CN111263889B - 用于运行电池传感器的方法和电池传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行电池传感器的方法以及一种电池传感器，该电池传感器至少包括：第一电池传感器连接端(Vat+)和第二电池传感器连接端(Vbat‑)，特别是用于连接至电池以及负载电流连接端；用于检测负载电流(Iload)的电流检测设备，其具有第一测量电阻元件(R1)和第二测量电阻元件(R2)，其中第一测量电阻元件(R1)和第二测量电阻元件(R2)串联地连接在负载电流连接端与第二电池传感器连接端(Vbat‑)之间；具有至少一个参考电阻器(Rref、Rref1、Rref2)的参考电流电路，其中，参考电阻器(Rref、Rref1、Rref2)与第一电池传感器连接端(Vbat+)和设置在测量电阻元件(R1、R2)之间的接触点接触。第一测量电阻元件(R1)的电阻通过以下方式确定：接通参考电流(Iref)并检测在第一测量电阻元件(R1)上的电压降(U1)和在第二测量电阻元件(R2)上的电压降(U2)以及检测电池电压(Vbat)；由电池电压(Vbat)与参考电阻元件(Rref)的电阻的商确定参考电流(Iref)；由检测到的电压降(U1、U2)、参考电流(Iref)、和至少一个修正因子(α、β)确定第一电阻元件(R1)的电阻，该修正因子表征在第一电阻元件(R1)的电阻与第二电阻元件(R2)的电阻之间的比例。

Description

用于运行电池传感器的方法和电池传感器
技术领域
本发明涉及一种用于运行电池传感器的方法和一种电池传感器。
背景技术
这种电池传感器特别是包括用于测量电池电压、由电池消耗或输出的电池电流以及电池的环境温度的设备。电池传感器通常还包括微控制器，该微控制器暂存并过滤这些测量数据，并由这些测量数据计算其他电池参数，例如荷电状态或电池内阻。
在根据现有技术的设计的情况下，使用用于测量磁场强度的高精度电阻器或传感器来测量负载电流。先前设计的缺点特别是高成本，特别是用于制造在-40℃至105℃的常规温度范围内具有大致恒定的电阻值的电阻材料的成本高。这种材料的一个例子是铜-镍-锰合金。
一段时间以来，通过成本有利的组件来代替高精度电阻器作为测量电阻器，其也被称为分流电阻器。一种可能性是在电池传感器的整个使用寿命内持续重复校准分流电阻器。
文献EP 1378757 A2提出，将参考电阻器与测量电阻器并联连接，并评估在测量电阻器和参考电阻器上出现的电参数。
公开文本WO 2016/041658 AI公开了一种电池传感器的校准方法，该方法通过将已知的参考电流施加到测量电阻器中并检测校准电压降来实现。
然而，已经发现，即使在主要的边界条件下同时测量在机动车中发生的在时间上剧烈变化的高电流期间，特别是传感器的预期电流消耗较低，也很难进行持续的重复校准，这是因为要用于校准而施加的参考电流很小，并且只能在短时间内施加。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于运行电池传感器的方法，与已知的设计相比，该方法可以以更低的花费或者以更简单的电池传感器结构来实现，本发明还提供一种用于执行该方法的电池传感器，该电池传感器具有更简单且成本更有利的结构。
根据本发明，该目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求11的电池传感器来实现。有利的设计例如可以由相应的从属权利要求得出。权利要求的内容明确地引用说明书的内容。
为了实现该目的，提供了一种用于运行电池传感器的方法，其中，该电池传感器至少包括：第一电池传感器连接端和第二电池传感器连接端，特别是用于连接至电池和负载电流连接端；用于检测负载电流的电流测量设备，其具有第一测量电阻元件和第二测量电阻元件，其中第一测量电阻元件和第二测量电阻元件串联连接在负载电流连接端与第二电池传感器连接端之间；以及具有至少一个参考电阻器的参考电流电路，该参考电阻器与第一电池传感器连接端以及设置在测量电阻元件之间的接触点接触。
第一电阻元件的电阻以如下方式确定：
-接通参考电流，并检测在第一测量电阻元件上的电压降和第二测量电阻元件上的电压降以及检测电池电压降，
-从电池电压与参考电阻器元件的电阻之商确定参考电流，以及
-从检测到的电压降、参考电流和至少一个修正因子确定第一测量电阻元件的电阻，该修正因子表征第一测量电阻元件的电阻和第二测量电阻元件的电阻之间的关系/比例。
为了实现该目的，还提供了一种用于确定电池、特别是车辆电池的电池状态的电池传感器，该电池传感器至少包括：第一电池传感器连接端和第二电池传感器连接端，特别是用于连接至电池和负载电流连接端；用于检测在第一电池传感器连接端上的电压的电压测量设备；用于检测负载电流的电流测量设备，该电流测量设备具有第一测量电阻元件和第二测量电阻元件，其中第一测量电阻元件和第二测量电阻元件串联连接在负载电流连接端与第二电池传感器连接端之间，其中，第一电压测量装置和第二电压测量装置分别用于检测在第一测量电阻器和第二测量电阻器上各自的电压降；具有至少一个参考电阻器的参考电流电路，其中，参考电阻器与第一个电池传感器连接端以及在测量电阻元件之间提供的接触点接触；用于确定负载电流和/或电池状态的控制器。
负载电流和/或电池状态特别是通过上面描述并且在下面将详细解释的方法确定。
针对温度传感器以及为了确定参考电流的大小，通常在控制或评估单元上需要用于电池电压、测量电阻元件上的两个电压降的输入。因此，优选地需要至少五个输入，以便检测为了确定电池状态所需的所有电池参数。
适宜地，在同一时间仅需要三个信号，这些信号在定义的时间段或测量周期内进行交替。因此，控制器仅需要三个输入。如果信号将被数字化以进行进一步处理或用于确定电池参数，则这是特别有利的，这是因为所需的模拟/数字转换器的数量也可以减少到三个。
