DE102017116162B4 - Verfahren zur redundanten und synchronen Messwerterfassung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur synchronen Messwertbereitstellung mit folgenden Schritten:Bereitstellen einer Auswerteinheit (5) und einer ersten Messeinrichtung (1) und einer zweiten Messeinrichtung (2) sowie eines ersten Kommunikationsbusses (7) und eines zweiten Kommunikationsbusses (8), wobei die erste Messeinrichtung (1) über den ersten Kommunikationsbus (7) mit der Auswerteinheit (5) kommuniziert und die zweite Messeinrichtung (2) über den zweiten, von dem ersten Kommunikationsbus (7) unabhängigen Kommunikationsbus (8) mit der Auswerteinheit (5) kommuniziert;Aussenden eines ersten Auslösesignals (I1) an die erste Messeinrichtung (1) über den ersten Kommunikationsbus (7), um einen Messvorgang der ersten Messeinrichtung (1) und die Bereitstellung eines ersten Messwertes (W1) durch die erste Messeinrichtung (1) auszulösen; undÜbermittlung des ersten Messwertes (W1) an die Auswerteinheit (5) über den ersten Kommunikationsbus (7);Aussenden eines zweiten Auslösesignals (I2) an die zweite Messeinrichtung (2) über den zweiten Kommunikationsbus (8), um einen Messvorgang der zweiten Messeinrichtung (2) und die Bereitstellung eines zweiten Messwertes (W2) durch die zweite Messeinrichtung (2) auszulösen; undÜbermittlung des zweiten Messwertes (W2) an die Auswerteinheit (5) über den zweiten Kommunikationsbus (8);wobei ein vorgegebener zeitlicher Versatz (Δt) zwischen dem Aussendezeitpunkt (t1) des ersten Auslösesignals (I1) und dem Aussendezeitpunkt (t2) des zweiten Auslösesignals (12) so gewählt ist, dass ein im Wesentlichen synchroner Messvorgang der ersten Messeinrichtung (1) und der zweiten Messeinrichtung (2) zum Messzeitpunkt (ts) durchgeführt wird;Weiterverarbeiten des ersten Messwertes (W1) und des zweiten Messwertes (W2), beispielsweise Vergleich des ersten Messwertes (W1) und zweiten Messwertes (W2), durch die Auswerteinheit (5), dadurch gekennzeichnet, dasssich die erste Messeinrichtung (1) und zweite Messeinrichtung (2) in dem beim zugehörigen Messvorgang angewandten physikalischen Messverfahren unterscheiden.

Description

  • Bei der redundanten Messwerterfassung durch eine Auswerteinheit tritt das Problem auf, dass aufgrund unterschiedlicher Leitungen unterschiedlicher Kommunikationsprotokolle und/oder unterschiedlicher physikalischer Auslegung der Messeinrichtung die Messwerterfassung allenfalls zufällig zeitgleich erfolgt, da die Kommunikation des Auslösesignals zwischen den unterschiedlichen Messeinrichtungen einer Verzögerung unterliegen kann und/oder die Messeinrichtung unterschiedlich verzögert auf ein Auslösesignal die Messwerterfassung durchführen. Die zeitgleiche Erfassung des Messwertes ist aber für die Aussagekraft und den Vergleich der Messwerte und damit für den sicherheitstechnischen Aspekt der redundanten Auslegung von erheblicher Bedeutung.
