CN108780126A - 用于确定故障状态的方法、电池传感器和车载电力系统 - Google Patents

用于确定故障状态的方法、电池传感器和车载电力系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定电池的故障状态的方法，该方法基于对微分电导的计算。本发明进一步涉及一种相关联的电池传感器并且涉及一种相关联的车载电力系统。

Description

用于确定故障状态的方法、电池传感器和车载电力系统
本发明涉及一种用于确定电池或其与车载电力系统的连接点的故障状态的方法。本发明进一步涉及一种电池传感器，该电池传感器被配置用于执行这种方法。本发明还涉及一种包括这种电池传感器的车载电力系统。
在具有底盘车载电力系统的机动车辆中，通常只有一个电池是可用的，该电池可以具体地以已知汽车电池(即，可再充电电池)的形式实施。如果发电机不输送任何能量，则此电池通常向包括起动器在内的所有负载供应能量。然而，在运行的内燃发动机的情况下，通常有两个冗余电能源是可用的，即电池还有由内燃发动机驱动的发电机。如果这些能量源之一发生故障，对应地另一个源可以因此继续向车载电力系统供应电力。
近年来，出于消耗最小化的原因，已经向机动车辆内装入了自动启停系统，该自动启停系统在机动车辆非常低速度的情况下切断内燃发动机。其结果是，在被切断的内燃发动机作为第二、冗余电流源的情况下，发电机被省略。然而，如果同时电池了发生故障，则不能够安全地重新起动内燃发动机。例如当车辆在铁路交叉口处静止不动时，这种故障还可能具体地危害车辆、车辆乘客、和其他道路使用者的安全。
为了最小化电池故障的风险，具有启停系统的机动车辆通常配备有电池传感器、具体地智能电池传感器，这些电池传感器使得能够监测电池并且因此监测机动车辆的起动能力。如果识别到低电量电池，则内燃发动机不再被解除激活。电池突然故障的可能原因可以是例如电池单元间连接器(电池的两个电池单元之间的电连接)断开、电池极的正极端子或负极端子下降(在按压接触不足的情况下)、或由于热过载导致的通过(电极与第一个/最后一个电池单元之间的)极芯的熔融。
因此，本发明的目的是提供一种可以被用于识别相应的故障状态的方法。具体地，可以提供一种使得能够在电池传感器内识别出电池接地缆线与正极端子之间的连接在发电机输送电流时获得高阻抗的方法。在这种情况下，重点在于电池传感器，该电池传感器被构建在电池的负侧上并且经由LIN被连接至另一个控制设备。本发明的目的还在于提供一种相关联的电池传感器和一种相关联的车载电力系统。
根据本发明，这通过如权利要求1所述的方法、如权利要求14所述的电池传感器、以及如权利要求15所述的车载电力系统来实现。有利的改进例如可以从对应的从属权利要求中收集。权利要求书的内容通过明确引用而被结合在说明书的内容中。
本发明涉及一种用于确定电池或其与车载电力系统的连接点的故障状态的方法，该方法包括以下步骤：
-测量该电池的至少一个电压变化，
-测量该电池的至少一个电流变化，
-基于该电流变化和该电压变化来计算微分电导，以及
-当该微分电导未达到电导阈值时确认该故障状态。
此过程已经证明是对典型情况而言是特别有利的，如以下将更详细地描述的。
具体地，在高阻抗电池的情况下电阻趋于无穷大的情况下，根据本发明的方法防止了在数字处理中出现错误、具体地因为可能的除以零。电导通过以与该电阻互为倒数的方式进行运行来防止这个问题。
具体地，电压变化和/或电流变化可以被带通滤波掉。
具体地，故障状态可以对应于电池或其连接线的故障或高阻抗状态。这使得能够有利地识别这种类型的故障状态。
优选地在被连接至电池的电池传感器处执行该方法。
具体地，与电池的连接处于期望的状态，其中，在高阻抗的情况下，该连接可能同样具有高阻抗或者根本不再存在。因此，应理解的是，所提及的状态具体地涉及正常状态，即，没有故障状态或高阻抗。
电压变化和电流变化优选地是在完全相同的时间段上测量的。这可以具体地意指在各自情况下在等长的时间段上测量电压变化和电流变化。其还可以意指，就时间而言对应测量的终点和/或起点是完全相同的。
