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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von Verfahren zur Fehlerkompensation von Strommessungen
und insbesondere von Strommessungen zur Ermittlung eines Ladzustands
eines elektrischen Akkumulators, der als Speicher für Traktionsenergie
eines Kraftfahrzeugs dient.
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Zur
Strommessung werden Stromsenoren verwendet, beispielsweise so genannte
Shunt-Widerstände, durch die der zu messende Strom fließt, oder
magnetische Sensoren zur Erfassung des vom Strom erzeugten Magnetfelds.
Anhand der abfallenden Spannung kann mittels des Widerstandswert
auf den durchflossenen Strom geschlossen werden. Die am Shunt-Widerstand
abfallende Spannung wird von (hochohmigen) Messverstärkern
oder Pufferstufen aufbereitet und im Falle einer digitalen Weiterverarbeitung
an einen Analog/Digital-Wandler übermittelt. Der Analog/Digital-Wandler
verwendet zur Umwandlung eine Spannungsreferenz.
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Insbesondere
durch Temperaturänderungen, aber auch durch andere Einflüsse
wie Einstrahlung oder veränderliche Betriebsspannungen,
ergeben sich neben den Toleranzfehlern weitere Fehler bei einem
derartigen Messaufbau. Insbesondere, wenn der erfasste Strom integriert
wird, um daraus auf eine geflossene Ladungsmenge zu schließen,
wird auch der Fehleranteil integriert. Bekannte Maßnahmen
zur Reduktion derartiger Fehler sind aufwändige Temperaturkompensationsschaltungen,
Hochpräzisionswiderstände als Shunt-Widerstand
oder Hochpräzisions-Referenzspannungsquellen für
den Analog/Digital-Wandler, sowie präzise Messwandler zur
Vorverarbeitung des analogen Spannungssignals. Alle diese Maßnahmen
führen zu hohen Bauteilkosten und erfordern zudem eine
individuelle Kalibrierung jeder einzelnen Messschaltung. Insbesondere
hochpräzise Shunt-Widerstände führen
bei Hochstromanwendungen, beispielsweise auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik,
zu erheblichen Kosten. Ferner ergeben sich bei Shunt-Widerständen
mit hohen Widerstandswerten zur Erhöhung der daran abfallenden Spannung,
um die Messge nauigkeit zu erhöhen, unerwünscht
hohe Verlustleistungen, die unter anderem auch einen selbstinduzierten
Temperaturdrift durch die Erwärmung bei der Messung zur
Folge haben.
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Sämtliche
Fehler der Messschaltung sind zueinander unkorreliert und addieren
sich somit. Da sich so bei derzeitigen mehrstufigen Messvorrichtungen
(Shunt-Widerstand-Pufferstufe-Sample&Hold-Stufe-A/D-Wandler-Microcontroller)
ein hoher Fehleranteil ergibt, der sich nur durch kostenintensive,
hochpräzise Bauelemente ausgleichen küsst, ist
es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur fehlerkompensierten Strommessung vorzusehen, mit denen sich
eine hohe Präzision auch bei zeitlicher Integration der
gemessenen Stromwerte ergibt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht die Verwendung von preiswerten Bauelementen,
beispielsweise mit hohen Fertigungstoleranzen, ohne einen hohen Messfehler
zu erzeugen. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung,
hohe Messgenauigkeiten zu erreichen, ohne dass individuelle Kalibrierungen
einzelner Schaltungen notwendig sind, um beispielsweise Fertigungstoleranzen
zu kompensieren. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße
Strommessung eine deutliche Erhöhung der Genauigkeit von
Ladungszustandsschätzungen, die sich auf den Akkumulator
beziehen. Derartige Schätzungen basieren (unter anderem)
auf einer Strommessung mittels Shunt, wobei die Stromwerte integriert
werden, und sich somit Fehler aufsummieren. Derartige Ladungszustandsschätzungen,
auch SOC-Schätzungen (SOC – State of Charge) genannt,
sind insbesondere zur Ermittlung der noch verbleibenden Reichweite von
Kraftfahrzeugen notwendig, bei denen ein elektrischer Akkumulator
(zumindest zum Teil) die Traktionsenergie bereitstellt.
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Die
Erfindung ist insbesondere zur Strommessung von elektrischen Akkumulatoren
geeignet, in denen elektrische Traktionsenergie eines Kraftfahrzeugs
gespeichert wird, beispielsweise für Akkumulatoren eines
Hybridantriebs oder eines Elektroantriebs eines Personenkraftwagens,
eines Nutzfahrzeugs oder anderer Kraftfahrzeuge. Ferner betrifft
die Erfindung eine Ladungszustandsschätzung eines Akkumulators
mittels integriertem gemessenen Strom bzw. mittels geschätztem
Ladungszustand, wobei Erfassungsfehler des gemessene Stroms durch
das erfindungsgemäße Verfahren zumindest teilweise
kompensiert werden.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, neben einer Stromschätzung,
die auf der Messung eines Shunt-Widerstands oder eines anderen Stromsensors
beruht, einen Schätzer für Ladungen zu verwenden.
Die Schätzungen beziehen sich auf eine Ladungs menge, die
innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls, d. h. innerhalb eines
Zeitfensters, dem Akkumulator zugeführt werden oder von
diesem abfließen.
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Da
sich eine derartige Ladung auf ein Zeitfenster bezieht, hat die
Ladung auch einen strombezogenen Aspekt, da die Ladung aufgrund
des Zeitfensters auf dieses normiert ist und somit im Wesentlichen
einen Strom (einen Mittelwert bzw. ein Integral eines Stroms über
das Zeitfenster) wiedergibt. Gemäß dem der Erfindung
zugrunde liegenden Konzept basiert die Schätzung der relativen
Ladung zwar zum einen auf dem gemessenen Strom, jedoch auch auf einer
Größe, die sich nicht unmittelbar, sondern indirekt,
beispielsweise über ein Modell (oder eine Interpolation)
aus dem Strom ergibt. Bezogen auf den Akkumulator basiert der Schätzer
somit auf einem Modell, das die physikalischen Eigenschaften des
Akkumulators wiedergibt, wobei die Modellsimulation nicht nur auf
dem Akkumulatorstrom beruht, sondern auch auf davon nur mittelbar
oder nicht abhängende Größen wie Klemmenspannung,
Leerlaufspannung oder Akkumulatortemperatur, die Betriebsgrößen
darstellen, von denen der Zustand des Akkumulators bzw. der Ladungszustand
des Akkumulators abhängt. Somit wird erfindungsgemäß ein
Akkumulatormodell des Schätzers betrachtet, das die relative
Ladung in Beziehung setzt zu dem Modell, welches durch weitere Betriebsparameter
definiert ist, und wobei die Betriebsparameter neben dem Akkumulatorstrom auch
andere Betriebsgrößen zur Ermittlung des Zustands
der Batterie berücksichtigt werden. Als physikalische Messgrößen,
die in die Zustandsbestimmung durch das Modell mittels des Schätzers
einfließen, sind somit neben dem gemessenen Akkumulatorstrom
auch die Klemmenspannung und die Temperatur des Akkumulators.
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Die
Erfindung ist insbesondere geeignet, den Ladungszustand (SOC) des
Akkumulators zu erfassen, indem der erfindungsgemäß fehlerkompensierte Strom
integriert wird und/oder indem der Schätzer nicht nur die
Relativladung sondern auch den Ladungszustand unter anderem basierend
auf dem fehlerkompensierten Strom schätzt und ausgibt.
