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TECHNISCHES GEBIET
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Dieses
Dokument betrifft allgemein das Messen elektrischer Eigenschaften,
wie etwa Ströme
und Spannungen. Insbesondere beschreibt dieses Dokument Systeme
und Verfahren zur Identifizierung von Problemen, die bei der Erfassung
von Strom und Spannung mit einem Analog/Digital-Wandler auftreten können.
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HINTERGRUND
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In
den letzten Jahren sind sogenannten „Hybridfahrzeuge” zunehmend
populär
geworden. Diese Fahrzeuge verwenden typischerweise einen oder mehrere
Motoren, um die Bremsen beim Verlangsamen zu unterstützen und
die Brennkraftmaschine beim Beschleunigen zu unterstützen, wodurch
der Kraftstoffverbrauch ohne wesentliche Auswirkungen auf das Fahrerlebnis
dramatisch verringert wird. Die Motoren werden zur Umsetzung zwischen
elektrischer und mechanischer Energie verwendet. Wenn die elektrische
Energie von einem Motor erzeugt wird, wird sie mit einem wiederaufladbaren
Energiespeichersystem (RESS) oder dergleichen, das einen Batteriestapel
enthält,
gespeichert. Zusätzlich
zu den gegenwärtig
verfügbaren
Hybridfahrzeugen wird eine Anzahl von Fahrzeugen derart konzipiert,
dass sie aus dem elektrischen Netz oder einer anderen Quelle wieder
aufgeladen werden können.
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Während eines
Betriebs eines RESS oder eines anderen batteriegetriebenen Systems
ist es allgemein wünschenswert,
den Strom und die Spannung zu überwachen,
die von der Batterie bereitgestellt werden. Gegenwärtig werden
Strom- und Spannungsmesswerte unter Verwendung zweier getrennter
Kanäle
eines Mikroprozessors beschafft, ein erster Kanal zum Messen einer
Spannung und ein zweiter Kanal zum Messen eines Stroms. Obwohl diese Anordnung
allgemein in der Lage ist, unter den meisten Bedingungen genaue
Messwerte bereitzustellen, ist sie keine typischerweise redundante
Anordnung, und daher fehlt ihr die Sicherheit die bei vielen Komponenten
allgemein anzutreffen ist. Wenn eine Unregelmäßigkeit bei einem Analog/Digital-Wandler,
bei einer Referenzspannung oder einer anderen nicht redundanten
Komponente, die bei herkömmlichen
Systemen anzutreffen ist, auftreten sollte, wäre diese Unregelmäßigkeit
relativ schwierig zu identifizieren.
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Entsprechend
ist es wünschenswert,
verbesserte Systeme und Techniken zum Messen von Strömen, Spannungen
und/oder anderen elektrischen Eigenschaften bereitzustellen, die
genaue Messwerte bereitstellen und in der Lage sind, Probleme zu
erkennen, die innerhalb der Messumgebung entstehen können. Darüber hinaus
ergeben sich andere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden
genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen und dem vorstehenden technischen Gebiet
und Hintergrund.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß verschiedener
beispielhafter Ausführungsformen
werden Verfahren und Systeme bereitgestellt, um Probleme in Verbindung
mit der Erfassung von elektrischen Eigenschaften in einem Prozessor,
der erste, zweite, dritte und vierte Anschlüsse aufweist, zu identifizieren.
Bei einer Ausführungsform werden
eine erste Referenzspannung an dem ersten Anschluss und eine zweite
Referenzspannung an dem zweiten Anschluss empfangen. Erste Daten über die
elektrischen Eigenschaften werden von dem dritten Anschluss beschafft
und zweite Daten über die
elektrischen Eigenschaften werden von dem vierten Anschluss beschafft.
Ein erster Wert der elektrischen Eigenschaften wird auf der Grundlage
der ersten Daten und der ersten Referenzspannung berechnet und ein
zweiter Wert der elektrischen Eigenschaften wird auf der Grundlage
der zweiten Daten und der zweiten Referenzspannung berechnet. Ein
Referenzverhältnis
der ersten Referenzspannung zu der zweiten Referenzspannung und
ein Wertverhältnis
des ersten Werts zu dem zweiten Wert werden ermittelt und ein Problem
wird identifiziert, wenn das Wertverhältnis das Referenzverhältnis überschreitet.
