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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines Batteriesensors, wobei der Batteriesensor eine Strommesseinrichtung zur Erfassung des Batteriestroms sowie eine Spannungsmesseinrichtung zur Erfassung der Batteriespannung aufweist, wobei die Strommesseinrichtung einen Messwiderstand, eine Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Spannungsabfalls über dem Messwiderstand sowie eine Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Ausgabewertes des über den Messwiderstand fließenden Stroms aus dem elektrischen Widerstand des Messwiderstandes sowie einem Eingangswert des erfassten Spannungsabfalls über den Messwiderstand aufweist, wobei die Auswerteschaltung zumindest zwei Verstärkerstufen sowie einen Umschalter für die Verstärkerstufen aufweist, wobei die Verstärkerstufen in Abhängigkeit von der Höhe des erfassten Spannungsabfalls ausgewählt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen solchen Batteriesensor.
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Batteriesensoren werden in Fahrzeugen zur Erfassung von Batterieparameter verwendet, um den Zustand der Fahrzeugbatterie, insbesondere den Ladezustand der Fahrzeugbatterie zu beurteilen. Der Batteriesensor kann beispielsweise den Batteriestrom und/oder die Batteriespannung erfassen. Zur Erfassung des Batteriestroms weist der Batteriesensor beispielsweise einen im Strompfad angeordneten Messwiderstand (Shunt) sowie zumindest eine Messeinheit auf, die den Spannungsabfall eines über den Messwiderstand fließenden Stromes erfassen kann. Ist der elektrische Widerstand des Messwiderstandes bekannt, kann mit dem gemessenen Spannungsabfall der über den Messwiderstand fließende Strom ermittelt werden. Um die Verlustleistung speziell bei sehr hohen Strömen gering zu halten, ist der elektrische Widerstand des Messwiderstands extrem klein und liegt im Bereich von ca. 50-150 µOhm
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Durch den sehr kleinen elektrischen Widerstand des Messwiderstandes ist der am Messwiderstand auftretende Spannungsabfall bei sehr kleinen Strömen sehr gering. Unabhängig von der Größe des Spannungsabfalls muss dieser mit einer hohen Präzision gemessen werden, um eine genaue Bestimmung des Batteriestroms zu ermöglichen.
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Um verschieden große Spannungsabfälle genau zu messen, ist beispielsweise ein Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor vorgesehen, wobei für jeden Verstärkungsfaktor eine Verstärkerstufe vorgesehen ist. Der verstärkte gemessene Spannungsabfall kann vom Verstärker an einen Analog-Digital-Wandler ausgegeben werden, von dem das Signal in mehreren Stufen digital gefiltert und skaliert wird. Die Skalierung umfasst sowohl nominale als auch kalibrierte Werte für den Verstärkungsfaktor, die Referenzspannung und den Messwiderstand sowie eine Offsetkorrektur, an deren Ende ein Digitalwert vorliegt, der dem zu messenden Strom entspricht.
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Der Analog-Digitalwandler erzeugt ein digitales Rohsignal, dessen Wert das Verhältnis der verstärkten Messspannung zu einer vorgegebenen ersten Referenzspannung widerspiegelt. Der Messbereich des Analog-Digital-Wandlers wird durch diese erste Referenzspannung begrenzt.
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Die Aufgabe des Verstärkers ist es, die Messspannung einerseits möglichst stark zu verstärken, damit sie vom Analog-Digital-Wandler mit möglichst guter Auflösung gemessen werden kann. Andererseits darf die Verstärkung nicht zu stark sein, damit der Verstärker nicht übersteuert wird und der Messbereich des Analog-Digital-Wandlers nicht überschritten wird.
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Deshalb wird jeweils die geeignete Verstärkerstufe bzw. der geeignete Verstärkungsfaktor ausgewählt, bei der eine möglichst hohe Signalverstärkung ohne eine Übersteuerung erfolgt.
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Die Analog-Digital-Wandler oder die Signalverstärker können aber einen absoluten Messfehler, einen sogenannten Offset, aufweisen, der zu einer Ungenauigkeit der Messergebnisse führen kann.
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Des Weiteren ist die Anzahl der verschiedenen Verstärkungsstufen des Verstärkers begrenzt, da die Verstärkung jeder einzelnen Verstärkungsstufe bei der Herstellung des Stromsensors individuell kalibriert und getestet werden muss, was Zeit und Kosten verursacht. Zudem erzeugt ein zu häufiges Umschalten des Verstärkers im Messbetrieb Einschwingvorgänge, die zu Totzeiten führen, während der die Messung eingeschränkt ist, und die daher unerwünscht sind.
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In der Praxis werden beim Intelligenten Batteriesensor variable Verstärker mit Verstärkungsstufen im Bereich von 1..512 eingesetzt, die sich jeweils um einen Verstärkungsfaktor von 2...4 unterscheiden.
