EP4460701A1 - Überwachungsvorrichtung zur überwachung einer batterie eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen kraftfahrzeugs sowie verfahren - Google Patents

Überwachungsvorrichtung zur überwachung einer batterie eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen kraftfahrzeugs sowie verfahren

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Publication number
EP4460701A1
EP4460701A1 EP23720598.4A EP23720598A EP4460701A1 EP 4460701 A1 EP4460701 A1 EP 4460701A1 EP 23720598 A EP23720598 A EP 23720598A EP 4460701 A1 EP4460701 A1 EP 4460701A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tap
monitoring
monitoring device
battery
busbar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23720598.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Emanuel Hust
Konstantin Ditz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4460701A1 publication Critical patent/EP4460701A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0092—Measuring current only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references

Definitions

  • Monitoring device for monitoring a battery of an at least partially electrically operated motor vehicle and method
  • the invention relates to a monitoring device for monitoring a battery of an at least partially electrically operated motor vehicle according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for monitoring a battery.
  • Such an attack can also be carried out, for example, on a corresponding current sensor device of a battery, in particular a high-voltage battery.
  • a physical attack can be carried out on this HV battery.
  • Such an attack on the current sensor can, for example, involve introducing an additional current path around the measuring section or changing the internal measuring circuit. Therefore, for example, the current sensor only measures a part of the current actually impressed or taken. This can result in the battery being operated outside of the permitted operating window, thereby bypassing safety mechanisms that are intended to allow safe operation. Bypassing these mechanisms can, in the worst case scenario, lead to a battery fire and therefore represents a serious risk to life and limb.
  • the DE 10 2017 003 111 A1 relates to a measuring resistor for applying an electrical current to be measured with a first connection area and a second connection area.
  • a measuring resistor is often designed as a shunt.
  • These connection areas can each be connected to a circuit.
  • a measuring section is arranged between these two connection areas and is mechanically connected to them.
  • a third tapping point for measuring an electrical current is arranged along the measuring section.
  • double tapping points can result in six tapping points. With the help of these tapping points, different measurement modes can be implemented in order to check the plausibility of a measurement through a further measurement.
  • EP 2 623 996 A1 discloses a current measuring circuit comprising a sensor assembly for measuring an electrical current flowing through a conductor by measuring an input voltage between a first and a second input line of the sensor assembly and a sensor controller for controlling the sensor assembly, the sensor assembly providing a first sensor device Detecting the strength of the electrical current by means of a first analog-digital converter for converting analog measured values into digitized measured values and the current measuring circuit comprises an influencing device for variable connection of a test voltage or a test current to an input of the first analog-digital converter.
  • the input of the first analog-digital converter is connected to the first input line of the sensor assembly via a first series impedance.
  • the object of the present invention is to create a monitoring device and a method by means of which a reliable current measurement can be realized within the electrical energy storage or the battery.
  • One aspect of the invention relates to a monitoring device for monitoring a battery of an at least partially electrically operated motor vehicle, with at least one measuring device for measuring an electrical parameter along a busbar of the battery.
  • the monitoring device has a plausibility check device that is separate from the measuring device and which impresses an electrical measurement variable into the busbar at at least one tap of the busbar, depending on the impressed electrical measurement variable and an electrical measurement variable dependent on it and received at a further tap Monitoring is carried out on the measured variable on the busbar.
  • the plausibility check device is additionally introduced, which can recognize an external circuit, can determine an estimate of the external circuit and can also carry out a new calibration of the current sensor. A change in the internal circuit can be detected using a method that can be implemented with the help of the plausibility check device.
  • the battery is, in particular, an electrical energy storage device.
  • the electrical energy storage is designed in particular in the form of a high-voltage battery.
  • the high-voltage battery can in particular be designed as a traction battery for at least partially electrical operation of the vehicle.
  • the current sensor or the measuring device is in turn designed to read out corresponding values from the battery. For this purpose, for example, a current resistance, a current voltage, a current current, current frequencies or the like can be read out.
  • the measuring device is a current sensor which is designed to detect different electrical measured variables of the battery. For example, the current state of charge or an aging state of the battery can then be determined based on the electrical parameter that was measured by the measuring device.
  • the battery or the high-voltage battery can also have a large number of different battery cells and/or battery modules.
  • the monitoring device can then, for example, be designed so that monitoring of an individual battery cell or a battery module or the entire electrical energy storage can be carried out.
  • the busbar has at least a first tap and a second tap on the busbar.
  • the current or voltage can be impressed into the first tap as the electrical measured variable and the changed electrical measured variable can in turn be tapped at the second tap. This means that a reliable plausibility check can be carried out.
  • the busbar has at least a first tap, a second tap and a center tap, which is formed between the first tap and the second tap.