电压变化可以具体地被计算为第二电压值与第一电压值之间的差，该第一电压值在时间上早于所述第二电压值被测量。电流变化可以具体地被计算为第二电流值与第一电流值之间的差，该第一电流值在时间上早于所述第二电流值被测量。具体地，一方面第一电压值与第二电压值之间的时间间隔同另一方面第一电流值与第二电流值之间的时间间隔可以是完全相同的。测得第一电压值的时间还可以对应于测得第一电流值的时间。测得第二电压值的时间同样可以对应于测得第二电流值的时间。
具体地，电流变化和/或电压变化可以是在50Hz与20kHz之间、优选地在200Hz与8kHz之间、特别优选地1kHz的频率下测量的。已经发现这种频率在实践中是有利的。
具体地，可以通过将电流变化除以电压变化来计算微分电导。这对应于对电导的典型且简单的计算。
还可以借助于最小二乘法分析、具体地在多个电流变化和/或电压变化上计算微分电导。因此可以使用某种均匀化过程或平均值形成来计算更准确的电导。
可以响应于故障状态的确认而有利地解除对激活内燃发动机的禁用。这防止了在电池具有高阻抗并且因此不再能够起动发动机时发生故障。
优选地，仅当电压变化高于电压变化阈值时才计算微分电导。这防止了除以零或过高的电导值，这些可能会导致数字处理中的问题。
具体地，当电流变化高于电流变化阈值时，可以基于电流变化和电压变化来计算微分电阻，其中，当微分电阻超过电阻阈值时确认故障状态。因此，还可以有利地在该方法的上下文中使用电阻来识别故障状态。
电流变化阈值的使用可以再次防止除以零或数字处理中的类似问题。
根据该方法的一个实施例，可以计算电阻中间值与电导中间值二者，并且然后通过使电阻中间值与电导中间值的倒数相加并将结果除以数2来计算微分电阻。
同样可以计算电阻中间值还有电导中间值，并且通过使电导中间值与电阻中间值的倒数相加并将结果除以数2来计算微分电导。
这种类型的实施例可以提供更高精确度。
本发明进一步涉及电池传感器，该电池传感器被设计成连接至电池并且优选地还连接至车辆底盘，其中，车辆底盘通常表示地。电池传感器被配置用于执行根据本发明的方法。为此目的，电池传感器可以具体地具有处理器装置和存储装置，该存储装置存储有程序代码，在执行该程序代码期间该处理器装置执行根据本发明的方法或者相应地进行运行。在该方法方面，可以参考所有所描述的实施例和变体。
本发明进一步涉及一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有程序代码，在执行该程序代码期间，处理器执行根据本发明的方法。在该方法方面，可以参考所有所描述的实施例和变体。
本发明还涉及一种车载电力系统，该车载电力系统包括电池以及根据本发明的电池传感器，该电池传感器被连接至电池且连接至发电机，该发电机优选地由内燃发动机驱动。在这种情况下，电池、电池传感器和发电机具有共同的正极线并且优选地还具有共同的地。具体地，地可以是车辆底盘。
借助于根据本发明的车载电力系统，以上进一步描述的方法和电池传感器的对应优点可以被有利地用于车载电力系统。对应地在该电池传感器和该方法方面，可以参考所有所描述的实施例和变体。
本领域技术人员将从下面参照附图描述的示例性实施例中收集进一步的特征和优点，在这些附图中：
图1：示出了正常状态下的车载电力系统，并且
图2：示出了故障状态下的车载电力系统。
图1示出了车载电力系统10，包括发电机20、电池40、电池传感器100和控制装置200。电池40、控制装置200和发电机20经由共同的正极线30彼此互连。电池传感器100被直接连接至电池40的负极，并且还经由电池供电线路45被连接至电池40的正极，以便确保至电池传感器100的电力供应。连接线50被进一步设置在电池传感器100与控制装置200之间。因此，电池传感器100与控制装置200可以彼此通信，其结果是例如可以将对应的所测得电压、电流、或温度值从电池传感器100传输至控制装置200。还可以由控制装置200来控制电池传感器100。
图2示出了当电池40具有高阻抗时车载电力系统10的状态。这以图2中不再存在电池40的方式来展示。