  • Aus der DE 10 2010 042 750 A1 ist ein Verfahren zur Messwerterfassung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sicherheitstechnisch verbessertes Verfahren zur synchronen Messwertbereitstellung mit redundanter Auslegung von Messeinrichtung und jeweils zugehörigem Kommunikationsbus bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur synchronen Messwertbereitstellung weist folgende Schritte auf. In einem Bereitstellungsschritt wird eine Auswerteinheit und wenigstens eine erste und zweite Messeinrichtung sowie ein erster und zweiter Kommunikationsbus bereitgestellt. Dabei kommuniziert die erste Messeinrichtung über den ersten Kommunikationsbus mit der Auswerteinheit und die zweite Messeinrichtung kommuniziert über den zweiten, von dem ersten unabhängigen Kommunikationsbus mit der Auswerteinheit. Bevorzugt ist die Kommunikation über wenigstens einen Kommunikationsbus aus erstem und zweitem Kommunikationsbus bidirektional ausgelegt. Ein Kommunikationsbus besteht im Wesentlichen aus einer Anzahl nebeneinander verlaufender Signaladern, auch elektrische Leitungen genannt, auf denen synchronisiert Informationen übertragen werden können, und an denen mehrere Komponenten angeschlossen sind. Die Anzahl der nebeneinander verlaufenden Leitungen nennt man auch Breite des Busses - sie ist im Allgemeinen gleich der Anzahl der Bits, die ein Bus gleichzeitig übertragen kann. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten und zweiten Kommunikationsbus um einen solchen Kommunikationsbus, der jeweils aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Controller Area Network (CAN) Kommunikationsbus, Local Interconnect Network (LIN) Kommunikationsbus oder ein Time Triggered Protocol (TTP) Kommunikationsbus, Serial Peripheral Interface (SPI) Kommunikationsbus.
  • Erfindungsgemäß wird in einem ersten Aussendeschritt ein erstes Auslösesignal an die erste Messeinrichtung über den ersten Kommunikationsbus, gesandt, um einen Messvorgang der ersten Messeinrichtung und die Bereitstellung eines ersten Messwertes durch die erste Messeinrichtung auszulösen. Zeitlich nachfolgend erfolgt die Übermittlung des ersten Messwertes von der ersten Messeinrichtung an die Auswerteinheit.
  • Erfindungsgemäß wird in einem zweiten Aussendeschritt ein zweites Auslösesignal an die zweite Messeinrichtung, bevorzugt über den zweiten Kommunikationsbus ausgesandt, um einen Messvorgang der zweiten Messeinrichtung und die Bereitstellung eines zweiten Messwertes durch die zweite Messeinrichtung auszulösen. Danach erfolgt die Übermittlung des zweiten Messwertes von der zweiten Messeinrichtung an die Auswerteinheit. Der Begriff „Auslösesignal“ ist weit auszulegen und ist in einer Ausgestaltung durch ein Interruptsignal definiert. Bevorzugt wird das Aussenden wenigstens eines Auslösesignals aus erstem und zweitem Auslösesignal durch die Auswerteinheit getriggert.
  • Erfindungsgemäß ist ein vorgegebener zeitlicher Versatz, auch „delay“ genannt, zwischen dem Aussenden des ersten Auslösesignals und dem Aussenden des zweiten Auslösesignals so gewählt, dass ein im Wesentlichen synchroner, d.h. möglichst zeitgleicher, Messvorgang der ersten und zweiten Messeinrichtung durchgeführt wird. Bevorzugt wird als ein im Wesentlichen synchroner Messvorgang der ersten und zweiten Messeinrichtung dann verstanden, wenn ein zeitlicher Abstand zwischen dem Messvorgang der ersten Messeinrichtung und dem Messvorgang der zweiten Messeinrichtung 1ms, bevorzugt 100 µs, noch bevorzugter 50 µs nicht übersteigt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt zeitlich nachfolgend der Übermittlung des ersten und zweiten Messwertes ein Weiterverarbeiten des ersten und zweiten Messwertes, beispielsweise Vergleich des ersten und zweiten Messwertes, durch die Auswerteinheit.
  • Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird sichergestellt, dass die Messwerterfassung bei redundanter Auslegung der Messeinrichtungen und redundanter Auslegung der zugehörigen Kommunikationsbuseinrichtungen im Wesentlichen synchron erfolgt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Kommunikationsbus und der zweite Kommunikationsbus gemeinsame elektrische Leitungen aufweisen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste und zweite Kommunikationsbus unterschiedliche elektrische Leitungen ausweisen, um zwischen der zugehörigen Messeinrichtung und der Auswerteinheit den jeweiligen Messwert zu übertragen.
