CN108885233A

CN108885233A - 用于检测故障状态的方法、控制设备、电池传感器和车载网络

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Publication number: CN108885233A
Application number: CN201780018031.1A
Authority: CN
Inventors: H-M·格拉夫
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: DE102016204946A1; WO2017162383A1; EP3433625A1; CN108885233B; EP3433625B1; US20200088776A1

Abstract

本发明涉及一种用于通过监测连接线路的线路电压来检测车辆电气系统的故障状态的方法。本发明进一步涉及一种相关联的控制装置、一种相关联的电池传感器以及一种相关联的车辆电气系统。

Description

用于检测故障状态的方法、控制设备、电池传感器和车载网络

本发明涉及一种用于借助于电池传感器和控制装置来检测车辆电气系统的故障状态的方法。本发明进一步涉及一种相关联的控制装置、一种相关联的电池传感器以及一种相关联的车辆电气系统。

在具有常规车辆电气系统的机动车辆中，如果发电机不再提供任何能量，则通常只有一个电池是可用的并且为包括启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，有两个冗余电能源是可用的，即电池和发电机，因为发电机是由该内燃发动机驱动的。如果这些能量源之一发生故障，则对应的其他源可以继续向车辆电气系统供电。特别地，电池可以是典型的汽车电池，也就是说，可再充电电池。

出于使消耗最小化的原因，近年来机动车辆已经配备有自动启停系统。这些自动启停系统可以在机动车辆速度非常低的情况下、或者特别地也在静止的情况下切断内燃发动机。这省去了作为第二、冗余电源的发电机。如果同时电池发生了故障，则不能够受保护地重新起动内燃发动机。特别地，例如当车辆停在铁路交叉口处时，这种故障可能会危害车辆乘客的安全。

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、特别地智能电池传感器，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，则内燃发动机通常不被解除激活。

然而，除了作为电源的电池的故障之外，还可能丢失电池与车辆电气系统之间的连接。此连接通常是采用缆线连接的形式。在负侧上，缆线通常通向作为地的车体。在正侧上，缆线通常通向配电箱。在电池传感器的情况下，电流被另外地引导通过测量电阻器，也被称为分流电阻器。此附加分量增大了电池与车辆电气系统之间的电连接被中断的风险。

因此，本发明的目的是提供一种使得可以例如在当发电机正在提供电力时检测电池传感器内部的电流路径中的中断的方法。在这种情况下，重点在于电池传感器，该电池传感器被安装在电池的负侧上并且经由连接线路(有时也被称为LIN)连接至控制设备或控制装置。特别地，目的是检测测量缆线的断裂。本发明的目的还在于提供一种各自用于执行根据本发明的方法的控制装置和电池传感器，并且提供一种具有这种控制装置或这种电池传感器的车辆电气系统。

根据本发明，这是通过如权利要求1所述的方法、如权利要求13所述的控制装置、如权利要求14所述的电池传感器、以及如权利要求15所述的车辆电气系统而实现的。可以例如从对应的从属权利要求中收集有利的配置。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借助于电池传感器和控制装置来检测车辆电气系统的故障状态的方法。出于通信的目的，电池传感器与控制装置经由至少一条连接线路彼此连接。例如，因此可以存在一条连接线路或者两条或更多条连接线路。这些连接线可以采用例如LIN连接的形式。

该方法具有以下步骤：

-测量该连接线路上的线路电压，

-确定该线路电压是否在至少预定义正常范围之内，并且

-如果该线路电压在该正常范围之外，则确定该故障状态。

根据本发明的方法基于以下知识：在正常操作的情况下，连接线路上的电压通常在可以被很好地界定和预测的正常范围之内，但是在特定故障的情况下，该电压在此正常范围之外。这将在下文进一步更详细地讨论。应理解的是，根据本发明的方法可以特别地通过执行对连接线路上的电压值的更准确测量来实施，该连接线路通常仅传输数字信号并且其因此足以能够区分逻辑“0”与逻辑“1”的存在，也就是说，通过不仅区分两种状态，而是在至少某个电压范围内连续地或准连续地测量电压值。换言之，线路电压的值因此可以以伏特来表述，而不是仅能够表述数字状态。在本申请保护范围内这通常通过术语“测量线路电压”来理解。然而，还可以判定例如电压是在正常范围之内还是之外、或者是在其他范围中。这还构成了对仅区分逻辑电平的功能的修改。

