DE102010028088A1

DE102010028088A1 - Verfahren zum Messen des Batteriestroms in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010028088A1
Application number: DE102010028088A
Authority: DE
Inventors: Michael Wolf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-10-27
Also published as: HUP1100213A2; CN102243291A; CN102243291B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Batteriestromes (IB) in einem Kraftfahrzeug, wobei der Batteriestrom (IB) durch einen Messwiderstand (110) fließt und eine Messspannung (US) an dem Messwiderstand (110) abfällt, wobei ein Messverstärker (180, 300, 400) mit zwei Eingangsanschlüssen (A, B) zum Aufnehmen einer Spannung und einem Ausgang (C) zum Ausgeben einer Spannung verwendet wird, wobei der Ausgang (C) mit einer Auswerteschaltung (210) verbunden ist, wobei zum Messen des Batteriestromes (IB) die an dem Messwiderstand (110) abfallende Messspannung (US) an die zwei Eingangsanschlüsse (A, B) angelegt wird, wobei für einen Nullpunktsabgleich die zwei Eingangsanschlüsse (A, B) kurzgeschlossen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Batteriestroms in einem Kraftfahrzeug sowie eine Messschaltung.
Stand der Technik
Zur Zustandserkennung von Batterien in Kraftfahrzeugen werden in der Regel Temperatur, Strom und/oder Spannung erfasst und mittels geeigneter Algorithmen verarbeitet. Dabei kommt typischerweise ein Mikrocontroller oder eine entsprechende Recheneinheit zum Einsatz. Zur Stromerfassung werden üblicherweise Shuntwiderstände verwendet.
In der EP 0 990 167 B1 wird zur Strommessung eine entsprechend ausgestaltete Batteriemessklemme offenbart, die in ihrem Inneren einen Messwiderstand (Shunt) sowie eine Mess- und Signalverarbeitungseinheit aufweist, die über eine Datenleitung, z. B. einen LIN-Bus, mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Eine solche ”intelligente” Batterieklemme baut groß, ist aufwendig und teuer.
Als Verbesserung wird in der DE 10 2008 041 539 A1 vorgeschlagen, die Batterieklemme lediglich mit dem Messwiderstand auszustatten und die Auswerteschaltung davon abgesetzt über entsprechende Verbindungsleitungen anzubinden. In der Auswerteschaltung wird der Strom durch den Messwiderstand bestimmt und der bestimmte Stromwert wird über einen Fahrzeugbus, beispielsweise einen LIN-Bus, an ein Fahrzeugsteuergerät übertragen. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist der immer noch bestehende Bedarf an einer aufwendigen Auswerteschaltung.
Es ist daher wünschenswert, die Batteriestrommessung in Kraftfahrzeugen zu vereinfachen, wobei insbesondere der Bauteilaufwand reduziert werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Messverfahren sowie eine Messschaltung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert im Wesentlichen auf der Erkenntnis, dass die Batteriestrommessung in Kraftfahrzeugen vereinfacht werden kann, wenn dazu bereits ohnehin vorhandene Bauteile verwendet werden. Insbesondere weisen herkömmliche Kraftfahrzeugsteuergeräte, wie z. B. das Energiemanagementsteuergerät, Analog/Digital-Wandlerschaltungen auf, die für die Messung des Batteriestroms prinzipiell geeignet sind. Separate Auswerteschaltungen, die den Batteriestrom messen und in ein digitales Signal umwandeln, können so eingespart werden.
Jedoch stellt die Verarbeitung der am Messwiderstand bzw. Shunt abfallenden Messspannung hohe Ansprüche an den Messverstärker. Übliche Messverstärker weisen beispielsweise eine Offset-Drift auf, die die Verwendung derartiger Messverstärker bzw. Current-Sense-Amplifier (CSA) nicht ohne weiteres für die Batteriestrommessung gestattet. Aus diesem Grund werden im Stand der Technik aufwendige Auswerteschaltungen eingesetzt. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass die mit der Offset-Drift verknüpften Probleme überwunden werden können, wenn ein regelmäßiger Nullpunktsabgleich durchgeführt wird. Die von dem Messverstärker ausgegebene Spannung kann dann in einem ohnehin im Steuergerät vorhandenen Analog/Digital-Wandler, der auch heute schon über die dazu nötigen Kennwerte, wie z. B. Auflösung und Linearität, verfügt, gemessen werden. Der Nullpunktsabgleich kann regelmäßig und/oder getriggert, z. B. temperaturabhängig, temperaturschwankungsabhängig usw., ausgeführt werden.
Die Erfindung kann damit den Aufwand für die Batteriestrommessung erheblich reduzieren, was insbesondere im Falle paralleler Batteriesysteme, wie sie beispielsweise für Nutzfahrzeuge in manchen Ländern üblich sind, besondere Vorteile entfaltet. Hier müssen mehrere Batterieströme gemessen werden, so dass die Einsparung insgesamt besonders groß ist. Für jeden Batteriestrommesspunkt kann eine Auswerteeinheit eingespart werden. Insbesondere können auch die Ausgänge mehrerer Messverstärker mit ein und demselben Analog/Digital-Wandler verbunden sein, so dass auch hinsichtlich der Analog/Digital-Wandlung eine Einsparung möglich ist.