在正常运行中，优选通过检测在电阻元件上的电压降来确定负载电流。可以使用欧姆定理通过测量电阻元件的已知电阻来确定负载电流。为此，将第一电压测量装置的信号以及选择性地也将第二电压装置的信号输出到控制器。
为了适宜地校准测量电阻元件，将参考电流施加到第一测量电阻元件与第二测量电阻元件之间的接触点上，其中，参考电流基本上流过第一测量电阻元件。可以通过在测量电阻元件上测量的电压降的变化或通过测量在第一测量电阻元件上的电压降以及在测量电阻元件的电阻之间已知的或预先确定的比例来确定第一测量电阻元件的准确电阻。也可以通过已知的比例关系确定第二测量电阻元件的电阻。在测量电阻元件之间的比例关系例如由修正因子表示，其中：U1＝U2*α+β。
通常或举例来说，以高精度提供参考电流或检测测量电流的大小，其中，需要附加的测量装置和附加的模拟/数字转换器。根据上述方法，优选地，由同时检测的电池电流的商和参考电阻器的已知电阻来确定测量电流。
同时，优选地通过电压测量设备持续地检测电池电压。参考电流电路与电池传感器连接端直接接触，在该电池传感器连接端上还可以检测电池电压。就是说，参考电流或在参考电阻器上的电压降直接取决于电池电压，特别是与电池电压成比例。由于持续检测电池电压，因此无需在参考电阻器上进行单独的电压测量。参考电流相当于电池电压与参考电阻器的电阻的商。
为了确定参考电流并由此确定第一电阻元件的精确电阻，因此有利的是，不需要单独的检测装置并且不需要用于控制器的单独输入。参考电流和第一电阻元件的精确电阻由施加到控制器上的三个信号确定。
适宜地，不需要附加的开关元件，特别是不需要其他的模拟/数字转换器。
此外，优选地，不需要用于调节参考电流的开关元件，这是因为该参考电流使用上述方法确定。因此在电池传感器连接端和参考电流电路之间不设置开关元件，特别是不设置用于调节参考电流的开关元件。仅需一个开关即可接通和切断参考电流。
优选地，参考电流电路被设计成，该参考电流电路不包括电流调节器，或者在电池传感器连接端与参考电流电路之间不设置额外的电气组件。
应当提及的是，参考电阻器的电阻优选地是测量电阻元件的电阻的数倍、优选地至少是1000倍。因此，在测量电阻元件上的参考电流的电压降明显小于在参考电阻器上的参考电流的电压降，因此在计算参考电流时可以忽略不计。
原则上也可以设置多个第一测量电阻元件和多个第二测量电阻元件，其中第一电压测量装置和第二电压测量装置能够检测所有第一测量电阻元件和所有的第二测量电阻元件上各自的电压降，和/或为每个测量电阻元件提供单独的电压测量装置。
利用上述方法，可以仅通过三个模拟-数字转换器方便地确定负载电流和电池电压，由于测量电阻的持续的重新校准，因此负载电流测量非常精确。这是特别有利的，因为电池传感器的可用集成电路通常最多包含三个模拟-数字转换器。
负载电流优选地通过切断参考电流并检测通过第一测量电阻元件上的电压降来确定。原则上，两个测量电阻元件上的电压降可用于负载电流测量。上述方法精确地确定了两个测量电阻元件的电阻，从而可以进行非常精确的电流测量。然而，如果已知相应的测量电阻元件的仅一个电压降和精确确定的电阻，则也可以进行可靠且准确的电流测量。替代地，可以使用控制器的输入来检测另外的电池参数，使用该输入检测另外的电压降。即可以实现持续的电流测量、持续的电池电压检测以及其他电池参数的检测，其中控制器仅需要三个输入即可。特别地，如果在检测之前通过控制器将信号数字化，则可以减少模拟/数字转换器的数量。在控制的三个输入端或上游，仅需要三个模拟/数字转换器。负载电流优选通过在第一测量电阻元件上的电压降持续地确定，也就是说不间断地确定。
优选地，由第一电阻元件上的电压降确定负载电流，与此同时通过检测电池电压确定电池状态、由在第一测量电阻元件上的电压降确定负载电流、并利用传感器检测电池参数、特别是利用温度传感器检测温度。
如上所述，优选地，在控制器上仅需要三个输入来确定电池状态并精确地确定测量电阻元件的电阻，就是说，无论当前正在执行哪种功能，控制器仅需检测和处理三个信号。
至少一个修正因子例如由参考电流断开时负载电流在第一测量电阻元件和第二测量电阻元件上的电压降和/或电压降的变化曲线确定。就是说，仅负载电流施加到测量电阻元件上，并且通过第一电压测量装置和第二电压测量装置检测在第一测量电阻元件上的电压降和第二测量电阻元件上的电压降。可以从所检测出的电压降确定至少一个修正因子。修正因子可以表示例如在所测量的电压降之间的线性关系或偏差。根据所述至少一个修正因子可以由检测到的电压降或确定的测量电阻元件的电阻来计算在另外的测量电阻元件上的电压降或另外的测量电阻器的电阻。
为了完全地检测电池状态，因此优选地需要三个步骤或三个测量周期/区间。首先在第一时间区间中确定修正因子，其中，也可以从所测量的电压降确定负载电流。在第二时间区间中确定测量电阻元件的精确电阻或至少确定第一测量电阻元件的精确电阻。随后在第三时间区间中确定精确的负载电流和/或电池状态。确定第一测量电阻元件的电阻、确定负载电流或电池状态和/或利用传感器确定电池参数的这三个步骤优选交替地、特别是周期性地重复。
各个时间区间的重复频率可以优选地变化。例如，温度、即电池参数的确定或修正因子的确定不需要那么频繁地进行，因为这些变化仅是缓慢的。
各个时间区间的时间长度也可以变化，这取决于可以或应该确定各个参数的速度和/或准确度。
参考电阻器优选是非常精确的，或者仅具有非常小的温度相关或老化相关的电阻变化。利用电池电压和非常精确的电阻，可以非常精确地确定参考电流，从而可以确定第一测量电阻元件和第二测量电阻元件的电阻。
但是，参考电阻器也可以由多个参考-子电阻器组成，其中，仅一个参考-子电阻器必须是高精度的。例如，具有较低电阻的高精度参考-子电阻器与另外的参考-子电阻器串联连接，该另外的参考-子电阻器具有较低的精度和较高的电阻。由于不必为在参考电阻器上的全部电压降设计高精度的参考-子电阻器，因此可以降低高精度的参考-子电阻器的成本。因此，在上述方法中，参考电阻器至少具有第一参考-子电阻器和第二参考-子电阻器，并且通过将参考电流通入到测量电阻器组中、检测参考-子电阻器之间的电压分接处的电压、检测电池电压、由检测到的电压和检测到的电池电压确定分压比、并根据分压比和第一参考-子电阻器的已知电阻确定第二参考-子电阻器的电阻，从而确定参考电阻。
