-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Messwiderstands, eine Kalibriervorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, einen Batteriesensor sowie ein zugehöriges Speichermedium.
-
Messwiderstände werden beispielsweise in Batteriesensoren verwendet, welche zur Erfassung des Stromflusses zu oder aus einer Batterie bzw. einem Akkumulator eingesetzt werden. Insbesondere werden sie in Kraftfahrzeugen zur Überwachung der Fahrzeugbatterie eingesetzt, welche typischerweise ein Akkumulator ist.
-
Dabei wird typischerweise eine über dem Messwiderstand abfallende Spannung gemessen. Diese Spannung lässt einen Rückschluss auf den durchfließenden Strom zu. Hierzu muss allerdings der Widerstandswert des Messwiderstands genau bekannt sein.
-
Einerseits kann hierzu ein langzeit- und temperaturstabiler Messwiderstand verwendet werden. Solche Messwiderstände sind jedoch teuer und schwer zu verarbeiten. Alternativ kann der Messwiderstand laufend bzw. in gewissen Zeitabständen mittels eines Vorwiderstands kalibriert werden. Dabei kann insbesondere entweder der Vorwidersand temperatur- und langzeitstabil ausgeführt sein, was aufgrund der erheblich geringeren erforderlichen Stromtragfähigkeit wesentlich kostengünstiger zu realisieren ist als bei einem Messwiderstand, oder es kann der Vorwiderstand mittels einer langzeit- und temperaturstabilen Stromquelle kalibriert werden.
-
Es hat sich gezeigt, dass diese Vorgehensweisen zu sehr genauen Ergebnissen führen. Als problematisch haben sich allerdings die erhöhte Eigenstromaufnahme sowie die benötigte verhältnismäßig lange Integrationszeit aufgrund des schlechten Signal-zu-Rausch-Verhältnisses bei hohen Nutzströmen (Cranking) erwiesen.
-
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Messwiderstands bereitzustellen, welches im Vergleich zu bekannten Verfahren verbessert ist, insbesondere hinsichtlich Eigenstromaufnahme und/oder Integrationszeit. Es sind des Weiteren Aufgaben der Erfindung, eine zugehörige Kalibriervorrichtung, einen zugehörigen Batteriesensor sowie ein zugehöriges Speichermedium bereitzustellen.
-
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Kalibriervorrichtung nach Anspruch 13, einen Batteriesensor nach Anspruch 14 und ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 15 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Messwiderstands, welches folgende Schritte aufweist:
- – Leiten eines Referenzstroms durch den Messwiderstand entsprechend einer Charakteristik, dabei
- – Messen einer über dem Messwiderstand abfallenden Spannung, und
- – Ermitteln eines Widerstandswerts des Messwiderstands in Abhängigkeit von einer Stromstärke des Referenzstroms und der über dem Messwiderstand abfallenden Spannung,
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Charakteristik abhängig ist von einem durch den Messwiderstand fließenden Nutzstrom und/oder von einem Gradienten des durch den Messwiderstand fließenden Nutzstroms.
-
Mittels der Berücksichtigung der Charakteristik, welche wiederum vom Nutzstrom oder dessen Gradienten abhängig ist, kann erheblich besser auf die aktuelle Situation Rücksicht genommen werden. Damit kann in vorteilhafter Weise der Stromverbrauch verringert werden, beispielsweise indem in Situationen, in welchen ohnehin keine genaue Messung möglich wäre, die Charakteristik so angepasst wird, dass weniger oder kein Referenzstrom fließt. Auch kann beispielsweise bei geringem Nutzstrom oder geringem Gradienten die Charakteristik auf einen geringen Stromverbrauch angepasst werden.
-
Unter einem Nutzstrom wird dabei insbesondere derjenige Strom verstanden, welcher von der Batterie zu einer Masse, insbesondere eine Fahrzeugchassis, oder umgekehrt fließt. Unter einem Gradienten kann insbesondere ein zeitlicher Gradient verstanden werden.
-
Gemäß einer Ausführung umfasst die Charakteristik die Stromstärke des Referenzstroms. Damit kann die Stromstärke entsprechend der aktuellen Situation angepasst und optimiert werden.
