用于车辆的动力总成系统的状态监测的设备和方法与流程

1.本发明涉及一种用于车辆的动力总成系统的状态监测的设备、一种用于车辆的动力总成系统、一种用于车辆的动力总成系统的状态监测的方法和一种计算机程序产品。


背景技术：

2.电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，eis)是一种有效测定电池动力学行为的常用方法。随着越来越多的电化学单元应用于车辆，eis成为车辆电池特性在线监测的主要解决方案。此外，eis也是对车辆中的一些驱动组件进行故障诊断的关键技术。因此，这种基于eis的监测手段在车辆的整个动力总成系统中都表现出巨大潜力。
3.在现有技术中，为了在动力总成系统中针对不同功能部件进行eis测试，通常需要为每个待测试的功能部件配备独立激励源，并单独设计测试电路，以便在各功能部件处分别采集用于电化学阻抗谱分析的信号。
4.但是，这种解决方案存在诸多不足，特别是，如果在一个系统中应用多次eis测量，这些测量的激励源注入的信号会相互干扰，由此导致各功能部件处的测量结果并不能良好地反映真实的阻抗特性。此外，由于针对不同功能部件的测试电路彼此独立地设计，因此它们分别具有不一致的信号反馈机制、测试信号类型、软硬件版本、部署位置，这在一定程度上增加了后期数据收集和分析的复杂度。
5.在这种背景下，期待提供一种系统级集成化的电化学阻抗谱测量方案，以涵盖动力总成系统中的大部分功能部件的状态监测。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种用于车辆的动力总成系统的状态监测的设备、一种用于车辆的动力总成系统、一种用于车辆的动力总成系统的状态监测的方法和一种计算机程序产品，以至少解决现有技术中的部分问题。
7.根据本发明的第一方面，提供一种用于车辆的动力总成系统的状态监测的设备，所述动力总成系统包括多个节点，所述设备包括：
8.激励单元，其配置为能够生成用于电化学阻抗谱监测的扰动信号并将其注入到所述动力总成系统中；以及
9.多个测量单元，所述多个测量单元被分配给所述动力总成系统的多个节点，每个测量单元配置为能够测量所述多个节点中的一个对扰动信号的响应信号，其中，所述多个测量单元中的至少两个被分配给至少两个功能类型彼此不同的节点。
10.本发明尤其包括以下技术构思：借助统一的激励源向动力总成系统注入扰动信号，由于动力总成系统的各个节点是电气连接在一起的，因此扰动信号会传导到系统中的每个节点，也就是说，在系统的每个节点处的测量结果都会至少包含部分扰动信息。由此，极大地节省了在整个系统中部署的激励源数量，消除了不同激励信号之间的干扰。此外，针对不同功能节点可以设计统一规格的测量单元，从而有效节省了软硬件的开发时间和成
本。
11.可选地，所述多个测量单元中的一个被分配给第一功能类型的节点，所述多个测量单元中的另一个被分配给第二功能类型的节点，所述第一功能类型的节点是电化学储能节点，所述第二功能类型的节点是非电化学储能节点。
12.在此，尤其实现以下技术优点：通过提出这种系统化解决方案，使监测对象覆盖到动力总成系统中的多个部件，因此不仅能够实现电化学单元、例如电池模块的健康状态在线监测，而且还能够对车辆中的基础驱动部件执行故障诊断，在集成测试方面存在优势。
13.可选地，所述多个测量单元分别布置在动力总成系统的多个节点的靠近激励单元一侧的端口处。
14.在此，尤其实现以下技术优点：通过使测量单元直接布置在节点的靠近激励单元一侧的端口处，可以在计算阻抗时尽可能将外接导线段的阻抗影响排除，使得仅关注被测节点本身。
15.可选地，所述多个测量单元配置为能够对动力总成系统的多个节点进行同步和/或异步的测量。
16.在此，尤其实现以下技术优点：通过提供对多个节点的并行或交替的测量方式，能够根据各个节点本身的属性自由选择最佳测量时机和频率。在节省时间效率的同时确保整个测量方案的灵活性。
17.可选地，所述激励单元配置为能够借助频分复用和/或时分复用技术来将至少两个不同的扰动信号注入到动力总成系统中，所述至少两个不同的扰动信号分别用于动力总成系统的至少两个功能类型彼此不同的节点。
