DE102012205154A1 - Einrichtung zum Messen einer Versorgungsspannung in Elektrofahrzeugen - Google Patents

Einrichtung zum Messen einer Versorgungsspannung in Elektrofahrzeugen Download PDF

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Abstract

Sensoranordnung zum Messen einer elektrischen Spannung (UKlemm), wobei der Potentialpunkt (1), an welchem die elektrische Spannung relativ zu einem definierten elektrischen Potential, insbesondere relativ zur Masse, gemessen werden soll mit einem Kondensator (2) verbunden ist, an welchen eine Komparatoreinheit (3) angeschlossen ist, die erfasst, ob eine erste definierte Schwellspannung (URef) an dem Kondensator (2) anliegt, wobei die Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass sie ein Ausgangssignal bereitstellt, das abhängig von wenigstens einem Aufladevorgang des Kondensators (2) ist und zumindest die Information der Ladezeit zum Aufladen des Kondensators bis zur ersten definierten Schwellspannung umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Messen einer elektrischen Spannung sowie die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
  • Bei batteriebetriebenen Fahrzeugen ist es wichtig den Zustand der Batterie zu kennen. Hierzu zählt auch eine Messung der Versorgungs- bzw. Klemmenspannung.
  • Die Spannungsmessung erfolgt über einen ohmschen Spannungsteiler mit nachgeschaltetem A/D Wandler. Die Herausforderung liegt in der Anforderung, dass im abgeschalteten Zustand die Batterie mit einem Strom von > 10µA belastet wird. Dies wird u.a. durch in Reihe schalten eines Opto-MOSFET gelöst, der den Spannungsteiler von der Batterie trennt. Außerdem erhöht sich das Spannungsteilerverhältnis mit zunehmender Batteriespannung, d.h. bei Hochvolt muss das Spannungsteilerverhältnis extrem hoch sein, beispielsweise 1000 zu 1. Dafür werden viele hochohmige Widerstände in Reihe geschaltet, was teuer ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sensoranordnung zum Messen elektrischer Spannungen vorzuschlagen, die kostengünstig ist und insbesondere dennoch den Anforderungen aus dem Automotivebereich genügt
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1.
  • Die Sensoranordnung ist insbesondere auch zum Messen relativ großer Spannungen geeignet, ohne dass ein kaskadierter Spannungsteiler zum Erreichen hoher Widerstände verwendet werden muss, der teuer ist.
  • Unter einem Kondensator wird vorzugsweise ein vornehmlich kapazitives Element verstanden.
  • Die Sensoranordnung ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie die Information der zu messenden Spannung in ein frequenzcodiertes oder pulsbreitencodiertes Ausgangssignal wandelt.
  • Die Sensoranordnung weist vorzugsweise eine Zeitmesseinheit auf oder ist mit einer externen Zeitmesseinheit verbunden, mit welcher die Zeit zum Aufladen des Kondensators gemessen wird.
  • Die zu messende elektrische Spannung ist vorzugsweise die Klemmenspannung einer Spannungsquelle, die an die Sensoranordnung angeschlossen ist.
  • Die an die Sensoranordnung angeschlossene Spannungsquelle weist bevorzugt eine Klemmenspannung von mindestens 100V auf, insbesondere 1000V oder mehr.
  • Die Sensoranordnung weist vorzugsweise ein Abschaltelement auf, das so ausgebildet und angeschlossen ist, dass es den Kondensator von dem Potentialpunkt der zu messenden elektrischen Spannung trennen kann, wobei dieses Abschaltelement insbesondere als Transistor ausgebildet ist, besonders bevorzugt als Feldeffekttransistor, beispielsweise als MOS-FET. Die Sensoranordnung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine 2-draht-Schnittstelle aufweist, insbesondere eine PSI5-Schnittstelle. Besonders bevorzugt ist die Sensoranordnung so ausgebildet und angeschlossen, dass sie über die 2-draht-Schnittstelle zumindest mit elektrischer Energie versorgt wird und das Ausgangssignal überträgt.
  • Es ist bevorzugt, dass die Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass die zu messende Spannung den Kondensator über einen zwischengeschalteten Ladewiderstand auflädt und der Kondensator anschließend entladen wird, wobei das Ausgangssignal der Sensoranordnung zumindest die Information enthält, in welcher Aufladezeit der Kondensator bis zur ersten definierten Schwellspannung, die von der Komparatoreinheit erfasst wird, aufgeladen wird.
