WO2013091745A1 - Stromsensor - Google Patents

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WO2013091745A1 PCT/EP2012/004195 EP2012004195W WO2013091745A1 WO 2013091745 A1 WO2013091745 A1 WO 2013091745A1 EP 2012004195 W EP2012004195 W EP 2012004195W WO 2013091745 A1 WO2013091745 A1 WO 2013091745A1
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vehicle
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Frank Edler
Ulrich Kastrup
Markus Meiler
Vesna Nikolic
Bernd Spier
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Daimler Ag
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G—PHYSICS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a current sensor according to the features of the preamble of claim 1, a method for operating a current sensor according to the features of the preamble of claim 4 and a battery according to the features of the preamble of claim 5.
  • the invention is based on the object, an improved current sensor, a
  • the object is achieved by a current sensor having the features of claim 1, a method for operating a current sensor having the features of claim 4 and a battery having the features of claim 5.
  • a current sensor comprises a sensor element and a signal processing arrangement.
  • the current sensor has a test signal generator coupled to the signal processing arrangement for generating at least one test signal pattern and feeding it into the signal processing arrangement.
  • test signal generator By means of the test signal generator and the at least one test signal pattern to be generated with it, an inherent plausibility of the current sensor is made possible. Ie. it is a function monitoring of the current sensor by this itself allows. In this way, even with high safety requirements, for example when using the current sensor in a traction battery for a vehicle, no second current sensor for plausibility of sensor results required. This results in reduced costs, reduced circuit complexity and reduced
  • FIG. 1 schematically shows a vehicle battery according to the prior art with a first current sensor and a second current sensor
  • Fig. 3 shows schematically an embodiment of the invention
  • Fig. 4 shows schematically a battery with an embodiment of a current sensor according to the invention.
  • the vehicle battery F S dj has a plurality of
  • Vehicle battery F S dT flows out or flows into it.
  • the determination of the current I is necessary to monitor the permissible operating limits of the
  • Vehicle battery F Sc rr derive, for example, a state of charge.
  • the vehicle battery F S (JT) has two current sensors S1 s dT , S2 SOT in order to achieve redundancy in this way, ie sensor results of the first current sensor S1 ScJT are obtained by means of the second current sensor S2 S (J T in plausibility. in this way, the correct functioning of the first current sensor S1 S dT at defined time intervals is to comply with the safety features of the vehicle battery SDT to monitor and ensure a result.
  • the battery management system 4 communicates with the current sensors S1 S dT> S2 S dT via a digital bus interface 5. Furthermore, the battery management system 4 is connectable or connected to the vehicle via a communication link 6, in order to allow in this way communication and control to and from the vehicle.
  • FIG. 2 shows such a prior art first current sensor S1 S dT which is used in the vehicle battery F S dT according to the prior art from FIG.
  • the first current sensor S1 S dT has an analog sensor element 7, which supplies an analog raw signal SR.
  • This raw signal SR is in one
  • Signal processing device SV to convert it into a digital signal and via the digital bus interface 5, also referred to as a data bus or communication bus to transfer to the parent battery management system 4.
  • the digital bus interface 5 also referred to as a data bus or communication bus to transfer to the parent battery management system 4.
  • Signal processing arrangement SV is the Rohsignal SR first in an analog signal conditioning unit 8 to prepare and forwarded as conditioned analog signal SA to a digital processing unit 9, in which it is to be processed in the digital signal, which is to be transmitted via the digital bus interface 5 to the higher-level battery management system 4 ,
  • Sensor element 7 are, d. H. in the area of the transmission of the analog raw signal SR to the signal processing arrangement SV and in the region of
  • the analog sensor element 7 may be, for example, a so-called shunt resistor, i. H. a preferably mechanically robust constructed metallic electrical component, which has a high functional reliability when correctly designed.
  • the processing chain following the analog sensor element 7 described above typically consists of many discrete electronic components or individual assemblies, for example integrated circuits, as well as one
  • FIG. 4 shows by way of example an embodiment of a battery 11 with such a current sensor 10.
  • the battery 1 1 is formed, for example, as a battery 11 for a vehicle, in particular as a traction battery for an electric vehicle, a hybrid vehicle or a
  • the analog sensor element 7 likewise supplies the analog raw signal SR, which is supplied via the
  • Signal processing device SV to convert the digital signal and to be transmitted via the digital bus interface 5.