-
Bevorzugt ist die Stromstärke des Referenzstroms umso höher, je höher der Nutzstrom ist. Insbesondere kann die Charakteristik entsprechend implementiert sein. Dies erlaubt eine Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und ein Einsparen von Strom bei geringen Stromstärken.
-
Gemäß einer Ausführung umfasst die Charakteristik eine Tastfrequenz, mit welcher der Referenzstrom angewendet wird. Auch dies hat sich als vorteilhaft zur Optimierung erwiesen.
-
Bevorzugt ist die Tastfrequenz umso höher, je höher ein Gradient des Nutzstroms ist und/oder je höher eine Frequenz des Nutzstroms ist. Dies hat sich als vorteilhaft für die Optimierung von Signalerfassung und Stromverbrauch erwiesen.
-
Bevorzugt ist die Tastfrequenz umso höher, je höher der Nutzstrom ist. Dies erlaubt ein schnelleres Erfassen von Änderungen des Widerstandswerts, welcher sich bei höherem Nutzstrom beispielsweise durch Temperatureffekte schnell ändern kann.
-
Gemäß einer Ausführung wird der Referenzstrom mit bekannter Stromstärke durch eine Präzisionsstromquelle erzeugt.
-
Gemäß einer Ausführung wird die Stromstärke des Referenzstroms anhand eines gemessenen Spannungsabfalls an einem seriell zum Messwidersand geschalteten Vorwiderstand bestimmt.
-
Diese beiden Vorgehensweisen haben sich in der Praxis bewährt.
-
Der Widerstandswert des Vorwiderstands kann beispielsweise dauerhaft bekannt sein, wenn ein langzeit- und/oder temperaturstabiler Vorwiderstand verwendet wird, beispielsweise aus einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung wie Manganin. Alternativ wird der Widerstandswert des Vorwiderstands laufend oder intervallmäßig ermittelt, beispielsweise mittels einer langzeit- und/oder temperaturstabilen Präzisionsstromquelle.
-
Die Charakteristik kann bevorzugt kontinuierlich oder periodisch angepasst werden. Dies erlaubt eine kontinuierliche Optimierung.
-
Zur Anpassung der Charakteristik kann insbesondere kontinuierlich oder periodisch der Nutzstrom gemessen werden. Dies erlaubt eine besonders vorteilhafte Anpassung an tatsächliche Werte des Nutzstroms.
-
Zum Ermitteln des Widerstandswerts kann vorteilhaft eine Mittelung über einen Zeitraum erfolgen. Damit können kurzfristige Schwankungen eliminiert werden. Insbesondere kann dabei der Widerstandswert über den Zeitraum gemittelt werden.
-
Der Zeitraum kann insbesondere umso länger sein, je kleiner die Stromstärke des Nutzstroms oder des Referenzstroms ist. Bei einer kleinen Stromstärke ist eine Änderung des Widerstandswerts nur über längere Zeiträume zu erwarten, da keine so hohe strombedingte Temperaturänderung des Messwiderstands vorliegt. Bei einem kleinen Referenzstrom kann ein längerer Zeitraum vorteilhaft das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessern.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Kalibriervorrichtung für einen Messwiderstand, welche dazu konfiguriert ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Dabei kann auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Erläuterte Vorteile gelten entsprechend.
-
Die Kalibriervorrichtung kann insbesondere Speichermittel und Prozessormittel aufweisen, wobei in den Speichermitteln Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung die Prozessormittel ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen.
-
Insbesondere kann die Charakteristik in einem konkreten Verfahrensablauf und/oder Parametern implementiert sein.
-
Die Erfindung betriff des Weiteren einen Batteriesensor, welcher einen Messwiderstand und eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung aufweist, welche mit einem Pol des Messwiderstands verbunden ist. Dabei kann auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, welches Programmcode enthält, bei dessen Ausführung ein Prozessor ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Dabei kann auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
-
Allgemein gesagt können beispielsweise zwei Maßnahmen getroffen werden, um die Eigenstromaufnahme zu senken und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis signifikant zu verbessern. Diese können sowohl einzeln als auch zusammen angewandt werden.
