CN104956232A - 用于确定周期或准周期性电压信号的平均值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定周期或准周期性电压信号的平均值的方法，该平均值旨在在一个通信总线上以大于所述信号的周期的一个传输周期传输，该方法涉及以与在该总线上的所述平均值的该传输周期相对应的一个测量周期来获取所述信号的多个测量结果，以及从所述获取的测量结果中获得所述平均值，所述方法的特征在于其包括以下步骤：-针对每一次测量，应用(S2)一个可变延迟，从而在所述测量周期内相对一个参考时刻定义一个测量时刻(Ti)，-从在每次测量时刻(Ti)进行的测量的结果和从之前进行的那些测量的结果中获得(S6)所述平均值。

Description

用于确定周期或准周期性电压信号的平均值的方法
本发明涉及一种用于确定周期或准周期性电压信号的平均值的方法。
该方法具体地而非排他地应用于在对安装在电动或混合动力机动车辆里的高压电池的充电进行管理的情况下确定电池单元的电压信号的平均值，以给这些车辆的电驱动马达供电。这种类型的电池通常包括多个蓄电器或多个单元，这些蓄电器或单元包括旨在供应标称电压的可再充电的电化学系统。
为了对这些高压电池进行再充电，已知例如在电动车辆里提供集成充电器，该类型的集成充电器包括功率转换器控制器，该功率转换器控制器能够直接地从与其连接的单相或三相的供电网向电池单元递送充电功率。当用多个特定的充电器对电池进行充电时，由于对充电器内的信号的交流成分的不完全抑制，充电电流在充电器输出端可能呈现为残余周期或准周期性波动(在英语术语中，一般称作电流“纹波(ripple)”)。充电电流的这个残余交流成分具有基频，该基频是电力网络的载频的倍数，从该电力网络能产生充电电流并且该充电网络在充电期间在电池单元里产生比例电压波动，这种电压波动被证明对于准确地确定通过电池单元端子的平均电压值是麻烦的。
然而，对跨电池单元端子的平均电压的了解是正确操作电池管理系统(BMS)所必需的信息，该电池管理系统是具有根据由各种传感器例如电流、电压和温度传感器做出的测量来监测电池的每个单元的参数从而使得电池尤其相对于电动车辆的操作约束而言维持在最佳的工作状态的功能的构件。具体地，知晓跨电池单元端子的平均电压就允许BMS控制在充电和放电过程中可供使用的功率、了解电池的电量状态、控制充电的结束或考虑在单元中的可能过电压而保护电池的完整性。
用于测量在充电期间跨电池单元端子的电压的常规解决方案的关于由充电电流纹波产生的电压波动的限制来自以下事实，即测量的频率相比于电压波动的频率是低的(欠采样的)且该频率是由其他系统约束进一步强加的。在这种情况下，由系统所看到的电压要么‘固定’在与跨单元端子的平均电压相对应的固定值上(加上或减去波动的幅值)要么以这个相同的间隔波动。
从专利文件US 4,418,310中，已知了用于响应于电池的实际电量状态控制电动车辆的电池充电器的设备，所述设备作为电池电量状态的指示器监测跨电池单元端子的实际电压，以便自动地将充电器与电池断开并因此停止充电，从而避免跨电池端子的过电压。为此，控制设备明显地包括用于在预定的时间段上计算跨电池单元端子的平均电压的装置。根据此文档，这个用于求平均值的预定的时间段选择得足够长，例如，超过一分钟，以便消除或至少限制在计算变量上的任何干扰，这些干扰与在充电器输出电压中的瞬时变化、电流“纹波”、以及其他线性噪声相关。然而，除了以上提及的“固定”测量的风险之外，由此文档推荐的测量跨电池单元端子的平均电压的解决方案是基于过长的求平均值时段，这与系统、具体地要求以规则的相接近的时间间隔(通常每100毫秒)发送计算的平均值给BMS的约束是不相容的。
在这种背景下，本发明的一个目标是提供一种用于确定周期或准周期性电压信号、尤其是针对当电动车辆的高压电池充电时跨其单元端子的电压信号的平均值的方法，该方法没有之前提及的限制，并且具体地，该方法在由与平均值在通信总线上的周期性传输相关的系统约束引入的信号欠采样的背景下提供了令人满意的性能水平。
为此，本发明考虑了一种用于确定周期或准周期性电压信号的平均值的方法，该平均值旨在以大于所述信号的周期的一个传输周期在一个通信总线上传输，其中，以对应于所述平均值在该总线上的该传输周期的一个测量周期来获取所述信号的多个测量结果，并且从所述获取的测量结果中获得所述平均值，所述方法的特征在于其包括以下步骤：
-针对每一次测量，应用(S2)可变延迟，从而在所述测量周期内相对于参考时刻限定一个测量时刻(Ti)，
-从在每个测量时刻(Ti)进行的测量的结果以及从之前进行的那些测量的结果中获得(S6)所述平均值。
这种用于基于在每次测量期间用于可变延迟来在进行测量本身之前确定平均值的策略与通过执行快速采样而获得平均值的解决方案相比有利地对电子元件有更少的需求并因此更不昂贵。
