WO2020043780A1 - Batteriesensor und verfahren zum betrieb eines batteriesensors - Google Patents

Batteriesensor und verfahren zum betrieb eines batteriesensors Download PDF

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Martin Schramme
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Aumovio Germany GmbH
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
    • G01R1/203—Resistors used for electric measuring, e.g. decade resistors standards, resistors for comparators, series resistors, shunts
    • 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
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    • 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

  • the invention relates to a battery sensor for a battery, in particular a vehicle battery, and to a method for operating such a battery sensor.
  • Battery sensors are used in vehicles to record the battery currents of the vehicle battery in order to be able to make statements about the state of charge or the state of health of the battery.
  • the battery sensor has a measuring resistor arranged in the current path and at least one measuring unit which can detect the voltage drop in a current flowing through the measuring resistor. If the electrical resistance of the measuring resistor is known, the measured voltage drop can be used to determine the current flowing through the measuring resistor.
  • the electrical resistance of the measuring resistor is dependent on many factors. For example, the electrical resistance can change depending on the temperature. In addition, there is a change in the electrical resistance due to aging effects.
  • analog-digital converters or signal amplifiers can have an absolute measurement error, a so-called offset, which leads to an additional inaccuracy of the measurement results.
  • a battery sensor which has at least one measuring resistor with two contact points, at least two measuring units and one evaluation unit.
  • Each measuring unit has two signal inputs connected to one of the contact points of the measuring resistor, a signal output for outputting a measuring signal, a correction unit with a memory for a correction value and a switching unit for switching the measuring unit between a measuring mode and a calibration mode.
  • the correction unit determines the measurement signal from a voltage signal determined from the detected voltage drop and the correction value.
  • calibration mode the correction value is determined from the voltage signal and stored.
  • a control is provided for the switching units, which ensures that at least one measuring unit is in measuring mode.
  • the evaluation unit determines an output signal from the measurement signals of the measurement units that are in measurement mode.
  • a method for operating such a battery sensor has the following steps: a) switching at least one measuring unit into the calibration mode, at least one further measuring unit being in the measuring mode,
  • At least two measuring units for detecting a voltage drop across the at least one measuring resistor provided in the load current path or for determining the current flowing through a measuring resistor. Both measuring units independently measure a voltage drop from which the load current can be determined. To calibrate the battery sensor, the measuring units can each be switched to a calibration mode in which a correction value is determined from the voltage signal, which is determined from the voltage drop detected at the signal inputs.
  • the measuring mode of the respective measuring unit is interrupted in the calibration mode, that is to say this measuring unit does not determine the voltage drop across the measuring resistor in the calibration mode. If a voltage signal is present at the signal output in calibration mode, this voltage signal must arise from the absolute measurement error, i.e. the offset, of the measuring unit or correspond to the measuring error of the measuring unit. This voltage signal is therefore stored as a correction value and that Voltage signal subsequently corrected by this value in measuring mode.
  • the control ensures that at least one of the measuring units is in the measuring mode, that is to say that the load current is still determined from the voltage drop detected by this measuring unit.
  • the evaluation unit is designed such that it can determine an output signal from one or more measurement signals.
  • the control ensures that at least one measuring unit determines and outputs a measuring signal, a complete current measurement is carried out.
  • the measuring units are calibrated alternately by interrupting the measuring operation alternately or at certain time intervals and switching them to the calibration mode.
  • the time intervals can be constant or set as required.
  • the measuring signals of these measuring units can be compared with one another, for example in order to improve the accuracy of the output signal or to determine the time of calibration of a measuring unit. So when both measuring units are in measuring mode, a redundant current measurement takes place.
  • the battery sensor can have at least one measuring resistor with a first and a second contact point, the measuring units each being contacted with a signal input with the first contact point and with a second signal input with the second contact point of the same measuring resistor, the measuring units being the voltage drop between the contact points Detect measuring resistance.
  • the measuring units are therefore at the same contact points of a measuring resistor connected to the measuring resistor, measure the same voltage drop independently of each other.
  • the measuring units are arranged to a certain extent parallel to each other and measure the same voltage drop. As a result, both voltage drops can also be compared with one another in order to detect a deviation of a measurement signal.
  • the battery sensor can also have at least two measuring resistors arranged in series, each with a first contact point and a second contact point, wherein a switching unit is contacted with the contact points of a measuring resistor and detects the voltage drop across the measuring resistor.
  • the measuring circuits are not arranged parallel to one another and on a common measuring resistor, but the measuring units are arranged independently of one another at two different measuring resistors which are connected in series. Since the load current flows through both measuring resistors due to the series connection of the measuring resistors, the load current can be determined on each measuring resistor using the assigned measuring unit. Thus, even with this arrangement of the measuring resistors or measuring units, it is possible to ensure an uninterrupted current measurement of the load current and to separate one measuring unit from the current measurement, for example to switch to the calibration mode.
  • a reference current source can also be provided, which can apply a defined reference current to one of the measuring resistors. With the help of the reference current, the electrical resistance of this measuring Resistance can be determined more precisely.
  • the reference current has a defined current. The electrical resistance can thus be determined with the aid of the voltage drop across the measuring resistor detected by the measuring unit. With the determined electrical resistance of this measuring resistor, a more precise calibration of the current sensor is possible.
  • the measurement unit can be interrupted in calibration mode in various ways. It only has to be ensured that in the calibration mode there is no measurement of the voltage drop across the measuring resistor or that there is no or only a small potential difference at the signal inputs, i.e. the voltage signal output at the signal output corresponds to the offset of the measuring unit.
  • the switching units have an electrical connection that can be separated or closed with a switching element between the two inputs. If the connection is closed, a direct electrical connection between the signal inputs is closed. The signal inputs are therefore short-circuited to one another. As a result, they have the same or at most a slightly different electrical potential. The difference in the voltages at the signal inputs is therefore equal to or almost zero. Because of the short circuit between the signal inputs, even if the electrical connection between the contact points and the signal inputs is maintained, the voltage difference is not detected.
  • a high-resistance resistor and / or a low-pass filter can also be provided between the contact points and the signal inputs. In the event of a short circuit in the signal inputs, these also ensure that no or only a small amount Current flows between the signal inputs and the contact points, so that it is ensured that in calibration mode, that is to say in the case of short-circuited signal inputs, there is little or no influence on the calibration by the current flowing through the measuring resistor.
  • the switching units can have switching elements for separating or closing an electrical connection between the signal inputs and the contact points.
  • the separation of the contact points and the signal inputs can optionally or alternatively take place to produce a short circuit between the signal inputs.
  • the separation of the signal inputs from the contact points ensures that no potential can be present at the signal inputs, that is to say the input signal at the signal inputs is zero. In this case, the voltage signal can only arise from internal measurement errors.
  • the memory can, for example, each have a capacitor that is charged in the calibration mode.
  • a filter can be provided in each case and the correction value is filtered before being saved, in particular over several calibration processes.
  • the evaluation unit preferably has a changeover switch in order to connect the measuring units individually to the evaluation unit or to separate them. This can ensure that the evaluation unit only processes the measurement signals of the measurement units that are in the measurement mode. As soon as a measuring unit is in calibration mode, this measuring unit is separated from the evaluation unit.
  • the evaluation unit can input a number corresponding to the number of measurement units connected to the evaluation unit, that is to say the number of measurement signals received Select a suitable method for determining the output signal and determine the output signal. If there is only one measurement signal, this is used as the output signal or the output signal is determined from it by filtering or scaling. If there are several measurement signals, an average value can be determined from these measurement signals, for example, and this can be scaled and / or filtered.
  • the measuring units preferably each have an amplifier for amplifying and / or an analog / digital converter for digitizing the voltage measurement signal or the measurement signal.
  • At least one of the measuring units can additionally have a sensor for detecting a state of the battery sensor and the switching unit can switch the measuring unit into a sensor state in which the signal inputs are connected to the sensor, the state being a temperature and / or a current signal of the battery sensor. Since a redundant measurement of the voltage drop is carried out by the at least two measuring units, a measuring unit or components of a measuring unit can be used to record further parameters, by means of which the accuracy of the battery sensor can be improved. Since the control system also ensures that at least one of the other measuring units is in the measuring mode, an uninterrupted current measurement is still ensured.
  • the senor can be a temperature sensor.
  • the outputs of the temperature sensor can be connected to the signal inputs of the measuring unit.
  • the signal output of this measuring unit is preferably connected to a sensor evaluation unit, which can determine and output a sensor signal.
  • the signal from the sensor can be amplified, for example, by an amplifier provided in the measuring unit or by an amplifier Analog-to-digital converters can be digitized.
  • the sensor - and possibly a switch at the signal inputs or the signal output - no additional components or components are required to detect a state of the measuring resistor.