  • this current sensor 10 may feed one or more defined test signal patterns ST into the signal processing arrangement SV, consisting of analog signal conditioning unit 8, digital processing unit 9 and digital bus interface 5.
  • the test signal pattern ST is / are to be generated in a test signal generator 12 of the current sensor 10 coupled to the signal processing arrangement SV. The generation and feeding of the test signal pattern ST is / are to be generated in a test signal generator 12 of the current sensor 10 coupled to the signal processing arrangement SV. The generation and feeding of the
  • Test signal pattern ST takes place via a request signal SF to the
  • Test signal generator 12 The internal request signal SF is supplied via a discrete signal from the outside, d. H. from a unit external to the current sensor 10, or it can be initiated within the current sensor 10 even upon external request via the digital bus interface 5, i. H. For example, as shown here, of the coupled to the digital bus interface 5 processing unit 9 of
  • Feed into the signal processing arrangement SV of the current sensor 10 is expediently requested from the higher-level battery management system 4 of the battery 11.
  • Test signal pattern ST and to the battery management system 4
  • Battery management system 4 tested against an expected only the battery management system 4 expected value, d. H. compared with a given value.
  • suitable choice of the test signal pattern ST or the relevant measuring range of the current sensor 10 can in this way via the parent
  • Battery management system 4 are checked in terms of a cyclic self-test. If the sensor result agrees with the predetermined value, the current sensor 10 operates correctly. If the sensor result deviates from the predetermined value, then the current sensor 10 no longer operates correctly, ie it is no longer possible to ensure that a means of this incorrectly working current sensor 10 outside the
  • Battery management system 4 one or both disconnectors 2 to operate to disconnect the battery 11 in this way from the electrical system of the vehicle.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor (10), umfassend ein Sensorelement (7) und eine Signalverarbeitungsanordnung (SV). Erfindungsgemäss weist der Stromsensor (10) einen mit der Signalverarbeitungsanordnung (SV) gekoppelten Testsignalgenerator (12) zur Erzeugung zumindest eines Testsignalmusters (ST) und zu dessen Einspeisung in die Signalverarbeitungsanordnung (SV) auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Stromsensors (10) und eine Batterie (11).

Description

Stromsensor
Die Erfindung betrifft einen Stromsensor nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 , ein Verfahren zum Betrieb eines Stromsensors nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 4 und eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.
Aus dem Stand der Technik sind Stromsensoren bekannt, welche beispielsweise zur Strommessung in einer Traktionsbatterie für ein Fahrzeug angeordnet sind. Diese Stromsensoren weisen ein Sensorelement und eine Signalverarbeitungsanordnung auf. Dabei sind aufgrund sicherheitstechnischer Anforderungen zwei derartige Stromsensoren in der Traktionsbatterie angeordnet, um auf diese Weise eine Redundanz zu erreichen. D. h. es werden Sensorergebnisse des ersten Stromsensors mittels des zweiten
Stromsensors plausibilisiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Stromsensor, ein
Verfahren zum Betrieb eines Stromsensors und eine verbesserte Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Verfahren zum Betrieb eines Stromsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Stromsensor umfasst ein Sensorelement und eine Signalverarbeitungsanordnung. Erfindungsgemäß weist der Stromsensor einen mit der Signalverarbeitungsanordnung gekoppelten Testsignalgenerator zur Erzeugung zumindest eines Testsignalmusters und zu dessen Einspeisung in die Signalverarbeitungsanordnung auf.
Durch den Testsignalgenerator und das mit diesem zu erzeugende zumindest eine Testsignalmuster ist eine Eigenplausibilisierung des Stromsensors ermöglicht. D. h. es ist eine Funktionsüberwachung des Stromsensors durch diesen selbst ermöglicht. Auf diese Weise ist auch bei hohen sicherheitstechnischen Anforderungen, beispielsweise bei einem Einsatz des Stromsensors in einer Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, kein zweiter Stromsensor zur Plausibilisierung von Sensorergebnissen erforderlich. Daraus resultieren reduzierte Kosten, ein reduzierter Schaltungsaufwand und reduzierte
Bauraumerfordernisse.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Fahrzeugbatterie nach dem Stand der Technik mit einem ersten Stromsensor und einem zweiten Stromsensor,
Fig. 2 schematisch einen ersten Stromsensor nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines
Stromsensors, und
Fig. 4 schematisch eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Stromsensors.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine Fahrzeugbatterie FSCJT nach dem Stand der Technik für ein hier nicht näher dargestelltes Fahrzeug. Die Fahrzeugbatterie FSdj weist eine Mehrzahl von
Einzelzellen 1 auf, welche über Trennschalter 2 mit Hochvoltanschlüssen 3 verbunden sind, über welche die Fahrzeugbatterie FSCIT mit einem Bordnetz des Fahrzeugs zu koppeln ist. Für derartige Fahrzeugbatterien FSOT gelten erhöhte sicherheitstechnische Anforderungen bezüglich einer zuverlässigen Ermittlung eines Stroms I, der aus der
Fahrzeugbatterie FSdT herausfließt oder in diese hineinfließt. Die Ermittlung des Stroms I ist erforderlich, um eine Überwachung zulässiger Betriebsgrenzen der
Fahrzeugbatterie FStjT in einem Batteriemanagementsystem 4 zu ermöglichen. Des Weiteren sind aus dem ermittelten Strom I andere Zustandsgrößen der
Fahrzeugbatterie FScrr abzuleiten, beispielsweise ein Ladezustand.
