DE102011080603A1 - Verfahren zur Messung elektrischen Stroms, elektrische Schaltung, Batteriesystem und Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung elektrischen Stroms in einer elektrischen Schaltung mit einer Batterie, wobei der Strom auf mindestens zwei parallel angeordnete Pfade aufgeteilt wird. Die Teilströme werden von einem Mittel zur Strommessung pro Pfad gemessen und durch Addieren aller Teilströme der Strom bestimmt.
- Ferner werden eine elektrische Schaltung zur Durchführung des Verfahrens, ein Batteriesystem umfassend die elektrische Schaltung und ein Kraftfahrzeug umfassend das Batteriesystem beschrieben.
- Stand der Technik
- Batteriesysteme erlangen zunehmend Bedeutung als Energiespeicher, insbesondere für Antriebssysteme von Fahrzeugen. Zur Ermittlung des Ladezustandes solcher Batteriesysteme und auch aus Sicherheitsgründen wird der Stromfluss in und aus der Batterie oder auch der Stromfluss der einzelnen Batteriezellen gemessen. Da ein defekter Stromsensor nicht nur die korrekte Funktion des Fahrzeugantriebes gefährdet, sondern auch ein Sicherheitsrisiko darstellt, muss dieser fortlaufend überwacht werden.
- Vielfach wird zur Strommessung ein Messwiderstand (Shunt) eingesetzt. Solche Shunt-Stromsensoren messen also einen Spannungsabfall, woraufhin mit Hilfe des ohmschen Gesetzes der durch den Shunt fließende Strom bestimmt werden kann. Da ein großer zusätzlicher Widerstand im Schaltkreis unerwünscht ist, wird der Widerstand des Shunts sehr viel kleiner als der des Verbrauchers gewählt. Durch den kleinen Widerstand fällt folglich die Spannung an diesem auch nur geringfügig ab. Mittels elektronischer Schaltungen wird dieser kleine Spannungsabfall verstärkt und ausgewertet. Um einen Defekt des Shunts oder der Messelektronik zu erkennen und darauf reagieren zu können, bedarf es durchdachter Überwachungsstrategien.
- Die ISO 26262 ist eine Ableitung der IEC 61508 an die spezifischen Gegebenheiten im Automobilbereich und schlägt zur Absicherung von Signalen, beispielsweise Messsignalen, mit einem hohen Diagnoseabdeckungsgrad drei Methoden vor (ISO 26262-5, Annex D). Einerseits wird ein Vergleich mit einem redundanten Wert vorgeschlagen, ebenso schlägt sie einen Vergleich mit einem plausibilisierten Wert vor. Ferner besteht die Möglichkeit einer Absicherung der Signalerfassung und -übertragung gemäß dem geforderten Automotive Safety Integrity Level (ASIL). Dieses stellt eine von ISO 26262 spezifizierte Sicherheitsanforderungsstufe für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen dar.
- Für Anwendungen, bei denen nur Shunt-Stromsensoren im Verbau (also bei einer Installation im Batteriepack) gestattet sind, beispielsweise aufgrund einer einzuhaltenden Genauigkeit, müssen für höhere Ströme mehrere Sensoren parallel geschaltet werden. Ferner ist zur Erreichung eines bestimmten ASIL ein gewisser Diagnoseabdeckungsgrad erforderlich.
- Um den geforderten Diagnoseabdeckungsgrad zu erreichen, besteht die Möglichkeit einer Reihenschaltung mehrerer Shunts. Dafür ist aber eine kostenintensive galvanische Trennung erforderlich. Zusätzlich wird durch die Reihenschaltung der Messbereich nicht erweitert.
- Offenbarung der Erfindung
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms in einer, eine Batterie umfassenden elektrischen Schaltung umfasst grundsätzlich folgende Schritte: Der Strom wird auf mindestens zwei parallele, stromleitende Pfade aufgeteilt. Die sich daraus ergebenden mindestens zwei Teilströme werden mit den Mitteln zur Strommessung gemessen, wobei für jeden der mindestens zwei parallelen, stromleitenden Pfade ein Mittel zur Strommessung vorgesehen ist. Der Strom kann des Weiteren durch Addieren aller Teilströme bestimmt werden. Kennzeichnend umfasst das Verfahren ferner das Überprüfen der Plausibilität der von den Mitteln zur Strommessung gemessenen und/oder der daraus ermittelten Werte.