Erfindungsgemäß hat der SOC-Schätzer
zwei Funktionen: zum Einen die Schätzung des Ladungszustands,
und zum Anderen die Schätzung der Zeitfenster bezogenen
Relativladung, um einen (oder mehrere) Kalibrierungspunkte für
die Strommessung (durch den Stromsensor) und somit eine geschätzte geflossene
Relativladung zu bestimmen. Die Funktion der Erfassung der Kalibrierungszeitpunkte/Fehlererfassungszeitpunkte
kann ferner durch Vergleichen des Betrags des gemessenen Stroms,
dessen Mittelwert, oder dessen auf das Zeitfenster bezogenen Integrals
mit einem Mindestwert (Offsetfehlererfassung) und einem Maximalwert
(Skalierungsfehlererfassung) vorgegeben werden. Die Kalibrierungswerte
ergeben sich durch Vergleich des gemessenen Stroms mit der geschätzten
Relativladung. Die Kalibrierungspunkte werden vom Schätzer
nicht nur zeitlich bestimmt, sondern der Schätzer gibt
für ein Zeitfenster auch eine Relativladung vor, anhand
der die Strommessung kalib riert wird. Wie bereits beschrieben wird
erfindungsgemäß kalibriert durch Ermitteln des
Offsetfehlers und des Skalierungsfehlers. Der Skalierungsfehler
wird aufgrund des ermittelten Offsetfehlers und aufgrund einer weiteren
Messung und zugehöriger, vom Schätzer gelieferte
Relativladung ermittelt. Die Relativladung bezieht sich auf ein
vom Verfahren geeignet zu bestimmendes Zeitfenster.
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Das
Zeitfenster kann bestimmt werden beispielsweise durch Erfassen eines
geeigneten gemessenen Stromwerts oder geschätzten Relativladung,
wodurch gemäß einer ersten Ausführungsform das
Zeitfenster zur Skalierungsfehlererfassung bei hohen gemessenen
Stromwerten oder bei hohen geschätzten Relativladungen
gestartet wird. Gemäß einer zweiten Ausführungsform
wird das Zeitfenster zur Skalierungsfehlererfassung mit Beendigung
des vorhergehenden Zeitfensters gestartet. Treten während
des Zeitfensters Bedingungen auf, die zur Skalierungsfehlererfassung
ungünstig sind (zeitweise geringe Akkumulatorbelastung,
ermittelt aufgrund des gemessenen Stroms oder geschätzten
Relativladung), kann das Zeitfenster von der Skalierungsfehlererfassung
im nachhinein ausgeschlossen werden, die hierzu ermittelten Werte
werden dann verworfen. Zur Erfassung des Offsetfehlers wird das
Zeitfenster vorzugsweise ebenso mit Beendigung des vorangehenden
Zeitfensters gestartet. Zur Erfassung des Offsetfehlers es nicht
unbedingt notwendig, Momentanwerte des Stroms oder momentane Ladungswerte
zu Erfassen, wenn gewährleistet ist, dass über
das gesamte Zeitfenster der gemessene Strom, das Integral des Stroms
oder die auf das Zeitfenster bezogenen Relativladung einen geringen
Wert aufweist, d. h. unter einem Maximalwert ist oder im wesentlichen
Null beträgt. Das zugehörige Beenden des zur Offsetfehlererfassung
verwendeten Zeitfensters richtet sich insbesondere nach dem Integral
des gemessenen Stroms bzw. der dem Zeitfenster zugehörigen
Relativladung, deren Werte unter einem Maximalwert oder im wesentlichen
Null betragen sollten. Das Zeitfenster kann somit fortgeführt
werden, bis das Intergral des gemessenen Stroms oder die zugehörige geschätzte
Relativladung im wesentlichen Null ist, einen Nulldurchgang hat,
oder unter dem Maximalwert liegt. Optional kann das Zeitfenster
von der Erfassung des Offsetfehlers ausgeschlossen werden (d. h. verworfen
werden), wenn trotz geringem Wert des Integrals oder der Relativladung
der gemessene Strom zu einem Zeitpunkt innerhalb des Zeitfensters über einem
Strom-Schwellwert lag, der einer hohen Belastung (bsp. in der Größenordnung
einer Norm-Strombelastung oder einer Maximal-Strombelastung des Akkumulators)
entspricht. Dadurch werden Skalierungsfehlereinflüsse bei
der Offsetfehlererfassung reduziert.
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Das
Zeitfenster wird beendet, wenn (i) für Skalierungsfehlererfassung
die Dauer der Betrachtung des Stromwert bzw. Relativladung als geeignet zu
betrachten ist, beziehungsweise wenn (ii) für die Offsetfehlererfassung
der Stromwert bzw. Relativladung geeignete Werte bzw. einen geeigneten
Verlauf aufweisen. Geeignet zur Erfassung des Offsetfehlers sind
insbesondere Zeitfenster einer geringen Akkumulatorbelastung, in
denen Relativladung, gemessener Strom oder dessen auf das begonnene
Zeitfenster bezogenes Integral etwa bei Null liegen, einen Nulldurchgang
aufweisen bzw. unterhalb einem Maximalwert (vorzugsweise für
das gesamte Zeitfenster), und ferner Zeitfenster, in denen das Integral
des gemessenen Stroms oder die auf das Zeitfenster bezogene geschätzte
Relativladung im wesentlichen Null beträgt oder unter einem
Maximalwert ist. Geeignet zur Erfassung des Skalierungsfehlers sind
Zeitfenster einer hohen Akkumulatorbelastung, in denen Relativladung
oder gemessener Strom ein (relatives) Maximum aufweisen und/oder
einen Mindestwert aufweisen, vorzugsweise für das gesamte
Zeitfenster. Das Zeitfenster zur Erfassung des Skalierungsfehlers
ist vorzugsweise kurz, d. h. kürzer als das Zeitfenster
zur Offsetfehlererfassung, beispielsweise ≤ 2 min, ≤ 1
min, ≤ 30 sec, ≤ 20 sec, ≤ 10 sec, ≤ 5
sec oder ≤ 2 sec. Durch die Kürze des Zeitfensters
bei der Skalierungsfehlererfassung wird der sich aufsummierende
Fehler resultierend aus einem verbleibenden Offsetfehler reduziert.
Anstatt des gemessenen Stroms kann auch dessen zeitliches Integral über
das Zeitfenster verwendet werden.
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Zur
Erfassung des Offsetfehlers werden generell Zeitfenster verwendet,
bei denen der integrierte, gemessene Akkumulatorstrom oder die geschätzte
Relativladung unter einem Maximalwert liegt oder im wesentlichen
Null beträgt. Grundsätzlich kann das Zeitfenster
auf nach Erfassung des gemessenen Stroms und der geschätzten
Ladung hinsichtlich Beginn und Ende festgelegt werden, so dass zur
Offsetfehlererfassung Zeitfenster mit geringem integriertem Akkumulatorstrom
(oder einem integrierten Akkumulatorstrom von im wesentlichen null)
erzeugt werden, und zur Skalierungsfehlererfassung (kurze) Zeitfenster
mit einem gemessenen Strom oder geschätzter Relativladung
erzeugt werden, deren Wert für das ganze Zeitfenster über
einem Mindestwert liegt. Dies kann auch ohne Festlegung des Zeitfensters
im Nachhinein erreicht werden, indem das Zeitfensters geeignet beendet
wird, wenn die jeweilige Bedingung hinsichtlich integriertem Akkumulatorstrom,
geschätzter Relativladung oder auch Zeitdauer des Zeitfensters
(bei der Skalierungsfehlerfassung) zutrifft. Nicht geeignete Zeitfenster
können verworfen werden, beispielsweise wenn bei der Skalierungsfehlererfassung
ein zu niedriger Wert des gemessenen Stroms erfasst wird. Die ermittelten
Fehler werden durch Subtraktion (Offsetfehler) bzw. Multiplikation mit
einem Kompensationsfaktor (Skalierungsfehler) aus dem Fehler der
Strommessung (oder auch des geschätzten Akkumulatorzustands)
herausgerechnet.
