JP2013542418A - 電流センサが正しく機能しているかを検査する方法 - Google Patents

Abstract

バッテリ電流を測定するよう構成された電流センサ（２６、２８）が正しく機能しているかを検査する方法が記載される。少なくとも１つの電気的構成要素（２０、２２、２４）がバッテリ（１００）に接続される時点（３４）に始まるプリチャージ段階（３２）の間に、および、電気的構成要素（２０、２２、２４）がプリチャージ電流により事前充電されるプリチャージ段階（３２）の間に、電流センサにより伝達される少なくとも１つの測定値が、プリチャージ電流の予期される時間的推移から定められた予想電流値と比較される。さらに、本発明に係る方法を実施するよう構成された演算ユニットおよびバッテリ（１００）が記載される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサが正しく機能しているかを検査する方法、本発明に係る方法を実施するよう構成された演算ユニット、本発明に係る演算ユニットを備えたバッテリ、および、本発明に係るバッテリを備えた車両に関する。

今日では、特にハイブリッド車および電気自動車に、リチウムイオンまたはニッケルメタルハイドリッド技術による、直列に接続された複数の電気化学的バッテリセルを有するバッテリが使用される。バッテリ管理ユニットが、バッテリ監視のために利用され、安全性監視と並んで、可能な限り長い寿命を保証する。このために、各個別バッテリセルの電圧が、バッテリ電流およびバッテリ温度と一緒に測定され、（例えば、バッテリの充電状態または劣化状態の）状態評価が行われる。寿命を最大化するために、バッテリの現在の所与の最大能力、すなわち、最大で放出または受容可能な電力を知ることが有益である。上記能力を超える場合には、バッテリの劣化を著しく加速させる可能性がある。

バッテリ電流の正確な測定を可能とするために、バッテリ管理ユニット内で利用される電流センサが正しく機能しているかを監視することが必要である。特に、利用される各電流センサの増幅率およびオフセットを校正する必要がある。さらに、各電流センサにより伝達される測定データの品質を評価し、したがって、妥当性チェックをすることが可能である。

さらに、従来技術では、バッテリに接続された電気的ネットワーク内で作動電流を制限する方法が公知であり、この方法では、作動プロセスの間に事前充電が行われ、したがって、バッテリおよび接続された消費機器を通って流れる作動電流が低減される。このような事前充電は、例えば、プリチャージ抵抗を介して行うことが可能である。このようなシステムにおいてシステム電圧がバッテリ電圧に対して調整された場合には、プリチャージ抵抗が迂回され、したがって停止される。

本発明に基づいて、電流センサが正しく機能しているかを検査する方法が提供される。電流センサは、バッテリ電流を測定するよう構成される。典型的に、バッテリ電流は、直列に接続された複数の個別バッテリセルを通って流れる総電流である。プリチャージ（事前充電）段階（Ｖｏｒｌａｄｅｐｈａｓｅ）の間に、電流センサにより伝達された少なくとも１つの測定値が、プリチャージ電流の予期される時間的推移から定められた予想電流値と比較される。その際に、プリチャージ段階は、少なくとも１つの電気的構成要素がバッテリに接続される時点に始まる。プリチャージ段階の間に、電気的構成要素は、プリチャージ電流により事前充電される。プリチャージ段階の間にバッテリを通って流れるプリチャージ電流の時間的推移が分かることによって、それにより計算された予想電流値を、電流センサによって実際に測定された値と一致させることが可能である。

本発明に係る方法は、バッテリ内で利用される電流センサの妥当性チェック（Ｐｌａｕｓｉｂｉｌｉｓｉｅｒｕｎｇ）または校正が、追加的な駆動構成要素無しでバッテリ管理ユニットの制御ユニット内に適切なソフトウェアを準備するだけで可能となるため、非常に安価な方法である。

好適に、電気的構成要素は、プリチャージ段階の間に、一般にその値が知られたプリチャージ抵抗を介して事前充電される。さらに好適に、電気的構成要素はコンデンサであり、したがって、プリチャージ段階の間のプリチャージ電流の予期される時間的推移は、指数関数に対応する。すなわち、プリチャージ抵抗の値およびコンデンサの容量が公知である場合には、プリチャージ電流の指数関数的な推移を計算し、これを利用して、電流センサにより伝達される測定値の品質を評価することが可能である。

本発明のさらなる別の実施形態において、電気的構成要素は、プリチャージ段階の間に、時間的に一定のプリチャージ電流により事前充電される。このような安定した事前充電は、その値が正確に知られた時間的に一定の電流を伝達する回路によって実施されうる。

電流センサにより伝達された測定値と予想電流値との比較に基づいて、電流センサにより伝達されるさらなる別の測定値の妥当性チェックを行うことが可能である。特に、電流センサが故障しているかどうかを決定することが可能である。

さらに、上記の比較に基づいて電流センサの校正を行うことが可能である。その際に、特に、電流センサの増幅率および／またはオフセットが補正される。

既にプリチャージ段階の開始前に、電流センサにより伝達された測定値を、正しく機能しているかを検査するために利用することが可能である。なぜならば、この時点では、微量の小さなバッテリ電流が流れ、したがって０とは異なる測定値が、電流センサのオフセットの適切な補正を行う契機となりうるからである。

