DE102022001529A1

DE102022001529A1 - Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Batterie eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102022001529A1
Application number: DE102022001529.3A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Emanuel Hust; Konstantin Ditz
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-05-02
Filing date: 2022-05-02
Publication date: 2023-11-02
Also published as: WO2023213547A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung (10) zum Überwachen einer Batterie (12) eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Messeinrichtung (14) zum Messen eines elektrischen Parameters (16) entlang einer Stromschiene (18) der Batterie (12), wobei die Überwachungsvorrichtung (10) eine zur Messeinrichtung (14) separate Plausibilisierungseinrichtung (20) aufweist, welche eine elektrische Messgröße (22) an zumindest einem Abgriff (24, 26, 28) der Stromschiene (18) in die Stromschiene (18) einprägt, wobei in Abhängigkeit von der eingeprägten, elektrischen Messgröße (22) und einer davon abhängigen und an einem weiteren Abgriff (24, 26, 28) empfangenen elektrischen Messgröße (22) an der Stromschiene (18) eine Überwachung durchgeführt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Batterie eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus dem so genannten Cyber Security Management, ist bekannt, dass Komponenten von Kraftfahrzeugen beziehungsweise Batterien auf ihr Risiko im Bereich der Cyber Security überprüft werden müssen. Ein solcher Angriff kann beispielsweise auch auf eine entsprechende Stromsensoreinrichtung einer Batterie, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, durchgeführt werden. Insbesondere kann beispielsweise an dieser HV-Batterie wiederum ein physischer Angriff durchgeführt werden. Ein solcher Angriff auf den Stromsensor kann beispielsweise das Einbringen eines zusätzlichen Strompfades um die Messstrecke herum darstellen oder die Veränderung der internen Messschaltung. Daher misst beispielsweise dann wiederum der Stromsensor nur noch einen Teil des eigentlich eingeprägten beziehungsweise entnommenen Stromes. Dies kann dazu führen, dass die Batterie außerhalb des erlaubten Betriebsfensters betrieben wird und dabei Sicherheitsmechanismen umgangen werden, die den sicheren Betrieb erlauben sollen. Eine Umgehung dieser Mechanismen kann im schlimmsten Fall zu einem Batteriebrand führen und stellt damit ein ernsthaftes Risiko für Leib und Leben dar.
Die DE 10 2017 003 111 A1 betrifft einen Messwiderstand zum Beaufschlagen eines zu messenden elektrischen Stromes mit einem ersten Anschlussbereich und einem zweiten Anschlussbereich. Ein solcher Messwiderstand ist häufig als Shunt ausgeführt. Diese Anschlussbereiche können jeweils mit einem Stromkreis verbunden werden. Zwischen diesen beiden Anschlussbereichen ist eine Messstrecke angeordnet und mit Ihnen mechanisch verbunden. An den Anschlussbereichen befindet sich jeweils eine Abgriffsstelle. Entlang der Messstrecke ist eine dritte Abgriffsstelle zur Messung eines elektrischen Stromes angeordnet. Durch doppelt ausgeführte Abgriffstellen können sich insbesondere sechs Abgriffstellen ergeben. Mit Hilfe dieser Abgriffstellen können verschiedene Messmodi realisiert werden, um eine Messung durch eine weitere Messung zu plausibilisieren.
Die EP 2 623 996 A1 offenbart eine Strommessschaltung, umfassend eine Sensorbaugruppe zur Messung eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms mittels Messung einer Eingangsspannung zwischen einer ersten und einer zweiten Eingangsleitung der Sensorbaugruppe und eine Sensorsteuerung zur Steuerung der Sensorbaugruppe, wobei die Sensorbaugruppe eine erste Sensorvorrichtung zur Erfassung der Stärke des elektrischen Stroms mittels eines ersten Analog-Digital-Wandlers zur Wandlung von analogen Messwerten in digitalisierte Messwerte umfasst und die Strommessschaltung eine Beeinflussvorrichtung zur veränderlichen Aufschaltung einer Testspannung oder eines Teststroms auf einen Eingang des ersten Analog-Digital-Wandlers umfasst. Der Eingang des ersten Analog-Digital-Wandlers ist mit der ersten Eingangsleitung der Sensorbaugruppe über eine erste Vorschaltimpedanz verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Überwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchen eine sichere Strommessung innerhalb des elektrischen Energiespeichers beziehungsweise der Batterie realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Überwachungsvorrichtung sowie durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhaft Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Batterie eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Messeinrichtung zum Messen eines elektrischen Parameters entlang einer Stromschiene der Batterie.
Es ist dabei vorgesehen, dass die Überwachungsvorrichtung eine zur Messeinrichtung separate Plausibilisierungseinrichtung aufweist, welche eine elektrische Messgröße an zumindest einem Abgriff der Stromschiene in die Stromschiene einprägt, wobei in Abhängigkeit von der eingeprägten, elektrischen Messgröße und einer davon abhängigen und an einem weiteren Abgriff empfangenen elektrischen Messgröße an der Stromschiene eine Überwachung durchgeführt ist.