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SOC-Schätzer,
die auf einem physikalischen Modell des Akkumulators beruhen, sind
aus dem Stand der Technik bekannt, ebenso auch die Kombination derartiger
Schätzer mit einer Strommessung und Stromintegration, die
auf einem Shunt-Widerstand basiert. Eine derartige Kombination ist
beispielsweise in der Anmeldung
DE
102008041300.3 , Anmeldetag 18. August 2008, beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird
der Schätzer dazu verwendet, eine auf ein Zeitfenster bezogene
Ladungsmenge zu schätzen, wobei die Schätzung
nicht nur auf dem gemessenen Akkumulatorstrom, sondern auch von
der Klemmenspannung, der Temperatur oder einer Kombination hiervon
oder von weiteren Betriebsparametern des Akkumulators abhängt.
Eine weitere erfindungsrelevante Vorgehensweise ist die Unterteilung
des zu kompensierenden Strommessungsfehlers in einen Offsetfehler
und einen Skalierungsfehler. Der Offsetfehler wird als Summer aller Offsetfehler
aller Messschaltungskomponenten angesehen, wohingegen der Skalierungsfehler
als Summe aller Skalierungsfehler aller Messschaltungskomponenten
angesehen wird. Dies entspricht der Linearkombination einer Geraden,
die den fehlerbehafteten Stromwert mit dem tatsächlich
vorliegenden Stromwert in Beziehung setzt. Alternativ kann das Verhältnis
gesehen werden als Gerade, die die Gesamtmessfehlerkomponente zu
dem tatsächlich fließenden Strom oder zu dem fehlerbehafteten Strommesswert
in Beziehung setzt. Im letzteren Fall entspricht der Abstand der
Geraden bei einem Strom von Null dem Offsetfehler, wobei die Steigung
dem Skalierungsfehler entspricht. Erfindungsgemäß werden
Offsetfehler und Skalierungsfehler getrennt behandelt und gegebenenfalls
auch getrennt erfasst und kompensiert, wobei der vom Schätzer
abgegebene auf den Zeitrahmen bezogene Ladungswert für den
Zeitpunkt der Erfassung der beiden Fehler sowie zur Erfassung der
beiden Fehler selbst verwendet wird. Der Offsetfehler wird bei einem
Strom von Null erfasst, wobei ein Strom von Null einer vom Schätzer abgegebenen
relativen Ladung von Null entspricht. Zur Stromerfassung kann die
geschätzte Ladung akkumuliert über das Zeitfenster
als Kriterium zur Erfassung des Nulldurchgangs verwendet werden
oder alternativ der gemessene Strom als Momentanwert, als zeitlich
gemittelter Wert oder insbesondere als über das Zeitfenster
integrierter Wert. In gleicher Weise wird der Skalierungsfehler
bei hohen Strömen erfasst, vorzugsweise bei einem Maximum,
wobei zur Erfassung des Zeitpunkts des relativen Maximums ebenso
der vom Schätzer abgegebene relative Ladungswert oder der
gemessene Strom verwendet wird. Ferner wird zur Erfassung des Skalierungsfehlers
selbst der vom Schätzer abgegebene Ladungswert verwendet,
zusammen mit dem entsprechenden gemessenen Strom beziehungsweise
dessen zeitliches Integral über das Zeitfenster, um den
Fehler als Differenz zu erfassen und um daraus den Korrekturfaktor
abzuleiten.
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Der
Schätzer dient somit erfindungsgemäß zur
(wiederkehrenden) Kalibrierung der Strommessung, wobei dadurch zusätzliche
Information in das System einfließt, dass der Schätzer
den Akkumulatorzustand nicht nur aufgrund des gemessenen Stroms
vorsieht, sondern auch weitere Betriebsparameter berücksichtigt,
die mit dem Ladungszustand zusammen hängen, und nicht oder
nur mittelbar mit dem Akkumulatorstrom zusammenhängen.
Insbesondere die Zeitpunkte der Erfassung des Offset- und Skalierungsfehlers
werden vom Schätzer ermittelt, sowie auch die dazugehörigen
geschätzten Stromwerte, die als Kalibrierungsreferenz für
die mittels Stromsensor gemessenen Stromwerte dienen, um den Stromsensor/die
Strommessung zu kalibrieren.
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Im
Folgenden wird ein der erfindungsgemäßen fehlerkompensierten
Strommessung zugrunde liegendes Modell erläutert. Der gemessene
Strom setzt sich zusammen aus der Summe von Strommessungs-Offsetfehler
und tatsächlich fließendem Strom, der mit dem
Strommessungs-Skalierungsfehler multipliziert ist. Für
das Zeitfenster ergibt sich somit anstatt des zeitlichen Integrals über
den tatsächlich fließenden Strom die sich durch
Messung ergebende Ladung als Summe aus Integral des Offsetfehlers über
das Zeitfenster und Skalierungsfehler multipliziert mit dem Integral
des tatsächlich fließenden Stroms über
das Zeitfenster. Die auf dem gemessenen, fehlerbehafteten Strom
basierende Ladung ergibt sich somit aus der Summe aus Offsetfehler
multipliziert mit der Länge des Zeitfensters und dem Skalierungsfehler
multipliziert mit der tatsächlich zugeführten
oder abgeflossenen Ladung, die die Relativladung bezeichnet, welche
während des Zeitfensters in Form des tatsächlich
geflossenen Stroms übertragen wurde. Gemäß diesem
Modell wird der Offsetfehler als Strom angenommen und der Skalierungsfehler
als einheitslose Größe, wobei der Offsetfehler auch
als auf das Zeitintervall bezogene Ladungsmenge betrachtet werden
kann und der Skalierungsfehler als Differenzstrom oder als Differenzladung. Erfindungsgemäß wird
zur Fehlererfassung die geschätzte Relativladung (bezogen
auf ein Zeitfenster) einem gemessenen Strom gegenübergestellt.
Hierzu wird entweder der gemessene Strom durch Integration über
das Zeitfenster auf dieses bezogen, um mit der geschätzten,
auf das Zeitfenster bezogenen Relativladung verglichen werden zu
können. Prinzipiell ist auch eine Vergleich mögliche,
indem die geschätzte Relativladung durch Division auf die
Länge des Zeitfensters normiert wird, wobei die so normierte
geschätzte Relativladung durch Subtraktion mit dem gemessenen
Strom verglichen werden kann. Im letzteren Fall kann der Strom über
das Zeitfenster gemittelt werden.
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Die
oben stehende Betrachtung des tatsächlich gemessenen Stroms
kann an diese Betrachtungsweise angepasst werden, wobei anstatt
des tatsächlich gemessenen Stroms die tatsächlich
für das Zeitfenster erfasste relative Ladungsmenge betrachtet
werden kann und eine derartige Integraldarstellung die entsprechende
Umwandlung von Strom in Ladung durch Multiplikation mit der Länge
des Zeitfensters vorgesehen wird.
