DE102011088943A1

DE102011088943A1 - Messen der Summe quadrierter Ströme

Info

Publication number: DE102011088943A1
Application number: DE201110088943
Authority: DE
Inventors: Eivind Holsen
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-06-28
Also published as: CN102608402A; US20120166506A1; US8843538B2; TW201237429A

Abstract

Ein Modulator kann dazu eingerichtet sein, eine Änetektieren und ein überabgetastetes, rauschgeformtes Signal zu erzeugen. Ein erster Dezimierungsfilter ist mit dem Modulator gekoppelt und dazu eingerichtet, instantane Stromdaten mit einer ersten Datnen in eine Multiplizierschaltung eingespeist werden. Der Ausgang der Multiplizierschaltung (die quadrierten instantanen Stromdaten) kann in einen zweiten Dezimierungsfilter eingespeist werden. Der zweite Dezimierungsfilter kann dazu eingerichtet sein, eine Summe der quadrierten Stromdaten mit einerrierten Stromdaten kann durch eine Anwendung (z. B. eine Batterieverwaltung) verwendet werden, um Leistungsmessungen durchzuführen, oder für andere Zwecke verwendet werden.

Description

Technischer Bereich
Der vorliegende Gegenstand bezieht sich auf Elektronik und insbesondere auf Strommesssysteme.
Hintergrund
Ein Batteriemanagementsystem kann ein oder mehr integrierte Schaltungen beinhalten, die eine wiederaufladbare Batterie (z. B. eine Zelle oder ein Batteriepack) verwalten, indem sie ihren Zustand überwachen. Manche Batteriemanagementsysteme überwachen wiederaufladbare Batteriepacks. Eine integrierte Schaltung in dem Batteriepack überwacht die Batterie und liefert Informationen an einen Systemmanagementbus. Diese Informationen können unter anderem enthalten: die Batterieart, die Modellnummer, den Hersteller, die Eigenschaften, die Entladerate, die vorhergesagte verbleibende Kapazität und andere Informationen, die verwendet werden können, um den Zustand der Batterie zu bestimmen.
Manche Anwendungen überwachen den Ladezustand (engl.: State of Charge, SOC) der Batterie oder der einzelnen Zellen in einer Batteriekette. Dies kann einfach geschehen, um den Benutzer eine Angabe über die in der Batterie verbleibende Kapazität zu geben, oder kann in einer Steuerschaltung erforderlich sein, um eine optimale Steuerung des Ladeprozesses sicherzustellen. Der Gesundheitszustand (engl.: State of Health, SOH) ist ein Maß für die Fähigkeit der Batterie, ihre spezifizierten Leistungswerte zu liefern. Dies kann lebensnotwendig sein, um die Bereitschaft einer Notstromversorgung beurteilen zu können, und kann ein Indikator dafür sein, ob Wartungsmaßnahmen erforderlich sind.
Zusammenfassung
Ein Modulator kann dazu eingerichtet sein, eine Änderung in einem Stromfluss in einer Schaltung zu detektieren und ein überabgetastetes, rauschgeformtes Signal zu erzeugen. Ein erster Dezimierungsfilter ist an den Modulator gekoppelt und dazu eingerichtet, instantane Stromdaten mit einer ersten Datenrate zu erzeugen. Die instantanen Stromdaten können in eine Multiplizierschaltung eingespeist werden. Der Ausgang der Multiplizierschaltung (die quadratierten instantenen Stromdaten) können in einen zweiten Dezimierungsfilter eingespeist werden. Der zweite Dezimierungsfilter kann dazu eingerichtet sein, eine Summe der quadrierten Stromdaten mit einer zweiten Datenrate zu erzeugen. Die Summe der quadrierten Stromdaten kann durch eine Anwendung verwendet werden (z. B. eine Batterieverwaltung), um Leistungsmessungen zu berechnen, oder für andere Zwecke verwendet werden.
