DE102016204941A1

DE102016204941A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Laststroms und Batteriesensor

Info

Publication number: DE102016204941A1
Application number: DE102016204941.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Aumer; Martin Schramme
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2017-09-28
Also published as: CN107229028A; CN107229028B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Laststroms, wobei eine Messwiderstandsgruppe verwendet wird, in welche während jeweiliger Kalibrierzeiträume ein Kalibrierstrom eingeleitet wird und eine Kompensation von Messfehlern erfolgt. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Batteriesensor zur Ausführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Laststroms sowie einen zugehörigen Batteriesensor, welcher insbesondere ein solches Verfahren ausführen kann.
Batteriesensoren werden typischerweise verwendet, um den Zustand einer Batterie wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie zu überwachen. Dabei kann es sich insbesondere um einen Akkumulator handeln.
Bei bekannten Ausführungen wird insbesondere ein Messwiderstand verwendet, welcher auch als Shunt-Widerstand bezeichnet wird, und welcher typischerweise temperatur- und langzeitstabil ausgeführt ist. Hierzu kann er beispielsweise aus einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, insbesondere Manganin, ausgebildet sein.
Die Messgenauigkeit beruht dabei im Wesentlichen auf zwei Faktoren, nämlich zum einen auf der Genauigkeit, mit welcher der elektrische Widerstand des Messwiderstands zu jeder Zeit bekannt ist, und zweitens auf der Genauigkeit, mit welcher die vom zu messenden Strom über dem Shunt hervorgerufene Spannung gemessen werden kann.
Bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik ist jedoch von Nachteil, dass das für den Messwiderstand benötigte Material teuer und aufwändig zu verarbeiten ist.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines Laststroms vorzusehen, welches im Vergleich zu bekannten Verfahren alternativ, beispielsweise ohne einen Messwiderstand aus entsprechend teurem Material, ausführbar ist. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, einen zugehörigen Batteriesensor vorzusehen.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie einen Batteriesensor nach Anspruch 14 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 Bestimmen eines Laststroms, welches folgende Schritte aufweist:

– Leiten des Laststroms durch einen ersten Zweig einer Messwiderstandsgruppe und gleichzeitig durch einen zum ersten Zweig parallelen zweiten Zweig der Messwiderstandsgruppe, wobei der erste Zweig einen ersten Messwiderstand und einen dazu seriellen zweiten Messwiderstand aufweist und der zweite Zweig einen dritten Messwiderstand und einen dazu seriellen vierten Messwiderstand aufweist,
– gleichzeitiges Messen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung über der gesamten Messwiderstandsgruppe bei lediglich durchfließendem Laststrom, und
– Berechnen eines Korrekturwerts basierend auf der ersten Spannung und der zweiten Spannung,
– wobei das Verfahren ausschließlich während jeweiliger Kalibrierzeiträume folgende Schritte aufweist:
– Einleiten eines Kalibrierstroms mit bekannter Stromstärke in die Messwiderstandsgruppe an einem ersten Punkt, welcher zwischen erstem Messwiderstand und zweitem Messwiderstand angeordnet ist, und
– Messen einer dritten Spannung zwischen dem ersten Punkt und einem zweiten Punkt, wobei der zweite Punkt zwischen drittem Messwiderstand und viertem Messwiderstand angeordnet ist, während des durchfließenden Kalibrierstroms,
– wobei der Laststrom basierend auf der ersten Spannung, der dritten Spannung, der Stromstärke des Kalibrierstroms und dem Korrekturwert berechnet wird.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine vorteilhafte Bestimmung eines Laststroms unter Berücksichtigung der Tatsache möglich, dass für den Fall eines nicht temperatur- und/oder langzeitstabilen Messwiderstands dieser seinen Widerstandswert laufend verändert, insbesondere unter den Bedingungen, welche in Automobilen vorzufinden sind und welche durch sich schnell ändernde Ströme und gegebenenfalls hohe Verlustleistung und damit Erwärmung gekennzeichnet sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere in vorteilhafter Weise möglich, den insgesamt zu erwartenden Fehler deutlich zu verringern, worauf weiter unten näher eingegangen werden wird.
Bei dem Laststrom kann es sich insbesondere um einen Strom handeln, welcher aus einer Fahrzeugbatterie über Fahrzeugverbraucher und schließlich durch einen Batteriesensor fließt, in welchem das Verfahren durchgeführt wird. Er kann sehr unterschiedliche Werte annehmen, beispielsweise kann er sehr hoch sein, wenn ein Anlasser betätigt wird.
Die Messwiderstandsgruppe kann insbesondere nach Art einer Wheatstone-Brücke ausgebildet sein, wobei jeder Zweig jeweils zwei Messwiderstände hat und mittig die dritte Spannung gemessen wird.
Die erste Spannung und die zweite Spannung sollten bei idealer Funktion aller Spannungsmesser und Beschaltungen identisch sein, weshalb aus einer Abweichung zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung Informationen über Fehler gewonnen werden können. Derartige Fehler können sich insbesondere in dem Korrekturwert niederschlagen.
Die Verbindungsstelle zwischen erstem Messwiderstand und zweitem Messwiderstand kann insbesondere identisch zum ersten Punkt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung haben die Messwiderstände identische oder zumindest annähernd identische Widerstandswerte. Dies erleichtert Berechnungen und Auswertungen.