- Prinzipiell kann der Strom auf beliebig viele parallel geschaltete Mittel zur Strommessung aufgeteilt werden. Eine Aufteilung auf mehr als zwei parallel geschaltete Mittel zur Strommessung ist beispielsweise bei sehr hohen erwarteten Stromstärken und begrenztem Messbereich der Mittel zur Strommessung zweckmäßig. Ebenso kann es aufgrund einer gewünschten Erhöhung der Diagnosesicherheit auch möglich sein, pro Pfad mehr als nur ein Mittel zur Strommessung vorzusehen.
- Mit den Mitteln zur Strommessung sind beispielsweise auch Mittel zur Messung eines Spannungsabfalls an einem Messwiderstand (Shunt) oder Mittel zur Messung einer anderen, in eine Stromstärke umrechenbaren Größe gemeint. Diese Größe kann beispielsweise der Stromstärke proportional oder auch indirekt proportional sein. Somit bezieht sich das Messen eines Stroms auch auf das Messen einer anderen Größe, die Aufschluss auf die Stromstärke geben kann.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Strommessung hat den Vorteil, dass durch die Überprüfung der Plausibilität und die Redundanz ein hoher Diagnoseabdeckungsgrad und ein hohes ASIL erreicht werden können. Ferner können auch bei einer bevorzugten Verwendung von Shunt-Stromsensoren im Verbau (also bei einer Installation im Batteriepack) hohe Ströme durch die Parallelschaltung gemessen werden.
- Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen Batterie. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ermittelten Werte mittels Bestimmen mindestens eines Verhältnisses der mindestens zwei gemessenen Teilströme gebildet werden. Durch Bestimmung dieses mindestens einen Verhältnisses erhält man eine leicht zu bestimmende Kontrollgröße, mit der die Funktionsfähigkeit der mindestens zwei Mittel zur Strommessung überwacht werden können.
- Gemäß einer ferner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren ferner ein zumindest temporäres Speichern der gemessenen und/oder daraus ermittelten Werte umfasst. Durch das Speichern der Werte kann zu einem späteren Zeitpunkt beim Ausführen des Verfahrens auf die gespeicherten Werte zugegriffen werden und auf Basis der gespeicherten Werte ein Überprüfen der Plausibilität der aktuellen Werte erfolgen. Die Speicherung der Werte kann entweder im Rahmen einer initialen Bedatung vor dem eigentlichen Betrieb erfolgen, oder auch fortlaufend während des Betriebs.
- In einer besonderen Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass das Überprüfen der Plausibilität mittels Vergleichen der aktuell gemessenen und/oder der daraus ermittelten Werte mit den zu Beginn der Lebenszeit gespeicherten Werten unter Berücksichtigung einer tolerierten Abweichung erfolgt. Beispielsweise wird nach der Montage eines elektrischen Antriebssystems eine Funktionsüberprüfung durchgeführt. Wenn alle Mittel zur Strommessung korrekt funktionieren, werden die damit gemessenen und/oder die aus den Messwerten ermittelten Werte gespeichert. Im laufenden Betrieb können die aktuell gemessenen und/oder die daraus ermittelten Werte mit den zu Beginn der Lebenszeit gemessenen und/oder den daraus ermittelten und gespeicherten Werten verglichen werden. Durch den Bezug auf die gespeicherten Werte zu Beginn der Lebenszeit des Batteriesystems kann leicht eine absolute oder auch eine relative Abweichung des aktuellen Zustandes vom Ausgangszustand festgestellt werden. Um eine unbedenkliche, beispielsweise durch Alterung der Komponenten hervorgerufene Abweichung zu berücksichtigen, kann eine tolerierte Abweichung festgelegt werden, innerhalb derer die Werte als gültig erachtet werden.
- Die tolerierte Abweichung kann entweder einen Absolutwert oder auch einen Relativwert bezogen auf die zu Beginn der Lebenszeit gespeicherten Werte darstellen.
- Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Überprüfen der Plausibilität mittels Vergleichen der aktuell gemessenen und/oder daraus ermittelten Werte mit kurz zuvor gemessenen und/oder daraus ermittelten und gespeicherten Werten unter Berücksichtigung einer tolerierten Abweichung erfolgt. Unter „kurz zuvor“ können bevorzugt ein oder wenige Messzyklen vor der aktuellen Messung verstanden werden. Ferner bevorzugt können darunter auch Messzyklen verstanden werden, die sich innerhalb einer gewissen kurzen Zeitspanne befinden, beispielsweise innerhalb einer Sekunde. Die aktuellen Messwerte werden mit diesen gespeicherten Werten verglichen, wodurch beispielsweise sprunghafte Änderung erkannt werden können. Eine Änderungsrate, die höher ist als eine bei korrekter Messung maximal erreichbare Änderungsrate, kann dadurch leicht erkannt werden.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Überprüfen der Plausibilität nicht nur zwei mögliche Ergebnisse liefert, wonach der gemessene und/oder der daraus ermittelte Wert als gültig oder ungültig eingestuft wird. Beispielsweise können entsprechend einem Degradationskonzept verschiedene Abstufungen von gültig bis ungültig generiert werden.
- Gemäß einer ferner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Vorhandensein von mehr als zwei Mitteln zur Strommessung das Überprüfen der Plausibilität mittels Mehrheitsentscheidung oder ähnlichen Verfahren durchgeführt wird.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren ferner das Ausführen einer Aktion bei bestandener und/oder nicht bestandener Plausibilitätsprüfung umfasst. Eine Aktion kann z. B. das Generieren eines Signals sein, woraus erkannt werden kann, ob der gemessene Strom gültig oder ungültig ist, bzw. die Mittel zur Strommessung wie vorgesehen funktionieren oder ein Störfall vorliegt.
- Des Weiteren wird eine elektrische Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung eines elektrischen Stroms zur Verfügung gestellt. Die Schaltung umfasst eine Batterie und mindestens zwei elektrisch leitend mit der Batterie verbundene, parallele Pfade, wobei an jedem Pfad ein Mittel zur Strommessung angeordnet ist.
- Gemäß einer ferner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Mittel zur Strommessung als Shunt-Stromsensoren ausgebildet sind, wodurch eine kostengünstige und ausreichend genaue Messung ermöglicht wird. Bevorzugt sind dafür an einem Shunt eine Verstärker- und Auswerteschaltung sowie ein Microcontroller nachgeschaltet.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltung eine Battery Control Unit (BCU) umfasst. Diese kann bevorzugt die Überprüfung der Plausibilität und das Ausführen der Aktion durchführen.
- Ferner wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches eine elektrische Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung eines elektrischen Stroms umfasst.
- Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches ein Batteriesystem mit einer elektrischen Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung eines elektrischen Stroms umfasst. Das Batteriesystem ist zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
- Zeichnungen
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Serienschaltung von Mitteln zur Strommessung (Stand der Technik), und -
2 eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung eines elektrischen Stroms. - Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt eine elektrische Schaltung1 mit einer Serienschaltung von Mitteln zur Strommessung3 gemäß dem Stand der Technik. Die Mittel zur Strommessung3 sind wie dargestellt als Shunt-Stromsensoren3 ausgeführt und umfassen die Shunts R1 und R2. Diese sind elektrisch leitend mit einer Batterie2 verbunden. Die Shunt-Stromsensoren3 umfassen neben den Shunts R1 und R2 zudem jeweils eine Verstärker- und Auswerteschaltung sowie einen Microcontroller7 und sind zur Messdatenübertragung mit einer Battery Control Unit (BCU) verbunden. Diese umfasst wiederum einen batterieseitigen Hochspannungskreis5 und einen Niederspannungskreis6 zur Datenübertragung. Ohne galvanische Trennung teilt sich der Strom auf die Pfade A und B auf, wodurch mit dem Shunt R1 lediglich der Strom B, nicht aber die eigentlich zu messende Summe der beiden Ströme A, B gemessen wird. -