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Da die vom Batteriesensor erzeugten Messwerte in zunehmenden Maß auch von sicherheitsrelevanten Funktionen im Fahrzeug verarbeitet werden, ist eine Diagnose der Strommessung erforderlich. Dazu wird beispielsweise von Zeit zu Zeit der Messbetrieb unterbrochen, indem über einen Umschalter anstelle der Messspannung eine bekannte Referenzspannung an den Eingang des variablen Verstärkers angelegt wird. Der Ausgangswert dieser Referenzspannung kann mit einem Sollwert verglichen werden. Wenn der Wertevergleich nicht innerhalb enger Toleranzen gleiche Werte ergibt, weicht entweder der Verstärkungsfaktor des Verstärkers, die Referenzspannung oder ein im nichtflüchtigen Speicher abgelegter Skalierungsfaktor vom Sollwert ab, oder der vorberechnete oder kalibrierte Sollwert des Diagnosemesswerts ist fehlerhaft. In jedem Fall ist die Strommessung als fehlerhaft zu bewerten und es wird ein entsprechendes Fehlersignal an ein mit dem Batteriesensor verbundenes Steuergerät ausgegeben, das einen geeigneten sicheren Zustand des Fahrzeugs herbeiführt, beispielsweise durch Abschalten von Funktionen, die Signale des Batteriesensors verarbeiten.
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Mit einer Referenzspannung kann aber die Funktion des variablen Verstärkers nur für einen Teil der vorgegebenen Verstärkungsfaktoren überprüft werden. Um alle Verstärkungsfaktoren zu prüfen, wären mehrere Referenzspannungen erforderlich, die bei dem jeweils zugeordneten Verstärkungsfaktor an einem geeigneten Arbeitspunkt des Verstärkers und des Analog-Digital-Wandlers liegen. Diese mehreren Referenzspannungen müssten aber bei oder vor der Herstellung des Batteriesensors alle einzeln kalibriert und getestet werden. Zudem müsste über die Lebensdauer des Batteriesensors jede Verstärkungsstufe von Zeit zu Zeit einzeln mithilfe der jeweiligen Referenzspannung überprüft werden, wozu jeweils der Strommessbetrieb unterbrochen werden müsste.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Prüfung eines Batteriesensors sowie einen Batteriesensor bereitzustellen, die eine einfachere Überwachung der Funktion des Batteriesensors ermöglichen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren zur Prüfung eines Batteriesensors vorgesehen, wobei der Batteriesensor eine Strommesseinrichtung zur Erfassung des Batteriestroms sowie eine Spannungsmesseinrichtung zur Erfassung der Batteriespannung aufweist. Die Strommesseinrichtung weist einen Messwiderstand, eine Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Spannungsabfalls über dem Messwiderstand sowie eine Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Ausgabewertes des über den Messwiderstand fließenden Stroms aus dem elektrischen Widerstand des Messwiderstandes sowie einem Eingangswert des erfassten Spannungsabfalls über den Messwiderstand auf. Die Auswerteschaltung weist zumindest zwei Verstärkerstufen sowie einen Umschalter für die Verstärkerstufen auf, wobei die Verstärkerstufen in Abhängigkeit von der Höhe des erfassten Spannungsabfalls ausgewählt wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Identifizieren eines Zustandes, in dem eine Ermittlung eines Ausgabewertes mit zwei benachbarten Verstärkerstufen möglich ist,
- - mit einer ersten Verstärkerstufe Ermitteln eines ersten Wertes des Innenwiderstandes der Fahrzeugbatterie aus einer zu einem ersten Zeitpunkt ermittelten ersten Batteriespannung und eines ersten Batteriestroms und zu einem zweiten Zeitpunkt ermittelten zweiten Batteriespannung und eines zweiten Batteriestroms,
- - mit einer zweiten Verstärkerstufe, Ermitteln eines zweiten Wertes des Innenwiderstandes der Fahrzeugbatterie aus einer zu einem ersten Zeitpunkt ermittelten ersten Batteriespannung und eines ersten Batteriestroms und zu einem zweiten Zeitpunkt ermittelten zweiten Batteriespannung und eines zweiten Batteriestroms
- - Vergleich des ersten Wertes des Innenwiderstandes und des zweiten Wertes des Innenwiderstandes,
- - Ausgabe eines Fehlersignals, wenn die Abweichung zwischen dem ersten Wert des Innenwiderstandes und dem zweiten Wert des Innenwiderstandes größer ist also ein definierter Grenzwert.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Methode zur Verfügung, mit der alle anderen Verstärkungsstufen eines variablen Verstärkers regelmäßig überwacht werden können. Dazu wird ausgenutzt, dass der Batteriesensor neben der regelmäßigen Messung des Batteriestroms auch regelmäßig die Batteriespannung misst und anhand dieser beiden regelmäßigen Messungen auch eine regelmäßige Innenwiderstandsberechnung der Batterie durchführt.
