DE102014219807B4

DE102014219807B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014219807B4
Application number: DE102014219807.0A
Authority: DE
Inventors: Sascha Drenkelforth; Georg Kleine Büning
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2034-10-01
Also published as: DE102014219807A1

Abstract

Verfahren zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors (2), wobei der Stromsensor (2) einen Lade- oder Entladestrom (I) eines kapazitiven Elements in einem elektrischen Netzwerk erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einem Referenz-Teilstrom abhängige Referenzgröße bestimmt wird, wobei der Referenz-Teilstrom einen Strom in mindestens einem Teilzweig des elektrischen Netzwerks bezeichnet, wobei eine von einem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms (I) abhängige Ist-Größe bestimmt wird, wobei eine Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Ist-Größe bestimmt wird, wobei eine nicht vorhandene Funktionsfähigkeit detektiert wird, falls die Abweichung größer als ein vorbestimmtes Maß ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors sowie ein Fahrzeug.
Es ist bekannt, Batterien oder Akkumulatoren insbesondere in Fahrzeugen als Energiespeicher einzusetzen. Insbesondere können Batterien als sogenannte Traktionsbatterien dienen, die elektrische Energie zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitstellen, die zum Antrieb des Fahrzeugs dient. Ein Lade- oder Entladestrom eines solchen Energiespeichers kann mittels eines Stromsensors erfasst werden.
Ein nicht ordnungsgemäß funktionierender oder gar defekter Stromsensor gefährdet eine korrekte Funktion des Fahrzeugantriebs. Insbesondere in sogenannten Hybrid- und Plugin-Hybrid-Fahrzeugen ist daher eine Plausibilisierung eines vom Stromsensor bereitgestellten Ausgangssignals, welches einen Lade- oder Endladestrom repräsentieren kann, erforderlich. Bekannt ist eine Plausibilisierung mittels redundanter Stromsensoren. Hierbei können z.B. zwei Stromsensoren vorgesehen sein, wobei Sensorergebnisse des ersten Stromsensors mittels des zweiten Stromsensors plausibilisiert werden. Dies ist beispielsweise in der DE 10 2011 122 440 A1 beschrieben. Die Druckschrift beschreibt aber auch ein Verfahren zum Betrieb eines Stromsensors und eine verbesserte Batterie, bei der kein zweiter Stromsensor zur Plausibilisierung von Sensorergebnissen erforderlich ist. Hierzu schlägt die Druckschrift einen Stromsensor, umfassend ein Sensorelement und eine Signalverarbeitungsanordnung, vor. Weiter umfasst der Stromsensor einen mit der Signalverarbeitungsanordnung gekoppelten Testsignalgenerator zur Erzeugung zumindest eines Testsignalmusters und zu dessen Einspeisung in die Signalverarbeitungsanordnung.
Die DE 10 2012 205 401 A1 offenbart eine Vorrichtung, umfassend eine Batterie mit einer Vielzahl an Batteriezellen, und ein Sensorsystem zur redundanten Bestimmung eines über die Pole der Batterie fließenden Batteriestroms, wobei das Sensorsystem ein Strommess-Mittel zum Erfassen des Batteriestroms und Bereitstellen eines Strom-Messwertes umfasst. Weiter umfasst das Sensorsystem ein Spannungsmess-Mittel zum separaten Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Einzelzellspannung wenigstens einer Batteriezelle und Bereitstellen wenigstens eines zeitlichen Verlaufs eines Spannungs-Messwertes. Weiter umfasst das Sensorsystem eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist zum Bestimmen des Batteriestroms aus dem wenigstens einen zeitlichen Verlauf des Spannungs-Messwertes und zum Bereitstellen eines entsprechenden Strom-Wertes und zum Vergleichen des Strom-Wertes mit dem StromMesswert.
Die DE 10 2012 006 269 A1 offenbart eine Sensoranordnung, umfassend einen Stromsensor, der wenigstens ein Stromerfassungselement aufweist, welches einen Laststrom durch einen elektrischen Leiter erfasst und ein elektrisches Messsignal in Abhängigkeit von diesem Laststrom bereitstellt und dass das Stromerfassungselement das elektrische Messsignal einer Auswerteschaltung bereitstellt, wobei der Stromsensor eine Testsignalquelle aufweist, die dem Laststrom einen Teststrom überlagert, wobei der vom Teststrom überlagerte Laststrom vom Stromerfassungselement erfasst wird.
Die DE 10 2011 006 304 A1 offenbart eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, einem mit den Batteriezellen in Reihe geschalteten Stromsensor und einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, Strommesswerte aus dem Stromsensor auszulesen, wobei ein mit der Steuereinheit verbundene Mittel zum Leiten eines Stroms einer vorbekannten Größe vorgesehen ist, wobei die Mittel zum Leiten des Stroms parallel zu dem Stromsensor geschaltet sind und wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Mittel zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Die DE 10 2011 088 590 A1 offenbart ein Verfahren zur Überprüfung einer elektrischen Strommessung umfassend die folgenden Schritte:

(I) Messen eines zu messenden Stroms IM mit einem Mittel zum Strommessen,
(II) Überlagern des zu messenden Stroms IM mit einem Prüfstrom IP zu einem resultierenden Strom,
(III) Messen des resultierenden Stroms mit dem Mittel zum Strommessen innerhalb der Zeitspanne von Schritt (II),
(IV) Überprüfen, ob der in Schritt (III) gemessene resultierende Strom der Summe aus dem in Schritt (I) gemessenem Strom plus der bekannten Größe des in Schritt (II) überlagerten Prüfstroms entspricht.

Für einen Stromsensorfehler können mehrere Fehlerarten oder -typen existieren. Für die nachfolgende Erläuterung wird auf eine Sensor-Kennlinie Bezug genommen, die einen Zusammenhang zwischen einem tatsächlichen, also wahren, Stromwert und einem von dem Stromsensor gemessenen Messwert wiedergibt. Hierbei kann z.B. auf einer Abszisse eines Koordinatensystems der tatsächliche Stromwert und auf einer Ordinate der Messwert dargestellt sein. Die folgend erläuterten Fehlerarten können mit Bezug auf eine ideale Kennlinie eines fehlerfreien Stromsensors erläutert werden, wobei die ideale Kennlinie einen Verlauf von Messwerten mehrere tatsächliche Stromwerte beschreibt.
Beispielsweise kann die ideale Kennlinie durch einen Ursprung des vorhergehend erläuterten Koordinatensystems verläuft und eine wahre, insbesondere konstante, Steigung aufweist. Die Steigung kann hierbei einen Verstärkungsfaktor des Stromsensors repräsentieren.
Eine erste Fehlerart kann ein sogenannter Offset-Fehler sein. Bei einem Offset-Fehler verläuft die vorhergehend erläuterte Kennlinie nicht durch den Ursprung, wodurch im Falle eines tatsächlichen Stromwerts von Null ein von Null verschiedener Messwert erzeugt wird.
Eine zweite Fehlerart kann als sogenannter Einfrier-Fehler bezeichnet werden. Bei dieser Fehlerart ändert sich der Messwert für verschiedene wahre Stromwerte nicht.
Eine dritte Fehlerart kann als nicht-konstanter Verstärkungsfehler bezeichnet werden. Bei einem nicht-konstanten Verstärkungsfehler kann eine Differenz zwischen einem Verstärkungsfaktor eines fehlerfreien Stromsensors und einem Verstärkungsfaktor eines fehlerhaften Stromsensors für verschiedene tatsächliche Stromwerte verschieden sein, also variieren.
Ist der ideale Verstärkungsfaktor beispielsweise konstant, so kann im Falle eines nicht-konstanten Verstärkungsfehlers der Verstärkungsfaktor des fehlerhaften Stromsensors für verschiedene tatsächliche Stromwerte verschieden sein. In anderen Worten kann ein Zusammenhang zwischen dem tatsächlichen Stromwert und dem Messwert durch eine nichtlineare Kennlinie des fehlerhaften Stromsensors beschrieben sein. Die Steigung dieser Kennlinie kann für verschiedene tatsächliche Stromwerte verschieden sein. Somit ist also kein linearer Verlauf der Kennlinie mehr gegeben.