  • the existing components of the measuring unit can also be used for further processing of the signal from the additional sensor.
  • the senor can also be a further current sensor or can be designed to measure a voltage drop.
  • a sensor evaluation unit can be provided and the signal output of the measuring unit can be connected to the sensor evaluation unit in sensor mode.
  • a switch is preferably provided which can connect or disconnect the sensor evaluation unit and the signal output.
  • the switch can optionally connect the signal output to the sensor evaluation unit or the evaluation unit.
  • the measuring resistor can have a plurality of resistance elements, with either the contact points being arranged such that the voltage drop across all the resistance elements can be detected jointly, or each resistance element having two contact points and at least two measuring units being assigned to each resistance element.
  • Figure 1 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of a first embodiment of a battery sensor according to the invention
  • FIG. 3 shows a detailed view of a second embodiment of a battery sensor according to the invention
  • Figure 4 shows a third embodiment of an inventive
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of an inventive
  • Figure 6 shows a fifth embodiment of an inventive
  • Figure 7 shows a sixth embodiment of an inventive
  • Figure 8 shows a seventh embodiment of an inventive
  • Figure 9 shows an eighth embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows a battery sensor 10 with a measuring resistor 12, two measuring units 14a, 14b and an evaluation unit 16.
  • the measuring resistor 12 has a first contact point 18 and a second contact point 20 which flow in the current direction S through the battery sensor 10 and the measuring resistor 12
  • the measuring units 14a, 14b each have a first signal input 24a, 24b and a second signal input 26a, 26b, the first signal inputs 24a, 24b being electrically connected to the first contact point 18 and the second signal inputs 26a, 26b being connected to the second contact point 20 are.
  • the measuring units 14a, 14b furthermore each have a signal output 28a, 28b for outputting a measuring signal 30a, 30b.
  • the signal outputs 28a, 28b are connected to the evaluation unit 16.
  • a controller 32 is provided, which is connected to the measuring units 14a, 14b and to the evaluation unit 16.
  • the measuring units 14a, 14b each record the voltage drop of the load current 22 between the contact points 18, 20 and determine a voltage signal 34a, 34b therefrom.
  • the voltage signal 34a, 34b is corrected with a correction value 36a, 36b, which is stored in a memory 38a, 38b of a correction unit 40a, 40b, in order to determine the measurement signal 30a, 30b.
  • the evaluation unit 16 is designed such that it can output an output signal 42 which is dependent on the measurement signals 30a, 30b, that is to say on the load current 22 flowing through the measurement resistor 12.
  • one of the measuring units 14a, 14b is switched by the controller 32 into a calibration mode in which this measuring unit 14a, 14b does not record the voltage drop between the contact points 18, 20. Either no signals or essentially identical signals are present at the signal inputs 24a, 26a or 24b, 26b, so that the Voltage drop between the signal inputs 24a, 26a and 24b, 26b is equal to or approximately zero. A signal present in the calibration mode at the signal output 28a, 28b must therefore result from measurement errors and / or system errors of the measurement unit.
  • the signal which is present in the calibration mode at the signal output 28a or 28b is therefore stored or used as a correction value 36a or 36b in order to determine and store the correction value 36a or 36b. If the measuring unit 14a, 14b is subsequently switched to the measuring mode by the controller 32, the voltage signal 34a or 34b is corrected by the stored correction value 36a or 36b and thus the measuring errors and / or system errors of the voltage signal 24a, 34b are corrected or eliminated.
  • the controller 32 ensures that at least one measuring unit 14a, 14b is in the measuring mode, that is, in the exemplary embodiment shown here with two measuring units 14a, 14b, only one measuring unit 14a, 14b is in the calibration mode.
  • the evaluation unit 16 is designed such that it determines the output signal 42 only from the measurement signals 30a, 30b of the measurement units 14a, 14b, which are in the measurement mode.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a battery sensor 10 described above.
  • the measuring units 14a, 14b each have a signal amplifier 44a, 44b connected to the signal inputs 24a, 26a and 24b, 26b, and an analog-digital converter 46a, 46b connected to the output of the signal amplifier 44a, 44b, which Outputs voltage signal 34a, 34b.
  • the measuring units 14a, 14b each have a first switching element 48a, 48b, with which an electrical connection between the signal inputs 24a, 26a or 24b, 26b can be closed or separated, and a second switching element 50a, 50b and a third Switching element 52a, 52b, for separating or closing the electrical connection between the contact points 18, 20 and the signal inputs 24a, 26a and 24b, 26b.
  • the second and third switching elements 50a, 50b, 52a, 52b are closed, that is to say the contact points 18, 20 are electrically connected to the signal inputs 24a, 26a and 24b, 26b, and the first switching elements 48a, 48b are opened, that is to say the signal inputs 24a , 26a and 24b, 26b separated from each other.
  • the voltage signal 34a, 34b thus corresponds to the potential difference at the contact points 18, 20. From this voltage signal 34a, 34b and the correction value 36a, 36b, a measurement signal 30a, 30b is determined in each case. For example, the correction value 36a, 36b is subtracted from the voltage signal 34a, 34b.
  • the measurement signals 30a, 30b are then added and output to the evaluation unit 16.
  • This evaluation unit 16 determines the output signal 42 from this signal.
  • one of the measuring units 14a, 14b is switched to the calibration mode in the manner described above, in that the first switching element 48a, 48b of this measuring unit 14a, 14b is closed, whereby the Signal inputs 24a, 26a and 24b, 26b are shorted together. Furthermore, the signal inputs 24a, 26a and 24b, 26b are separated from the contact points 18, 20 by opening the second switching element 50a and 50b and the third switching element 52a and 52b.
  • the measuring unit 14a or 14b is separated from the measuring resistor. There is therefore no signal at the signal inputs 24a, 26a or 24b, 26b.
  • the connection of the signal inputs 24a, 26a and 24b, 26b also ensures that the signal inputs 24a, 26a and 24b, 26b have the same or approximately the same potential. Even if a signal were present at one of the signal inputs 24a, 26a or 24b, 26b, this would therefore also be present at the other signal input 26a, 24a or 26b, 24b.
  • the difference determined from the signals should therefore be equal to or approximately zero in any case.
  • the voltage signal 34a, 34b present at the signal output 28a, 28b is therefore used to determine the correction value 36a, 36b or is stored as a correction value 36a, 36b in the memory 38a, 38b.
  • the evaluation unit 16 also has a changeover switch 54, which adds or subtracts the evaluation unit 16 either with signal output 28a of the first switching unit 14a (position a), with a switching element 56, which combines the measurement signals 30a, 30b (position b ) or with the signal output 28b of the second measuring unit 14b (position c). If one of the two measuring units 14a, 14b is in calibration mode, the evaluation unit 16 is connected via the switching unit 54 to the signal output 28b, 28a of the respective other measuring unit 14b, 14a (position a or position c). The measurement signal 30a, 30b of the measurement unit 14a, 14b, which is in the calibration mode, is therefore not transmitted to the evaluation unit 16, and is therefore not taken into account for the determination of the output signal 42. If both measuring units 14a, 14b are in the measuring mode, both measuring signals 30a, 30b are taken into account by connecting the evaluation unit 16 to the switching element 56 (position b).
  • the evaluation unit 16 also has a scaling unit 58 and a filter 60 in order to scale and filter the different signals.
  • second and third switching elements 50a, 50b, 52a, 52b are available, i.e. the connections between the contact points 18, 20 and the signal inputs 24a, 26a or 24b, 26b are separable and closable, or if Short-circuiting of the signal inputs 24a, 26a or 24b, 26b can take place in each case via a first switching element.
  • the analog-digital converters 46a, 46b and the evaluation unit 16 are arranged on a microcontroller 78.
  • the battery sensor 10 shown in FIG. 4 is based on the battery sensor shown in FIG. 2.
  • a sensor 64 for example a temperature sensor, is provided, which can detect a further property of the measuring resistor 12.
  • the electrical resistance of the measuring resistor 12 is temperature-dependent. With the detection of the measuring resistor, the electrical resistance of the measuring resistor 12 can be determined more precisely, as a result of which the accuracy of the current measurement can be improved.
  • the outputs of the sensor 64 are connected to the second and third switching elements 50b, 52b of the second measuring unit 14b.
  • the switching units 50b, 52b are designed such that, in addition to the switching positions for separating and connecting the contact points 18, 20 and the signal inputs 24b, 26b, they have a third switching position in which the contact points 18, 20 are separated from the signal inputs 24b, 26b and the signal inputs 24b, 26b are connected to the outputs of the sensor 64.
  • the output signal 42 is determined solely from the measuring signal 30a of the first measuring unit.
  • the switch 54 is thus in position a.