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Der Innenwiderstand der Batterie wird im Prinzip anhand der Formel Ri = (U2-U1)/(12-11) berechnet, wobei U1 und 11 jeweils zum gleichen ersten Zeitpunkt gemessene erste Spannungs- und Strom messwerte sind und U2 und 12 jeweils zum gleichen zweiten Zeitpunkt gemessene zweite Spannungs- und Strommesswerte.
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Dieses Grundprinzip kann durch eine geeignete Filterung der Eingangswerte U1, U2, 11, 12 und eine weitere Filterung der Rohwerte Ri sowie der Anwendung von Korrekturwerten weiter verfeinert werden, mit dem Ziel, den Ohmschen Widerstandsanteil der Batterie möglichst exakt zu berechnen.
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Unabhängig davon kann vorausgesetzt werden, dass sich der Batterie-Innenwiderstand zeitlich nur langsam ändert. Jedoch ist bei manchen Batterien eine Abhängigkeit der berechneten Ri-Rohwerte von der Größe des jeweiligen Lade- oder Entladestroms zu beobachten. Jedoch muss unabhängig vom Messbereich des Strommessgeräts bei jeweils ähnlich großen Strömen und zeitlichen Stromänderungen auch der gleiche rechnerische Wert des Innenwiderstands berechnet werden.
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Die Verstärkerstufen sind so gewählt, dass bezüglich des Verstärkungsfaktors benachbarte Verstärkerstufen sich in einen Grundbereich überschneiden, das heißt, es ist eine Messung mit beiden Verstärkerstufe möglich, wobei die Messung in der Verstärkerstufe mit dem niedrigeren Verstärkungsfaktor eine ausreichend hohe Signalverstärkung erfolgt, um daraus einen Wert des Innenwiderstandes mit einer hohen Genauigkeit zu berechnen, und in der Verstärkerstufe mit dem höheren Verstärkungsfaktor ein Übersteuern des Verstärkers verhindert wird.
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Wenn der vom Batteriesensor gemessene Batteriestrom in einem solchen Messbereich liegt, in dem eine Strommessung in mehreren oder allen Verstärkungsstufen des variablen Verstärkers möglich ist, wird in diesem Betriebszustand der Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie mehrmals hintereinander mit jeweils neuen Eingangs-Messwerten ermittelt, wobei für eine erste Berechnung des Innenwiderstands erste Messwerte U1, U2, 11, 12 gesammelt werden, bei denen die Strommesswerte mit einem ersten Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers gemessen wurden. Die zweite Ermittlung des Innenwiderstands erfolgt mit zweiten neu gemessenen Eingangs-Messwerten erfolgen, deren Strom messwerte mit einem vom ersten verschiedenen zweiten Verstärkungsfaktor gemessen wurden. Die für die verschiedenen Verstärkungsfaktoren separat berechneten Innenwiderstandswerte werden miteinander verglichen und sollten zueinander innerhalb enger Grenzen gleich sein. Falls dies nicht erfüllt ist, kann ein Fehler des Verstärkers in einem oder mehreren Messbereichen vorliegen. In diesem Fall wird ein Fehlersignal an der Kommunikationsschnittstelle für das mit dem Batteriesensor verbundenen Steuergerät erzeugt.
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Dieses Verfahren kann auch angewendet werden, wenn eine Messung mit mehr als zwei Verstärkungsfaktoren möglich ist, so dass mehrere Verstärkerstufen geprüft werden können, indem für alle Verstärkungsfaktoren separat berechnete Innenwiderstandswerte ermittelt werden.
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Liegt ein Zustand, in dem eine Messung mit verschiedenen Verstärkungsfaktoren erfolgen kann, über einen ausreichend langen Zeitraum vor, können der erste Wert des Innenwiderstandes und der zweite Wert des Innenwiderstandes zeitlich unmittelbar aufeinander folgend bestimmt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann ein Speicher vorgesehen ist und der Wert des ersten Innenwiderstandes und/oder der Wert des zweiten Innenwiderstandes werden in diesem Speicher gespeichert. Der zweite Wert des Innenwiderstandes wird mit einem gespeicherten ersten Wert des Innenwiderstandes verglichen.