根据依照本发明的方法的其他有利特征，单个地或组合地采用：
-针对每一次测量所应用的所述可变延迟遵循着一个可变延迟序列，该可变延迟序列优选由一个预定的延迟序列组成，其中，这些延迟在至少两个预定的单独延迟值上发生变化；
-在变体中，针对每一次测量所应用的所述可变延迟可以是随机确定的；
-所述方法包括在所述通信总线上以所述传输周期传输由此获得的所述平均值的步骤；
-所述获得该平均值的步骤可以包括用所获得的最新的平均电压值计算当前测量结果的一个加权平均值；
－所述获得该平均值的步骤可以在变体中包括用一些之前的测量结果计算当前测量结果的一个加权平均值。
-所述方法有利地适用于在应用所述电池的一个充电模式期间确定一个电动或混合动力机动车辆的一个高压电池单元的一个电压信号的平均值，其中，通过一个充电器供应的充电电流呈现一个周期或准周期性波动，所述方法在所述电池的除所述充电模式之外的多个使用模式中是取消激活的；
-所述方法可以包括根据由所述充电器供应的充电电流的所述波动的潜在频率来选择所述可变延迟序列的步骤；
-所述方法可以根据所述测量周期和/或为了获得所述平均值进行测量的数量和/或所述平均值所要求的准确度来选择所述可变延迟序列的步骤；
-所述方法可以包括估计根据所能够应用的多个预定的可变延迟序列的所述平均值的准确度变化的预备步骤、和选择适于使得准确度最大化的、有待应用的所述预定的延迟序列的步骤。
本发明的其他特征和优点将参照附图从下文给出的说明中清楚地显现，这些附图是指示性的而绝不是限制性的，在附图中：
-图1是表示依照本发明在用于确定平均电压的方法的过程中考虑的主要步骤的流程图；
-图2是表示根据具体的实施例导致确定平均电压的测量过程的时间演进的时序图。
在电池监测系统中进行的操作以规则的时间间隔执行，该时间间隔由系统时钟10确定，如图1所示。具体地，电池控制系统的时钟10被设计成在步骤S1中触发测量过程，在测量过程中测量部件被安排成响应于由用于监测这些测量部件的构件发送的测量请求以由时钟10确定的测量周期获取跨电池单元端子的所有电压的测量结果。这个确定的测量周期满足电池控制系统的各种约束，且与由测量部件进行的测量产生的平均电压值必须以其发送在系统通信总线上以用于使得可供系统使用的周期Pc相对应，在通信总线上的这个传输周期Pc大于有待测量的电压信号的周期。测量采集频率因此被锁定为在通信总线上的传输频率。
测量部件的功能是例如由设备或专用部件以物理的形式实现的，例如ASIC(英语为Application-Specific Integrated Circuit(专用集成电路))。
依照本发明，在步骤S2中，在实施来以由时钟10确定的测量周期Pc获取跨电池单元端子的电压信号的测量结果的每个测量阶段期间，在步骤S3发送测量请求至测量部件之前施加可变延迟。因此，针对N个相继的测量阶段(φi)1≤i≤N中的每一个阶段，N对应于将进行平均的测量值的数量，将施加可变延迟(Di)1≤i≤N，从而在测量周期内限定测量时刻Ti，从而使得在每个时刻Ti＝T0+ixPc+Di进行一次测量，1≤i≤N，并且T0是对应于测量过程的触发的参考时刻。
有利地，针对每个测量阶段所施加的可变延迟遵循预定的延迟序列，其中，这些延迟在至少两个预定的单独延迟值上发生变化。
施加的延迟因此优选遵循预定的可变延迟序列，该可变延迟序列是根据若干个参数单个地或组合地选择的，包括由时钟10固定的测量周期、基于将进行平均的测量的数量、在电池充电期间充电电流中波动(电流纹波)的潜在频率、以及为了确定平均电压所要求的准确度。
为了使选择的预定延迟序列最适合于确定处电池单元的电压的一致的平均值，可以实施根据所能够应用的多个预定的可变延迟序列来估计获得的平均电压的准确度变化的预备步骤，然后选择出有待应用的这个预定的延迟序列，从而使得准确度最大化。
可选地，在步骤S2期间，不是应用遵循预定的延迟序列的延迟，而是应用在发送测量请求到测量部件之前在每个测量阶段期间随机确定的延迟。
图2展示了在具体的电池监测系统的情况中的预定的延迟序列的时序，该电池监测系统对可能承受100Hz到120Hz电流波动的充电系统引入等于100毫秒的测量周期。以下如图2所示的预定的延迟序列[+0；+4；+8；+2；+6]是以下将对其进行解释的、通过最后5个测量值的代数平均值执行随后的平滑来产生良好的性能水平的延迟序列的实例。
在每个测量阶段，应用遵循预定的可变延迟序列的延迟能实际地用于顺序地修改由测量部件执行的每次测量之间的持续时间并因此修改在实施以获得平均值的各相继测量阶段中的这些不同测量时刻的分布。由于有待求平均的电压信号或多或少是周期性信号，使得在针对各相继的测量阶段固定的、测量周期内的测量时刻不同的这种分布能被有利地用于在所有的测量结果上获得一致的平均值。
