CN103364611A - 冗余地确定流经蓄电池的极的蓄电池电流的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种装置，其包括具有多个蓄电池单元的蓄电池和用于冗余地确定流经蓄电池的极的蓄电池电流的传感器系统(70)，其中，传感器系统包括用于获取蓄电池电流并提供电流测量值(IM)的电流测量装置(40)。此外，装置包括用于单独地获取至少一个蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线并提供电压测量值(VM)的至少一个时间曲线的电压测量装置(50)。再者，装置包括分析单元(60)，其被设置为根据电压测量值(VM)的至少一个时间曲线确定蓄电池电流、提供相应的电流值(IC)并将电流值(IC)与电流测量值(IM)作比较。此外，本发明提出了具有依据本发明的装置的机动车和用于冗余地确定流经蓄电池的极的蓄电池电流的方法。

Description

冗余地确定流经蓄电池的极的蓄电池电流的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种装置，其包括具有多个蓄电池单元的蓄电池和用于冗余地确定流经蓄电池的极的蓄电池电流的传感器系统。此外，本发明涉及一种用于冗余地确定流经蓄电池的极的蓄电池电流的方法。
背景技术
作为储能器，蓄电池达到了持续增长的重要性，尤其是用于车辆的驱动系统。为了确定蓄电池的充电状态并且还出于安全缘由将测量流入和流出蓄电池的电流或者还测量单个的蓄电池单元的电流。因为故障的电流传感器不仅会危及车辆驱动的正确的功能，而且会带来安全风险，所以必须持续地监控该电流传感器。
通常地，将测量电阻(分流器)用于电流测量。这样的分流器-电流传感器测量电压降，然后借助于欧姆定律能够确定流过该分流器的电流。因为在电路中大的附加的电阻是不理想的，所以将分流器的电阻选为比负载小很多。因此，通过该小的电阻，在其上下降的电压也仅是微不足道的。借助于电子电路能够放大并且分析该小的电压降。为了能够识别出该分流器或者测量电子装置的故障并对此作出反应，需要考虑成熟的监控策略。
对于机动车中与安全相关的电气的和/或电子的系统，标准ISO26262是有效的。其中，汽车安全完整性水平(ASIL)以A至D的分级来表示由ISO26262所指定的、在机动车中的安全相关系统的安全要求级别。ASIL D描述了对于安全具有最高要求的安全要求级别。
例如根据ASIL C开发的传感器的现有技术构成冗余的或者多元化的测量路径。能够例如通过使用其他的结构型式的第二传感器来确保诸如电流的多元化的测量值的测量。
这样的装置如图1所示。相应地，将借助于两个相互独立的电流传感器来测量电流。
其中，第一电流传感器10能够被构造为具有测量电阻(分流器)的电流传感器。测量信号将在电流测量ASIC12(Application-SpecificIntegrated Circuit：专用集成电路)中被分析。此外，第一电流传感器10包括自己的诊断单元14和微控制器16，该诊断单元监控该第一电流传感器10的功能性并且该微控制器准备用于输出的第一电流测量值IMS。
与第一电流传感器10相反，第二电流传感器20被构造为具有霍尔传感器的电流传感器。测量信号将再次在电流测量ASIC22中被分析。此外，第二电流传感器20也包括自己的诊断单元24和微控制器26，该诊断单元监控第二电流传感器20的功能性并且该微控制器准备用于输出的第二电流测量值IMH。
第一电流传感器10的电流测量值IMS和第二电流传感器20的电流测量值IMH将被传递至分析单元30。该分析单元30包括另外的微控制器32，其比较并使得电流测量值IMS和IMH合格。该分析单元30将合格的电流输出值IQ提供为输出量。
另外的方法是在电流传感器中集成比较器。其中，一方面，分流器上的电压将被引入至测量IC(Integrated Circuit：集成电路)，另一方面，将该电压与阈值电压作比较。如果超过了该阈值，那么上级的控制器能够赋值硬件信号并且采取措施。
DE10343179A1描述了一种用于确定车辆蓄电池的电流的装置。电流照常输送入熔断器盒并且在那并行地流过几个熔断器。将测量在这些熔断器上的电压降，以确定总电流，将通过蓄电池状态识别来考虑该总电流。能够检验流过单个的熔断器的部分电流，从而在超过极限电流时推断误差。
