DE112013000580T5

DE112013000580T5 - Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112013000580T5
Application number: DE112013000580.8T
Authority: DE
Inventors: Bryan A. Mueller; Erik S. Wheeler; Mark R. Plagens; Urs Mader
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: WO2013109656A1; US20140348262A1; CN104053978A; US9276621B2; US9716520B2; US20150015267A1; CN104205680B; DE112013000580B4; CN104053978B; DE112013000582T5; CN104205680A; WO2013109653A1

Abstract

Eine integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung umfasst ein elektrisch isolierendes Gehäuse, das eine Vielzahl von leitfähigen Anschlussstellen aufweist, und einen innerhalb des elektrisch isolierenden Gehäuses angeordneten integrierten Schaltkreis (IC), der mit mindestens einigen aus der Vielzahl von leitfähigen Anschlussstellen elektrisch gekoppelt ist. Der IC umfasst einen ersten Multiplexer (MUX), einen zweiten MUX, einen dritten MUX, einen Analog-Digital-Wandler (Analog-to-Digital-Converter, ADC), eine Vielzahl von Registern, einen vierten MUX, eine Steuerlogik und Kommunikationsschaltungen. Beim Betrieb kann ein erster Stromkreiswert bei einer ersten Bedingung bestimmt und gespeichert werden, ein zweiter Stromkreiswert kann bei einer zweiten Bedingung bestimmt und gespeichert werden, und die Entscheidung, ob ein Fehlerzustand vorliegt, kann durch einen Vergleich des ersten Schaltkreiswertes mit dem zweiten Schaltkreiswert getroffen werden.

Description

Gebiet
Diese Erfindung betrifft elektronische Überwachungssysteme und insbesondere Batterieüberwachungssysteme.
Hintergrund
Ein batterieelektrisches Fahrzeug, oder ein BEV (engl. Battery Electric Vehicle), ist eine Art Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV), das chemische Energie verwendet, die in wiederaufladbaren elektrischen Autobatterien (Electric Vehicle Batteries, EVBs), die auch als „Akkupacks” und „Traktionsbatterien” bekannt sind, gespeichert ist. Anstelle von (oder zusätzlich zu) Verbrennungsmotoren verwenden BEVs Elektromotoren und Antriebssteuerungen für den Antrieb. Ein ausschließlich batteriebetriebenes Elektrofahrzeug, oder reines Elektrofahrzeug, bezieht seine gesamte Energie aus seinen Akkupacks, während ein an einer Steckdose aufladbares Hybridelektrofahrzeug einen Teil seiner Energie aus seinen Akkupacks und einen Teil seiner Energie aus einem Verbrennungsmotor bezieht. Zu Beispielen für BEVs gehören Kraftfahrzeuge, Lastwagen, Golfwagen, Züge und Schiffe.
Herkömmliche Elektrofahrzeugbatterien unterscheiden sind von Starterbatterien (Starting, Lighting and Ignition, SLI), weil sie darauf ausgelegt sind, Energie über längere Zeiträume zu liefern. Bei diesen Anwendungen werden zyklenfeste Batterien (Deep-Cycle-Batterien) anstelle von SLI-Batterien verwendet. Traktionsbatterien müssen mit einer hohen Amperestunden-Kapazität ausgebildet sein. Akkupacks für BEVs sind durch ihr relativ hohes Leistung/Gewicht-Verhältnis, Energie/Gewicht-Verhältnis und ihre relativ hohe Energiedichte gekennzeichnet.
Traktionsbatterien kommen in verschiedenen Formen vor, darunter zum Beispiel als Blei-Säure-, Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Traktionsbatterien. Blei-Säure-Batterien sind im Allgemeinen die billigsten erhältlichen Traktionsbatterien, weisen jedoch eine geringe Energiedichte auf. Nickel-Metallhydrid-Batterien, auch wenn sie nicht so effizient beim Laden und Entladen wie Blei-Säure sind, weisen eine viel höhere Energiedichte auf und können gut über eine ausgedehnte Lebensdauer in Betrieb bleiben (z. B. 10 Dienstjahre oder 160.000 Kilometer Fahrleistung). Lithium-Ionen-Batterien weisen eine hohe Energiedichte, gute Leistungsdichte und hohe Lade-/Entladeeffizienz auf, weisen jedoch kurze Zykluslebensdauern auf und unterliegen einer erheblichen Degradierung im Laufe der Jahre. Neue Arten von Lithium-Ionen-Batterien wurden entwickelt, bei denen Energie- und Leistungsdichte geopfert werden, um eine größere Feuerbeständigkeit, Umweltfreundlichkeit, eine schnelle Aufladung und längere Lebensdauer zu schaffen.
Akkupack-Ausführungen für Elektrofahrzeuge (EVs) sind komplex und variieren stark je nach Hersteller und konkreter Anwendung. Alle umfassen jedoch eine Kombination mehrerer mechanischer und elektrischer Komponentensysteme, die die erforderlichen Grundfunktionen des Packs ausführen. Des Weiteren umfassen Akkupacks viele einzelne Zellen, die in Reihe und parallel verbunden sind, um die Anforderungen des Packs hinsichtlich der Gesamtspannung und des Gesamtstroms zu erfüllen. Akkupacks können einige Hundert individuelle Zellen enthalten.