  • Es ist zweckmäßig, dass die Komparatoreinheit als monostabile Kippstufe ausgebildet ist, die insbesondere triggerbar ausgebildet ist, besonders bevorzugt zur Initialisierung bzw. zum Start eines Messvorgangs.
  • Es ist bevorzugt, dass das Abschaltelement so ausgebildet und verschaltet ist, dass an seinem Steuereingang bzw. Schalteingang bzw. Gate-/Basisanschluss eine zweite Bezugsspannung anliegt und der Fußpunkt bzw. Source-/Emitteranschluss des Abschaltelements mit dem Kondensator verbunden ist und sich im Zuge eines Aufladevorgangs des Kondensators das elektrische Potential am Fußpunkt der zweiten Bezugsspannung annähert und/bis dass dann das Abschaltelement den Kondensator von dem Potentialpunkt der zu messenden elektrischen Spannung trennt.
  • Die Sensoranordnung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die zu messende Spannung über wenigstens einen zwischengeschalteten Ladewiderstand an den Kollektoranschluss oder Drainanschluss des als Transistor ausgebildeten Abschaltelements angelegt ist, wobei an den Basisanschluss oder Gateanschluss des Abschaltelements eine zweite Bezugsspannung angelegt ist, welche insbesondere höher ist, als die erste definierte Schwellspannung, wobei an den Emitteranschluss oder Sourceanschluss des Abschaltelements der Kondensator angeschlossen ist und parallel zum Kondensator ein Schalter angeschlossen ist, welcher so eingerichtet ist, dass er eine Beschaltung herbeiführen kann, welche zu einer Entladung des Kondensators führt, und wobei am Emitteranschluss oder Sourceanschluss des Abschaltelements zusätzlich die Komparatoreinheit angeschlossen ist, welche so eingerichtet ist, dass sie die Spannung am Kondensator erfasst und mit der ersten Schwellspannung vergleicht, und im Fall, dass die erste Schwellspannung am Kondensator anliegt, den Schalter betätigt, so dass der Kondensator entladen wird oder werden kann.
  • Es ist bevorzugt, dass die Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass sie freilaufend Messungen nacheinander durchführen kann und dazu die Komparatoreinheit eine feste Hysterese aufweist und freilaufend ausgebildet ist.
  • Es ist zweckmäßig, dass die Komparatoreinheit so ausgebildet ist, dass sie an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist, wobei im Fall, dass diese Versorgungsspannung nicht verfügbar ist, die Sensoranordnung und die Komparatoreinheit so ausgebildet sind, dass der Schalter einen Schaltzustand einnimmt, in welchem der Kondensator aufgeladen werden kann oder nicht entladen wird und dass das Abschaltelement dabei einen Zustand einnimmt, dass es die zu messende Spannung vom Kondensator trennt.
  • Es ist zweckmäßig, dass die Sensoranordnung selbst eine Rechnereinheit aufweist oder mit einer Rechnereinheit verbunden ist, in welcher aus der von der Zeitmesseinheit erfassten Aufladezeit die Höhe der zu messenden Spannung berechnet wird.
  • Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Ladewiderstand und der Kondensator im Wesentlichen gleiche Temperaturkoeffizienten und/oder eine im Wesentlichen gleiche Temperaturanhängigkeit aufweisen, zumindest innerhalb eines definierten Temperaturintervalls.
  • Es ist bevorzugt, dass die Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass sie ein Ausgangssignal bereitstellt das jede Spannungsmessung durch einen Impuls codiert, dessen Pulsbreite abhängig ist von der Aufladezeit des Kondensators, insbesondere wobei die Flanken eines Pulses durch die Zeitpunkte eines Triggersignals der Komparatoreinheit zum Start der Spannungsmessung und dem Erreichen der Spannung am Kondensator entsprechend der ersten Schwellspannung definiert werden und/oder durch den zeitlichen Abstand dieser Zeitpunkte.
  • Die Spannungsmessung in der Messeinrichtung erfolgt vorzugsweise nicht mehr über einen ohmschen Spannungsteiler, der bei abgeschalteter Versorgungsspannung von der Batterie isoliert werden muss, sondern über eine Spannungs-Frequenz- oder Pulsweitenwandlerschaltung, die bei fehlender Versorgungsspannung sich selbst von der Spannungsquelle bzw. Batterie isoliert. Die Spannungsinformation liegt in der Frequenz, die man mit einem µC sehr genau messen kann. Es entfällt weiterhin die Notwendigkeit eines zweiten A/D-Wandler Kanals. Außerdem ist es möglich, die Frequenzinformation dynamisch, galvanisch getrennt von der Hochvoltbatterie an den Niederspannungskreis zu übertragen.
  • Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung, wobei die am Potentialpunkt 1 relativ zur Masse anliegende Spannung, als Klemmenspannung UKlemm der Spannungsquelle 6, gemessen wird. Die zu messende Spannung ist über wenigstens einen zwischengeschalteten Ladewiderstand 7 an den Kollektoranschluss oder Drainanschluss des als MOSFET-Transistor ausgebildeten Abschaltelements 4 angelegt ist, wobei an den Basisanschluss oder Gateanschluss des Abschaltelements eine zweite Bezugsspannung U2 angelegt ist, welche insbesondere höher ist, als die erste definierte Schwellspannung URef, wobei an den Emitteranschluss oder Sourceanschluss des Abschaltelements 4 der Kondensator 2 angeschlossen ist und parallel zum Kondensator ein Schalter 8 angeschlossen ist, welcher so eingerichtet ist, dass er eine Beschaltung herbeiführen kann, welche zu einer Entladung des Kondensators führt. Die Entladung des Kondensators 2 wird durch Komparatoreinheit 3 veranlasst. Am Emitteranschluss oder Sourceanschluss des Abschaltelements 4 ist zusätzlich die Komparatoreinheit 3 angeschlossen ist, welche so eingerichtet ist, dass sie die Spannung am Kondensator 2 erfasst und mit der ersten Schwellspannung URef vergleicht, und im Fall, dass die erste Schwellspannung am Kondensator anliegt, den Schalter betätigt, so dass der Kondensator entladen wird.
  • Die Komparatoreinheit 3 ist beispielhaft als monostabile Kippstufe ausgebildet, die triggerbar ist, über den Eingang Trigger zum Starten eines Messvorgangs.
  • Die Komparatoreinheit 3 ist so ausgebildet, dass sie an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist, wobei im Fall, dass diese Versorgungsspannung, beispielsweise bei „Zündung aus“ in einem Kraftfahrzeug nicht verfügbar ist, sind die Sensoranordnung und die Komparatoreinheit so ausgebildet, dass der Schalter 8 einen Schaltzustand einnimmt, in welchem der Kondensator 2 aufgeladen werden kann bzw. nicht entladen wird, also offen ist, und dass das Abschaltelement 4 dabei einen Zustand einnimmt, dass es die zu messende Spannung vom Kondensator trennt. Dies wird erreicht, indem das Abschaltelement 4 so ausgebildet und verschaltet ist, dass an seinem Steuereingang bzw. Schalteingang bzw. Gate-/Basisanschluss die zweite Bezugsspannung U2 anliegt und der Fußpunkt bzw. Source-/Emitteranschluss des Abschaltelements 4 mit dem Kondensator 2 verbunden ist und sich im Zuge eines Aufladevorgangs des Kondensators das elektrische Potential am Fußpunkt der zweiten Bezugsspannung annähert und/bis dass dann das Abschaltelement den Kondensator 2 von dem Potentialpunkt der zu messenden elektrischen Spannung UKlemm trennt.
  • Die Sensoranordnung ist so ausgebildet, dass sie ein Ausgangssignal bereitstellt das jede Spannungsmessung durch einen Impuls codiert, dessen Pulsbreite abhängig ist von der Aufladezeit des Kondensators 2, wobei die Flanken eines Pulses durch die Zeitpunkte eines Triggersignals der Komparatoreinheit zum Start der Spannungsmessung und dem Erreichen der Spannung am Kondensator entsprechend der ersten Schwellspannung definiert werden bzw. durch den zeitlichen Abstand dieser Zeitpunkte.

Claims (14)

  1. Sensoranordnung zum Messen einer elektrischen Spannung (UKlemm), dadurch gekennzeichnet, dass der Potentialpunkt (1), an welchem die elektrische Spannung relativ zu einem definierten elektrischen Potential, insbesondere relativ zur Masse, gemessen werden soll mit einem Kondensator (2) verbunden ist, an welchen eine Komparatoreinheit (3) angeschlossen ist, die erfasst, ob eine erste definierte Schwellspannung (URef) an dem Kondensator (2) anliegt, wobei die Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass sie ein Ausgangssignal bereitstellt, das abhängig von wenigstens einem Aufladevorgang des Kondensators (2) ist und zumindest die Information der Ladezeit zum Aufladen des Kondensators bis zur ersten definierten Schwellspannung umfasst.
  2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine Zeitmesseinheit aufweist oder mit einer externen Zeitmesseinheit verbunden ist, mit welcher die Zeit zum Aufladen des Kondensators (2) gemessen wird.