  • Bevorzugt unterscheiden sich die Leitungslängen der elektrischen Leitungen zwischen der ersten Messeinrichtung und der Auswerteinheit einerseits und der zweiten Messeinrichtung und der Auswerteinheit andererseits. Die sich durch unterschiedliche Leitungslängen ansonsten ergebenden Auslöseverzögerungen können durch das erfindungsgemäße Verfahren vergleichsweise einfach durch entsprechenden Zeitversatz kompensiert werden.
  • In einer Ausgestaltung nutzen der erste und zweite Kommunikationsbus ein identisches Kommunikationsprotokoll. Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich der erste und zweite Kommunikationsbus im verwendeten Kommunikationsprotokoll unterscheiden. Die sich durch die unterschiedlichen Verarbeitungs- und Übertragungsgeschwindigkeiten unterschiedlicher Protokolle ergebende Verzögerung kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vergleichsweise einfach durch entsprechenden Zeitversatz der Auslösesignale kompensiert werden.
  • Erfindungsgemäß unterscheiden sich die erste und zweite Messeinrichtung im physikalischen Messverfahren zur Ermittlung der Messwerte, beispielsweise wird der erste Messwert mittels Spannungsabfall an einem Shunt und der zweite Messwert mittels induzierter Hallspannung eines Hallsensors ermittelt.
  • In einer Ausgestaltung werden durch die erste und zweite Messeinrichtung identische physikalische Messgrößen ermittelt, um eine redundante Messwerterfassung zu erreichen. Bevorzugt sind die erste und zweite Messeinrichtung ausgelegt unterschiedliche, den Messwerten zugehörige Messgrößen zu erfassen, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus elektrische Spannung, elektrische Stromstärke und Temperatur Bevorzugt sind der erste und zweite Messwert jeweils einer physikalischen Messgröße einer Batterie zugeordnet, beispielsweise sind der erste und zweite Messwert einer singulären Zelle eines Batteriezellenverbundes, auch Batterie-Stack genannt, zugeordnet.
  • Das Verfahren findet insbesondere Verwendung im Kraftfahrzeug, beispielsweise bei der Überwachung der Batterie, wie der Antriebsbatterie, oder einzelnen Zellen davon. Als durch die jeweilige Messeinrichtung zu überwachende Messwerte kommen beispielsweise der elektrische Strom, die elektrische Spannung oder die Temperatur in Frage, wobei diese beispielsweise während des Ladevorgangs und/oder während des Entladevorgangs überwacht werden können. Erfindungsgemäß kann beispielsweise der erste und zweite Messwert, dieselbe physikalische Messgröße wie den Strom betreffen, es ist aber denkbar, dass es lediglich darauf ankommt synchron zwei Messwerte zu erfassen, obwohl diese unterschiedliche physikalische Messgrößen betreffen. Beispielsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Batteriestrom synchron an unterschiedlichen Messpunkten einer aus mehreren elektrisch leitend verbundenen Batteriezellen bestehenden Batterie gemessen. In einer anderen Ausgestaltung wird das Verfahren dazu verwendet, synchron die Batteriegesamtspannung und den Batteriegesamtstrom zur Leistungsermittlung zu messen. In noch einer weiteren Ausgestaltung wird das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet, die Gesamtspannung und die Spannung der Einzelzelle zu erfassen um eine Spannungsplausibilisierung für Diagnosezwecke durchzuführen. In einer anderen Ausgestaltung werden die Spannung der Einzelzelle und der Batteriestrom synchron erfasst, um mit hoher Präzision den Ladezustand (SOC) und/oder den „State-of-Health“ (SoH) der jeweiligen Einzelzelle bzw. der Batterie beurteilen zu können.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des zeitlichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens aus 1.