就是说，第二参考-子电阻器的——较大的——电阻以及因此参考电阻器的电阻是由高精度的参考-子电阻器的已知的——相对较小的——电阻来确定的。因此不必在高精度电阻器两端发生参考电阻器的整个压降。
也可以在另一测量周期中定期重复执行此步骤。应当再次指出，参考电阻器的校准仅需要三个信号。
优选地，电压、电压降和电池参数用三个模拟/数字转换器进行检测，其中第一模拟/数字转换器被设置用于检测在第一测量电阻元件上的电压降，第二模拟/数字转换器被设置用于选择性地检测在第二测量电阻元件上的电压降或检测至少一个传感器上的电池参数，第三模拟/数字转换器被设置用于检测电池电压。
通常或举例来说，对于测量电阻元件上以及参考电阻器上的电压降，为了检测每个电压降，各自需要单独的模拟/数字转换器。此外，各自需要一个模拟/数字转换器用于检测电池电压和其他传感器——例如温度传感器——数据。这是特别必要的，以便确保负载电流的不间断的电流测量以及电池电压的不间断的检测。这对于确保对电池状态的稳定和可靠的确定是必要的。使用上述方法，仅使用三个模拟/数字转换器，就可以检测所有数据并确定电池状态。在此，一个模拟/数字转换器用于检测电池电压、至少一个数字转换器用于检测负载电流。第二模拟/数字转换器交替地用于确定修正因子、检测负载电流或检测另一信号、例如温度信号。这些信号也被多次使用。例如，检测到的电池电流还用于确定参考电流或校准参考电阻。
可选地，相同的输入信号可以优选地施加在两个模拟/数字转换器上，以便对其进行校准或调整。例如，通过将相同的电压、相同的电压降和/或传感器的相同的参数施加到第二模拟/数字转换器和第三模拟/数字转换器上来确定第二模拟/数字转换器或第三模拟/数字转换器的校准系数。
例如，利用第二模拟/数字转换器和第三模拟/数字转换器同时检测电池电压。可以将这些值彼此相互比较，并且可以为第二模拟/数字转换器或第三模拟/数字转换器确定校准系数。为此，必要时可以设置分压器，以分配电池电压。这种校准方法的优点是可以无间断地进行电池电压测量，并且还可以使用现有的三个信号输入来执行该方法。
替代地或优选补充地，可以利用第二模拟/数字转换器和第三模拟/数字转换器来检测在参考电阻器的第一参考-子电阻器和第二参考-子电阻器之间的电压分接点处施加的电压，以便确定至少一个校准系数。为此，例如，不需要分压器，从而可以用简单的方法进行校准而无需附加的电子部件。
电压测量设备和/或第一电压测量装置和第二电压测量装置优选具有模拟-数字转换器。
可以设置至少一个用于检测电池参数的传感器，并且可以给第二电压测量装置分配转换开关、特别是多路复用器，以用于在电压测量装置的信号和传感器的信号之间进行切换，其中，该转换开关特别是设置在第二电压测量装置的模拟-数字转换器的上游。该转换开关使模拟/数字转换器能够获取多个不同的信号，从而可以反复使用该模拟/数字转换器。因此，特别是在执行上述方法时模拟-数字转换器的数量可以减少到三个。电池传感器优选地总共仅具有三个模拟/数字转换器。
转换开关，特别是多路复用器，特别是应被理解为一种选择电路，利用该选择电路可以从多个输入信号中选择一个并将其切换到输出端。
参考电流电路具有例如与参考电阻器串联布置的开关元件，以便能够接通或切断参考电流。
优选地，参考电阻器可以具有至少两个串联的参考电阻元件，在参考电阻元件之间设有电压分接点。可以给电压测量设备分配转换开关，用于有选择地检测电池电压或在电压分接点处施加的电压，其中，该转换开关特别是设置在电压测量设备的模拟-数字转换器的上游。作为替代或补充，第二电压测量装置也可以配设转换开关，以用于选择性地检测在第二测量电阻元件上的电压降和在电压分接点处存在的电压，其中，转换开关特别是设置在第二电压测量装置的模拟-数字转换器的上游。优选地，第一参考-子电阻器或第二参考-子电阻器是高精度电阻器。如上所述，通过这种布置，如果参考-子电阻器是已知的，则可以确定参考电阻。此外，可以确定第二模拟/数字转换器和/或第三模拟/数字转换器的至少一个校准系数。
转换开关优选是多路复用器，其布置在相应的模拟/数字转换器的上游。转换开关也可以被设计用于两个以上的输入信号，例如用于电压降信号和多个传感器信号、例如温度信号。独立于传感器的数量，不需要三个以上的模拟/数字转换器，或者确定可以通过三个模拟/数字转换器来完成电池状态的完整确定。
为了能够通过第二模拟/数字转换器和第三模拟/数字转换器适当地检测电池电压，例如用于确定校准系数，可以为电池电压设置分压器，并且为第二电压测量装置分配转换开关，以用于有选择地检测在第二测量电阻元件上的电压降和出现在第一电池传感器连接端处的电池电压，其中，该转换开关特别是设置在第二电压测量装置的模拟-数字转换器的上游。
第一测量电阻元件和第二测量电阻元件可以分别构造为单件式负载电阻单元的部件、特别是测量区域和/或测量部分。
由于可以使用上述优选的描述的方法或上述优选描述的电池传感器非常精确地确定测量电阻器的电阻，因此不必使用仅具有低温度依赖性和/或低老化性能的材料。电阻器在运行过程中会进行持续地调整，因此无论测量电阻器的材料如何，都可以进行非常精确的负载电流测量。
负载电阻单元——优选地包括一件式的负载电阻单元以及电池端子和接地端子——也可以一件式地形成，特别是形成为冲弯件。
例如，所测量的电压降、电压和信号也可以被放大。为此，可以设置放大电路，该放大电路特别是设置在模拟/数字转换器的上游和/或转换开关的上游。优选地，以这样的方式设计放大器或放大系数，使得转换开关和/或模拟/数字转换器的输入信号或用于控制器的信号的大小在相似的范围内。
可选地，可以基于参考电流来计算负载电流的误差值，以便估计所确定的负载电流的可靠性。