再次参考图1，在每个测量阶段，在遵循预定的延迟序列应用的或可选地随机应用的延迟到期后，在步骤S3中由监测构件将测量请求发送至这些测量部件，因此在步骤S4中，这些测量部件在每个根据应用的可变延迟在测量周期内限定的测量时刻Ti执行对所有跨电池单元端子的电压的测量。在步骤S5中，在每个测量时刻Ti，获得的测量结果然后自动地或在监测构件的请求下随后被发送回监测构件，并且存储在存储器中。基于当前的测量结果和之前存储在存储器中的结果，执行用于获得电压平均值的步骤S6，从而提供跨电池单元端子的电压的平均值。这个平均值可以是例如代数的，或者也可以是使用加权系数或通过任何其他已知的对结果加以平滑的方法来获得的。优选地，当前的测量结果可以是用最新确定的平均电压值求平均值。因此获得的平均电压随后在步骤S7中可用于系统的剩余部分，从而使得该平均电压根据图2中的实例在系统通信总线上以等于100毫秒的周期周期性地传输。
用于确定跨电池单元端子的平均电压的策略优选地仅在电池单元的充电模式期间被激活并且在电池使用模式而不是充电模式(例如在行进模式)被取消激活，该策略刚刚已经参考图1描述的步骤加以阐述并且该策略实质上是基于在针对每个实施的测量阶段发送测量请求之前应用遵循预定的或可选地随机确定的延迟序列的可变延迟然后基于对获得的测量结果加以平滑。事实上，在电池充电模式之外更快的动态可能是必要的，例如在车辆行进模式。因此，依照本发明根据模式来将用于确定跨电池单元端子的平均电压的策略的取消激活就能够有利地被用于维持这种动态。
此外，具有已知延迟的序列的时序(例如在0到10毫秒间的延迟)以及典型地在5到30毫秒之间的已知的测量时间的时序能有利地用于在每个测量阶段期间维持固定的、规则的保留时间，该保留时间能用于由系统执行的其他操作，例如进行诊断、单元均衡、温度测量等等。

Claims (10)

1.一种用于确定周期或准周期性电压信号的平均值的方法，其中，所述平均值以大于所述信号的周期的一个传输周期在一个通信总线上传输，并且其中，以对应于所述平均值在该总线上的该传输周期的一个测量周期来获取所述信号的多个测量结果，并且从所述获取的测量结果中获得所述平均值，所述方法的特征在于其包括以下步骤：
-针对每一次测量，应用(S2)一个可变延迟，从而在所述测量周期内相对于一个参考时刻限定一个测量时刻(Ti)，
-从在所述测量时刻(Ti)进行的测量的结果以及从之前进行的那些测量的结果中获得(S6)所述平均值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，针对每一次测量所应用的所述可变延迟遵循着一个可变延迟序列((Di)1≤i≤N)，该可变延迟序列由一个预定的延迟序列组成，其中，这些延迟在至少两个预定的单独延迟值上发生变化。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，针对每一次测量所应用的所述可变延迟是随机确定的。
4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，其包括在所述通信总线上以所述传输周期传输由此获得的所述平均值的步骤(S7)。
5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述获得该平均值的步骤(S6)包括用所获得的最新的平均电压值计算当前测量结果的一个加权平均值。
6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述获得该平均值的步骤(S6)包括用一些之前的测量结果计算当前测量结果的一个加权平均值。
7.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，其适用于在应用所述电池的一个充电模式期间确定一个电动或混合动力机动车辆的一个高压电池单元的一个电压信号的平均值，其中，通过一个充电器供应的充电电流呈现一个周期或准周期性波动，所述方法在所述电池的除所述充电模式之外的多个使用模式中是取消激活的。
8.如权利要求7和2所述的方法，其特征在于，其包括根据由所述充电器供应的充电电流的所述波动的潜在频率来选择所述可变延迟序列的步骤。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其包括根据所述测量周期和/或为了获得所述平均值进行测量的数量和/或所述平均值所要求的准确度来选择所述可变延迟序列的步骤。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其包括估计根据所能够应用的多个预定的可变延迟序列的所述平均值的准确度变化的预备步骤、和选择适于使得准确度最大化的、有待应用的所述预定的延迟序列的步骤。
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