Bevorzugt werden sowohl die zweite Spannung wie auch die dritte Spannung mit einem gemeinsamen Spannungsmesser gemessen. Dieser gemeinsame Spannungsmesser kann somit beispielsweise durch Vergleich der zweiten Spannung und der ersten Spannung abgeglichen werden, wobei die dadurch gewonnenen Informationen auch für die Messung der dritten Spannung verwendet werden können.
Es sei erwähnt, dass „gemeinsamer Spannungsmesser“ hier lediglich eine gewählte Bezeichnung für einen bestimmten Spannungsmesser ist. Dieser könnte beispielsweise auch als zentraler Spannungsmesser bezeichnet werden.
Beim Messen der ersten Spannung und der zweiten Spannung kann der gemeinsame Spannungsmesser vorteilhaft von dem ersten Punkt entkoppelt sein und von dem zweiten Punkt ebenfalls entkoppelt sein. Dies erlaubt ein dediziertes Messen der ersten und zweiten Spannungen.
Beim Messen der dritten Spannung kann der gemeinsame Spannungsmesser von äußeren Anschlussstellen der Messwiderstandsgruppe entkoppelt sein und mit dem ersten Punkt sowie mit dem zweiten Punkt verbunden sein. Durch die Entkopplung von äußeren Anschlussstellen wird eine Störung der Messung vermieden.
Die Stromstärke des Kalibrierstroms kann insbesondere durch Spannungsmessung über einem Referenzwiderstand, insbesondere einem temperatur- und/oder langzeitstabilen Referenzwiderstand, ermittelt werden. Insbesondere kann dies durch Division der über dem Referenzwiderstand abfallenden Spannung durch den Widerstandswert des Referenzwiderstands erfolgen. Dies hat sich für die Praxis bewährt, jedoch sei erwähnt, dass auch andere Vorgehensweisen verwendet werden können. Insbesondere kann eine ausreichend stabile Referenzstromquelle verwendet werden, wodurch ein Messen des Referenzstroms nicht mehr notwendig ist.
Gemäß einer Ausführung wird außerhalb der Kalibrierzeiträume der Laststrom durch Division der aktuellen ersten Spannung durch den Korrekturwert und durch die beim jeweils letzten Kalibrierzeitraum gemessene dritte Spannung sowie Multiplikation mit der Stromstärke des Kalibrierstroms des letzten Kalibrierzeitraums berechnet.
Gemäß einer Ausführung wird während eines Kalibrierzeitraums der Laststrom durch Division der aktuellen ersten Spannung durch den Korrekturwert und durch die aktuelle dritte Spannung sowie Multiplikation mit der aktuellen Stromstärke des Kalibrierstroms berechnet.
Die beiden eben angegebenen Berechnungsvorschriften führen insbesondere dazu, dass die Berechnung des Laststroms mit einem erheblich geringeren Fehler erfolgt als bei alternativen Ausführungen. Hierauf wird weiter unten näher eingegangen werden.
Vorteilhaft beginnen jeweilige Kalibrierzeiträume alle 10 ms oder in einem Intervall zwischen 8 ms und 12 ms. Gemäß einer bevorzugten Ausführung dauert ein jeweiliger Kalibrierzeitraum zumindest 100 µs, bevorzugt 200 µs oder 300 µs. Die Dauer der Kalibrierzeiträume kann beispielsweise 1 % der Zeit zwischen den Kalibrierzeiträumen betragen. Dies hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen.
Der erste Messwiderstand und/oder der zweite Messwiderstand können vorteilhaft jeweils einen Wert zwischen 50 µΩ und 150 µΩ aufweisen. Insbesondere können sie jeweils 100 µΩ aufweisen. Derartige Werte haben sich als vorteilhaft erwiesen.
Die dritte Spannung wird bevorzugt über den gesamten Kalibrierzeitraum gemessen. Dabei kann insbesondere gemittelt werden. Es können also insbesondere eine Vielzahl von Werten aufgenommen werden, über welche dann gemittelt wird, um die dritte Spannung zu berechnen. Die dritte Spannung wird dann in dieser Form vorzugsweise bis zum nächsten Kalibrierzeitraum in identischer Weise verwendet.
Die dritte Spannung wird bevorzugt über den gesamten Kalibrierzeitraum und auch unmittelbar vor und/oder unmittelbar nach einem jeweiligen Kalibrierzeitraum gemessen. Insbesondere kann dies für einen jeweiligen Zeitraum von 10 µs, 100 µs, 200 µs, 300 µs oder auch länger erfolgen.
Hierzu sei erwähnt, dass die dritte Spannung auch in der Abwesenheit des Kalibrierstroms typischerweise nicht null ist, sondern von den Teilerverhältnissen eines Widerstandsverhältnisses des ersten zum zweiten Messwiderstand und des vierten zum dritten Messwiderstand abhängt. Die Widerstände sind dabei typischerweise nicht alle exakt gleich, sondern nur ungefähr gleich. Durch die Messung vor und nach dem Anlegen des Kalibrierstroms erhält man den dadurch verursachten Offset der dritten Spannung, beispielsweise durch Mittelwertbildung der dritten Spannung über den Zeitraum vor dem Anlegen des Kalibrierstroms und Mittelwertbildung der dritten Spannung über den Zeitraum nach dem Anlegen des Kalibrierstroms und anschließender Bildung des Mittelwerts über beide zuvor gebildete Mittelwerte.