-
Zum einen kann die Höhe des Referenzstromes abhängig gemacht werden vom zu messenden Nutzstrom, d.h. je höher der zu messende Nutzstrom, umso höher der Referenzstrom. Dies führt zu einer Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und zu einer Reduzierung der Eigenstromaufnahme bei niedrigen Nutzströmen.
-
Zum anderen kann die Tastfrequenz bzw. das Abtastverhältnis des Kalibriersignals abhängig gemacht werden vom Gradienten und/oder der Größe des zu messenden Nutzstromes, d.h.
- a) je niederfrequenter der Nutzstrom, umso niederfrequenter der Referenzstrom;
- b) je kleiner der Nutzstrom, desto kleiner die Tastfrequenz bzw. das Abtastverhältnis des Referenzstroms.
-
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigt
-
1: einen Batteriesensor zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in typischer Beschaltung,
-
2: einen typischen Verlauf eines Nutzstroms beim Cranking,
-
3: eine Abhängigkeit des Referenzstroms vom Nutzstrom, und
-
4: eine Abhängigkeit der Tastfrequenz vom Nutzstrom.
-
1 zeigt einen Batteriesensor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer typischen, beispielhaft dargestellten Beschaltung.
-
Der Batteriesensor 10 ist mit einer Batterie 5 verbunden, welche insbesondere eine Autobatterie sein kann. An die Batterie 5 sind über einen Strompfadschalter 2 Verbraucher 1 angeschlossen, welche hier lediglich schematisch dargestellt sind. Der Strompfadschalter 2 ist über eine Strompfadsteuerung 3 ansteuerbar. Des Weiteren ist eine Batterieladeeinheit 4 vorgesehen, welche auf die Batterie 5 geschaltet werden kann, um die Batterie 5 zu laden.
-
Der Batteriesensor 10 weist einen Messwiderstand 15 auf, welcher vorliegend beispielhaft einen Widerstandswert von 100 Ohm hat. Dieser ist vorliegend nicht besonders temperatur- und langzeitstabil ausgebildet. Des Weiteren weist der Batteriesensor 10 eine Kalibriervorrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf.
-
Die Kalibriervorrichtung 20 weist eine schematisch dargestellte CAN-Bus-Schnittstelle 22 zur Kommunikation mit anderen Komponenten auf.
-
Außerdem weist die Kalibriervorrichtung 20 einen Messanschluss 24 auf, an welchem der Messwiderstand 15 angeschlossen ist.
-
Die Kalibriervorrichtung 20 weist einen Vorwiderstand 30 auf, welcher vorliegend einen Widerstandswert von 1 Ohm aufweist. Dieser Vorwiderstand 30 ist vorliegend nicht aus einem besonders temperatur- und langzeitstabilen Material ausgebildet.
-
Die Kalibriervorrichtung 20 weist eine Präzisionsstromquelle 40 auf, welche über einen ersten Schalter 45 mit einem ersten Pol des Vorwiderstands 30 verbunden ist. Des Weiteren weist die Kalibriervorrichtung 20 einen Referenzanschluss 52 auf, welcher über einen zweiten Schalter 45 mit dem ersten Pol des Vorwiderstands 30 verbunden ist.
-
An dem Referenzanschluss 52 ist eine Referenzstromquelle 50 angeschlossen, welche vorliegend extern zur Kalibriervorrichtung 20 ausgeführt ist.
-
Ein zweiter Pol des Vorwiderstands 30 ist mit dem Messanschluss 24 verbunden.
-
Die Kalibriervorrichtung 20 weist des Weiteren einen Analog-Digital-Wandler 60 auf. Dieser ist ebenfalls mit dem ersten Pol des Vorwiderstands 30 verbunden. Außerdem ist der Analog-Digital-Wandler 60 mit dem zweiten, dem ersten Pol gegenüberliegenden Pol des Vorwiderstands 30 verbunden, wobei diese Verbindung vorliegend wie gezeigt extern zur Kalibriervorrichtung 20 ausgeführt ist. Damit kann der Analog-Digital-Wandler 60 die über dem Vorwiderstand 30 abfallende Spannung messen. Des Weiteren kann der Analog-Digital-Wandler 60 auch die über dem Messwiderstand 15 abfallende Spannung messen, da sowohl der Messwiderstand 15 wie auch der Analog-Digital-Wandler 60 jeweils mit Masse verbunden sind. Eine solche Masse stellt insbesondere bei einer Anwendung in einem Automobil typischerweise eine Chassis dar.