Eine vierte Fehlerart kann als konstanter Verstärkungsfehler bezeichnet werden. Bei einem konstanten Verstärkungsfehler kann eine Differenz zwischen einem Verstärkungsfaktor eines fehlerfreien Stromsensors und einem Verstärkungsfaktor eines fehlerhaften Stromsensors für verschiedene tatsächliche Stromwerte gleich, jedoch von Null verschieden, sein.
Wird ein konstanter Verstärkungsfaktor bei einem fehlerfreien Stromsensor angenommen, so kann bei dieser Fehlerart zwar ebenfalls ein konstanter Verstärkungsfaktor des fehlerbehafteten Stromsensors, also ein linearer Zusammenhang zwischen dem tatsächlichen Stromwert und dem Messwert, angenommen werden, jedoch ist dieser Verstärkungsfaktor zu hoch oder zu niedrig. Somit kann die lineare Kennlinie des fehlerbehafteten Stromsensors eine falsche Steigung aufweisen.
Selbstverständlich können auch mehrere Fehlerarten bei einem Stromsensor vorliegen, beispielsweise ein Offset-Fehler und ein konstanter oder nicht-konstanter Verstärkungsfehler.
Wie nachfolgend noch näher erläutert kann es schwierig sein, einen fehlerhaften Stromsensor zu detektieren, der einen konstanten Verstärkungsfehler und keinen Offset-Fehler aufweist. Dies ist insbesondere dann der Fall, falls zur Detektion der Funktionsfähigkeit des Stromsensors eine geschätzte Ladezustandsänderung eines kapazitiven Elements bestimmt wird, die in Abhängigkeit einer vorbestimmten Zeitdauer zwischen einem ersten Zeitpunkt und einem weiteren Zeitpunkt, einer Kapazität und des durch den Stromsensor erfassten Lade- oder Entladestroms bestimmt wird, wobei diese geschätzte Ladezustandsänderung mit einer Differenz zwischen einem Ladezustand zum ersten Zeitpunkt und einem weiteren Ladezustand zum weiteren Zeitpunkt verglichen wird. Dies wird nachfolgend näher erläutert.
Es stellt sich daher das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors sowie ein Fahrzeug zu schaffen, die eine Zuverlässigkeit der Prüfung der Funktionsfähigkeit verbessern.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 12 und 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors. Der Stromsensor erfasst einen Lade- oder Entladestrom eines kapazitiven Elements in einem elektrischen Netzwerk, insbesondere einen zeitlichen Verlauf des Lade- oder Entladestroms. Hierbei bezeichnet ein Stromsensor ein Mittel zur Erfassung eines Stromes, insbesondere einer Stromstärke und/oder einer Stromrichtung, und zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals, welches auch als Strommesswert oder Messwert bezeichnet werden kann. Das Ausgangssignal kann somit insbesondere die Stromstärke und die Stromrichtung repräsentieren.
Das kapazitive Element kann insbesondere eine Batteriezelle oder eine Batterie, weiter insbesondere eine Traktionsbatterie, eines Fahrzeugs, sein. Eine Batterie kann hierbei mehrere Batteriezellen umfassen. In diesem Fall kann der Stromsensor einen über mindestens einen Pol der Batterie(zelle) fließenden Strom erfassen.
Das elektrische Netzwerk kann insbesondere ein Traktionsnetzwerk des Fahrzeugs sein oder zumindest einen Teil davon umfassen.
Erfindungsgemäß wird eine von einem Referenz-Teilstrom abhängige Referenzgröße bestimmt, wobei der Referenz-Teilstrom einen Strom in mindestens einem Teilzweig des elektrischen Netzwerks bezeichnet. Das elektrische Netzwerk kann somit mehrere Teilzweige umfassen, wobei der von dem Stromsensor erfasste Lade- oder Entladestrom sich in diese Mehrzahl von Teilzweigen verteilt, z.B. um in den Teilzweigen angeordnete oder an die Teilzweige angeschlossene Verbraucher zu versorgen. Somit kann also der Referenz-Teilstrom durch nur einen Anteil des Lade- oder Entladestroms und nicht durch den gesamten Lade- oder Entladestrom gebildet werden.
Beispielsweise können die Teilzweige weitere Verbraucher oder Energiequellen mit dem kapazitiven Element elektrisch verbinden. Weitere Verbraucher können beispielsweise mindestens eine Einrichtung oder einen Bestandteil einer Klimaanlage, beispielsweise einen Kompressor, mindestens eine Einrichtung oder einen Bestandteil einer Lichtmaschine, beispielsweise ein Generator, mindestens eine Einrichtung oder einen Bestandteil einer Heizeinrichtung, beispielsweise ein PTC-Heizelement, oder mindestens eine Einrichtung oder einen Bestandteil einer Leistungselektronik, beispielsweise ein Stromrichter, sein. Selbstverständlich ist diese Aufzählung nur beispielhaft und es können auch weitere Elemente über Teilzweige mit dem kapazitiven Element verbunden sein.
Zur Bestimmung der Referenzgröße kann insbesondere der Referenz-Teilstrom bestimmt werden. Hierzu kann der Referenz-Teilstrom direkt erfasst werden, beispielsweise durch einen Teilzweig-Stromsensor. Auch ist es möglich, den Referenz-Teilstrom in Abhängigkeit einer direkt erfassten elektrischen Größe zu bestimmen, insbesondere rechnerisch zu bestimmen. So kann beispielsweise eine Referenz-Spannung im Referenz-Teilzweig direkt erfasst werden, wobei in Abhängigkeit der Spannung dann der Referenz-Teilstrom bestimmt wird.
Die vom Referenz-Teilstrom abhängige Referenzgröße kann insbesondere auch der Referenz-Teilstrom selbst sein. Wie nachfolgend noch näher erläutert ist die vom Referenz-Teilstrom abhängige Referenzgröße vorzugsweise die Änderung des Referenz-Teilstroms.
Weiter wird eine von einem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms abhängige Ist-Größe bestimmt. Die Ist-Größe korrespondiert hierbei zu der Referenzgröße. Dies kann bedeuten, dass die Ist-Größe das gleiche Signal wie die Referenzgröße repräsentiert. Beispielsweise kann die Ist-Größe der teilzweigspezifische Anteil des Lade- oder Entladestroms selbst sein, vorzugsweise jedoch eine Änderung dieses Anteils sein.
Der teilzweigspezifische Anteil des Lade- oder Entladestroms bezeichnet hierbei den Anteil des von dem Stromsensor erfassten Lade- oder Entladestroms, der von dem kapazitiven Element in den mindestens einen Teilzweig bzw. aus dem mindestens einen Teilzweig zu dem kapazitiven Element fließt.
Somit kann, beispielsweise durch eine geeignete Auswerteeinrichtung, der teilzweigspezifische Anteil des Lade- oder Entladestroms aus dem Strommesswert bestimmt werden. Die Bestimmung kann beispielsweise in Abhängigkeit der vorbekannten Ausbildung des elektrischen Netzwerks und vorbekannter elektrischer Eigenschaften, beispielsweise Widerständen, von Elementen im elektrischen Netzwerk erfolgen. Wie nachfolgend noch näher erläutert, kann der Anteil jedoch vorzugsweise in Abhängigkeit von teilzweigspezifischen Eigenschaften eines Anteils des Strommesswerts bestimmt werden. Hierfür kann insbesondere der Strommesswert durch mindestens ein Filterelement mit vorbestimmten Filtereigenschaften gefiltert werden, um den teilzweigspezifischen Anteil zu bestimmen.
Weiter wird eine nicht vorhandene Funktionsfähigkeit, also ein fehlerhafter Stromsensor, detektiert, falls die Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Ist-Größe größer als ein vorbestimmtes Maß ist. Das vorbestimmte Maß kann hierbei in Abhängigkeit von Sensoreigenschaften bestimmt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von Toleranz- und/oder Rauscheigenschaften.
Zusammenfassend wird somit detektiert, ob der Stromsensor zumindest den teilzweigspezifischen Anteil in korrekter Weise erfasst. Ist dies nicht der Fall, so wird eine fehlende Funktionsfähigkeit detektiert. In diesem Fall kann ein entsprechendes Fehlersignal generiert werden.
Ist die Abweichung kleiner als das oder gleich dem vorbestimmten Maß, so kann eine Funktionsfähigkeit des Stromsensors detektiert werden.