Bevorzugt wird der Korrekturwert durch Division der zweiten Spannung durch die erste Spannung berechnet und/oder durch lineare Regression der zweiten Spannung relativ zur ersten Spannung berechnet. Dadurch kann das Verhältnis zwischen erster und zweiter Spannung im Korrekturwert festgehalten werden, was einen Rückschluss auf den im System befindlichen Fehler erlaubt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Batteriesensor. Der Batteriesensor weist eine Messwiderstandsgruppe mit einem ersten Zweig und einem dazu parallelen zweiten Zweig auf, wobei der erste Zweig einen ersten Messwiderstand und einen dazu seriellen zweiten Messwiderstand aufweist und der zweite Zweig einen dritten Messwiderstand und einen dazu seriellen vierten Messwiderstand aufweist. Der Batteriesensor weist einen Gesamtspannungsmesser auf, welcher dazu konfiguriert ist, eine über der Messwiderstandsgruppe abfallende erste Spannung zu messen.
Der Batteriewiderstand weist des Weiteren einen gemeinsamen Spannungsmesser auf, welcher über einen ersten Schalter mit einem ersten Punkt zwischen erstem Messwiderstand und zweitem Messwiderstand verbunden ist, über einen zweiten Schalter mit einem zweiten Punkt zwischen drittem Messwiderstand und viertem Messwiderstand verbunden ist, über einen dritten Schalter mit einer ersten äußeren Anschlussstelle der Messwiderstandsgruppe verbunden ist und über einen vierten Schalter mit einer zweiten äußeren Anschlussstelle der Messwiderstandsgruppe verbunden ist.
Der Batteriesensor weist eine Kalibrierstromquelle auf, welche dazu konfiguriert ist, einen Kalibrierstrom mit einer Stromstärke schaltbar in den ersten Punkt einzuleiten.
Des Weiteren weist der Batteriesensor eine elektronische Steuerungsvorrichtung auf, welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen. Dabei kann auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Batteriesensors kann insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ausgeführt werden. Es ist wie erwähnt eine hierzu geeignete Messwiderstandsgruppe vorhanden. Außerdem sind die geeigneten Messinstrumente, insbesondere ein Gesamtspannungsmesser und ein gemeinsamer Spannungsmesser, sowie eine Kalibrierstromquelle und eine Steuerungsvorrichtung zur Auswertung vorhanden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist der Batteriesensor ferner einen Referenzwiderstand und einen Referenzspannungsmesser auf, wobei der Referenzspannungsmesser dazu konfiguriert ist, eine über dem Referenzwiderstand abfallende Spannung zu messen, und wobei der Referenzwiderstand zwischen Kalibrierstromquelle und Messwiderstandsgruppe verschaltet ist, so dass der Kalibrierstrom durch den Messwiderstand durchfließt.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Messung des Kalibrierstroms bzw. dessen Stromstärke. Es sei jedoch erwähnt, dass auch andere Messverfahren für den Kalibrierstrom verwendet werden können oder der Kalibrierstrom auch aus einer ausreichend exakten Kalibrierstromquelle bezogen werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:
1: einen Batteriesensor, und
2: einen Batteriesensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevor weiter unten die 1 und 2 näher beschrieben werden, seien zunächst einige allgemeine Ausführungen zum Hintergrund der Erfindung gegeben.
Wie weiter oben bereits ausgeführt wurde, ist es Stand der Technik, hochpräzise Messwiderstände bzw. Shunt-Widerstände aus speziellen Widerstandslegierungen zu verwenden, welche unter anderem auf geringe Abweichungen ihres Widerstands vom Initialwert über Temperatur und Lebensdauer optimiert sind. Um die im Messwiderstand umgesetzte elektrische Verlustleistung möglichst gering zu halten, wird der Messwiderstand durch Materialwahl und geometrische Abmessungen auf sehr kleine Werte von typischerweise 0,1 mΩ eingestellt. Dementsprechend treten bei zu messenden Strömen im Bereich von 1 mA bis 2000 A Spannungen über dem Messwiderstand im Bereich von etwa 0,1 µV bis 200 mV auf. Um die Spannungen messen zu können, weist die Messkette in der Regel einen Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor sowie einen Analog-Digital-Wandler auf. Verstärker und Analog-Digital-Wandler sind meist zusammen mit einem Mikrocontroller zur Auswertung der gemessenen Signale und weiterer Messkanäle, beispielsweise für Temperatur und weitere Batteriespannungen, in einem integrierten Schaltkreis enthalten.
Betrachtet man nun den Fehler der Strommessung einer solchen Messkette, erkennt man, dass dieser sich aus dem Fehler des Messwiderstands, dem Fehler des Verstärkers und dem Fehler des Analog-Digital-Wandlers zusammensetzt.
Seit einiger Zeit gibt es Ansätze, den Präzisionswiderstand als Messwiderstand durch kostengünstigere Bauteile zu ersetzen, und zwar insbesondere in Verbindung mit einer Methode, den Messwiderstand über die Lebensdauer des Stromsensors immer wieder nachzukalibrieren.