Aufgrund der sicherheitstechnischen Anforderungen weist die Fahrzeugbatterie FS(JT zwei Stromsensoren S1 sdT, S2SOT nach dem Stand der Technik auf, um auf diese Weise eine Redundanz zu erreichen. D. h. Sensorergebnisse des ersten Stromsensors S1ScJT sind mittels des zweiten Stromsensors S2S(JT ZU plausibilisieren. Auf diese Weise ist zur Erfüllung der sicherheitstechnischen Funktionen der Fahrzeugbatterie sdT eine korrekte Funktion des ersten Stromsensors S1SdT in definierten Zeitabständen zu überwachen und dadurch sicherzustellen. Das Batteriemanagementsystem 4 kommuniziert mit den Stromsensoren S1 SdT> S2SdT über eine digitale Busschnittstelle 5. Des Weiteren ist das Batteriemanagementsystem 4 über eine Kommunikationsverbindung 6 mit dem Fahrzeug verbindbar oder verbunden, um auf diese Weise eine Kommunikation und Steuerung vom und zum Fahrzeug zu ermöglichen.
In Figur 2 ist ein derartiger erster Stromsensor S1SdT nach dem Stand der Technik dargestellt, welcher in der Fahrzeugbatterie FSdT nach dem Stand der Technik aus Figur 1 eingesetzt ist. Der erste Stromsensor S1 SdT weist ein analoges Sensorelement 7 auf, welches ein analoges Rohsignal SR liefert. Dieses Rohsignal SR ist in einer
Signalverarbeitungsanordnung SV in ein digitales Signal umzuwandeln und über die digitale Busschnittstelle 5, auch als Datenbus oder Kommunikationsbus bezeichnet, an das übergeordnete Batteriemanagementsystem 4 zu übertragen. In der
Signalverarbeitungsanordnung SV ist das Rohsignal SR zunächst in einer analogen Signalaufbereitungseinheit 8 aufzubereiten und als aufbereitetes analoges Signal SA an eine digitale Verarbeitungseinheit 9 weiterzuleiten, in welcher es in das digitale Signal aufzubereiten ist, welches über die digitale Busschnittstelle 5 an das übergeordnete Batteriemanagementsystem 4 zu übertragen ist.
Bei der Betrachtung der Funktionssicherheit bzw. Ausfallwahrscheinlichkeiten innerhalb dieses in Figur 2 dargestellten ersten Stromsensors S1 SdT nach dem Stand der Technik kann man aufgrund der Schaltungskomplexität feststellen, dass die wesentlichen Anteile an der Ausfallwahrscheinlichkeit in der Verarbeitungskette hinter dem analogen
Sensorelement 7 liegen, d. h. im Bereich der Übertragung des analogen Rohsignals SR auf die Signalverarbeitungsanordnung SV sowie im Bereich der
Signalverarbeitungsanordnung SV und der digitalen Busschnittstelle 5. Das analoge Sensorelement 7 kann zum Beispiel ein sogenannter Shunt-Widerstand sein, d. h. ein vorzugsweise mechanisch robust aufgebautes metallisches elektrisches Bauteil, welches bei korrekter Auslegung eine hohe Funktionszuverlässigkeit aufweist.
Die auf das analoge Sensorelement 7 folgende, oben beschriebene Verarbeitungskette hingegen besteht typischerweise aus vielen diskreten elektronischen Bauteilen bzw. einzelnen Baugruppen, zum Beispiel integrierten Schaltkreisen, sowie aus einer
Signalverarbeitung durch Software. Die Ausfallwahrscheinlichkeit dieser
Verarbeitungskette wird als deutlich höher eingestuft als die des analogen
Sensorelementes 7.