2 zeigt eine elektrische Schaltung1 zur Durchführung des Verfahrens zur Messung eines elektrischen Stroms. Die in2 dargestellten zwei Mittel zur Strommessung3 können wie dargestellt als Shunt-Stromsensoren3 ausgeführt sein und umfassen jeweils einen Shunt R1, R2. Die Shunt-Stromsensoren3 umfassen neben den Shunts R1, R2 zudem bevorzugt jeweils eine Verstärker- und Auswerteschaltung sowie einen Microcontroller7 . Die Shunts R1 und R2 sind über beispielsweise zwei parallele Pfade4 parallel geschaltet und elektrisch leitend mit der Batterie2 verbunden. Ferner können die Shunt-Stromsensoren3 wie dargestellt mit einer Battery Control Unit (BCU) verbunden sein, welche einen batterieseitigen Hochspannungskreis5 und einen Niederspannungskreis zur Datenübertragung6 umfasst. Beispielsweise durch Leitungsverluste entstehen parasitäre Widerstände, symbolisch dargestellt als R1a, R1b, R2a und R2b. Dabei bezeichnet der parasitäre Widerstand R1b einen parasitären Widerstand im ersten der beiden parallelen Pfade4 . Er ergibt sich zwischen dem Punkt, in dem die Parallelschaltung der parallelen Pfade4 beginnt (vom positiven Pol kommend gesehen), bis hin zum Shunt R1. Der parasitäre Widerstand R1a bezeichnet ferner jenen parasitären Widerstand, der sich nach dem Shunt R1 ergibt (vom positiven Pol kommend gesehen), bis zu jenem Punkt, in dem sich die beiden durch die Shunts R1 und R2 fließenden Teilströme wieder zu einem Strom vereinigen. Analoge Überlegungen gelten für R2a und R2b. Durch die Parallelschaltung der Shunt-Stromsensoren3 bedarf es nun keiner galvanischen Trennung mehr. - Der Spannungsabfall an den beiden Shunts R1 und R2 ist gemäß dem ohmschen Gesetz proportional dem durch die Shunts R1 und R2 fließenden Strom, wodurch bei bekannter Größe der Shunts R1 und R2 die Teilströme bestimmbar sind. Der zu messende Strom kann ferner einfach durch Summenbildung der mit den beiden Shunt-Stromsensoren
3 gemessenen Teilströme bestimmt werden. Durch die Parallelschaltung der Shunt-Stromsensoren3 bedarf es im Gegensatz zu der in1 gezeigten Serienschaltung keiner galvanischen Trennung, um den Strom messen zu können. Zudem kann durch die parallele Anordnung bei gleichen Shunt-Stromsensoren3 ein doppelt so hoher Strom gemessen werden wie bei einer Serienschaltung. Durch die womöglich unterschiedlich großen parasitären Widerstände R1a, R1b, R2a und R2b, sowie durch eine Streuung der Shunts R1 und R2 wird durch beide parallelen Pfade4 nicht ein exakt gleich großer Teilstrom fließen. Die Größe des Teilstroms wird durch die Größe des Gesamtwiderstandes eines jeden parallelen Pfades4 bestimmt. Der Gesamtwiderstand des ersten parallelen Pfades4 ermittelt sich zu R1ges = R1 + R1a + R1b, analog dazu ermittelt sich der Gesamtwiderstand des zweiten parallelen Pfades4 zu R2ges = R2 + R2a + R2b. Das Verhältnis der Teilströme der beiden parallelen Pfade4 ist naturgemäß indirekt proportional dem Verhältnis der Gesamtwiderstände der beiden parallelen Pfade4 . Wenn beispielsweise der Gesamtwiderstand des ersten Pfades R1ges doppelt so groß ist wie der Gesamtwiderstand des zweiten Pfades R2ges, fließt durch den Shunt R1 die Hälfte jenes Stromes, der durch den Shunt R2 fließt. Geht man von gleich großen parasitären Widerständen R1a, R1b, R2a und R2b in beiden parallelen Pfaden aus (R1a + R1b = R2a + R2b), wird eine unterschiedliche Größe der Teilströme rein durch die Streuung der Shunts R1 und R2 bewirkt. Beispielsweise fließen durch den ersten Pfad 52,5 % und durch den zweiten Pfad 47,5 % des gesamten zu messenden Stroms. Treten jedoch Unterschiede bei den parasitären Widerständen R1a, R1b, R2a und R2b auf, kann sich dieses Ungleichgewicht weiter vergrößern. - Um eine Überwachung im laufenden Betrieb zu ermöglichen, können beispielsweise zu Beginn der Lebenszeit die gemessenen und/oder die daraus ermittelten Werte gespeichert werden. Beispielsweise kann zu Beginn der Lebenszeit des Batteriesystems das Verhältnis der Teilströme bestimmt und gespeichert werden. Im Betrieb wird dann das aktuelle Verhältnis der Teilströme mit dem gespeicherten Verhältnis der Teilströme verglichen. Da es durch Alterung zu einer gewissen Abweichung über die Lebenszeit kommen kann, sollte zur Überprüfung der Plausibilität eine ausreichend bemessene Toleranz vorgesehen werden. Sollte das Verhältnis jedoch einen tolerierten Grenzwert überschreiten, deutet dies auf ein Problem des Stromsensors oder dessen Kontaktierung hin. Demzufolge wird bei der Überprüfung der Plausibilität der Strommesswert als ungültig eingestuft.