Das Verfahren kann hierbei insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybridfahrzeug oder einem Plug-in-Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug, eingesetzt werden, wobei der Stromsensor einen Lade- oder Entladestrom der Traktionsbatterie erfasst.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Referenz-Teilstrom ein Strom durch mindestens ein leistungselektronisches Element des elektrischen Netzwerks. Ein leistungselektronisches Element kann beispielsweise ein IGBT oder ein MOSFET sein.
Der Strom kann insbesondere ein Strom sein, der einen Stromrichter des elektrischen Netzwerks speist oder von diesem Stromrichter bereitgestellt wird. Der Stromrichter kann hierbei (zusätzlich) mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs verbunden sein. In einem generatorischen Betriebsmodus der elektrischen Maschine kann durch den Stromrichter der Strom bereitgestellt werden. In einem motorischen Betriebsmodus der elektrischen Maschine kann der Strom den Stromrichter speisen, wobei der Stromrichter eine Wechselspannung/einen Wechselstrom zum Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt. Der Stromrichter kann hierbei das mindestens eine leistungselektronische Element, insbesondere ein leistungselektronisches Schaltelement, beispielsweise einen IGBT oder einen MOSFET, umfassen. Dem Stromrichter kann vorzugsweise ein Stromsensor zugeordnet sein, der den in den Stromrichter fließenden Strom oder von dem Stromrichter bereitgestellten Strom erfasst. Ein derartiger, dem Stromrichter zugeordneter, Stromsensor erfüllt hierbei typischerweise Anforderungen einer OBD-II-Norm. Somit ist in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass der Referenz-Teilstrom mit einer ausreichend hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfasst wird.
Insbesondere kann es erforderlich sein, dass der Referenz-Teilstrom oder die vom Referenz-Teilstrom abhängige Referenzgröße nur durch Erfassungseinrichtungen und/oder Auswerteeinrichtungen erfasst/bestimmt wird, die Anforderungen der OBD-II-Norm erfüllen.
Insgesamt ergibt sich somit in vorteilhafter Weise eine Bestimmung des Referenz-Teilstroms mit einer ausreichend hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit.
In einer weiteren Ausführungsform wird die von dem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms abhängige Ist-Größe in Abhängigkeit eines Anteils des Lade- oder Entladestroms bestimmt, der vorbestimmte teilzweigspezifische Stromeigenschaften aufweist.
Der teilzweigspezifische Anteil des Lade- oder Entladestroms kann insbesondere ein spektraler Anteil sein, der vorbestimmte spektrale Eigenschaften aufweist. Beispielsweise kann ein Anteil des Lade- oder Entladestroms bestimmt werden, der Frequenzen aufweist, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegen. Zusätzlich kann es erforderlich sein, dass der Leistungsanteil/Intensitätsanteil der Frequenzen aus dem Frequenzbereich größer als eine vorbestimmte Leistung/Intensität ist. Ein Anteil kann hierbei über eine Frequenzanalyse bestimmt werden, z. B. mittels einer FFT.
Hierfür kann der Strommesswert mittels mindestens einen Filterelements, beispielsweise eines Tiefpass-Filterelements, eines Hochpass-Filterelements, eines Bandpass-Filterelements oder eines Bandsperr-Filterelements gefiltert werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Bestimmung des teilzweigspezifischen Anteils bzw. der davon abhängigen Ist-Größe.
In einer weiteren Ausführungsform wird die von dem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms abhängige Ist-Größe in Abhängigkeit eines Anteils des Lade- oder Entladestroms bestimmt, der vorbestimmte dynamische Stromeigenschaften aufweist.
Beispielsweise kann der teilzweigspezifische Anteil ein Anteil des Lade- oder Entladestroms sein, der sich in einer vorbestimmten Zeitdauer mehr als ein vorbestimmtes Mindestmaß ändert, also ansteigt oder abfällt, und/oder sich in der vorbestimmten Zeitdauer weniger als ein vorbestimmtes maximales Maß ändert. Dies kann bedeuten, dass eine Amplitude oder ein Betrag der Amplitude der Änderung in der vorbestimmten Zeitdauer in einem vorbestimmten Bereich liegen kann.
Auch kann der teilzweigspezifische Anteil ein Anteil sein, der einen vorbestimmten Signalverlauf aufweist oder nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß davon abweicht. Dynamische Stromeigenschaften, z. B. Änderungen und/oder Signalverläufe, können bauteilspezifische Änderungen sein, wobei das oder die Bauteil(e) an den Teilzweig angeschlossen ist/sind.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass bestimmte Anteile des Lade- oder Entladestroms zuverlässig identifiziert und z. B. einem Bauteil zugeordnet werden können. Dann kann ein Stromsensor dieses Bauteils zur Bestimmung der Referenzgröße genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vom Referenz-Teilstrom abhängige Referenzgröße eine zeitliche Änderung des Referenz-Teilstroms. Beispielsweise kann der Referenz-Teilstrom durch einen Stromsensor erfasst werden, wobei dann, beispielsweise durch eine Auswerteeinrichtung, eine zeitliche Änderung des Referenz-Teilstroms, beispielsweise durch Bildung einer ersten Ableitung, bestimmt wird.
Weiter ist die vom teilzweigspezifischen Anteil abhängige Ist-Größe eine zeitliche Änderung des teilzweigspezifischen Anteils des Lade- oder Entladestroms. Beispielsweise kann eine zeitliche Änderung des Strommesswertes bestimmt werden, beispielsweise durch die Bildung einer ersten Ableitung. Hierbei kann die zeitliche Änderung nach der Bestimmung des teilzweigspezifischen Anteils bestimmt werden. Somit kann in einem ersten Schritt der teilzweigspezifische Anteil und in einem nachfolgenden Schritt die zeitliche Änderung bestimmt werden.
Allerdings ist es auch vorstellbar, eine zeitliche Änderung des Strommesswerts zu bestimmen, wobei der teilzweigspezifische Anteil in Abhängigkeit von Eigenschaften der Änderung, beispielsweise einer Amplitude der Änderung, bestimmt wird. Somit kann in einem ersten Schritt die zeitliche Änderung des Strommesswerts und in einem nachfolgenden Schritt der teilzweigspezifische Anteil bestimmt werden. Auch ist eine zeitgleiche, also gemeinsame, Bestimmung der teilzweigspezifische Anteil und dessen Änderung vorstellbar.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders einfache Bestimmung des teilzweigspezifischen Anteils und der davon abhängigen Ist-Größe.
In einer weiteren Ausführungsform wird, wie vorhergehend beschrieben, die vom teilzweigspezifischen Anteil abhängige Ist-Größe in Abhängigkeit einer Amplitude der zeitlichen Änderung des Lade- oder Entladestroms bestimmt. Beispielsweise kann die Ist-Größe in Abhängigkeit eines Anteils oder als der Anteil des Lade- oder Entladestroms bestimmt werden, dessen zeitliche Änderung größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist und/oder kleiner als ein weiterer Schwellwert ist und/oder in einem vorbestimmten Bereich liegt. Die ist-Größe kann hierbei gleich diesem Anteil sein.
Alternativ oder kumulativ kann die vom teilzweigspezifischen Anteil abhängige Ist-Größe in Abhängigkeit einer Änderungsdauer der zeitlichen Änderung des Lade- oder Entladestroms bestimmt werden. Beispielsweise kann die Ist-Größe in Abhängigkeit eines Anteils oder als der Anteil des Lade- oder Entladestroms bestimmt werden, der sich während einer vorbestimmten Zeitdauer, insbesondere während einer vorbestimmten Mindestzeitdauer, um mehr als vorbestimmtes Maß ändert. Die Ist-Größe kann hierbei gleich diesem Anteil sein.
Alternativ oder kumulativ kann die vom teilzweigspezifischen Anteil abhängige Ist-Größe in Abhängigkeit einer Zustandsänderung mindestens eines Elements des Teilzweigs bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Zustandsänderung mindestens eines, vorzugsweise aller, elektrischen Elemente, die durch den mindestens einen Teilzweig mit dem kapazitiven Element verbunden sind, detektiert werden, wobei dann in Abhängigkeit der Zustandsänderung eine Stromänderung, beispielsweise modellbasiert, bestimmt wird. So kann z.B. eine Drehzahländerung der elektrischen Maschine detektiert werden, wobei in Abhängigkeit der Drehzahländerung eine Stromänderung des Referenzstroms bestimmt wird, der von dem Stromrichter zur Verfügung gestellt wird oder in den Stromrichter fließt.