包括电池传感器100在内的所有部件在此继续在正侧和接地侧二者上附接至车载电力系统10。如图2中箭头所示，尽管继续由发电机20供应电流，但是电流不再从车载电力系统10通过电池40流至地。发电机20还更进一步被控制为通常13.8V至14.8V的充电电压。由于电池40作为用于发电机20的AC分量的滤波器也被省略，因此车载电力系统电压还叠加高AC电压分量。如果发电机20不再供应电流，则车载电力系统10中的电压将崩溃。当然，代替发电机，还可以想到任何其他第二电流/电压源，包括第二电池。
尽管上文所述的在电池传感器100中关于电流为0A且电压为11.5V至13V的信息本身就是对故障状态的指示，但这通常不足以推断电池40的故障。还可以例如在车辆的静止状态下设置这些测量值。
在已知的实施例中，经常出现这样的问题：给定电池的高阻抗，电阻变得很高使得其不再能够被作为常规数字处理的一部分来进行处理或者导致其他问题。然而，原则上已知的做法是计算电池的电阻。
为此目的，在电池传感器100中，在200Hz至8kHz的典型频率下检测经由测量电阻器(也被称为分流电阻器)从电池40流至地的电流、以及车载电力系统10或正极线30与地之间的电压二者。还通常在大约50Hz至800Hz的通过频率下执行对电流和电压的滤波、具体地带通滤波，然而，所述滤波通常起次要作用。然后根据每个样品例如每毫秒的电流变化和电压变化来计算微分电池电阻。这可以例如根据以下公式来执行：
在这种情况下
R微分：微分电阻，
Δ1msU：一毫秒内的电压变化，
Δ1msI：一毫秒内的电流变化。
然而，如果没有电流流动来自/去往电池40，则分母为零或由于电流通道的噪声而只有几毫安。由于对测量信号进行数值处理，防止了针对接近零的电流变化计算微分电阻，因为在这种情况下会出现非常大的误差，或者值范围并不覆盖无穷大的值。
在根据现有技术来执行的情况下，电阻进一步地通常不是通过将电压变化除以电流变化来每毫秒地计算的。在计算新电阻之前，通常在计算中使用每毫秒多个变化。例如通过最小二乘法分析来计算微分电阻。在这种情况下，在图表上虚拟地标绘出多对电流变化与电压变化，并绘制出最佳拟合线。梯度通常对应于电阻。
根据本发明，现在计算微分电导而不是微分电阻。这可以根据以下公式来执行：
在这种情况下
电导微分：微分电导。
如果电导低于阈值或电导阈值，则然后可以假定测量电阻器或分流电阻器与车载电力系统10之间的连接具有高阻抗。
因此现在计算电导并将其用作针对电池故障的标准。此电导可以经由连接线50被传输至上级控制装置200，该控制装置于是可以确保内燃发动机或发电机随后不再被禁用。由于被激活的启停功能而在禁用内燃发动机期间发生的故障由此被进一步最少化。
可以同样借助于最小二乘法分析来计算电导。为此目的，在虚拟图表中，x-轴和y-轴互换。于是梯度对应于电导。以与电阻计算等效的方式防止了针对接近零的电压变化计算电导(避免了除以零)。
另外一种正极配置是这两种方法的组合：
-计算针对显著电流变化的电阻，
-计算针对显著电压变化的电导。
针对处于正常范围、例如3mΩ至50mΩ中的电阻，还可以通过对电阻和电导取平均来计算最终电阻。这可以例如根据以下公式来执行：
这同样适用于电导，特别是如果其并不接近零：
此外，如果电导假定低于阈值的值，则电阻可以在数值上被设置为最大值，例如十六进制FFFF。
然后可以经由连接线50或LIN来传输电阻的此最大值(十六进制FFFF)还有标志(作为所计算的电导与阈值之间的比较的结果)二者。
根据本发明的方法的所提及的步骤可以以所指明的顺序来执行。然而，这些步骤还可以以不同的顺序来执行。在其实施例之一中，例如，通过特定的步骤组合，可以以不执行其他步骤的方式执行根据本发明的方法。然而，原则上，还可以执行其他步骤，甚至是未提及的类型的步骤。
作为本申请的一部分的权利要求不意味着放弃获得进一步的保护。
如果在这些程序的过程中显现出一个特征或一组特征不是绝对必要的，则申请人现在就渴求用于至少一项不再具有该特征或该组特征的独立权利要求的措辞。通过举例，这可以是在提交之日存在的权利要求的子组合或者可以是在提交之日存在的权利要求的、受另外的特征限制的子组合。权利要求书或需要重述的这种类型的特征的组合可以被理解为被本申请的披露内容同样覆盖。
此外应指出的是，在不同的实施例或示例性实施例中描述的和/或在附图中示出的本发明的配置、特征、和变体可以任何方式相互组合。单个或多个特征能够以任何方式相互交换。由此产生的特征的组合也可以理解为由本申请的披露内容涵盖。