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Im regulären Fahrzeugbetrieb kann es vorkommen, dass ein Zustand, in dem der Innenwiderstand mit zumindest zwei verschiedenen Verstärkerstufen ermittelt werden kann, nicht über einen ausreichend langen Zeitraum vorliegt, um den Innenwiderstand mit zwei verschiedenen Verstärkerstufen zu ermitteln, oder dass dieser Zustand nur selten vorkommt. Falls der Batteriestrom beispielsweise ansteigt, können Messbereiche mit einem hohen Verstärkungsfaktor nicht mehr geprüft werden, da die Messeinrichtung sonst über Steuern könnte oder die verstärkten Messwerte außerhalb des Messbereichs des analog-Digitalwandlers liegen. Und dennoch den Batteriesensor prüfen zu können, wird bei der Berechnung des Innenwiderstands beobachtet, mit welchem Verstärkungsfaktor die Werte gemessen wurden. Wenn zufällig die für die Innenwiderstandsberechnung notwendige Anzahl Messwerte erreicht wurde, ohne dass eine Umschaltung des Verstärkungsfaktors erfolgen musste, kann dieser Innenwiderstandswert zusammen mit dem Verstärkungsfaktor gespeichert werden. Auf diese Weise wird eine Sammlung von berechneten Innenwiderstandswerten und zugehörigen Verstärkungsfaktoren für die Verstärker-Diagnose angelegt. Ein ermittelter erster Wert des Innenwiderstandes kann mit einem im Speicher abgelegten zweiten Wert des Innenwiderstandes verglichen werden, der vorab ermittelt wurde. Sobald im Speicher mindestens zwei Innenwiderstandswerte mit verschiedenen zugehörigen Verstärkungsfaktoren gespeichert sind, können diese Werte des Innenwiderstandes miteinander verglichen werden und falls die Abweichung einen vordefinierten Grenzwert überschreitet, kann ein Fehler des Verstärkers erkannt werden und ein Fehlersignal ausgegeben werden.
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Für eine Verstärkerstufe können mehrere erste Werte des Innenwiderstandes und/oder mehrere zweite Werte des Innenwiderstandes ermittelt und in einem Speicher gespeichert werden. Für die ersten Wertes des Innenwiderstandes und/oder die zweiten Werte des Innenwiderstandes können jeweils ein Mittelwert und/oder eine Streuung berechnet werden und ein Fehlersignal wird ausgegeben, wenn die Mittelwerte um einen definierten Grenzwert voneinander abweichen. Innerhalb der gespeicherten Werte des Innenwiderstandes werden hierbei die Streuung der Werte und/oder der Mittelwert der Werte mit jeweils gleichem Verstärkungsfaktor auswertet. Wenn die zu unterschiedlichen Verstärkungen gehörenden Mittelwerte paarweise zueinander mehr als die Summe der jeweiligen Streuungen voneinander abweichen, kann auf einen Fehler des Verstärkers geschlossen werden. Ein fixer Grenzwert ist in dieser Ausführungsform nicht notwendig. Der Grenzwert wird in Abhängigkeit von den Mittelwerten bzw den Streuungen ermittelt.
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Der paarweise Vergleich von Sammlungselementen mit benachbarten Verstärkungsfaktoren ist besonders vorteilhaft, da es vorkommen kann, dass Innenwiderstandswerte von höheren Strömen sich von Werten des Innenwiderstandes, die bei niedrigeren Strömen ermittelt wurden, unterscheiden.
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Die im Speicher abgelegten ersten Werte des Innenwiderstandes und/oder die Werte des zweiten Innenwiderstandes können mit einem Zeitstempel und/oder zusätzlichen Batteriezustandsinformationen abgespeichert werden. Der Innenwiderstand der Batterie kann sich mit der Zeit ändern. Durch einen Zeitstempel ist sichergestellt, dass zu alte Werte nicht in die Prüfung einbezogen werden. Alternativ kann durch den abgespeicherten Batteriezustand während der Bestimmung der Werte geprüft werden, ob während der Ermittlung der Werte ein Betriebszustand oder ein Batteriezustand vorlag, bei dem eine deutliche Änderung des Innenwiderstands vorliegen könnte. Zu alte Werte können zudem aus dem Speicher entfernt werden. Alternativ können die zu alten Werte auch als temporär ungeeignet markiert werden. Kehrt der Batteriezustand zu einem späteren Zeitpunkt zu einem vorher bereits einmal erreichten Wert zurück, können die entsprechenden Elemente der Sammlung wieder aktiviert werden.