  • the battery sensor 10 shown in FIG. 5 is based on the battery sensor 10 described in FIG. 4, only the analog-digital converters 46a, 46b are missing. So there is a fully analog signal processing. However, it goes without saying that the signal processing can also be carried out partially digitally, as is shown, for example, in FIG. 2.
  • the memory 38a, 38b is each formed by a capacitor 74a, 74b, which is charged in the calibration mode by the voltage signal 34a, 34b. In measurement mode, the capacitor voltage is subtracted from the voltage signal 34a, 34b then detected by means of a subtractor 76a, 76b.
  • the correction value 36b is also used to correct the temperature signal output.
  • the temperature signal is also amplified by the amplifier 44b, and is therefore also subject to the offset of the measuring unit 14b. This offset is also filtered out for the temperature signal by the correction by means of the correction value 36b.
  • the battery sensor 10 shown in FIG. 6 has an analog-digital converter 46a, 46b arranged in each case after the subtractors 76a, 76b.
  • the further signal processing takes place analogously to FIG. 2 and FIG. 4 on a microcontroller 78 in digital form.
  • two measuring units 14a, 14b are connected to the same contact points 18, 20 of the same measuring resistor 12, that is to say, to a certain extent, determine the current flowing through the measuring resistor 12 in parallel. Furthermore, a controller 32 is provided which ensures that at least one of the measuring units 14a, 14b is always in the measuring mode, and an evaluation unit 16 which generates an output signal from the measuring signals 30a, 30b of the measuring units 14a, 14b in the measuring mode 42 determined.
  • measuring units 14a, 14b can also be provided.
  • Both measuring units independently determine the current flowing through the assigned measuring resistor 12a, 12b by detecting the voltage drop across the respectively assigned measuring resistor 12a, 12b. If the electrical resistance of the measuring resistor 12a, 12b is known, the voltage drop across the measuring resistor 12a, 12b can be used to determine the current flowing through the measuring resistor 12a, 12b.
  • each measuring unit 14a, 14b determines the load current 22. A redundant current measurement is therefore also carried out in these embodiments.
  • each of the measuring units 14a, 14b can be separated from the associated measuring resistor 12a, 12b by a switching unit 47a, 47b in the manner described above.
  • the switching units 47a, 47b each have three switches 48a, 50a, 52a and 48b, 50b, 52b analogous to FIG.
  • the switching units 47a, 47b can, however, be designed as long as there is a separation from the measuring resistor 12a, 12b and / or a short circuit of the inputs 24a, 26a or 24b, 26b.
  • the controller 32 also ensures here that at least one measuring unit 14a, 14b is in the measuring mode. Since both measuring units detect the load current 22, it is thus ensured that the load current 22 is determined without interruption, even if a measuring unit 14a, 14b is in the calibration mode or in the sensor mode.
  • a reference current circuit 80 is provided in each case, which can apply a reference current 82 with a defined current strength to the second measuring resistor 12b via a contact point 81 arranged between the measuring resistors. If the reference current of known size is applied to the measuring resistor 12b, the precise electrical resistance of the measuring resistor 12b can be determined via the voltage dropping across this measuring resistor 12b or via the change in the voltage drop due to the additional reference current. The determined electrical resistance can then be used to calibrate the measuring units 14a, 14b or to determine the correction values 36a, 36b more precisely.
  • the reference current source 80 is connected to the vehicle battery via a contact 84 and has a first resistor 86, a second resistor 88, a switch 90 for applying the reference current 82 and a measuring circuit 92.
  • FIGS. 7 to 9 differ only in the type of signal processing Measuring signals 30a, 30b of the measuring units 14a, 14b or the signals of the measuring circuit 92.
  • two switching elements 96, 98 are provided, each of which is designed as a divider.
  • the input signals of the first divider 96 form the quotient of the measurement signals 30a, 30b and the signal of the measurement circuit 92.
  • the input signals of the second divider are formed by the output signal of the first divider 96 and the output signal of the switch 54.
  • a switch 100 for separating or closing the connection between the dividers 96, 98 and a filter 102 are provided between the first divider 96 and the second divider 98.
  • a capacitor 104 is provided, which is charged when switch 100 is closed.
  • analog-digital converters 46a, 46b, 106, 108 are provided in front of the inputs of the switch 54 and in front of the inputs of the divider 96, respectively.
  • the analog-digital converters 46a, 46b are arranged in front of the correction units 40a, 40b.
  • a plurality of measuring units 14a, 14b can be provided which are connected in parallel and / or in series. It is only necessary that an independent current measurement is carried out by at least two measuring units 14a, 14b, these measuring units in a measuring mode and a calibration mode can be switched, and that a controller 32 is provided which ensures that at least one measuring unit 14a, 14b is always in the measuring mode.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Batteriesensor (10), der zumindest einem Messwiderstand (12) mit zwei Kontaktpunkten (18, 20), zumindest zwei Messeinheiten (14a, 14b) zur Erfassung eines Spannungsabfalls über einen Messwiderstand (12, 12a, 12b) und eine Auswerteeinheit (16) aufweist, wobei jede Messeinheit (14a, 14b) zwei jeweils mit einem der Kontaktpunkte (18, 18a, 18b, 20, 20a, 20b) auf dem Messwiderstand (12, 12a, 12b) verbundene Signaleingänge (24a, 26a, 24b, 26b), einen Signalausgang (28a, 28b) zur Ausgabe eines Messsignals (30a, 30b), eine Korrektureinheit (40a, 40b) mit einem Speicher (38a, 38b) mit einem Korrekturwert (36a, 36b) und eine Schalteinheit (47a, 47b) zum Schalten der Messeinheit (14a, 14b) zwischen einem Messmodus und einem Kalibriermodus aufweist, wobei im Messmodus die Korrektureinheit (40a, 40b) aus einem aus dem zwischen den Signaleingängen (24a, 26a, 24b, 26b) erfassten Spannungsabfall ermittelten Spannungssignal (34a, 34b) und dem Korrekturwert (36a, 36b) das Messsignal (30a, 30b) ermittelt und im Kalibriermodus aus dem Spannungssignal (34a, 34b) der Korrekturwert (36a, 36b) ermittelt und gespeichert wird, wobei eine Steuerung (32) für die Schalteinheiten (47a, 47b) vorgesehen ist, die sicherstellt, dass sich zumindest eine der Messeinheiten (14a, 14b) im Messmodus befindet, und wobei die Auswerteeinheit (16) aus den Messsignalen (30a, 30b) der Messeinheiten (14a, 14b), die sich im Messmodus befinden, ein Ausgangssignal (42) ermittelt.

Description

Batteriesensor und Verfahren zum Betrieb eines Batteriesensors
Die Erfindung betrifft einen Batteriesensor für eine Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Batteriesensors.
Batteriesensoren werden in Fahrzeugen zur Erfassung der Bat terieströme der Fahrzeugbatterie verwendet, um Aussagen über den Ladungszustand oder den Gesundheitszustand der Batterie treffen zu können. Der Batteriesensor weist einen im Strompfad ange ordneten Messwiderstand sowie zumindest eine Messeinheit auf, die den Spannungsabfall eines über den Messwiderstand fließenden Stromes erfassen kann. Ist der elektrische Widerstand des Messwiderstandes bekannt, kann mit dem gemessenen Spannungs abfall der über den Messwiderstand fließende Strom ermittelt werden .
Der elektrische Widerstand des Messwiderstandes ist aber von vielen Faktoren abhängig. Beispielsweise kann sich der elektrische Widerstand temperaturabhängig ändern. Darüber hinaus kommt es aufgrund von Alterungseffekten zu einer Ver änderung des elektrischen Widerstandes.
Des Weiteren können Analog-Digital-Wandler oder Signalver stärker einen absoluten Messfehler, einen sogenannten Offset, aufweisen, der zu einer zusätzlichen Ungenauigkeit der Mess ergebnisse führt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um den elektrischen Widerstand des Messwiderstandes sowie einen Offset zu bestimmen, und somit den Batteriesensor zu kalibrieren bzw. die Messgenauigkeit des Batteriesensors zu verbessern. Diese Verfahren benötigen aber häufig einen im Wesentlichen konstanten Stromfluss, um den Offset zuverlässig bestimmen zu können. Aufgrund der ständig wechselnden Fahrbedingungen un terliegen die Ströme der Fahrzeugbatterie im Fahrzeugbetrieb häufigen und schnellen Änderungen, so dass diese Verfahren nicht mit der gewünschten Genauigkeit durchführbar sind.