Um die Herstellung und Montage zu erleichtern, wird der große Stapel Zellen üblicherweise in kleinere Stapel, die Module genannt werden, unterteilt. Einige dieser Module werden in einem einzelnen Pack angeordnet. Innerhalb jedes Moduls werden die Zellen zusammengeschweißt, um den elektrischen Pfad für den Stromfluss fertigzustellen. Module können außerdem Kühleinrichtungen, Temperaturüberwachungsgeräte und andere Vorrichtungen aufweisen. Mithilfe eines Batteriemanagementsystems, oder „BMS”, ermöglichen in den meisten Fällen Module außerdem eine Überwachung der durch jede Batteriezelle in dem Stapel erzeugten Spannung. Der Akkupack umfasst außerdem eine Vielzahl von anderen Sensoren, wie z. B. Temperatur- und Stromsensoren, die durch das BMS überwacht werden. Das BMS kann außerdem für die Kommunikation mit der Welt außerhalb des Akkupacks zuständig sein.
Beim Verwenden in batterieelektrischen Fahrzeugen ist der Betrieb von Akkupacks zurzeit darauf ausgelegt, die hierin durch Rückbezug aufgenommene ISO 26262-Norm für funktionale Sicherheit zu erfüllen. Funktionale Sicherheit ist der Teil der Gesamtsicherheit eines Systems oder Ausrüstungsgegenstands, der von einer richtigen Funktionsweise des Systems oder des Ausrüstungsgegenstands als Antwort auf Eingaben, darunter von der sicheren Handhabung von wahrscheinlichen Bedienfehlern, Hardwareausfällen und Umweltveränderungen, abhängig ist. Die ISO 26262-Norm für funktionale Sicherheit trägt den Titel „Road vehicles – Functional safety” (dt. „Straßenfahrzeuge – Funktionale Sicherheit”) und ist eine Anpassung der hier durch Rückbezug aufgenommenen Norm ICE 61508 für funktionale Sicherheit elektrischer/elektronischer Systeme in Kraftfahrzeugen.
Die Schaltungen bestimmter BMS-Vorrichtungen werden in integrierte Schaltkreise (ICs) integriert. Um ISO 26262-Sicherheitsanforderungen im Hinblick auf Automobilprodukte zu erfüllen und Systemzuverlässigkeitsziele für Kunden zu erreichen, ist es erforderlich, das Sicherheitsziel der Anwendung beeinträchtigende Fehlerfälle innerhalb des IC und der Anwendungsschaltung zu diagnostizieren. Diese Fehler müssen innerhalb der Fehlertoleranzzeit der überwachten Spannungsquellen (verschiedene Batterie-Arten, in erster Linie Superkondensatoren und Brennstoffzellen) ermittelt werden.
Die Sicherheitsanforderungsstufe (Safety Integrity Level, SIL) ist als eine relative Stufe der durch eine Sicherheitsfunktion geschaffener Risikominderung oder als eine angesetzte Zielstufe der Risikominderung definiert. IEC 61508 bildet eine Grundlage für Sicherheitsanforderungsstufen. ISO 26262 bildet einen Rahmen für Sicherheitsanforderungsstufen bei Kraftfahrzeugen (Automotive Safety Integrity Levels, ASILs). ASIL-Einstufungen werden mit A, B, C oder D bezeichnet, wobei D die höchste Einstufung auf der Skala A bis D darstellt. Die Sicherheit ist aufgrund von Chemikalien, hohen Spannungen und einer hohen Energie von Akkupacks sowie wegen der Möglichkeit eines Brandes und/oder einer Explosion, die durch einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb oder Fehler von Akkupacks verursacht werden, von großer Bedeutung in Anwendungen batterieelektrischer Fahrzeuge.
Ein wichtiger Aspekt der ASIL-Norm ist die Überwachung auf Fehlerfälle sowohl im Akkupack als auch in den den Akkupack überwachenden Vorrichtungen. Zum Beispiel werden die Zellen auf einen Überspannungszustand überwacht, der Brände und/oder die Freisetzung von schädlichen Dämpfen verursachen könnte. Wenn jedoch die Überwachungsvorrichtung selbst versagt oder nicht richtig funktioniert, können gefährliche Zustände hinsichtlich des Akkupacks übersehen werden.
Eine Möglichkeit, das Problem des Ausfalls einer Überwachungsvorrichtung anzugehen, ist die Redundanz. Zum Beispiel können mehrere Akkupack-Überwachungsvorrichtungen zum Überwachen des Zustands eines Akkupacks parallel verwendet werden. Die Ausgaben der mehreren Überwachungsvorrichtungen können verglichen werden, und wenn sie gleich sind, kann mit einer gewissen Sicherheit angenommen werden, dass die Überwachungsvorrichtungen ordnungsgemäß arbeiten. Wenn jedoch die Ausgaben der mehreren Überwachungsvorrichtungen verschieden sind, kann angenommen werden, dass eine oder mehrere der Überwachungsvorrichtungen nicht ordnungsgemäß funktionieren, und ein „Fehler”-Zustand kann eingeleitet werden.
Ein Problem beim Verwenden mehrerer Überwachungsvorrichtungen stellen Kosten und Systemkomplexität dar. Außerdem ist die Art eines Fehlerzustands nicht bekannt, da das System lediglich weiß, dass eine oder mehrere der redundanten Überwachungsvorrichtungen nicht ordnungsgemäß funktionieren. Diese und andere Beschränkungen des Stands der Technik werden für Fachleute nach einer Lektüre der nachstehenden Beschreibungen und einer Analyse der verschiedenen Figuren der Zeichnungen offensichtlich sein.
Zusammenfassung
Verschiedene Beispiele werden hierin zum Zweck der Veranschaulichung verschiedener Kombinationen von Elementen und Abläufen innerhalb des Umfangs der Offenbarungen der Beschreibung und der Zeichnungen dargelegt. Außerdem werden hierin andere Kombinationen von Elementen und Abläufen sowie deren Abwandlungen unterstützt, wie für Fachleute offensichtlich sein wird.