Wie herausgefunden wurde, ist es jedoch schwierig, eine ständige Nachkalibrierung auch während der gleichzeitigen Messung der im Kraftfahrzeug auftretenden hohen und zeitlich stark veränderlichen Ströme unter den herrschenden Randbedingungen wie niedriger Stromverbrauch des Sensors durchzuführen, da der zum Kalibrieren anzulegende Referenzstrom klein gewählt werden soll und nur kurzzeitig anliegen soll.
Es wäre nun wünschenswert, eine physikalische Größe ermitteln zu können, die einerseits dem elektrischen Widerstand des Messwiderstands proportional ist, andererseits unabhängig vom jeweils anliegenden Laststrom, also dem zu messenden Batteriestrom, bestimmbar ist.
Derartige Überlegungen führen zur Ausführung gemäß 1. Es sei erwähnt, dass diese Ausführung einen eigenständigen Erfindungsaspekt darstellen kann. Dabei wird eine Messwiderstandsgruppe von vier Messwiderständen verwendet, nämlich einem ersten Messwiderstand R1, einem zweiten Messwiderstand R2, einem dritten Messwiderstand R3 und einem vierten Messwiderstand R4. Wie gezeigt sind der erste Messwiderstand R1 und der zweite Messwiderstand R2 in Reihe geschaltet. Ebenso sind der dritte Messwiderstand R3 und der vierte Messwiderstand R4 in Reihe geschaltet. Der erste Messwiderstand R1 und der zweite Messwiderstand R2 bilden dabei einen ersten Zweig und der dritte Messwiderstand R3 und der vierte Messwiderstand R4 bilden zusammen einen zweiten Zweig. Die beiden Zweige sind wie gezeigt parallel zueinander geschaltet.
Der in 1 dargestellte Batteriesensor ist dazu ausgebildet, an eine Fahrzeugbatterie über eine Last angeschlossen zu werden. Die Anschlussstelle zur Fahrzeugbatterie ist dabei mit der Bezeichnung Vbat bezeichnet. Die Last ist allgemein als Load bezeichnet, wobei diese Last summarisch diverse Verbraucher zusammenfasst, welche insbesondere in einem Kraftfahrzeug auftreten können. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbeleuchtung, eine elektronische Steuerung oder auch um einen Anlasser handeln. Durch diese Last fließt ein Laststrom Iload, welcher schließlich in die Messwiderstandsgruppe an einer ersten Anschlussstelle A1 eingeleitet wird. Diese erste Anschlussstelle A1 wird an einer Stelle definiert, welche direkt mit jeweiligen Polen des zweiten Messwiderstands R2 und des dritten Messwiderstands R3 verbunden ist.
Eine gegenüberliegende, zweite Anschlussstelle A2 ist an einer Stelle definiert, welcher mit jeweiligen Polen des ersten Messwiderstands R1 und des vierten Messwiderstands R4 verbunden ist. Diese Anschlussstelle ist mit einer Masse verbunden, welche mit der Bezeichnung GND dargestellt ist.
Zwischen dem ersten Messwiderstand R1 und dem zweiten Messwiderstand R2 ist ein erster Punkt P1 definiert. Ebenso ist zwischen dem dritten Messwiderstand R3 und dem vierten Messwiderstand R4 ein zweiter Punkt P2 definiert. Zwischen diesen beiden Punkten P1, P2 ist ein gemeinsamer Spannungsmesser Uy angeschlossen. Dieser kann somit eine zentral in der Messwiderstandsgruppe auftretende Spannung messen. Des Weiteren ist zwischen den beiden Anschlussstellen A1, A2 ein Gesamtspannungsmesser Utot angeschlossen, welcher somit die gesamte über die Messwiderstandsgruppe abfallende Spannung misst.
Des Weiteren sind Mittel vorgesehen, um in die Messwiderstandsgruppe einen Kalibrierstrom Iref zu leiten. Hierzu ist zunächst ein Vorwiderstand Rlim vorgesehen, welcher direkt an die Fahrzeugbatterie angeschlossen ist. Von dort aus ist ein Schalter S1 angeschlossen, welcher wiederum mit einem Referenzwiderstand Rref verbunden ist. Dieser Referenzwiderstand Rref ist wiederum mit dem ersten Punkt P1 verbunden, um somit einen mittels des Schalters S1 schaltbaren Kalibrierstrom Iref in die Messwiderstandsgruppe einzuleiten. Über dem Referenzwiderstand Rref ist ein Spannungsmesser Uref angeschlossen, um eine über dem Referenzwiderstand Rref abfallende Spannung zu messen, was einen Rückschluss auf die Stromstärke des Kalibrierstroms Iref erlaubt.
Des Weiteren ist zwischen dem in 1 linken Pol des Schalters S1 und dem zweiten Punkt P2 ein Kondensator C als Stromquelle für den Kalibrierstrom Iref angeschlossen.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung ermöglicht insbesondere die Messung eines elektrischen Widerstands in einer zum Laststrom Iload orthogonalen Richtung. Es wird also ein bekannter Strom mit einer zum Laststrom Iload orthogonalen Komponente, quasi in Querrichtung zum Laststrom Iload, angelegt und ein dadurch erzeugter Spannungsabfall in Querrichtung zum Laststrom bestimmt. Dieser Spannungsabfall in Querrichtung ist hauptsächlich vom Kalibrierstrom Iref und aufgrund von Abweichungen vom idealen Verhalten nur zum kleinen Teil vom Laststrom Iload abhängig und ermöglicht eine weitgehend vom Laststrom Iload unabhängige Bestimmung des vom Kalibrierstrom Iref erzeugten Spannungsabfalls an der Messwiderstandsgruppe.