DE102011080703.2描述了一种用于测量电流的方法。其中，待测电流被分开在至少两个并行地设置的路径上。接下来，流经每个路径的部分电流由一个电流传感器来测量。为了确定总电流，将两个部分电流相加。为了检验所测量的部分电流的真实性将形成这两个部分电流的关系。这个关系例如能够与在明确的正常的状态下所记录的并且相同地形成的关系作比较。
发明内容
依据本发明提供了一种装置，所述装置包括具有多个蓄电池单元的蓄电池和用于冗余地确定流经所述蓄电池的极的蓄电池电流的传感器系统，其中，所述蓄电池系统包括用于获取所述蓄电池电流并且提供电流测量值的电流测量装置。此外，所述蓄电池系统包括电压测量装置，其用于单独地获取至少一个蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线并且提供电压测量值的至少一个时间曲线。再者，所述蓄电池系统包括分析单元，其被设置为根据所述电压测量值的所述至少一个时间曲线确定所述蓄电池电流。此外，所述分析单元被设置为提供相应的电流值并且将所述电流值与所述电流测量值作比较。
将如此地提供所述电流测量值、所述电流值和所述电压测量值，使得这些值至少提供给所述分析单元。所述电压测量装置能够被构造为单独地获取所述蓄电池的多个蓄电池单元的或者优选地所有的蓄电池单元的所述单个单元电压的时间曲线。
根据所述装置的设计方案，所述电流测量装置也能获取所述蓄电池电流的时间曲线并且提供所述电流测量值的时间曲线。所述分析单元能够确定所述蓄电池电流的时间曲线并且提供所述电流值的时间曲线。接下来，所述分析单元能够将所述电流测量值的所述时间曲线与所述电流值的所述时间曲线作比较。
本发明基于以下知识，即通过结合合适的分析单元来应用电流测量装置(例如电流传感器)和电压测量装置(例如至少一个电压传感器)能够实现蓄电池电流的多元化的
Figure BSA00000876462500031
冗余的确定。
这是可能的，因为在蓄电池单元处能够根据其所获得的或者所供给的电流来测量另外的单个单元电压，其中，所述单个单元电压应该理解为这样的电压，即在所述蓄电池单元的极间量取的电压。此外，所述蓄电池单元在其所获得的或者所供给的电流改变时具有其单个单元电压的有代表性的时间曲线。
因此能够借助于通常包括蓄电池模型的所述分析单元根据所获取的所述单个单元电压的时间曲线推断所流经的电流。为此，所述电压测量装置应该是高精度的，以便根据所述电压测量值的所述曲线能够计算出足够精确的蓄电池电流。所述蓄电池模型通常是所述至少一个蓄电池单元的数学模型，将测量至少一个蓄电池单元的所述单个单元电压的时间曲线。所述电压测量值的至少一个时间曲线至少用作所述蓄电池模型的输入量，所述蓄电池模型至少将所述电流值提供为输出量。
根据所述电压测量值的所述至少一个时间曲线确定的、与所述蓄电池电流相对应的电流值现在能够与所述电流测量值作比较。由此能够实现所述电流测量值的真实性检查。例如，当所述电流值位于围绕所述电流测量值的预定义的容差范围内时，电流测量值被视为真实的。随后能够由所述分析单元输出合格的电流输出值。
通过本发明能够在不损失安全性的情况下，所述蓄电池电流的冗余的测量将变得开销更小、更灵活并且更合算。为此仅需要唯一的电流测量装置，所述电压测量装置通常存在于所述蓄电池之中，由此在价格以及空间需求方面具有优点。本发明的主要的优点在于提高了的灵活性，因为通过灵活的软件能够削减(abgebildet)主要花费。
优选地，所示至少一个电流传感器被用作电流测量装置。此外优选地，所述至少一个电流传感器为具有测量电阻(分流器)的电流传感器。分流器-电流传感器由于其属性是适用于汽车应用的。此外，优选地，也能够使用其工作方式基于霍尔效应的电流传感器。
此外，优选地，所述电流测量装置包括电流测量ASIC。所述电流测量ASIC根据所述在测量电阻上下降的电压来确定或者计算所述电流测量值。相似地，所述电压测量装置包括电压测量ASIC，其确定或者计算所述电压测量值。
此外，优选地，所述传感器系统包括用于监控所述电流测量装置的功能性的电流测量诊断单元和/或用于监控所述电压测量装置的功能性的电压测量诊断单元。这些诊断单元被构造为监控所述电流测量装置和/或所述电压测量装置的硬件。例如，这些诊断单元能够经由所述测量电阻发送测试电流，以便检验所述测量电阻是否工作。