18.在此，尤其实现以下技术优点：在整个动力总成系统中，对于不同功能类型的节点来说，对激励条件可能存在不一样的要求。为了通过集中部署的激励源实现多样化的激励要求，可以有效借助频分复用和时分复用的方式来划分不同信道或时段，从而能够同步地满足不同节点的测试要求。
19.可选地，所述激励单元连接到所述动力总成系统的的电力电子设备，并配置为能够将交流电压信号和/或交流电流信号叠加在用于电力电子设备的控制信号上。
20.在此，尤其实现以下技术优点：借助将小的扰动信号叠加在原本用于控制电力电子设备的参考信号上，以简单的方式实现了扰动信号的注入。在本发明的意义上，电力电子设备例如可以包括动力总成系统中的能量转换器、尤其dc/dc转换器和ac/dc转换器。
21.可选地，所述测量单元包括：
22.电流传感器，其配置为能够测量相应节点处的电流信号；
23.电压传感器，其配置为能够测量相应节点处的电压信号；以及
24.信号处理电路，其配置为对测量的电流信号和电压信号进行信号处理。
25.在此，由此尤其实现以下技术优点：
26.可选地，所述测量单元还包括：
27.微控制器，其配置为对经信号处理的电流信号和电压信号进行电化学阻抗特性分析；和/或
28.通信接口，其配置为将经信号处理的电流信号和电压信号传输到外部的处理器，以用于进行电化学阻抗特性分析。
29.在此，尤其实现以下技术优点：一方面，通过在各测量单元本地直接执行相应的阻抗计算，显著减小了待传输数据量，降低了数据通讯压力。另一方面，通过将较复杂、计算量较大的工作转移到外部处理器，能够简化各测量单元的结构，当针对特定节点需要阻抗谱的更高精度分析时，只需升级外部处理器，而无须一并置换用于数据监测目的的测量单元。
30.可选地，所述测量单元印制在柔性电路板上，该柔性电路板以粘接的方式施加在动力总成系统的节点与电网之间的连接器上。
31.在此，尤其实现以下技术优点：可以实现测量单元的批量化生产并通过后期改装的方式施加到连接器上，节省了制造成本。同时，粘接的施加方式也不会破坏连接器的原有结构，因此可以尽可能不对动力总成系统的正常运行造成影响。
32.可选地，所述测量单元以预制的方式嵌入到动力总成系统的节点与电网之间的连接器中。
33.在此，尤其实现以下技术优点：以提前预制的方式，可以使测量单元更贴合地附接到节点处，从而实现更加精准的测量。
34.可选地，所述设备还包括控制单元，其配置为能够从所述多个测量单元接收响应信号并将其用于电化学储能节点的在线状态监测和非电化学储能节点的故障诊断。
35.可选地，所述设备还包括另外的激励单元，所述另外的激励单元配置为生成用于电化学阻抗谱监测的另外的扰动信号并将其注入到动力总成系统中，所述另外的激励单元配置为能够与所述激励单元彼此切换地激活。
36.在此，尤其实现以下技术优点：当原本起作用的激励单元故障时，可以切换到另外的激励单元，由此以冗余的方式确保状态监测的可靠实施。
37.根据本发明的第二方面，提供一种用于车辆的动力总成系统，其包括根据本发明的第一方面所述的设备。
38.根据本发明的第三方面，一种用于车辆的动力总成系统的状态监测的方法，所述动力总成系统包括多个节点，所述方法用于借助根据本发明的第一方面所述的设备实施，所述方法包括以下步骤：
39.生成用于电化学阻抗谱监测的扰动信号并将其注入到动力总成系统中；以及
40.测量所述动力总成系统的多个节点中的至少两个功能类型彼此不同的节点对扰动信号的响应信号。
41.根据本发明的第四方面，提供一种计算机程序产品，其中，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序用于在被计算机执行时实施根据本发明的第三方面所述的方法。
附图说明
42.下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：
43.图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力总成系统的状态监测的设备的框图；
44.图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于车辆的动力总成系统的状态监测的设备的框图；
45.图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的燃料电池混合动力车辆的动力总成系统的示意图；