控制器特别是可以具有处理器装置和存储器装置，其中，程序代码被存储在存储器装置中，当程序代码被运行时，处理器装置执行根据本发明的方法或相应地动作。
附图说明
通过下面参考附图描述的实施例为本领域技术人员说明其他特征和优点。在此示意性示出：
图1示出现有技术的电池传感器；
图2示出根据本发明的第一实施例的电池传感器；
图3示出根据本发明的第二实施例的电池传感器；
图4示出根据本发明的第三实施例的电池传感器。
具体实施方式
下面给出本发明的进一步解释，这一方面用于解释功能，另一方面，本文中描述的特征也可以根据需要与描述的其他特征组合。这些特征也可以彼此组合，并且可以单独地或组合地代表对于本发明的重要方面。
为此，首先参考图1。
图1示出了现有技术的电池传感器，利用该电池传感器可以执行校准方法。然而，需要三个A/D转换器U1、U2和Uref，这些A/D转换器都不能实现对Vbat的无间断测量。
测量电阻器组具有第一测量电阻元件R1和第二测量电阻元件R2，通过这两个测量电阻元件传导随时间变化的负载电流Iload。该负载电流Iload最初来自电池，该电池在电压方面示在图1中的以Vbat表示。负载电流Iload也流经负载，该负载通常称为负荷(Load)，此处仅示意性地示出，该负载可以包含机动车的典型电气组件，例如起动器、车辆照明或电子组件以及发电机。
在第一测量电阻元件R1的两端设置有第一电压表U1。在第二测量电阻元件R2的两端设置有第二电压表U2。电压表被设计成测量在电流I1、12分别流过的情况下两个测量电阻R1、R2上各自的电压降。由于电阻元件R1、R2串联布置，因此I1、12分别相当于负载电流Iload。
第一电容器C1和第二电容器C2用作参考电流Iref的电流源，该电容器经由串联电阻器Rlim从车辆电池直接充电。由电池Vbat经由耗电器负载产生负载电流Iload，该负载电流通过测量电阻器R1、R2的电阻网络流到接地端GND。
两个电容器C1、C2经由开关S1和参考电阻器Rref连接到第一测量电阻器和第二测量电阻器之间的点。此时两个电压表U1、U2也连接至该点。另一电压表Uref被布置在参考电阻器Rref上，并且测量在参考电流Iref流过时参考电阻器Rref上的电压降。
通过开关S1的闭合，因此除了负载电流Iload外，还将参考电流Iref馈入到由测量电阻R1、R2形成的电阻网络中，其中，第一电容器C1基本上通过第一测量电阻器R1放电，第二电容器C2基本上通过第二测量电阻器R2放电。因此这导致两个校准分电流，即第一校准分电流Iref,1和第二校准分电流Iref,2，其中，第一校准分电流Iref,1流过第一测量电阻器R1，而第二校准分电流Iref,2流过第二测量电阻器R2。两个校准分电流Iref,1和Iref,2在两个测量电阻器R1、R2上具有相反的数学符号，而两个校准分电流之和Iref流过参考电阻器Rref，并且可以如上所述通过电压测量装置来测量。
用于测量在两个测量电阻器R1、R2两端下降的电压的电压表U1、U2在此不详细描述。电压表U1、U2通常都具有模拟-数字转换器和至少一个通常带有可变放大系数的放大器。
在图1中未示出运算器，例如电子控制设备，其可以被设计为例如微控制器。这种电子控制设备可以具有例如处理器装置和存储装置，其中，在存储装置中存储有程序代码，当运行该程序代码时，处理器装置执行根据本发明的方法。特别地，处理器装置可以根据下面提到的公式来计算负载电流Iload。运算器或电子控制装置优选地还可以具有用于读取电压U1、U2、Uref的接口和用于控制开关S1的接口。
应该提到的是，可以使用任何其他类型的电流源来代替电容器C1、C2。例如，可以使用DC/DC转换器、与电池正极的直接连接(具有或不具有串联电阻器Rlim)、同相调节器、受控的精密电流源(特别是如果省略了通过Rref的Iref测量)或其他合适的实施方式。
在开关S1闭合的情况下，也就是说在施加参考电流的情况下，对于测量电阻元件R1、R2上的电压得出以下可解的方程组：
Um＝(Iload，i+Iref，m)*Rm*gm
Un＝(Iload，i+Iref，n)*Rn*gn
其中，
-Um、Un是在测量电阻元件中的每个上测量的电压降，其中m为1而n为2，
-Rm、Rn是测量电阻元件的(未知)电阻，在所述测量电阻元件上测量电压降Um、Un。测量电阻元件又可以由其他串联或并联连接的测量电阻器形成，
-gm、gn是用于电压Um、Un的测量装置的(误差的)增益系数，
-Iload，i是要测量的负载电流或该负载电流的一部分，该负载电流流经测量电阻器组中的各个测量电阻器，在该测量电阻器上测量校准电压Um、Un，
-Iref，m和Iref，n是施加的校准分电流，该校准分电流流经测量电阻器组中的测量电阻器Rm、Rn，在该测量电阻器上测量校准电压Um、Un，其中，Iref，m和Iref，n沿与Iload，i不同的方向流动。
特别地，周期性地施加参考分电流或参考电流，例如以10ms至100ms的周期时间，持续时长为10μs至100μs。由此得到了参考电流或其分流流过测量电阻器组的测量电阻元件的时间，即时段，以及得到了无参考电流流过测量电阻器组的时间。在这些时间内，即在校准时段之外，方程组中的至少一些简化为
Um＝Iload，i*Rm*gm
Un＝Iload，i*Rn*gn
在此Um、Un是负载电流在测量电阻元件上R1、R2上的电压降。
另选地，可以在参考电流流动的时间、即在校准时段内施加随时间变化的参考电流。
在无校准电流流过网络的时间内，有利地形成方程组的各个方程(或在测量的电压Ui之间)的比例关系，例如在微控制器中，该微控制器可以是电流测量设备的一部分或与电流测量设备连接。为此确定一个修正因子，其中适用：
Um＝αmn*Un
或
Um＝αmn*ILoad，i*Rn*gn
例如，可以分别存储在相同时间t处测量的电压值对Un(t)、Um(t)。可以在微控制器中使用线性回归来评估这些存储的值对，以确定修正因子m、o。
在接通校准电流后，可以有利地通过以下测量电压Um、Un来确定负载电流中的待测部分：