Insbesondere ist somit als Lösung des Problems vorgeschlagen, dass zusätzlich die Plausibilisierungseinrichtung eingebracht ist, welche eine externe Schaltung erkennen kann, eine Abschätzung der externen Schaltung bestimmen kann und eine neue Kalibrierung des Stromsensors ebenfalls durchführen kann. Eine Veränderung der internen Schaltung kann dabei über ein Verfahren erkannt werden, welches mit Hilfe der Plausibilisierungseinrichtung umgesetzt werden kann.
Bei der Batterie handelt es sich insbesondere um einen elektrischen Energiespeicher. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere in Form einer Hochvolt-Batterie ausgebildet. Die Hochvolt-Batterie kann insbesondere als Traktionsbatterie für den zumindest teilweise elektrischen Betrieb des Fahrzeugs ausgebildet sein. Der Stromsensor beziehungsweise die Messeinrichtung ist wiederum dazu ausgebildet, entsprechende Werte der Batterie auszulesen. Hierzu kann beispielsweise ein aktueller Widerstand, eine aktuelle Spannung, ein aktueller Strom, aktuelle Frequenzen oder dergleichen ausgelesen werden. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Messeinrichtung um einen Stromsensor, welcher zum Erfassen von unterschiedlichen elektrischen Messgrößen der Batterie ausgebildet ist. Beispielsweise kann dann wiederum auf Basis des elektrischen Parameters, welcher mittels der Messeinrichtung gemessen wurde, der aktuelle Ladungszustand oder auch ein Alterungszustand der Batterie bestimmt werden. Die Batterie beziehungsweise die Hochvolt-Batterie kann ferner eine Vielzahl von unterschiedlichen Batteriezellen und/oder Batteriemodule aufweisen. Die Überwachungsvorrichtung kann dann beispielsweise so ausgebildet sein, dass ein Überwachen einer einzelnen Batteriezelle oder eines Batteriemoduls oder des gesamten elektrischen Energiespeichers durchgeführt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Stromschiene zumindest einen ersten Abgriff und einen zweiten Abgriff an der Stromschiene auf. Insbesondere kann in den ersten Abgriff beispielsweise der Strom beziehungsweise die Spannung als die elektrische Messgröße eingeprägt werden und am zweiten Abgriff wiederum die veränderte elektrische Messgröße abgegriffen werden. Somit kann eine sichere Plausibilisierung durchgeführt werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Stromschiene zumindest einen ersten Abgriff, einen zweiten Abgriff und einen Mittelabgriff aufweist, welcher zwischen dem ersten Abgriff und dem zweiten Abgriff ausgebildet ist. Insbesondere können somit unterschiedliche Messverfahren vorgeschlagen werden, welche sowohl den ersten Abgriff, und/oder den zweiten Abgriff und/oder den Mittelabgriff nutzen. Beispielsweise kann in den ersten Abgriff die Spannung eingeprägt werden und dann wiederum am Mittelabgriff und/oder am zweiten Abgriff empfangen werden. Ferner kann auch am Mittelabgriff die Spannung eingeprägt werden und am ersten Abgriff oder am zweiten Abgriff die korrespondierende Messgröße erfasst werden. Somit sind unterschiedliche Messmodi ermöglicht, welche eine sichere Überwachung des Batteriestatus zulassen.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der zumindest eine Abgriff zusätzlich als Abgriff für die Messeinrichtung ausgebildet ist. Insbesondere kann somit der Abgriff sowohl für Messeinrichtung als auch für die Plausibilisierungseinrichtung genutzt werden. Mit anderen Worten nutzen die Messeinrichtung und die Plausibilisierungseinrichtung den gleichen beziehungsweise die gleichen Abgriffe. Somit kann aufwandsreduziert die Überwachung und die Strommessung bereitgestellt werden.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Überwachungseinrichtung eine Speichereinrichtung aufweist, wobei die Speichereinrichtung zum Speichern eines Soll-Profils für die eingeprägte und die empfangene elektrische Messgröße ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Soll-Profil zeitlich kurz nach der Erzeugung der Batterie erzeugt werden. Die entsprechenden elektrischen Messgrößen, welche eingeprägt und empfangen werden, können dann wiederum als Soll-Profile abgespeichert werden. Während des Betriebs der Batterie können dann wiederum die Ist-Werte empfangen werden und mit den Soll-Werten verglichen werden. Somit kann ein sicheres Überwachen der Batterie realisiert werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Plausibilisierungseinrichtung zum Einprägen einer Spannung oder eines Stroms als elektrische Messgröße und zum Empfangen einer Spannung oder eines Stroms als elektrische Messgröße ausgebildet ist. Somit können unterschiedliche Varianten genutzt werden, um die Überwachung durchzuführen. Insbesondere kann beispielsweise eine Spannung eingeprägt werden und dann wiederum eine Spannung empfangen werden. Durch Vergleich der eingeprägten und empfangenen Spannung kann dann wiederum auf den Betriebszustand der Batterie geschlossen werden. Alternativ kann ein Strom eingeprägt werden und ein Strom empfangen werden. Auf Basis der Unterschiede zwischen dem eingeprägten und dem empfangenen Strom kann dann wiederum auf den Batteriezustand geschlossen werden.