在从属权利要求中的往回引用不旨在被理解为放弃实现对往回引用从属权利要求的特征的独立的、实质的保护。这些特征还可以以任何方式与其他特征组合。
仅在说明书中披露的特征、或仅在说明书或权利要求中披露的特征结合其他特征，基本上可以具有对本发明而言必不可少的自主意义。因此，为了区别于现有技术，它们也可以单独地包括在权利要求中。

Claims (15)

1.一种用于确定电池(40)或其与车载电力系统(10)的连接点的故障状态的方法，该方法包括以下步骤：
-测量该电池(40)的至少一个电压变化，
-测量该电池(40)的至少一个电流变化，
-基于该电流变化和该电压变化来计算微分电导，以及
-当该微分电导未达到电导阈值时确认该故障状态。
2.如权利要求1所述的方法，
-其中，该故障状态对应于该电池(40)或其连接线的故障或高阻抗状态。
3.如以上权利要求中任一项所述的方法，
-该方法在被连接至该电池(40)的电池传感器(100)中执行。
4.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，该电压变化和该电流变化是在完全相同的时间段上测量的。
5.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，该电压变化被计算为第二电压值与第一电压值之间的差，该第一电压值在时间上早于所述第二电压值被测量；
并且/或者
-其中，该电流变化被计算为第二电流值与第一电流值之间的差，该第一电流值在时间上早于所述第二电流值被测量。
6.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，该电流变化和/或该电压变化是在50Hz与20kHz之间、优选地在200Hz与8kHz之间、特别优选地1kHz的频率下测量的。
7.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，通过将该电流变化除以该电压变化来计算该微分电导。
8.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，借助于最小二乘法分析、具体地在多个电流变化和/或电压变化上计算该微分电导。
9.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，响应于该故障状态的确认而解除激活对内燃发动机的禁用。
10.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，仅当该电压变化高于电压变化阈值时才计算该微分电导。
11.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，当该电流变化高于电流变化阈值时，基于该电流变化和该电压变化来计算微分电阻，
-其中，当该微分电阻超过电阻阈值时确认该故障状态。
12.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，计算电阻中间值与电导中间值二者，并且
-其中，通过使该电阻中间值与该电导中间值的倒数相加并将结果除以数2来计算该微分电阻。
13.如以上权利要求之一所述的方法，
-其中，计算电阻中间值与电导中间值二者，并且
-其中，通过使该电导中间值与该电阻中间值的倒数相加并将结果除以数2来计算该微分电导。
14.一种电池传感器(100)，该电池传感器被设计成连接至电池(40)并且优选地还连接至车辆底盘，并且该电池传感器被配置用于执行如以上权利要求之一所述的方法。
15.一种车载电力系统(10)，具有：
-电池(40)，
-如权利要求14所述的电池传感器(100)，该电池传感器连接至该电池(40)，以及
-发电机(20)，该发电机优选地由内燃发动机驱动，
-其中，该电池(40)、该电池传感器(100)和该发电机(20)具有共同的正极线(30)并且优选地还具有共同的地。
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