，那么|ΔSoCAH-ΔSoCOCV|的值将接近0。如果电流传感器的性能不良，那么|ΔSoCAH-ΔSoCOCV|的值将比0大很多。如果|ΔSoCAH-ΔSoCOCV|比通过校准、工程分析或设计所确定的阈值大，那么可确定传感器有故障并且电池系统可相应地调节操作。如果传感器处于故障中但是未检测到该故障，例如未检测到范围内故障，那么车辆燃料经济性和驾驶性能将降低而车辆废气排放将增加。
当检测到范围内故障时，车辆运转可进入特定运转模式。该运转模式可包括多种不同的步骤和限制。首先，BECM可减少电机的动力限制以及由发动机产生的能量，从而影响驾驶性能、燃料经济和废气排放。这样将应对可能的SoC变化，以减少SoC降低或增加到正常运行范围外的可能性。第二，由于从电流传感器读出的电流不可靠，因此BECM可能不更新SoC。然后，BECM可能不更新用于在线计算电池电力容量的电池模型，并且BECM可能不积累可用于估计电池容量的安培小时。在BEV和插电式车辆中，电池容量可能是很重要的，它确定了EV行程范围。另外，如果电流传感器准确性不可靠，那么在用于PHEV和BEV的插电式充电循环期间，电池可能不能充电至100％SoC，其原因是如果电流不可用，则BECM可能不能实施恒压充电。
图5示出了在随后的电力循环500中系统电力增加时确定的故障检测的流程图。这可在时间T2424处执行，在时间T2424处，开始502为紧邻在系统电力增加之前的时间。然后，最后操作的参数从RAM、电池备份RAM、非易失性存储器或其它存储器中读取；这些参数可包括ΔSoCAH408、TAH、SoCOCV(t0)等。ΔSoCAH是在先驱动循环中的SoC变化，TAH是在先驱动循环的时间，SoCOCV(t0)是在先驱动循环的初始SoC值。在系统电力增加之前或伴随系统电力增加，在框506中测量OCV。框506的测量值和其它数据用于计算在诸如T2424的点处的SoCOCV。通过框506的测量值在框508中计算SoCOCV(t2)。通过下列方程式在框510中计算ΔSoC和误差：
ΔSoCOCV＝SoCOCV(t2)-SoCOCV(t0)
ΔSoC误差＝|ΔSoCAH-ΔSoCOCV|/TAH
在框512中比较ΔSoC误差与阈值。在ΔSoC误差大于阈值的事件中，将在框514中产生指示误差状态的信号，并且车辆运转将相应地改变。如果ΔSoC误差小于所述阈值，那么框516中的系统将测量电池电流i，并且计算在系统电力增加的时间段(例如从时间t2424到时间t3(未示出))内的ΔAh1。这可实现为连续的时间域测量和积分，或者可以是一系列离散电流测量值的总和。框518将监视系统停止时间。在确定系统停止之后，将在框520中计算SoCAH，并且将在框522中存储用于最近完成的驱动循环的参数，包括ΔSoCAH408、TAH、SoCOCV(t0)。系统将在框524中停止。
图6示出了在单个电力循环600结束时确定的故障检测的流程图。这在时间t1422处执行，在时间t1422处开始602为紧邻在系统电力增加之前的时间。然后，在框604中计算电池OCV并且在框606中基于SoC与OCV的关系300确定SoCOCV(t0)。在框608中测量电池电流I并在系统电力增加的时间段(例如从时间t0420到时间t1422)内计算ΔAh1。这可实现为连续的时间域测量和积分，或者可以是一系列离散电流测量值的总和。持续该测量直至在框610中确定系统电力下降。在框612中，基于电流传感器测量值和在时间段TAH内的电流积分值或总和来估计ΔSoCAH。在框614中，首先从OCV中估计SoCOCV(t1)，然后利用ΔSoCOCV＝SoCOCV(t0)-SoCOCV(t1)计算ΔSoCOCV，在框616中利用ΔSoC误差＝|ΔSoCAH-ΔSoCOCV|/TAH计算ΔSoC误差。在框618中，ΔSoC误差与阈值比较。在ΔSoC误差大于阈值的事件中，在框620中将产生指示误差状态的信号，并且车辆运转将相应地改变。如果ΔSoC误差小于阈值，那么在框622中系统将停止。
本发明公开的程序、方法或算法可通过包括任何现有的可编程电子控制单元或专用的电子控制单元的处理装置、控制器或计算机使用/实施。类似地，程序、方法或算法可存储为通过控制器或计算机以多种形式执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在不可写的存储介质(比如ROM设备)中并且可替代地信息可存储在可写的存储介质(比如软盘、磁性数据带式存储器、光学数据带式存储器、CD、RAM装置、FLASH装置、MRAM装置和其它的磁性介质和光学介质)中。程序、方法或算法还可在可执行软件的对象中实施。可替代地，可以使用适当的硬件部件整体地或部分地包含该程序、方法或算法，比如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件部件或设备，或者硬件、软件和固件部件的结合。
虽然上文描述了示例实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限定，并且应理解不脱离本公开的精神和范围可以作出各种改变。如上所述，可以组合多个实施例的特征以形成本发明没有明确描述或说明的进一步的实施例。
尽管已经描述了多个实施例就一个或更多个期望特性来说提供了优点或相较于其他实施例或现有技术应用更为优选，但是本领域技术人员应该认识到，取决于具体应用和实施，为了达到期望的整体系统属性可以对一个或更多个特征或特性妥协。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易于装配等。因此，描述的实施例在一个或更多个特性上相对于其他实施例或现有技术应用不令人满意也未超出本公开的范围，并且这些实施例可以满足特定应用。

Claims (3)

1.一种车辆，包括：
电池；
电流传感器，被构造为感测电池的电流；
电机，电连接到电池；
至少一个控制器，被配置为响应于检测到电流传感器的误差状态，在随后的驱动循环期间限制用于电机的最大电流，以限制来自电池的电流，其中，所述电流传感器的误差状态由通过电池的在驱动循环之前的开路电压和在驱动循环之后的开路电压计算的电池荷电状态的差比通过电池的电流计算的用于驱动循环的电池荷电状态的变化量大或小预定量而限定。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置为响应于检测到所述误差状态，输出指示电流传感器的误差状态的信号。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中，电池荷电状态的变化量是基于用于驱动循环的电池的安培小时净变化量与电池容量的商的。
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