  • different measuring methods can be proposed which use both the first tap and/or the second tap and/or the middle tap.
  • the first The voltage is impressed on the tap and then received at the center tap and/or at the second tap.
  • the voltage can also be impressed at the center tap and the corresponding measured variable can be recorded at the first tap or the second tap. This enables different measurement modes, which allow the battery status to be reliably monitored.
  • the at least one tap is additionally designed as a tap for the measuring device.
  • the tap can therefore be used both for the measuring device and for the plausibility checking device.
  • the measuring device and the plausibility checking device use the same or the same taps. Monitoring and current measurement can thus be provided with reduced effort.
  • the monitoring device has a memory device, the memory device being designed to store a target profile for the impressed and received electrical measured variables.
  • the target profile can be generated shortly after the battery is generated.
  • the corresponding electrical measurement variables that are impressed and received can then be saved as target profiles.
  • the actual values can then be received and compared with the target values. This means that the battery can be reliably monitored.
  • the plausibility checking device is designed to impress a voltage or a current as an electrical measurement variable and to receive a voltage or a current as an electrical measurement variable.
  • a voltage can be impressed and then a voltage can then be received.
  • the operating status of the battery can then be determined.
  • a current can be impressed and a current can be received. Based on the differences between the impressed current and the received current, conclusions can then be drawn about the battery status.
  • the plausibility check device has at least one unique identification feature and/or that the identification feature is in a current path for imprinting and/or receiving the electrical measurement variable is formed.
  • the identification feature can enable the current sensor or the plausibility check device to be clearly identified, so that protection against replacement can be realized.
  • This identification feature makes it possible to create a kind of fingerprint of the plausibility checker and to check it regularly. Should the identification feature change, this can be read out electronically and a corresponding reaction can be made, for example the ferry operation of the motor vehicle can be stopped or switching on again is prevented.
  • the identification feature can, for example, be composed of analog components such as a resistor, a coil or a capacitor, but it is also possible to represent them using more complex components, such as a security ID.
  • care must be taken to ensure that the target variables are only slightly changed in the final state. In particular, a small offset should be generated. This makes it easier to calculate this size later.
  • the parallel connection of, for example, resistors to a capacitor should be explicitly mentioned as advantageous.
  • Several of these elements can also be connected in series, for example in series, to make the fingerprint even more unique.
  • the system response of the components can be used as a fingerprint. To do this, short current or voltage pulses can be given to the components and the response can be evaluated. This answer can be used as a clear characteristic by individualizing the parameters of the components. If the system response of the components is saved and the measurement is repeated regularly, a replacement of components or even the entire sensor can be detected. Physical protection of the circuit can be achieved by potting the circuit.
  • an evaluation of the impressed electrical measurement variable and the received electrical measurement variable is carried out using a shunt measurement method and/or a Hall sensor measurement method.
  • a combined measuring method consisting of a measuring shunt and a Hall sensor can also be used. This is particularly interesting if, for example, high safety requirements have to be met and/or a redundant measurement design has been issued.
  • a shunt measuring method is used between the first tap and the center tap, while between the center tap and the second A Hall sensor measuring method is used. Alternatively, this is of course also possible in a different order.
  • a further aspect of the invention relates to a battery with a monitoring device according to the previous aspect.
  • the battery is designed in particular as a high-voltage battery.
  • the invention also relates to a motor vehicle with a battery according to the preceding aspect.
  • the motor vehicle is at least partially operated electrically, in particular fully electrically operated.
  • the invention also relates to a method for monitoring a battery of an at least partially electrically operated motor vehicle by means of a monitoring device according to one of the preceding aspects, wherein a stored target profile of an electrical measurement variable impressed and received into a busbar of the battery by means of a plausibility check device is compared with an actual Profile of the impressed and received electrical measurement variable is compared and monitoring is carried out depending on the comparison.
  • a difference value of the electrical measured variable is determined depending on the comparison and the difference value is used to recalibrate a measuring device of the monitoring device.
  • the recalibration of the current sensor or the measuring device can then be carried out based on the determination, for example of an external circuit.
  • a physical connection can be created, which in turn allows recalibration to be implemented.
  • a further aspect of the invention also relates to a computer program product with program code means which cause an electronic computing device to carry out a method according to the previous aspect when the program code means are processed by the electronic computing device.
  • the invention also relates to a computer-readable storage medium with the computer program product.
  • Advantageous embodiments of the monitoring device are to be viewed as advantageous embodiments of the battery as well as the motor vehicle and the method.
  • the monitoring device, the battery and the motor vehicle have, in particular, objective features in order to enable the method and an advantageous embodiment thereof to be carried out.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram according to an embodiment of a monitoring device