Da bei der vorliegenden Erfindung – im Gegensatz zu dem im Stand der Technik bekannten Batteriestrommesssystemen – der Messwiderstand von der Verarbeitung, d. h. Messverstärker und Analog/Digital-Wandler, getrennt ist, kann jedes einzelne Element separat ausgetauscht werden, was die Kosten weiter reduziert. Nach einem Austausch sollte eine Kalibrierung des Messsystems stattfinden, was beispielsweise durch Verwendung von Herstellerkalibrierdaten, z. B. im Data Matrix Code, vereinfacht werden kann. Solche Hersteller-Kalibrierdaten müssen bei einem Wechsel nur noch eingelesen werden.
Auch eine Temperaturmessung an der Polklemme kann auf dieselbe Weise erfolgen, wenn anstelle des oder zusätzlich zum Strommesswiderstand ein temperaturabhängiger Widerstand, NTC oder PTC, eingesetzt wird.
Durch die Mitbenutzung der im Hostcontroller bzw. Steuergerät enthaltenen Schaltungen, insbesondere ADC und Spannungsversorgung, wird eine signifikante Kostenersparnis erzielt. Da der wesentliche Auswertevorgang im Steuergerät stattfindet, sinken auch die Ansprüche an die Messschaltung hinsichtlich Robustheit, Dichtheit usw.
Die Offset-Drift wird im Wesentlichen durch Alterung und Temperatur der beteiligten Komponenten hervorgerufen. In bevorzugter Ausführungform wird zusätzlich die Temperatur an der Batterie, am Messwiderstand und/oder am Messverstärker gemessen. Beispielsweise zeigen auch hochpräzise Messwiderstände ein temperaturabhängiges Verhalten, welches zu einer Verfälschung des Messergebnisses führt. Wird zusätzlich die Temperatur erfasst, kann der tatsächliche Widerstandswert des Messwiderstands bei der gerade vorherrschenden Temperatur herangezogen werden. Dasselbe gilt für eine Temperaturabhängigkeit des Messverstärkers. Insgesamt können zur Kompensation Kalibrierfaktoren basierend auf ermittelten Temperaturen einbezogen werden. Kalibrierfaktoren für Temperaturzwischenwerte sind beispielsweise über eine Interpolation gestützt. Liegt eine durch mehrfache Kalibrierung gestützte Matrix vor, kann die Häufigkeit der Kalibrierung reduziert werden, da nur noch Alterungseffekte zu berücksichtigen sind.
Eine erfindungsgemäße Messschaltung ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schaltplanartig eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messschaltung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schaltplanartig eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messschaltung dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Ein Messwiderstand bzw. Shunt-Widerstand 110 mit einem Wert R_S ist an einem Batteriepol 10 angeschlossen. Der durch den Messwiderstand 110 fließende Batteriestrom I_B führt zu einer an dem Messwiderstand 110 abfallenden Messspannung U_S. Die Messspannung U_S wird über eine zur Störsignalunterdrückung verdrillte Leitung 120, Widerstände 130 und 150 sowie erste Schaltmittel 160 an zwei Eingangsanschlüsse A, B eines Messverstärkers 180 geführt. Ein Ausgang C des Messverstärkers 180 ist mit einem Host-Steuergerrät 200 eines Energiemanagementsystems des Kraftfahrzeugs verbunden. Das Host-Steuergerät 200 umfasst unter anderem eine Analog/Digital-Wandlerschaltung 210 sowie einen Mikrocontroller 220. Das Steuergerät 200 verfügt darüber hinaus über weitere, hier nicht gezeigte Komponenten.
Die Messschaltung verfügt des Weiteren über einen Widerstand 140, der über zweite Schaltmittel 170 mit dem Eingangsanschluss A des Messverstärkers 180 verbindbar ist. Zwischen den ersten Schaltmitteln 160 und den zweiten Schaltmitteln 170 ist ein Invertierglied 190 vorgesehen, so dass beide Schaltmittel vom Steuergerät 200 mittels eines einzigen Signals so ansteuerbar sind, dass immer eines der Schaltmittel geöffnet und das andere geschlossen ist.
Die Messschaltung 100 verfügt im hier abgebildeten Beispiel weiterhin über einen Temperaturfühler 195, der so angeordnet ist, dass er die Temperatur der Batterie sowie des Messwiderstands 110 erfassen kann. Diese Temperatur kann insbesondere verwendet werden, um den temperaturabhängigen Widerstandswert des Messwiderstands 110 für die nachfolgend beschriebene Messung zu verwenden.
Zur Messung des Batteriestroms I_B werden die Schaltmittel so angesteuert, dass die ersten Schaltmittel 160 geschlossen und die zweiten Schaltmittel 170 geöffnet sind. Somit wird die am Messwiderstand 110 abfallende Messspannung U_S über die Widerstände 130 und 150 mit den Werten R bzw. R' an die Eingangsanschlüsse A und B des Messverstärkers 180 angelegt. Die angelegte Spannung kann im Messverstärker 180 zweckmäßigerweise verstärkt werden, so dass die am Ausgang C anliegende Ausgangsspannung den Messbereich der Analog/Digital-Wandlerschaltung 210 möglichst gut abdeckt.