- Ebenso denkbar ist ein Vergleich von aktuellen gemessenen und/oder daraus ermittelten Werten mit kurz zuvor gemessenen und/oder daraus ermittelten Werten. Ist beispielsweise der absolute oder relative Unterschied zwischen dem aktuellen Verhältnis der beiden Ströme bezogen auf das Verhältnis der im Messzyklus zuvor gemessenen Ströme zu groß, wird der Strommesswert als ungültig eingestuft.
- Mittels eines Degradationskonzeptes können ferner verschiedene Abstufungen von gültig bis ungültig generiert werden.
- Zudem ist das Verfahren auf beliebig viele parallel geschaltete Stromsensoren erweiterbar, wodurch sich weitere Möglichkeiten der Plausibilisierung wie beispielsweise Mehrheitsentscheidungen ergeben.
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- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 26262 [0005]
- IEC 61508 [0005]
- ISO 26262-5, Annex D [0005]
- ISO 26262 [0005]
Claims (11)
- Verfahren zur Messung elektrischen Stroms in einer elektrischen Schaltung (
1 ) mit einer Batterie (2 ), umfassend die folgenden Schritte: Aufteilen des Stroms auf mindestens zwei parallel angeordnete Pfade (4 ), Messen der Teilströme mit einem Mittel zur Strommessung (3 ) pro Pfad und Bestimmen des Stroms durch Addieren aller gemessenen Teilströme, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst: Überprüfen der Plausibilität der von den Mitteln zur Strommessung (3 ) gemessenen und/oder daraus ermittelten Werte. - Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms nach Anspruch 1, wobei die ermittelten Werte mittels Bestimmen mindestens eines Verhältnisses der mindestens zwei gemessenen Teilströme gebildet werden.
- Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfasst: zumindest temporäres Speichern der gemessenen und/oder der daraus ermittelten Werte.
- Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms nach Anspruch 3, wobei das Überprüfen der Plausibilität mittels Vergleichen der aktuell gemessenen und/oder der daraus ermittelten Werte mit zu Beginn der Lebenszeit gemessenen und/oder der daraus ermittelten und gespeicherten Werten unter Berücksichtigung einer tolerierten Abweichung erfolgt.
- Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms nach Anspruch 3, wobei das Überprüfen der Plausibilität mittels Vergleichen der aktuell gemessenen und/oder daraus ermittelten Werte mit kurz zuvor gemessenen und/oder daraus ermittelten und gespeicherten Werten unter Berücksichtigung einer tolerierten Abweichung erfolgt.
- Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfasst: Ausführen einer Aktion bei bestandener und/oder nicht bestandener Plausibilitätsprüfung
- Elektrische Schaltung (
1 ) zur Durchführung des Verfahrens zur Messung eines elektrischen Stroms nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend eine Batterie (2 ) und mindestens zwei elektrisch leitend mit der Batterie (2 ) verbundene, parallele Pfade, wobei an jedem Pfad ein Mittel zur Strommessung (3 ) angeordnet ist. - Elektrische Schaltung (
1 ) nach Anspruch 7, wobei die mindestens zwei Mittel zur Strommessung (3 ) als Shunt-Stromsensoren (3 ) ausgebildet sind. - Elektrische Schaltung (
1 ) nach Anspruch 7, wobei die Schaltung eine Battery Control Unit (BCU) umfasst, welche die Überprüfung der Plausibilität und das Ausführen der Aktion durchführt. - Batteriesystem, umfassend eine elektrische Schaltung (
1 ) zur Durchführung des Verfahrens zur Messung eines elektrischen Stroms nach einem der Ansprüche 7 bis 9. - Kraftfahrzeug, umfassend ein Batteriesystem nach Anspruch 10, wobei das Batteriesystem zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeugs vorgesehen ist.
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