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Plausibilisierungseinrichtung zumindest ein eindeutiges Identifizierungsmerkmal aufweist und/oder dass das Identifizierungsmerkmal in einem Strompfad zum Einprägen und/oder zum Empfangen der elektrischen Messgröße ausgebildet ist. Dadurch ist auch eine Veränderung der Plausibilisierungseinrichtung erschwert beziehungsweise ausgeschlossen. Insbesondere kann das Identifizierungsmerkmal eine eindeutige Identifizierbarkeit des Stromsensors beziehungsweise der Plausibilisierungseinrichtung ermöglichen, so dass ein Schutz gegen einen Tausch realisiert werden kann. Dieses Identifizierungsmerkmal erlaubt es, eine Art Fingerabdruck der Plausibilisierungseinrichtung zu erzeugen und diesen regelmäßig zu überprüfen. Sollte sich das Identifizierungsmerkmal verändern, so kann dies elektronisch ausgelesen werden und dementsprechend reagiert werden, beispielsweise der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs kann eingestellt werden beziehungsweise ein Wiedereinschalten wird unterbunden. Das Identifizierungsmerkmal kann sich beispielsweise aus analogen Bauteilen wie beispielsweise einen Widerstand, eine Spule oder ein Kondensator zusammensetzen, es ist jedoch auch möglich, durch komplexere Bauteile, wie beispielsweise einer Sicherheits-ID, diese abzubilden. Bei der Auslegung der Identifizierungsmerkmale ist darauf zu achten, dass das Einprägen der Soll-Größen im Endzustand nur gering verändert wird. Insbesondere soll somit ein geringer Offset erzeugt werden. Dadurch kann diese Größe später einfacher herausgerechnet werden. Hier ist explizit die Parallelschaltung von beispielsweise Widerständen zu einem Kondensator als vorteilhaft zu nennen. Von diesen Elementen können auch mehrere, beispielsweise seriell, hintereinander geschaltet werden, um den Fingerabdruck noch eindeutiger zu machen. Als Fingerabdruck kann dabei wiederum die Systemantwort der Bauteile herangezogen werden. Dazu können kurze Strom- oder Spannungspulse auf die Bauteile gegeben werden und die Antwort ausgewertet werden. Diese Antwort kann durch Individualisierung der Kenngrößen der Bauteile als eindeutiges Merkmal herangezogen werden. Wird die Systemantwort der Bauteile gespeichert und wird regelmäßig die Messung wiederholt, so kann ein Tausch von Bauteilen oder auch des kompletten Sensors detektiert werden. Eine physikalische Absicherung der Schaltung kann durch einen Verguss der Schaltung erzielt werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn eine Auswertung der eingeprägten elektrischen Messgröße und der empfangenen elektrischen Messgröße mittels eines Shunt-Messverfahrens und/oder eines Hall-Sensor-Messverfahrens durchgeführt wird. Insbesondere kann auch ein kombiniertes Messverfahren aus Mess-Shunt und Hall-Sensor genutzt werden. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn beispielsweise hohe Sicherheitsanforderungen zu erfüllen sind und/oder redundante Messauslegung ausgegeben ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Abgriff und dem Mittelabgriff ein Shunt-Messverfahren eingesetzt wird, während zwischen dem Mittelabgriff und dem zweiten Abgriff ein Hall-Sensor-Messverfahren eingesetzt wird. Alternativ ist dies natürlich auch in einer anderen Reihenfolge möglich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Überwachungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt. Die Batterie ist dabei insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist dabei zumindest teilweise elektrisch betrieben, insbesondere vollelektrisch betrieben.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei ein abgespeichertes Soll-Profil einer mittels einer Plausibilisierungseinrichtung in eine Stromschiene der Batterie eingeprägten und empfangenen elektrischen Messgröße mit einem Ist-Profil der eingeprägten und empfangenen elektrischen Messgröße verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich die Überwachung durchgeführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Differenzwert der elektrischen Messgröße bestimmt und der Differenzwert wird für eine Rekalibrierung einer Messeinrichtung der Überwachungsvorrichtung genutzt. Insbesondere kann anhand der Bestimmung beispielsweise von einer externen Verschaltung dann wiederum die Rekalibrierung des Stromsensors beziehungsweise der Messeinrichtung durchgeführt werden. Insbesondere, da die nicht-gewollten Eigenschaften des Strompfades bestimmt werden können, kann ein physikalischer Zusammenhang geschaffen werden, wodurch wiederum die Rekalibrierung realisiert werden kann.
Bei dem vorgestellten Verfahren handelt es sich insbesondere um ein computerimplementiertes Verfahren. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung abgearbeitet werden, ein Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt durchzuführen. Ferner betrifft die Erfindung auch ein computerlesbares Speichermedium mit dem Computerprogrammprodukt.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Überwachungsvorrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Batterie sowie des Kraftfahrzeugs und des Verfahrens anzusehen. Die Überwachungsvorrichtung, die Batterie sowie das Kraftfahrzeug weisen insbesondere gegenständliche Merkmale auf, um eine Durchführung des Verfahrens und eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon zu ermöglichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung;
2 ein weiteres schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung; und
3 ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung 10. Die Überwachungsvorrichtung 10 ist zum Überwachen einer Batterie 12, welche rein schematisch dargestellt ist, ausgebildet. Die Batterie 12 wiederum ist für ein nicht dargestelltes, zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet. Die Überwachungsvorrichtung 10 weist zumindest eine Messeinrichtung 14 zum Messen eines elektrischen Parameters 16 auf. Die Messeinrichtung 14 ist entlang einer Stromschiene 18 ausgebildet.