  • FIG. 2 shows a further schematic block diagram according to an embodiment of a monitoring device
  • Fig. 3 shows a schematic flow diagram according to an embodiment of the method.
  • the monitoring device 10 is designed to monitor a battery 12, which is shown purely schematically.
  • the battery 12 in turn is designed for an at least partially electrically operated motor vehicle, not shown.
  • the monitoring device 10 has at least one measuring device 14 for measuring an electrical parameter 16.
  • the measuring device 14 is formed along a busbar 18. It is envisaged that the monitoring device 10 has a plausibility check device 20 that is separate from the measuring device 14 and which imprints an electrical measurement variable 22 on at least one first tap 24 of the busbar 18, depending on the impressed electrical measurement variable 22 and a dependent one Another tap 26, 28 received electrical measured variable 22 on the busbar 18 is monitored.
  • the busbar 18 has at least the first tap 24, a second tap 28 and a center tap 26, which is formed between the first tap 24 and the second tap 28.
  • the electrical measurement variable 22 is impressed into the center tap 26 and is received at the first tap 24.
  • the busbar 18 only has the first tap 24 and the second tap 28.
  • the plausibility check device 20 is preferably designed to impress a voltage or a current as an electrical measurement variable 22 and to also receive a voltage or a current as an electrical measurement variable 22.
  • the plausibility check device 20 or the monitoring device 10 has a memory device 30, the memory device 30 being designed to store a target profile for the impressed and received electrical measurement variable 22.
  • the plausibility check device 20 has at least one unique identification feature 32a, 32b, 32c and/or the identification feature 32a, 32b, 32c is formed in a current path 34 for imprinting and/or receiving the electrical measurement variable 22.
  • an evaluation of the impressed electrical measurement variable 22 and the received electrical measurement variable 22 is carried out using a shunt method 36 and/or a Hall sensor measurement method 38.
  • the at least one tap 24, 26, 28 is additionally designed as a tap for the measuring device 14.
  • the measuring device 14 has additional taps 40, 42.
  • FIG. 1 shows that in the monitoring device 10, in addition to the measuring device 14, the plausibility checking device 20 is incorporated.
  • This plausibility check device 20 can imprint different target variables, in particular voltage or current, via the taps 24, 26, 28.
  • the response of the measuring system can be provided by the corresponding measuring device 14. By tapping into the center tap 26, for example, it is possible to observe the spread of the electrical measurement variable 22.
  • This mechanism is particularly advantageous if, for example, the voltage taps 40, 42 of the measuring device 14 can be used by the plausibility checking device 20, since no additional contacting, for example on the busbar 18, is required.
  • the electrical measured variable 22 propagates in different ways, which is shown, for example, by the arrow 46 in the present exemplary embodiment.
  • the unwanted propagation of the electrical measured variable 22 in the path, which is represented by the arrow 46, can be detected by the measuring device 14 and the external circuit 44 can be determined from this variable.
  • the plausibility check device 20 can be used in the production of the monitoring device 10, where there is no manipulation yet, to generate reference values.
  • This Reference values can also be referred to as target profile.
  • the plausibility check device 20 imprints a target size and this reference behavior is saved. If this measurement changes at a later point in time, either an error in the measuring circuit or manipulation can be indicated. Because this reference behavior should not change.
  • a recalibration of the measuring device 14 can also be implemented during runtime in order to achieve a high level of measurement accuracy again and thus to avoid safety-critical conditions. Based on the determination of the external circuit 44, a recalibration of the measuring device 14 can then be carried out. Therefore, the properties of the unwanted current path can be estimated through a physical connection.
  • the monitoring device 10 can also be used to detect safety-critical changes in the measuring device 14.
  • the external circuit 44 can be determined with very high accuracy and compliance with safety parameters and can also continue to be used.
  • the measuring device 14 is therefore self-healing compared to external interconnections 44.
  • the external interconnection 44 can only be determined to a limited extent and the operating window can be restricted.
  • the measuring device 14 is therefore self-healing to a limited extent compared to external interconnections 44.
  • the external interconnection 44 cannot be estimated or is, for example, outside the safety margin.
  • the measuring device 14 or the battery 12 or the entire motor vehicle can therefore enter a safe state.
  • a decompensation of measured variables in particular the measured variable via the measuring sensor or the measuring device 14, of unestimated quality characteristics, in particular the safety margin, can take place.
  • the decompensation allows you to continue driving to a limited extent, even while maintaining safety parameters.
  • the safe state can still be assumed, for example the ferry service can be stopped, switching on again is prevented, or the like, thereby reducing the risk to life and life is stopped.
  • This method also allows a diagnosis of malfunctions of the current sensor measuring method and can therefore also detect failures.
  • the target size can be impressed, but the measuring device 14 does not measure it correctly. This increases diagnostic coverage and can have a positive impact on ferry operations.
  • the identification features 32a, 32b, 32c can also be inserted, for example, in the impression path or current path 34. These identification features 32a, 32b, 32c make it possible to generate a fingerprint of the plausibility check device 20 and to check it regularly. If the fingerprint changes, this can be detected electronically and reacted accordingly, for example the ferry service can be stopped or a restart can be prevented.