Des Weiteren sind Verfahren bekannt, für die eine Unterbrechung der Strommessung erforderlich ist. Im Fahrzeugbetrieb soll aber eine permanente Messung des Stromes gewährleistet sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Batteriesensor bereitzu stellen, der im regulären Fahrzeugbetrieb eine Kalibrierung des Batteriesensors ermöglicht, wobei weiterhin ein unterbre chungsfreier Messbetrieb des Batteriesensors gewährleistet ist. Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Batteriesensors bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Batteriesensor vorgesehen, der zumindest einen Messwiderstand mit zwei Kontaktpunkten, zu mindest zwei Messeinheiten und eine Auswerteeinheit aufweist. Jede Messeinheit weist zwei jeweils mit einem der Kontaktpunkte des Messwiderstandes verbundene Signaleingänge, einen Sig nalausgang zur Ausgabe eines Messsignals, eine Korrektureinheit mit einem Speicher für einen Korrekturwert und eine Schalteinheit zum Schalten der Messeinheit zwischen einem Messmodus und einem Kalibriermodus auf. Im Messmodus ermittelt die Korrektureinheit das Messsignal aus einem aus dem erfassten Spannungsabfall ermittelten Spannungssignal und dem Korrekturwert. Im Kalib riermodus wird aus dem Spannungssignal der Korrekturwert er mittelt und gespeichert. Des Weiteren ist eine Steuerung für die Schalteinheiten vorgesehen, die sicherstellt, dass sich zu mindest eine Messeinheit im Messmodus befindet. Die Auswer teeinheit ermittelt aus den Messsignalen der Messeinheiten, die sich im Messmodus befinden, ein Ausgangssignal. Ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Batteriesensors weist die folgenden Schritte auf: a) Schalten zumindest einer Messeinheit in den Kalibriermodus, wobei sich zumindest eine weitere Messeinheit im Messmodus befindet,
b) für die in den Kalibriermodus geschaltete Messeinheit, ermitteln des Korrekturwertes aus dem Spannungssignal Speichern des Korrekturwertes im Speicher,
c) schalten der Messeinheit vom Kalibriermodus in den Messmodus und
d) wiederholen der Schritte a) und c) mit jeweils den weiteren Messeinheiten .
Es sind also zumindest zwei Messeinheiten zur Erfassung eines Spannungsabfalls über den zumindest einen im Laststrompfad vorgesehenen Messwiderstand bzw. zur Ermittlung des durch einen Messwiderstand strömenden Stromes vorgesehen. Beide Messein heiten messen unabhängig voneinander einen Spannungsabfall, aus dem jeweils der Laststrom bestimmt werden kann. Zur Kalibrierung des Batteriesensors können die Messeinheiten jeweils in einen Kalibriermodus geschaltet werden, in dem aus dem Spannungs signal, das aus dem an den Signaleingängen erfassten Span nungsabfall ermittelt wird, ein Korrekturwert ermittelt wird.
Im Kalibriermodus erfolgt eine Unterbrechung des Messbetriebes der jeweiligen Messeinheit, das heißt, diese Messeinheit er mittelt im Kalibriermodus nicht den Spannungsabfall über den Messwiderstand. Falls im Kalibriermodus ein Spannungssignal am Signalausgang anliegt, muss dieses Spannungssignal aus den absoluten Messfehler, also dem Offset, der Messeinheit entstehen bzw. dem Messfehler der Messeinheit entsprechen. Dieses Spannungssignal wird also als Korrekturwert gespeichert und das Spannungssignal nachfolgend im Messmodus um diesen Wert kor rigiert .
Die Steuerung stellt sicher, dass sich zumindest eine der Messeinheiten im Messmodus befindet, dass also auch weiterhin eine Bestimmung des Laststromes aus dem von dieser Messeinheit erfassten Spannungsabfall erfolgt. Die Auswerteeinheit ist so ausgebildet, dass diese aus einer oder aus mehreren Messsignalen ein Ausgangssignal ermitteln kann.
Da die Steuerung sicherstellt, dass zumindest eine Messeinheit ein Messsignal ermittelt und ausgibt, erfolgt eine lückenlose Strommessung. Die Messeinheiten werden abwechselnd kalibriert, indem für diese wechselweise bzw. in bestimmten zeitlichen Abständen der Messbetrieb unterbrochen wird und diese in den Kalibriermodus geschaltet werden. Die zeitlichen Abstände können dabei konstant sein oder nach Bedarf festgelegt werden.
Befindet sich mehr als eine Messeinheit im Messmodus, können die Messsignale dieser Messeinheiten miteinander verglichen werden, beispielsweise, um die Genauigkeit des Ausgangssignals zu verbessern oder um den Zeitpunkt einer Kalibrierung einer Messeinheit zu bestimmen. Es erfolgt also, wenn beide Mess einheiten im Messmodus sind, eine redundante Strommessung.
Der Batteriesensor kann zumindest einen Messwiderstand mit einem ersten und einem zweiten Kontaktpunkt aufweisen, wobei die Messeinheiten jeweils mit einem Signaleingang mit dem ersten Kontaktpunkt und mit einem zweiten Signaleingang mit dem zweiten Kontaktpunkt desselben Messwiderstandes kontaktiert sind, wobei die Messeinheiten den Spannungsabfall zwischen den Kontakt punkten des Messwiderstandes erfassen. Die Messeinheiten sind also an den gleichen Kontaktpunkten eines Messwiderstandes mit dem Messwiderstand verbunden, messen also unabhängig voneinander den gleichen Spannungsabfall.
Es ist also nur ein Messwiderstand für eine redundante Strommessung bzw. für die wechselseitige Bestimmung der Kor rekturwerte der Messeinheiten erforderlich. Die Messeinheiten sind als gewissermaßen parallel zueinander angeordnet und messen den gleichen Spannungsabfall. Dadurch können auch beide Spannungsabfälle miteinander verglichen werden, um eine Ab weichung eines Messsignals zu detektieren.
Der Batteriesensor kann auch zumindest zwei in Reihenschaltung angeordnete Messwiderstände mit jeweils einem ersten Kon taktpunkt und einem zweiten Kontaktpunkt aufweisen, wobei jeweils eine Schalteinheit mit den Kontaktpunkten eines Messwiderstandes kontaktiert ist und den Spannungsabfall über den Messwiderstand erfasst. In diesen Ausführungsformen sind die Messschaltungen nicht parallel zueinander und an einem ge meinsamen Messwiderstand angeordnet, sondern die Messeinheiten sind unabhängig voneinander an zwei verschiedenen Messwider ständen angeordnet, die in Reihe geschaltet sind. Da der Laststrom aufgrund der Reihenschaltung der Messwiderstände beide Messwiderstände durchströmt, kann an jedem Messwiderstand mit der zugeordneten Messeinheit der Laststrom bestimmt werden. Somit ist es auch bei dieser Anordnung der Messwiderstände bzw. der Messeinheiten möglich, eine unterbrechungsfreie Strom messung des Laststroms zu gewährleisten und jeweils eine Messeinheit von der Strommessung zu trennen, beispielsweise in den Kalibriermodus zu schalten.
In dieser Ausführungsform kann zusätzlich eine Referenz stromquelle vorgesehen sein, die an einen der Messwiderstände einen definierten Referenzstrom anlegen kann. Mit Hilfe des Referenzstroms kann der elektrische Widerstand dieses Mess- Widerstandes genauer ermittelt werden. Der Referenzstrom weist eine definierte Stromstärke auf. Mit Hilfe des mit der Mess einheit erfassten Spannungsabfalls über den Messwiderstand kann somit der elektrische Widerstand ermittelt werden. Mit dem ermittelten elektrischen Widerstand dieses Messwiderstandes ist eine genauere Kalibrierung des Stromsensors möglich.
Die Unterbrechung des Messbetriebes der Messeinheit im Ka libriermodus kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass im Kalibriermodus keine Messung des Spannungsabfalls über den Messwiderstand erfolgt bzw. dass an den Signaleingängen kein oder nur ein geringer Potentialunterschied vorhanden ist, also das am Signalausgang ausgegebene Spannungssignal dem Offset der Messeinheit ent spricht .
Beispielsweise weisen die Schalteinheiten eine zwischen den zwei Eingängen mit einem Schaltelement trennbare oder schließbare elektrische Verbindung auf. Wird die Verbindung geschlossen, ist eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Signaleingängen geschlossen. Die Signaleingänge sind also miteinander kurz geschlossen. Dadurch haben diese das gleiche oder allenfalls ein geringfügig voneinander abweichendes elektrisches Potential. Der Unterschied der Spannungen an den Signaleingängen ist also gleich oder annähernd null. Aufgrund des Kurzschlusses zwischen den Signaleingängen erfolgt also, auch wenn die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktpunkten und den Signaleingängen aufrechterhalten wird, keine Erfassung des Spannungsunter schiedes .