Es ist vorgesehen, dass die Überwachungsvorrichtung 10 eine zur Messeinrichtung 14 separate Plausibilisierungseinrichtung 20 aufweist, welche eine elektrische Messgröße 22 an zumindest einem ersten Abgriff 24 der Stromschiene 18 einprägt, wobei in Abhängigkeit von der eingeprägten, elektrischen Messgröße 22 und einer davon abhängigen und an einem weiteren Abgriff 26, 28 empfangenen elektrischen Messgröße 22 an der Stromschiene 18 eine Überwachung durchgeführt ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere gezeigt, dass die Stromschiene 18 zumindest den ersten Abgriff 24, einen zweiten Abgriff 28 und einen Mittelabgriff 26 aufweist, welcher zwischen dem ersten Abgriff 24 und dem zweiten Abgriff 28 ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ferner gezeigt, dass beispielsweise die elektrische Messgröße 22 in den Mittelabgriff 26 eingeprägt wird und am ersten Abgriff 24 empfangen wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Stromschiene 18 lediglich den ersten Abgriff 24 und den zweiten Abgriff 28 aufweist. Die Plausibilisierungseinrichtung 20 ist dabei bevorzugt dazu ausgebildet, eine Spannung oder einen Strom als elektrische Messgröße 22 einzuprägen und zum Empfangen ebenfalls einer Spannung oder eines Stroms als elektrische Messgröße 22.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Plausibilisierungseinrichtung 20 beziehungsweise die Überwachungsvorrichtung 10 eine Speichereinrichtung 30 aufweist, wobei die Speichereinrichtung 30 zum Speichern eines Soll-Profils für die eingeprägte und die empfangene elektrische Messgröße 22 ausgebildet ist.
1 zeigt ferner, dass die Plausibilisierungseinrichtung 20 zumindest ein eindeutiges Identifizierungsmerkmal 32a, 32b, 32c aufweist und/oder das Identifizierungsmerkmal 32a, 32b, 32c in einem Strompfad 34 zum Einprägen und/oder zum Empfangen der elektrischen Messgröße 22 ausgebildet ist. Ferner zeigt die 1, dass eine Auswertung der eingeprägten elektrischen Messgröße 22 und der empfangenen elektrischen Messgröße 22 mittels eines Shunt-Verfahrens 36 und/oder eines Hall-Sensor-Messverfahrens 38 durchgeführt ist.
Alternativ zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, dass der zumindest eine Abgriff 24, 26, 28 zusätzlich als Abgriff für die Messeinrichtung 14 ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Messeinrichtung 14 zusätzliche Abgriffe 40, 42 auf.
Insbesondere zeigt die 1, dass in der Überwachungsvorrichtung 10 zusätzlich zur Messeinrichtung 14 die Plausibilisierungseinrichtung 20 eingebracht ist. Diese Plausibilisierungseinrichtung 20 kann über die Abgriffe 24, 26, 28 unterschiedliche Soll-Größen, insbesondere Spannung oder Strom, einprägen. Die Antwort des Messsystems kann durch die entsprechende Messeinrichtung 14 bereitgestellt werden. Durch das beispielsweise in den Mittelabgriff 26 ist es möglich, die Ausbreitung der elektrischen Messgröße 22 zu beobachten. Legt man eine Spannungsdifferenz zwischen den Mittelabgriff 26 und dem ersten Abgriff 24, so sollte im Normalbetrieb, insbesondere müssen dabei die Schütze der Batterie 12 offen sein, am rechten Spannungsabgriff, also am zweiten Abgriff 28 keine Beeinflussung feststellbar sein. Ist jedoch durch eine externe Beschaltung 42 die Möglichkeit gegeben, dass sich die Soll-Größe über mehrere Wege ausbreiten kann, so ist eine Veränderung des elektrischen Potentials am zweiten Abgriff 28 feststellbar. Gleiches ist natürlich auch bei einer Einprägung am zweiten Abgriff 28 feststellbar.
Es ist dabei unabhängig vom Strommessverfahren möglich, eine Plausibilisierung durchzuführen. Daher ist es auch möglich, zum Beispiel mit Mess-Shunt und Hall-Sensor ein kombiniertes Messverfahren beziehungsweise Messsystem zu überprüfen, wie dies in der 1 dargestellt ist. Dies kann insbesondere dann interessant werden, wenn hohe Sicherheitsanforderungen zu erfüllen sind und/oder eine redundante Messauslegung gegeben sein muss.
Vorteilhaft ist dieser Mechanismus insbesondere dann, wenn zum Beispiel die Spannungsabgriffe 40, 42 der Messeinrichtung 14 durch die Plausibilisierungseinrichtung 20 mit genutzt werden können, da keine zusätzliche Kontaktierung zum Beispiel an der Stromschiene 18 benötigt wird.
Falls eine externe Verschaltung 44 vorhanden ist, breitet sich die elektrische Messgröße 22 auf unterschiedlichem Weg aus, was beispielsweise im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den Pfeil 46 dargestellt ist. Die ungewollte Ausbreitung der elektrischen Messgröße 22 im Pfad, welcher durch den Pfeil 46 dargestellt ist, kann durch die Messeinrichtung 14 detektiert werden und aus dieser Größe kann die externe Verschaltung 44 bestimmt werden.