46.图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的内燃机混合动力车辆的动力总成系统的示意图；
47.图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的测量单元的示意图；
48.图6示出了根据本发明的另一示例性实施例的测量单元的示意图；以及
49.图7示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力总成系统的状态监测的方法的流程图。
具体实施方式
50.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。
51.图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力总成系统的状态监测的设备10的框图。
52.如图1示例性所示，设备10包括一个激励单元20和多个测量单元31、32、33、34。在此，一个集中式布置的激励单元20连接到多个分布式布置的测量单元31，以便将扰动信号注入到车辆的动力总成系统中并在各测量单元处收集反馈。
53.激励单元20例如构造成信号发生器并用于将确定频率的小振幅电压波纹或电流波纹持续地提供到车辆电网中。于是，分布在各节点处的测量单元31、32、33、34采集相应节点对注入的电压波纹或电流波纹的反应。
54.测量单元31、32、33、34例如分别构造成电流-电压测量单元并用于对各节点的靠近激励单元一侧的端口的电流信号和电压信号进行采集。在此，取决于各节点的类型，节点的直接耦合到激励单元的端口在有些情况下可能是节点的驱动端口(输入端口)，有些情况下可能是节点的输出端口。在此，示例性地示出一个测量单元31的内部结构，该测量单元31例如包括电流传感器311、电压传感器312，以便能够测量相应节点处的电流和电压信号。测量单元31例如还包括信号处理电路313(例如模数转换器、滤波电路)，以便能够对测量的电流和电压进行信号处理。接下来，经处理的测量信号被传输给测量单元31的通信接口314，由此，这些测量信号被传输到外部处理器(未示出)以进行电化学阻抗特性分析。也可能的是，经处理的测量信号被传输给测量单元31的微控制器315，由此允许在测量单元31本地执行电化学阻抗特性的简单分析。
55.在图1所示的示例性实施例中，设备10还包括控制单元40，其与测量单元31的通信接口314连接并从各个测量单元31接收响应信号。在控制单元40中，可以对采样的电流和电压信号进行傅里叶变换，以得到电压和电流在对应频点及其倍频次的正弦电压和正弦电流信号，由此可以进一步针对所有频点进行阻抗计算，最终求取到所需的阻抗谱。此外，控制单元40针对不同的节点类型还能够进行不同类别的分析，例如对于电化学储能节点而言，在控制单元40中可以基于测得的电化学阻抗谱对电化学储能单元的运行状态(soh)和充电状态(soc)进行在线监测，由此例如可以确定是否需要对当前使用的电化学储能元件进行更换。对于非电化学储能节点而言，一方面可以基于电化学阻抗谱监测驱动组件的特性参
数(例如电感值、电阻值)，另一方面也可以诊断这些节点的宏观和微观的故障状态(例如电气绝缘故障、线圈绕组之间的接触阻抗不足导致的匝间短路、相间短路等)。
56.此外，也能够想到的是，测量单元31、32、33、34构造成阻抗测量单元，从而能够借助其直接输出各节点的内部阻抗。在此示出的各个测量单元31、32、33、34中的第一测量单元31例如被分配给动力总成系统中的第一功能类型的节点，而第二测量单元32例如被分配给第二功能类型的节点。第一功能类型的节点例如可以是电化学储能节点，这尤其包括燃料电池、铅蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池、超级电容器和太阳能电池等。第二功能类型的节点例如可以是非电化学储能节点，这尤其包括发电机、电动机、空调和电动空气压缩机等基础驱动部件。