  • Wie in 1 gezeigt, wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels einer ersten Messeinrichtung 1 und einer zweiten Messeinrichtung 2 betrieben. Die erste Messeinrichtung 1 und die zweite Messeinrichtung 2 sind ausgelegt den durch einen elektrischen Leiter 6 geführten elektrischen Strom einer nicht dargestellten Batteriezelle eines Batteriezellenverbundes zu messen. Die erste Messeinrichtung 1 umfasst einen Hallsensor während die zweite Messeinrichtung 2 einen in den Stromverlauf der Batteriezelle integrierten Shunt-Widerstand aufweist. Die erste Messeinrichtung 1 ist über einen eine Schnittstelle zu einem ersten Kommunikationsbus 7 ausbildenden Mikrocontroller 3 über besagten ersten Kommunikationsbus 7 mit einer Auswerteinheit 5 verbunden, um eine bidirektionale Kommunikation zwischen der ersten Messeinrichtung 1 und der Auswerteinheit 5 zu etablieren. Die zweite Messeinrichtung 2 ist über einen eine Schnittstelle zu einem zweiten Kommunikationsbus 8 ausbildenden Mikrocontroller 4 über besagten zweiten Kommunikationsbus 8 mit der Auswerteinheit 5 verbunden, um eine bidirektionale Kommunikation zwischen der zweiten Messeinrichtung 2 und der Auswerteinheit 5 zu etablieren. Der erste Kommunikationsbus 7 und der zweite Kommunikationsbus 8 etablieren die Kommunikation über separate Leitungen, so dass insgesamt die Messeinrichtungen samt zugehöriger, für die jeweilige Kommunikation zur Auswerteinheit 5 vorgesehener Infrastruktur redundant ausgelegt sind. Die Auswerteinheit 5 erhält somit zwei die elektrische Stromstärke repräsentierende Messwerte, die in 2 mit W1 und W2 bezeichnet sind. Diese werden vergleichend durch die Auswerteinheit 5 ausgewertet und ein durch den Vergleich qualifizierter Ergebniswert in der Auswerteinheit 5 weiterverarbeitet oder an eine andere nicht dargestellte Einheit zur Weiterverarbeitung übermittelt.
  • Anhand der 2 wird der zeitliche Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der synchrone Messvorgang zum Zeitpunkt ts. Dazu bedarf es eines ersten Auslösesignals I1 zum Aussendezeitpunkt t1, welches einen Messvorgang der ersten Messeinrichtung 1 zur Messung und Bereitstellung des ersten Messwertes W1 triggert und eines zweiten Auslösesignals I2 zum Aussendezeitpunkt t2, welches einen Messvorgang der zweiten Messeinrichtung 2 zur Messung und Bereitstellung des zweiten Messwertes W2 triggert. Beide werden mit einem zeitlichen Versatz Δt, hier aber nicht zwingend von der Auswerteinheit 5 über den ersten Kommunikationsbus 7 bzw. den zweiten Kommunikationsbus 8, versandt, um eine synchrone Messwerterfassung und Bereitstellung der ersten Messeinrichtung 1 und zweiten Messeinrichtung 2 zum Zeitpunkt ts zu erreichen.
  • Der vorgegebene Versatz Δt, also der Zeitunterschied zwischen t1 und t2 ist unter Berücksichtigung von Laufzeitunterschieden der Auslösesignale 11, 12 und der Unterschiede in der Verarbeitungs- und Messgeschwindigkeit der Messeinrichtungen 1, 2 vorausgewählt. Die Genauigkeit der Synchronisierung der Messvorgänge zum Messzeitpunkt ts beträgt ≤ (kleiner gleich) 100µs.
  • Nach Ermittlung und Bereitstellung des Messwertes W1 bzw. W2 erfolgt zum Zeitpunkt t3 beziehungsweise t4 jeweils die Übermittlung der Messwerte W1 bzw. W2 an die Auswerteinheit 5, was erfindungsgemäß ebenso wie der Empfang durch die Auswerteinheit 5 nicht zwingend synchron erfolgen muss. In der Auswerteinheit 5 erfolgt wie zuvor beschrieben die Weiterverarbeitung.