Zum Detektieren des Einbringens einer Schaltung ins Interne kann in der Produktion der Überwachungsvorrichtung 10, wo noch keine Manipulation vorhanden ist, die Plausibilisierungseinrichtung 20 genutzt werden, um Referenzwerte zu generieren. Diese Referenzwerte können auch als Soll-Profil bezeichnet werden. Die Plausibilisierungseinrichtung 20 prägt dabei eine Soll-Größe ein und dieses Referenzverhalten wird gespeichert. Sollte sich zu einem späteren Zeitpunkt diese Messung verändern, dann kann entweder auf einen Fehler in der Messschaltung oder auf eine Manipulation hingewiesen werden. Da dieses Referenzverhalten sich nicht ändern sollte.
Auf Basis der Überwachungsvorrichtung 10 kann auch eine Rekalibrierung der Messeinrichtung 14 zur Laufzeit realisiert werden, um wieder eine hohe Messgenauigkeit herbeizuführen und damit sicherheitskritische Zustände zu umgehen. Anhand der Bestimmung der externen Verschaltung 44 kann dann eine Rekalibrierung der Messeinrichtung 14 durchgeführt werden. Daher können die Eigenschaften des nicht-gewollten Strompfades durch einen physikalischen Zusammenhang abgeschätzt werden.
Insbesondere kann mit der Überwachungsvorrichtung 10 somit auch eine Erkennung von sicherheitskritischen Veränderungen der Messeinrichtung 14 realisiert werden. Die externe Verschaltung 44 kann mit sehr hoher Genauigkeit und Einhaltung von Sicherheits-Größen bestimmt werden und kann ebenfalls weiter verwendet werden. Die Messeinrichtung 14 ist damit selbstheilend gegenüber externen Verschaltungen 44. Alternativ kann die externe Verschaltung 44 nur eingeschränkt bestimmt werden und das Betriebsfenster kann eingeschränkt werden. Die Messeinrichtung 14 ist damit eingeschränkt selbstheilend gegenüber externen Verschaltungen 44. Ferner kann nochmals alternativ die externe Verschaltung 44 nicht abgeschätzt werden oder liegt beispielsweise außerhalb der Sicherheitsmarge. Somit kann die Messeinrichtung 14 beziehungsweise die Batterie 12 oder das gesamte Kraftfahrzeug in einen sicheren Zustand übergehen. Im zweiten Fall kann eine Dekompensation Mess -Größen, insbesondere die Messgröße über den Messsensor beziehungsweise der Messeinrichtung 14, unabgeschätzter Qualitätsmerkmale, insbesondere die Sicherheitsmarge, erfolgen. Die Dekompensation erlaubt es eingeschränkt weiterzufahren, auch unter Einhaltung von Sicherheitsgrößen.
Sollte dies nicht möglich sein, oder die abgeschätzte Größe plus entsprechender Sicherheitsmarge aus der Sicherheitssicht nicht ausreichend abgeschätzt werden können, so kann immer noch der sichere Zustand eingenommen werden, beispielsweise der Fahrbetrieb eingestellt werden, ein Wiedereinschalten wird unterbunden oder dergleichen, wodurch das Risiko für Leib und Leben unterbunden wird.
Dieses Verfahren erlaubt auch eine Diagnose über Fehlfunktionen des Stromsensormessverfahrens und kann damit auch Ausfälle detektieren. Beispielsweise kann die Soll-Größe eingeprägt werden, aber die Messeinrichtung 14 misst diese nicht korrekt. Damit wird die Diagnose-Abdeckung erhöht und kann sich positiv auf den Fahrbetrieb auswirken.
Durch die eindeutige Identifizierbarkeit des Stromsensors beziehungsweise der Plausibilisierungseinrichtung 20 kann auch ein Schutz vor Austausch bereitgestellt werden. Um das Sicherheitsrisiko weiter zu minimieren, können zusätzlich beispielsweise im Einprägungspfad beziehungsweise Strompfad 34 die Identifizierungsmerkmale 32a, 32b, 32c eingefügt werden. Diese Identifizierungsmerkmale 32a, 32b, 32c erlauben es, einen Fingerabdruck der Plausibilisierungseinrichtung 20 zu erzeugen und diesen regelmäßig zu überprüfen. Sollte sich der Fingerabdruck verändern, kann dies elektronisch auslesbar festgestellt werden und dem entsprechend reagiert werden, beispielsweise kann der Fahrbetrieb eingestellt werden oder ein Wiederanschalten unterbunden werden. Der Fingerabdruck kann sich im einfachsten Fall aus analogen Bauteilen, beispielsweise einem Widerstand, einer Spule oder einem Kondensator, zusammensetzen, aber auch zum Beispiel durch komplexere Bauteile wie einem Security-ID-Chip abgebildet werden.