  • the fingerprint can be made up of analog components, such as a resistor, a coil or a capacitor, but can also be represented, for example, by more complex components such as a security ID chip.
  • the parallel connection of resistors to a capacitor should be explicitly mentioned as advantageous, although several of these elements can also be connected in series in order to make the fingerprint even clearer.
  • the system response of the components can be used as a fingerprint. To do this, short current or voltage pulses can be given to the components and the response can be evaluated. This answer can be used as a clear characteristic by digitizing the parameters of the components. If the system response of the components is saved and the measurement is repeated regularly, a replacement of components or even the entire sensor can be detected. Physical protection of the circuit can be achieved by potting the circuit.
  • the external circuit 44 can be estimated using the following equation:
  • the recalibrated current can be calculated as follows:
  • the external circuit 44 can be estimated using the following equation:
  • the recalibrated current can be calculated as follows:
  • the shunt is divided into two equally sized resistors ( flsfa “ nt ”) for simplicity.
  • the methodology also works with a different division or measurement method.
  • the division also makes the enormous advantage clear: there is a measuring unit in both the unwanted path and the desired path and makes it particularly easy to determine whether an external connection 44 is present.
  • the external circuitry 44 can be estimated by:
  • the recalibrated current can be calculated as follows:
  • center tap 28 the following normally applies with center tap 28:
  • the external circuit 44 can be calculated by:
  • the recalibrated current can be calculated as follows:
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram according to a further embodiment of the monitoring device 10.
  • FIG. 2 shows that the monitoring device 10 can communicate with a so-called battery management system 46, for example.
  • the battery management system 46 can in turn also have the storage device 30 in order to provide corresponding reference variables.
  • the storage device 30 can also have corresponding information about the identification features 32a, 32b, 32c.
  • the initial calibration in particular a learning process, can be carried out in order to establish a reference with which a comparison can be made later.
  • the plausibility check device 20 is activated and the voltage response of the measuring device 14 is measured. This voltage response is used as a reference.
  • These variables must be stored in a higher-level control device, for example the battery management system 46.
  • the identification features 32a, 32b, 32c and reference variables from the learning process are stored in this.
  • the control can take place directly via a communication connection 48 or via proxy via the corresponding measuring device 14.
  • Fig. 3 shows a schematic flow diagram according to an embodiment of the method.
  • a first step S1 the motor vehicle is started.
  • the contactors are opened again.
  • the plausibility check device 20 is started.
  • the voltage response is measured using the measuring device 14. If this is a so-called learning process, i.e. the initial evaluation, then you can move on to a fifth step S5, whereby the measured voltage response is stored persistently. If it is not a question of the learning process, you can move on to the sixth step S6, whereby the measured voltage is compared with the learned voltage. From the sixth step S6, a transition can be made to a seventh step S7, with an unknown voltage response being measured, for example, in the seventh step S7.
  • this can again be viewed as critical or uncritical. If, for example, this is considered critical, you can go to the eighth step S8 and a corresponding error reaction can be carried out. This can, for example, deactivate the plausibility check device 20 in the ninth step S9. In the tenth step S10, the motor vehicle can then be taken out of operation and the corresponding contactors can be opened. If, for example, it is a non-critical state, starting from the seventh step S7 you can move on to an eleventh step S11, in which case the recalibration of the measuring device 14 is carried out. The new voltage response is then stored persistently in a twelfth step S12. The non-critical error reaction then takes place again in a thirteenth step S13.
  • a known voltage response can also be determined in the fourteenth step S14.
  • a fifteenth step S15 can then be carried out, which deactivates the plausibility check device 20. This can also be done from the twelfth step S12.
  • the motor vehicle can then be put into operation and the contactors can be closed accordingly.
  • the eighth step S8 can be classified as critical if the identification features 32a, 32b, 32c are different, which indicates a replacement of the plausibility check device 20 or the current sensor or if recalibration is no longer possible. This can happen, for example, when little or no current flows through the measuring device 14. In these cases, an error reaction can occur, for example a non-acknowledgeable warning for the customer, a safety-relevant event being saved in the Motor vehicle and/or in the cloud. The plausibility check device 20 is then deactivated and the motor vehicle may no longer be put into operation. The contactors of battery 12 remain open.
  • a deviation can in turn be assessed as uncritical, which in turn corresponds to the eleventh step S11, in which case the identification features 32a, 32b, 32c are also the same.
  • a recalibration of the current sensor or the measuring device 14 can be carried out. The deviation is viewed as a quantity caused by manipulation and a calibration process is carried out. Therefore, the current is estimated by the equation described above.
  • the voltage response is used and saved as a new comparison variable and used in future comparisons.
  • a non-critical error response is carried out. The customer or user is warned via a non-critical error response, for example an acknowledgable warning for the customer, saving a safety-relevant event in the vehicle and/or the cloud, and possible restriction of the service range.
  • the measuring device 14 has healed itself.
  • the plausibility check device 20 is then deactivated and vehicle operation can begin.
  • the contactors of the battery 12 are closed again.