Zwischen den Kontaktpunkten und den Signaleingängen kann des Weiteren ein hochohmiger Widerstand und/oder ein Tiefpassfilter vorgesehen sein. Diese stellen bei einem Kurzschluss der Signaleingänge zusätzlich sicher, dass kein oder nur ein geringer Strom zwischen den Signaleingängen und den Kontaktpunkten fließt, so dass sichergestellt ist, dass im Kalibriermodus, also bei kurzgeschlossenen Signaleingängen keine oder nur eine sehr geringe Beeinflussung der Kalibrierung durch den Strom, der durch den Messwiderstand fließt, erfolgt.
Des Weiteren können die Schalteinheiten Schaltelemente zum Trennen oder Schließen einer elektrischen Verbindung zwischen den Signaleingängen und den Kontaktpunkten aufweisen. Die Trennung der Kontaktpunkte und der Signaleingänge kann optional oder alternativ zu einer Herstellung eines Kurzschlusses zwischen den Signaleingängen erfolgen. Durch die Trennung der Signaleingänge von den Kontaktpunkten ist sichergestellt, dass an den Signaleingängen kein Potential anliegen kann, also das Eingangssignal an den Signaleingängen gleich null ist. Das Spannungssignal kann also in diesem Fall ausschließlich durch interne Messfehler entstehen.
Der Speicher kann beispielsweise jeweils einen Kondensator aufweisen, der im Kalibriermodus aufgeladen wird.
Optional kann jeweils ein Filter vorgesehen sein und der Korrekturwert wird vor dem Speichern gefiltert, insbesondere über mehrere Kalibriervorgänge.
Die Auswerteeinheit weist vorzugsweise einen Umschalter auf, um die Messeinheiten einzeln mit der Auswerteeinheit zu verbinden oder von dieser zu trennen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Auswerteeinheit nur die Messsignale der Messeinheiten verarbeitet, die sich im Messmodus befinden. Sobald sich eine Messeinheit im Kalibriermodus befindet, wird diese Messeinheit von der Auswerteeinheit getrennt. Die Auswerteeinheit kann entsprechend der Anzahl der mit der Auswerteeinheit verbundenen Messeinheiten, also der Anzahl der empfangenen Messsignale ein geeignetes Verfahren zur Ermittlung des Ausgangssignals aus wählen und das Ausgangssignal ermitteln. Liegt nur ein Messsignal vor, wird dieses als Ausgangssignal verwendet oder das Aus gangssignal aus diesem durch Filterung oder Skalierung er mittelt. Liegen mehrere Messsignale vor, kann beispielsweise aus diesen Messsignalen ein Mittelwert ermittelt und dieser skaliert und/oder gefiltert werden.
Die Messeinheiten weisen vorzugsweise jeweils einen Verstärker zum Verstärken und/oder einen Analog/Digital-Wandler zum Di gitalisieren des Spannungsmesssignals oder des Messsignals auf.
Zumindest eine der Messeinheiten kann zusätzlich einen Sensor zur Erfassung eines Zustandes des Batteriesensors aufweisen und die Schalteinheit kann die Messeinheit in einen Sensorzustand schalten, in dem die Signaleingänge mit dem Sensor verbunden sind, wobei der Zustand eine Temperatur und/oder ein Stromsignal des Batteriesensors ist. Da durch die zumindest zwei Mess einheiten eine redundante Messung des Spannungsabfalls erfolgt, kann eine Messeinheit bzw. können Komponenten einer Messeinheit zur Erfassung weiterer Parameter verwendet werden, durch die die Genauigkeit des Batteriesensors verbessert werden können. Da weiterhin durch die Steuerung sichergestellt ist, dass sich zumindest eine der anderen Messeinheiten im Messmodus befindet, ist weiterhin eine unterbrechungsfreie Strommessung sicher gestellt.
Beispielsweise kann der der Sensor ein Temperatursensor sein. Die Ausgänge des Temperatursensors können mit den Signaleingängen der Messeinheit verbunden sein. Der Signalausgang dieser Messeinheit ist vorzugsweise mit einer Sensorauswerteeinheit verbunden, die ein Sensorsignal ermitteln und ausgeben kann. Das Signal des Sensors kann beispielsweise durch einen in der die Messeinheit vorgesehene Verstärker verstärkt oder durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert werden. Es sind somit außer dem Sensor - und gegebenenfalls einem Umschalter an den Sig naleingängen bzw. dem Signalausgang - keine zusätzlichen Bauteile bzw. Komponenten zur Erfassung eines Zustandes des Messwiderstandes erforderlich. Die vorhandenen Komponenten der Messeinheit können auch zur Weiterverarbeitung des Signals des zusätzlichen Sensors verwendet werden.
Alternativ kann der Sensor auch ein weiterer Stromsensor sein bzw. zur Messung eines Spannungsabfalls ausgebildet sein.
Um das, gegebenenfalls verstärkte und/oder digitalisierte, Signal des Sensors weiterzuverarbeiten, kann eine Sensoraus- werteeinheit vorgesehen sein und der Signalausgang der Mess einheit kann im Sensormodus mit der Sensorauswerteeinheit verbunden sein. Vorzugsweise ist ein Schalter vorgesehen, der die Sensorauswerteeinheit und den Signalausgang verbinden oder trennen kann. Beispielsweise kann der Schalter den Signalausgang wahlweise mit der Sensorauswerteeinheit oder der Auswerteeinheit verbinden .
Der Messwiderstand kann mehrere Widerstandselemente aufweisen, wobei entweder die Kontaktpunkte so angeordnet sind, dass der Spannungsabfall über alle Widerstandselemente gemeinsam erfasst werden kann, oder jedes Widerstandselement zwei Kontaktpunkte aufweist und jedem Widerstandselement zumindest zwei Mess einheiten zugeordnet sind.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Batteriesensors; Figur 2 eine detaillierte Darstellung einer ersten Ausfüh rungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
Figur 3 eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
Figur 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesensors;
Figur 5 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesensors;
Figur 6 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesensors;
Figur 7 eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesensors;
Figur 8 eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesensors; und
Figur 9 eine achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesensors;
In Figur 1 ist ein Batteriesensor 10 gezeigt, mit einem Messwiderstand 12, zwei Messeinheiten 14a, 14b sowie einer Auswerteeinheit 16.
Der Messwiderstand 12 weist einen ersten Kontaktpunkt 18 sowie einen zweiten Kontaktpunkt 20 auf, die in Stromrichtung S eines durch den Batteriesensor 10 und den Messwiderstand 12 fließenden
Laststroms 22 beabstandet voneinander sind. Die Messeinheiten 14a, 14b weisen jeweils einen ersten Sig naleingang 24a, 24b sowie einen zweiten Signaleingang 26a, 26b auf, wobei die ersten Signaleingänge 24a, 24b mit dem ersten Kontaktpunkt 18 und die zweiten Signaleingänge 26a, 26b, mit dem zweiten Kontaktpunkt 20 elektrisch verbunden sind. Die Mess einheiten 14a, 14b weisen des Weiteren jeweils einen Signal ausgang 28a, 28b zur Ausgabe eines Messsignals 30a, 30b auf. Die Signalausgänge 28a, 28b sind mit der Auswerteeinheit 16 ver bunden .
Des Weiteren ist eine Steuerung 32 vorgesehen, die mit den Messeinheiten 14a, 14b sowie mit der Auswerteeinheit 16 verbunden ist .
In einem Messmodus erfassen die Messeinheiten 14a, 14b jeweils den Spannungsabfall des Laststroms 22 zwischen den Kontakt punkten 18, 20 und ermitteln daraus ein Spannungssignal 34a, 34b. Das Spannungssignal 34a, 34b wird mit einem Korrekturwert 36a, 36b, der in einem Speicher 38a, 38b einer Korrektureinheit 40a, 40b gespeichert ist, korrigiert, um das Messsignal 30a, 30b zu ermitteln .
Die Auswerteeinheit 16 ist so ausgebildet, dass diese ein von den Messsignalen 30a, 30b, also vom durch den Messwiderstand 12 fließenden Laststrom 22, abhängiges Ausgangssignal 42 ausgeben kann .
Um den Korrekturwert 36a, 36b zu bestimmen, wird eine der Messeinheiten 14a, 14b von der Steuerung 32 in einen Kalib riermodus geschaltet, in dem diese Messeinheit 14a, 14b nicht den Spannungsabfall zwischen den Kontaktpunkten 18, 20 erfasst. An den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b liegen entweder keine Signale oder im Wesentlichen identische Signale an, so dass der Spannungsabfall zwischen den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b gleich oder annähernd null ist. Ein im Kalibriermodus am Signalausgang 28a, 28b anliegendes Signal muss somit aus Messfehler und/oder Systemfehler der Messeinheit resultieren.