Um＝αmn*(Iload，i+Iref，m)*Rn*gn+o
Un＝(ILoad，i+Iref，n)*Rn*gn
负载电流的待测部分可以按如下方式确定：
Figure BDA0002463554170000131
Figure BDA0002463554170000132
Figure BDA0002463554170000133
Figure BDA0002463554170000134
Figure BDA0002463554170000135
倒数第二个公式说明了第二运行参数的计算规则。
在未施加参考电流的时间内，Iref，m＝0以及Iref，n＝0，以及最后一个等式可以用来确定要测量的负载电流Iload。
利用已知的Rn、gn、α、β，可以有利地使用以下等式确定Iload：
Figure BDA0002463554170000141
根据两个方程式的总和，也可以近似地反向计算对于接通参考电流的时间的Iload：
Figure BDA0002463554170000142
在此，特别是当电流Iref，m和Iref，n相差很大时，会出现误差。
值Iref，m-Iref，n是已知的，该值相当于参考电流，即校准分电流的总和。在此情况西夏考虑了不同的数学符号。
必须满足以下先决条件才能确定负载电流：
第一点：测量电阻器Rn和Rm与增益系数gm、gn彼此之间的两个乘积Rn*gn、Rm*gm之比αmn在特定的时段内应基本稳定。该特定的时段应比周期性施加的校准电流被接通和切断或周期性改变的周期时间要长得多。
第二点：应当在施加参考电流的情况下测量Um和Un的至少一个时刻下准确已知参考电流的值Iref＝Iref，n-Iref，m＝|Iref，n|+|Iref，m|。
现在应该注意的是：
1)一个测量电阻中的电压降增加，则另一个的电压降减小，
2)由两个测量电压之差计算得出电阻。
由此能够实时地进行电阻的测量。因此该电阻不一定总是恒定的。可以使用较便宜的材料。
通过所描述的装置或所述方法实际上可以确定负载电流，而无需预先已知电阻器网络或测量电阻器组以及用于测量电压的测量仪器的相对精度的先验知识。由此，尽管材料便宜，但与根据现有技术的设计相比，甚至可以实现更高的电流测量精度。到目前为止，测量电流值的误差中基本上包括了测量电阻器的电阻值的误差以及用于电压降的电压测量设备的误差。
利用所描述的设备或装置，通常只需要在一个时刻精确了解Iref。此外，实际上对Iref的电源质量没有任何要求。通常仅需要精确测量Iref。例如，这可以通过相应准确的参考电阻器Rref以及精确测量在Rref上的电压降简单地实现。与用于负载电流的测量电阻器不同，Rref可以具有高电阻，例如1欧姆，其被设计用于较小的参考电流，而不用于高负载电流。由于Rref的值相应较高，因此电压降Iref*Rref也可以方便地测量，这是因为例如不需要复杂的放大器。
这里未示出另外检测到的电池电压Vbat。
电池的电池状态可以根据电池电压Vbat、负载电流Iload以及可选地检测到的电池温度来确定。
然而，为了确定电阻元件R1、R2的电阻，中断了负载电流Iload的测量。例如，校准时刻的测量值Iload可以由在校准时刻之前的测量值与在校准时可之后的测量值的平均值形成。另选地，可以做出关于使用有误差的测量值还是形成替代值的决定。该决定可以例如基于“对称因子”m的当前值与先前的m值进行比较而做出。还可以根据误差与施加的负载电流之比的大小来做出决定。
但是，为了可靠地确定电池条件，需要进行无间断的电流测量，以便始终获得负载电流Iload的准确值。
图2示出了根据本发明的电池传感器。
电池传感器具有电流测量设备、电压测量设备、参考电流电路和控制器μC。
电压测量设备具有模拟/数字转换器V-ADC，其一方面与第一电池传感器连接端Vbat+连接，该第一电池传感器连接端在此由电池的正极形成。此外，模拟/数字转换器V-ADC还与控制器μC连接。
电流测量设备具有第一测量电阻元件R1和第二测量电阻元件R2，这两个测量电阻元件分别被分配了电压测量装置。第一电压测量装置具有放大器PGA和第一模拟/数字转换器I-ADC，第二电压测量装置具有放大器Ext.和第二模拟/数字转换器T-ADC。模拟/数字转换器I-ADC、T-ADC分别与控制器μC的输入端连接。测量电阻元件R1、R2串联在负载电流连接端与第二电池传感器连接端Vbat-之间。
在放大器Ext.和第二模拟/数字转换器T-ADC之间设有转换开关T-MUX，除了放大器Ext.之外，温度传感器Tint也连接在该转换开关上。使用转换开关，可以将放大器Ext.的信号或者温度传感器的信号输出到第二模拟/数字转换器。
此外，提供了具有开关S1和参考电阻器Rref的参考电流电路。开关S1与参考电阻器串联布置。参考电流电路直接与第一电池传感器连接端Vbat+连接。因此，参考电流Iref直接取决于电池电压。此外，参考电流电路与串联布置的两个测量电阻元件R1、R2之间的接触点连接。
在接触点和测量电阻元件之间示出了附加电阻器Rp2和Rpl，其可以例如由线性电阻形成。
通过闭合例如由控制系统μC控制的开关S1，除了负载电流Iload之外，参考电流Iref也被馈送到电阻元件R1、R2中，其中，流过第一电阻器R1的电流I1主要包括参考电流Iref和流过第二电阻器R2的电流12。
用于运行或使用电流传感器的方法优选具有三个测量周期，这些测量周期的测量顺序、频率和持续时间可以任意变化，如下所述。
在第一测量周期中，首先确定测量电阻的比率，就是说修正因子α、β。在该测量周期中，开关S1断开。第一模拟-数字转换器I-ADC确定在第一测量电阻器上的、由第一放大器PGA放大的电压降U1＝R1*I1，第二模拟-数字转换器T-ADC确定在第二测量电阻元件R2上、由第二放大器Ext.放大的电压降U2＝R2*I2。
同时，电池电压Vbat+由第三模拟-数字转换器V-ADC确定。
在控制器中使用电池电压Vbat+和由电压降U1和U2确定的负载电流Iload来确定电池状态。
