DE102018212763A1 - Messeinrichtung - Google Patents

Abstract

Es werden eine Messeinrichtung zum Messen eines Stroms in einem Bordnetz und ein Verfahren zum Messen eines Stroms in einem Bordnetz vorgestellt. Das Übertragungsverhalten der Messeinrichtung ist während der Messung durch eine erste Modulation zu verändern.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Messen eines Stroms in einem Bordnetz und ein Verfahren zum Messen eines Stroms, insbesondere mit einer solchen Messeinrichtung. Die Messeinrichtung wird hierin auch als Strommesseinrichtung bezeichnet.
• Stand der Technik
• Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Batterien, umfasst. Man unterscheidet dabei zwischen dem Energiebordnetz und dem Kommunikationsbordnetz, wobei hierin vor allen Dingen auf das Energiebordnetz eingegangen wird, das dafür zuständig ist, die Komponenten des Kraftfahrzeugs mit Energie zu versorgen. Zur Steuerung des Bordnetzes ist üblicherweise ein Mikrocontroller vorgesehen, der neben Steuerungsfunktionen auch Überwachungsfunktionen ausführt.
• In einem Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
• Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrzeugfunktionen, wie bspw. einem automatischen, hochautomatischen oder autonomen Fahren, steigt die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass die Anzahl an leistungselektrischen Systemen stetig anwächst. Wenn eines dieser Systeme ausfällt, kann es dazu kommen, dass die Bordnetzspannung außerhalb des normalen Betriebsbereichs gerät, was zu einem Ausfall von Komponenten und damit der Beeinträchtigung der Sicherheit der Fahrzeuginsassen führen kann.
• In Fahrzeugen, die ein teil- oder hochautomatisiertes Fahren erlauben, werden besondere Anforderungen an die Stromversorgung von sicherheitsrelevanten Komponenten, wie bspw. Lenkung, Bremsen usw., gestellt. Da auch andere, sicherheitstechnisch nicht relevante Baugruppen an der gleichen Versorgung arbeiten, müssen diese beiden Bereiche entweder sicherheitstechnisch getrennt oder aber die einzelnen beteiligten Baugruppen sicherheitstechnisch überwacht werden. Besondere Bedeutung kommt dabei der Strommessung zu. Die Strommessung soll sicherstellen, dass einzelne Komponenten keine unzulässig hohen Ströme aus dem Bordnetz entnehmen und auf diese Weise die Versorgung der sicherheitsrelevanten Systeme gefährden. Hierfür muss sichergestellt werden, dass die Strommessung auch zuverlässig arbeitet.
• Ein bekannter Ansatz sieht vor, dass zwei voneinander unabhängige Strommesseinrichtungen verwendet werden. Um sicherzustellen, dass keine systematischen Fehler vorliegen, kann darüber hinaus ein diversitär redundanter Ansatz verwendet werden. Nachteilig an diesem Ansatz sind die hohen Kosten. Beim diversitär redundanten Ansatz kommen zusätzlich noch die erhöhten Entwicklungskosten hinzu.
• Offenbarung der Erfindung
• Vor diesem Hintergrund werden eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
• Es wird somit eine Messeinrichtung zur Strommessung vorgestellt, deren Übertragungsverhalten durch verschiedene Maßnahmen während der Messung zu verändern ist, d. h. dass das Übertragungsverhalten manipuliert bzw. moduliert werden kann. Die Messeinrichtung ändert sich somit während der Messung nachvollziehbar in ihrer Charakteristik.
• Hierbei kann die Veränderung bzw. Modulation durch elektrische Schalter im Messpfad vorgenommen werden. Die Modulation des Übertragungsverhaltens kann bspw. mit hoher Frequenz, aber noch innerhalb des Übertragungsbereichs der Messeinrichtung erfolgen. Darüber hinaus kann eine zweite Modulation, die sich entgegen der ersten Modulation auswirkt und funktional abhängig, d. h. in zeitlicher Abhängigkeit, von dieser ist, vorgenommen werden kann.
• Die beiden Modulationen können sich in mindestens einem Arbeitspunkt eliminieren.