Um Berechnungen vorzunehmen und den Schalter S1 zu steuern ist ferner ein Mikrokontroller MK vorgesehen, welcher mit den Spannungsmessern Utot, Uy, Uref sowie mit dem Schalter S1 verbunden ist.
Als nächstes erfolgt eine Betrachtung der mit einer solchen Vorrichtung erreichbaren Genauigkeit der Strommessung. Dafür sollen im Moment noch die Ungenauigkeiten, die sich aus einer möglichen räumlich unsymmetrischen Verteilung der Teilwiderstände des Systems ergeben, außer Acht gelassen werden. Es hat sich bei Untersuchungen der Erfindung herausgestellt, dass diese unter realen Bedingungen nur relativ kleine Fehler hervorrufen.
Es soll grundsätzlich der fließende Laststrom Iload aller Verbraucher, die zusammenfassend als Last Load bezeichnet sind, aus der gemessenen Spannung Utot an der aus den vier Messwiderständen R1, R2, R3, R4 bestehenden Messwiderstandsgruppe gemessen werden. Dabei sind die Widerstandswerte der Messwiderstände R1, R2, R3, R4 unbekannt, aber im Wesentlichen als gleich anzunehmen. Zur Messung wird kurzzeitig ein Referenzstrom Iref angelegt, indem der Kondensator C durch Schließen des Schalters S1 entladen wird. Dadurch entsteht eine Spannung Uy, welche sich aus folgender Formel berechnet: Uy = Iref· (R2 + R3)·(R1 + R4) / R1 + R2 + R3 + R4 (1)
Der Laststrom Iload ruft an der Messwiderstandsgruppe eine Spannung Utot hervor, welche sich nach folgender Formel berechnet: Utot = Iload· (R1 + R2)·(R3 + R4) / R1 + R2 + R3 + R4 (2)
Unter der genannten Voraussetzung, dass die Widerstände der Messwiderstände R1, R2, R3, R4 im Wesentlichen gleich sind, gilt: (R1 + R2)·(R3 + R4) / R1 + R2 + R3 + R4 = (R2 + R3)·(R1 + R4) / R1 + R2 + R3 + R4 (3)
Somit folgt Iload = Utot·Iref / Uy (4)
Der Kalibrierstrom Iref muss an sich zunächst nicht bekannt sein, ist aber wie folgt bestimmbar: Iref = Uref / Rref (5)
Dabei ist der Referenzwiderstand Rref ein entsprechend präziser Widerstand und weist im Gegensatz zu den Messwiderständen R1, R2, R3, R4 eine geringe Temperaturabhängigkeit sowie eine kleine Stromtragfähigkeit auf. Er kann beispielsweise aus einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, insbesondere Manganin, hergestellt sein. Er ist aufgrund seiner geringen Größe und Stromtragfähigkeit preisgünstig, leicht zu beschaffen und kann auch leicht auf einer Leiterplatte montiert werden.
Als Berechnungsvorschrift für den zu messenden Laststrom Iload zur Zeit t unter Verwendung der Ergebnisse Uy(t₀) und Uref(t₀) einer zu einer früheren Zeit t₀ durchgeführten Referenzstrommessung und bei bekanntem Referenzwiderstand Rref erhält man somit:
Die Spannungsmesser für Uref, Utot und Uy haben – insbesondere unter Vernachlässigung des Rauschens, das für Genauigkeitsbetrachtungen durch eine entsprechende Filterung leicht eliminiert werden kann – in der Regel eine fehlerbehaftete Verstärkung g und einen absoluten Fehler z. Der absolute Fehler z kann bei Bedarf durch Verwendung eines Choppers eliminiert werden.
Somit verbleiben in der Fehlerbetrachtung die relativen Fehler der drei Messgeräte bzw. Spannungsmesser für Uref, Utot und Uy mit ihren relativen Fehlern Δg₁ (als Fehler des Spannungsmessers für Uref), Δg₂ (als Fehler des Spannungsmessers für Utot) und Δg₃ (als Fehler des Spannungsmessers für Uy). Um zu verdeutlichen, dass nicht die Spannungen Uref, Utot und Uy fehlerbehaftet sind, sondern ihre Messwerte, werden die fehlerbehafteten Größen g₁, g₂ und g₃ explizit in die Berechnungsvorschrift für Iload eingesetzt, obwohl dies aufgrund ihres Nominalwerts von 1 eigentlich überflüssig ist. g₁, g₂ und g₃ bezeichnen die jeweilige Verstärkung (englisch „gain“) der Messgeräte für Utot, Uy und Uref, der nominal 1, jedoch fehlerbehaftet ist.
Es ergibt sich somit folgende Formel für den Laststrom Iload zu einer Zeit t:
Nach der bekannten Formel für die maximalen Gesamtfehler einer Funktion y aus voneinander unabhängigen, fehlerbehafteten Variablen x
kann nun der maximale Fehler ΔIload(t) des aus den Messungen berechneten Stroms angegeben werden:
Die deltas in Gleichung 9 sind noch die absoluten Fehler der fehlerbehafteten Größen. Der Übergang zu relativen Fehlern erfolgt über folgende Gleichungen, wobei die Schlangen die relativen Fehler bezeichnen sollen.