故障状态可以特别地对应于电池传感器与地之间的连接丢失。特别地，地可以是例如由车辆底盘形成的车辆地。

该方法可以在控制装置中执行，但也可以在电池传感器中执行。

正常范围通常在正电压范围内。特别地，这意指正常范围的下限和上限两者都是正电压值。

一个实施例还可以规定仅当线路电压在故障范围中时才确定故障状态。此故障范围优选地在负电压范围中。特别地，这意指故障范围的下限和上限两者都是负电压值。

这个过程基于以下知识：线路电压的电压值通常在可永久地且容易地预测的特定故障范围中。这可以被用作附加的控制，以便避免由于另一个故障而检测到这种故障状态。然而，故障范围的使用也可以被认为是正常范围的使用的替代方案，也就是说，当线路电压在故障范围内时已经检测到故障状态。在这种情况下，可以基本上以这样的方式执行该方法：当线路电压在正常范围之外或在故障范围之内时检测到故障状态，或者仅当线路电压在故障范围内而无需实际检查正常范围时也可以检测到故障状态。

优选地，线路电压是相对于参考电势来测量的，该参考电势优选地借助于采用分压器形式的上拉电阻器来生成。这允许使用特定电压测量设备，如以下将进一步更详细地解释的。

还可以基于以下标准中的一项或多项来确定故障状态：

-由电池传感器测得的电池电压的AC电压分量，其中特别地，当此AC电压分量高于相应阈值时可以确定故障状态，

-由电池传感器测得的电流、特别地电池电流，该电池电流就绝对值而言低于阈值并且因此指示线路中存在中断，

-由电池传感器测得的电池电压与正常值或与另外额正常范围的比较，其中电池电压与正常值或正常范围的偏差同样可以指示中断的线路。

可以单独地和以任何期望的组合来使用这些标准。这些标准还可以被用于保护以上已经进一步描述的过程，但是替代地还可以被分开地使用，例如以便确定故障状态。

即使电池传感器与控制装置之间的通信终止，仍可以确定故障状态。这种终止可以基于例如电池传感器不再被供应电力的事实，这同样指示相应的故障。

根据一个实施例，在电池传感器处测量线路电压，其中使用多路复用来测量线路电压和电池电压。这使得可以使用单个电压测量设备(例如，电压表)来测量电池电压和线路电压两者。电池电压通常是可变的，其旨在通常由电池传感器来测量以便监测电池。

当连接线路与电压测量单元相反地接地并且不在该电压测量单元处接地时，可以测量线路电压。如果在电池传感器处如此测量线路电压，则例如连接线路通常不在电池传感器处接地，而是在控制装置处接地，也就是说相反。这允许测量相反单元的对应地，该测量可以有利地被用于检测故障状态。这将在下文进一步更详细地讨论。

这自然同样适用于相反的情况，其结果是，如果在控制装置处测量线路电压，则连接线路不在控制装置处接地，而是在电池传感器处接地。

特别地，可以在多个数据传输周期上以低电平来测量线路电压。以与已经描述的实施例类似的方式，这允许在连接线路被对应的其他单元拉到地时进行测量。如果使用多个周期，则可以实现取平均的或更可靠的测量。例如，为此目的也可以使用采样保持电路。

故障状态可以对应于例如电池传感器与电池之间的连接丢失。对于这种情况，特别地，可以在若干个或多个数据传输周期上以高电平来测量线路电压。这允许确定电池传感器与电池之间的连接丢失，在这种情况下，应指出的是，已经特别地在上文中进一步讨论了形式为电池传感器与地之间连接丢失的故障状态。应理解的是，该方法可以采用所描述的这两种状态中的仅有一种被检测出的方式来执行；或者也可以采用以下方式来执行：所描述的这两种故障状态或者可能还其他故障状态可以被检测出，并且还可能彼此区分。

应理解的是，电池传感器通常由电池供电或由车辆电气系统供电。此外，如果电池传感器不具有另一个电源，则其通常将发生故障。如已经描述的，这种故障可以被检测为例如电池传感器与控制装置之间的通信的终止，并且特别地还可以指示故障状态。

根据一个优选实施例，响应于故障状态的确定而解除激活对内燃发动机的断开连接。在车辆电气系统故障的情况下，这使得可以防止第二电源(即，通常由内燃发动机驱动的发电机)也被解除激活，并且因此防止车辆故障的威胁，这种威胁将使车辆及其乘客和其他道路使用者暴露于相当大的危险。