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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

Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Batterie eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs sowie Verfahren
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 Fährbetrieb 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:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung;
Fig. 2 ein weiteres schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung; und
Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 nichtgewollten 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 Fährbetrieb 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 Fährbetrieb 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 Fährbetrieb 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:
Bei Manipulation wird diese Spannung sinken und dann gilt:
Usoll Ushunt
Die externe Verschaltung 44 kann mit folgender Gleichung abgeschätzt werden:
U shunt _ . p — lshunt K shunt
Im normalen Betrieb (trotz Schaltungsveränderung) kann der rekalibrierte Strom wie folgt berechnet werden:
Ferner gilt ohne Mittelabgriff 28 im Normalbetrieb:
Bei Manipulation wird diese Spannung sinken und dann gilt:
Usoll Ushunt
Die externe Verschaltung 44 kann mit folgender Gleichung abgeschätzt werden mit:
Usoll Ushunt n > Ushunt n
'‘ext. Stromschiene ~ ' '‘bekannt ‘-1 ‘-'shunt
Im normalen Betrieb (trotz Schaltungsveränderung) kann der rekalibrierte Strom wie folgt berechnet werden:
Für die Betrachtung mit Mittelabgriff 28 wird aus Einfachheit der Shunt in zwei gleichgroße Widerstände aufgeteilt (flsfa“nt). 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:
Dies ist besonders einfach festzustellen, da der Stromkreis über Ushunt l im Normalfall nicht geschlossen ist und damit keine Potenzialdifferenz anliegen darf.
Bei Manipulation gilt:
Und ist dementsprechend auch besonders einfach festzustellen. Mit der
Referenzmessung lässt sich die externe Verschaltung 44 abschätzen durch:
Im normalen Betrieb (trotz Schaltungsveränderung) kann der rekalibrierte Strom wie folgt berechnet werden:
U shunt U shunt lrekalibration ~
R shunt Rext. Stromschiene
Alternativ gilt im Normalfall mit Mittelabgriff 28:
Rshunt
U shunt, 2 idefiniert
2
U shunt, 1 0 Dies ist besonders einfach festzustellen, da der Stromkreis über Ushunt l im Normalfall nicht geschlossen ist und damit keine Potenzialdifferenz anliegen darf.
Bei Manipulation gilt:
Und ist dementsprechend auch besonders einfach festzustellen. Die externe Verschaltung 44 lässt sich berechnen durch:
D shunt V shunt, 2 1 .
‘'ext. Stromschiene ~ ö V77 -U ushunt,l
Im normalen Betrieb (trotz Schaltungsveränderung) kann der rekalibrierte Strom wie folgt berechnet werden:
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer weiteren Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung 10. Die Fig. 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. Fig. 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 Strom pfad
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

Claims

Patentansprüche 1. 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. 2. 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 , 3. 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. 4. 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.
5. 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. 6. 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. 7. 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. 8. 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. 9. 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. 10. 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.
EP23720598.4A 2022-05-02 2023-04-19 Überwachungsvorrichtung zur überwachung einer batterie eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen kraftfahrzeugs sowie verfahren Pending EP4460701A1 (de)

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