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Zur
Kompensation des oben stehenden Skalierungsfehlers und Offsetfehlers
werden vorzugsweise zwei Kompensationsgrößen verwendet,
beispielsweise ein Kompensationsstrom, der dem Negativen des Offsetfehlers
entspricht, sowie ein Kompensationsfaktor für den Skalierungsfehler,
der dem Kehrwert des Skalierungsfehlers entspricht. Wird zur Kompensation
des Skalierungsfehlers anstatt eines Faktors ein Strom oder eine
Ladung verwendet, so können diese auch durch Umkehrung
des Vorzeichens der entsprechenden Skalierungsfehlergröße vorgesehen
werden. Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept sieht jedoch
vor, den in welcher Größe auch immer dargestellten
Offsetfehler von dem Skalierungsfehler zu trennen, um diese nicht
gleichzeitig, vorzugsweise nacheinander zu kompensieren, beispielsweise
innerhalb eines iterativen Prozesses, bei dem sich Offsetfehlererfassung
und Skalierungsfehlererfassung sowie deren jeweilige Kompensation abwechseln
oder im allgemeinen nacheinander ausgeführt werden, beispielsweise
alternieren. Insbesondere die (ein- oder mehrmalige) Kompensation des
Skalierungsfehlers basiert auf einer (einmaligen oder mehrmaligen)
Kompensation des Offsetfehlers, wobei zumindest eine Offsetfehlerkompensation
einer Skalierungsfehlererfassung oder auch Skalierungsfehlerkompensation
vorausgehen. Dies entspricht der Auflösung eines linearen
Gleichungssystems einer Gerade gemäß der Gauß'schen
Form. Alternativ kann jedoch anstatt einer stufenweisen Auflösung
der beiden Fehlerarten auch eine andere Form gewählt werden,
um ein Gleichungssystem einer Geraden mit zwei Gleichungen hinsichtlich
Skalierungsfehler und Offsetfehler aufzulösen.
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Der
Offsetfehler wird vorzugsweise bestimmt für Zeitfenster,
in denen die Relativladung bzw. der hierzu gemessene Strom bzw.
dessen zeitliches Integral über das Zeitfenster im Wesentlichen
Null ist. Relativladung und gemessener Strom sind zwei zueinander
alternative oder in Kombination zu verwendende Größen,
um den Belastungszustand abzuschätzen. Bei hoher Belastung
kann der Skalierungsfehler gemessen werden, bei geringer (oder keiner) Belastung
kann der Offsetfehler gemessen werden. Hohe Ladung bzw. hoher Strom
(d. h. Werte, deren Betrag über einem Mindestwert liegt
oder deren Betrag mindestens so groß wie der Mindestwert
ist) entsprechen hoher Belastung, geringe oder keine Ladung bzw.
Strom entsprechen geringer Belastung, wobei der Betrag der Strom-
bzw. Ladungswerte unter bzw. nicht über einem Maximalwert
liegt (der Maximalwert kann im wesentlichen 0 + ∊) entsprechen). Die
Bestimmung des Offsetfehlers geht vorzugsweise der Bestimmung des
Skalierungsfehlers voraus. Bei einer vom Schätzer vorgesehenen,
auf das Zeitfenster bezogenen Ladung wird erfindungsgemäß davon
ausgegangen, dass der tatsächlich fließende Akkumulatorstrom
im Wesentlichen Null ist. Als Offsetfehler wird hier der konstante
(nicht stromabhängige) Unterschied zwischen einem tatsächlichen Stromfluss
(Null oder unter einem Maximalwert) und einem gemessenen Strom (Null
oder unter einem Maximalwert) bezeichnet, der dem Strommessungs-Offsetfehler
entspricht. Dies gilt ebenso für geschätzte, auf
das Zeitfenster bezogene Ladungen, deren Betrag unterhalb eines
Offsetfehler-Schwellwerts ist. Vorzugsweise entspricht dieser Schwellwert
nur einem geringen Teil eines Normbetrieb-Stromflusswertes, beispielsweise
1%, ein Promille oder weniger. Bei einer geschätzten, auf
ein Zeitfenster bezogenen Ladung von ungleich Null (jedoch unterhalb
des Schwellwerts) kann diese Ladung auf die Länge des Zeitfensters
normiert werden, und der Offsetfehler ergibt sich aus der Differenz
zwischen der auf die Länge des Zeitfensters normierten geschätzten
Ladung und dem erfassten, d. h. gemessenen Akkumulatorstrom. Wie
bereits bemerkt, kann die geschätzte Ladung und der damit
einhergehende Strom, der sich durch die Normierung der geschätzten
Ladung auf die Länge des Zeitfensters ergibt, zu Null angenommen
werden, so dass der Offsetfehler dem erfassten Akkumulatorstrom
entspricht, oder umgekehrt. Der Vergleich der geschätzten
Ladung mit dem Akkumulatorstrom kann somit als Stromvergleich ausgeführt
werden, indem entweder die geschätzte Ladung zu Null angenommen
wird oder die geschätzte Ladung auf die Länge
des Zeitfensters normiert wird, bevor diese mit dem Akkumulatorstrom verglichen
wird. Ferner kann der Vergleich der geschätzten Ladung
mit dem erfassten Akkumulatorstrom vorgesehen werden als Ladungsvergleich,
wobei die geschätzte Ladung mit dem erfassten Akkumulatorstrom
verglichen wird, der durch Multiplikation mit der Länge
des Zeitfensters auf das Zeitfenster bezogen wird. Die sich ergebende
Differenz wird entweder als auf das Zeitfenster bezogene Offsetfehlerladung
zur Kompensation verwendet oder zur Kompensation wiederum auf die
Länge des Zeitfensters normiert, um einen Offsetfehler
in der Form eines Stroms vorzusehen. Als Nulldurchgangszeitpunkt wird
der Zeitpunkt bzw. das Zeitfenster bezeichnet, an dem die geschätzte
Ladung im Wesentlichen Null beträgt und somit gleich Null
angenommen wird, oder zu dem die geschätzte Ladung gering
ist, und somit nur einen sehr geringen Anteil des Skalierungsfehlers
mitumfasst. Der Nulldurchgangszeitpunkt bzw. das Zeitfenster, in
dem dieser auftritt, kann durch Vergleichen der Ladung mit einer
oberen und einer unteren Grenze vorgesehen werden, wobei die Grenzen um
den Stromnullpunkt herum angeordnet sind, die ein Stromintervall
definieren, dessen Betragsmaximum deutlich unter einem Norm-Stromwert
oder deutlich unterhalb einem Maximal-Stromwert entspricht. Der
Norm-Stromwert bezieht sich auf Norm-Betriebsparameter und der Maximal-Stromwert
bezieht sich auf einen durch den Akkumulator und den Shunt-Widerstand
vorgesehenen Maximal-Stromwert, wobei die Grenze zur Erfassung des Nulldurchgangszeitpunkts
nur geringen Bruchteilen dieses Werts entspricht, beispielsweise
10–3, 10–4 oder
10–6. Der Vergleich der geschätzten
Ladung zum Nulldurchgangszeitpunkt mit dem erfassten Akkumulatorstrom
umfasst die Differenzbildung zwischen erfasstem Akkumulatorstrom
und geschätzter Ladung sowie die Annahme, dass die geschätzte
Ladung Null entspricht, und somit der erfasste Akkumulatorstrom
dem Offsetfehler zugeordnet wird.