Eine als Beispiel und nicht als Beschränkung dargelegte integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung umfasst ein elektrisch isolierendes Gehäuse, das eine Vielzahl von leitfähigen Anschlussstellen aufweist, und einen innerhalb des elektrisch isolierenden Gehäuses angeordneten integrierten Schaltkreis (IC), der mit mindestens einigen aus der Vielzahl von leitfähigen Anschlussstellen elektrisch gekoppelt ist. In einer Ausführungsform umfasst der IC einen ersten Multiplexer (MUX), einen zweiten MUX, einen dritten MUX, einen Analog-Digital-Wandler (Analog-to-Digital-Converter, ADC), eine Vielzahl von Registern, einen vierten MUX, eine Steuerlogik und Kommunikationsschaltungen. Als Eingänge weist der dritte MUX in diesem Beispiel Ausgänge des ersten MUX und des zweiten MUX auf, und der ACD ist mit dem Ausgang des dritten MUX gekoppelt. Der vierte MUX weist den Ausgang des ADC und der Vielzahl von Registern als Eingänge und einen mit der Steuerlogik des IC verbundenen Ausgang auf. Die Kommunikationsschaltung ist in diesem nicht beschränkenden Beispiel mit der Vielzahl von Registern sowohl zum Lesen als auch zum Schreiben gekoppelt. In einer alternativen Ausführungsform sind Eingänge des zweiten MUX außerdem mit Ausgleichsschaltern für einen Akkupack gekoppelt.
Ein als Beispiel und nicht als Beschränkung dargelegtes ISO 26262-konformes Batterieüberwachungssystem umfasst einen ersten Multiplexer (MUX), einen zweiten MUX, eine Vielzahl von Ausgleichsschaltern, einen dritten MUX, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) und ein Datenregister. In diesem Beispiel weist der erste Multiplexer eine erste Vielzahl von Eingängen, die mit einer Vielzahl von Batteriezellen über eine Vielzahl von Filterwiderständen gekoppelt ist, und einen Ausgang des ersten MUX auf. Der zweite MUX weist eine zweite Vielzahl von Eingängen, die mit der Vielzahl von Batteriezellen über eine Vielzahl von Ausgleichswiderständen gekoppelt ist, und einen Ausgang des zweiten MUX auf. Die Ausgleichsschalter sind zwischen benachbarten Paaren der Ausgleichswiderstände gekoppelt. Der dritte MUX weist Eingänge auf, die mit dem Ausgang des ersten MUX und dem Ausgang des zweiten MUX gekoppelt sind, und weist einen Ausgang des dritten MUX auf. Der ADC weist einen analogen Eingang, der mit dem Ausgang des dritten MUX gekoppelt ist, und einen digitalen Ausgang auf, und das Datenregister ist mit dem ADC gekoppelt.
Ein als Beispiel und nicht als Beschränkung dargelegtes Verfahren zur Batterieüberwachung umfasst ein Bestimmen und Speichern eines ersten Stromkreiswertes eines Stromkreises bei einer ersten Bedingung, ein Bestimmen und Speichern eines zweiten Stromkreiswertes bei einer zweiten Bedingung und ein Bestimmen, ob ein Fehlerfall vorliegt, indem der erste Stromkreiswert mit dem zweiten Stromkreiswert verglichen wird. In diesem Beispiel kann eine Art von Fehler bestimmt werden, wenn der erste Stromkreiswert von dem zweiten Stromkreiswert um mehr als die Toleranzschwelle abweicht. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein mindestens teilweise auf der Grundlage des ersten Stromkreiswertes basierendes Ausgleichen von Zellen einer Batterie.
Ein Vorteil von Ausführungsformen der integrierten normenkonformen Datenerfassungsvorrichtung besteht darin, dass im Gegensatz zu der bei Lösungen des Stands der Technik erforderlichen Vielzahl von redundanten Vorrichtungen eine einzelne Vorrichtung zum Ermitteln von Fehlern verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil von bestimmten Ausführungsbeispielen besteht darin, dass Fehler innerhalb der Vorrichtung ermittelt werden können. Außerdem kann in bestimmten Ausführungsformen die Art von Fehler ermittelt und hinsichtlich des Schweregrads eingestuft werden.
Diese und andere Beispiele für Kombinationen von hierin unterstützten Elementen und Abläufen sowie deren Vorteile werden für Fachleute nach einer Lektüre der nachstehenden Beschreibungen und einer Analyse der verschiedenen Figuren der Zeichnung offensichtlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Mehrere Beispiele werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Elemente und/oder Abläufe mit gleichen Bezugsnummern versehen sind. Die Beispiele sind als Veranschaulichung und nicht als Beschränkung der hierin offenbarten Konzepte gedacht. Es zeigen:
1 einen Blockschaltplan eines Beispiels für eine integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung;
2 einen ausführlicheren Blockschaltplan des digitalen UART-Upstreams 46 von 1;
3 einen Schaltplan, der eine Funktionsweise eines Zellausgleichsschalters von Block 44 in 1 darstellt;
4 einen Blockschaltplan eines Beispiels für ein integriertes normenkonformes Datenerfassungssystem;
5 ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Ermitteln von Fehlern mithilfe eines integrierten normenkonformen Datenerfassungssystems von 4; und
6 eine Tabelle mit Fehlerbeispielen und Ermittlungsverfahren für ein integriertes normenkonformes Datenerfassungssystem von 4.
Beschreibung von Ausführungsformen
Diese Anmeldung beansprucht die Prioritätsrechte von USSN 61/587,108, USSN 61/587,113 und USSN 61/587,122, die am 16. Januar 2012 eingereicht wurden und hierin durch Rückbezug aufgenommen sind.