-
Über der Kalibriervorrichtung 20 sind zwei kleine Graphen eingezeichnet, welche einen typischen Verlauf der Schalterstellungen des ersten Schalters 45 und des zweiten Schalters 55 zeigen, wobei ein Ausschlag nach oben anzeigt, dass der jeweilige Schalter geschlossen ist. Wie gezeigt werden die beiden Schalter 45, 55 nacheinander alternierend geschaltet, wodurch auch die Tastfrequenz definiert wird. Während die Präzisionsstromquelle 40 mit dem Vorwiderstand verbunden ist, also während der erste Schalter 45 geschlossen ist, wird ein Kalibrierstrom von der Präzisionsstromquelle 45 durch den Vorwiderstand 30 geleitet. Dieser Kalibrierstrom ist sehr genau bekannt, da die Präzisionsstromquelle 40 besonders temperaturstabil und auch langzeitstabil ist. Während dieser Kalibrierstrom durch den Vorwiderstand 30 fließt, wird die dabei über dem Vorwiderstand 30 abfallende Spannung gemessen. Dies ermöglicht es, den momentanen Widerstandswert des Vorwiderstands 30 exakt zu berechnen.
-
Wenn anschließend der zweite Schalter 55 geschlossen ist, wird der Referenzstrom von der Referenzstromquelle 50 durch den Vorwiderstand geleitet und ebenfalls die darüber abfallende Spannung gemessen. Dies ermöglicht es, den Referenzstrom genau zu berechnen. Der gleiche Referenzstrom fließt auch gleichzeitig durch den Messwiderstand 15, dessen Widerstandswert somit ebenfalls über die abfallende Spannung genau berechnet werden kann.
-
Es sei verstanden, dass alternativ zur beschriebenen Ausführung auch ein langzeit- und/oder temperaturstabiler Vorwiderstand 30 verwendet werden könnte. Dann könnte typischerweise die Präzisionsstromquelle 40 entfallen.
-
In 2 ist ein typischer Verlauf des durch den Messwiderstand 15 zwischen der Batterie 5 und Masse fließenden Nutzstroms (I_Bat) beim Cranking dargestellt. Abhängig von diesem Nutzstrom wird eine Charakteristik eingestellt, welche vorliegend die Stromstärke bzw. Amplitude des Referenzstroms und die Tastfrequenz, wie in den kleinen Graphen in 1 dargestellt, beinhaltet.
-
3 zeigt dabei den Verlauf der Amplitude des Referenzstroms (IRef) und 4 zeigt den Verlauf der Tastfrequenz (fIref). Es ist zu erkennen, dass sowohl die Amplitude wie auch die Tastfrequenz umso höher sind, je höher der Nutzstrom ist.
-
Bei geringem Nutzstrom ist typischerweise eine langsamere Nachkalibrierung des Strommesspfads bzw. des Messwiderstands 15 erforderlich als bei hohen Strömen, weil der geringe Nutzstrom keine starke Temperaturänderung der Bauteile im Strommesspfad bzw. im Messwiderstand 15 verursacht.
-
Wie vorstehend beschrieben kann daher die Höhe des Referenzstroms reduziert werden, wodurch zunächst das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des berechneten Kalibrierwerts schlechter wird. Dies wird dann durch eine entsprechend zeitlich längere Filterung ausgeglichen.
-
Wie ebenfalls vorstehend beschrieben kann ebenso gut bei geringem Laststrom die Tastfrequenz oder das Tastverhältnis des Referenzstroms reduziert werden, da eine Neuberechnung des Kalibrierwerts für den Strommesspfad seltener erforderlich ist. Durch eine Änderung der Tastfrequenz wird außerdem ausgeschlossen, dass der berechnete Kalibrierwert dauerhaft durch Strompulse des Laststroms beeinflusst werden, die mit gleicher Frequenz und Phase wie der Referenzstrom auftreten können.
-
Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.
-
Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar.
-
Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
-
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
-
Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden.
-
Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.