Das Signal, das im Kalibriermodus am Signalausgang 28a bzw. 28b anliegt wird daher als Korrekturwert 36a bzw. 36b gespeichert oder verwendet, um den Korrekturwert 36a bzw. 36b zu ermitteln und zu speichern. Wird die Messeinheit 14a, 14b anschließend von der Steuerung 32 in den Messmodus umgeschaltet, wird das Spannungssignal 34a bzw. 34b um den gespeicherten Korrekturwert 36a bzw. 36b korrigiert und somit die Messfehler und/oder Systemfehler des Spannungssignals 24a, 34b korrigiert bzw. eliminiert .
Die Steuerung 32 stellt sicher, dass sich jeweils zumindest eine Messeinheit 14a, 14b im Messmodus befindet, also sich im hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit zwei Messeinheiten 14a, 14b, nur j eweils eine Messeinheit 14a, 14b im Kalibriermodus befindet .
Da weiterhin eine Strommessung über mindestens eine Messeinheit 14a, 14b erfolgt, ist eine unterbrechungsfreie Strommessung sichergestellt. Durch wechselweises Schalten einer Messeinheit 14a, 14b in den Kalibriermodus kann im laufenden Betrieb des Batteriesensors 10 eine Kalibrierung aller Messeinheiten 14a, 14b erfolgen.
Die Auswerteeinheit 16 ist so ausgebildet, dass diese das Ausgangssignal 42 nur aus den Messsignalen 30a, 30b der Mes seinheiten 14a, 14b, die sich im Messmodus befinden, ermittelt.
In Figur 2 ist eine Ausführungsform eines vorstehend be schriebenen Batteriesensors 10 gezeigt. Die Messeinheiten 14a, 14b, weisen jeweils einen mit den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b verbunden Signalver stärker 44a, 44b sowie einen mit dem Ausgang des Signalver stärkers 44a, 44b verbundenen Analog-Digital-Wandler 46a, 46b auf, der das Spannungssignal 34a, 34b ausgibt.
Des Weiteren weisen die Messeinheiten 14a, 14b jeweils ein erstes Schaltelement 48a, 48b auf, mit dem eine elektrische Verbindung zwischen den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b geschlossen bzw. getrennt werden kann, sowie ein zweites Schaltelement 50a, 50b und ein drittes Schaltelement 52a, 52b, zum Trennen oder Schließen der elektrischen Verbindung zwischen den Kontakt punkten 18, 20 und den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b.
Im Messmodus sind die zweiten und dritten Schaltelemente 50a, 50b, 52a, 52b geschlossen, also die Kontaktpunkte 18, 20 elektrisch mit den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b verbunden, und die ersten Schaltelemente 48a, 48b geöffnet, also die Signaleingänge 24a, 26a bzw. 24b, 26b voneinander getrennt. Das Spannungssignal 34a, 34b entspricht also dem Potential unterschied an den Kontaktpunkten 18, 20. Aus diesem Span nungssignal 34a, 34b und dem Korrekturwert 36a, 36b wird jeweils ein Messsignal 30a, 30b ermittelt. Beispielsweise wird der Korrekturwert 36a, 36b jeweils vom Spannungssignal 34a, 34b abgezogen .
Die Messsignale 30a, 30b werden anschließend addiert und an die Auswerteeinheit 16 ausgegeben. Dies Auswerteeinheit 16 ermittelt aus diesem Signal das Ausgangssignal 42.
Zur Kalibrierung des Batteriesensors 10 wird auf die vorstehend beschriebene Weise jeweils eine der Messeinheiten 14a, 14b in den Kalibriermodus geschaltet, indem das erste Schaltelement 48a, 48b dieser Messeinheit 14a, 14b geschlossen wird, wodurch die Signaleingänge 24a, 26a bzw. 24b, 26b miteinander kurzge schlossen werden. Des Weiteren werden die Signaleingänge 24a, 26a bzw. 24b, 26b von den Kontaktpunkten 18, 20 getrennt, indem das zweite Schaltelement 50a bzw. 50b und das dritte Schaltelement 52a bzw. 52b geöffnet werden.
Durch das Öffnen des zweiten Schaltelements 50a bzw. 50b und des dritten Schaltelements 52a bzw. 52b ist die Messeinheit 14a bzw. 14b vom Messwiderstand getrennt. An den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b liegt somit kein Signal an. Durch die Verbindung der Signaleingänge 24a, 26a bzw. 24b, 26b ist zudem sicher gestellt, dass die Signaleingänge 24a, 26a bzw. 24b, 26b das gleiche bzw. annähernd das gleiche Potential aufweisen. Selbst wenn an einem der Signaleingänge 24a, 26a bzw. 24b, 26b ein Signal anliegen würde, würde dieses somit auch am jeweils anderen Signaleingang 26a, 24a bzw. 26b, 24b anliegen. Die ermittelte Differenz aus den Signalen, also der Spannungsabfall müsste also in jedem Fall gleich oder annähernd null sein. Wird ein ab weichendes Signal ausgegeben, muss dieses aus Messfehler der Messeinheit 14a, 14b resultieren, also dem Offset der Messeinheit 14a, 14b entsprechen. Das am Signalausgang 28a, 28b anliegenden Spannungssignal 34a, 34b wird deshalb zur Bestimmung des Korrekturwertes 36a, 36b verwendet bzw. als Korrekturwert 36a, 36b im Speicher 38a, 38b gespeichert.
Die Auswerteeinheit 16 weist des Weiteren einen Umschalter 54 auf, der die Auswerteeinheit 16 entweder mit Signalausgang 28a der ersten Schalteinheit 14a (Stellung a) , mit einem Schalt element 56, das die Messsignale 30a, 30b kombiniert, bei spielsweise addiert oder subtrahiert (Stellung b) oder mit dem Signalausgang 28b der zweiten Messeinheit 14b (Stellung c) verbindet . Befindet sich eine der beiden Messeinheiten 14a, 14b im Ka libriermodus, wird über die Schalteinheit 54 die Auswerteeinheit 16 jeweils mit dem Signalausgang 28b, 28a der jeweils anderen Messeinheit 14b, 14a verbunden (Stellung a oder Stellung c) . Das Messsignal 30a, 30b der Messeinheit 14a, 14b, die sich im Kalibriermodus befindet, wird also nicht an die Auswerteeinheit 16 übermittelt, bleibt also für die Ermittlung des Ausgangs signals 42 unberücksichtigt. Befinden sich beide Messeinheiten 14a, 14b im Messmodus, werden beide Messsignale 30a, 30b be rücksichtigt, indem die Auswerteeinheit 16 mit dem Schaltelement 56 verbunden wird (Stellung b) .
Die Auswerteeinheit 16 weist des Weiteren eine Skaliereinheit 58 sowie ein Filter 60 auf, um die unterschiedlichen Signale zu skalieren und zu filtern.
Grundsätzlich würde es auch ausreichen, wenn lediglich zweite und dritte Schaltelemente 50a, 50b, 52a, 52b vorhanden sind, also die Verbindungen zwischen den Kontaktpunkten 18, 20 und den Sig naleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b trennbar und schließbar sind, oder wenn jeweils über ein erstes Schaltelement ein Kurzschließen der Signaleingänge 24a, 26a bzw. 24b, 26b erfolgen kann.
Statt der zweiten und dritten Schaltelemente 50a, 50b, 52a, 52b können auch andere elektrische Elemente verwendet werden, die in Kombination mit einer Kurzschlussschaltung durch erste Schaltelemente 48a, 48b eine weitestgehende elektrische Trennung zwischen den Kontaktpunkten 18, 20 und den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b sicherstellen. Beispielsweise können statt der zweiten und dritten Schaltelemente 50a, 50b, 52a, 52b auch hochohmige Widerstände vorgesehen sein, durch die bei ge schlossenem ersten Schaltelement 48a, 48b sichergestellt ist, dass zwischen den Kontaktpunkten 18, 20 und den Signaleingängen 24a, 26a bzw. 24b, 26b kein oder nur ein geringer Strom fließt. Alternativ können, wie in Figur 3 zu sehen ist, auch Tief passfilter 62 verwendet werden.
Wie in Figur 2 zu sehen ist, sind die Analog-Digital-Wandler 46a, 46b sowie die Auswerteeinheit 16 auf einem Microcontroller 78 angeordnet .
Der in Figur 4 gezeigte Batteriesensor 10 basiert auf dem in Figur 2 gezeigten Batteriesensor. Zusätzlich ist ein Sensor 64, beispielsweise ein Temperatursensor, vorgesehen, der eine weitere Eigenschaft des Messwiderstands 12 erfassen kann. Der elektrische Widerstand des Messwiderstandes 12 ist tempera turabhängig. Mit der Erfassung des Messwiderstandes kann der elektrische Widerstand des Messwiderstandes 12 genauer bestimmt werden, wodurch die Genauigkeit der Strommessung verbessert werden kann.
