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Stand der Technik
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In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, werden auf Lithium-Basis hergestellte, sekundäre Batterien eingesetzt, um mit ihnen elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Entsprechende Batterien können aus mehreren miteinander verschalteten Batteriemodulen gebildet sein, wobei jedes Batteriemodul wiederum mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen aufweisen kann. Als Batteriezellen werden in der Regel Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet.
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Sowohl in der Bestimmung des Ladezustands einer Batterie als auch in der Sicherstellung eines sicheren Betriebs einer Batterie kommt einer Messung der Stärke eines von einer Batterie erzeugten elektrischen Stroms eine wichtige Bedeutung zu. Auch der in eine Batterie fließende elektrische Strom kann zur Bestimmung des jeweiligen Ladezustands einer Batterie und aus Sicherheits- bzw. Diagnosegründen überwacht werden. Hierzu werden üblicherweise Stromsensoren, wie beispielsweise Shuntsensoren oder Hall-Sensoren, eingesetzt. Mit entsprechenden Stromüberwachungen können Gefährdungen für eine Batterie, welche zu einem gefährlichen Zustand der Batterie führen könnten, frühzeitig erfasst werden, um Gegenmaßnahmen einleiten zu können.
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Es gibt mehrere Arten von Gefährdungen, die auf einen unzulässigen und schädigenden elektrischen Strom zurückzuführen sind. Hier ist zunächst eine Überlastung einer Batterie zu nennen, bei der mehr elektrischer Strom von der Batterie zur Verfügung gestellt wird, als es der momentane Zustand der Batterie, beispielsweise aufgrund von einer momentanen Temperatur oder eines Alterungszustandes der Batterie, zulässt. Eine solche Überlastung einer Batterie führt eventuell zu einem Überhitzen der Batterie und kann in einem gefährlichen Zustand der Batterie enden. Eine weitere Gefährdung ist gegeben, wenn von einer Batterie mehr elektrischer Strom zur Verfügung gestellt wird, als ihre einzelnen Batteriezellen liefern können. Auch dies kann zu einem Überhitzen der Batterie führen und in einem gefährlichen Zustand der Batterie enden. Des Weiteren kann eine Gefährdung in Form des sogenannten „Lithium-Plating“ gegeben sein, bei dem das Laden einer Batterie bei sehr tiefen Temperaturen mit hohen elektrischen Strömen ein Abscheiden von metallischem Lithium verursacht, was ebenfalls gefährlich werden kann. Eine Batterie hinsichtlich dieser Gefährdung zu überwachen, ist besonders kritisch, da schon ein um wenige Ampere zu großer elektrischer Ladestrom zu einem unerkannten Fehler in der Batterie führen kann.
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Aufgrund der oben genannten Gefährdungen für eine Batterie ist es erforderlich, den in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Strom zu überwachen, was einer zuverlässigen Messung dieses elektrischen Stroms bedarf. Durch eine Gefahr- und Risikoanalyse ergibt sich eine Sicherheitseinstufung der Strommessung gemäß der Norm ASIL C (ISO 26262).
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Eine einkanalige Messung der Stärke eines in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms mit einem einzigen Stromsensor ist extrem schwierig zu realisieren, weshalb typischerweise folgende Lösungen im Einsatz sind. Zum einen ist es bekannt, einen einzelnen Stromsensor mit einer zusätzlichen Überwachungshardware zu kombinieren, welche beispielsweise Komparatoren aufweist und die bei einem Überstrom bestimmter Größenordnung auslöst. Stromsensoren mit einer solchen integrierten Überwachungshardware sind jedoch meist kostenintensiv. Zudem sind entsprechende Stromsensoren im Hinblick auf eine Einstellung von Überstromgrenzen in der Regel nicht flexibel genug einsetzbar, insbesondere da keine Zeitabhängigkeit, keine Temperaturabhängigkeit oder dergleichen einstellbar ist.