Dabei kann man auch sofort die g mit 1 gleichsetzen. Δg₁ = Δg ~₁·g₁ = Δg ~₁·1 Δg₂ = Δg ~₂·g₂ = Δg ~₂·1 Δg₃ = Δg ~₃·g₃ = Δg ~₃·1 ΔRref = ΔR ~_ref·Rref
Durch Einsetzen dieser Größen folgt Gleichung 10. Insbesondere verschwinden die g und die Quadrate von Rref und g₂ im Nenner der jeweiligen Brüche.
Man erkennt sofort, dass die Gesamtfehler von Iload die Summe zweier Terme (|Δg ~₁| + |Δg ~₂|) enthält, die jeweils proportional zum Fehler der Messung von Utot bzw. Uy sind, d.h. die Fehler der Spannungsmessungen von Utot und Uy addieren sich im Gesamtfehler.
2 zeigt einen Batteriesensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt werden kann. Dabei wird nachfolgend im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung von 1 eingegangen, während bezüglich der nicht eigens erwähnten Elemente auf die Beschreibung zu 1 verwiesen wird.
Im Unterschied zur Ausführung von 1 weist die Ausführung von 2 zusätzlich einen ersten Schalter S2a, einen zweiten Schalter S2b, einen dritten Schalter S3a und einen vierten Schalter S3b auf. Der erste Schalter S2a ist dabei zwischen dem ersten Punkt P1 und dem mittleren Spannungsmesser Uy angeordnet. Der zweite Schalter S2b ist zwischen der ersten Anschlussstelle A1 und dem mittleren Spannungsmesser Uy angeordnet. Der dritte Schalter S3a ist zwischen dem zweiten Punkt P2 und dem mittleren Spannungsmesser Uy angeordnet. Der vierte Schalter S3b ist zwischen der zweiten Anschlussstelle A2 und dem mittleren Spannungsmesser Uy angeordnet. Damit lässt sich also genau auswählen, zwischen welchen Punkten bzw. Anschlussstellen der mittlere Spannungsmesser Uy messen soll.
Der erste Schalter S2a und der dritte Schalter S3a sollen nur dann geschlossen sein, wenn eine Messung der vom Kalibrierstrom Iref verursachten Spannung erfolgen soll, welche insbesondere weiter oben als dritte Spannung bezeichnet wurde. Dabei sollen gleichzeitig der zweite Schalter S2b und der vierte Schalter S3b offen sein. Somit besteht keine Verbindung des mittleren Spannungsmessers Uy mehr zu den beiden Anschlussstellen A1, A2.
Dies ist, wie bereits weiter oben erwähnt, relativ selten der Fall, da die zeitliche Dauer einer Kalibrierstrommessung und auch die Häufigkeit von Kalibrierstrommessungen so klein wie möglich gestaltet werden soll, um dabei möglichst wenig Strom zu verbrauchen. Beispielsweise kann der Kalibrierstrom alle 10 ms für eine Dauer von 10 µs oder 100 µs oder auch mehrere 100 µs angelegt werden. Eine Messung der dritten Spannung Uy ist dann beispielsweise für eine Dauer von 30 µs oder 300 µs oder auch länger sinnvoll. Dabei kann insbesondere eine Dauer vor dem Kalibrierstrompuls, für eine annähernd gleiche Dauer während des Kalibrierstrompulses, und eine wieder zumindest annähernd gleiche Dauer nach dem Kalibrierstrompuls die jeweilige Spannung Uy gemessen werden.
Während der übrigen Zeit, also außerhalb von Kalibrierzeiträumen, sollen der erste Schalter S2a und der dritte Schalter S3a offen und der zweite Schalter S2b sowie der vierte Schalter S3b geschlossen sein. Die Messung von Uy soll idealerweise das gleiche Ergebnis aufweisen wie die Messung von Utot, bis auf die Abweichungen bzw. Fehler der Messketten von Utot und Uy. Über die zu erwartenden Schwankungen von Iload im Fahrzeugbetrieb wird ein Kontinuum vom Messpunkten Utot und Uy über den gesamten Messbereich von Utot und Uy erreicht. Der Mikrocontroller MK kann über eine vorgebbare Zeitdauer Wertepaare von Utot und Uy an verschiedenen Arbeitspunkten Iload speichern und eine lineare Regression der gespeicherten Wertepaare Utot, Uy durchführen.
Auf diese Weise kann man über den jeweiligen Zeitbereich, zum Beispiel solange die Temperatur des integrierten Schaltkreises sich innerhalb vorgegebener Grenzen nicht ändert, eine feste Beziehung zwischen den Messwerten von Utot und Uy ableiten: g₂·Uy = a·g₁·Utot (11 )
Der Faktor a ist dabei ein Parameter, welcher dem bereits weiter oben erwähnten Korrekturwert entspricht.