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Beispielsweise wird die Verstärkerstufe in Abhängigkeit von den für die einzelnen Verstärkerstufen gespeicherten ersten und zweiten Werten des Innenwiderstandes ausgewählt, insbesondere in Abhängigkeit von der Anzahl und/oder des Zeitstempels der jeweils für die Verstärkerstufen gespeicherten ersten und zweiten Werte des Innenwiderstandes. Die Umschaltung zwischen den Verstärkerstufen kann beispielswiese so gesteuert werden, dass für alle Verstärkerstufen eine ausreichend hohe Anzahl aktueller Werte des Innenwiderstandes vorhanden sind. Wenn im Speicher zu wenig Werte mit niedrigen Verstärkungsfaktoren gespeichert sind, kann beispielsweise gezielt die Strategie zur Bereichsumschaltung des Verstärkers zwischen den Verstärkerstufen verändert werden. Es wird dann darauf verzichtet, einen höheren Verstärkungsfaktor anzuwenden, wenn dies eigentlich möglich wäre, ohne den Messbereich zu überschreiten. Dies ist besonders vorteilhaft, weil sehr hohe Ströme, die zur Anwendung von sehr niedrigen Verstärkungsfaktoren führen, eher selten vorkommen. Die Einstellung eines niedrigeren Verstärkungsfaktors führt zur Erhöhung der Anzahl der Messwerte mit niedrigeren Verstärkungsfaktoren. Dabei verliert man etwas Präzision durch die verringerte Auflösung. Andererseits gewinnt man eine höhere Anzahl an Messwerten mit diesem Verstärkungsfaktor, und kann somit über mehr Werte mitteln und gleicht den Auflösungsverlust aus.
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Für zumindest eine Verstärkerstufe kann eine Diagnoseeinrichtung und/oder eine Kalibriereinrichtung zur Ermittlung eines Korrekturwertes für die Verstärkerstufe vorgesehen sein. Diese Verstärkerstufe kann also unabhängig vom Vergleich mit einer anderen Verstärkerstufe geprüft oder kalibriert werden. Wird für diese Verstärkerstufe festgestellt, dass diese korrekt funktioniert, können die benachbarten Verstärkerstufen durch das vorstehend beschriebene Verfahren geprüft werden, ob diese korrekt funktionieren und/oder die erforderliche Genauigkeit aufweisen. Bei Abweichungen kann beispielsweise ein Fehlersignal erzeugt werden oder ein Korrekturwert bestimmt werden, um den Ausfall des Sensors zu signalisieren oder die Abweichungen der Werte zu korrigieren.
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Beispielsweise weist die Diagnoseeinrichtung und/oder die Kalibriervorrichtung zumindest eine Referenzstromquelle auf, die an die Auswerteschaltung einen Strom mit bekannter Spannung anlegen kann, wobei der von der Auswerteschaltung ausgegebene Ausgabewert des Stroms der Referenzstromquelle mit einem Sollwert verglichen wird und, wenn die Abweichung zwischen Ausgabewert und Sollwert einen definierten Wert übersteigt, ein Fehlersignal ausgegeben und/oder aus dem Sollwert sowie dem Ausgabewert ein Korrekturfaktor für die Verstärkerstufe ermittelt wird.
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Zur Lösung der Aufgabe ist des Weiteren ein Batteriesensor mit einer Strommesseinrichtung zur Erfassung des Batteriestroms sowie mit einer Spannungsmesseinrichtung zur Erfassung der Batteriespannung vorgesehen. Die Spannungsmesseinrichtung weist einen Messwiderstand, eine Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Spannungsabfalls über dem Messwiderstand sowie eine Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Ausgabewertes für den Messwiderstand fließenden Stroms aus dem elektrischen Widerstand des Messwiderstandes sowie einem Eingangswert des erfassten Spannungsabfalls über den Messwiderstand auf. Die Auswerteschaltung weist zumindest zwei Verstärkerstufen sowie einen Umschalter für die Verstärkerstufen auf, wobei die Verstärkerstufen in Abhängigkeit von der Höhe des erfassten Spannungsabfalls ausgewählt wird. Es ist eine Steuerung zur Prüfung des Batteriesensor mit einem vorstehend beschriebenen Verfahren vorgesehen.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesem zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 2 ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren; und
- 3 Eine Auswertung verschiedener Mittelwerte und Standardabweichungen der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Werte des Innenwiderstandes
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In 1 ist ein Batteriesensor 10 zur Erfassung von Batterieparametern einer Fahrzeugbatterie 12 gezeigt. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Batterieparameter die Batteriespannung, der Batteriestrom sowie eine Batterietem peratur.
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Die Batteriespannung wird über eine Spannungsmesseinrichtung 14 erfasst, die mit einem ersten Batteriepol 16 kontaktiert ist. Die Spannungsmesseinrichtung 14 weist einen Filter 18 sowie einen ersten Analog-Digitalwandler 20 auf. Aus den erfassten Batteriespannungen werden nach Passieren des Filters 18 mit dem Analog-Digitalwandler 20 digitale Signale erzeugt. In einer Auswerteeinheit 22 können diese digitalen Signale anschließend weiterverarbeitet und beispielsweise an eine Fahrzeugsteuerung 24 ausgegeben werden.