特别优选地，所述电压测量诊断单元包括对所述电压测量装置的测量精度的监控，由此所述电压测量诊断单元尤其是被构造为监控所述电压测量装置的测量精度。由此，能够在运行时间上检测所述电压测量装置的测量精度的改变。
此外，优选地，所述电流测量诊断单元和/或所述电压测量诊断单元分别包括一个看门狗(watchdog)。所述看门狗例如被构造为监控所述电流测量ASIC或者所述电压测量ASIC或者尤其是在软件方面监控微控制器。例如，软件能够定期或者以先前已知的间隔通知所述看门狗该软件是正常的。当这样的通知缺席时，所述看门狗能够引入重置或者重新启动该软件。
特别优选地，所述电流测量诊断单元和所述电压测量诊断单元包括共同的看门狗。所述共同的看门狗承担所述电压测量诊断单元的看门狗的任务和所述电流测量诊断单元的看门狗的任务。
有利地，所述分析单元包括微控制器，其也是由所述电流测量诊断单元和/或所述电压测量诊断单元可利用的。此外，优选地，所述电流测量诊断单元和/或所述电压测量诊断单元是所述分析单元的组成部分，其中，所述分析单元和所述微控制器被如此地构造，使得所述微控制器能够由所述电流测量诊断单元和/或所述电压测量诊断单元来使用。通过这样的设计方案，能够将原本在各自的诊断单元的分离的微控制器上实施的任务在同一个微控制器上实施。通过这样的设计方案，在所述电流测量装置和/或所述电压测量装置中的诸如另外的微控制器的多个组成部分能够被省略，这样能够下降至更低的价格。
优选地，所述蓄电池为包括多个锂离子蓄电池单元(可充电单元)的锂离子蓄电池。锂离子蓄电池通过高能量密度和功率密度是优秀的，由此尤其是在电力牵引领域具有另外的优点。
此外提供了一种具有依据本发明所述的装置的机动车。所述蓄电池通常被设置为为所述车辆的电驱动系统供能。
此外提供了一种用于冗余地确定流经蓄电池的极的蓄电池电流的方法。所述方法包括提供具有多个蓄电池单元的蓄电池和包括电流测量装置、电压测量装置和分析单元的传感器系统的第一步骤。所述方法还包括借助于所述电流测量装置获取所述蓄电池电流并且提供电流测量值的第二步骤。此外，所述方法包括借助于所述电压测量装置同时获取至少一个蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线并且提供所述电压测量值的至少一个时间曲线的第三步骤。在第四步骤中进行借助于所述分析单元根据所述电压测量值的所述至少一个时间曲线确定所述蓄电池电流并且提供相应的电流值。在第五步骤中利用所述分析单元进行将所述电流测量值与所述电流值的作比较。
如此地进行所述电流测量值、所述电流值和所述电压测量值的提供，从而使得这些值至少被提供给所述分析单元。
通过所述方法将获取至少一个蓄电池单元的所述单个单元电压的所述时间曲线并且同时获取所述蓄电池的所述蓄电池电流。如果仅获取一个蓄电池单元的单个单元电压，那么将由一个蓄电池单元推断整个蓄电池。也能够获取多个蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线，由此能够相互地调节所述单个单元电压的时间曲线。
优选地，在第三步骤中获取所有的蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线并且提供所有电压测量值的时间曲线。在第四步骤中将根据所述电压测量值的所有的曲线确定所述蓄电池电流。由此能够减缓(abfangen)由于单个的蓄电池单元的属性的振荡所引起的对测量结果的影响。
根据所述方法的设计方案，也能够借助于所述电流测量装置获取所述蓄电池电流的时间曲线并且提供所述电流测量值的时间曲线。借助于所述分析单元能够确定所述蓄电池电流的时间曲线并且提供与所述蓄电池电流的所述时间曲线相对应的所述电流值的时间曲线。接下来，借助于所述分析单元能够将所述电流测量值的时间曲线与所述电流值的时间曲线作比较。
如已经描述的那样，因为蓄电池根据其所获得的或者所供给的电流具有另外的单个单元电压，其中，所述单个单元电压应该理解为能够在所述蓄电池单元的极之间量取的电压，所以依据本发明所述的方法是可能的。此外，所述蓄电池单元在其所获得的或者所供给的电流改变时具有其单个单元电压的有代表性的时间曲线。所以，借助于所述分析单元能够根据所获取的所述单个单元电压的时间曲线推断流经的电流。