Die Ausgänge des Sensors 64 sind mit dem zweiten und dem dritten Schaltelement 50b, 52b der zweiten Messeinheit 14b verbunden. Die Schalteinheiten 50b, 52b sind so ausgebildet, dass diese neben den Schaltstellungen zum Trennen und Verbinden der Kontaktpunkte 18, 20 und der Signaleingängen 24b, 26b eine dritte Schal terstellung aufweisen, in der die Kontaktpunkte 18, 20 von den Signaleingängen 24b, 26b getrennt und die Signaleingänge 24b, 26b mit den Ausgängen des Sensors 64 verbunden sind.
Der Signalausgang 28b ist des Weiteren mit einer Sensoraus- werteeinheit 66 verbindbar, die eine Skaliereinheit 68 sowie einen Filter 70 aufweist, und ein Temperatursignal 72 ausgibt. Das Temperatursignal kann anschließend beispielsweise zur Korrektur des Ausgangssignals 42 verwendet werden. Um die Temperatur des Messwiderstandes 12 zu bestimmen, kann die zweite Messeinheit 14b in einen Sensormodus geschaltet werden in dem, analog zum Kalibriermodus, die Messeinheit 14b vom Messwiderstand getrennt wird, wobei aber das erste Schaltelement 48a geöffnet bleibt, also keine Verbindung zwischen den Sig naleingängen 24b, 26b hergestellt wird. Das Spannungssignal 34b und das Messsignal 30b hängen also im Sensormodus allein von den Signalen des Sensor 64 ab.
Befindet sich die zweite Messeinheit im Sensormodus, wird das Ausgangssignal 42 allein aus dem Messsignal 30a der ersten Messeinheit bestimmt. Der Umschalter 54 befindet sich also in Stellung a.
Für eine Erfassung bzw. Ermittlung eines Temperatursignals sind also kein zusätzlicher Verstärker und kein zusätzlicher ana- log-Digital-Wandler erforderlich. Es werden zeitweise Kompo nenten verwendet, die bereits vorhanden ist.
Der in Figur 5 gezeigte Batteriesensor 10 basiert auf dem in Figur 4 beschriebenen Batteriesensor 10. Es fehlen lediglich die Analog-Digital-Wandler 46a, 46b. Es erfolgt also eine voll ständig analoge Signalverarbeitung. Es versteht sich aber, dass die Signalverarbeitung auch teilweise digital erfolgen kann, wie dies beispielsweise in Figur 2 gezeigt ist.
Der Speicher 38a, 38b ist in dieser Ausführungsform jeweils durch einen Kondensator 74a, 74b gebildet, der im Kalibriermodus durch das Spannungssignal 34a, 34b aufgeladen wird. Im Messbetrieb wird die Kondensatorspannung mittels eines Subtrahierers 76a, 76b von dem dann erfassten Spannungssignal 34a, 34b abgezogen.
Des Weiteren wird in dieser Ausführungsform der Korrekturwert 36b auch zur Korrektur des ausgegebenen Temperatursignals verwendet. Das Temperatursignal wird ebenfalls durch den Verstärker 44b verstärkt, unterliegt also ebenfalls dem Offset der Messeinheit 14b. Durch die Korrektur mittels des Korrekturwertes 36b wird auch für das Temperatursignal dieser Offset herausgefiltert.
Der in Figur 6 gezeigte Batteriesensor 10 hat ergänzend zu dem in Figur 5 beschriebenen Batteriesensor 10 einen jeweils nach den Subtrahierern 76a, 76b angeordneten Analog-Digital-Wandler 46a, 46b. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt analog zu Figur 2 und Figur 4 auf einem Microcontroller 78 in digitaler Form.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind zwei Messeinheiten 14a, 14b an denselben Kontaktpunkten 18, 20 desselben Messwiderstandes 12 angeschlossen, bestimmen also gewissermaßen parallel zueinander den durch den Messwiderstand 12 fließenden Strom. Des Weiteren ist eine Steuerung 32 vor gesehen, die sicherstellt, dass sich stets zumindest eine der Messeinheiten 14a, 14b im Messmodus befindet, sowie eine Auswerteeinheit 16, die aus den Messsignalen 30a, 30b der sich im Messmodus befindlichen Messeinheiten 14a, 14b ein Aus gangssignal 42 ermittelt.
Beispielsweise können auch mehr als zwei Messeinheiten 14a, 14b vorgesehen sein.
Der Messwiderstand 12 kann aus mehreren Widerstandselementen bestehen, wobei entweder die Kontaktpunkte 18, 20 entweder so angeordnet sind, dass diese den Spannungsabfall über alle Widerstandselemente erfassen können, oder für jedes Wider standselement zumindest zwei Messeinheiten 14a, 14b, eine Steuerung 32 sowie eine Auswerteeinheit 16 vorgesehen sind, die nach dem oben beschriebene Verfahren die Korrekturwerte 36a, 36b bestimmen . Die in den Figuren 7 bis 9 gezeigten Ausführungsformen weisen jeweils zwei Widerstände 12a, 12b auf, die in einer Reihen schaltung angeordnet sind. Jeder der Messeinheiten 14a, 14b ist einem Messwiderstand 12a, 12b zugeordnet, wobei jeweils vor und nach jedem Messwiderstand 12a, 12b ein Kontaktpunkt 18a, 20a bzw. 18b, 20b für die jeweils zugeordnete Messeinheit 14a bzw. 14b vorgesehen ist. Die Messeinheiten 14a, 14b ermitteln jeweils den durch diesen Messwiderstand 12a, 12b fließenden Strom bzw. erfasst den Spannungsabfall über diesen Messwiderstand 12a, 12b.
Beide Messeinheiten ermitteln unabhängig voneinander den durch den zugeordneten Messwiderstand 12a, 12b fließenden Strom, indem der Spannungsabfall über den jeweils zugeordneten Messwiderstand 12a, 12b erfasst wird. Bei bekanntem elektrischem Widerstand des Messwiderstandes 12a, 12b kann mit dem erfassten Spannungsabfall über den Messwiderstand 12a, 12b der durch den Messwiderstand 12a, 12b fließende Strom ermittelt werden.
Da durch die Reihenschaltung beide Messwiderstände 12a, 12b vom Laststrom 22 durchströmt werden, ermittelt jede Messeinheit 14a, 14b den Laststrom 22. Es erfolgt also auch bei diesen Aus führungsformen eine redundante Strommessung.
Jede der Messeinheiten 14a, 14b kann, um Korrekturwert 36a, 36b zu bestimmen, auf die vorstehend beschriebene Weise durch eine Schalteinheit 47a, 47b vom zugeordneten Messwiderstand 12a, 12b getrennt werden. In den hier gezeigten Ausführungsformen weisen die Schalteinheiten 47a, 47b analog zu Figur 2 jeweils drei Schalter 48a, 50a, 52a bzw. 48b, 50b, 52b auf. Die Schalteinheiten 47a, 47b können aber beliebig ausgebildet sein, solange eine Trennung vom Messwiderstand 12a, 12b und/oder eine Kurz schlussschaltung der Eingänge 24a, 26a bzw. 24b, 26b erfolgt. Die Steuerung 32 stellt auch hier sicher, dass sich jeweils zumindest eine Messeinheit 14a, 14b im Messmodus befindet. Da beide Messeinheiten den Laststrom 22 erfassen, ist somit si chergestellt, dass eine unterbrechungsfreie Ermittlung des Laststroms 22 erfolgt, auch wenn sich eine Messeinheit 14a, 14b im Kalibriermodus oder im Sensormodus befindet.
Zusätzlich ist jeweils eine Referenzstromschaltung 80 vorge sehen, die über einen zwischen den Messwiderständen angeordneten Kontaktpunkt 81 einen Referenzstrom 82 mit einer definierten Stromstärke an den zweiten Messwiderstand 12b anlegen kann. Wird der Referenzstrom mit bekannter Größe an den Messwiderstand 12b angelegt, kann über die an diesem Messwiderstand 12b abfallende Spannung bzw. über die Änderung des Spannungsabfalls infolge des zusätzlichen Referenzstroms, der genaue elektrische Widerstand des Messwiderstandes 12b bestimmt werden. Der bestimmte elektrische Widerstand kann anschließend verwendet werden, um die Messeinheiten 14a, 14b zu kalibrieren bzw. um die Kor rekturwerte 36a, 36b genauer zu bestimmen.
Die Referenzstromquelle 80 ist jeweils über einen Kontakt 84 an die Fahrzeugbatterie angeschlossen und weist einen ersten Widerstand 86, einen zweiten Widerstand 88, einen Schalter 90 zum Anlegen des Referenzstroms 82 sowie eine Messschaltung 92 auf.