57.为了能够借助多个测量单元31、32、33、34对动力总成系统的多个节点进行同步和/或异步的测量，需要借助统一的激励单元20实现不同激励信号的传输。作为示例，可以借助时分复用技术使多个扰动信号的发送时刻在时间上等距地或不等距地彼此偏移。例如，由于燃料电池在车辆动力总成系统中并非始终处于激活，因此有意义的是，在1秒的时间段内，只有前10ms的时间段被分配给燃料电池节点的第一扰动信号的发送，而10ms-40ms的时间段例如被分配给另一节点(例如空调驱动装置)的第二扰动信号发送。此外有意义的是，彼此相继发送的不同扰动信号之间存在一定的时间间隔，以在最大程度上避免信号扰动信号相互影响。由此，通过对时间信道的有效划分，能够在不发生激励信号之间的干扰的情况下确保多节点的基本上同步的状态监测。
58.相应地，还可以借助频分复用技术定义多个不同频段，每个扰动信号例如只占用其中一个频段进行传输，有意义的是，各路扰动信号之间留有空白频带，以形成隔离作用，从而有效防止信号重叠。
59.在测量单元31、32、33、34处和/或在控制单元40处，通过已知各扰动信号的发送顺序或占用频带信息，能够解调出各节点对应的电化学阻抗信息。
60.图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于车辆的动力总成系统的状态监测的设备10的框图。
61.与图1的不同之处在于，图2中的设备10还包括另外的激励单元20'，该另外的激励单元20'配置为生成用于电化学阻抗谱监测的另外的扰动信号并将其注入到动力总成系统中。此外，该另外的激励单元20'作为备用激励源工作，并例如能够与充当主激励源的激励单元20彼此切换地激活。在此，为了尽可能避免两个激励单元20、20'的激励信号出现重叠或干扰，因此有意义的是：仅当激励单元20出现故障或者说失效时，才启用另外的激励单元20'。
62.图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的燃料电池混合动力车辆的动力总成系统1的示意图。
63.如图3所示，该动力总成系统1包括以下节点：燃料电池200、dc/dc转换器210、用于dc/dc转换器的控制器50、电动空气压缩机220、空调230、另外的dc/dc转换器240、蓄电池250、dc/ac转换器260、电动机270。这些节点彼此电连接。一开始，用于向燃料电池200的阴极侧供应空气的电动空气压缩机220耦合到高压总线并由蓄电池中的电能驱动，于是燃料电池200通过氢氧化学反应产生电能，输出的电能通过dc/dc转换器210进行适当升压或降压之后被提供用于多个车辆辅助用电器(例如电动空气压缩机220、空调230、灯光组件、车
窗组件等)的运行，还有一部分电能被提供给蓄电池250进行存储。另一方面，燃料电池200和蓄电池250输出的电能在借助dc/ac转换器260转换为三相电能之后被提供给电动机270，以用于驱动车辆前进。
64.此外，在图3中还示出根据本发明的设备。在此，激励单元20作为dc/dc转换器210的控制器50的一部分示出，同时该控制器50还包括控制信号输出单元51。为了实现激励信号的注入，激励单元20将小幅度的扰动信号发送给控制信号输出单元51，在那里，扰动信号被叠加在原本用于控制dc/dc转换器210的目标电压生成的控制信号上。由此，dc/dc转换器210在正常工作状态的基础上叠加确定频率的电流或电压周期性激励信号。由于动力总成系统1中的各节点彼此电连接，因此这种激励信号被传导到系统中的各个节点处。为了监测各个节点的状态，测量单元31、32、33、34、35分别布置在各节点的靠近激励单元一侧的端口处，以便能够测量每个节点对扰动信号的响应信号。
65.基于集中式的激励信号注入，不仅可以对诸如燃料电池200、蓄电池250的电化学储能节点进行在线性能监测，同时，也可以对诸如电动空气压缩机220、空调230、电动机270这类的非电化学储能节点进行故障诊断。
66.在此应注意，虽然激励单元20在该示例中被布置在用于燃料电池200的dc/dc转换器210处，然而其也能够被布置在用于蓄电池250的另外的dc/dc转换器260或dc/ac转换器260处。
67.图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的内燃机混合动力车辆的动力总成系统的示意图。