Davon ausgehend, dass das analoge Sensorelement 7 eine ausreichende und
nachgewiesene Zuverlässigkeit hat, ist für einen Selbsttest eines Stromsensors 10, von welchem eine erfindungsgemäße Ausführungsform beispielhaft in Figur 3 dargestellt ist, nur die auf das analoge Sensorelement 7 folgende Verarbeitungskette zyklisch auf eine korrekte Funktion zu überprüfen. In Figur 4 ist beispielhaft eine Ausführungsform einer Batterie 11 mit einem derartigen Stromsensor 10 dargestellt. Die Batterie 1 1 ist beispielsweise als eine Batterie 11 für ein Fahrzeug ausgebildet, insbesondere als eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein
Brennstoffzellenfahrzeug.
Da der Stromsensor 10 eine Funktionsüberwachung durch diesen selbst und dadurch eine Eigenplausibilisierung ermöglicht, ist auch bei hohen sicherheitstechnischen
Anforderungen, beispielsweise bei einem derartigen Einsatz des Stromsensors 10 in einer Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, kein zweiter Stromsensor S2ScJT zur
Plausibilisierung von Sensorergebnissen erforderlich. Daraus resultieren reduzierte Kosten, ein reduzierter Schaltungsaufwand und reduzierte Bauraumerfordernisse.
Bis auf den nicht mehr vorhandenen zweiten Stromsensor S2S(JT nach dem Stand der Technik und den durch den Stromsensor 10 ersetzten ersten Stromsensor S1SdT nach dem Stand der Technik weist die in Figur 4 dargestellte Batterie 11 die gleichen
Bestandteile auf wie die in Figur 1 dargestellte Fahrzeugbatterie FS<JT nach dem Stand der Technik. D. h. es sind beispielsweise derartige bekannte Fahrzeugbatterien FSdT nach dem Stand der Technik auf einfache Weise umzurüsten, durch ersetzen der beiden Stromsensoren S1S(JT. S2SdT nach dem Stand der Technik durch den nur noch einen erforderlichen Stromsensor 10.
Bei dem in Figur 3 beispielhaft dargestellten Stromsensor 10 liefert ebenfalls das analoge Sensorelement 7 das analoge Rohsignal SR, welches über die
Signalverarbeitungsanordnung SV in das digitale Signal umzuwandeln und über die digitale Busschnittstelle 5 zu übertragen ist. Alternativ zum analogen Rohsignal SR des analogen Sensorelementes 7 ist es bei diesem Stromsensor 10 jedoch auch möglich, ein oder mehrere definierte Testsignalmuster ST in die Signalverarbeitungsanordnung SV, bestehend aus analoger Signalaufbereitungseinheit 8, digitaler Verarbeitungseinheit 9 und digitaler Busschnittstelle 5, einzuspeisen. Das oder die Testsignalmuster ST ist/sind in einem mit der Signalverarbeitungsanordnung SV gekoppelten Testsignalgenerator 12 des Stromsensors 10 zu erzeugen. Die Erzeugung und Einspeisung des
Testsignalmusters ST erfolgt dabei über ein Anforderungssignal SF an den
Testsignalgenerator 12. Das interne Anforderungssignal SF ist dabei über ein diskretes Signal von außen zuführbar, d. h. von einer Einheit außerhalb des Stromsensors 10, oder es ist innerhalb des Stromsensors 10 selbst auf äußere Anforderung über die digitale Busschnittstelle 5 initiierbar, d. h. beispielsweise, wie hier dargestellt, von der mit der digitalen Busschnittstelle 5 gekoppelten Verarbeitungseinheit 9 der
Signalverarbeitungsanordnung SV.