Der zweite Widerstand 88 ist beispielsweise ein hochgenauer Widerstand. Die Messschaltung 92 misst den Spannungsabfall über diesen Widerstand 88. Der Spannungsabfall wird an die Aus werteeinheit 16 ausgegeben, die daraus die exakte Größe des Referenzstroms bestimmt, um diese für die Kalibrierung des Stromsensors 10 zu verwenden.
Die in den Figuren 7 bis 9 gezeigten Ausführungsformen un terscheiden sich lediglich in der Art der Signalverarbeitung der Messsignale 30a, 30b der Messeinheiten 14a, 14b bzw. der Signale der Messschaltung 92.
Es ist jeweils ein zusätzliches Schaltelement 94 vorgesehen. Das Schaltelement 56 addiert die Messsignale 30a, 30b, bildet also die Summe der Messsignale 30a, 30b. Das zusätzliche Schaltelement 94 subtrahiert die Messsignale 30a, 30b, bildet also die Differenz der Messsignale 30a, 30b.
Des Weiteren sind zwei Schaltelemente 96, 98 vorgesehen, die jeweils als Dividierer ausgebildet sind. Die Eingangssignale des ersten Dividierers 96 bilden den Quotienten der Messsignale 30a, 30b und des Signals der Messschaltung 92. Die Eingangssignale des zweiten Dividierer sind durch das Ausgangssignal des ersten Dividierers 96 und das Ausgangssignal des Umschalters 54 ge bildet. Zwischen dem ersten Dividierer 96 und dem zweiten Dividierer 98 ist ein Schalter 100 zum Trennen oder Schließen der Verbindung zwischen den Dividierern 96, 98 sowie ein Filter 102 vorgesehen. Des Weiteren ist ein Kondensator 104 vorgesehen, der bei geschlossenem Schalter 100 aufgeladen wird.
In der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform sind vor den Eingängen des Umschalters 54 bzw. vor den Eingängen des Dividierers 96 jeweils Analog-Digital-Wandler 46a, 46b, 106, 108 vorgesehen.
In Figur 9 sind die Analog-Digital-Wandler 46a, 46b vor den Korrektureinheiten 40a, 40b angeordnet.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig kombiniert werden, d.h. es können beispielsweise mehrere Messeinheiten 14a, 14b vorgesehen sein, die parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. Es ist lediglich erforderlich, dass eine unabhängige Strommessung durch zumindest zwei Messeinheiten 14a, 14b erfolgt, wobei diese Messeinheiten in einen Messmodus und einen Kalibriermodus schaltbar sind, und dass eine Steuerung 32 vorgesehen ist, die sicherstellt, dass sich stets zumindest eine Messeinheit 14a, 14b im Messmodus befindet.

Claims

Patentansprüche
1. Batteriesensor (10), der zumindest zwei Messeinheiten (14a, 14b) zur Erfassung eines Spannungsabfalls über einen Messwiderstand (12, 12a, 12b) und eine Auswerteeinheit (16) aufweist, wobei jede Messeinheit (14a, 14b) zwei jeweils mit einem
Kontaktpunkte (18, 18a, 18b, 20, 20a, 20b) auf dem Mess widerstand (12, 12a, 12b) verbundene Signaleingänge (24a,
26a, 24b, 26b), einen Signalausgang (28a, 28b) zur Ausgabe eines Messsignals (30a, 30b) , eine Korrektureinheit (40a,
40b) mit einem Speicher (38a, 38b) mit einem Korrekturwert (36a, 36b) und eine Schalteinheit (47a, 47b) zum Schalten der Messeinheit (14a, 14b) zwischen einem Messmodus und einem
Kalibriermodus aufweist, wobei im Messmodus die Korrektureinheit (40a, 40b) aus einem aus dem zwischen den Signaleingängen (24a, 26a, 24b, 26b) erfassten Spannungsabfall ermittelten Spannungssignal (34a, 34b) und dem Korrekturwert (36a, 36b) das Messsignal (30a, 30b) ermittelt und im Kalibriermodus aus dem Spannungssignal (34a, 34b) der Korrekturwert (36a, 36b) ermittelt und ge speichert wird, wobei eine Steuerung (32) für die Schalteinheiten (47a, 47b vorgesehen ist, die sicherstellt, dass sich zumindest eine der Messeinheiten (14a, 14b) im Messmodus befindet, und wobei die Auswerteeinheit (16) aus den Messsignalen (30a, 30b) der Messeinheiten (14a, 14b) , die sich im Messmodus befinden, ein Ausgangssignal (42) ermittelt.
2. Batteriesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriesensor (10) zumindest einen Messwiderstand (12) mit einem ersten und einem zweiten Kontaktpunkt (18, 20) aufweist, wobei die Messeinheiten (14a, 14b) j eweils mit einem Signaleingang (24a, 24b) mit dem ersten Kontaktpunkt (18) und mit einem zweiten Signaleingang (26a, 26b) mit dem zweiten Kontaktpunkt (20) desselben Messwiderstandes (12) kontak tiert sind, wobei die Messeinheiten den Spannungsabfall zwischen den Kontaktpunkten (18, 20) erfassen.
3. Batteriesensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriesensor (10) zumindest zwei in Reihenschaltung angeordnete Messwiderstände (12a, 12b) mit j eweils einem ersten Kontaktpunkt (18a, 18b) und einem zweiten Kontaktpunkt (20a, 20b) aufweist, wobei jeweils eine
Schalteinheit (14a, 14b) mit den Kontaktpunkten (18a, 20a, 18b, 20b) eines Messwiderstandes (12a, 12b) kontaktiert ist und den Spannungsabfall über den Messwiderstand (12a, 12b) erfasst .
4. Batteriesensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzstromquelle (80) vorgesehen ist, die an einen der Messwiderstände (12a, 12b) einen definierten Referenzstrom anlegen kann.
5. Batteriesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (47a, 47b) jeweils eine zwischen den zwei Signaleingängen (24a, 26a, 24b, 26b) mit einem ersten Schaltelement (48a, 48b) trennbare oder schließbare elektrische Verbindung aufweisen.
6. Batteriesensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kontaktpunkten (18, 20) und den Signaleingängen (24a, 26a, 24b, 26b) jeweils ein hochohmiger Widerstand und/oder ein Tiefpassfilter (62) vorgesehen ist.
7. Batteriesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (47a, 47b) jeweils zweite und dritte Schaltelemente (50a, 50b, 52a, 52b) zum Trennen oder Schließen einer elektrischen Verbindung zwischen den Signaleingängen (24a, 26a, 24b, 26b) und den
Kontaktpunkten (18, 20) aufweist.
8. Batteriesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (38a, 38b) jeweils einen Kondensator (74a, 74b) aufweist, der im Kalibriermodus aufgeladen und im Messmodus entladen wird.
9. Batteriesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) einen Umschalter (54) aufweist, um die Messeinheiten (14a, 14b) einzeln mit der Auswerteeinheit (16) zu verbinden oder von dieser zu trennen.
10. Batteriesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheiten (14a, 14b) jeweils einen Verstärker (44a, 44b) und/oder einen Ana- log/Digital-Wandler (46a, 46b) aufweisen.
11. Batteriesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messeinheit (14a, 14b) einen Sensor (64) zur Erfassung eines Zustandes des Batteriesensors (10) aufweist, und die Schalteinheit (47a,
47b) die Messeinheit (14a, 14b) in einen Sensormodus schalten kann, in dem die Signaleingänge (24a, 26a, 24b, 26b) mit dem Sensor verbunden sind, wobei der Zustand eine Temperatur und/oder ein Stromsignal des Batteriesensors ist.
12. Batteriesensor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet , dass eine Sensorauswerteeinheit (66) vorgesehen ist und der Signalausgang (28a, 28b) der Messeinheit (14a, 14b) im
Sensormodus mit der Sensorauswerteeinheit (66) verbunden ist .
13. Verfahren zur Betrieb eines Batteriesensors (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: a) Schalten zumindest einer Messeinheit (14a, 14b) in den
Kalibriermodus, wobei sich zumindest eine weitere Mess einheit (14b, 14a) im Messmodus befindet,
b) für die in den Kalibriermodus geschaltete Messeinheit (14a,
14b) , Ermitteln des Korrekturwertes (36a, 36b) aus dem
Spannungssignal (34a, 34b) und Speichern des Korrektur wertes (36a, 36b) im Speicher (38a, 38b) ,
c) Schalten der Messeinheit (14a, 14b) vom Kalibriermodus in den Messmodus,
d) wiederholen der Schritte a) und c) mit jeweils den weiteren
Messeinheiten (14b, 14a).
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