Bei der Auslegung der Identifizierungsmerkmale 32a, 32b, 32c ist darauf zu achten, dass das Einprägen der Soll-Größen den Endzustand nur gering, insbesondere lediglich mit einem kleinen Offset, verändert. Dadurch kann die Größe später einfacher herausgerechnet werden. Hier ist explizit die Parallelschaltung von Widerständen zu einem Kondensator als vorteilhaft zu nennen, wobei von diesen Elementen auch mehrere seriell hintereinander geschaltet werden können, um den Fingerabdruck noch eindeutiger zu machen. Als Fingerabdruck kann dabei die Systemantwort der Bauteile herangezogen werden. Dazu können kurze Strom- oder Spannungspulse auf die Bauteile gegeben werden und die Antwort ausgewertet werden. Diese Antwort kann durch Digitalisierung der Kenngrößen der Bauteile als eindeutiges Merkmal herangezogen werden. Wird die Systemantwort der Bauteile gespeichert und regelmäßig die Messung wiederholt, so kann ein Tausch von Bauteilen oder auch des kompletten Sensors detektiert werden. Eine physikalische Absicherung der Schaltung kann durch einen Verguss der Schaltung erzielt werden.
Ohne den Mittelabgriff 28 gilt im Normalbetrieb: $U_{S o l l} = U_{s h u n t} = R_{s h u n t} \cdot i_{d e f i n i e r t}$
Bei Manipulation wird diese Spannung sinken und dann gilt: $U_{S o l l} \neq U_{s h u n t}$
Die externe Verschaltung 44 kann mit folgender Gleichung abgeschätzt werden: $\frac{U_{s h u n t}}{R_{s h u n t}} = i_{s h u n t}$
$R_{e x t . S t r o m s c h i e n e} = \frac{i_{s h u n t} \cdot R_{s h u n t}}{i_{d e f i n i e r t} - i_{s h u n t}}$
Im normalen Betrieb (trotz Schaltungsveränderung) kann der rekalibrierte Strom wie folgt berechnet werden: $i_{r e k a l i b r a t i o n} = \frac{U_{s h u n t}}{R_{s h u n t}} + \frac{U_{S h u n t}}{R_{e x t . S t r o m s c h i e n e}}$
Ferner gilt ohne Mittelabgriff 28 im Normalbetrieb: $U_{s o l l} = U_{s h u n t} = \frac{U \cdot R_{s h u n t}}{R_{s h u n t} + R_{b e k a n n t}}$
Bei Manipulation wird diese Spannung sinken und dann gilt: $U_{S o l l} \neq U_{s h u n t}$
Die externe Verschaltung 44 kann mit folgender Gleichung abgeschätzt werden mit: $U_{S o l l} \neq U_{s h u n t}$
$R_{e x t . S t r o m s c h i e n e} = \frac{U_{s h u n t}}{U - U_{s h u n t}} \cdot R_{b e k a n n t}$
Im normalen Betrieb (trotz Schaltungsveränderung) kann der rekalibrierte Strom wie folgt berechnet werden: $i_{r e k a l i b r a t i o n} = \frac{U_{s h u n t}}{R_{s h u n t}} + \frac{U_{s h u n t}}{R_{e x t . S t r o m s c h i e n e}}$
Für die Betrachtung mit Mittelabgriff 28 wird aus Einfachheit der Shunt in zwei gleichgroße Widerstände aufgeteilt $(\frac{R_{s h u n t}}{2}) .$
Die Methodik funktioniert aber auch mit einer andersartigen Aufteilung oder Messmethode. Durch die Aufteilung wird auch der enorme Vorteil klar: sowohl im ungewollten Pfad als auch im gewollten Pfad befindet sich eine Messeinheit und ermöglicht besonders einfach festzustellen ob eine externe Verschaltung 44 vorhanden ist.
Im Normalfall gilt: $U_{s h u n t,2} = U$
$U_{s h u n t,1} = 0$
Dies ist besonders einfach festzustellen, da der Stromkreis über U_shunt,1 im Normalfall nicht geschlossen ist und damit keine Potenzialdifferenz anliegen darf.
Bei Manipulation gilt: $U_{s h u n t,1} \neq 0$
Und ist dementsprechend auch besonders einfach festzustellen. Mit der Referenzmessung lässt sich die externe Verschaltung 44 abschätzen durch: $R_{e x t . S t r o m s c h i e n e} = \frac{U - U_{s h u n t,1}}{U} \cdot \frac{R}{2}$
Im normalen Betrieb (trotz Schaltungsveränderung) kann der rekalibrierte Strom wie folgt berechnet werden: $i_{r e k a l i b r a t i o n} = \frac{U_{s h u n t}}{R_{s h u n t}} + \frac{U_{s h u n t}}{R_{e x t . S t r o m s c h i e n e}}$
Alternativ gilt im Normalfall mit Mittelabgriff 28: $U_{s h u n t,2} = i_{d e f i n i e r t} \cdot \frac{R_{s h u n t}}{2}$
$U_{s h u n t,1} = 0$
Dies ist besonders einfach festzustellen, da der Stromkreis über U_shunt,1 im Normalfall nicht geschlossen ist und damit keine Potenzialdifferenz anliegen darf.