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Der Batteriestrom wird mit dem Shuntprinzip ermittelt. Das heißt, im Stromkreis zwischen dem ersten Batteriepol 16 und den zweiten Batteriepol 26 ist im Laststrompfad 28 ein Messwiderstand 30 mit bekanntem elektrischen Widerstand angeordnet, der vom Laststrom durchströmt wird. Über zwei Spannungsabgriffspunkte 32, 34 wird der Spannungsabfall des Batteriestroms über dem Messwiderstand 30 gemessen. Dieser Spannungsabfall ist gemäß dem ohmschen Gesetz zum einen proportional zum Batteriestrom und zum anderen proportional zum elektrischen Widerstand des Messwiderstandes 30. Aus dem gemessenen Spannungsabfall sowie dem bekannten elektrischen Widerstand des Messwiderstandes 30 kann somit über das ohmsche Gesetz der Batteriestrom berechnet werden.
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Um die Verlustleistung durch den Messwiderstand 30 bei kleinen Batterieströmen möglichst gering zu halten und somit auch kleine Ströme mit einer hohen Genauigkeit messen zu können, ist der elektrische Widerstand des Messwiderstandes 30 sehr klein. Vorzugsweise wird ein elektrischer Widerstand im Bereich von 50-150 µOhm gewählt.
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Um auch kleine Spannungen bzw. Spannungsabfälle mit der erforderlichen Genauigkeit erfassen zu können, werden die Spannungen bzw. Spannungsabfälle nach dem Passieren eines Filters 36 und eines Umschalters 38 mit einem Verstärker 40 mit variablen Verstärkungsfaktor verstärkt und an einen zweiten Analog-Digitalwandler 42 ausgegeben. Der Analog-Digitalwandler 42 erzeugt ein digitales Ausgangssignal, dessen Wert dem Verhältnis der verstärkten Spannung bzw. des Spannungsabfalls zu einer vorgegebenen ersten Referenzspannung entspricht.
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Das Ausgangssignal des Analog-Digitalwandlers 42 wird anschließend in einer Filter 44 gefiltert bzw. skaliert. Die Skalierung umfasst beispielsweise nominale wie auch kalibrierte Werte für den Verstärkungsfaktor, die Referenzspannung und den Messwiderstand sowie eine Offset-Korrektur. Nach der Skalierung liegt ein Digitalwert vor, der dem Batteriestrom entspricht. Dieser Digitalwert wird anschließend ebenfalls an die Auswerteschaltung 22 und gegebenenfalls eine Fahrzeugsteuerung 24 ausgegeben.
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Die Strommesseinrichtung weist des Weiteren eine Referenzstromquelle 46 für einen zweiten Referenzstrom auf, die über den Umschalter 38 an den Verstärker 40 bzw. den Analog-Digitalwandler 42 angelegt werden kann. Über diese Referenzstromquelle 46 bzw. den zweiten Referenzstrom kann, wie nachfolgend erläutert wird, für zumindest eine Verstärkerstufe des Verstärkers 40 eine Kalibrierung bzw. eine Prüfung des Verstärkers 40 durchgeführt werden.
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Des Weiteren weist der Batteriesensor eine Temperaturerfassungseinrichtung 48 auf, die zumindest einen Temperatursensor 50 und einen dritten Analog-Digitalwandler 52 aufweist, über den ein digitales Temperatursignal an die Auswerteschaltung 42 ausgegeben werden kann.
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Der Messbereich des Analog-Digitalwandler wird durch die erste Referenzspannung begrenzt. Der Verstärker 40 soll den gemessenen Spannungsabfall einerseits möglichst stark verstärken, damit diese Analog-Digitalwandler 42 mit einer möglichst guten Auflösung gemessen werden kann. Andererseits darf die Verstärkung nicht zu stark sein, damit der Verstärker nicht übersteuert wird und der Messbereich des Analog-Digitalwandlers 42 nicht überschritten wird.
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Üblicherweise weist der Verstärker 40 mehrere Verstärkerstufen mit jeweils einem Verstärkungsfaktor auf, wobei sich die Verstärkungsfaktoren benachbarter Verstärkerstufen um einen Faktor zwischen 2 und 4 unterscheiden.
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Um über den gesamten Messbereich des Batteriesensors eine hohe Zuverlässigkeit bereitzustellen, ist es erforderlich, alle Verstärkerstufen des Verstärkers 40 zu prüfen.
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Eine Möglichkeit der Prüfung ist das Anlegen der zweiten Referenzspannung über die Referenzstromquelle 46 an den Verstärker 40. Die Stärke der zweiten Referenzspannung ist sehr genau bekannt. Durch eine vorherige Kalibrierung, beispielsweise bei der Herstellung des Batteriesensors 10, ist für eine ausgewählte Verstärkerstufe auch der Digitalwert bekannt ist, den der Verstärker 40 für die zweite Referenzspannung ausgeben muss. Durch das Anlegen der Referenzspannung an den Verstärker 40 kann somit für eine Verstärkerstufe geprüft werden, ob Abweichungen zwischen dem zu erwartenden Wert und dem tatsächlichen ausgegebenen Wert bestehen. Weicht der tatsächliche Wert von dem zu erwartenden Wert ab, wird ein Fehlersignal von der Auswerteschaltung 22 ausgegeben.