1 zeigt als Beispiel und nicht als Beschränkung eine integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung 10, die ein elektrisch isolierendes Gehäuse 12, das eine Vielzahl von leitfähigen Anschlussstellen 14 aufweist, und einen integrierten Schaltkreis (IC) 16, der innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist und mit mindestens einigen der Anschlussstellen 14 elektrisch gekoppelt ist, umfasst. In diesem Beispiel umfasst der IC 16 einen ersten Multiplexer (MUX) 18, der eine erste Vielzahl von Eingängen 20 und einen Ausgang 22 des ersten MUX aufweist, einen zweiten MUX 24, der eine zweite Vielzahl von Eingängen 26 und einen Ausgang 28 des zweiten MUX aufweist, einen dritten MUX 30, der über einen LS-Verstärker 32 mit dem Ausgang des ersten MUX und dem Ausgang des zweiten MUX gekoppelte Eingänge und einen Ausgang 33 des dritten MUX aufweist, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 34, der einen mit dem Ausgang 33 des dritten MUX gekoppelten analogen Eingang und einen digitalen Ausgang aufweist, eine Vielzahl von Registern 36, einen vierten MUX 38, der mit dem digitalen Ausgang des ADC 34 und der Vielzahl von Registern 36 gekoppelte Eingänge aufweist, eine Steuerlogik 40, die mit dem Ausgang des vierten MUX 38 gekoppelt ist, und eine Kommunikationsschaltung 42, die mit der Vielzahl von Registern 35 gekoppelt ist.
In dem nicht beschränkenden Beispiel von 1 ist die Vorrichtung 10 als eine ISO 26262-konforme Batterieüberwachungsvorrichtung konfiguriert. Von daher überwacht und ermittelt sie sowohl externe als auch interne Fehler, z. B. offene externe Abtastleitungen, die an die zweite Vielzahl von Eingängen 26 angeschlossen sind, defekte Komponenten und/oder Funktionsblöcke des IC 16, Überhitzungszustände usw. Außerdem wird in diesem nicht beschränkenden Beispiel die zweite Vielzahl von Eingängen 26 von den Zellausgleichsschaltern 44 mitbenutzt. Außerdem umfasst Kommunikationsschaltung 42 in diesem nicht beschränkenden Beispiel eine UART-Schaltung (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), die digitalen UART-Upstream 46, digitalen UART-Upstream 48, unteren Port 50 einer UART/Alarm-PHY und oberen Port 52 der UART/Alarm-PHY aufweist.
In diesem nicht beschränkenden Beispiel ist der erste MUX 18 eine Hochspannungs-MUX-Schalterleiste (HVMUX-Schalterleiste). Die erste Vielzahl von Eingängen 20 besteht aus den Leitungen C₀–C_n, die mit n Zellen eines Akkupacks (nicht dargestellt) gekoppelt sind. Zum Beispiel liegen bei einem 12 Zellen umfassenden Akkupack 13 Leitungen C₀–C₁₂ vor. In diesem Beispiel sind Stromquellen 54 mit jedem der Eingänge 20 zu Prüfzwecken gekoppelt. Als Eingänge weist außerdem der erste MUX 18 VBLKP (die Gesamtspannung des Akkupacks), AGND (die Masse des Akkupacks) und zusätzliche Prüfeingänge auf, darunter HVMUX-Prüfstromquellen HVMUX 56, alternative Referenzspannung ALTREF 58 und Referenzspannung REFBUF 60. Der erste MUX 18 weist außerdem einen Ausgang der Akkupack-Spannung VBLK auf, der mit einem Eingang des dritten MUX 30 über einen Puffer 62 gekoppelt ist.
Der zweite MUX 24 ist in diesem Beispiel eine alternative Hochspannungs-Schalterleiste ALTMUX. Die zweite Vielzahl von Eingängen 26 sind Abtastleitungen SW₀–SW_n, die mit entsprechenden Zellen des Akkupacks, genauso wie Leitungen C₀–C_n, gekoppelt sind. Hinsichtlich des ersten Messpfads der Leitungen C₀–C_n liefern daher Leitungen SW₀–SW_n einen zweiten Messpfad für die Spannung der Zellen des Akkupacks. Wie nachstehend besprochen, ermöglicht dies eine Messung der Zellspannungen des Akkupacks (nicht dargestellt) bei einer Vielzahl von Bedingungen, was die Ermittlung von Fehlern, wie z. B. offene Abtastleitungen, ermöglicht.
In diesem Beispiel ist der dritte MUX 30 ein Niederspannungs-MUX (Low-Voltage MUX, LVMUX), wobei der Spannungspegel des ersten MUX 18 durch den LS-Verstärker 32 reduziert wird. Es ist zu beachten, dass die Steuerlogik 40 den ersten MUX 18 und den zweiten MUX 24 steuert, so dass zu einem gegebenen Zeitpunkt nur einer eine Ausgangsspannung an den Eingang des LS-Verstärkers 32 legt. Der dritte MUX 30 weist andere Prüfeingänge auf, darunter AGND, VAA, und einen VPTAT-Spannungseingang ALRTTEMP 64.