So kann beispielsweise die Ist-Größe als der Anteil des Lade- oder Entladestroms bestimmt werden, der die zur Zustandsänderung korrespondierende Stromänderung aufweist.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache und zuverlässige Bestimmung des teilzweigspezifischen Anteils sowie der Ist-Größe.
Bei den vorhergehend erläuterten Möglichkeiten zur Bestimmung des Anteils kann der Anteil insbesondere ein Anteils des Strommesswerts im zeitlichen Verlauf des Strommesswerts während einer vorbestimmten Bestimmungszeitdauer sein. Die Bestimmungszeitdauer kann beispielsweise eine Zeitdauer zwischen dem nachfolgend erläuterten ersten und weiteren Zeitpunkt sein. Ist kein solcher Anteil im Strommesswert vorhanden, so kann der Anteil als Null bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich zu einem ersten Zeitpunkt ein erster Ladezustand des kapazitiven Elements bestimmt, wobei zu einem weiteren Zeitpunkt ein weiterer Ladezustand des kapazitiven Elements bestimmt wird. Der Ladezustand kann hierbei auch als SOC (state of charge) bezeichnet werden. Der weitere Zeitpunkt kann insbesondere zeitlich auf den ersten Zeitpunkt folgen.
Die Bestimmung der Ladezustände zum ersten und zum weiteren Zeitpunkt kann hierbei insbesondere unabhängig von dem Ausgangssignal des Stromsensors erfolgen, also unabhängig von einem erfassten Lade- oder Entladestrom. Dies kann auch als stromsensorunabhängige Bestimmung eines Ladezustands bezeichnet werden.
Weiter wird ein geschätzter Ladezustand zum weiteren Zeitpunkt als Summe des ersten Ladezustands und einer geschätzten Ladezustandsänderung bestimmt, wobei die geschätzte Ladezustandsänderung in Abhängigkeit einer Zeitdauer zwischen dem ersten und dem weiteren Zeitpunkt, einer Kapazität des kapazitiven Elements und des durch den Stromsensor erfassten Lade- oder Entladestroms, insbesondere des zeitlichen Verlaufs des Lade- oder Entladestroms zwischen dem ersten und dem weiteren Zeitpunkt, bestimmt wird.
Insbesondere kann die geschätzte Ladezustandsänderung als $Δ SOC = 1 / C \times dl / dt$
bestimmt werden, wobei ΔSOC die geschätzte Ladezustandsänderung, C die Kapazität, I der erfasste Lade- oder Entladestrom und t die Zeit bezeichnet.
Hierzu kann es erforderlich sein, auch eine Kapazität des kapazitiven Elements zu bestimmen. Beispielsweise kann die Kapazität als vorbestimmte Kapazität bestimmt werden, die beispielsweise von einem Hersteller angegeben wird. Vorzugsweise kann jedoch, wie nachfolgend noch näher erläutert, die Kapazität wiederholt, insbesondere rekursiv, bestimmt werden, wobei jeweils die zuletzt bestimmte Kapazität im vorgeschlagenen Verfahren verwendet wird. Für die wiederholte Bestimmung der Kapazität kann der Fachmann ihm bekannte Verfahren zur Kapazitätsbestimmung nutzen.
Weiter wird eine Differenz zwischen dem weiteren Ladezustand und dem geschätzten Ladezustand bestimmt, wobei die Funktionsfähigkeit des Stromsensors detektiert wird, falls ein Betrag der Differenz kleiner als ein vorbestimmter oder gleich dem vorbestimmten Schwellwert ist. In diesem Fall kann ein entsprechendes Signal erzeugt werden, welches eine gegebene Funktionsfähigkeit repräsentiert.
Ist der Betrag der Differenz größer als der vorbestimmte Schwellwert, so ist es möglich, dass die Kapazität fehlerhaft bestimmt wurde und/oder der Stromsensor nicht im gewünschten Maße funktionsfähig ist. Somit kann in diesem Fall nicht unmittelbar auf eine nicht gegebene Funktionsfähigkeit des Stromsensors geschlossen werden. Ist der Betrag jedoch kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellwert, so kann von einem funktionsfähigen Stromsensor ausgegangen werden.
Insgesamt ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit des Stromsensors und somit zur Plausibilisierung des Ausgangssignals des Stromsensors kein weiterer zusätzlicher Stromsensor erforderlich ist. Dies spart einerseits Kosten und andererseits Bauraum. Weiter vorteilhaft ergibt sich, dass das vorgeschlagene Verfahren eine zuverlässige Prüfung der Funktionsfähigkeit ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform werden der erste und/oder der weitere Ladezustand in Abhängigkeit einer offenen Klemmenspannung bestimmt. Insbesondere kann der erste und der weitere Ladezustand durch eine sogenannte OCV-Kalibrierung (open circuit voltage-Kalibrierung) bestimmt werden. Diese OCV-Kalibrierung ermöglicht die Bestimmung des Ladezustands in Abhängigkeit der offenen Klemmenspannung.
Für die OCV-Kalibrierung kann es erforderlich sein, dass weitere Betriebsbedingungen erfüllt sein müssen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, dass das kapazitive Element für eine vorbestimmte Zeitdauer nicht mehr durch einen Entladestrom entladen oder durch einen Ladestrom geladen wurde. Die vorbestimmte Zeitdauer kann hierbei z.B. von einer Temperatur und/oder einer vorangegangenen Energieentnahme oder -aufnahme (Belastungshistorie) abhängen.
Insgesamt ergibt sich jedoch durch die Bestimmung des Ladezustands in Abhängigkeit der offenen Klemmenspannung eine genaue und zuverlässige Bestimmung des Ladezustands. In diesem Fall kann die offene Klemmenspannung beispielsweise durch mindestens einen Spannungssensor erfasst werden. Ein Spannungssensor bezeichnet hierbei ein Mittel zur Erfassung einer Spannung, insbesondere einer Spannungsamplitude und/oder Spannungsrichtung, und zur Bereitstellung eines entsprechenden Ausgangssignals, welches auch als Spannungsmesswert bezeichnet werden kann.
Alternativ werden der erste und der weitere Ladezustand in Abhängigkeit eines Strom-Spannungsmodells des kapazitiven Elements bestimmt. Das Strom-Spannungsmodell kann hierbei eine Batteriemodell, insbesondere eine Batteriezellenmodell, sein. Das Strom-Spannungsmodell ermöglicht hierbei eine modellbasierte Bestimmung eines Ladezustands in Abhängigkeit einer Batterie(zell)spannung, wobei die Batterie(zell)spannung beispielsweise durch einen Spannungssensor erfasst werden kann. Selbstverständlich kann hierbei auch ein zeitlicher Verlauf der Batterie(zell)spannung berücksichtigt werden. Insbesondere können hierbei Innenwiderstände von Batteriezellen berücksichtigt werden. Diese Innenwiderstände können sich hierbei z.B. in Abhängigkeit eines Alters, einer Temperatur, eines Ladezustands, eines Lade- oder Entladestromes ändern. Auch diese Änderungen können durch das Strom-Spannungsmodell berücksichtigt werden.
Hierdurch ergibt sich jedoch in vorteilhafter Weise, dass die Bestimmung des Ladezustands auch unabhängig von gegebenenfalls erforderlichen Rahmenbedingungen für die vorhergehend erläuterte OCV-Kalibrierung möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird der vorbestimmte Schwellwert in Abhängigkeit von der Zeitdauer zwischen dem ersten und dem weiteren Zeitpunkt bestimmt. Insbesondere kann sich der vorbestimmte Schwellwert mit einer zunehmend längeren Zeitdauer erhöhen, z.B. proportional zur Zeitdauer. Insbesondere kann zur Bestimmung des Schwellwerts ein konstanter Ausgangswert mit einem zeitabhängigen Faktor multipliziert werden, wobei der zeitabhängige Faktor sich mit zunehmender Zeitdauer erhöht.