68.如图4所示，该动力总成系统1'包括以下节点：发电机200'、ac/dc转换器210'、空气压缩机220'、空调230'、dc/dc转换器240'、蓄电池250'、dc/ac转换器260'、dc/ac转换器的控制器50'、电动机270'。这些节点彼此电连接。在此，与图3的实施例的不同之处在于：替代燃料电池，由内燃机(未示出)驱动发电机200'进行发电，如此产生的电能通过相应的转换器输送到蓄电池250'进行存储或输送到电动机270'来驱使车辆前进。此外，也由发电机200'或蓄电池250'提供一部分电能来运行多个车辆辅助用电器(例如电动空气压缩机220'、空调230'、灯光组件、车窗组件等)。
69.如图4所示，为了向动力总成系统1'施加用于电化学阻抗谱监测的扰动信号，激励单元20布置在dc/ac转换器260'的控制器50'中，在那里，扰动信号被发送给控制信号输出单元51'并由此叠加在原本用于控制dc/ac转换器210'的目标电压生成的控制信号上。于是，可以借助分布式布置的测量单元31、32、33、34、35测量各节点对扰动信号的响应。
70.图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的测量单元31的示意图。在此，测量单元31被印制在柔性电路板30上，然后该柔性电路板30以粘接方式施加在电动机与车载电网母线之间的连接器510上。
71.示例性地，柔性电路板30的整体形状与电动机连接器510端面的轮廓相匹配，由此使得测量单元31更贴合地安装到连接器510上。此外可看出，在柔性电路板30上设有三个通孔320、321、322，它们的位置和大小适配于在连接器510本身上为电动机三相端子预留的接口。在三个通孔320、321、322中的一个320处设有电流传感器311，该电流传感器311例如包括多匝电感线圈316。在借助连接器510将电动机连接到车载电网的状态中，电动机的其中一相端子引导穿过电感线圈316，从而电感线圈316能够感应出流经该相的电流，由此，通过
电流读取装置311则可以输出所采样的单相交流电流。在另外两个通孔321、322之间设有电压传感器312，该电压传感器312例如借助导体317和导线318连接在电动机的两相之间，由此可以测得相应的相电压。此外，测量单元31还包括信号处理电路313和微控制器315(这两者在图5中集成地示出)，以便对直接测量得到的高带宽电流和电压信号进行信号处理以及阻抗计算。此外，在柔性电路板30的左侧还示出天线314，其连接到信号处理电路313和微控制器315，以便借助无线连接将计算出的阻抗参数传输到外部处理器或控制单元以进行进一步的分析。
72.图6示出了根据本发明的另一示例性实施例的测量单元31'的示意图。在此，测量单元31'不再以加装的方式粘接在连接器610上，而是以预制的方式直接嵌入到燃料电池或蓄电池与车载电网之间的连接器610中。在图6左侧和右侧分别示出该连接器610的正侧与背侧。可以看出，连接器610的正侧与普通电池连接器相同，在中部设有两个用于电池连接端子的接口601。与常规连接器不同的是，在该连接器610背侧嵌入了附加的测量单元31'。该测量单元31'同样包括电流传感器311和电压传感器312。在此，电流传感器311例如包括分流电阻3110和电流读取单元3111，分流电阻3110串联在车载电网母线602与用于电池端子的接口601之间，由此，可以通过电流读取单元3110求取由电池节点传输到电网中的电流。相应地，电压传感器312并联在两个电池端子的接口601之间，由此可以测量得到电压信号。测量单元31'还包括信号处理电路313，其用于将测量的数据转换为数字信号，数字信号可以直接借助测量单元31'的信号引脚314发出。通过信号引脚314可以建立与外部控制单元的有线连接，由此，外部控制单元(未示出)可以收集电压和电流信号并进行电化学阻抗谱分析。
73.图7示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力总成系统的状态监测的方法的流程图。
74.在步骤s1中，生成用于电化学阻抗谱监测的扰动信号并将其注入到动力总成系统中。
75.在步骤s2中，测量动力总成系统的多个节点中的至少两个功能类型彼此不同的节点对扰动信号的响应信号。
76.在可选的步骤s3中，对所测量的响应信号进行分析并根据分析的结果对节点进行在线状态监测和/或故障诊断。
77.尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。