本発明のさらなる別の観点は、本発明に係る方法を実施するよう構成された演算ユニットに関する。

本発明のさらなる別の観点は、本発明に係る演算ユニットを備えたバッテリ、および、本発明に係る演算ユニットまたは本発明に係るバッテリを備える車両に関する。本発明に係るバッテリは、好適に、リチウムイオンバッテリである。

本発明の実施例が、図面および以下の明細書の記載によってより詳細に解説される。
本発明に係るバッテリの一実施例を示す。 バッテリ電流Ｉ、および、プリチャージ段階の間に充電される電気的構成要素に印加される電圧Ｕの時間的推移を示す。

図１は、全体に符号１００が付された本発明に係るバッテリの一実施例を示す。バッテリ１００は、直列に接続された複数のバッテリセル１０、特にリチウムイオンバッテリセルを備える。示されない電気自動車はバッテリ１００を備え、バッテリ１００により伝達される直流電圧を、電動機２２を駆動する交流電圧へと変換するインバータ２０が、バッテリ１００に稼働状態において接続されうる。インバータ２０により形成される高周波の電圧リップルを平滑化するために利用される平滑コンデンサ２４が、インバータ２０および電動機２２に対して並列に接続される。バッテリ１００の極には、第１の正のリレー１２と第２の負のリレー１４とが設けられ、ユーザが電気自動車を停止した場合に、当該電気自動車を零電位で（ｓｐａｎｎｕｎｇｓｆｒｅｉ）接続するために、第１の正のリレー１２と第２の負のリレー１４を解放することが可能である。第１のリレー１２に対して並列に、第３のリレー１６と、プリチャージ抵抗１８とが接続される。走行サイクルの開始時には、リレー１２、１４、１６が所定の切り替えシーケンスで接続される。

充電抵抗１８がバッテリ１００内に設けられない場合には、電気的構成要素２０、２２、２４が接続された際に、平滑コンデンサ２４が充電されることに起因する高い作動電流が、バッテリ１００を通って流れるであろう。作動電圧を制限するために、プリチャージ抵抗１８が、第３のリレー１６の閉鎖によって、電気的構成要素２０、２２、２４の前に接続される。プリチャージ電流が下がった場合、または、平滑コンデンサ２４の電圧がバッテリ電圧に対して調整された場合には、第３のリレー１６が解放されて第１のリレー１２が閉鎖され、これにより、プリチャージ抵抗１８が迂回される。この段階では、平滑コンデンサ２４のさらなる充電は、バッテリ１００の内部抵抗１８によってのみ制限される。プリチャージ抵抗１８を介した事前充電が、第１のリレー１２の損傷を防止する。

バッテリ１００は、バッテリセル１０を通って流れるバッテリ電流を測定するよう構成された電流センサ２６、２８を備える。第１の電流センサ２６は、電圧降下がそこで測定されるシャント抵抗を備える。第２の電流センサ２８は、自身を通過する磁場の磁界強度と、測定されたバッテリ電流との積に比例する出力電圧を伝達するホールセンサの形態により設けられる。電流センサ２６、２８は、予め定められた時点に、例えばホールセンサ２８の場合にはヒステリシスの影響に起因する、公知ではないオフセットおよび公知ではない増幅率を有しうる。電流センサ２６、２８により伝達されたバッテリ電流の測定値は、電流センサ２６、２８と共に図示されないバッテリ管理ユニットの構成要素であるマイクロコントローラ３６の形態による演算ユニットへと供給される。さらに、マイクロコントローラ３６は、（図１に示されないが）リレー１２、１４、１６を制御する。

第１のリレー１２が解放されて、他の２つのリレー１４、１６が閉鎖されるプリチャージ段階の間には、平滑コンデンサ２４がプリチャージ抵抗１８を介して充電され、その際、バッテリ１００および特にプリチャージ抵抗１８を通って流れるプリチャージ電流の時間的推移が分かっており、公知のプリチャージ抵抗１８の値、および、平滑コンデンサ２４の容量に基づいて計算されうる。マイクロコントローラ３６内には、プリチャージ電流の予期される時間的推移が格納されている。プリチャージ段階の間に、マイクロコントローラ３６は、電流センサ２６、２８により所定の時点に伝達された２つの測定値と、当該時点に対応する予想電流値であって、計算されマイクロコントローラ３６内に格納されたプリチャージ電流の時間的推移から定められる予想電流値と比較する。マイクロコントローラ３６は、場合によってはより遅い時点に、電流値のさらなる別の比較を行う。比較に基づいて、マイクロコントローラ３６は、電流センサ２６、２８の校正を行い、特に、電流センサ２６、２８の増幅率および／またはオフセットを補正する。電流センサ２６、２８の校正が行われない場合は、少なくとも、電流センサ２６、２８により伝達されたさらなる別の測定値の妥当性チェックが行われる。その際に、マイクロコントローラ２６は、電流センサ２６、２８により伝達された測定値と、計算された予想電流値との差分が、所定の閾値を下回っているか、例えば、百分率による許容閾値を下回っているかどうかを決定する。差分が所定の閾値を上回る場合には、マイクロコントローラ３６は、少なくとも１つの電流センサ２６、２８が故障していることを示す警報信号を生成する。