Der ADC 34 weist einen differentiellen, mit dem Ausgang 33 des dritten MUX gekoppelten Eingang und einen digitalen Ausgang an einem Bus 35 auf. Zum Beispiel kann der Bus 35 ein 12-Bit-Bus sein, der eine digitale 12-Bit-Darstellung der Differenzspannung an den Ausgangsleitungen 33 des dritten MUX liefert. Der Bus 35 umfasst einen digitalen Eingang am vierten MUX 38, und ein Bus 37 (auch 12-Bit in diesem nicht beschränkenden Beispiel) von der Vielzahl von Registern 38 umfasst einen anderen digitalen Eingang am vierten MUX 38. Der MUX 38 wählt einen der Busse 35 und 37 für einen Ausgangsbus 39 aus (ebenfalls 12-Bit in diesem nicht beschränkenden Beispiel), der in die Steuerschaltung 40 eingegeben wird. Der vierte MUX 38 ermöglicht es, dass bei einer ersten Bedingung gemessene Spannungen vom ADC 34 in die Steuerlogik 40 eingegeben werden und dass bei einer zweiten Bedingung Daten aus der Vielzahl von Registern 36 in die Steuerlogik 40 eingegeben werden.
Ein Großteil der Kommunikation hinsichtlich des IC 16 erfolgt über die Vielzahl von Registern 36, die Konfigurations- und Datenregister umfassen. Das heißt, dass als Ergebnis einer Messung Daten in Register geschrieben werden können, um entweder Konfigurationsdaten oder Prüfdaten zu liefern, und Daten aus den Registern gelesen werden können, um Ausgänge, Steuerungen, Prüfdaten usw. zu liefern. Ein Oszillator OSC 66 (16 MHz in diesem nicht beschränkenden Beispiel) liefert Taktsignale für die Vielzahl von Registern 36 sowie die Steuerlogik 40 und die Kommunikationsschaltung 42.
Die Steuerlogik 40 steuert einen Großteil der Zeitsteuerung und des Betriebs des IC 16. Außerdem liest die Steuerlogik 40 aus der Vielzahl von Registern 36 und schreibt in die Vielzahl von Registern 36. In diesem nicht beschränkenden Beispiel ist die Steuerlogik 40 als ein Zustandsautomat und eine arithmetisch-logische Einheit (Arithmetic Logic Unit, ALU) implementiert. Fachleute werden erkennen, dass die Steuerlogik auf andere Weisen, darunter diskrete Logik, Mikrocontroller usw., implementiert werden kann.
In diesem nicht beschränkenden Beispiel kann der IC 16 zusätzliche Komponenten für den Betrieb und/oder Prüfverfahren aufweisen. Zum Beispiel kann eine Hochspannungs-Ladepumpe (HV-Ladepumpe) 68, die DCIN und ein 32 kHz-Taktsignal 70 als Eingänge aufweist, vorgesehen sein. Als eine weitere Fehlerprüfung können Taktsignale 66 und 70 verglichen werden. Eine Bandabstandsreferenz 72 kann in REFBUF 60 und einen LDO 74 eingegeben werden. Eine Pufferreferenzspannung REFMUX 76 kann REFBUF 60 als einen Eingang aufweisen und eine Referenzspannung für den ADC 34 liefern. Ein thermischer Abschaltalarm 78 kann in den LDO 74 sowie eine Ladepumpe SHDNL 80 eingegeben werden.
Die integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung 10 kommuniziert in diesem nicht beschränkenden Beispiel mit einem externen Prozessor über die Kommunikationsschaltung 42. Insbesondere kommuniziert in diesem Beispiel der IC 16 mit dem externen Prozessor unter Verwendung der Vielzahl von Registern 36, wobei der externe Prozessor sowohl aus den Registern 36 liest als auch in die Register 36 schreibt.
Es ist daher offensichtlich, dass die integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung 10 als Teil eines ISO 26262-konformen Batterieüberwachungssystems verwendet werden kann. Dies wird durch Bestimmen und Speichern eines ersten Stromkreiswertes bei einer ersten Bedingung, Bestimmen und Speichern eines zweiten Stromkreiswertes bei einer zweiten Bedingung und ein Bestimmen, ob ein Fehlerfall vorliegt, indem der erste Stromkreiswert mit dem zweiten Stromkreiswert verglichen wird, erreicht. Stromkreiswerte können zum Beispiel Spannungspegel, Prüfparameter usw. sein. Die erste und die zweite Bedingung können außerdem einen Vergleich zwischen Stromkreiswerten, die über verschiedene Pfade aufgenommen wurden (z. B. von Eingängen 20 im Gegensatz zu Eingängen 26), oder einen Vergleich zwischen alternativen Quellen, wie REFBUF 60 und ALTREF 58, einen Vergleich von ADC 34-Werten am Bus 35 mit Prüfwerten am Bus 37, die in Registern 36 gespeichert sind, usw. umfassen. Auf diese Weise können sowohl externe Komponenten, die mit der integrierten normenkonformen Datenerfassungsvorrichtung 10 gekoppelt sind, als auch interne Komponenten der integrierten normenkonformen Datenerfassungsvorrichtung 10 auf Fehlerzustände gemäß den ASIL-Normen überwacht werden. Durch eine Identifizierung der Art des Fehlerfalls können außerdem die Störungen entsprechend der Signifikanz, von einem geringfügigen Fehlerzustand bis zu einem kritischen Fehlerzustand, eingestuft werden. Auf diese Weise kann das System je nach dem Schweregrad des Fehlerzustands entsprechende Maßnahmen ergreifen.
2 stellt als Beispiel und nicht als Beschränkung eine digitale UART-Upstream-Schaltung 46 von 1 dar. Der digitale UART-Upstream 46 umfasst ein erstes FIFO-Schieberegister 82 (First In – First Out), einen Decoder 84 für eingehende Daten, einen Decoder 86 für ausgehende Daten, einen Manchester- und Paritätsdecoder 88, einen Manchester- und Paritätscodierer 90, einen TX PEC-Ausgangsrechner 92 und einen RX PEC-Rechner 94, einen UART-Byte-Decoder 96, einen UART-Byte-Codierer 98, einen Präambeldetektor 100 und einen Baudrate-Detektor 102. Der Bus REGBUS[16] und die Leitungen ALRTMANUP, ALRTPARUP und ALRTPEC sind mit der Vielzahl von Registern 36 gekoppelt (siehe 1).