Claims (10)

  1. Verfahren zur synchronen Messwertbereitstellung mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Auswerteinheit (5) und einer ersten Messeinrichtung (1) und einer zweiten Messeinrichtung (2) sowie eines ersten Kommunikationsbusses (7) und eines zweiten Kommunikationsbusses (8), wobei die erste Messeinrichtung (1) über den ersten Kommunikationsbus (7) mit der Auswerteinheit (5) kommuniziert und die zweite Messeinrichtung (2) über den zweiten, von dem ersten Kommunikationsbus (7) unabhängigen Kommunikationsbus (8) mit der Auswerteinheit (5) kommuniziert; Aussenden eines ersten Auslösesignals (I1) an die erste Messeinrichtung (1) über den ersten Kommunikationsbus (7), um einen Messvorgang der ersten Messeinrichtung (1) und die Bereitstellung eines ersten Messwertes (W1) durch die erste Messeinrichtung (1) auszulösen; und Übermittlung des ersten Messwertes (W1) an die Auswerteinheit (5) über den ersten Kommunikationsbus (7); Aussenden eines zweiten Auslösesignals (I2) an die zweite Messeinrichtung (2) über den zweiten Kommunikationsbus (8), um einen Messvorgang der zweiten Messeinrichtung (2) und die Bereitstellung eines zweiten Messwertes (W2) durch die zweite Messeinrichtung (2) auszulösen; und Übermittlung des zweiten Messwertes (W2) an die Auswerteinheit (5) über den zweiten Kommunikationsbus (8); wobei ein vorgegebener zeitlicher Versatz (Δt) zwischen dem Aussendezeitpunkt (t1) des ersten Auslösesignals (I1) und dem Aussendezeitpunkt (t2) des zweiten Auslösesignals (12) so gewählt ist, dass ein im Wesentlichen synchroner Messvorgang der ersten Messeinrichtung (1) und der zweiten Messeinrichtung (2) zum Messzeitpunkt (ts) durchgeführt wird; Weiterverarbeiten des ersten Messwertes (W1) und des zweiten Messwertes (W2), beispielsweise Vergleich des ersten Messwertes (W1) und zweiten Messwertes (W2), durch die Auswerteinheit (5), dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Messeinrichtung (1) und zweite Messeinrichtung (2) in dem beim zugehörigen Messvorgang angewandten physikalischen Messverfahren unterscheiden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Kommunikationsbus (7) und zweite Kommunikationsbus (8) unterschiedliche elektrische Leitungen zur Übermittlung des ersten Messwertes (W1) oder des zweiten Messwertes (W2) an die Auswerteinheit (5) aufweisen.
  3. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die Leitungslängen der elektrischen Leitungen zwischen der zugehörigen Messeinrichtung (1, 2) und der Auswerteinheit (5) unterscheiden.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein im Wesentlichen synchroner Messvorgang der ersten Messeinrichtung (1) und der zweiten Messeinrichtung (2) durch einen zeitlichen Abstand zwischen dem Messzeitpunkt der ersten Messeinrichtung (1) und dem Messzeitpunkt der zweiten Messeinrichtung (2) von 1ms oder weniger, bevorzugt von 100 µs oder weniger, noch bevorzugter von 50 µs oder weniger definiert ist.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der erste Kommunikationsbus (7) und der zweite Kommunikationsbus (8) im verwendeten Kommunikationsprotokoll unterscheiden.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Messwert (W1) einem mittels eines Shunts gemessenen, elektrischen Spannungsabfall entspricht und der zweite Messwert (W2) einer mittels eines Hallsensors gemessenen Hallspannung entspricht,
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messeinrichtung (1) und zweite Messeinrichtung (2) jeweils unterschiedliche, dem jeweiligen Messwert entsprechende Messgrößen ermitteln und bereitstellen.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem ersten Messwert (W1) und dem zweiten Messwert (W2) jeweils eine Messgröße zugeordnet ist, die aus der Gruppe, umfassend elektrische Spannung, Temperatur und elektrischer Strom, ausgewählt ist.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Messwert (W1) und der zweite Messwert (W2) jeweils eine physikalische Messgröße einer Batterie, beispielsweise jeweils einer Zelle eines Batterieverbundes, zugeordnet ist.
  10. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem batteriebetriebenen Kraftfahrzeug.
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