  3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende elektrische Spannung die Klemmenspannung (UKlemm) einer Spannungsquelle (6) ist, die an die Sensoranordnung angeschlossen ist.
  4. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung ein Abschaltelement (4) aufweist, das so ausgebildet und angeschlossen ist, dass es den Kondensator (2) von dem Potentialpunkt (1) der zu messenden elektrischen Spannung (UKlemm) trennen kann, wobei dieses Abschaltelement (4) insbesondere als Transistor ausgebildet ist.
  5. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass die zu messende Spannung (UKlemm) den Kondensator (2) über einen zwischengeschalteten Ladewiderstand (7) auflädt und der Kondensator (2) anschließend entladen wird, wobei das Ausgangssignal der Sensoranordnung zumindest die Information enthält, in welcher Aufladezeit der Kondensator bis zur ersten definierten Schwellspannung (URef), die von der Komparatoreinheit (3) erfasst wird, aufgeladen wird.
  6. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatoreinheit (3) als monostabile Kippstufe ausgebildet ist, die insbesondere triggerbar ausgebildet ist.
  7. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschaltelement (4) so ausgebildet und verschaltet ist, dass an seinem Steuereingang eine zweite Bezugsspannung (U2) anliegt und der Fußpunkt des Abschaltelements (4) mit dem Kondensator (2) verbunden ist und sich im Zuge eines Aufladevorgangs des Kondensators das elektrische Potential am Fußpunkt der zweiten Bezugsspannung (U2) annähert und dass dann das Abschaltelement (4) den Kondensator von dem Potentialpunkt (1) der zu messenden elektrischen Spannung trennt.
  8. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Spannung über wenigstens einen zwischengeschalteten Ladewiderstand (7) an den Kollektoranschluss oder Drainanschluss des als Transistor ausgebildeten Abschaltelements (4) angelegt ist, wobei an den Basisanschluss oder Gateanschluss des Abschaltelements eine zweite Bezugsspannung (U2) angelegt ist, welche insbesondere höher ist, als die erste definierte Schwellspannung (URef), wobei an den Emitteranschluss oder Sourceanschluss des Abschaltelements der Kondensator angeschlossen ist und parallel zum Kondensator ein Schalter (8) angeschlossen ist, welcher so eingerichtet ist, dass er eine Beschaltung herbeiführen kann, welche zu einer Entladung des Kondensators führt, und wobei am Emitteranschluss oder Sourceanschluss des Abschaltelements zusätzlich die Komparatoreinheit angeschlossen ist, welche so eingerichtet ist, dass sie die Spannung am Kondensator (2) erfasst und mit der ersten Schwellspannung vergleicht, und im Fall, dass die erste Schwellspannung am Kondensator anliegt, den Schalter betätigt, so dass der Kondensator entladen wird oder werden kann.
  9. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass sie freilaufend Messungen nacheinander durchführen kann und dazu die Komparatoreinheit (3) eine feste Hysterese aufweist und freilaufend ausgebildet ist.
  10. Sensoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatoreinheit (3) so ausgebildet ist, dass sie an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist, wobei im Fall, dass diese Versorgungsspannung nicht verfügbar ist, die Sensoranordnung und die Komparatoreinheit so ausgebildet sind, dass der Schalter einen Schaltzustand einnimmt, in welchem der Kondensator aufgeladen werden kann oder nicht entladen wird und dass das Abschaltelement (4) dabei einen Zustand einnimmt, dass es die zu messende Spannung vom Kondensator (2) trennt.
  11. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung selbst eine Rechnereinheit aufweist oder mit einer Rechnereinheit verbunden ist, in welcher aus der von der Zeitmesseinheit erfassten Aufladezeit die Höhe der zu messenden Spannung berechnet wird.
  12. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ladewiderstand (7) und der Kondensator (2) im Wesentlichen gleiche Temperaturkoeffizienten und/oder eine im Wesentlichen gleiche Temperaturanhängigkeit aufweisen, zumindest innerhalb eines definierten Temperaturintervalls.
  13. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass sie ein Ausgangssignal bereitstellt das jede Spannungsmessung durch einen Impuls codiert, dessen Pulsbreite abhängig ist von der Aufladezeit des Kondensators, insbesondere wobei die Flanken eines Pulses durch die Zeitpunkte eines Triggersignals der Komparatoreinheit zum Start der Spannungsmessung und dem Erreichen der Spannung am Kondensator entsprechend der ersten Schwellspannung definiert werden und/oder durch den zeitlichen Abstand dieser Zeitpunkte.
  14. Verwendung der Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 in Kraftfahrzeugen.
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