Hierdurch kann in vorteilhafter Weise vermieden werden, dass z.B. aufgrund eines zulässigen Messrauschens fehlerhaft erfasste Stromwerte, die nicht von einer fehlenden Funktionsfähigkeit des Stromsensors bedingt sind und die über die Zeit aufintegriert werden, zur Detektion einer fehlenden Funktionsfähigkeit führen. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens in vorteilhafter Weise erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren zur Prüfung mehrfach durchgeführt, wobei eine fehlende Funktionsfähigkeit erst dann detektiert wird, falls der Betrag der Differenz mehrfach, insbesondere mehr als zweimal, mehr als dreimal oder mehr als fünfmal, größer als der vorbestimmte Schwellwert ist. Auch hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein Einfluss von zufälligen Fehlern auf das Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit reduziert und eine Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht.
Weiter kann der vorbestimmte Schwellwert und/oder der erste Ladezustand und/oder der weitere Ladezustand und/oder die geschätzte Ladezustandsänderung abhängig von mindestens einem weiteren Einflussfaktor bestimmt werden, wobei der mindestens eine Einflussfaktor eine Genauigkeit der Bestimmung des ersten Ladezustands und/oder des weiteren Ladezustands und/oder der geschätzten Ladezustandsänderung beeinflusst.
Beispielsweise kann ein Einflussfaktor eine Genauigkeit des Stromsensors repräsentieren, wobei die Genauigkeit z.B. von einer Temperatur und/oder einem Alter des Stromsensors abhängig sein kann. Ein weiterer Einflussfaktor kann z.B. eine Genauigkeit eines Spannungssensors repräsentieren, wobei die Genauigkeit des Spannungssensors z.B. von einer Temperatur, einer Amplitude der erfassten Spannung und/oder einem Alter des Spannungssensors abhängig sein kann. Ein weiterer Einflussfaktor kann eine Batterie(zell)temperatur repräsentieren. Dieser Einflussfaktor kann z.B. in Abhängigkeit einer Anzahl von Temperatursensoren in der Batterie, einer Genauigkeit eines mathematischen Modells zur Bestimmung der Batterie(zell)temperatur und/oder einer Messgenauigkeit eines Temperatursensors zur Erfassung der Zelltemperatur bestimmt werden. Ein weiterer Einflussfaktor kann eine Genauigkeit einer OCV-Kennlinie repräsentieren, wobei die Genauigkeit z.B. von einer Temperatur, einem Alter der Batterie und/oder von Hystereseeigenschaften der Batterie abhängig sein kann. Hierbei kann die OCV-Kennlinie einen Zusammenhang zwischen der offenen Klemmenspannung und einem Ladezustand angeben. Ein weiterer Einflussfaktor kann eine Selbstentladerate mindestens einer Batteriezelle repräsentieren, wobei die Selbstentladerate beispielsweise abhängig von einer Temperatur und einem Alter der mindestens einen Batteriezelle sein kann. Ein weiterer Einflussfaktor kann einen Ladewirkungsgrad mindestens einer Batteriezelle repräsentieren, wobei der Ladewirkungsgrad beispielsweise abhängig von einer Temperatur der Batteriezelle sein kann.
Sind alle zellchemischen Einflussfaktoren bekannt sowie die Genauigkeit der beteiligten Sensoren, so kann auch die Genauigkeit der Bestimmung des ersten Ladezustands und/oder des weiteren Ladezustands und/oder der geschätzten Ladezustandsänderung verbessert werden. Weiter vorteilhaft ergibt sich, dass in der Regel eine Temperatur der Batterie(zelle) als auch eine Spannung einer Batterie(zelle) in der Regel durch bereits vorhandene Sensoren erfasst wird.
Die Bestimmung des vorbestimmten Schwellwerts und/oder des ersten Ladezustands und/oder des weiteren Ladezustands und/oder der geschätzten Ladezustandsänderung in Abhängigkeit von einem Einflussfaktor kann beispielsweise durch deterministische oder stochastische Modelle erfolgen, die einen Zusammenhang zwischen einer der vorhergehend genannten Größe und dem mindestens einen Einflussfaktor modellieren. Derartige Modelle können hierbei vorbekannt sein.
Weiter kann die Kapazität in Abhängigkeit von mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten Ladezuständen, einer Zeitdauer zwischen den unterschiedlichen Zeitpunkten sowie mindestens eines durch den Stromsensor erfassten Lade- oder Entladestromes zwischen den unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt werden. Die zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten Ladezustände können hierbei wieder, wie vorhergehend erläutert, stromsensorunabhängig bestimmt werden.
Somit kann also die Kapazität, die wiederum selbst zur Bestimmung der Funktionalität des Stromsensors dient, in Abhängigkeit von stromsensorunabhängig bestimmten Ladezuständen und stromsensorabhängigen Ausgangssignalen, die den Lade- oder Entladestrom repräsentieren, bestimmt werden.
Für bestimmte Fehlerarten, insbesondere für die eingangs erläuterten nicht-konstanten Stromsensorfehler, Offset-Fehler und Einfrier-Fehler bewirken die Eigenschaften der Fehler, dass an verschiedenen Betriebspunkten jeweils verschiedene und nicht konvergierende Werte der Zellkapazität bestimmt werden, wobei die Zellkapazität in Abhängigkeit des fehlerhaft erfassten Stromes bestimmt wird. Dies ermöglicht für diese Fehlerarten die Detektion eines Sensorfehlers.
In Abhängigkeit der derart bestimmten Kapazität kann z.B. eine fehlende Funktionsfähigkeit des Stromsensors detektiert werden. Beispielsweise kann die Kapazität in einem vorbestimmten Zeitraum mindestens zweimal, vorzugsweise jedoch mehr als zweimal, bestimmt werden.
Durch einen Offset-Fehler wird z.B. ein Betrag der Differenz zwischen dem weiteren Ladezustand und dem geschätzten Ladezustand größer als das vorbestimmte Maß sein. In diesem Fall kann durch geeignete Verfahren zur Bestimmung der Zellkapazität die Kapazität entsprechend leicht korrigiert werden. Für verschiedene Strommesswerte und für verschiedene Zeitdauern werden sich jedoch verschiedene Beträge der vorhergehend erläuterten Differenz ergeben, da der Offset einerseits sein Vorzeichen auch bei einem Stromrichtungswechsel nicht ändert und andererseits die Höhe des Betrags der Differenz vom Wert des Offsets als auch von der Bestimmungszeitdauer abhängt. Somit ist eine Symmetriebrechung gegeben, die sich in Form eines Vorzeichens als auch in einer Höhe der Differenz wiederspiegelt. Aufgrund dieser Eigenschaften des Offset-Fehlers wird sich für verschiedene Messungen jeweils eine erfindungsgemäß bestimmte Kapazität ändern und sich eine variierende Differenz zwischen dem weiteren Ladezustand und dem geschätzten Ladezustand ergeben. Hierdurch kann detektiert werden, dass ein Stromsensorfehler in Form eines Offset-Fehlers vorliegt.
Bei dem vorhergehend erläuterten Einfrier-Fehler werden sich in gleicher Weise variierende Kapazitäten als auch variierende Differenzen unter verschiedenen Messbedingungen ergeben. Somit kann auch ein solcher Einfrier-Fehler detektiert werden.
Auch bei einem nicht-konstanten Verstärkungsfehler werden sich variierende Kapazitäten als auch variierende Differenzen zwischen dem weiteren Ladezustand und dem geschätzten Ladezustand ergeben. Somit kann auch ein solcher nicht-konstanter Verstärkungsfehler detektiert werden.
Bei einem konstanten Verstärkungsfehler, insbesondere einem konstanten Verstärkungsfehler ohne Offset-Fehler, wird sich jedoch aufgrund der fehlenden Veränderung des Verstärkungsfehlers keine variierende Kapazität und somit auch keine variierende Differenz unter verschiedenen Messbedingungen ergeben. Somit ist ein konstanter Verstärkungsfehler allein durch die Prüfung in Abhängigkeit des Betrags der Differenz nicht zuverlässig.