Da die realen Werte von Utot und Uy bei geschlossenen zweiten und vierten Schaltern S2b, S3b und offenen ersten und dritten Schaltern S2a, S3a gleich sind, folgt: g₂ = a·g₁ (12)
Setzt man die erfindungsgemäß ermittelte feste Beziehung zwischen den Messwerten von Uy und Utot in die Formel zur Berechnung von Iload ein, erhält man:
Man erkennt sofort, dass nun eine fehlerbehaftete Größe, g₂, aus der Formel durch a·g₁ ersetzt wird, wobei g₁ sich wiederum durch Kürzen aus der Berechnungsvorschrift eliminieren lässt. Mit anderen Worten spielen die tatsächlichen Verstärkungen der Messgeräte von Utot und Uy, und damit deren relative Fehler, erfindungsgemäß keine Rolle mehr für die Bestimmung von Iload. Der Proportionalitätsfaktor a wurde erfindungsgemäß durch Vergleich der gemessenen Spannungen Uy und Utot bei geschlossenen zweiten und vierten Schaltern S2b und S3b sowie bei geöffneten ersten und dritten Schaltern S2a, S3a hinreichend genau bestimmt.
Zur Berechnung des Laststroms Iload zu einem Zeitpunkt t kann die eben wiedergegebene Formel insbesondere dergestalt verwendet werden, dass die Verstärkungsfaktoren g als 1, ihrem Nominalwert, angenommen werden, und Uy sowie Uref jeweils aus dem letzten Kalibrierzeitraum bzw. während eines Kalibrierzeitraums mit ihrem aktuellen Wert verwendet werden. Der Referenzwiderstand Rref ist bekannt und unveränderlich, und die Spannung Utot wird jeweils mit ihrem aktuellen Wert verwendet.
Der Gesamtfehler verringert sich somit nach obiger Formel zu:
Da der Referenzwiderstand Rref im Vergleich zu den Messwiderständen R1, R2, R3, R4 wesentlich größer ist, lässt sich die am Referenzwiderstand Rref abfallende Spannung Uref mit einem sehr viel kleineren Fehler messen als die an den Messwiderständen R1, R2, R3, R4 abfallenden Spannungen. Die Messung der Referenzspannung Uref kann vorteilhaft ohne Verstärker erfolgen, während die Spannungsmesser Utot, Uy im Regelfall mit einem vorgeschalteten, hochempfindlichen Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor ausgestattet sind. Genau diese Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor verursachen einen vergleichsweise hohen relativen Messfehler der Messgeräte für Utot und Uy, der durch die erfindungsgemäße Ausführung allerdings im Endergebnis kompensiert werden kann.
Es sei erwähnt, dass bei dieser Anmeldung teilweise Bezeichnungen sowohl für Elemente wie auch für damit verbundene Werte oder Kenngrößen verwendet werden. Insbesondere können die Bezeichnungen R1, R2, R3, R4 und Rref sowohl für die jeweiligen Widerstände als Bauelement wie auch für deren jeweiligen Widerstandswert verwendet werden. Ebenso können die Bezeichnungen Utot, Uref und Uy sowohl für die jeweiligen Spannungsmesser wie auch für deren jeweilige Spannungen verwendet werden.
Es sei des Weiteren erwähnt, dass die Bezeichnung Uy hier für Spannungen steht, welche zwar typsicherweise vom gleichen Spannungsmesser gemessen werden, jedoch in unterschiedlichem Kontext gemessen werden, nämlich einmal bei durchfließendem Referenzstrom Iref (erster und dritter Schalter S2a, S3a geschlossen, zweiter und vierter Schalter S2b, S3b offen), und einmal ohne Referenzstrom Iref zur Messung eines Vergleichswerts zu Utot (erster und dritter Schalter S2a, S3a offenen, zweiter und vierter Schalter S2b, S3b geschlossen). Der erste Fall entspricht insbesondere der oben erwähnten zweiten Spannung, der zweite Fall entspricht insbesondere der oben erwähnten dritten Spannung.
Der Mikrokontroller MK kann insbesondere bei der Ausführung nach 2 dazu konfiguriert sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Hierzu ist er insbesondere nicht nur mit den bereits mit Bezug auf 1 beschriebenen Elementen, sondern auch mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltern S2a, S2b, S3a, S3b verbunden, um diese zu steuern.
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.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Laststroms (Iload), welches folgende Schritte aufweist: – Leiten des Laststroms (Iload) durch einen ersten Zweig einer Messwiderstandsgruppe und gleichzeitig durch einen zum ersten Zweig parallelen zweiten Zweig der Messwiderstandsgruppe, wobei der erste Zweig einen ersten Messwiderstand (R1) und einen dazu seriellen zweiten Messwiderstand (R2) aufweist, und der zweite Zweig einen dritten Messwiderstand (R3) und einen dazu seriellen vierten Messwiderstand (R4) aufweist, – gleichzeitiges Messen einer ersten Spannung (Utot) und einer zweiten Spannung (Uy) über der gesamten Messwiderstandsgruppe bei lediglich durchfließendem Laststrom (Iload), und – Berechnen eines Korrekturwerts (a) basierend auf der ersten Spannung (Utot) und der zweiten Spannung (Uy), – wobei das Verfahren ausschließlich während jeweiliger Kalibrierzeiträume folgende Schritte aufweist: – Einleiten eines Kalibrierstroms (Iref) mit bekannter Stromstärke in die Messwiderstandsgruppe an einem ersten Punkt (P1), welcher zwischen erstem Messwiderstand (R1) und zweitem Messwiderstand (R2) angeordnet ist, und – Messen einer dritten Spannung (Uy) zwischen dem ersten Punkt (P1) und einem zweiten Punkt (P2), wobei der zweite Punkt (P2) zwischen drittem Messwiderstand (R3) und