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Der
Skalierungsfehler wird hingegen bei einem Maximumszeitpunkt ermittelt,
bei dem der Anteil des Offsetfehlers möglichst gering ist,
wobei dies vorzugsweise dadurch vorgesehen wird, dass der Offsetfehler
vor Ermittlung des Skalierungsfehlers kompensiert wird, oder der
Anteil des Offsetfehlers als vordefinierte Größe
oder als gleich Null angenommen wird. Das Zeitfenster wird vorzugsweise
derart gewählt, dass für ein Grossteil des Zeitfensters
oder für das gesamte Zeitfenster der gemessene Strom oder
die geschätzte, sich auf das Zeitfenster beziehende Relativladung
einen hohen Wert aufweist, der über einem vorgegebenen
Wert liegt. Das Zeitfenster kann hierzu beendet werden, wenn der
gemessene Strom oder die geschätzte Ladung unter dem vorgegebenen
Wert liegt. Ferner werden nur Zeitfenster verwendet, in denen kein
Vorzeichenwechsel des gemessenen Stroms oder der geschätzten
Ladung vorliegt. Das Zeitfenster überstreicht einen hohen
Belastungszeitpunkt des Akkumulators, sei es hinsichtlich einer
Entladung oder einer Aufladung. Der Maximumszeitpunkt bzw. das Zeitfenster,
in dem dieser auftritt, bestimmt sich durch den Zeitpunkt eines
relativen Maximums der geschätzten Ladung Qr, die auf das
Zeitfenster bezogen wird, oder bezieht sich auf einen Zeitpunkt
bzw. ein Zeitfenster, bei dem die geschätzte Ladung einen
Wert größer als eine Mindestladungsdifferenz aufweist.
Die Mindestladungsdifferenz, bezogen auf das Zeitfenster und somit
formuliert als gemittelter Stromwert, der die geschätzte
Relativladung wiedergibt, entspricht beispielsweise einem Normstrom
oder einem hohen Anteil eines Normstrom- oder Maximalstromwerts,
der von dem Akkumulator und dem Shunt-Widerstand vorgesehen wird.
Erfindungsgemäß wird der Akkumulatorstrom ebenso
anhand des Strommessungs-Skalierungsfehlers kompensiert, beispielsweise
durch Multiplikation des erfassten bzw. gemessenen Akkumulatorstroms
mit dem Kehrwert des Skalierungsfehlers.
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Der
Offsetfehler und der Skalierungsfehler können nach ihrer
Berechnung sofort vollständig zur Kompensation verwendet
werden, d. h. vollständig durch Subtraktion (Offset-Fehler)
oder durch Multiplikation mit dem Kehrwert (Skalierungsfehler) zur Kompensation
verwendet werden. Alternativ werden die Fehler jedoch vorzugsweise
mit steigendem Anteil bei einer kontinuierlich ansteigenden Kompensation
berücksichtigt. Zur kontinuierlich zunehmenden Kompensation
wird vorzugsweise ein PI-Regler verwendet, wie im Weiteren näher
beschrieben ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur fehlerkompensierten
Strommessung umfasst somit die Schritte des Anspruchs 1, die von
entsprechenden Merkmalen einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung umgesetzt werden. Zur Erfassung dient somit ein Stromerfassungssensor,
vorzugsweise ein Shunt-Widerstand oder auch ein Magnetsensor oder
Hall-Sensor, dessen Fehler erfindungsgemäß linear
durch Offsetfehler und Skalierungsfehler angenähert wird. Die
Vorrichtung umfasst einen Stromsignaleingang, der in digitaler oder
analoger Weise ein gemessenes Stromsignal von einer Messeinrichtung
empfängt, beispielsweise von einem Stromerfassungssensor und
dessen zugehöriger Signalaufbereitungsschaltung. Die Vorrichtung
umfasst ferner einen Schätzer, der die auf ein Zeitfenster
bezogene geschätzte Ladung basierend auf dem Modell des
Schätzers vorsieht.
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Das
Modell bildet mehrere Zustände ab und entspricht als Nährung
dem physikalischen Modell des Akkumulators. Das Modell bildet den
Akkumulator auf Grund von mehreren Betriebsgrößen
ab, wobei eine Betriebsgröße der Akkumulatorstrom
ist und weitere Betriebsgrößen nicht oder nur
mittelbar von dem Akkumulatorstrom abhängen und einen Einfluss auf
den Zustand des vom Modell geschätzten Ladezustands haben.
Derartige weitere Betriebsgrößen sind insbesondere
die Klemmspannung, eine Leerlaufspannung, die innerhalb des Leerlaufs
verwendet wird, ein Innenwiderstand, der innerhalb des Modells verwendet
wird, Temperatur des Akkumulators und weiteres. Diese weiteren Betriebsgrößen
können einzeln oder auch in beliebiger Kombination miteinander verwendet
werden, zusammen mit dem Akkumulatorstrom. Das Modell ist ein SOC-(state
of charge, Ladezustand)-Schätzer beispielsweise basierend
auf einer Vielzahl von Diffusionsprozessen, die in Form von numerischen
Näherungen wiedergegeben sind. Das Modell kann ferner Interpolation
umfassen, um aus diskreten bekannten Betriebsparametern, die verschiedene
diskreten Zustände betreffen, auf den zu schätzenden
Akkumulatorzustand und insbesondere auf den Ladungszustand oder
auf die geschätzte, auf das Zeitfenster bezogene Ladung
zu bestimmen. Das Modell kann ferner mittels empirischer Daten,
beispielsweise in Form von Tabellen, bereits verschiedene bekannte
Zustände des Akkumulators anhand verschiedener Betriebsparameter
wiedergeben, wobei durch Vergleich der aktuellen Betriebsparameter
der nächstliegende Zustand ermittelt werden kann, gegebenenfalls
unter Einsatz von Interpolation. Das Modell kann somit verschiedene
Komplexitätsstufen aufweisen, beispielsweise in Form von
komplexen Kalmanfiltern oder neuronalen Netzen, welche die Fundierungsprozesse
implizit oder explizit im Detail wiedergeben, oder kann durch einfache
Modelle wiedergegeben sein, die im Wesentlichen auf empirisch ermittelten
Tabelleneinträgen basieren.
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Zur
Erfassung des Nulldurchgangs wird ein Nulldurchgangsvergleicher
hervorgesehen, der ermittelt, ob die geschätzte Ladung
im Wesentlichen Null entspricht oder der Betrag der geschätzten
Ladung unter einem Schwellwert, d. h. einem Maximalwert liegt. Mit
dem Nulldurchgangsvergleicher ist eine Offsetfehlerermittlungseinrichtung
verbunden, die mit einer Subtraktionseinrichtung den Offsetfehler vorsieht.
Die Subtraktionseinrichtung kann ferner auch aus einer einfachen
Signalweiterleitung bestehen, wenn die geschätzte Ladung
zu Null angenommen wird und somit die auf das Zeitfenster normierte geschätzte
Ladung unmittelbar den Offsetfehler wiedergibt. Dies entspricht
einer Subtraktion von Null von der normierten geschätzten
Ladung. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen Maximumsvergleicher, der ermittelt, ob die geschätzte
Ladung (oder der gemessene Strom oder dessen Integral über
das Zeitfenster) ausreichend groß ist (im Vergleich mit
einer Mindestladungsdifferenz). Alternativ kann der Maximumsvergleicher
geschätzte Ladung aufeinander folgender Zeitfenster miteinander vergleichen,
um somit aufeinander folgende, vom Vorzeichen entgegengesetzte Steigungen
zu erkennen, um daraus auf ein relatives Maximum des Betrags der
geschätzten Ladung zu schließen. Somit können
geschätzte Ladungen von zwei aufeinander folgenden Zeitfenster
verglichen werden, um die Steigung festzustellen, wobei ein wiederholter
Vergleich von zwei (weiteren) Zeitfenstern den Ort des relativen
Maximums darstellt. Vorzugsweise werden unmittelbar aufeinander
folgende Zeitfenster miteinander verglichen. Die Skalierungsfehlerermittlungseinrichtung
umfasst eine Offsetfehlerkompensationseinrichtung, die zunächst
den ermittelten Strommessungs-Offsetfehler vom Akkumulatorstrom
abzieht, beispielsweise bezogen auf einen (gemittelten) Strom oder
bezogen auf das zeitliche Integral des geschätzten Akkumulatorstroms.