Konkrete Implementierungen der Erfindung können implementiert werden, um einen oder mehrere der folgenden Vorteile zu erzielen: 1.) eine kosteneffiziente Lösung zur Messung und Berechnung einer Summe von quadrierten Strömen, wenn der Strom selbst gemessen wird und die Summe berechnet wird, 2.) eine kosteneffiziente Lösung, die bestehende ADC-Schaltungen zur Erzeugung der Summe der quadrierten Ströme auf einem einzigen integrierten Schaltungschip wiederverwendet, und 3.) reduzierte physikalische Ausmaße.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Strommesssystems.
2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften digitalen Multiplizierers.
3 ist ein Flussdiagramm für einen beispielhaften Prozess zur Berechnung einer Summe von quadrierten Stromdaten.
Detaillierte Beschreibung
Systemüberblick
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Strommesssystems 100. In manchen Implementierungen kann das System 100 einen Modulator 102, Dezimierungsfilterstufen 104, 106, 108 und Multiplizierer 110 beinhalten. Die Dezimierungsfilterstufen 104, 106, 108 können digitale Tiefpassfilter 112, 114 bzw. 116 enthalten. In manchen Implementierungen kann die Strommessschaltung ein Teil eines Strom erfassenden Analogdigitalwandlers (englisch: current sensing analog-to-digital converter (CS-ADC) sein, wie dies in US-Patent Nr. 7,113,122 beschrieben wird, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit aufgenommen wird. Der CS-ADC kann Bestandteil einer Vielzahl von Vorrichtungen sein, wie z. B. einem Mikrokontroller, einem digitalen Signalprozessor (DSP), einer Digitalkamera, einem PDA, oder dergleichen.
In einer CS-ADC-Implementierung kann eine Abtastschaltung (z. B. ein mit einem Abtastkondensator gekoppelter Schalter), den Lade- oder den Entladestrom abtasten, der durch einen externen oder einen internen Messwiderstand fließt. Der Abtastwert kann durch einen Modulator 102 verarbeitet werden (z. B. einen 1-bit Delta-Sigma-Modulator), der ein überabgetastetes, rauschgeformtes Signal erzeugt (der größte Teil der Rauschenergie liegt in den hohen Signalen). Die Dezimierungsfilterstufe 104 kann mit dem Modulator 102 gekoppelt sein und dazu eingerichtet sein, dass Außerbandrauschen aus dem Signal zu entfernen und die Datenrate des Signals zu reduzieren, um ein hochaufgelöstes Signal zu erzeugen. Der Ausgang der Dezimierungsfilterstufe 104 liefert instantane Stromdaten (f_ic) mit einer Auflösung und einer Wandlungszeit, die für instantane Strommessungen geeignet ist.
Die Dezimierungsfilterstufe 106 ist mit der Dezimierungsfilterstufe 104 gekoppelt. Der Ausgang der Dezimierungsfilterstufe 106 liefert akkumulierte Stromdaten (f_ac) mit einer Auflösung und einer Wandlerzeit, die für Ladungsstromakkumulierungsmessungen geeignet ist. In manchen Implementierungen haben die instantanen Stromdaten eine kurze Wandelzeit, die mit einer geringen Auflösung erkauft wird. Die akkumulierten Stromdaten liefern eine hochgradig genaue Strommessung für das Coulomb-Zählen. Die Wandelzeit der akkumulierten Stromdaten kann eingestellt werden, um die Genauigkeit gegen die Wandelzeit abzuwägen.
In manchen Implementierungen kann ein digitaler Tief passfilter 112 in der Dezimierungsfilterstufe 104 ein sinc-Filter dritter Ordnung sein, der einen Datenausgang mit einer Datenrate hat, die um ein vorbestimmtes Dezimierungsverhältnis D1 (z. B. 128) reduziert ist. Wenn D1 zum Beispiel 8:1 ist, und auf dem 1-Bit-Eingangsstrom 10010110 arbeitet, so ist das Dezimierungsergebnis 4/8 = 0,5 = 100b (binär). Dies reduziert die Abtastfrequenz (f_s) um einen Faktor 8. Der serielle (1-Bit) Eingangsbus kann ein paralleler (3-Bit) Ausgangsbus werden.