• Bei der Messeinrichtung können zudem mehrere Messkanäle gleichzeitig verwendet werden.
• Die Messeinrichtung kann als Messelement bspw. einen Messwiderstand bzw. Shunt oder eine Halbleiterstrecke haben.
• Darüber hinaus kann bzw. können die gesamte(n) Messkette(n) innerhalb eines integrierten Bausteines, bspw. eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC), umgesetzt werden. Außerdem kann die Auswirkung der Modulationen auf das System statistisch ausgewertet werden. Dies dient der Überprüfung der Funktionalität der Messkette.
• Zu beachten ist, dass der vorgeschlagene Ansatz nur einen einzigen Messpfad pro Messsignal verwendet, um diese Kosten zu vermeiden.
• Der hier vorgeschlagene Ansatz verwendet in Ausgestaltung eine im Betrieb kontinuierlich ablaufende Selbstüberprüfung der Messeinrichtung, um einen hohen Sicherheitslevel zu erreichen.
• Das vorgestellte Verfahren dient zum Messen eines Stroms in einem Bordnetz, typischerweise einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Dieses Verfahren wird mit einer Messeinrichtung, insbesondere einer Messeinrichtung der hierin beschriebenen Art, durchgeführt. Bei dem Verfahren wird während der Messung die Messeinrichtung dahingehend manipuliert bzw. moduliert, dass sich deren Übertragungsverhalten ändert.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
• Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Figurenliste
• 1 zeigt in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform der beschriebenen Messeinrichtung.
• 2 zeigt in einem Graphen ein Beispiel einer Auswertung eines Messsignals in einem Rauschsignal.
• Ausführungen der Erfindung
• Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
• 1 zeigt eine Ausführung einer Strommesseinrichtung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist und die an verschiedenen Punkten moduliert und damit auf die korrekte Funktion überprüft werden kann.
• Die Darstellung zeigt einen möglichen Aufbau der vorgestellten Strommesseinrichtung. Von rechts nach links beginnend der zu schützende Versorgungsbereich, der hier als Batterie 12 dargestellt. Danach die beiden Elemente Verbraucher 14 und der Strommesssensor 16, der hier als Leistungsschalter ausgeführt ist. Die weiteren Elemente OP1 20 und OP2 22 dienen als sogenannter Stromspiegel (OP1) und als sogenannter Buffer (OP2).
• Ganz links dargestellt sind OP3 30 als Stromquelle und OP2 32 als Spannungsquelle. Funktional ist der Block 40 für die Versorgung der Messeinrichtung 10 zuständig, der mittlere Block 50 in Verbindung mit dem Messelement bzw. Strommesssensor 16, in diesem Fall der Leistungsschalter, ist die eigentliche Messeinrichtung.
• Beginnend jetzt auf der linken Seite der 1. OP3 30 als Stromquelle prägt in den Zweig R1 33, T1 35, R3 37, T2 39 einen konstanten Strom ein. Die Höhe des Stroms ermittelt sich aus der Referenzspannung am positiven Eingang des OP3 30 und an der Größe des R1 33.
• Am positiven Eingang des OP2 32 liegt eine Spannung an, hier die Versorgungsspannung. Damit ist sichergestellt, dass am Fußpunkt des R3 37 dieselbe Spannung anliegt. Nachdem der Strom durch R3 37 derselbe ist, der vorher durch OP3 30 festgelegt wurde, ist damit auch die Spannung am oberen Punkt des R3 37 bekannt.
• Im Messpfad (Block 50) wird jetzt die im Versorgungspfad (Block 40) festgelegte Spannung verwendet, um daraus das Messsignal zu generieren. Am Fußpunkt von R8 41 liegt das gleiche Potential wie am Fußpunkt des Stromsensors 16. Fließt kein Strom durch den Sensor 16, ist U_DS=0. Damit liegt der positive Eingang des OP1 20 auf Versorgungsspannung.
• Insgesamt stellt sich der zu messende Strom folgendermaßen dar: $$\text{F}1)\text{ l}\_\text{mess}=\left(\text{l}\_\text{load}*\text{RdsOn}+\text{Vref}*\text{R3}/\text{R1}\right)/\text{R8}$$