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Des Weiteren ist die Verwendung von zwei verschiedenen Stromsensoren, beispielsweise einem Hall-Sensor und einem Shunt-Sensor, zum gleichzeitigen Messen der Stärke eines in oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms bekannt. Solche Stromsensoren arbeiten somit nach verschiedenen Messprinzipien, wodurch eine sehr sichere Überwachung eines in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms erfolgen kann. Die von diesen Stromsensoren erzeugten Informationen können hierzu gegenseitig plausibilisiert werden. Jedoch sind bei dieser Überwachung zwei verschiedene Bauteile zu verbauen, was kostenintensiver ist, als wenn gleiche Teile verbaut werden. Würden jedoch zwei identische Stromsensoren bzw. nach einem identischen Messprinzip arbeitende Stromsensoren eingesetzt, könnte es bei der Übertragung von von diesen Stromsensoren erzeugten Messsignalen an eine elektronische Auswertungseinrichtung, beispielsweise durch äußere Einflüsse, wie etwa eine elektromagnetische Unverträglichkeit oder dergleichen, zu Fehlern mit gemeinsamer Ursache kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein System zum Ermitteln einer Stromstärke eines in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms, aufweisend wenigstens zwei parallel geschaltete, nach einem identischen Messprinzip arbeitende und elektrisch leitend mit der Batterie verbindbare Stromsensoren, die jeweils zum Erfassen der jeweiligen Stromstärke und zum Erzeugen eines der jeweilig erfassten Stromstärke zugeordneten, gemäß einem Kommunikationsprotokoll kodierten, digitalen Messignals eingerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stromsensoren in der Kodierung der jeweilig von ihnen erzeugten Messsignale voneinander unterscheiden.
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Eine Batterie kann im Rahmen der Erfindung eine Primärbatterie oder eine Sekundärbatterie bzw. ein Akkumulator sein, wobei bei einer Primärbatterie allein die Stromstärke eines aus der Sekundärbatterie fließenden elektrischen Stroms ermittelt wird. Eine Batterie kann sich im Rahmen der Erfindung des Weiteren aus zwei oder mehreren Batteriezellen zusammensetzen, welche auch zu einzelnen Batteriemodulen zusammengefasst sein können, aus denen die Batterie gebildet ist.
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Gemäß der Erfindung werden nach einem identischen Messprinzip arbeitende Stromsensoren zum Ermitteln einer Stromstärke eines in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms verwendet. Diese Verwendung von gleichen Bauteilen ist kostengünstiger als die herkömmliche Verwendung von nach verschiedenen Messprinzipien arbeitenden Stromsensoren.
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Um gemäß einem Kommunikationsprotokoll kodierte, digitale Messsignale erzeugen zu können, kann jeder Stromsensor einen Messwertaufnehmer, eine Digitalisierungseinheit und eine Kodierungseinheit aufweisen.
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Dadurch, dass sich die Stromsensoren gemäß der Erfindung in der Kodierung der jeweilig von ihnen erzeugten Messsignale voneinander unterscheiden, kann ein Fehler mit gemeinsamer Ursache ausgeschlossen werden. Folglich ist mit der Erfindung insbesondere die Ermittlung der Stromstärke eines in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms unter Einhaltung der Norm ASIL C (ISO 26262) möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Bitfolge eines Messsignals von wenigstens einem Stromsensor als Spiegelung einer Bitfolge eines Messsignals von wenigstens einem weiteren Stromsensor ausgebildet. Beispielsweise kann das erste Bit der Bitfolge eines Messsignals von einem Stromsensor das zehnte Bit eines Messsignals von wenigstens einem weiteren Stromssensor sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das System wenigstens eine kommunikationstechnisch mit den Stromsensoren verbundene, elektronische Auswertungseinrichtung auf, wobei die elektrischen Messsignale von den Stromsensoren an die elektronische Auswertungseinrichtung übermittelbar sind, und wobei die elektronische Auswertungseinrichtung zum Erfassen von Unterschieden in der Kodierung der jeweilig von den Stromsensoren erzeugten Messsignale eingerichtet ist. Die elektronische Auswertungseinrichtung kann auch zur Überwachung des in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms eingerichtet sein. Alternativ kann die elektrische Auswertungseinrichtung mit einer separaten Überwachungseinrichtung kommunikationstechnisch verbunden sein. Durch die unterschiedliche Kodierung der jeweilig von den Stromsensoren erzeugten Messsignale kann die elektronische Auswertungseinrichtung zwischen den einzelnen Stromsensoren unterscheiden, um einen Fehler mit gemeinsamer Ursache ausschließen zu können. Die elektronische Auswertungseinrichtung kann eine Prozessoreinheit, beispielsweise ein Mikroprozessor, und eine Speichereinheit aufweisen.