viertem Messwiderstand (R4) angeordnet ist, während des durchfließenden Kalibrierstroms (Iref), – wobei der Laststrom (Iload) basierend auf der ersten Spannung (Utot), der dritten Spannung (Uy), der Stromstärke des Kalibrierstroms (Iref) und dem Korrekturwert (a) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, – wobei die Messwiderstände (R1, R2, R3, R4) identische oder zumindest annährend identische Widerstandswerte haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei sowohl die zweite Spannung (Uy) wie auch die dritte Spannung (Uy) mit einem gemeinsamen Spannungsmesser gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, – wobei beim Messen der ersten Spannung (Utot) und der zweiten Spannung (Uy) der gemeinsame Spannungsmesser von dem ersten Punkt (P1) entkoppelt ist und von dem zweiten Punkt (P2) entkoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, – wobei beim Messen der dritten Spannung (Uy) der gemeinsame Spannungsmesser von äußeren Anschlussstellen (A1, A2) der Messwiderstandsgruppe entkoppelt ist, und mit dem ersten Punkt (P1) und dem zweiten Punkt (P2) verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei die Stromstärke des Kalibrierstroms (Iref) durch Spannungsmessung über einem Referenzwiderstand (Rref), insbesondere einem temperatur- und/oder langzeitstabilen Referenzwiderstand (Rref) ermittelt wird, insbesondere durch Division der über dem Referenzwiderstand (Rref) abfallenden Spannung (Uref) durch den Widerstandswert des Referenzwiderstands (Rref).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei außerhalb der Kalibrierzeiträume der Laststrom (Iload) durch Division der aktuellen ersten Spannung (Utot) durch den Korrekturwert (a) und durch die beim jeweils letzten Kalibrierzeitraum gemessene dritte Spannung (Uy) sowie Multiplikation mit der Stromstärke des Kalibrierstroms (Iref) des letzten Kalibrierzeitraums berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei während eines Kalibrierzeitraums der Laststrom (Iload) durch Division der aktuellen ersten Spannung (Utot) durch den Korrekturwert (a) und durch die aktuelle dritte Spannung (Uy) sowie Multiplikation mit der aktuellen Stromstärke des Kalibrierstroms (Iref) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei jeweilige Kalibrierzeiträume alle 10 ms beginnen, und/oder wobei ein jeweiliger Kalibrierzeitraum zumindest 100 ms dauert, und/oder wobei die Dauer der Kalibrierzeiträume 1 % der Zeit zwischen den Kalibrierzeiträumen beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der erste Messwiderstand (Rref) und/oder der zweite Messwiderstand (Rref) jeweils einen Widerstandswert zwischen 50 mOhm und 150 mOhm, insbesondere 100 mOhm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei die dritte Spannung (Uy) über den gesamten Kalibrierzeitraum, insbesondere gemittelt, gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei die dritte Spannung (Uy) unmittelbar vor und/oder unmittelbar nach einem jeweiligen Kalibrierzeitraum gemessen wird, insbesondere für einen jeweiligen Zeitraum von 10 ms.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der Korrekturwert (a) durch Division der zweiten Spannung (Uy) durch die erste Spannung (Utot) berechnet wird, und/oder durch lineare Regression der zweiten Spannung (Uy) relativ zur ersten Spannung (Utot) berechnet wird.
Batteriesensor, welcher folgendes aufweist: – eine Messwiderstandsgruppe mit einem ersten Zweig und einem dazu parallelen zweiten Zweig, wobei der erste Zweig einen ersten Messwiderstand (R1) und einen dazu seriellen zweiten Messwiderstand (R2) aufweist und der zweite Zweig einen dritten Messwiderstand (R3) und einen dazu seriellen vierten Messwiderstand (R4) aufweist, – einen Gesamtspannungsmesser (Utot), welcher dazu konfiguriert ist, eine über der Messwiderstandsgruppe abfallende erste Spannung (Utot) zu messen, – einen gemeinsamen Spannungsmesser (Uy), welcher über einen ersten Schalter (S2a) mit einem ersten Punkt (P1) zwischen erstem Messwiderstand (R1) und zweitem Messwiderstand (R2) verbunden ist, über einen zweiten Schalter (S2b) mit einem zweiten Punkt (P2) zwischen drittem Messwiderstand (R3) und viertem Messwiderstand (R4) verbunden ist, über einen dritten Schalter (S3a) mit einer ersten äußeren Anschlussstelle (A1) der Messwiderstandsgruppe verbunden ist und über einen vierten Schalter (S3b) mit einer zweiten äußeren Anschlussstelle (A2) der Messwiderstandsgruppe verbunden ist, – eine Kalibrierstromquelle, welche dazu konfiguriert ist, einen Kalibrierstrom (Iref) mit einer Stromstärke schaltbar in den ersten Punkt (P1) einzuleiten, und – eine elektronische Steuerungsvorrichtung (MK), welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Batteriesensor nach Anspruch 14, – welche ferner einen Referenzwiderstand (Rref) und einen Referenzspannungsmesser (Uref) aufweist, – wobei der Referenzspannungsmesser (Uref) dazu konfiguriert ist, eine über dem Referenzwiderstand (Rref) abfallende Spannung (Uref) zu messen, und – wobei der Referenzwiderstand (Rref) zwischen Kalibrierstromquelle und Messwiderstandsgruppe verschaltet ist, so dass der Kalibrierstrom (Iref) durch den Messwiderstand (Rref) durchfließt.