然而，还可以想到用于实现安全车辆状态的其他测量。例如，在自动驾驶车辆的情况下，可以连接附加电池或其他电源，或者可以启动制动或停车机动操作。

本发明还涉及一种控制装置，该控制装置被设计成连接至电池，并且优选地还连接至车辆底盘，并且被配置用于执行根据本发明的方法。

本发明还涉及一种电池传感器，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，并且被配置用于执行根据本发明的方法。

优选地，可以借助于根据本发明的控制装置或根据本发明的电池传感器来在合适的部件中实施根据本发明的方法。在这种情况下，可以返回参照所描述的方法的所有实施例和变体。特别地，控制装置和电池传感器可以各自具有处理器装置和存储器装置，其中，存储器装置存储有程序代码，执行该程序代码使得处理器装置以相应的方式来表现且执行根据本发明的方法。

本发明还涉及一种包含程序代码的非易失计算机可读存储介质，执行该程序代码使得处理器、控制装置或电池传感器执行根据本发明的方法。在这种情况下，可以返回参照所描述的方法的所有实施例和变体。

本发明还涉及一种车辆电气系统，该车辆电气系统具有电池、连接至电池的电池传感器、控制装置和发电机。发电机优选地由内燃发动机驱动。

电池、电池传感器和发电机具有公共正极线路。特别地，它们还具有公共地。

在这种情况下，特别地提供了根据本发明而设计的控制装置或根据本发明而设计的电池传感器。如果根据本发明来设计这两个部件中的一个，则通常是足够的。在这种情况下，可以向回参考所描述的所有实施例和变体。

本领域技术人员将从下文参照附图所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辆电气系统，

图2：示出了故障状态下的车辆电气系统，

图3：示出了典型电路，

图4：示出了故障状态下的电路，

图5：示出了故障状态的基本展示，

图6：示出了替代电路，

图7：示出了又一个替代电路。

图1示意性地示出了用于机动车辆的车辆电气系统10。此系统具有发电机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经由公共正极线路30彼此连接。电池传感器100被连接在电池40与地之间。发电机20与控制装置200同样接地。电池传感器100与控制装置200经由连接线路50彼此通信地连接。这通常是单线通信线路。还可以看出，电池传感器100由电池40或发电机20经由电压供电线路45供应以电池传感器操作所需的电能。

应提及的是，图1示出了所展示的部件正在正常运行并且不能检测到故障状态的正常状态。相反，图2示出了故障状态下的来自图1的车辆电气系统10。在这种情况下，电池传感器100与地之间的连接丢失。这可以例如由于被用于此目的的缆线烧坏或断开而发生。

在正侧上，所有部件仍然被附接至正极线路30。然而，电池传感器100和电池40不再具有相对于控制装置200和发电机20的公共地。因此，电流不再从车辆电气系统10流进电池40，并且也不从电池40流进车辆电气系统10。由于电池电流下降至0，因此如果例如将12V的典型标称电池电压作为基础，则建立例如大约11.5V至13V的典型电池电压。发电机20仍然被调整成通常13.8V至14.8V的充电电压，并且由图2中的箭头描绘相应的电流流动。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，因此车辆电气系统10中的电压还叠加高AC电压分量。

尽管以上描述的指示电池电流为0A并且电压在11.5V与13V之间的信息可以被基本上单独地或一起使用作为这种故障状态的标准，但该信息本身通常不足以推断接地中断。这是因为也可以例如在车辆的静止状态下设置这些测量值。特别地，当控制装置200测量到不稳定电压或明显太高的电压时，如果至电池传感器100的通信缺失和/或如果电池传感器100提供实际上或精确地0A、准确地说稳定电压下的电流，则可以特别地推断控制装置200中的接地中断。同样这些标准可以单独地或一起或与其他标准一起使用，以推断接地故障或其他故障状态。

图3示出了可以如何使用典型单线连接线路50的特性来确定接地中断。特别地，其示出了LIN连接线路的典型电路。

在这种情况下，还可以看出，电池传感器100具有控制单元110、电阻器120和晶体管130，这些部件通常被以这样的方式连接：因此可以将两种数字状态应用于连接线路50。电阻器120通常是上拉电阻器。控制装置200同样具有控制单元210、电阻器220和晶体管230，这些部件同样被以这样的方式连接：可以将两种数字状态常规地应用于连接线路50。