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Andere
Ausführungsformen
betreffen Verfahren zur Diagnose von Problemen bei elektrischen Eigenschaften,
die einen Strom und eine Spannung umfassen, welche von einem Prozessor
gemessen werden, der eine Anzahl von Anschlüssen umfasst. Ein erster Referenzwert
wird an einem ersten Anschluss beschafft und ein zweiter Referenzwert
wird an einem zweiten Anschluss beschafft. Für erste und zweite Spannungsmesswerte
an separaten Anschlüssen
sowie für
erste und zweite Strommesswerte an separaten Anschlüssen werden
Messwerte beschafft. Ein erster Wert der Spannung wird auf der Grundlage
des ersten Spannungsmesswerts und der ersten Referenzspannung berechnet
und ein zweiter Wert der Spannung wird auf der Grundlage des zweiten
Spannungsmesswerts und der zweiten Referenzspannung berechnet. Ein
erster Wert des Stroms wird auf der Grundlage des ersten Strommesswerts und
der ersten Referenzspannung berechnet und ein zweiter Wert des Stroms
wird auf der Grundlage des zweiten Strommesswerts und der zweiten
Referenzspannung berechnet.
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Der
erste Referenzwert wird mit dem zweiten Referenzwert verglichen
und ein Problem wird identifiziert, wenn sich der erste und zweite
Referenzwert unterscheiden. Die ersten und zweiten Werte der Spannung
werden auch verglichen, und das Problem wird identifiziert, wenn
sich die ersten und zweiten Werte der Spannung unterscheiden. Die
ersten und zweiten Werte des Stroms werden ebenfalls verglichen
und ein Problem wird identifiziert, wenn sich die ersten und zweiten
Werte des Stroms unterscheiden. Zudem wird ein Wertverhältnis der
ersten und zweiten Spannungen mit einem Referenzverhältnis der ersten
und zweiten Referenzspannungen verglichen und das Problem wird identifiziert,
wenn das Wertverhältnis
das Referenzverhältnis überschreitet.
Zudem werden Strommesswerte auf die gleiche Weise verglichen, wie
die Spannungen verglichen werden.
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Noch
weitere Ausführungsformen
stellen ein System zur Messung elektrischer Eigenschaften bereit.
Erste und zweite Referenzspannungen werden über Spannungsteilerschaltungen
an erste und zweite Anschlüsse
eines Prozessors angelegt. Erste und zweite Signalaufbereitungsschaltungen
sind mit dritten bzw. vierten Anschlüssen des Prozessors gekoppelt
und Spannungs- oder Stromsensoren sind mit den ersten und zweiten
Signalaufbereitungsschaltungen gekoppelt. Der Prozessor misst die
elektrischen Eigenschaften an den dritten und vierten Anschlüssen und
berechnet erste und zweite ratiometrische Werte der elektrischen
Eigenschaften, wobei der erste ratiometrische Wert auf einem von
dem dritten Anschluss beschafften Messwert und der ersten Referenzspannung
beruht und der zweite ratiometrische Wert auf einem von dem vierten
Anschluss beschafften Messwert und der zweiten Referenzspannung beruht.
Der Prozessor identifiziert ferner ein Problem, wenn ein Verhältnis des
ersten ratiometrischen Werts zu dem zweiten ratiometrischen Wert
ein Verhältnis des
ersten Referenzwerts zu dem zweiten Referenzwert überschreitet.