  

  bzw. als für die weitere Verarbeitung sinnvollere Spannung: $$\text{F2})\text{ Umess}=\left(\text{l}\_\text{load}*\text{RdsOn}+\text{Vref}*\text{R3}/\text{R1}\right)*\text{R}9/\text{R8}$$

  
• Es gibt jetzt schaltungstechnisch eine Vielzahl von Möglichkeiten, auf diese Messung Einfluss zu nehmen. Beispielhaft sind in 1 die Schalter Test1 70, Test2 72 und Test3 74 dargestellt.
• Vorgeschlagen wird bspw. eine Veränderung, die idealerweise im gewählten Messpunkt zu keiner Veränderung des Ausgangswertes führt, beispielhaft S2 72. Wenn hier im Stromnullpunkt (I_load=0) gemessen wird, hängt das Ergebnis ausschließlich von der Höhe der Referenzspannung Vref sowie vom Verhältnis R3*R9/(R1*R8) ab.
• Das bedeutet, in diesem Arbeitspunkt kann eine Erhöhung der Vref, z. B. S2 72 öffnen, mit einer Verringerung des R9 (Bezugsziffer 57) Pfads (S3 74 schließen) kompensiert werden. Nachdem jede dieser Einzelmaßnahmen zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen würde, hat ein Beibehalten des Ergebnisses bei gleichzeitigem Einsatz beider Maßnahmen zwingend die korrekte Funktion der gesamten Messeinrichtung zur Konsequenz.
• Nachdem das Verfahren bei weiterhin aktiver Messung erfolgen soll, die entsprechenden Einwirkungen können rechnerisch korrigiert werden, ist jedoch nicht zu erwarten, dass während der Manipulation der Laststrom immer konstant bzw. bei Null bleibt. Damit lässt sich aus der Einzelmessung nur bedingt auf die Richtigkeit der vorstehend genannten Aussage schließen.
• Im gezeigten Beispiel wird somit eine Strommesseinrichtung verwendet, deren Messelement als sogenannter Shunt bzw. Messwiderstand oder als Halbleiterstrecke innerhalb eines Leistungsschalters ausgeführt ist. Derartige Messeinrichtungen sind üblich und anwendungsabhängig auch kostengünstig. Der Einbau des Messelementes erfolgt aus funktionalen Gründen im sogenannten High-Side Pfad was die Messeinrichtung aufwändiger gestaltet.
• 2 zeigt in einem Graphen 100 ein Modulationssignal 102, das zugehörige vom Rauschen, nämlich einer Veränderung des Eingangsstromes während der Modulation, überlagerte Ausgangssignal, z. B. Umess 104, und das nach statistischer Auswertung, d. h. das Ausgangssignal 104 n-mal übereinandergelegt, jeweils synchron zum Eingangssignal erhaltene Auswertesignal 106. In diesem Signal lässt sich der Zusammenhang zum Eingangssignal 102 exakt, d. h. zeit- und wertdiskret, hier 180 ° phasenverschoben, detektieren.
• Vorgeschlagen wird deswegen weiterhin die Auswertung der Wirkung der vorgeschlagenen Veränderungen innerhalb der Messkette mit statistischen Methoden vorzunehmen.

Claims (10)

1. Messeinrichtung zum Messen eines Stroms in einem Bordnetz, deren Übertragungsverhalten während der Messung durch eine erste Modulation zu verändern, d. h. zu manipulieren oder zu modulieren, ist.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Modulation durch mindestens einen elektrischen Schalter (70, 72, 74) in einem Messpfad vorzunehmen ist.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Modulation des Übertragungsverhaltens innerhalb des Übertragungsbereichs der Messeinrichtung (10) erfolgen kann.
4. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die dazu eingerichtet ist, eine zweite Modulation vorzunehmen, die der ersten Modulation entgegenwirkt und funktional abhängig von dieser vorgenommen werden kann.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 4, bei der die beiden Modulationen derart sind, dass diese sich in mindestens einem Arbeitspunkt eliminieren.
6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die dazu eingerichtet ist, mehrere Messkanäle gleichzeitig zu verwenden.
7. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die in einem integrierten Baustein, bspw. einem ASIC, umgesetzt ist.
8. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die dazu eingerichtet ist, die Auswirkungen der Modulationen auf die Messeinrichtung (10) statistisch auszuwerten.
9. Verfahren zum Messen eines Stroms in einem Bordnetz mit einer Messeinrichtung (10), deren Übertragungsverhalten während der Messung durch eine erste Modulation zu verändern, d. h. zu manipulieren oder zu modulieren, ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, das mit einer Messeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird.

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