Der digitale Tiefpassfilter 114 in der Dezimierungsfilterstufe 106 kann ein Sinc-Filter erster Ordnung sein, der einen Datenausgang mit einer Datenrate hat, die um ein konfigurierbares Dezimierungsverhältnis D2 (z. B. 32, 64, 128, 256) reduziert ist. Die Dezimierungsfilterstufen 104, 106 können unter Verwendung einer kaskadierten Integrator-Differenziator-Filterstruktur (engl.: cascaded integrator-comb combination, CIC) implementiert sein, wobei die Daten akkumuliert, dezimiert und differenziert werden. In manchen Implementierungen können Berechnungen mit Hilfe einer Sättigungsarithmetik durchgeführt werden. In manchen Implementierungen sind die Filter 112, 114 Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR) und linearer Phase. Geeignete CIC-Strukturen werden in dem US-Patent Nr. 7,113,122 beschrieben.
In manchen Implementierungen werden die instantanen Stromdaten an einem Multiplizierer 110 eingegeben. Der Multiplizierer 110 multipliziert jeden instantanen Stromdatenwert mit sich selbst, um das Quadrat der instantanen Stromdaten (f_ic ²) zu erzeugen. Das Quadrat er instantanen Stromdaten wird an der Dezimierungsfilterstufe 108 eingegeben. Die Dezimierungsfilterstufe 108 erzeugt eine Summe (einen Mittelwert) der quadrierten Daten (Σf_ic ²).
Der digitale Tiefpassfilter 116 in der Dezimierungsfilterstufe 108 kann ein Sinc-Filter erster Stufe sein, der einen Datenausgang mit einer Datenrate hat, die um ein konfigurierbares Dezimierungsverhältnis D3 reduziert ist. Die Dezimierungsfilterstufe 108 kann die gleiche interne Struktur haben, wie die Dezimierungsfilterstufe 106 (z. B. eine CIC-Struktur). In manchen Implementierungen kann die Dezimierungsfilterstufe 108 weggelassen werden und die Schaltung der Dezimierungsfilterstufe 106 kann verwendet werden, um die Summe (den Mittelwert) der quadrierten Stromdaten zu erzeugen.
Die Ausgänge der Dezimierungsfilterstufen 104, 106 und 108 können mit Datenregistern zur Speicherung instantaner Stromdaten, akkumulierter Stromdaten bzw. der akkumulierten quadrierten Stromdaten verbunden sein. Zusätzlich kann ein Datenregister mit dem Ausgang des Multiplizierers 110 gekoppelt sein, um die quadrierten instantanen Stromdaten zu speichern. Die Datenregister können durch eine Firmware gelesen werden, die durch eine Steuereinheit oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) ausgeführt wird, und so den Anwendungen zur Verfügung gestellt werden.
Beispielhafte digitale Multiplizierschaltung
2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften digitalen Multiplizierers. Der gezeigte digitale Multiplizierer ist ein skalierender Akkumulatormultiplizierer 200. Der skalierende Akkumulatormultiplizierer 200 führt Multiplikationen unter Verwendung einer iterativen Schiebe- und Addierroutine aus. Ein Eingang (z. B. ein Abtastwert des instantanen Stroms) wird in bitparalleler Form zur Verfügung gestellt, während der andere Eingang (z. B. der gleiche Abtastwert des instantanen Stroms) in bitserieller Form vorliegt. Jedes Bit der seriellen Eingabe multipliziert die parallele Eingabe mit entweder 0 oder 1. Die parallele Eingabe wird konstant gehalten, während jedes Bit der seriellen Eingabe angelegt wird. Man beachte, dass der Einbitmultiplikationsprozess entweder die parallele Eingabe unverändert durchreicht oder durch Null ersetzt. Das Ergebnis für jedes Bit wird zu einer akkumulierten Summe dazuaddiert. Diese Summe wird um ein Bit geschoben, bevor das Ergebnis der nächsten Bitmultiplikation dazu addiert wird.