依据所述方法的第四步骤的所述蓄电池电流的确定能够通过蓄电池模型来实现。所述蓄电池模型通常是至少一个蓄电池单元的数学模型，将测量至少一个蓄电池单元的所述单个单元电压的时间曲线。所述电压测量值的至少一个时间曲线至少用作所述蓄电池模型的输入量，所述蓄电池模型将电流值至少提供为输出量。
根据所述电压测量值的至少一个时间曲线确定的、与所述蓄电池电流相对应的所述电流值，现在能够与所述电流测量值作比较。由此能够实现所述电流测量值的真实性检查。例如，当所述电流值位于围绕所述电流测量值的预定义的容差范围内时，电流测量值被视为真实的。随后，能够由所述分析单元输出合格的电流输出值。
优选地，在识别出在所述电压测量值的所述至少一个时间曲线中的斜度大于预先给定的临界斜度时才进行所述方法的所述第四步骤。此外，优选地，在识别出所述电流测量值的跳跃大于极限跳跃时才进行所述方法的所述第四步骤。通过这些设计方案实现了在期望所述单个单元电压的足够具有说服力的时间曲线时才根据所述电压测量值的所述至少一个时间曲线来确定所述蓄电池电流。
此外，优选地，所述方法包括借助于电流测量ASIC分析所述电流测量装置的测量信号的步骤和/或借助于电压测量ASIC分析所述电压测量装置的测量信号的步骤。所述电流测量ASIC根据在所述测量电阻上下降的电压确定或者计算所述电流测量值。相似地，所述电压测量装置也能够包括电压测量ASIC，其确定或者计算所述电压测量值。
此外，优选地，所述方法包括借助于电流测量诊断单元来监控所述电流测量装置的步骤；和/或借助于电压测量诊断单元来监控电压测量装置的步骤。
特别优选地，所述方法包括通过所述电压测量诊断单元来监控所述电压测量装置的测量精度的步骤。
此外，优选地，所述方法包括借助于各自的看门狗或者借助于共同的看门狗监控所述电流测量装置和/或电压测量装置的步骤。
在从属权利要求和说明书中给出了本发明的有利的改进方案。
附图说明
本发明的实施例将借助于附图以及后续的说明书进一步阐述。其中：
图1示出了一个传感器系统(现有技术)；
图2示出了依据本发明的传感器系统的结构示意图；以及
图3示出了单个单元电压的时间曲线。
具体实施方式
图1已经在阐述现有技术时描述过。
图2示意性地示出了传感器系统70，其是依据本发明的装置的一部分。该传感器系统70包括电流测量装置40、电压测量装置50和分析单元60。该电流测量装置40例如是具有测量电阻(分流器)的电流传感器，并且该电压测量装置50例如是电压传感器。该电流测量装置40能够包括电流测量ASIC42，相似地，电压测量装置50能够包括电压测量ASIC52。分析单元60通常包括微控制器62，在该微控制器上实施并且根据微控制器62的类型也能够存储蓄电池模型64。此外，电流测量诊断单元44和电压测量诊断单元54也能够如此地与该微控制器62相连接，使得该微控制器能够由电流测量诊断单元44和电压测量诊断单元54所利用。
为了依据本发明地冗余地确定蓄电池电流，即流经蓄电池的极的电流，电流测量装置40通过直接的或者间接的测量原理获取蓄电池电流并且提供用于后续的处理的电流测量值IM。这例如通过该电流测量ASIC42来实现，其根据在分流器上下降的电压计算蓄电池电流。同时，电压测量装置50获取蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线并且通过在该电压测量ASIC52中的处理提供用于后续的处理的电压测量值VM的时间曲线。
例如包括看门狗的电流测量诊断单元44监控电流测量装置40并且特别是监控电流测量ASIC42。相似地，同样包括看门狗的电压测量诊断单元54监控电压测量装置50并且特别是监控电压测量ASIC52。
为了实现蓄电池电流的冗余的确定，分析单元60的蓄电池模型64根据电压测量值VM的时间曲线确定电流值IC。为此，该蓄电池模型64是蓄电池单元的数学模型，将测量蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线。
为了解释之用，在图3中示例性地并且定性地示出了单个单元电压V随时间t的、在蓄电池单元的不连续的电流消耗时的曲线。从同样高的起始单个单元电压起，在起始电流为IO时，根据不连续的消耗的电流的高度得出不同高的最终单个单元电压。在此，I1描述了一个相对小的电流，I2描述了一个中等的电流并且I3描述了一个相对大的电流，从而使得I3＞I2＞I1＞I0。针对各个不连续的消耗的电流I1、I2、I3，单个单元电压随时间的曲线是有代表性的。借助于蓄电池模型64能够根据所选出的基点(Stützpunkt)算回电流，该电流将引起该电压曲线。以这样的方式，蓄电池模型确定与蓄电池电流相对应的电流值IC。