在该第一测量周期期间，微控制器还例如借助于线性回归从至少一对测量中计算放大的第一测量电压U1与放大的第二测量电压U2之间的比例。例如，使用以下等式确定比例α或优选地比例α和偏差β：U1＝α12*U2+β12。一对测量特别是包括测量放大的第一测量电压和放大的第二测量电压。
在第二测量周期中，开关S1闭合，并且参考电流Iref流过参考电阻器Rref。在该测量周期期间，第一模拟-数字转换器I-ADC测量由第一放大器PGA放大的电压降U1，第二模拟-数字转换器T-ADC测量由第二放大器Ext.放大的电压降U2。
同时，电池电压Vbat由第三模拟-数字转换器V-ADC确定。
基于确定的第一运行参数和测得的、放大的电压U2，可以使用以下等式估算放大的电压U1：
U1est＝α12*U2+β12。
然后可以确定测量的电压Ul与电压Ul的估计值之差：
Udiff＝U1-U1est。
此外，参考电流可以使用已知的电阻值Rref和测得的电池电压Vbat来确定，例如使用以下等式：
Iref＝Vbat/Rref。
应当再次指出，R1和Rp1以及Rp2和R2的电阻明显低于Rref的电阻。R1、Rp1、R2、Rp2的电阻水平约为0.05mOhm至0.1mOhm。Rref的电阻约为10hm至100Ohm，以将校准电流保持在约1A的范围内。由此使得R1和Rpl对Rref的影响(<0.1％)非常小，因此在计算参考电流Iref时，可以忽略R1和rpl的电阻。
可以基于测得的电压Ul与电压Ul的估算值之间的差和参考电流来确定R1的确切电阻，以及利用所确定的修正因子根据以下公式来确定R2的电阻：
R1＝Udiff/Iref；和R22＝Cal1*α12+β。
电阻可随后用于由I1＝U1/R1或I2＝U2/R2确定负载电流。
下面给出上述公式的推导。关于各个变量的含义，参考上面的描述。
|Iref，1|+|Iref，2|＝Iref
I1＝Iload+|Iref，1|
I2＝Iload-|Iref，2|
U1＝R1*g1*(Iload+|Iref，1|)
U2＝R2*g2*(Iload-|Iref，2|)
α*R1*g1＝R2*g2
U2＝α*R2*g1*(Iload-|Iref，2|)
Figure BDA0002463554170000181
Figure BDA0002463554170000182
R2*g2＝α*R1*g1
由于还通过第三模拟/数字转换器V-ADC确定电池电压以及通过在R1和R2上的电压降来确定负载电流Iload，因此实现了无中断地确定电池状态。
在第三测量周期中，第二模拟-数字转换器T-ADC通过第一多路复用器T-MUX的适当设置确定内部温度传感器Tint的电压。在第三测量周期期间，开关S1有利地断开，因为这确保了无参考电流Iref流动，因此，不需要测量Iref。
在该测量周期期间，可以通过第一模拟-数字转换器I-ADC继续检测在R1上的电压降，从该电压降可以确定对应于负载电流Iload的电流I1。
因此，可以通过第三模拟/数字转换器V-ADC继续无间断地检测电池电压Vbat+，并且通过第一模拟/数字转换器继续无间断地检测负载电流Iload。另外，通过第二个模拟/数字转换器检测温度。
温度变化相对缓慢。修正因子α、β也仅缓慢变化。因此，第一测量周期和第三测量周期可以以较低频率执行，或者可以比第二测量周期更短。
然而，在每个测量周期中都可以无间断地确定负载电流Iload和电池电压Vbat+。
图3示出了根据第二实施例的具有测量电路的测量电阻器组，其中第一多路复用器T-MUX具有第三输入端。借助于第三输入端可从例如附加的外部温度传感器Text中选择模拟温度信号。
图4示出了根据第三实施例的具有测量电路的测量电阻器组，其中参考电阻器具有第一参考-子电阻器Rref1和第二参考-子电阻器Rref2。在第一参考-子电阻器Rref1和第二参考-子电阻器Rref2之间的电压分接点处的电压被提供给第二多路复用器T-ADC的第四输入端以及第三多路复用器V-MUX的另一输入端，该第三多路复用器连接在第三数字-模拟转换器V-ADC的上游。
优选地，参考-子电阻器Rref1、Rref2中的仅一个，特别是参考-子电阻器Rref1，是具有低温度依赖性和低与寿命相关的漂移的高精度电阻器。Rref1的电阻也显著低于Rref2，因此高精度电阻明显更小，因此更便宜。
然而，在该实施例中，必须确定Rref2的确切电阻。这在第四测量周期中进行，其中通过第二多路复用器T-MUX的适当设置，由第二模拟-数字转换器T-ADC确定在Rref1和Rref2之间的电压分接点处的电压。在第四测量周期期间，开关S1闭合。
此外，通过多路复用器V-MUX的适当设置，利用第三模拟-数字转换器V-ADC确定电池电压Vbat+，以及通过第一模拟/数字转换器I-ADC和第二模拟/数字转换器T-ADC确定电池电流。
微控制器根据由第三模拟-数字转换器V-ADC和第二模拟-数字转换器T-ADC确定并馈送到微控制器的电势比来计算Rref1与Rref1和Rref2之和之间的分压比。
可以根据所确定的分压比以及根据第一参考-子电阻器Rref1的已知电阻来确定整个参考电阻器(Rref1+Rref2)的精确的总电阻值。
利用该值，可以在随后的第二测量周期中更精确地确定参考电流，从而更精确地确定第一测量电阻元件R1的电阻。
第一模拟/数字转换器、第二模拟/数字转换器和第三模拟/数字转换器的相互校准可以在第五测量周期中进行，方式是，至少两个模拟/数字转换器确定同一物理测量值，并基于所确定的物理测量值的偏差来确定相至少一个校准系数。
例如，当开关S1闭合时，也就是说，当施加参考电流Iref时，第三多路复用器V-MUX和第二多路复用器T-MUX被切换成，使得第三模拟数字转换器V-ADC和第二模拟数字转换器T-ADC各自确定参考-子电阻器Rref1和参考-子电阻器Rref2之间的电压分接点处的电压。基于各自确定的电压来确定第二模拟-数字转换器T-ADC的校准系数。