Ändert sich die Kapazität in dem vorbestimmten Zeitraum um mehr als ein vorbestimmtes Maß, insbesondere für unterschiedliche Werte von Lade- oder Entladestrom, so kann diese Änderung prinzipiell durch einen nicht wie gewünscht funktionsfähigen Stromsensor und/oder durch eine tatsächliche Änderung der Kapazität bedingt sein. Allerdings kann durch geeignete Wahl des Zeitraums mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden, dass eine tatsächliche Änderung der Kapazität vorliegt, da diese sich in der Regel nur sehr langsam ändert. Der vorbestimmte Zeitraum kann hierbei 24 Stunden oder einige Wochen betragen. Somit kann in diesem Fall eine fehlende Funktionsfähigkeit des Stromsensors detektiert werden. Auch in diesem Fall kann ein entsprechendes Signal erzeugt werden, welches eine fehlende Funktionsfähigkeit repräsentiert.
Allerdings ist es möglich, dass im Fall eines konstanten Verstärkungsfehlers keine Änderung der Kapazität bestimmt wird, wodurch fälschlicherweise ein funktionsfähiger Stromsensor detektiert wird. Ein solcher konstanter Verstärkungsfehler kann jedoch aufgrund der Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Ist-Größe bestimmt werden.
Wie vorhergehend erläutert kann ein ungenauer Stromsensor zu einer ungenauen Bestimmung der Kapazität führen. Bei der nachfolgenden Bestimmung der Funktionsfähigkeit wird somit sowohl die ungenaue Kapazität als auch der ungenaue Strommesswert das Ergebnis der Prüfung beeinflussen. Allerdings ist es möglich, insbesondere durch mehrere Messungen der Kapazität, Stromsensorfehler, insbesondere die vorhergehend erläuterten konstanten und nicht-konstanten Verstärkungsfehler, zu bestimmen, wobei dann in Abhängigkeit dieser bestimmten Stromsensorfehler eine genauere Kapazitätsbestimmung möglich ist.
Durch die vorhergehend erläuterte Bestimmung der Kapazität ergibt sich jedoch in vorteilhafter Weise eine einfache Bestimmung der Kapazität, die keine weiteren Mittel, insbesondere keinen weiteren Sensoren, benötigt.
Weiter kann ein sensorbedingter Anteil der Differenz von einem kapazitätsänderungsbedingten Anteil der Differenz unterschieden werden.
Ein sensorbedingter Anteil der Differenz kann hierbei einen Anteil bezeichnen, der aufgrund von Stromsensorfehlern erzeugt wird. Der kapazitätsänderungsbedingte Anteil kann einen Anteil bezeichnen, der auf einer Abweichung der verfahrensgemäß berücksichtigten Kapazität und der tatsächlich vorliegenden Kapazität basiert. Die verschiedenen Anteile der Differenz können insbesondere in Abhängigkeit von an mehreren Zeitpunkten bestimmten Differenzen bestimmt werden. Die Anteile können dann wiederum in vorteilhafter Weise bei der vorhergehend erläuterten Bestimmung der Kapazität und/oder der Bestimmung der geschätzten Ladezustandsänderung berücksichtigt werden.
Insbesondere ermöglicht die Bestimmung der Anteile eine Differenzierung zwischen einem Sensorfehler, der zu einer Differenz, die größer als der vorbestimmte Schwellwert ist, führen kann, und einem Kapazitätsfehler, der ebenfalls zu einer Differenz, die größer als der vorbestimmte Schwellwert ist, führen kann.
Beispielsweise können somit sogenannte Batteriezellenabrisse detektiert werden, wobei Batteriezellenabrisse eine Trennung von mindestens einer Batteriezelle von der verbleibenden Gesamtheit von Batteriezellen bezeichnen kann. Weiter kann in Abhängigkeit der derart bestimmten Anteile ein entsprechendes Fehlersignal erzeugt werden, wobei das Fehlersignal repräsentieren kann, ob ein Stromsensorfehler oder ein Kapazitätsfehler vorliegt. Ein derartiges Fehlersignal kann einem Kraftfahrzeugführer oder Wartungspersonal bereitgestellt werden.
Weiter können mehrere Differenzen zwischen weiteren Ladezuständen und geschätzten Ladezuständen bestimmt werden, insbesondere an verschiedenen weiteren Zeitpunkten. Weiter wird in Abhängigkeit der mehreren Differenzen ein differenzunabhängiger erster Anteil und jeweils ein differenzabhängiger weiterer Anteil bestimmt. Differenzunabhängig bedeutet hierbei, dass der erste Anteil in jeder der bestimmten Differenzen gleich oder annähernd gleich ist, also für die mehreren Differenzen konstant oder annähernd konstant ist. Differenzabhängig bedeutet hierbei, dass der weitere Anteil in jeder der bestimmten Differenzen verschieden sein kann. Der differenzunabhängige erste Anteil kann hierbei dem kapazitätsänderungsbedingten Anteil und der jeweils weitere Anteil dem stromsensorbedingten Anteil entsprechen.
Es kann angenommen werden, dass sich die Kapazität des mindestens einen kapazitiven Elements zwischen verschiedenen Zeitpunkten, die nicht länger als ein vorbestimmter Zeitraum, beispielsweise nicht länger als 24 Stunden oder einige Wochen, auseinanderliegen, nicht oder nur in einem geringen Maße ändert. Somit kann auch angenommen werden, dass sich der kapazitätsänderungsbedingte Anteil der Differenz nicht oder nur in einem geringen Maße ändert.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine möglichst genaue Bestimmung des kapazitätsänderungsbedingten Anteils und des jeweils stromsensorbedingten Anteils.
Die Unterscheidung zwischen einem kapazitätsänderungsbedingten Anteil und einem stromsensorbedingten Anteil kann auf Basis eines nichtlinearen und gegebenenfalls zellspezifischen Verlaufs der OCV-Kurve vorgenommen werden. Während eine Kapazitätsänderung unabhängig von einer absoluten Höhe des Ladezustands und unabhängig von einer Höhe einer vorhergehenden Ladezustandsänderung (SOC-Hub) sich in gleicher Weise auf die bestimmte Differenz auswirkt, wirken sich Ungenauigkeiten bzw. Fehler des Stromsensors in Abhängigkeit vom Ladezustand und einem Verlauf des Lade- oder Entladestroms in unterschiedlicher Weise auf die Differenz aus.
Alternativ wird der kapazitätsänderungsbedingte Anteil in Abhängigkeit eines Zellmodells bestimmt. Das Zellmodell kann hierbei das vorhergehend erläuterte Strom-Spannungs-Modell des kapazitiven Elements entsprechen oder dieses umfassen. Hierbei kann eine Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von mindestens einem vorbestimmten Einflussfaktor, beispielsweise einem Verlauf eines Lade- und/oder Entladestroms, einem Temperaturverlauf, einer Alterung, einem Ladezustand oder einer Ladezustandsänderung, modelliert werden. Auch kann eine modellbasierte Bestimmung des kapazitätsänderungsbedingten Anteils für mehrere Batteriezellen in einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, erfolgen, wobei die Kapazitätsänderung derart bestimmt wird, dass die Kapazitätsänderungen der mehreren Batteriezellen nicht oder nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen. Hierbei kann davon ausgegangen werden, dass die mehreren Batteriezellen den gleichen Einflüssen ausgesetzt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein konstanter Verstärkungsfehler oder ein von dem konstanten Verstärkungsfehler verschiedener Stromsensorfehler detektiert.
Ein konstanter Verstärkungsfehler kann insbesondere dann detektiert werden, falls der Betrag der Differenz zwischen dem weiteren Ladezustand und dem geschätzten Ladezustand kleiner als der vorbestimmte oder gleich dem vorbestimmten Schwellwert ist, die Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Ist-Größe jedoch größer als das vorbestimmte Maß ist.
Ein von dem konstanten Verstärkungsfehler verschiedener Stromsensorfehler kann insbesondere dann detektiert werden, falls die Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Ist-Größe größer als das vorbestimmte Maß ist und die vorhergehend erläuterte Differenz größer als der vorbestimmte Schwellwert ist.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Klassifikation einer Fehlerart. In Abhängigkeit dieser Fehlerart können dann entsprechende Ausnahmen zur Fehlerbehandlung eingeleitet werden.