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 gibt es zwei Arten von Befehlen von einem externen Prozessor, die durch das Schieberegister 82 strömen können, nämlich einen Schreibbefehl und einen Lesebefehl. Der Schreibbefehl ist in diesem vorliegenden, nicht einschränkenden Beispiel ein Schreiben des externen Prozessors in die Register 36, und ein Lesebefehl ist ein Lesen des externen Prozessors aus den Registern 36, wobei beides über die Kommunikationsschaltung 42 erfolgt.
Wenn Daten von der empfangenden PHY (RXPHY) eintreffen, werden sie in UART-Byte-Decoder 96 decodiert und seriell in das Schieberegister 82 eingegeben. Der RX PEC-Rechner 94 tastet die Daten kontinuierlich ab, und letztendlich wird der erhaltene berechnete PEC mit dem PEC verglichen, der von der vorherigen Vorrichtung erhalten wurde.
Wie erwähnt, gibt es im Schieberegister 82 zwei Pfade: einen für Schreibbefehle und einen für Lesebefehle. Da ein Schreibbefehl unverändert durchlaufen soll, umgeht er das Schieberegister in seiner Gänze, wie mit 83 dargestellt ist. Ein Lesebefehl umfasst Schreib-Bytes und Lese-Bytes, und die Lese-Bytes (die zweite Hälfte des Lesebefehls) gehen durch die Schieberegisterblöcke 85. Der Datenstrom wird in einem MUX 87 wieder zusammengeführt.
Die Lesebefehle und die Schreibbefehle werden fortlaufend durch das Schieberegister 82 abgetastet. Die berechneten PECs und die empfangenen PECs werden verglichen. Bei Schreibbefehlen sollten die zwei PECs gleich sein (d. h. der Rechner 92 sollte bei dem berechneten TX PEC-Ausgangswert auf denselben PEC kommen wie der empfangene Schreibbefehl). Bei Lesebefehlen ist der frisch berechnete PEC, der übertragen werden wird (TxPEC), fast immer von dem empfangenen PEC verschieden, weil zusätzliche Daten durch die Vorrichtung normalerweise hinzugefügt werden. Der berechnete RxPEC wird jedoch zum Ausmaskieren jeglicher neuer Daten, die durch die Vorrichtung eingeführt wurden, verwendet (z. B. mithilfe von MUX 87), so dass der Vergleich letztlich nur auf den ursprünglich empfangenen Daten basiert. Demzufolge sollte der berechnete RxPEC mit dem empfangenen PEC übereinstimmen, wenn kein Fehler vorliegt.
Indem die übertragenen Daten zum Berechnen des erwarteten empfangenen PEC verwendet werden, werden verschiedene Logikkomponenten, darunter das Schieberegister 85, überprüft. Jegliche während des Datendurchgangs durch das Schieberegister eingeführten Fehler werden anhand der Nichtübereinstimmung des berechneten RxPEC im Vergleich zu dem empfangenen PEC erkennbar. Dieser Ansatz fügt eine Ebene der Selbstprüfung hinzu, die nicht vorhanden wäre, wenn der RxPEC auf der Grundlage des Ausgangs des UART-Byte-Decoders 96 berechnet wird.
3 stellt den Betrieb von Zellausgleichsschaltern 44 aus 1 dar. In diesem Beispiel ist eine Vielzahl von Batteriezellen n in Reihe gekoppelt und die Eingänge C(n – 1) und C(n) sind über die Batteriezelle n durch Widerstände R_Filter gekoppelt. Gleichermaßen sind die Eingänge SW(n – 1) und SW(n) über der Batteriezelle n durch Widerstände R_Ausgleich gekoppelt. Ein MOSFET-Schalter 104 wird durch eine Stromquelle 106 aktiviert, was durch ein Signal BALSWn an einem Schalter 108 gesteuert wird. Wenn aktiviert, überbrückt der MOSFET-Schalter 104 die Zelle n über die beiden Widerstände R_Ausgleich, um die Zellen des Akkupacks auszugleichen (z. B. um Zellen bei optimalen Spannungspegeln zu bekommen). Vorteilhafterweise liefern die Eingänge C(n) und C(n – 1) sowie die Eingänge SW(n) und SW(n – 1) redundante Verbindungen mit der Zelle n, so dass Unterbrechungen in den zu der Zelle n führenden Leitungen erkannt werden können.
4 ist ein Blockschaltplan eines Beispiels für ein integriertes normenkonformes Datenerfassungssystem 110, das eine integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung 10 und einen Prozessor 112 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung als eine vom Prozessor 112 abgetrennte Komponente dargestellt, aber in alternativen Ausführungsformen kann der Prozessor 112 innerhalb der integrierten normenkonformen Datenerfassungsvorrichtung 10 aufgenommen sein, oder umgekehrt.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Prozessor 112 einen Speicher 114 und kommuniziert mit der integrierten normenkonformen Datenerfassungsvorrichtung 10 über seine Kommunikationsschaltung 42, indem er aus den Registern 36 liest und in die Register 36 schreibt. In anderen Ausführungsformen können der Prozessor 112 und die integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung 10 auf andere Weisen kommunizieren. Der Speicher 114 des Prozessors 112 kann Codesegmente enthalten, die vom Prozessor ausführbar sind, um zum Beispiel Lese- und Schreibbefehle für die integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung 10 zu generieren.