连接线路50通常处于车辆电气系统电压下。可以通过致动电池传感器100中的或控制装置200中的晶体管130、230来将电压下拉至实际上0V。在示例性开关电阻的情况下，也就是说，特别地，结果是20Ω的对应晶体管130、230的电阻、以及12V的车辆电气系统电压、235mV的算术电压。车辆电气系统电压(例如12V)与235mV之间的差由对应的控制单元110、210来检测，并且被解释为多个连续的一和零。

图4中展示的情境导致了接地中断的情况。在这种情况下，电压表140也被展示在电池传感器100中并且测量连接线路50上的电压。应提及的是，这个电压表特别地以这样的方式设计：其不仅可以区分逻辑零与逻辑一，而且可以测量所施加电压的更准确值。这是所描绘的电压U_LIN。

还在图4中描绘了另外的电压值，并且在下文对这些电压值作出了解释。

电池传感器100的地在电池负极处并且被定义为0V。由于例如12.5V的电池电压，因此车辆电气系统10、也就是说特别地正极线路30于是也是12.5V。如果发电机20提供例如15V的电压，则地为-2.5V的电压。

如果电池传感器100中的晶体管140现在具有高阻抗，但控制装置200中的晶体管230具有低阻抗，并且如果测量了连接线路50上的电压，则根据上述示例将得到结果为-2.5V+15V×20mΩ/1020mΩ＝-2.2V的值。与通常在电池传感器100中测得的大约+0.3V的电压相比，这可以被检测为相当大的下降。

图5中示出了相应的电路图。在这种背景下，应提及的是，电池传感器100的电阻器120具有30kΩ的电阻值，举例来说，控制装置200的电阻器220具有1kΩ的电阻值，并且控制装置200的晶体管230具有大约20Ω的内阻。这些是示例性典型值，然而，也可能与这些值有偏差。

与根据现有技术的陈述相比，如图所示，已经增加了明确地测量和估计连接线路50上或LIN总线上的电压的功能。电池传感器100的常规功能是测量电池电流、测量电池电压、测量温度和/或经由连接线路50进行通信。估计连接线路50的或LIN总线的电压使得可以推断电池40与车体或地之间不存在导电连接。特别地，可以由控制装置200使用此信息来解除激活启停功能并且因此避免故障。

如果控制单元110或210不能够捕获任何负电压，则还可以采用根据图6的示例性实施例。在这种情况下，将电池传感器100的被特别地用作上拉电阻器的电阻器120用包括一起形成上拉电阻器的第一电阻器122和第二电阻器124的分压器来替换。在本示例中，将得到12.5V-28kΩ/30kΩ×(12.5V+2.5V)＝0V的测量电压U_LIN，而不是通常的2.1V。

另外还可以估计测量电压U_LIN的AC分量或AC电压分量，如果电池40缺失则该分量可以假定很大的值。附加标准可以是实际上0A的测量电流。还可以使用测量电压U_LIN与通常在电池传感器100中测得的电池电压的比较。应理解的是，所有本文中披露的标准基本上可以单独地和以任何期望的组合两者并且与任何期望的逻辑操作一起使用。

例如，电池传感器100的电压表140也可以被用于测量电池40的电池电压。这可以例如借助于多路复用来执行。也可以使用用于测量电池电流的测量通道来确定U_LIN。

特别地，估计最小电压是有用的，也就是说，如果控制装置200将连接线路50的电压拉到地。例如，这可以对应于逻辑零。通常仅当电池传感器100的控制单元110还没有将晶体管130切换至低阻抗时执行估计。

可以例如使用电池传感器100的示例性典型硬件来在时间上将连接线路50的电压分解为0.1ms至2ms。然而,常规传输速率可以例如是19.2kB，这对应于每位0.052ms。这意指对应的其他单元、也就是说特别地本示例中的控制装置200在低电压下有利地传输2至4位(一帧包括64位)，例如以便能够直接测量最小电压。

作为借助于模拟/数字转换器而直接测量连接线路50的电压的替代方案，还可以提供缓冲电容器中的最小电压的硬件解决方案，这可以例如借助于采样保持电路来实现。例如，图7中展示了这种实施例。为此目的，在电池传感器100中安排电容器150和连接至该电容器的二极管155。