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Die Bereitstellung einer solchen Referenzstromquelle 46 ist aber nicht für alle Verstärkerstufen möglich ist bzw. sehr aufwendig, da alle Referenzstromquellen vorab kalibriert und regelmäßig geprüft werden müssen. Aufgrund der verschiedenen Verstärkungsfaktoren kann aber mit einer Referenzspannung nur eine begrenzte Anzahl Verstärkerstufen geprüft werden, da bei einem zu hohen Verstärkungsfaktor der Verstärker 40 übersteuern könnte und bei einem zu geringen Verstärkungsfaktor die verstärkten Werte zu gering sind.
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Um auch die übrigen Verstärkerstufen prüfen zu können, wird die Tatsache genutzt, dass der Batteriesensor zusätzlich aus den gemessenen Werten, also der Messung des Batteriestroms sowie der Batteriespannung eine innen Widerstandsberechnung der Fahrzeugbatterie durchführt.
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Hierzu werden zu einem ersten Zeitpunkt ein erster Batteriestrom
11 sowie eine erste Batteriespannung
U1 gemessen. Zu einem späteren zweiten Zeitpunkt werden ein zweiter Batteriestrom
12 sowie eine zweite Batteriespannung
2 gemessen. Der Innenwiderstand Ri der Fahrzeugbatterie ergibt sich anhand der Formel
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Die Werte der Batteriespannungen U1, U2 sowie des Batteriestroms 11, 12 können vorab beispielsweise gefiltert werden, um die Genauigkeit der Bestimmung des Innenwiderstandes Ri zu verbessern.
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Grundsätzlich kann hierbei vorausgesetzt werden, dass sich der Innenwiderstand Ri der Fahrzeugbatterie zeitlich nur langsam ändert. Bei bestimmten Batterietypen kann sich der Innenwiderstand Ri zwar in Abhängigkeit von eine Entladestrom oder Ladestrom ändern. Bei gleich großen Strömen ist der Innenwiderstand aber jeweils gleich groß beziehungsweise ändert sich zeitlich nur langsam.
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Um zwei Verstärkerstufen des Verstärkers 40, insbesondere zwei bezüglich des Verstärkungsfaktors benachbarte Verstärkerstufen, prüfen zu können, wird ein Zustand identifiziert, in dem eine Erfassung des Batteriestroms bzw. der zur Ermittlung des Batteriestroms erforderlichen Spannungen zwei verschiedenen Verstärkerstufen des Verstärkers 40 erfolgen kann (siehe 2).
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In diesem Zustand wird mit einem ersten Verstärkungsfaktor des Verstärkers 40 ein erster Wert des Innenwiderstandes Ri der Fahrzeugbatterie 12 ermittelt, indem die Batteriespannungen U1, U2 mit dem ersten Verstärkungsfaktor gemessen werden.
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Anschließend wird der Verstärker 40 auf eine zweiten Verstärkerstufe umgeschaltet und eine Ermittlung eines zweiten Wertes des Innenwiderstandes Ri der Fahrzeugbatterie 12 durchgeführt, wobei die Batteriespannungen U1, U2 mit der zweiten Verstärkerstufe also einem anderen Verstärkungsfaktor gemessen werden.
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Da sich der Innenwiderstand erhielt der Fahrzeugbatterie zeitlich nur langsam ändert, kann davon ausgegangen werden, dass der erste Wert des Innenwiderstandes Ri und der zweite Wert des Innenwiderstandes Ri nicht oder nur geringfügig voneinander abweichen.
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Überschreitet die Abweichung zwischen dem ersten Wert des Innenwiderstandes Ri und dem zweiten Wert des Innenwiderstandes Ri einen definierten Grenzwert, wird davon ausgegangen, dass in mindestens einer der Verstärkerstufen ein Fehler vorliegt, und es wird ein Fehlersignal ausgegeben, beispielsweise an die Fahrzeugsteuerung 24.
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Der Grenzwert kann hierbei ein definierter Wert sein, der für die jeweiligen Verstärkerstufen festgelegt ist. Der Grenzwert kann aber auch, wie nachfolgend erläutert wird, individuell während der Prüfung des Batteriesensors ermittelt bzw. festgelegt werden.