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Weitere
Merkmale und Aspekte verschiedener Ausführungsformen sind nachstehend
genauer beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der
Gegenstand wird hier nachstehend in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente
bezeichnen, und
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1A und 1B Schaltpläne beispielhafter
Ausführungsformen
von Systemen zur Messung und Diagnose elektrischer Eigenschaften,
wie etwa Spannungen und Ströme,
sind;
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2 ein
Schaltplan einer alternativen beispielhaften Ausführungsform
eines Systems zur Messung und Diagnose elektrischer Eigenschaften ist;
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3 ein
Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zur Bewertung von Spannungsmesswerten
ist;
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4 ein
Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zur Bewertung von Strommesswerten ist;
und
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5 ein
Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zur Identifikation
von Problemen bei gemessenen elektrischen Eigenschaften ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
folgende Beschreibung betrifft primär Verfahren und Systeme, die
mit dem Erfassen von Spannungen und/oder Strömen von Batteriestapeln verbunden
sind, etwa denjenigen, die in vielen Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen,
Lastwagen und anderen Fahrzeugen anzutreffen sind. Äquivalente Konzepte
können
jedoch leicht auf beliebige andere Fahrzeug-, Industrie-, Luftfahrt-
und/oder andere Umgebungen angewandt werden. In dieser Hinsicht ist
die folgende genaue Beschreibung rein beispielhafter Natur und nicht
dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungsmöglichkeiten
der Erfindung einzuschränken.
Darüber
hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder
implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem vorstehenden technischen
Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden
genauen Beschreibung dargestellt ist.
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Allgemein
gesprochen wird die Zuverlässigkeit,
Robustheit und Sicherheit eines Strom- und/oder Spannungsmesssystems
durch die Verwendung redundanter Erfassungskanäle und die Berechnung redundanter
ratiometrischer Werte auf der Grundlage separater Referenzen wesentlich
verbessert. Darüber
hinaus können
durch einen korrekten Entwurf der Architektur des Messsystems beliebige Fehler
oder andere Probleme durch die Berechnung verschiedener Verhältnisse
und Vergleiche derartiger Verhältnisse
miteinander leicht identifiziert werden. Zusätzliche Details sind nachstehend
bereitgestellt.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder
Merkmale, die miteinander „verbunden” oder „gekoppelt” sind.
Bei der Verwendung hierin bedeutet „verbunden”, sofern es nicht ausdrücklich anderweitig
angegeben ist, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem weiteren
Element, Knoten oder einem anderen Merkmal in einem mechanischen,
logischen, elektrischen oder anderen geeigneten Sinn direkt verbunden
ist (oder direkt damit kommuniziert). Gleichermaßen bedeutet „gekoppelt”, sofern
es nicht ausdrücklich
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem
weiteren Element/Knoten/Merkmal in einem mechanischen, logischen,
elektrischen oder anderen geeigneten Sinn entweder direkt oder indirekt
verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert). Der
Begriff „beispielhaft” wird in
dem Sinn von „Beispiel” anstatt
von „Modell” verwendet.
Darüber hinaus
können,
obwohl die Figuren beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen
können,
bei einer praktischen Ausführungsform
der Erfindung zusätzliche
dazwischenkommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten
vorhanden sein.
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Nun
auf die Zeichnungsfiguren Bezug nehmend und zuerst mit Bezug auf 1A umfasst
ein beispielhaftes System 100 zur Messung und Bewertung
elektrischer Spannungen entsprechend einen Prozessor 102,
zwei oder mehr Schaltungen, die Referenzspannungen 112, 113 bereitstellen,
und geeignete Schaltungen zum Empfangen und Verarbeiten von Spannungssignalen 134,
die von einem Batteriestapel oder einem anderen zu überwachenden
Objekt empfangen werden. Bei der in 1A gezeigten beispielhaften
Ausführungsform
sind nur Spannungsmessungen gezeigt; alternative Ausführungsformen
können
nach Wunsch primär
oder vollständig auf
das Erfassen von Strom, Spannung, anderen elektrischen Effekten
(z. B. einer Impedanz) und/oder einer beliebigen Kombination von
Effekten ausgerichtet sein. 1B zeigt
ein beispielhaftes System 150 zur Erfassung elektrischer
Ströme;
in der Praxis können
die Systeme 100 und 150 an einem gemeinsamen Prozessor 102 gleichzeitig
eingesetzt werden, wie nachstehend genauer beschrieben ist.