図２は、バッテリ／プリチャージ電流Ｉ、および、平滑コンデンサ２４に印加される電圧Ｕの予期される時間的推移を示している。プリチャージ段階３２の前にある分離段階３０では、バッテリ１００の３つのリレー１２、１４、１６が全て解放され、したがって、バッテリ電流Ｉは流れない。電流センサ２６、２８の妥当性チェックは、当該センサ２６、２８が正常に機能する際には電流を測定してはならないという趣旨で、行うことが可能である。分離段階３０では、特に、２つの電流センサ２６、２８のオフセットの簡単な校正を行うことが可能である。

プリチャージ段階３２は、時点３４に第２の負のリレー１４および第３のリレー１６が閉鎖されることにより、電気的構成要素２０、２２、２４がバッテリ１００に接続される時点３４に開始する。プリチャージ段階３２では、平滑コンデンサ２４が、指数関数的に推移するプリチャージ電流Ｉにより充電される。平滑コンデンサ２４の容量値、および、プリチャージ抵抗の抵抗値１８が公知であるため、プリチャージ段階３２におけるプリチャージ電流Ｉの予期される時間的推移を計算して、マイクロコントローラ３６に格納することが可能である。平滑コンデンサ２４に印加される電圧Ｕの予期される時間的推移についても同様のことが当てはまる。代替的に、プリチャージ電流Ｉの予期される時間的推移は、平滑コンデンサ２４（Ｕ_Ｃ）または複数のバッテリセル１０（Ｕ_Ｂ）に印加された測定された電圧の比較によって、数式Ｉ＝（Ｕ_Ｂ−Ｕ_Ｃ）／Ｒにしたがって計算され、ただし、Ｒはプリチャージ抵抗１８の抵抗値である。バッテリ電流Ｉの予期される時間的推移から、マイクロコントローラ３６により、様々な時点について予想電流値が定められる。

実際に電流センサ２６、２８により伝達された電流値は、プリチャージ段階３２の間の様々な時点に、マイクロコントローラ３６によって対応する予想電流値と比較され、これにより、各個別センサ２６、２８の品質が評価されうる。（測定されまたは計算された）プリチャージ電流Ｉが所定の閾値を下回る時点３８に、第１のリレー１２が閉鎖され、これにより、バッテリ電流Ｉのピークが形成される。なぜならば、平滑コンデンサ２４の充電は、バッテリ１００の内部抵抗によってのみ制限されるからである。時点３８での電流ピークの推移が十分に分かっている場合には、プリチャージ段階３２の後にあるこの段階でも、本発明に係る方法を実施することが可能である。

Claims (11)

1. バッテリ電流を測定するよう構成された電流センサ（２６、２８）が正しく機能しているかを検査する方法において、
   少なくとも１つの電気的構成要素（２０、２２、２４）がバッテリ（１００）に接続される時点（３４）に始まるプリチャージ段階（３２）の間に、および、前記電気的構成要素（２０、２２、２４）がプリチャージ電流により事前充電される前記プリチャージ段階（３２）の間に、前記電流センサにより伝達された少なくとも１つの測定値が、前記プリチャージ電流の予期される時間的推移から定められた予想電流値と比較されることを特徴とする、方法。
2. 前記電気的構成要素（２０、２２、２４）は、前記プリチャージ段階（３２）の間にプリチャージ抵抗（１８）を介して事前充電される、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気的構成要素（２０、２２、２４）はコンデンサ（２４）であり、前記プリチャージ段階（３２）の間の前記プリチャージ電流の前記予期される時間的推移は、指数関数に対応する、請求項２に記載の方法。
4. 前記電気的構成要素（２０、２２、２４）は、前記プリチャージ段階（３２）の間に、時間的に一定のプリチャージ電流により事前充電される、請求項１に記載の方法。
5. 前記電流センサ（２６、２８）により伝達された前記測定値と、前記予想電流値との比較に基づいて、前記電流センサ（２６、２８）により伝達されるさらなる別の測定値の妥当性チェックが行われ、特に、前記電流センサ（２６、２８）が故障しているかどうかが決定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記電流センサ（２６、２８）により伝達された前記測定値と、前記予想電流値との比較に基づいて、前記電流センサ（２６、２８）の校正が行われ、特に、その増幅率および／またはオフセットが補正される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記プリチャージ段階（３２）の開始前に前記電流センサ（２６、２８）により伝達された少なくとも１つの測定値は、前記電流センサ（２６、２８）の前記オフセットの補正を行うために利用される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を実施するよう構成されることを特徴とする、演算ユニット。
9. 請求項８に記載の演算ユニットを備えたバッテリ（１００）。
10. バッテリ電流を測定するよう構成された電流センサ（２６、２８）をさらに備える、請求項９に記載のバッテリ（１００）。
11. 請求項８に記載の演算ユニット、または、請求項９もしくは１０に記載のバッテリ（１００）を備える、車両、特に電気自動車。
    

Images