5 ist ein als Beispiel und nicht als Beschränkung dargelegtes Ablaufdiagramm eines Prozesses 116 zum Bestimmen eines Fehlerfalls mithilfe des integrierten normenkonformen Datenerfassungssystems von 4. Der Prozess 116 kann als ein nicht beschränkendes Beispiel mithilfe von Codesegmenten implementiert werden, die im Speicher 114 gespeichert und vom Prozessor 112 ausführbar sind.
Der Prozess 116 fängt bei 118 an, und in einer Operation 120 wird ein Messwert (M1), der bei einer ersten Bedingung aufgenommen wurde, zum Beispiel aus den Registern 36 gelesen. Als Nächstes wird in einer Operation 122 ein Messwert (M2), der bei einer zweiten Bedingung aufgenommen wurde, zum Beispiel aus den Registern 36 gelesen. Anschließend wird in einer Operation 124 der Messwert M1 mit dem Messwert M2 verglichen, und wenn sie nicht ungleich sind (z. B. wenn sie im Rahmen einer Toleranzschwelle im Wesentlichen gleich sind), dann kehrt die Prozesssteuerung zu Operation 120 zurück. Wenn die Operation 124 feststellt, dass M1 ≠ M2, meldet die Operation 126 einen Fehlerzustand, und eine optionale Operation 128 bestimmt die Art des Fehlers. Der Prozess kehrt dann zu Operation 120 zurück, um den Fehlerüberwachungsprozess 116 fortzusetzen.
6 ist eine Tabelle mit Beispielen für analoge Diagnoseprüfungen. Die erste Spalte listet die Fehlerart auf, die zweite Spalte listet ein zugehöriges Ermittlungsverfahren auf und die dritte Spalte listet eine empfohlene Prüfhäufigkeit auf. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann ein Messwert mithilfe der integrierten normenkonformen Datenerfassungsvorrichtung 10 aufgenommen werden, und anschließend kann eine Fehlerdiagnose ausgeführt werden, um zu bestätigen, dass der Messwert korrekt war. Wie für Fachleute offensichtlich sein wird, kann eine digitale Fehlerdiagnose unter Verwendung von digitalen Testmustern erzielt werden.
Eine Reihe von nützlichen Tests und Messungen können mit der integrierten normenkonformen Datenerfassungsvorrichtung 10 vorgenommen werden. Zum Beispiel kann die integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung 10 eine Generierung einer Zellüberspannungsbedingung liefern. Das heißt, dass als nicht beschränkendes Beispiel die internen Zellausgleichsschalter 44 verwendet werden können, um eine Spannung bis 2·V_Zelle an den Eingängen des zweiten MUX 24 zu generieren, um die Leistungsfähigkeit des Messschaltungseingangs zu testen. Durch Generieren und Messen dieser erhöhten Spannung am Pfad des zweiten MUX 24 kann der Wertebereich des Messpfads überprüft werden. Danach wird der Messwert des primären Pfades validiert, indem die Nennmesswerte durch den Pfad des zweiten MUX 24 mit den Messwerten des Pfads des Eingangs des ersten MUX 18 verglichen werden.
In diesem Beispiel wird eine Zellpositionseingangsspannung um ungefähr 1,5·V_Zelle erhöht, indem einer der benachbarten Ausgleichsschalter 104 (die hierin in Zusammenhang mit einer Zelle n als BALSW(n + 1) oder BALSW(n – 1) bezeichnet werden) eingeschaltet wird. Wenn der benachbarte Schalter (BALSW) eingeschaltet wird, wird der von dem Schalter mitbenutzte SW-Pin um 0,5·V_Zelle verschoben, was eine Erhöhung der Zelle(n) um diesen Betrag veranlasst, wenn anhand des Pfads des zweiten MUX 24 gemessen wird. Für die oberste Zellposition kann BALSW(n – 1) verwendet werden und für die untere Zellposition kann BALSW(n + 1) verwendet werden. Durch Einschalten zweier benachbarter Schalter anstatt von einem, wie z. B. BALSW(n + 1) und BALSW(n + 2), beträgt die gemessene Spannung ungefähr 2·V_Zelle, angenommen, dass alle Zellen bei ungefähr gleicher Spannung liegen.
Unter Verwendung dieser Technik wird eine den Überspannungsschwellwert für eine Zelle übersteigende Messspannung generiert, um den Messpfad und die Überspannungshandhabungsfunktionen des Systems zu testen, außer, wenn sich die Zelle im niedrigsten Entladezustand oder nahe ihrem niedrigsten Entladezustand befindet. In allen Fällen ist es möglich zu überprüfen, ob die Aussteuerungsreserve des Messsystems nicht begrenzt ist. Die Aussteuerungsreserve des Messpfadeingangs kann außerdem überprüft werden, indem die Zellteststromquellen (Cell Test Current Sources) zum Erzeugen einer kleinen positiven Spannungsänderung in dem primären Messpfad für eine ausgewählte Reihe von Zellpositionen verwendet werden. Falls die erwartete Spannungsänderung durch eine Messung bestätigt wird,
Obwohl verschiedene Beispiele unter Verwendung konkreter Begriffe und Vorrichtungen beschrieben wurden, dienen solche Beschreibungen ausschließlich Veranschaulichungszwecken. Die verwendeten Worte sind Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung. Es versteht sich, dass Änderungen und Abwandlungen von Fachleuten vorgenommen werden können, ohne von der Wesensart und dem Umfang jeglicher hierin beschriebener Beispiele abzuweichen. Es versteht sich außerdem, dass Aspekte verschiedener anderer Beispiele entweder vollständig oder teilweise vertauscht werden können. Es ist daher vorgesehen, dass die hierin und nachstehend vorgestellten Ansprüche gemäß ihrem wahren Erfindungsgedanken und Umfang und ohne Beschränkung oder Hinderung interpretiert werden sollen.