Bei Manipulation gilt: $U_{s h u n t,1} \neq 0$
Und ist dementsprechend auch besonders einfach festzustellen. Die externe Verschaltung 44 lässt sich berechnen durch: $R_{e x t . S t r o m s c h i e n e} = \frac{R_{s h u n t}}{2} (\frac{U_{s h u n t,2}}{U_{s h u n t,1}} - 1)$
Im normalen Betrieb (trotz Schaltungsveränderung) kann der rekalibrierte Strom wie folgt berechnet werden: $i_{r e k a l i b r a t i o n} = \frac{U_{s h u n t}}{R_{s h u n t}} + \frac{U_{s h u n t}}{R_{e x t . S t r o m s c h i e n e}}$
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer weiteren Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung 10. Die 2 zeigt, dass die Überwachungsvorrichtung 10 beispielsweise mit einem so genannten Batteriemanagementsystem 46 kommunizieren kann. Beispielsweise kann das Batteriemanagementsystem 46 wiederum ebenfalls die Speichereinrichtung 30 aufweisen, um entsprechende Referenzgrößen bereitzustellen. Ebenfalls kann die Speichereinrichtung 30 wiederum mit entsprechenden Informationen zu den Identifizierungsmerkmalen 32a, 32b, 32c verfügen.
Insbesondere kann beispielsweise in der Fahrzeugproduktion die initiale Kalibrierung, insbesondere ein Anlernvorgang, durchgeführt werden, um eine Referenz festzulegen, mit der später verglichen werden kann. Dabei wird die Plausibilisierungseinrichtung 20 aktiviert und die Spannungsantwort der Messeinrichtung 14 vermessen. Diese Spannungsantwort wird als Referenz herangezogen. Dies gilt sowohl für die Identifizierungsmerkmale 32a, 32b, 32c als auch für das Einprägen der Soll-Größe. Diese Größen müssen in einem übergeordneten Steuergerät, beispielsweise dem Batteriemanagementsystem 46, abgespeichert werden. In diesem werden die Identifizierungsmerkmale 32a, 32b, 32c und Referenzgrößen vom Anlernvorgang gespeichert. Dabei kann die Steuerung direkt über eine Kommunikationsverbindung 48 erfolgen oder auch per Proxy über die entsprechende Messeinrichtung 14.
3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird das Kraftfahrzeug gestartet. Im zweiten Schritt S2 sind wiederum die Schütze geöffnet. In einem dritten Schritt S3 wird die Plausibilisierungseinrichtung 20 gestartet. In einem vierten Schritt S4 wird die Spannungsantwort mittels der Messeinrichtung 14 gemessen. Handelt es sich dabei um einen so genannten Anlernvorgang, also die initiale Bewertung, so kann in einen fünften Schritt S5 übergegangen werden, wobei die gemessene Spannungsantwort persistent abgespeichert wird. Sollte es sich nicht um den Anlernvorgang handeln, so kann in den sechsten Schritt S6 übergegangen werden, wobei hierbei die gemessene Spannung mit der angelernten Spannung verglichen wird. Vom sechsten Schritt S6 kann wiederum in einen siebten Schritt S7 übergegangen werden, wobei im siebten Schritt S7 beispielsweise eine unbekannte Spannungsantwort gemessen wird. Ausgehend vom siebten Schritt S7 kann diese wiederum als kritisch oder unkritisch betrachtet werden. Sollte diese beispielsweise als kritisch betrachtet werden, so kann in den achten Schritt S8 übergegangen werden und eine entsprechende Fehlerreaktion erfolgen. Dies kann beispielsweise im neunten Schritt S9 eine Deaktivierung der Plausibilisierungseinrichtung 20 durchführen. Im zehnten Schritt S10 kann dann wiederum das Kraftfahrzeug außer Betrieb genommen werden, und die entsprechenden Schütze geöffnet werden. Sollte es sich beispielsweise um einen unkritischen Zustand handeln, so kann ausgehend vom siebten Schritt S7 in einen elften Schritt S11 übergegangen werden, wobei hierbei die Rekalibrierung der Messeinrichtung 14 durchgeführt wird. Es wird dann in einem zwölften Schritt S12 die neue Spannungsantwort persistent abgespeichert. Es erfolgt dann wiederum die nicht-kritische Fehlerreaktion in einem dreizehnten Schritt S13. Ausgehend vom sechsten Schritt S6 kann auch eine bekannte Spannungsantwort im vierzehnten Schritt S14 bestimmt werden. Ausgehend vom vierzehnten Schritt S14 kann dann wiederum ein fünfzehnter Schritt S15 durchgeführt werden, welcher die Deaktivierung der Plausibilisierungseinrichtung 20 durchführt. Dies kann auch vom zwölften Schritt S12 erfolgen. In einem sechzehnten Schritt S16 kann dann wiederum das Kraftfahrzeug in Betrieb genommen werden und die Schütze entsprechend geschlossen werden.