这例如能够在识别出电流测量值IM的跳跃大于临界跳跃时才实现。即如果借助于电流测量装置40识别出蓄电池电流的显著的变化，那么通过分析单元60借助于蓄电池模型64来确定蓄电池电流。替代地，在识别出该电压测量值VM的时间曲线中的斜度大于预先给定的临界斜度时才进行蓄电池电流的确定。
所选出的用于通过蓄电池模型确定蓄电池电流的基点例如能够是电压测量值VM的时间曲线中的最大或者最小点，该最大或者最小点直接出现在识别出该跳跃或者斜度之前或者之后。这样的最大或者最小点期望出现在的时间间隔例如取决于所使用的蓄电池单元类型。
接下来，分析单元60将电流测量值IM与电流值IC作比较并且在真实性检查后提供合格的电流输出值IQ。对于该合格的电流输出值IQ，例如电流测量值IM或者根据电流测量值IM和电流值IC形成的平均值能够是有用的。

Claims (10)

1.一种装置，其包括具有多个蓄电池单元的蓄电池和用于冗余地确定流经所述蓄电池的极的蓄电池电流的传感器系统(70)，其中，所述传感器系统(70)包括：
I)电流测量装置(40)，其用于获取所述蓄电池电流并且提供电流测量值(IM)；
II)电压测量装置(50)，其用于单独地获取至少一个蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线并且提供电压测量值(VM)的至少一个时间曲线；
III)分析单元(60)，其被设置为根据所述电压测量值(VM)的所述至少一个时间曲线确定所述蓄电池电流、提供相应的电流值(IC)并且将所述电流值(IC)与所述电流测量值(IM)作比较。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器系统(70)包括用于监控所述电流测量装置(40)的功能性的电流测量诊断单元(44)。
3.根据前述权利要求之一所述的装置，其中，所述传感器系统(70)包括用于监控所述电压测量装置(50)的功能性的电压测量诊断单元(54)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述电压测量诊断单元(54)包括对所述电压测量装置(50)的测量精度的监控。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其中，所述电流测量诊断单元(44)和/或所述电压测量诊断单元(54)分别包括看门狗。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其中，所述电流测量诊断单元(44)和所述电压测量诊断单元(54)包括共同的看门狗。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其中，所述分析单元(60)包括微控制器(62)，所述微控制器(62)也可被所述电流测量诊断单元(44)和/或所述电压测量诊断单元(54)使用。
8.一种机动车，其具有根据权利要求1至7中任一项所述的装置。
9.一种用于冗余地确定流经蓄电池的极的蓄电池电流的方法，其包括以下步骤：
I)提供蓄电池和传感器系统(70)，所述蓄电池具有多个蓄电池单元，所述传感器系统(70)包括电流测量装置(40)、电压测量装置(50)和分析单元(60)；
II)借助于所述电流测量装置(40)获取所述蓄电池电流并且提供电流测量值(IM)；
III)借助于所述电压测量装置(50)同时获取至少一个蓄电池单元的单个单元电压的时间曲线并且提供电压测量值(VM)的至少一个时间曲线；
IV)借助于所述分析单元(60)根据所述电压测量值(VM)的所述至少一个时间曲线确定所述蓄电池电流并且提供相应的电流值(IC)；以及
V)借助于所述分析单元(60)将所述电流值(IC)与所述电流测量值(IM)作比较。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在识别出所述电压测量值的所述至少一个时间曲线中的斜度大于预先给定的临界斜度时才进行所述步骤IV。
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