DE102011122440A1

DE102011122440A1 - Stromsensor

Info

Publication number: DE102011122440A1
Application number: DE102011122440A
Authority: DE
Inventors: Frank Edler; Dipl.-Ing. Ulrich (FH) Kastrup; Markus Meiler; Vesna Nikolic; Bernd Spier; Hartung Wilstermann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2011-12-24
Publication date: 2012-06-28
Also published as: WO2013091745A1

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

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:
1 schematisch eine Fahrzeugbatterie nach dem Stand der Technik mit einem ersten Stromsensor und einem zweiten Stromsensor,
2 schematisch einen ersten Stromsensor nach dem Stand der Technik,
3 schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Stromsensors, und
4 schematisch eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Stromsensors.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Fahrzeugbatterie F_SdT nach dem Stand der Technik für ein hier nicht näher dargestelltes Fahrzeug. Die Fahrzeugbatterie F_SdT weist eine Mehrzahl von Einzelzellen 1 auf, welche über Trennschalter 2 mit Hochvoltanschlüssen 3 verbunden sind, über welche die Fahrzeugbatterie F_SdT mit einem Bordnetz des Fahrzeugs zu koppeln ist.
Für derartige Fahrzeugbatterien F_SdT gelten erhöhte sicherheitstechnische Anforderungen bezüglich einer zuverlässigen Ermittlung eines Stroms I, der aus der Fahrzeugbatterie F_SdT herausfließt oder in diese hineinfließt. Die Ermittlung des Stroms I ist erforderlich, um eine Überwachung zulässiger Betriebsgrenzen der Fahrzeugbatterie F_SdT in einem Batteriemanagementsystem 4 zu ermöglichen. Des Weiteren sind aus dem ermittelten Strom I andere Zustandsgrößen der Fahrzeugbatterie F_SdT abzuleiten, beispielsweise ein Ladezustand.
Aufgrund der sicherheitstechnischen Anforderungen weist die Fahrzeugbatterie F_SdT zwei Stromsensoren S1_SdT, S2_SdT nach dem Stand der Technik auf, um auf diese Weise eine Redundanz zu erreichen. D. h. Sensorergebnisse des ersten Stromsensors S1_SdT sind mittels des zweiten Stromsensors S2_SdT zu plausibilisieren. Auf diese Weise ist zur Erfüllung der sicherheitstechnischen Funktionen der Fahrzeugbatterie F_SdT eine korrekte Funktion des ersten Stromsensors S1_SdT in definierten Zeitabständen zu überwachen und dadurch sicherzustellen. Das Batteriemanagementsystem 4 kommuniziert mit den Stromsensoren S1_SdT, S2_SdT 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 2 ist ein derartiger erster Stromsensor S1_SdT nach dem Stand der Technik dargestellt, welcher in der Fahrzeugbatterie F_SdT nach dem Stand der Technik aus 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 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 3 dargestellt ist, nur die auf das analoge Sensorelement 7 folgende Verarbeitungskette zyklisch auf eine korrekte Funktion zu überprüfen. In 4 ist beispielhaft eine Ausführungsform einer Batterie 11 mit einem derartigen Stromsensor 10 dargestellt. Die Batterie 11 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 S2_SdT zur Plausibilisierung von Sensorergebnissen erforderlich. Daraus resultieren reduzierte Kosten, ein reduzierter Schaltungsaufwand und reduzierte Bauraumerfordernisse.
Bis auf den nicht mehr vorhandenen zweiten Stromsensor S2_SdT nach dem Stand der Technik und den durch den Stromsensor 10 ersetzten ersten Stromsensor S1_SdT nach dem Stand der Technik weist die in 4 dargestellte Batterie 11 die gleichen Bestandteile auf wie die in 1 dargestellte Fahrzeugbatterie F_SdT nach dem Stand der Technik. D. h. es sind beispielsweise derartige bekannte Fahrzeugbatterien F_SdT nach dem Stand der Technik auf einfache Weise umzurüsten, durch ersetzen der beiden Stromsensoren S1_SdT, S2_SdT nach dem Stand der Technik durch den nur noch einen erforderlichen Stromsensor 10.
Bei dem in 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 11 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 1 der Batterie 11 entspricht, im Gegenteil ist eine Abweichung des ermittelten Stromwerts vom tatsächlichen Strom 1 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 Strom
SA: analoges Signal
SF: Anforderungssignal
SR: Rohsignal
ST: Testsignalmuster
SV: Signalverarbeitungsanordnung
F_SdT: Fahrzeugbatterie nach dem Stand der Technik
S1_SdT: erster Stromsensor nach dem Stand der Technik
S2_SdT: zweiter Stromsensor nach dem Stand der Technik

Claims

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.
Batterie (11), umfassend einen Stromsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
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.
Batterie (11) 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.