Beispielsweise kann der achte Schritt S8 als kritisch eingestuft werden, wenn die Identifizierungsmerkmale 32a, 32b, 32c unterschiedlich sind, was auf einen Tausch von der Plausibilisierungseinrichtung 20 oder des Stromsensors hinweist oder wenn die Rekalibrierung nicht mehr möglich ist. Dies kann zum Beispiel dann passieren, wenn kaum beziehungsweise kein Strom mehr durch die Messeinrichtung 14 fließt. In diesen Fällen kann eine Fehlerreaktion erfolgen, beispielsweise eine nicht-quittierbare Bewarnung für den Kunden, ein Abspeichern eines sicherheitsrelevanten Ereignisses im Kraftfahrzeug und/oder in der Cloud. Danach wird die Plausibilisierungseinrichtung 20 deaktiviert und das Kraftfahrzeug darf nicht mehr in Betrieb genommen werden. Die Schütze der Batterie 12 bleiben dabei geöffnet. Eine Abweichung kann wiederum als unkritisch eingeschätzt werden, was wiederum dem elften Schritt S11 entspricht, wobei hierbei auch die Identifizierungsmerkmale 32a, 32b, 32c gleich sind. Es kann eine Rekalibrierung des Stromsensors beziehungsweise der Messeinrichtung 14 durchgeführt werden. Dabei wird die Abweichung als durch eine Manipulation verursachte Größe angesehen und ein Kalibrierungsvorgang wird durchgeführt. Daher wird der Strom durch die oben beschriebene Gleichung abgeschätzt. Die Spannungsantwort wird als neue Vergleichsgröße genutzt und gespeichert und bei zukünftigen Vergleichen herangezogen. Eine nicht-kritische Fehlerreaktion wird durchgeführt. Der Kunde beziehungsweise Nutzer wird per nicht-kritischer Fehlerreaktion bewarnt, beispielsweise die quittierbare Bewarnung für den Kunden, Abspeichern eines sicherheitsrelevanten Ereignisses im Kraftfahrzeug und/oder der Cloud, eventuelle Einschränkung des Leistungsbereiches. Die Messeinrichtung 14 hat sich selbst geheilt. Danach wird die Plausibilisierungseinrichtung 20 deaktiviert und ein Fahrzeugbetrieb kann aufgenommen werden. Die Schütze der Batterie 12 werden wiederum geschlossen.
Bezugszeichenliste

10: Überwachungsvorrichtung
12: Batterie
14: Messeinrichtung
16: elektrischer Parameter
18: Stromschiene
20: Plausibilisierungseinrichtung
22: elektrische Messgröße
24: erster Abgriff
26: Mittelabgriff
28: zweiter Abgriff
30: Speichereinrichtung
32a, 32b, 32c: Identifizierungsmerkmal
34: Strompfad
36: Shunt-Messverfahren
38: Hall-Sensor-Messverfahren
40: weiterer Abgriff
42: weiterer Abgriff
44: externe Verschaltung
46: Batteriemanagementsystem
48: Kommunikationspfad
S1 bis S16: Schritte des Verfahrens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017003111 A1 [0003]
EP 2623996 A1 [0004]

Claims

Überwachungsvorrichtung (10) zum Überwachen einer Batterie (12) eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Messeinrichtung (14) zum Messen eines elektrischen Parameters (16) entlang einer Stromschiene (18) der Batterie (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (10) eine zur Messeinrichtung (14) separate Plausibilisierungseinrichtung (20) aufweist, welche eine elektrische Messgröße (22) an zumindest einem Abgriff (24, 26, 28) der Stromschiene (18) in die Stromschiene (18) einprägt, wobei in Abhängigkeit von der eingeprägten, elektrischen Messgröße (22) und einer davon abhängigen und an einem weiteren Abgriff (24, 26, 28) empfangenen elektrischen Messgröße (22) an der Stromschiene (18) eine Überwachung durchgeführt ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (18) zumindest einen ersten Abgriff (24) und einen zweiten Abgriff (28) an der Stromschiene (18) aufweist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (18) zumindest einen ersten Abgriff (24), einen zweiten Abgriff (28) und einen Mittelabgriff (26), welcher zwischen dem ersten Abgriff (24) und dem zweiten Abgriff (28) ausgebildet ist, aufweist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Abgriff (24, 26, 28) zusätzlich als Abgriff (40, 42) für die Messeinrichtung (14) ausgebildet ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (10) eine Speichereinrichtung (30) aufweist, wobei die Speichereinrichtung (30) zum Speichern eines Soll-Profils für die eingeprägte und die empfangene elektrische Messgröße (22) ausgebildet ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilisierungseinrichtung (20) zum Einprägen einer Spannung oder eines Stroms als elektrische Messgröße (22) und zum Empfangen einer Spannung oder eines Stroms als elektrische Messgröße (22) ausgebildet ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilisierungseinrichtung (20) zumindest ein eindeutiges Identifizierungsmerkmal (32a, 32b, 32c) aufweist und/oder das Identifizierungsmerkmal (32a, 32b, 32c) in einem Strompfad (34) zum Einprägen und/oder zum Empfangen der elektrischen Messgröße (22) ausgebildet ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der eingeprägten elektrischen Messgröße (22) und der empfangenen elektrischen Messgröße (22) mittels eines Shunt-Messverfahrens (36) und/oder eines Hall-Sensor-Messverfahrens (38) durchgeführt ist.
Verfahren zum Überwachen einer Batterie (12) eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein abgespeichertes Soll-Profil einer mittels einer Plausibilisierungseinrichtung (20) in eine Stromschiene (18) der Batterie (12) eingeprägten und empfangenen elektrischen Messgröße (22) mit einem Ist-Profil der eingeprägten und empfangenen elektrischen Messgröße (22) verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich die Überwachung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Differenzwert der elektrischen Messgrößen (22) bestimmt wird und der Differenzwert für eine Rekalibrierung einer Messeinrichtung (14) der Überwachungsvorrichtung (10) genutzt wird.