另选地，在第五测量周期中，其中开关S1断开，第三多路复用器V-MUX和第二多路复用器T-MUX被切换成，使得第三模拟-数字转换器V-ADC和第二模拟-数字转换器传感器T-ADC各自检测电池Vbat+的电势。分压器优选地将电池Vbat+的电势以已知的分压比进行分压，以使电池Vbat+的电势适应于模拟-数字转换器T-ADC的测量范围。基于分别确定的电势Vbat确定第二模拟-数字转换器T-ADC的校准系数。在该另选的有利实施例中，不必中断电池的电势的测量。
上述方法的步骤可以按照给定的顺序进行。但是，也可以以不同的顺序实施这些步骤。根据本发明的方法可以在其实施方式之一中、例如以多个步骤的特定组合来执行，使得不再执行其他步骤。但是原则上也可以执行其他步骤，即使这些其他步骤并未提到。
所示电路的任意子电路可以例如分散地组装在电路板上或集成在半导体模块中。另外，分立电路或半导体模块还可以包括其他设备，例如温度传感器，特别是用于温度测量；电阻器Rref、R1、R2、……、Rn中的至少一个；电压传感器，特别是用于测量电池电压；通信接口；用于调节电流源C1、C2的设备；其他电流源；时钟发生器；易失性和/或非易失性数据存储器，特别是用于存储电流测量设备的校准数据，例如在最终生产测试中确定的Rref值或Rref的温度系数；微处理器，特别是用于计算电池的物理参数或用于计算温度模型、特别是用于计算电池温度、设备的环境温度或用于计算所使用的电阻器Rref、Rl、……、Rz中的一个或多个电阻器的温度。
设备的整体布置或任意的子设备例如可以安装在带有或不带集成插头的塑料或金属壳体中，或者可以用塑料封装。
所提及的设备的整体布置或任意的子设备，特别是测量电阻器或分流电阻器R1、……、Rz可以集成在电池极端子、电缆接线头、电池电缆或电池中。
测量电阻元件R1、R2可以是一件式负载电阻单元的一部分，例如负载电阻上的区域。
包括一件式负载电阻器以及电池端子和接地连接端的负载电阻单元也可以一件式地形成，特别是形成为冲弯件。
该电路还可以包含用于在电阻器Rref、Rl、……、Rz处分接的电压的一个或多个斩波器。
该电路还可以包含用于在电阻器Rref、Rl、……、Rz处分接的电压或在那里分接或放大的电压的一个或多个采样保持元件或其他模拟缓冲器。
与本申请相关的权利要求并不放弃进一步保护。
如果在该方法的过程中证明，一个特征或一组特征不是强制必需的，则在申请人方面现在致力于表述至少一个不再具有该特征或该组特征的独立权利要求。在此，这例如可以是在申请日申请的权利要求的子组合或者涉及在申请日申请的权利要求的被其他特征限制的子组合。这样的新陈述的权利要求或特征组合被认为被本申请的公开所覆盖。
此外，应当指出的是，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设计方案、特征和变体可以以任何方式彼此组合。单个或多个特征可以任意相互交换。由此产生的特征组合可以理解为被本申请的公开内容一起覆盖。
在从属权利要求中的回引不应理解为放弃对引用的从属权利要求的特征实现独立的、具体的保护。这些特征也可以任意地与其他特征组合。
仅在说明书中公开的特征或者仅在说明书中或在权利要求中结合其他特征公开的特征原则上可以具有独立的对本发明重要的意义。因此，它们也可以单个地被接纳到权利要求中以区别现有技术。
为了更好的可读性，在权利要求中缩写地示出附图标记。因此，第一工作参数用α表示，第二工作参数用R*g表示，并且增益系数用g表示。在此放弃在上述描述中使用的下标。

Claims (18)

1.一种用于运行电池传感器的方法，该电池传感器至少包括：
-用于连接至电池的第一电池传感器连接端(Vb at+)和第二电池传感器连接端(Vbat-)，以及负载电流连接端，
-用于检测负载电流(Iload)的电流检测设备，其具有第一测量电阻元件(R1)和第二测量电阻元件(R2)，其中第一测量电阻元件(R1)和第二测量电阻元件(R2)串联地连接在负载电流连接端与第二电池传感器连接端(Vbat-)之间，
-具有至少一个参考电阻器(Rref)的参考电流电路，其中，所述至少一个参考电阻器(Rref)与第一电池传感器连接端(Vbat+)和设置在测量电阻元件(R1、R2)之间的接触点接触，
其中第一测量电阻元件(R1)的电阻通过以下方式确定：
-接通参考电流(Iref)并检测在第一测量电阻元件(R1)上的电压降(U1)和在第二测量电阻元件(R2)上的电压降(U2)以及检测电池电压(Vbat)，
-由电池电压(Vbat)与参考电阻器(Rref)的电阻之商确定参考电流(Iref)，
-由检测到的电压降(U1、U2)、参考电流(Iref)、和至少一个修正因子(α、β)确定第一测量电阻元件(R1)的电阻，该修正因子表征第一测量电阻元件(R1)的电阻与第二测量电阻元件(R2)的电阻之间的比例。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下方式确定负载电流(Iload)：
-切断参考电流(Iref)，
-检测在第一测量电阻元件(R1)上的至少一个电压降(U1)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过以下方式确定电池状态：
-检测电池电压(Vbat)，
-由在第一测量电阻元件(R1)上的电压降(U1)确定负载电流(Iload)，
-利用传感器(Tint、Text)检测为了确定电池状态所需的其他电池参数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个修正因子(α、β)由参考电流(Iref)被切断时负载电流(Iload)在第一测量电阻元件(R1)上的电压降(U1)和在第二测量电阻元件(R2)上的电压降(U2)和/或电压降(U1、U2)的变化曲线来确定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，交替地重复以下步骤：