Andere Multiplizierer können in dem System 100 ebenfalls verwendet werden, wie z. B.: Seriell-Parallel-Booth-Multiplizierer, Ripple-Carry-Array-Multiplizierer, Row-Adder-Tree-Multiplizierer, Carry-Saue-Array-Multiplizierer, Look-up-Tabellen (LUT) Multiplizierer, Teilprodukt-LUT-Multiplizierer, berechnete Partialproduktmultiplizierer, konstante Multiplizierer aus Addierern, Konstantkoeffizientenmultiplizierer (KCM), LUT-Multiplizierer mit begrenzten Mengen, Wallace Trees oder jede andere Art bekannter digitaler Multiplizierer.
Beispielhafter Prozess
3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses 300 zur Berechnung einer Summe (eines Mittelwerts) von quadrierten Stromdaten. Der Prozess 300 kann durch ein System 100 implementiert werden.
In manchen Implementierungen kann der Prozess 300 mit der Erzeugung eines überabgetasteten Signals beginnen (302). Z. B. kann ein Delta-Sigma-Modulator verwendet werden, um ein überabgetastetes, rauschgeformtes Signal aus einem Strom zu erzeugen, der durch einen Messwiderstand eines CS-ADC oder eines anderen Strommessgeräts oder Systems fließt.
Der Prozess 300 dezimiert das überabgetastete Signal, um hochaufgelöste, instantane Stromdaten zu erzeugen (304). Die instantanen Stromdaten können in einem ersten Register gespeichert werden, auf das eine Firmware zugreifen kann. Der Schritt 304 kann durch einen sinc-Filter dritter Ordnung implementiert werden, der dazu eingerichtet ist, die Datenrate der hochaufgelösten instantanen Stromdaten gemäß einem vorbestimmten oder konfigurierbaren Dezimierungsverhältnis zu reduzieren.
Der Prozess 300 multipliziert die instantanen Stromdaten mit sich selbst, um quadrierte Stromdaten zu erzeugen (306). Die quadrierten Stromdaten können in einem zweiten Datenregister gespeichert werden, auf das durch eine Firmware zugegriffen werden kann. Der Schritt 306 kann durch eine digitale Multiplizierschaltung, wie z. B. die im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Schaltungen, implementiert werden.
Der Prozess 300 dezimiert die quadrierten Stromdaten, um eine Summe (einen Mittelwert) der quadrierten Stromdaten zur Verfügung zu stellen (308). Die Summe der quadrierten Stromdaten kann in einem dritten Datenregister gespeichert werden, auf das über eine Firmware zugegriffen werden kann. Der Schritt 308 kann durch einen sinc-Filter dritter Ordnung implementiert werden, der dazu eingerichtet ist, die Datenrate der Summe der quadrierten Stromdaten gemäß einem vorbestimmten oder konfigurierbaren Dezimierungsverhältnis zu reduzieren.
Obgleich dieses Dokument zahlreiche spezifische Implementierungseinzelheiten enthält, sollten diese nicht als Beschränkung des Schutzumfangs ausgelegt werden, sondern als Beschreibung von Merkmalen, die konkreten Ausführungsformen zu Eigen sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Beschreibung im Zusammenhang mit getrennten Ausführungsformen beschrieben wurden, können auch in Kombination miteinander in einer Ausführungsform implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzelnen Ausführungsform beschrieben wurden, in mehreren Ausführungsformen getrennt voneinander oder in jeder geeigneten Unterkombination miteinander implementiert werden. Obgleich manche Merkmale obenstehend als in einer bestimmten Kombination zusammenwirkend beschrieben wurden und sogar anfänglich als solche beansprucht wurden, können ein oder mehrere Merkmale aus der beanspruchten Kombination in manchen Fällen herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder eine Variation einer derartigen Unterkombination gerichtet werden.
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