Weiter kann die Differenz zwischen dem weiteren Ladezustand und dem geschätzten Ladezustand in Abhängigkeit von Rahmenbedingungen gewichtet werden. Rahmenbedingungen können beispielsweise eine Umgebungstemperatur, eine Messgenauigkeit weiterer Sensoren, z.B. eines Spannungssensors, insbesondere eines Zellspannungssensors, und weitere Rahmenbedingungen sein. Eine Gewichtung kann hierbei über ein vorbestimmtes deterministisches oder stochastisches Gewichtungsmodell erfolgen. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass z.B. bei extrem hohen oder extrem niedrigen Umgebungstemperaturen eine Differenz, die größer als der vorbestimme Schwellwert ist, nicht automatisch zur Detektion eines fehlerhaften Zustandes führt.
Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors, wobei der Stromsensor einen Lade- oder Entladestrom eines kapazitiven Elements in einem elektrischen Netzwerk erfasst. Die Vorrichtung umfasst den Stromsensor und mindestens eine Auswerteeinrichtung.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung mindestens eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer von einem Referenz-Teilstrom abhängigen Referenzgröße. Die Bestimmungseinrichtung kann hierbei eine Erfassungseinrichtung und/oder eine Auswerteeinrichtung umfassen oder ausbilden. Der Referenz-Teilstrom bezeichnet einen Strom in mindestens einem Teilzweig des elektrischen Netzwerks.
Weiter ist mittels der Auswerteeinrichtung eine von einem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms abhängige Ist-Größe bestimmbar, wobei eine Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Ist-Größe bestimmbar ist, wobei eine nicht vorhandene Funktionsfähigkeit detektierbar ist, falls die Abweichung größer als ein vorbestimmtes Maß ist. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen.
Weiter vorgeschlagen wird ein Fahrzeug, welches eine Vorrichtung gemäß der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform umfasst.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Teil eines elektrischen Netzwerks,
2 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem elektrischen Netzwerk,
3 eine schematische Darstellung eines konstanten Verstärkungsfehlers und
4 eine schematische Darstellung eines nicht-konstanten Verstärkungsfehlers.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors 2 dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst den Stromsensor 2 und eine Auswerteeinrichtung 3, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein kann. Die Auswerteeinrichtung 3 ist hierbei daten- und/oder signaltechnisch mit dem Stromsensor 2 verbunden, was über Strichlinien schematisch dargestellt ist. Weiter dargestellt ist ein Spannungssensor 4, der ebenfalls daten- und/oder signaltechnisch mit der Auswerteeinrichtung 3 verbunden sein kann. Der Spannungssensor 4 kann ebenfalls Teil der vorgeschlagenen Vorrichtung 1 sein.
Weiter dargestellt ist eine Batterie 5, die insbesondere eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs oder Plugin-Hybridfahrzeugs sein kann. Die Batterie 5 kann insbesondere aus mehreren Batteriezellen bestehen, die elektrisch verbunden sind und eine Batteriespannung bereitstellen. Weiter dargestellt ist ein Lade- oder Entladestrom I, wobei in 1 durch eine Richtung eines Pfeils ein Entladestrom angedeutet ist.
Der Spannungssensor 4 kann eine offene Klemmenspannung der Batterie 5 erfassen. Die Auswerteeinrichtung 3 kann in Abhängigkeit der offenen Klemmenspannung einen Ladezustand der Batterie 5 bestimmen. Dies kann im Rahmen einer sogenannten OCV-Kalibrierung erfolgen.
Mittels der Auswerteeinrichtung 3 kann somit zu einem ersten Zeitpunkt T1 ein erster Ladezustand des kapazitiven Elements in Abhängigkeit der offenen Klemmenspannung an diesem ersten Zeitpunkt T1 bestimmt werden. Zeitlich danach kann an einem weiteren Zeitpunkt T2 erneut ein weiterer Ladezustand in Abhängigkeit der offenen Klemmenspannung bestimmt werden.
Zwischen dem ersten und dem weiteren Zeitpunkt T1, T2 wird ein zeitlicher Stromverlauf des Lade- oder Entladestromes I durch den Stromsensor 2 erfasst. Weiter wird folgende Differenz bestimmt. $Δ = SOC (T 2) - (SOC (T 1) + 1 / C \times \int {_{T 1}}^{T 2} ldt)$
wobei SOC(T2) den Ladezustand zum weiteren Zeitpunkt T2, SOC(T1) den Ladezustand zum ersten Zeitpunkt T1 und C eine Kapazität der Batterie 5 bezeichnet.
Folgend wird das Kriterium $Δ \leq thr \times (T 2 - T 1) \times k$
ausgewertet, wobei k ein Skalierungsfaktor für die Differenz zwischen dem weiteren Zeitpunkt T2 und dem ersten Zeitpunkt T1 bezeichnet. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird eine Funktionsfähigkeit des Stromsensors 2 detektiert.
Ist diese Bedingung nicht erfüllt, so kann ein Fehlersignal generiert werden, wobei das Fehlersignal repräsentiert, dass eine fehlerhafte Kapazität C und/oder ein fehlerhafter Stromsensor 2 vorliegt. Dies wurde vorhergehend erläutert.
Die Kapazität kann hierbei als $C = \int {_{Tstart}}^{Tend} Idt / (| SOC (Tstart) - SOC (Tend) |$
bestimmt werden. Hierbei bezeichnet SOC(Tstart) ein Ladezustand zu einem Startzeitpunkt, der beispielsweise in Abhängigkeit einer offenen Klemmenspannung bestimmt werden kann, und SOC(Tend) ein Ladezustand zu einem Endzeitpunkt, der wiederum in Abhängigkeit einer offenen Klemmenspannung am Endzeitpunkt bestimmt werden kann. Startzeitpunkt Tstart und Endzeitpunkt Tend können hierbei von dem vorhergehend erläuterten ersten Zeitpunkt T1 bzw. weiteren Zeitpunkt T2 verschieden oder gleich diesen Zeitpunkten T1, T2 sein.
In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in dem gesamten elektrischen Netzwerk dargestellt. Zusätzlich zu den bereits in 1 dargestellten Bestandteilen der Vorrichtung 1 umfasst das elektrische Netzwerk eine Heizeinrichtung 6, einen Stromrichter 7 und einen Klimakompressor 8. Die Batterie 5 ist hierbei über einen ersten Teilzweig mit dem Stromrichter 7 elektrisch verbunden. Im ersten Teilzweig fließt hierbei ein erster Teilstrom I1, der den erfindungsgemäßen Referenz-Teilstrom bildet. An eine Wechselspannungsseite des Stromrichters 7 ist eine elektrische Maschine 9 angeschlossen.
Die Heizeinrichtung 6 ist über einen zweiten Teilzweig mit der Batterie 5 elektrisch verbunden, wobei im zweiten Teilzweig ein zweiter Teilstrom I2 fließt. Der Klimakompressor 8 ist über einen dritten Teilzweig mit der Batterie 5 verbunden, wobei in dem dritten Teilzweig ein dritter Teilstrom I3 fließt. Der Lade oder Entladestrom I ist hierbei gleich der Summe der Teilströme I1, I2, I3.
Weiter dargestellt ist ein weiterer Stromsensor 10, der den ersten Teilstrom I1 erfasst. Der weitere Stromsensor 10 ist daten- oder signaltechnisch mit der Auswerteeinrichtung 3 verbunden.
Mittels der Auswerteeinrichtung 3 kann ein Anteil des Lade- oder Entladestroms I bestimmt werden, der dem ersten Teilstrom entspricht. Somit kann also durch die Auswerteeinrichtung 3 der erste Teilstrom I1 rechnerisch, z. B. mittels einer geeigneten Signalverarbeitung, beispielsweise einer Filterung und/oder geeigneter Rechenoperationen, aus dem erfassten Lade- oder Entladestroms I bestimmt werden, wobei der weitere Stromsensor 10 den ersten Teilstrom I1 sensorisch erfasst.
Z. B. wird mittels der Auswerteeinrichtung 3 jeweils eine zeitliche Änderung sowohl des durch den weiteren Stromsensor 10 erfassten ersten Teilstroms I1 als auch des teilzweigspezifischen Anteil 3 des Lade- oder Entladestroms I bestimmt. Beispielsweise kann hierzu die Ableitung der jeweiligen Signale gebildet werden.
Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung 3 die zeitliche Änderung des Lade- oder Entladestroms I bestimmen. In dem zeitlichen Verlauf der Änderung kann dann durch die Auswerteeinrichtung 3 in Abhängigkeit von charakteristischen vorbekannten Änderungen der Anteil des Lade- oder Entladestroms I bestimmt werden, der dem ersten Teilstrom I1 entspricht. Beispielsweise kann durch die Auswerteeinrichtung 3 ein zeitlicher Verlauf einer Amplitude der Stromänderung des Lade- oder Entladestroms I sowie eine zeitliche Dauer, während derer eine Stromänderung auftritt, bestimmt werden. Der im ersten Teilstrom I1 entsprechende Anteil des Lade- oder Entladestromes I kann insbesondere als derjenige Anteil des Lade- oder Entladestroms I bestimmt werden, dessen zeitliche Änderung mindestens für eine vorbestimmte Mindestzeitdauer größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
Dann kann durch die Auswerteeinrichtung 3 eine Abweichung, beispielsweise ein Betrag einer Differenz, zwischen der zeitlichen Änderung des durch den weiteren Stromsensor 10 erfassten ersten Teilstroms I1 und der zeitlichen Änderung des Anteils des Lade- oder Entladestroms I, der dem ersten Teilstrom I1 entspricht, bestimmt werden.
Eine nicht vorhandene Funktionsfähigkeit kann durch die Auswerteeinrichtung 3 detektiert werden, falls die Abweichung größer als ein vorbestimmtes Maß ist.
In diesem Fall kann ebenfalls ein Fehlersignal erzeugt werden. Insgesamt ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass vorhandene Messwerte verwendet werden können, um eine Funktionsfähigkeit des Stromsensors 2 zuverlässig zu prüfen. Insbesondere ist somit kein weiterer redundanter Stromsensor zur Plausibilisierung der Strommessung notwendig, wodurch auch Baukosten gesenkt werden können.
In 3 ist schematisch eine Kennlinie 14 eines funktionsfähigen Stromsensors 2 (siehe z.B. 2) dargestellt. Weiter ist eine Kennlinie eines Stromsensors 2 dargestellt, der einen nicht-konstanten Verstärkungsfehler aufweist. Auf einer Abszisse ist ein wahrer, tatsächlicher Stromwert I_real dargestellt, wobei auf einer Ordinate der vom Stromsensor 2 erzeugte Messwert I_mess dargestellt ist. Der funktionsfähige Stromsensor 2 weist hierbei eine lineare Kennlinie, die durch den Ursprung verläuft, auf. Die Kennlinie 15 des fehlerbehafteten Stromsensors 2 weist eine nichtlineare Kennlinie, also einen sich verändernden Verstärkungsfaktor, auf.
In 4 ist im Unterschied zu 3 eine Kennlinie 16 eines Stromsensors 2 dargestellt, der einen konstanten Verstärkungsfehler aufweist. Diese Kennlinie 16 verläuft ebenfalls durch den Ursprung, weist jedoch eine von der idealen Kennlinie 14 verschiedene Steigung auf. Hierbei ändert sich der Verstärkungsfaktor, der der Steigung der Kennlinie 16 entspricht, für verschiedene wahre Stromwerte nicht.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Stromsensor
3: Auswerteeinrichtung
4: Spannungssensor
5: Batterie
6: Heizeinrichtung
7: Stromrichter
8: Klimakompressor
9: elektrische Maschine
I: Lade- oder Entladestrom
I1: erster Teilstrom
I2: zweiter Teilstrom
I3: dritter Teilstrom
I_real: tatsächlicher Stromwert
I_mess: Strommesswert
14: ideale Stromsensorkennlinie
15: Stromsensorkennlinie mit nicht-konstantem Verstärkungsfaktor
16: Stromsensorkennlinie mit konstantem Verstärkungsfaktor

Claims

Verfahren zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors (2), wobei der Stromsensor (2) einen Lade- oder Entladestrom (I) eines kapazitiven Elements in einem elektrischen Netzwerk erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einem Referenz-Teilstrom abhängige Referenzgröße bestimmt wird, wobei der Referenz-Teilstrom einen Strom in mindestens einem Teilzweig des elektrischen Netzwerks bezeichnet, wobei eine von einem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms (I) abhängige Ist-Größe bestimmt wird, wobei eine Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Ist-Größe bestimmt wird, wobei eine nicht vorhandene Funktionsfähigkeit detektiert wird, falls die Abweichung größer als ein vorbestimmtes Maß ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz-Teilstrom ein Strom durch mindestens ein leistungselektronisches Element des elektrischen Netzwerks ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms (I) abhängige Ist-Größe in Abhängigkeit eines Anteils des Lade- oder Entladestroms (I) bestimmt wird, der vorbestimmte teilzweigspezifische Stromeigenschaften aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms (I) abhängige Ist-Größe in Abhängigkeit eines Anteils des Lade- oder Entladestroms (I) bestimmt wird, der vorbestimmte dynamische Stromeigenschaften aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Referenz-Teilstrom abhängige Referenzgröße eine zeitliche Änderung des Referenz-Teilstroms ist, wobei die vom teilzweigspezifischen Anteil abhängige Ist-Größe eine zeitliche Änderung des teilzweigspezifischen Anteils des Lade- oder Entladestroms (I) ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom teilzweigspezifischen Anteil abhängige Ist-Größe in Abhängigkeit einer Amplitude der zeitlichen Änderung des Lade- oder Entladestroms (I) und/oder in Abhängigkeit einer Änderungsdauer der zeitlichen Änderung des Lade- oder Entladestroms (I) und/oder in Abhängigkeit einer Zustandsänderung mindestens eines Elements des Teilzweigs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einem ersten Zeitpunkt ein erster Ladezustand des kapazitiven Elements bestimmt wird, wobei zu einem weiteren Zeitpunkt ein weiterer Ladezustand des kapazitiven Elements bestimmt wird, wobei ein geschätzter Ladezustand zum weiteren Zeitpunkt als Summe des ersten Ladezustands und einer geschätzten Ladezustandsänderung bestimmt wird, wobei die geschätzte Ladezustandsänderung in Abhängigkeit einer Zeitdauer zwischen dem ersten und dem weiteren Zeitpunkt, einer Kapazität des kapazitiven Elements und des durch den Stromsensor (2) erfassten Lade- oder Entladestroms (I) bestimmt wird, wobei eine Differenz zwischen dem weiteren Ladezustand und dem geschätzten Ladezustand bestimmt wird, wobei die Funktionsfähigkeit detektiert wird, falls ein Betrag der Differenz kleiner als ein vorbestimmter oder gleich einem vorbestimmten Schwellwert ist und die Abweichung kleiner als das oder gleich dem vorbestimmten Maß ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der weitere Ladezustand in Abhängigkeit einer offenen Klemmenspannung bestimmt werden und/oder dass der erste und/oder der weitere Ladezustand in Abhängigkeit eines Strom-Spannungsmodells des kapazitiven Elements bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Schwellwert abhängig von der Zeitdauer zwischen dem ersten und dem weiteren Zeitpunkt bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Prüfung mehrfach durchgeführt wird, wobei eine fehlende Funktionsfähigkeit erst dann detektiert wird, falls der Betrag der Differenz mehrfach größer als der vorbestimmte Schwellwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein konstanter Verstärkungsfehler oder ein von dem konstanten Verstärkungsfehler verschiedener Stromsensorfehler detektiert wird.
Vorrichtung zur Prüfung einer Funktionsfähigkeit eines Stromsensors (2), wobei der Stromsensor (2) einen Lade- oder Entladestrom (I) eines kapazitiven Elements in einem elektrischen Netzwerk erfasst, wobei die Vorrichtung (1) den Stromsensor (2) und mindestens eine Auswerteeinrichtung (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer von einem Referenz-Teilstrom abhängigen Referenzgröße umfasst, wobei der Referenz-Teilstrom einen Strom in mindestens einem Teilzweig des elektrischen Netzwerks bezeichnet, wobei mittels der Auswerteeinrichtung (3) eine von einem teilzweigspezifischen Anteil des Lade- oder Entladestroms (I) abhängige Ist-Größe bestimmbar ist, wobei eine Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Ist-Größe bestimmbar ist, wobei eine nicht vorhandene Funktionsfähigkeit detektierbar ist, falls die Abweichung größer als ein vorbestimmtes Maß ist.
Fahrzeug, umfassend eine Vorrichtung (1) nach Anspruch 12.