-确定第一测量电阻元件(R1)的电阻，
-确定负载电流(Iload)，和/或
-确定电池状态，其中在确定电池状态的过程中利用传感器(Tint、Text)确定为了确定电池状态所需的其他电池参数。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个参考电阻器(Rref)至少具有第一参考-子电阻器(Rref1)和第二参考-子电阻器(Rref2)，并通过以下方式确定参考电阻：
-将参考电流(Iref)接入由第一测量电阻元件(R1)和第二测量电阻元件(R2)形成的电阻网络中，
-检测在第一参考-子电阻器(Rref1)与第二参考-子电阻器(Rref2)之间的电压分接点上的电压，
-检测电池电压(Vbat)，
-由检测到的电压和检测到的电池电压(Vbat)确定分压比，
-由分压比和第一参考-子电阻器(Rref1)的已知电阻确定第二参考-子电阻器(Rref2)的电阻。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，利用三个模拟/数字转换器实现电池电压(Vbat)的检测、电压降(U1、U2)的检测和为了确定电池状态所需的其他电池参数的检测，其中，第一模拟/数字转换器(I-ADC)被设置用于检测在第一测量电阻元件(R1)上的电压降(U1)，第二模拟/数字转换器(T-ADC)被设置用于选择性地检测在第二测量电阻元件(R2)上的电压降(U2)或至少一个传感器(Tint、Text)的为了确定电池状态所需的其他电池参数，第三模拟/数字转换器被设置用于检测电池电压(Vbat)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过在第二模拟/数字转换器和第三模拟/数字转换器上施加相同的电池电压(Vbat)、相同的电压降和/或相同的传感器参数，临时确定第二模拟/数字转换器或第三模拟/数字转换器的校准系数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，同时利用第二模拟/数字转换器(T-ADC)和第三模拟/数字转换器(V-ADC)检测电池电压(Vbat)。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用第二模拟/数字转换器(T-ADC)和第三模拟/数字转换器(V-ADC)检测在参考电阻器(Rref)的第一参考-子电阻器(Rref1)与第二参考-子电阻器(Rref2)之间的电压分接点处施加的电压。
11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用传感器(Tint、Text)检测为了确定电池状态所需的其他电池参数的步骤包括利用温度传感器检测温度。
12.一种用于确定电池的电池状态的电池传感器，该电池传感器至少包括：
-用于连接至电池的第一电池传感器连接端(Vb at+)和第二电池传感器连接端(Vbat-)，以及负载电流连接端，
-用于检测在第一电池传感器连接端上的电池电压(Vbat)的电压测量设备，
-用于检测负载电流的电流检测设备，其具有第一测量电阻元件(R1)和第二测量电阻元件(R2)，其中第一测量电阻元件(R1)和第二测量电阻元件(R2)串联地连接在负载电流连接端与第二电池传感器连接端(Vbat-)之间，其中，设有用于分别检测在第一测量电阻元件(R1)上的电压降(U1)和在第二测量电阻元件(R2)上的电压降(U2)的第一电压测量装置和第二电压测量装置，
-具有至少一个参考电阻器(Rref)的参考电流电路，其中，所述至少一个参考电阻器(Rref)与第一电池传感器连接端(Vbat+)和设置在测量电阻元件(R1、R2)之间的接触点接触，
-利用权利要求1至11中任一项所述的方法确定负载电流(Iload)和/或电池状态的控制器(μC)。
13.根据权利要求12所述的电池传感器，其特征在于，电压测量设备和/或第一电压测量装置和第二电压测量装置具有模拟/数字转换器(V-ADC、T-ADC、I-ADC)。
14.根据权利要求12或13所述的电池传感器，其特征在于，至少一个传感器(Tint、Text)被设置用于检测为了确定电池状态所需的其他电池参数，为第二电压测量装置分配转换开关，用于在第二电压测量装置的信号和传感器(Tint、Text)的信号之间进行切换，其中，该转换开关被设置在第二电压测量装置的模拟/数字转换器(T-ADC)的上游。
15.根据权利要求12或13所述的电池传感器，其特征在于，所述至少一个参考电阻器(Rref)具有至少两个串联布置的参考-子电阻器(Rref1、Rref2)，其中在参考-子电阻器(Rref1、Rref2)之间设置电压分接点，其中为电压测量设备分配转换开关，以用于选择性地检测电池电压(Vbat)或在电压分接点处施加的电压，其中转换开关设置在电压测量设备的模拟/数字转换器的上游，和/或其中，为第二电压测量装置分配转换开关(T-MUX)，以用于选择性地检测在第二测量电阻元件(R2)上的电压降(U2 )和在电压分接点上施加的电压，其中，转换开关(T-MUX)设置在第二电压测量装置的模拟/数字转换器(T-ADC)的上游。
16.根据权利要求12或13所述的电池传感器，其特征在于，为电池电压(Vbat)设置分压器，为第二电压测量装置分配转换开关(T-MUX)，以用于选择性地检测在第二测量电阻元件(R2)上的电压降(U2)和在第一电池传感器连接端处施加的电池电压(Vbat)，其中，该转换开关(T-MUX) 设置在的第二电压测量装置的模拟/数字转换器(T-ADC)的上游。
17.根据权利要求12或13所述的电池传感器，其特征在于，所述电池为车辆电池。
18.根据权利要求14所述的电池传感器，其特征在于，所述转换开关为多路复用器。
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