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Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein System zum Ermitteln einer Stromstärke eines in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms, aufweisend wenigstens zwei parallel geschaltete, nach einem identischen Messprinzip arbeitende und elektrisch leitend mit der Batterie verbindbare Stromsensoren, die jeweils zum Erfassen der jeweiligen Stromstärke und zum Erzeugen eines der jeweilig erfassten Stromstärke zugeordneten, analogen Messignals eingerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stromsensoren in einer Abhängigkeit einer Signalstärke der von ihnen jeweilig erzeugten Messsignale von der erfassten Stromstärke voneinander unterscheiden.
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Auch durch die Verwendung dieses erfindungsgemäßen Systems kann ein Fehler mit gemeinsamer Ursache ausgeschlossen werden. Die jeweiligen Abhängigkeiten der Signalstärke der Messsignale von der erfassten Stromstärke können vorgegeben werden und sind folglich bekannt, um aus dem jeweilig von einem Stromsensor erzeugten Messsignal auf die tatsächlich vorliegende Stromstärke des in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms schließen zu können.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Signalstärke eines Messignals von wenigstens einem Stromsensor mit anwachsender Stromstärke anwächst und mit abfallender Stromstärke abfällt, wobei die Signalstärke eines Messignals von wenigstens einem weiteren Stromsensor mit anwachsender Stromstärke abfällt und mit abfallender Stromstärke anwächst. Beispielsweise können die einzelnen Abhängigkeiten der Signalstärken von der Stromstärke invers zueinander sein. Bei einem Stromsensor kann der höchsten Stromstärke eine höchste Signalstärke bzw. elektrische Spannung des Messsignals in der Übertragung zugeordnet werden, während bei einem weiteren Stromsensor der kleinsten Stromstärke eine höchste Signalstärke zugeordnet werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das System wenigstens eine kommunikationstechnisch mit den Stromsensoren verbundene, elektronische Auswertungseinrichtung, wobei die elektrischen Messsignale von den Stromsensoren an die elektronische Auswertungseinrichtung übermittelbar sind, und wobei die elektronische Auswertungseinrichtung zum Erfassen von Unterschieden in der Abhängigkeit der Signalstärke der von den Stromsensoren jeweilig erzeugten Messsignale von der erfassten Stromstärke eingerichtet ist. Die elektronische Auswertungseinrichtung kann auch zur Überwachung des in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms eingerichtet sein. Alternativ kann die elektrische Auswertungseinrichtung mit einer separaten Überwachungseinrichtung kommunikationstechnisch verbunden sein. Durch die unterschiedlichen Signalstärken der jeweilig von den Stromsensoren erzeugten Messsignale kann die elektronische Auswertungseinrichtung zwischen den einzelnen Stromsensoren unterscheiden, um einen Fehler mit gemeinsamer Ursache ausschließen zu können. Die elektronische Auswertungseinrichtung kann eine Prozessoreinheit, beispielsweise ein Mikroprozessor, und eine Speichereinheit aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das System wenigstens ein Bussystem auf, über das die Stromsensoren kommunikationstechnisch mit der elektronischen Auswertungseinrichtung verbunden sind. Das Bussystem kann beispielsweise einen LIN-Bus oder einen CAN-Bus aufweisen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Ermitteln einer Stromstärke eines in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms unter Verwendung von wenigstens zwei parallel geschalteten, nach einem identischen Messprinzip arbeitenden und elektrisch leitend mit der Batterie verbindbaren Stromsensoren, wobei mit jedem Stromsensor die jeweilige Stromstärke erfasst und ein der jeweilig erfassten Stromstärke zugeordnetes, gemäß einem Kommunikationsprotokoll kodiertes, digitales Messignals erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messignale jedes Stromsensors gemäß einem sensoreigenen Kommunikationsprotokoll derart kodiert werden, dass sich die Stromsensoren in der Kodierung der jeweilig von ihnen erzeugten elektrischen Messsignale voneinander unterscheiden.