Claims

Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung, umfassend: ein elektrisch isolierendes Gehäuse, das eine Vielzahl von leitfähigen Anschlussstellen aufweist, und einen integrierten Schaltkreis (IC), der innerhalb des elektrisch isolierenden Gehäuses angeordnet ist und mit mindestens einigen aus der Vielzahl von leitfähigen Anschlussstellen elektrisch gekoppelt ist, wobei der IC aufweist: (a) einen ersten Multiplexer (MUX), der eine erste Vielzahl von Eingängen und einen Ausgang des ersten MUX aufweist; (b) einen zweiten MUX, der eine zweite Vielzahl von Eingängen und einen Ausgang des zweiten MUX aufweist; (c) einen dritten MUX, der mit dem Ausgang des ersten MUX und dem Ausgang des zweiten MUX gekoppelte Eingänge aufweist und einen Ausgang des dritten MUX aufweist; (d) einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der einen mit dem Ausgang des dritten MUX gekoppelten analogen Eingang und einen digitalen Ausgang aufweist; (e) eine Vielzahl von Registern; (f) einen vierten MUX, der mit dem digitalen Ausgang des ADC und der Vielzahl von Registern gekoppelte Eingänge aufweist und einen Ausgang des vierten MUX aufweist; (g) Steuerlogik, die mit dem Ausgang des vierten MUX und der Vielzahl von Registern gekoppelt ist; und (h) Kommunikationsschaltung, die mit der Vielzahl von Registern gekoppelt ist.
Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Vielzahl von Eingängen mit einer entsprechenden Vielzahl von Ausgleichsschaltern gekoppelt ist.
Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationsschaltung eine UART-Schaltung (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) aufweist.
Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die UART-Schaltung einen digitalen Upstream-Strom aufweist, der ein FIFO-Schieberegister (First In – First Out) und eine Fehlerüberprüfungsschaltung, die eine Eingabe in das FIFO-Schieberegister mit einer Ausgabe des FIFO-Schieberegisters vergleicht, aufweist.
Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner einen mit den Registern kommunizierenden Prozessor umfasst.
Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Prozessor innerhalb des elektrisch isolierenden Gehäuses angeordnet ist.
Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, die ferner einen mit den Registern über die UART-Schaltung kommunizierenden Prozessor umfasst.
Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 7, die ferner einen Speicher umfasst, der mit dem Prozessor gekoppelt ist und Codesegmente zum Lesen eines ersten Messwertes aus den Registern, der bei einer ersten Bedingung aufgenommenen wurde; Lesen eines zweiten Messwertes aus den Registern, der bei einer zweiten Bedingung aufgenommenen wurde; und Vergleichen des ersten Messwertes mit dem zweiten Messwert, um einen Fehlerzustand zu ermitteln, umfasst.
Integrierte normenkonforme Datenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Speicher ferner Codesegmente zum Bestimmen einer Art von Fehlerzustand umfasst.
ISO 26262-konformes Batterieüberwachungssystem, umfassend: einen ersten Multiplexer (MUX), der eine erste Vielzahl von Eingängen, die mit einer Vielzahl von Batteriezellen über eine Vielzahl von Filterwiderständen gekoppelt ist, und einen Ausgang des ersten MUX aufweist; einen zweiten MUX, der eine zweite Vielzahl von Eingängen, die mit der Vielzahl von Batteriezellen über eine Vielzahl von Ausgleichswiderständen gekoppelt ist, und einen Ausgang des zweiten MUX aufweist; eine Vielzahl von Ausgleichsschaltern, die zwischen benachbarten Paaren aus der Vielzahl von Ausgleichswiderständen gekoppelt ist; einen dritten MUX, der mit dem Ausgang des ersten MUX und dem Ausgang des zweiten MUX gekoppelte Eingänge aufweist und einen Ausgang des dritten MUX aufweist; einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der einen mit dem Ausgang des dritten MUX gekoppelten analogen Eingang und einen digitalen Ausgang aufweist; und ein mit dem ADC gekoppeltes Datenregister.
ISO 2626-konformes Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 10, das ferner einen mit dem Datenregister gekoppelten Prozessor und einen Speicher umfasst, der mit dem Prozessor gekoppelt ist und Codesegmente zum Lesen eines ersten Messwertes aus dem Datenregister, der bei einer ersten Bedingung aufgenommen wurde; Lesen eines zweiten Messwertes aus dem Datenregister, der bei einer zweiten Bedingung aufgenommen wurde; und Vergleichen des ersten Messwertes mit dem zweiten Messwert, um einen Fehlerzustand zu ermitteln, umfasst.
ISO 26262-konformes Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 11, wobei der Prozessor mit dem Datenregister durch eine UART-Schaltung (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) gekoppelt ist.
Verfahren zum Batterieüberwachen, umfassend: Bestimmen und Speichern eines ersten Stromkreiswertes bei einer ersten Bedingung; Bestimmen und Speichern eines zweiten Stromkreiswertes bei einer zweiten Bedingung; und Bestimmen, ob ein Fehlerfall vorliegt, indem der erste Stromkreiswert mit dem zweiten Stromkreiswert verglichen wird.
Verfahren zum Batterieüberwachen nach Anspruch 13, das ferner das Bestimmen einer Art von Fehler umfasst, wenn der erste Stromkreiswert von dem zweiten Stromkreiswert um mehr als die Toleranzschwelle abweicht.
Verfahren zum Batterieüberwachen nach Anspruch 14, das ferner ein mindestens teilweise auf dem ersten Stromkreiswert basierendes Ausgleichen von Zellen einer Batterie umfasst.