Der Selbsttest und damit die Erzeugung des Testsignalmusters ST und dessen
Einspeisung in die Signalverarbeitungsanordnung SV des Stromsensors 10 wird zweckmäßigerweise vom übergeordneten Batteriemanagementsystem 4 der Batterie 1 1 angefordert. Die zugehörige Antwort des Stromsensors 10 über die digitale
Busschnittstelle 5 an das Batteriemanagementsystem 4, d. h. ein aus dem
Testsignalmuster ST resultierendes und an das Batteriemanagementsystem 4
übermitteltes Sensorergebnis des Stromsensors 10, wird von dem
Batteriemanagementsystem 4 gegen einen nur dem Batteriemanagementsystem 4 bekannten Erwartungswert geprüft, d. h. mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Durch geeignete Wahl des oder der Testsignalmuster ST kann auf diese Weise der relevante Messbereich des Stromsensors 10 über das übergeordnete
Batteriemanagementsystem 4 im Sinne eines zyklischen Selbsttests überprüft werden. Stimmt das Sensorergebnis mit dem vorgegebenen Wert überein, so arbeitet der Stromsensor 10 korrekt. Weicht das Sensorergebnis von dem vorgegebenen Wert ab, so arbeitet der Stromsensor 10 nicht mehr korrekt, d. h. es ist nicht mehr sichergestellt, dass ein mittels dieses nicht korrekt arbeitenden Stromsensors 10 außerhalb des
Selbsttestbetriebs ermittelter Stromwert der Batterie 11 dem tatsächlichen Strom I der Batterie 11 entspricht, im Gegenteil ist eine Abweichung des ermittelten Stromwerts vom tatsächlichen Strom I höchstwahrscheinlich.
In diesem Fall, d. h. wenn auf diese Weise festgestellt wird, dass der Stromsensor 10 nicht mehr korrekt funktioniert, sind beispielsweise entsprechende Maßnahmen einzuleiten, zum Beispiel ist eine optische, akustische und/oder haptische Warnmeldung zu generieren und/oder die Batterie 11 ist durch das Batteriemanagementsystem 4 in einem Sicherheitsmodus zu betreiben, in welchem zum Beispiel ein Laden und/oder Entladen der Batterie 11 reduziert ist. Alternativ oder zusätzlich sind vom
Batteriemanagementsystem 4 ein oder beide Trennschalter 2 zu betätigen, um die Batterie 11 auf diese Weise vom Bordnetz des Fahrzeugs zu trennen.
Bezugszeichenliste
1 Einzelzelle
2 Trennschalter
3 Hochvoltanschluss
4 Batteriemanagementsystem
5 Busschnittstelle
6 Kommunikationsverbindung
7 Sensorelement
8 Signalaufbereitungseinheit
9 Verarbeitungseinheit
10 Stromsensor
11 Batterie
12 Testsignalgenerator
I Strom
SA analoges Signal
SF Anforderungssignal
SR Rohsignal
ST Testsignalmuster
SV Signalverarbeitungsanordnung
FsdT Fahrzeugbatterie nach dem Stand der Technik
S1 sdT erster Stromsensor nach dem Stand der Technik
S2SdT zweiter Stromsensor nach dem Stand der Technik

Claims

Patentansprüche
Stromsensor (10), umfassend ein Sensorelement (7) und eine
Signalverarbeitungsanordnung (SV),
gekennzeichnet durch
einen mit der Signalverarbeitungsanordnung (SV) gekoppelten
Testsignalgenerator (12) zur Erzeugung zumindest eines Testsignalmusters (ST) und zu dessen Einspeisung in die Signalverarbeitungsanordnung (SV).
Stromsensor (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erzeugung und Einspeisung des Testsignalmusters (ST) von der
Signalverarbeitungsanordnung (SV) anforderbar ist.
Stromsensor (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erzeugung und Einspeisung des Testsignalmusters (ST) von einer Einheit außerhalb des Stromsensors (10) anforderbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Stromsensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
von einem Testsignalgenerator (12) zumindest ein Testsignalmuster (ST) erzeugt und in eine Signalverarbeitungsanordnung (SV) des Stromsensors (10) eingespeist wird.
5. Batterie (11 ), umfassend einen Stromsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
6. Batterie (11 ) nach Anspruch 5, umfassend ein Batteriemanagementsystem (4), wobei eine Erzeugung eines Testsignalmusters (ST) und dessen Einspeisung in eine Signalverarbeitungsanordnung (SV) des Stromsensors (10) von dem
Batteriemanagementsystem (4) anforderbar ist und ein daraus resultierendes und an das Batteriemanagementsystem (4) übermitteltes Sensorergebnis des
Stromsensors (10) von dem Batteriemanagementsystem (4) mit einem
vorgegebenen Wert vergleichbar ist.
7. Batterie (1 1 ) nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterie (11 ) als eine Batterie (11 ) für ein Fahrzeug ausgebildet ist,
insbesondere als eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein Brennstoffzellenfahrzeug.
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