所描述的功能也基本上可以在具有在正侧上的电流测量的电池传感器100中实施。以下是优点，特别地：

-至车辆电气系统10的导电电连接，

-至电池40的负极的导电电连接，

-至少偶然地具有接近车体的电压的导电电连接(例如，LIN)。

替代电池传感器100内的实现方式，还可以想到控制装置200中的解决方案。为此目的，电池传感器100应该捕获例如关于以下各项的信息

-绝对值电池电压，

-电池电压的AC分量或AC电压分量，以及

-指示电池电流大约为0A的信息

并且应该有利地将该信息传输至控制装置200。

同样可以通过测量控制装置200中的电压并将该电压与来自电池传感器100的值进行比较来推断电池40的地下降。

电池传感器100中的实施例的优点在于，避免了在丢失地连接的情况下连接线路50上的通信也不再可靠地运行的风险的问题。如果通信不再可靠地运行，则通常也不再可以传输所检测到的故障。

出于检测电池40的接地中断的目的，有利地存在用于为车辆电气系统供电的另外的电源、特别地发电机20。发电机20通常由内燃发动机驱动。

应提及的是，特别地，还可以检测正电池缆线的断裂，具体地使用相应的配置。在这种情况下，有利地分析最大电压而不是最小电压。

可以以指示的顺序来执行根据本发明的方法的所提及的步骤。然而，还可以以不同的顺序来执行这些步骤。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。

属于本申请的一部分的权利要求书不代表放弃实现进一步保护。

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。举例来说，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、受其他特征限制的子组合。这种需要重新措辞的权利要求或特征的组合也可以理解为由本申请的披露涵盖。

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可以被理解为被本申请的披露内容同样覆盖。

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。

仅在说明书中公开的特征、或者仅在结合其他特征的说明书或权利要求书中公开的特征，基本上可以具有对本发明而言必不可少的自主重要性。因此，出于与现有技术进行区分的目的，这些特征还可以单独地包含在权利要求书中。

Claims

1.一种用于借助于电池传感器(100)和控制装置(200)来检测车辆电气系统(10)的故障状态的方法，

-其中，出于通信的目的，该电池传感器(100)与该控制装置(200)经由至少一条连接线路(50)彼此连接，

其中，该方法包括以下步骤：

-测量该连接线路(50)上的线路电压，

-确定该线路电压是否在至少预定义正常范围之内，并且

-如果该线路电压在该正常范围之外，则确定该故障状态。

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传感器(100)与地、特别地车辆地之间的连接丢失。

3.如以上权利要求之一所述的方法，

-在该控制装置(200)中执行该方法；

或者

-在该电池传感器(100)中执行该方法。

4.如以上权利要求之一所述的方法，

-其中，该正常范围在正电压范围内。

5.如以上权利要求之一所述的方法，

-其中，仅当该线路电压在故障范围内时才确定该故障状态，

-其中，该故障范围优选地在负电压范围内。

6.如以上权利要求之一所述的方法，

-其中，该线路电压是相对于参考电势来测量的，该参考电势优选地借助于采用分压器形式的上拉电阻器(122，124)来生成。

7.如以上权利要求之一所述的方法，

-其中，还基于以下标准中的一项或多项来确定该故障状态：

-由该电池传感器(100)测得的电池电压的AC电压分量，

-由该电池传感器(100)测得的电流、特别地电池电流，该电池电流就绝对值而言低于阈值，

-由该电池传感器(100)测得的该电池电压与正常值或与另外的正常范围的比较。

8.如以上权利要求之一所述的方法，

-其中，即使该电池传感器(100)与该控制装置(200)之间的该通信终止，仍确定该故障状态。

9.如以上权利要求之一所述的方法，

-其中，当该连接线路(50)与该电压测量单元相反地接地并且不在该电压测量单元处接地时，测量该线路电压。

10.如以上权利要求之一所述的方法，

-其中，在若干个或多个数据传输周期上以低电平来测量该线路电压。

11.如以上权利要求之一所述的方法，

-其中，该故障状态对应于该电池传感器(100)与该电池(40)之间的连接丢失，并且

-其中，在若干个或多个数据传输周期上以高电平来测量该线路电压。

12.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定而解除激活对内燃发动机的断开连接。

13.一种控制装置(200)，该控制装置被设计成连接至电池(40)并且优选地还连接至车辆底盘，并且被配置用于执行如以上权利要求之一所述的方法。

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，并且被配置用于执行如权利要求1至12之一所述的方法。

15.一种车辆电气系统(10)，具有

-电池(40)，

-电池传感器(100)，该电池传感器连接至该电池(40)，

-控制装置(200)，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)具有公共正极线路(30)和公共地，并且

-其中，该控制装置(200)如权利要求13所述的那样被设计，或者该电池传感器(100)如权利要求14所述的那样被设计。