Daraufhin wird durch eine Verhältniseinrichtung der Skalierungsfehler
ermittelt durch Division des Akkumulatorstroms durch die auf die
Länge des Zeitfensters normierte geschätzte Ladung.
Alternativ kann auch der Kehrwert hiervon vorgesehen werden. Als
weitere Alternative kann der mit der Länge des Zeitfensters
multiplizierte Akkumulatorstrom oder der für die Länge
des Zeitfensters integrierte Akkumulatorstrom mit der geschätzten
Ladung verglichen werden, die sich auf das Zeitfenster bezieht.
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Zur
Kompensation wird der ermittelte Offsetfehler beispielsweise mit
umgekehrten Vorzeichen zu dem (gemessenen) Akkumulatorstrom addiert
und der Skalierungsfehler als sein Kehrwert mit dem Akkumulatorstrom
multipliziert. Dies entspricht einer unmittelbaren Kompensation.
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Alternativ
kann jedoch auch ein Korrekturfehlergenerator vorgesehen sein, der
einen Korrekturfehler erzeugt und den erfassten Akkumulatorstrom
anhand des Korrekturfehlers korrigiert. Der Korrekturfehlergenerator
kann einen PI-Regler umfassen, der den Korrekturfehler als rückgekoppelte Regelgröße
führt, wobei als Sollvorgabe, deren Differenz zur Regelgröße
zur integrativen Regelung verwendet wird, der Strommessungs-Offsetfehler
ist. Anstatt des Offsetfehlers kann auch der Skalierungsfehler oder
eine Summe des Offsetfehlers und des Skalierungsfehlers als Sollwert
vorgegeben sein. In einer weiteren Ausführung umfasst die
Vorrichtung zwei Korrekturfehlergeneratoren, wobei ein Korrekturfehlergenerator
für den Offsetfehler verwendet wird, und ein weiterer Korrekturfehlergenerator
für den Skalierungsfehler verwendet wird, wobei beide einen
PI-Regler umfassen, der als Sollwert den Offsetfehler bzw. den Skalierungsfehler
erhält und als Regelgröße den jeweiligen
Korrekturfehler führt. Die Kompensation wird dann durchgeführt
mittels Kombination der Korrekturfehler bzw. mittels einzelner Kompensation
des Offsetfehlers und des Skalierungsfehlers anhand des zugehörigen
Offsetfehler- oder Skalierungsfehler- Korrekturfehlers, um so die beiden
Fehler kombiniert zu korrigieren. Der oder die PI-Regler sind Teil
einer Kompensationseinrichtung der Vorrichtung, wobei jeder PI-Regler
eine Verstärkerstufe (P), eine Integratorstufe (I), eine
Fehlerbildungseinheit sowie einen Rückkopplungspfad umfasst.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner vorzugsweise einen Zeitfenstergenerator,
der Beginn und Ende des Zeitfensters vorgibt, wobei die Zeitfenster
vorzugsweise unmittelbar aufeinander folgen. Um das Zeitfenster
geeignet vorzusehen kann der Zeitfenstergenerator den gemessenen
Strom oder die geschätzte Relativladung auswerten, ob die
zur Erfassung des Offsetfehlers bzw. des Skalierungsfehlers notwendigen
Voraussetzungen gegeben sind. Voraussetzung zur Erfassung des Skalierungsfehlers
ist die Erfassung einer hohen Akkumulatorbelastung, und Voraussetzung
zur Erfassung des Offsetfehlers ist die Erfassung einer geringen
Akkumulatorbelastung. Eine hohe Akkumulatorbelastung wird beispielsweise erfasst
durch Vergleich des gemessenen Stromwerts oder der geschätzten
Relativladung mit einem Mindestwert oder durch Erfassung relativer
Minima dieser Größen, und eine geringe mittlere
bzw. über das Zeitfenster integrierte oder aufsummierte
Akkumulatorbelastung wird beispielsweise erfasst durch Vergleich
des gemessenen Stromwerts oder der geschätzten Relativladung
mit einem Maximalwert oder durch Erfassung eines Nulldurchgangs
oder eines Werts, der im wesentlichen Null entspricht.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner vorzugsweise einen Normierer, der auf
die geschätzte Ladung auf die Länge der Zeitfenster
durch die Vision normiert oder den Akkumulatorstrom durch Multiplikation
die Länge des Zeitfensters auf das Zeitfenster bezieht. Zudem
sind Komponenten der Vorrichtung mit dem Zeitfenstergenerator verbunden,
um Beginn und Ende jedes Zeitfensters zu erfassen, um ein Zeitfenster,
bei dem die auf das Zeitfenster bezogene Ladung deutlich von Null
abweicht oder nicht ausreichend groß ist von der Ermittlung
des Offsetfehlers bzw. von der Ermittlung des Skalierungsfehlers
auszuschließen. Die Länge der Zeitfenster beträgt
vorzugsweise 30 s–1800 s, 60 s–1500 s, 100 s–1000
s oder 500 s–900 s, wobei mittelbar oder unmittelbar aufeinander
folgende Zeitfenster identische Längen haben können
oder verschiedene Längen haben können. Beginn
und Ende der Zeitfenster können gemäß den oben
stehenden Vorraussetzungen zur Erfassung von Offset- und Skalierungsfehler
gewählt werden. Dies gilt ebenso für die Schritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Zeitfenster
können beispielsweise beendet werden, wenn nach der Erfassung
eines Nulldurchgangszeitpunkts die geschätzte Ladung deutlich
von Null abweicht oder nach der Erfassung eines Maximumszeitpunkts
der Betrag der geschätzten Ladung unter eine Mindestladungsdifferenz
fällt.
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Zwischen
Kompensation und Erfassung des Offsetfehlers, des Skalierungsfehlers
oder beider Fehler können diese gemäß einer
Temperatur bzw. einer Temperaturänderung kompensiert werden. Hierzu
wird eine Temperaturfehlerkomponente für den Offsetfehler,
für den Skalierungsfehler oder für beide Fehler
in linearer Abhängigkeit von der Temperatur bzw. von einem
Temperaturunterschied ermittelt. Die lineare Abhängigkeit
ist vorbestimmt durch ein Temperaturverhalten zumindest einer Komponente
der Messeinrichtung, beispielsweise abhängig von dem an
eine Gerade angenähertem Temperaturverhalten des Widerstandwert
des Shunt-Widerstands, des Offsetfehlers oder des Skalierungsfehlers
der Pufferstufe (beispielsweise vorgesehen durch einen Operationsverstärker),
durch den Skalierungsfehler auf Grund der Temperaturabhängigkeit eines
Zeitgebers einer Sample- and Holdvorrichtung oder auf Grund des
Temperaturdrifts einer Referenzsspannungsquelle eines A/D-Wandlers.