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Um alle Verstärkerstufen des Verstärkers 40 zu prüfen, wird vorzugsweise eine erste Verstärkerstufe wie vorstehend beschrieben über die Referenzstromquelle 46 kalibriert bzw. geprüft. Anschließend kann diese Verstärkerstufe als Referenz genutzt werden, um mit dieser eine benachbarte Verstärkerstufe über das vorstehend beschriebene Verfahren zu prüfen. Anschließend können die Verstärkerstufen jeweils paarweise geprüft werden, sodass, wenn alle Verstärkerstufen paarweise geprüft wurden und eine der Verstärkerstufen mit der Referenzstromquelle 46 kalibriert bzw. geprüft wurde, alle Verstärkerstufen geprüft wurden. Es ist lediglich eine Referenzstromquelle 46 bzw. die Bereitstellung einer einzigen zweiten Referenzspannung erforderlich, um alle Verstärkerstufen des Verstärkers 40 zu prüfen.
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Zusätzlich kann in der Auswerteschaltung 22 ein Speicher 54 vorgesehen sein, in dem die ermittelten Werte des Innenwiderstandes Ri für die verschiedenen Verstärkerstufen gespeichert werden.
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Im regulären Fahrzeugbetrieb kann es beispielsweise vorkommen, dass der Zustand, in dem die Ermittlung der ersten Werte des Innenwiderstandes Ri und des zweiten Wertes des Innenwiderstandes Ri nicht über einen ausreichend langen Zeitraum vorliegt, um beide Werte des Innenwiderstandes Ri zu ermitteln.
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In diesem Fall können der erste Wert des Innenwiderstandes Ri gemeinsam mit dem Zustand und dem verwendeten Verstärkungsfaktor im Speicher 54 abgelegt werden. Liegt zu einem späteren Zeitpunkt der Zustand erneut vor, kann der zweite Wert des Innenwiderstandes Ri ermittelt werden und mit dem vorab gespeicherten ersten Wert des Innenwiderstandes Ri verglichen werden.
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Auf diese Weise kann im Speicher 54 zudem auch eine Sammlung aller Werte des Innenwiderstandes Ri für die verschiedenen Verstärkerstufen angelegt werden, sodass, wenn ein Zustand vorliegt, auch mit einem ermittelten Wert des Innenwiderstandes Ri für eine Verstärkerstufe ein Abgleich mit einem im Speicher abgelegten Wert des Innenwiderstandes Ri für eine weitere Verstärkerstufe möglich ist.
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Darüber hinaus ist auch eine zeitliche Betrachtung des der Veränderung der Werte des Innenwiderstandes Ri bzw. der Verstärkungsfaktor in der Verstärkerstufen möglich.
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Optional können auch für eine Verstärkerstufe mehrere Werte des Innenwiderstandes Ri ermittelt und gespeichert werden. Aus diesen Werten für eine Verstärkerstufe können für die jeweilige Verstärkerstufe ein Mittelwert des Innenwiderstandes Ri sowie eine Streuung der Werte ermittelt werden (siehe 3). Weicht ein neu ermittelter Wert des Innenwiderstandes Ri für eine Verstärkerstufe um einen definierten Grenzwert von dem ermittelten Mittelwert des Innenwiderstandes Ri ab, wird ein Fehlersignal ausgegeben. Der Grenzwert kann hierbei beispielsweise auch durch die ermittelte Streuung vorgegeben werden, sodass kein fester Wert für den Grenzwert vorliegen muss.
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Die gespeicherten Werte des Innenwiderstandes Ri für die verschiedenen Verstärkerstufen können zudem genutzt werden, um das Umschaltverhalten des Verstärker 40 zu beeinflussen, beispielsweise um durch gezieltes Umschalten des Verstärkers 40 zwischen den Verstärkerstufen Werte des Innenwiderstandes Ri für eine Verstärkerstufe zu erhalten, für die bislang zu wenig Werte des Innenwiderstandes Ri vorliegen. Das heißt, es wird beispielsweise eine Verstärkerstufe ausgewählt, die erst bei einer niedrigeren oder einer höheren Spannung verwendet werden würde, um für diese Verstärkerstufe einen zusätzlichen Wert des Innenwiderstandes Energie zu erhalten.
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Des Weiteren können die Werte des Innenwiderstandes RI mit zusätzlichen Informationen, beispielsweise einem Zeitstempel versehen werden. Da sich der Innenwiderstand Ri der Batterie über einen längeren Zeitraum ändern kann, kann es sinnvoll sein, Werte, die ein bestimmtes Alter überschreiten, nicht mehr für das vorstehend beschriebene Verfahren zu nutzen und daher zu löschen. Alternativ können diese Werte für weitere Auswertungen gespeichert werden oder so markiert werden, dass diese für das vorstehend beschriebene Verfahren nicht verwendet werden. Liegen zu einem späteren Zeitpunkt gleiche oder ähnliche Zustände der Fahrzeugbatterie vor, können diese Werte wieder aktiviert und für die Prüfung des Batteriesensors verwendet werden.