US 7113122 [0009, 0013]

Claims

Schaltung umfassend: einen Modulator, der dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss überabzutasten; eine erste Dezimierungsfilterstufe, die mit dem Modulator gekoppelt ist, und dazu eingerichtet ist, das überabgetastete Signal zu dezimieren, um instantane Stromdaten zu erzeugen; einen digitalen Multiplizierer, der mit der ersten Dezimierungsfilterstufe gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, quadrierte Stromdaten aus den instantanen Stromdaten zu erzeugen; und eine zweite Dezimierungsfilterstufe, die mit dem digitalen Multiplizierer gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, die quadrierten Stromdaten zu dezimieren, um eine Summe der quadrierten Stromdaten zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: ein oder mehrere Datenregister zur Speicherung von einem oder mehreren Messwertender instantanen Stromdaten, der quadrierter Stromdaten oder der Summe der quadrierten Stromdaten.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Dezimierungsfilter dazu eingerichtet ist, das überabgetastete Signal gemäß einem ersten Dezimierungsverhältnis zu dezimieren, und der zweite Dezimierungsfilter dazu eingerichtet ist, die quadrierten Stromdaten gemäß einem zweiten Dezimierungsverhältnis zu dezimieren.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Dezimierungsfilter einen Sinc-Filter dritter Ordnung enthält und der zweite Dezimierungsfilter einen Sinc-Filter erster Ordnung enthält.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Modulator ein Delta-Sigma-Modulator ist.
Schaltung umfassend: einen Modulator, der dazu eingerichtet ist, eine Änderung in einem Strom zu detektieren und ein überabgetastetes Signal zu erzeugen; einen ersten Dezimierungsfilter, der mit dem Modulator gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, Außerbandrauschen aus dem Signal zu entfernen und eine Datenrate des Signals zu reduzieren, um instantane Stromdaten zu erzeugen; einen Multiplizierer, der mit der ersten Dezimierungsfilterstufe gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, quadrierte Stromdaten aus den instantanen Stromdaten zu erzeugen; und einen zweiter Dezimierungsfilter, der mit dem Multiplizierer gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, eine Datenrate der quadrierten Stromdaten zu reduzieren und eine Summe der quadrierten Stromdaten zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend: einen dritten Dezimierungsfilter, der mit dem Ausgang des ersten Dezimierungsfilters gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, eine Datenrate des hoch aufgelösten Signals zu reduzieren und akkumulierte Stromdaten für eine Ladungsflussakkumulation zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Schaltung in einem Strommess-Analog-Digitalwandler (CS-ADC) enthalten ist.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei der CS-ADC in einem Mikrokontroller enthalten ist.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei zumindest der erste, der zweite oder der dritte Dezimierungsfilter in einer kaskadierten Integrator-Differenziator-Filterstruktur (CIC) implementiert ist.
Schaltung nach Anspruch 10, wobei der Dezimierungsfilter ein sinc-Filter dritter Ordnung ist und der zweite Dezimierungsfilter und der dritte Dezimierungsfilter sinc-Filter erster Ordnung sind.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei der Modulator ein Delta-Sigma-Modulator ist.
Verfahren umfassend die Schritte: Überabtasten eines Stromflusses, um ein überabgetastetes Signal zu erzeugen; Dezimieren des überabgetasteten Signals, um instantane Stromdaten zu erzeugen; Erzeugen quadrierter Stromdaten aus den instantanen Stromdaten; und Dezimieren der quadrierten Stromdaten, um eine Summe der quadrierten Stromdaten zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend: Speichern von einem oder mehreren Messwerten der instantanen Stromdaten, der quadrierten Stromdaten oder der Summe der quadrierten Stromdaten in einem oder mehreren Registern, auf die durch eine Firmware zugegriffen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend: Dezimieren des überabgetasteten Signals gemäß einem ersten Dezimierungsverhältnis; und Dezimieren der quadrierten Stromdaten gemäß einem zweiten Dezimierungsverhältnis.