Die Temperaturfehlerkomponente entspricht dem extrapolierten Temperaturfehler,
der dem jeweiligen Fehler bzw. der Kombination der Fehler hinzugefügt
wird, um bei Kompensation auch die Temperaturfehlerkomponente zu
kompensieren. Als lineare Abhängigkeit werden erfindungsgemäß auch
stückweise konstante Abhängigkeiten angesehen
in Form von aufeinander folgenden Temperaturintervallen, während
dem ein Temperaturfehlerkomponentenwert als konstant angesehen wird.
Insbesondere dient die Kompensation der Temperaturabhängigkeit
des Strommessungs-Offsetfehlers. Die Kompensation kann beispielsweise
mittels eines Interpolators der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorgesehen werden, der aus Temperaturen des Stromerfassungssensors oder
anderen Komponenten der Strommessvorrichtung eine Temperaturfehlerkomponente
durch Interpolation vorsieht. Die Temperaturabhängigkeit
kann wiedergeben sein durch eine Steigung oder Steigungsgerade,
die eine lineare Abhängigkeit widerspiegeln. Grundsätzlich
können jedoch auch Näherungen höherer
Ordnung zur Ermittlung der Temperaturfehlerkomponente verwendet
werden. Die Näherungen können als diskrete Werte
bzw. Werteintervalle wiedergeben sein, wobei Stützstellen
den Verlauf durch Interpolation definieren. Es können hierzu Tabellen
verwendet werden, vorzugsweise einschließlich einer zugehörigen
Interpolation. Ferner kann die Temperaturabhängigkeit als
Näherungsformel realisiert sein, deren Parameter das Materialverhalten
in einer kontinuierlichen Abhängigkeit wiedergeben, wobei
die Näherungsformel eine lineare Abhängigkeit
oder auch Abhängigkeiten höherer Ordnung wiedergibt.
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Als
Temperatur wird vorzugsweise die an dem Shunt-Widerstand erfasste
Temperatur verwendet, wobei alternativ auch die Temperatur des Akkumulators
oder der an dem Shunt-Widerstand angeschlossenen Messsignalaufbereitungsschaltung
verwendet werden. Hierzu können zusätzliche Temperatursensoren
verwendet werden, oder es kann ein Temperatursensor des Akkumulators
verwendet werden. Der Temperaturkompensation zu Grunde gelegt wird
eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur, die während
dem Zeit fenster erfasst wurde, und einer Temperatur, die während
der Kompensation herrscht. Die Vorrichtung umfasst somit ferner
vorzugsweise einen Speicher, der Temperaturwerte, die wie oben beschrieben
erhalten werden, speichert. Der gleiche Speicher oder ein weiterer
Speicher kann dazu verwendet werden, um den Strommessungs-Offsetfehler
zu speichern, zumindest bis ein Maximumszeitpunkt aufgetreten ist,
an dem bei der Ermittlung des Skalierungsfehlers und der zugehörigen
Kompensation auf den vorher erfassten Offsetfehler zugegriffen werden
kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise
ferner den Schritt des Ermittelns des Ist-Ladezustands des Akkumulators
als zeitliches Integral oder als laufende Summe des kompensierten Akkumulatorstroms
oder als laufende Summe der geschätzten Ladung oder als
Kombination hiervon. In gleicher Weise umfasst die Vorrichtung vorzugsweise einen
Integrator oder einen Summierer, der als Resultat den Ist-Ladezustand
des Akkumulators ausgibt und den kompensierten gemessenen Akkumulatorstrom
oder die geschätzte Ladung oder eine Kombination hiervon
erhält.
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Die
Vorrichtung wird vorzugsweise umgesetzt durch eine programmierbare
Schaltung, bei der Softwareeinzelkomponenten der Vorrichtung, zusammen
mit der Verarbeitungshardware, vorsieht. Alternativ können
einzelne oder alle Komponenten der Vorrichtung als Schaltung aufgebaut
sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 Eine
Akkumulatorstrom-Messeinrichtung zur Ausführung der Erfindung;
und
-
2 Ein
Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Die 1 zeigt
einen Akkumulator 10 der Strom 12 erzeugt, der
durch einen Shunt-Widerstand 14 und einen Verbraucher 16 läuft.
Akkumulator 10, Shunt-Widerstand 12 und Verbraucher 16 bilden
einen geschlossenen Stromkreis. Anstatt des Shunt-Widerstands 10 kann
auch eine durchgehende Leitung verwendet werden, wobei ein Hall-Sensor oder
ein anderer Magnetsensor das vom Strom 12 erzeugte Magnetfeld
erfasst und daraus den Strom 12 ableitet. Die am Shunt-Widerstand 14 abfallende Spannung
wird einer Pufferschaltung 20 zugeführt, die einen
hohen Innenwiderstand hat und gegebenenfalls das Spannungssignal
verstärkt. Der Ausgang der Pufferschaltung ist mit einer
Sample&Hold-Stufe 22 verbunden,
die den von der Pufferschaltung 20 abgegebenen analogen
Wert abtastet und hält, diesen an einen A/D-Wandler 24 weiterleitet,
der aus dem analogen Signal einen digitalen Wert erzeugt, der dem
Mikrocontroller 26 zur weiteren Verwertung zugeführt
wird. Die Elemente 20, 22, 24 und gegebenenfalls
auch 26 sind Elemente einer Signalaufbereitungsschaltung,
die jeweils Fehler in die Messung mit einbringen. So umfasst die
Pufferschaltung einen Operationsverstärker mit einem Offsetfehler
(und gegebenenfalls auch einem Skalierungsfehler) der A/D-Wandler 24 umfasst
eine Referenzspannungsquelle, beispielsweise einen Referenzspannungshalbleiter,
der bei Temperaturänderungen einen Skalierungsfehler aufweist,
wobei auch die Sample&Hold-Stufe 22 gegebenenfalls
einen Offsetfehler oder Skalierungsfehler mit einbringen kann. Neben
der Temperaturabhängigkeit können sich Offsetfehler
und Skalierungsfehler durch Bauteiltoleranzen ergeben, beispielsweise
durch eine Toleranz von 5% oder 3% des Shunt-Widerstands. Weitere
Fehler ergeben sich durch Temperaturdifferenz zwischen Herstellung
und Einsatzort, wobei bei der Herstellung gegebenenfalls das System
kalibriert wurde oder zumindest einen geringen Fehler aufweist und
am Einsatzort, beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs
eine höhere Temperatur herrscht, die weitere Fehler erzeugt.
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Die 2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung, zusammen mit
einem Akkumulator 110 der Betriebsparameter aufweist, die
an einen Shunt-Widerstand 114 und einen Schätzer 130 übertragen werden.
Die Betriebsparameter des Akkumulators sind als A, B und C bezeichnet,
da diese (bis auf Akkumulatorstrom und Klemmenspannung) im wesentlichen
austauschbar sind, sofern sie mit dem Ladungszustand des Akkumulators
korrelieren. Die Betriebsgrößen in 2 sind
Akkumulatorstrom A, Temperatur B sowie Klemmspannung C. Der Strom
A wird vom Shunt-Widerstand und einer daran angeschlossenen Signalaufbereitungsschaltung 120 und in
aufbereiteter Form dem Schätzer 130 zugeführt. Somit
umfasst die Vorrichtung zwei Linien zur Ermittlung des Akkumulatorstroms:
die auf Messung beruhende Linie 114, 120, die
einen fehlerbehafteten Messstrom erzeugt, sowie die Linie des Schätzers 130,
der auf Grund des gemessenen Stroms A und weiterer Betriebsparameter
B, C einen Zustand schätzt, aus dem dieser eine geschätzte
Ladung A' ableitet. Die geschätzte Ladung A' bezieht sich
auf ein bestimmtes Zeitintervall und ist somit, wie auch die physikalische
Einheit Strom, auf Zeit bezogen. Aus diesem Grund wird der gemessene
momentane Strom A ähnlich bezeichnet wie die geschätzte
Ladung A'. Anstatt der Bezeichnung A wird auch die Bezeichnung Qr
verwendet, um eine relative Ladung (Qr) zu bezeichnen, und anstatt
der Bezeichnung A' wird der Akkumulatorstrom mit Im bezeichnet,
der für einen gemessenen Strom (I) steht. Der Schätzer 130 gibt
somit eine ge schätzte Ladung Qr aus und übermittelt
diese an daran angeschlossene Vergleicher 140, 142.