Um die Genauigkeit der Messung auch über längere Zeitdauern zu gewährleisten, wird regelmäßig und/oder getriggert ein Nullpunktsabgleich durchgeführt. Der Nullpunktsabgleich kann beispielsweise bei jedem Motorstart durchgeführt werden und/oder wenn mittels des Temperaturfühlers 195 eine gewisse Temperaturschwankung registriert wird. Zur Durchführung des Nullpunktsabgleichs werden die Schaltmittel 160 und 170 vom Steuergerät 200 so angesteuert, dass die ersten Schaltmittel 160 geöffnet und die zweiten Schaltmittel 170 geschlossen sind. In der Folge werden die Eingangsanschlüsse A und B des Messverstärkers 180 über die Widerstände 140 und 150 kurzgeschlossen. Die Widerstände 130, 140 und 150 sind idealerweise gleich groß, d. h. R=R₀=R', um Asymmetrien aufgrund unterschiedlicher Eingangsströme des Messverstärkers zu vermeiden. Die während des Nullpunktsabgleichs am Ausgang C ausgegebene Spannung wird vom Host-Steuergerät 200 als aktuelle Offset-Spannung registriert und gespeichert. Diese Offset-Spannung wird während des Messbetriebs anschließend von den jeweiligen Messergebnissen subtrahiert, um eine Offset-Korrektur durchzuführen.
Die erfindungsgemäße Messschaltung wird in Verbindung mit ohnehin vorhandenen Komponenten des Steuergeräts 200 verwendet und ermöglicht dadurch die Einsparung von zusätzlichen Bauteilen, wie z. B. einer Auswerteschaltung oder einer Spannungsversorgung. Wie in 1 weiterhin dargestellt, kann die Auswerteschaltung 210 im Steuergerät 200 zur Erfassung einer Vielzahl von Strömen verwendet werden, wie es durch die Darstellung weiterer Messverstärker 300 und 400 angedeutet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0990167 B1 [0003]
DE 102008041539 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Messen des Batteriestromes (I_B) in einem Kraftfahrzeug, wobei der Batteriestrom (I_B) durch einen Messwiderstand (110) fließt und eine Messspannung (U_S) an dem Messwiderstand (110) abfällt, wobei ein Messverstärker (180, 300, 400) mit zwei Eingangsanschlüssen (A, B) zum Aufnehmen einer Spannung und einem Ausgang (C) zum Ausgeben einer Spannung verwendet wird, wobei der Ausgang (C) mit einer Auswerteschaltung (210) verbunden ist, wobei zum Messen des Batteriestromes (I_B) die an dem Messwiderstand (110) abfallende Messspannung (U_S) an die zwei Eingangsanschlüsse (A, B) angelegt wird, wobei für einen Nullpunktsabgleich der Messung die zwei Eingangsanschlüsse (A, B) kurzgeschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Auswerteschaltung eine Analog/Digital-Wandlerschaltung (210) in einem Host-Steuergerät (200) eines Energiemanagementsystems des Kraftfahrzeug verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Host-Steuergerät (200) regelmäßig und/oder getriggert den Nullpunktsabgleich veranlasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zwei Eingangsanschlüsse (A, B) für den Nullpunktsabgleich über wenigstens einen Widerstand (140, 150) kurzgeschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine Temperatur der Batterie, des Messwiderstands (110) und/oder des Messverstärkers (180) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei Kalibrierfaktoren für den Widerstandswert des Messwiderstands (110) und/oder die Spannungsverstärkung des Messverstärkers anhand der gemessenen Temperatur bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Batteriestrom am Pluspol (10) und am Minuspol der Batterie gemessen wird, und zur Messung dieselbe Auswerteschaltung (210) verwendet wird.
Messschaltung (100) zum Messen des Batteriestromes (I_B) in einem Kraftfahrzeug umfassend einen Messwiderstand (110) zum Anschluss an eine Fahrzeugbatterie, einen Messverstärker (180, 300, 400) mit zwei Eingangsanschlüssen (A, B) zum Aufnehmen einer Spannung und einem Ausgang (C) zum Ausgeben einer Spannung, ersten Schaltmitteln (160) zum Verbinden der zwei Eingangsanschlüsse (A, B) mit dem Messwiderstand (110) und zweiten Schaltmitteln (170) zum Kurzschließen der zwei Eingangsanschlüsse (A, B).
Messschaltung (100) nach Anspruch 8, deren Ausgang mit einer Analog/Digital-Wandlerschaltung (210) in einem Host-Steuergerät (200) eines Energiemanagementsystems des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Messschaltung (100) nach Anspruch 9, wobei das Host-Steuergerät (200) zur Ansteuerung der ersten (160) und zweiten (170) Schaltmittel sowie zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.