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Mit diesem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das entsprechend ausgestaltete System genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Ermitteln einer Stromstärke eines in eine oder aus einer Batterie fließenden elektrischen Stroms unter Verwendung von wenigstens zwei parallel geschalteten, nach einem identischen Messprinzip arbeitenden und elektrisch leitend mit der Batterie verbindbaren Stromsensoren, wobei mit jedem Stromsensor die jeweilige Stromstärke erfasst und ein der jeweilig erfassten Stromstärke zugeordnetes, analoges Messignals erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von den Stromsensoren analoge Messsignale derart erzeugt werden, dass sich die Stromsensoren in einer Abhängigkeit einer Signalstärke der von ihnen jeweilig erzeugten Messsignale von der erfassten Stromstärke voneinander unterscheiden.
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Auch mit diesem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das entsprechend ausgestaltete System genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine Darstellung von gemäß verschiedenen Kommunikationsprotokollen kodierten, digitalen Messignalen von zwei parallel geschalteten Stromsensoren,
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2: eine Darstellung von Kennlinien von zwei parallel geschalteten Stromsensoren, und
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3: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes System.
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1 zeigt eine Darstellung von gemäß verschiedenen Kommunikationsprotokollen kodierten, digitalen Messignalen 1 und 2 von zwei parallel geschalteten, nicht dargestellten Stromsensoren, welche sich in der Kodierung der jeweilig von ihnen erzeugten Messsignale 1 bzw. 2 voneinander unterscheiden, da zur Kodierung der Messsignale 1 und 2 verschiedene Kommunikationsprotokolle eingesetzt worden sind. Die Bitfolge des Messsignals 1 ist als Spiegelung der Bitfolge des Messsignals 2 ausgebildet.
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2 zeigt eine Darstellung von Kennlinien 3 und 4 von zwei parallel geschalteten, nicht gezeigten Stromsensoren, die sich in einer Abhängigkeit einer Signalstärke der von ihnen jeweilig erzeugten analogen Messsignale von der erfassten Stromstärke voneinander unterscheiden. Die Signalstärke eines Messsignals des die Kennlinie 3 aufweisenden Stromsensors wächst mit anwachsender Stromstärke an und fällt mit abfallender Stromstärke ab, wobei die Signalstärke eines Messignals des die Kennlinie 4 aufweisenden Stromsensors mit anwachsender Stromstärke abfällt und mit abfallender Stromstärke anwächst.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes System 5 zum Ermitteln einer Stromstärke eines in eine oder aus einer nicht gezeigten Batterie fließenden elektrischen Stroms. Das System 5 umfasst zwei parallel geschaltete, nach einem identischen Messprinzip arbeitende und elektrisch leitend mit der Batterie verbindbare Stromsensoren 6 und 7, die jeweils zum Erfassen der jeweiligen Stromstärke und zum Erzeugen eines der jeweilig erfassten Stromstärke zugeordneten, gemäß einem Kommunikationsprotokoll kodierten, digitalen Messignals 1 bzw. 2 oder eines analogen Messsignals eingerichtet sind, wobei sich die Stromsensoren 6 und 7 voneinander in der Kodierung der jeweilig von ihnen erzeugten Messsignale 1 und 2 bzw. in einer Abhängigkeit einer Signalstärke der von ihnen jeweilig erzeugten Messsignale von der erfassten Stromstärke voneinander unterscheiden.
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Das System 5 umfasst des Weiteren eine kommunikationstechnisch mit den Stromsensoren 6 und 7 verbundene, elektronische Auswertungseinrichtung 8, wobei die Messsignale von den Stromsensoren 6 und 7 über ein Bussystem 9 an die elektronische Auswertungseinrichtung 8 übermittelbar sind. Die elektronische Auswertungseinrichtung 8 kann zum Erfassen von Unterschieden in der Kodierung der jeweilig von den Stromsensoren 6 und 7 erzeugten digitalen Messsignale 1 bzw. 2 oder zum Erfassen von Unterschieden in der Abhängigkeit der Signalstärke der von den Stromsensoren 6 und 7 jeweilig erzeugten analogen Messsignale von der erfassten Stromstärke eingerichtet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm ASIL C (ISO 26262) [0004]
- Norm ASIL C (ISO 26262) [0011]