Der Vergleicher 140 ermittelt als Nulldurchgangsvergleicher,
ob die geschätzte Ladung A' (Qr) im Wesentlichen Null ist
(oder, alternativ, vom Betrag her unter einem Maximalwert liegt).
Der Vergleicher 140 vergleicht somit mit Null oder mit
Intervallgrenzen, die ein schmales Intervall um den Nullpunkt herum
definieren. Der Nulldurchgangsvergleicher ermittelt hierdurch eine
Nulldurchgangszeit. In gleicher Weise vergleicht der Vergleicher 142,
der einen Maximumsvergleicher darstellt, den Betrag der geschätzten
Ladung A' (Qr) mit einer Mindestladungsdifferenz oder erfasst in
einer weiteren Ausführung das relative Maximum der zeitfensterbezogenen
geschätzten Ladung A' durch Vergleich von geschätzten
Ladungen verschiedener Zeitfenster. Der Maximumsvergleicher 142 kann
ferner auch beide Vergleiche durchführen und erst dann
ausgeben, dass ein Maximum auftritt, wenn zum einen ein relatives Maximum
vom Vergleicher 142 erkannt wurde und zum anderen der Wert
dieses Maximums der geschätzten Ladung über einer
Mindestladungsdifferenz liegt. Die Mindestladungsdifferenz bietet
somit einen Schwellwert für die geschätzte Ladung,
der angibt, dass die geschätzte Ladung ausreichend groß zur
Skalierungsfehlererfassung ist, wobei die Mindestladungsdifferenz
eine Differenz zwischen verschiedenen Gesamtladungszuständen
des Akkumulators darstellt.
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Der
Vergleicher 140 und der Vergleicher 142 ist jeweils
mit einer symbolisch dargestellten Messwerterfassung verbunden,
die bei Kennzeichnung des Nulldurchgangszeitpunkts und bei Kennzeichnung
des Zeitpunkts der Skalierungsfehlererfassung den jeweiligen Wert
der geschätzten Ladung ermittelt. Diese werden an eine
Offsetfehlerermittlungseinrichtung 150 bzw. an eine Skalierungsfehlerermittlungseinrichtung 152 übertragen,
um den jeweiligen Fehler zu berechnen und somit eine Kompensation zu
ermöglichen. Zunächst ermittelt die Einrichtung 150 den
Offsetfehler, legt diesen beispielsweise in einem Speicher 150a ab,
der der Offsetfehlerermittlungseinrichung 150 zugeordnet
ist. Trifft zu einem späteren Zeitpunkt ein Zeitpunkt zur
Skalierungsfehlererfassung auf, so erzeugt die Einrichtung 152 basierend
auf dem im Speicher 150a abgelegten Skalierungsfehler und
der geschätzten Ladung zum Zeitpunkt der Skalierungsfehlererfassung
den Skalierungsfehler.
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Der
Zeitpunkt der Skalierungsfehlererfassung entspricht dem Zeitpunkt,
an dem der Maximumsvergleicher eine ausreichend große geschätzte Ladung
ermittelt oder ein relatives Maximum des Betrags der geschätzten
Ladung ermittelt (oder beides), wobei der Zeitpunkt der Skalierungsfehlererfassung gleichbedeutend
ist mit dem Zeitfenster, in dem die ausreichend große geschätzte
Ladung, das relative Maximum der geschätzten Ladung oder
beides auftritt. In gleicher Weise entspricht der Nulldurchgangszeitpunkt
dem Zeitfenster, in dem dieser auftritt. Der zugehörige
Betrag ist der Mittelwert der geschätzten Ladung für
das gesamte Zeitfenster oder, falls nur ein Ladungswert geschätzt
wird während dieses Zeitfensters, dem geschätzten
Ladungswert, der dem Zeitfenster zugeordnet ist.
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Schließlich
umfasst die Vorrichtung von 2 ein Kompensationseinrichtung 160,
die den gemessenen Akkumulatorstrom A (Im) empfängt sowie
den Skalierungsfehler sowie den Offsetfehler von den Einrichtungen 150 und 152.
Auf Grund der bekannten Fehler kompensiert die Kompensationseinrichtung 160 den
gemessenen Strom A (Im) und gibt den kompensierten gemessenen Stromwert
Ak aus.
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Im
Falle einer weitergehenden Temperaturkompensation ist die Kompensationseinrichtung 160 mit
Temperatursensoren des Akkumulators 110, des Shunt-Widerstands 114 (bzw.
des Stromsensors 114) und der Signalvorverarbeitungsschaltung 120 verbunden,
um bei Temperaturerhöhungen zusätzliche Temperaturfehlerkomponenten
des Offsetfehlers und des Skalierungsfehlers zu ermitteln. Die somit
ermittelten Temperaturfehlerkomponenten werden mit dem Offsetfehler
bzw. mit dem Skalierungsfehler kombiniert, wobei die Fehlerkompensation
anhand der kombinierten Fehler ausgeführt wird. In einer
alternativen Ausführung wird zunächst der direkt
ermittelte Offsetfehler und Skalierungsfehler kompensiert, wobei
in einer darauf folgenden Stufe oder einer vorhergehenden Stufe
die zugehörigen Temperaturfehlerkomponenten bei der Kompensation
berücksichtigt werden. Um die verschiedenen Temperaturen den
zugehörigen Zeitfenstern zuzuordnen, umfasst die Kompensationseinrichtung 160 ferner
vorzugsweise einen Zeitsignaleingang, der Zeitsignale abgibt, die
zur Zuordnung von ermittelten Skalierungsfehlern oder Offsetfehlern
zu jeweiligen Temperaturen (zur gleichen Zeit) ermöglichen.
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Die
in 2 dargestellten Leitungen entsprechen Signalübertragungsverbindungen,
die im Fall einer Softwareimplementierung durch entsprechende Prozedur
oder Funktionsköpfe und deren Übergabevariablen
realisiert werden. Die Pfeile geben die Richtung des Informationsflusses
bzw. des Signalflusses an. Bis auf die Verbindung zwischen Akkumulator 110 und
Shunt-Widerstand 114 übertragen sämtliche
Verbindungen Signale, die Werte von physikalischen Größen
wiedergeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst optional
einen mit dem Stromsignaleingang verbundenen Integrator, der zur
Integration des Akkumulatorstroms (Im) für die Dauer des
Zeitfensters eingerichtet ist, um den Vergleich mit der Relativladung des
Schätzer auf der Basis eines Ladungsvergleichs auszuführen.
Zudem kann die Vorrichtung einen Zeitnormierer umfassen, der auf
das Zeitfenster bezogene Ladung (sei es vom Schätzer oder
vom Integrator) auf eine sich von dem Zeitfenster unterscheidende Einheitszeitbasis
zu übertra gen, beispielsweise auf 1 Sekunde, um so den
Vergleich zwischen Schätzung und Messung auf der Basis
der Einheit Ampere durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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