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Bei
den Systemen 100 und 150, die in 1A bzw. 1B gezeigt
sind, wird die Zuverlässigkeit
durch mehrere Merkmale verbessert. Erstens wird eine Spannung an
zwei separaten Anschlüssen 106, 108 des
Prozessors 102 in 1 erfasst,
wodurch eine Redundanz bereitgestellt wird. Auf ähnliche Weise zeigt 1B,
dass ein Strom an zwei separaten Anschlüssen 152, 154 des
Prozessors 102 erfasst wird. In jedem Fall können Werte
der gemessenen Größe mit Bezug
auf Referenzsignale, die an Anschlüsse 104, 110 des
Prozessors 102 angelegt sind, ratiometrisch bestimmt werden,
wodurch ein zusätzliches
Redundanzniveau bereitgestellt wird und auch eine bequeme Verifikation
von erfassten Messwerten durch Vergleiche von Verhältnissen
ermöglicht
wird, wie nachstehend genauer beschrieben ist.
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Weiter
mit Bezug auf 1A und 1B ist der
Prozessor 102 ein(e) beliebige(s) Einrichtung, Komponente,
Schaltung, System oder Logik, die bzw. das zur Erfassung elektrischer
Eigenschaften und zur Verarbeitung der erfassten Werte wie hier
beschrieben in der Lage ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen
ist der Prozessor 102 mit einem herkömmlichen Mikroprozessor oder
Mikrocontroller implementiert, der zur Ausführung von Instruktionen in der
Lage ist, die in einem zugehörigen
Arbeitsspeicher oder einem anderen digitalen Speicher gespeichert
sind. Der Prozessor 102 umfasst typischerweise eine beliebige
Anzahl von Anschlüssen 104, 106, 108, 110,
wie in 1A gezeigt ist (sowie Anschlüsse 152, 154 in 1B).
Bei verschiedenen Ausführungsformen
ist jeder dieser Anschlüsse
ein Signalkontakt an einer Controllereinrichtung mit eingebauten
Analog/Digital-Wandlungsmerkmalen. Bei derartigen Ausführungsformen
kann eine an den Anschluss angelegte Analogspannung leicht in eine
digitale Darstellung der Spannung mit einer beliebigen gewünschten
Auflösung
umgesetzt werden. Gebräuchliche
A/D-Funktionen, die in vielen herkömmlichen Mikrocontrollereinrichtungen
verfügbar
sind, unterstützen
Auflösungen
von etwa zehn bis etwa vierzehn Bits, obwohl andere Ausführungsformen nach
Wunsch eine größere oder
kleinere Auflösung verwenden
können.
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Die
Referenzspannungen 112, 113 sind jeweils Spannungs-
oder andere elektrische Signale, die relativ konstant sind und die
eine Referenz für
von dem Prozessor 102 durchgeführte Messungen bereitstellen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beruhen
die Referenzspannungen 112, 113 auf einer Batterie-
oder einer anderen relativ konstanten Spannung. Typischerweise werden
diese Spannungen 112, 113 so konzipiert, dass
sie einander mit relativ geringer Abweichung folgen (z. B. nicht
mehr als etwa 0,1–0,2
Prozent, obwohl andere Ausführungsformen
mit anderen Parametern konzipiert sein können).
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Jede
Referenzspannung 112, 113 ist durch eine Spannungsteilerschaltung
an einen Anschluss 104, 110 des Prozessors 102 angelegt,
die jeweils einen Reduktionswiderstand 114, 115 und
einen Erfassungswiderstand 116, 117 umfasst. Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform
sind die Widerstände 114–117 so
gezeigt, dass sie mit herkömmlichen
Widerständen
implementiert sind, um einen DC-Spannungsteiler zu schaffen, der
die Referenzspannungen 112, 113 auf ein Sollniveau
skaliert. Allgemein gesprochen werden die Widerstandwerte der Widerstände 114 und 115 viel
größer als
die Widerstandwerte der Erfassungswiderstände 116, 117 sein,
sodass die an den Anschlüssen 104, 110 erfassten
Referenzwerte wesentlich niedriger als die angelegten Spannungen 112, 113 sind.
Die Reduktionswiderstände 114, 115 können beispielsweise
Widerstandswerte in der Größenordnung
des Zwanzigfachen oder mehr der Widerstandswerte der Erfassungswiderstände 116, 117 aufweisen.
Allgemein gesprochen ist es wünschenswert,
die Entwurfstoleranzen und die Variationen, für die Widerstände 114–117 zulässig sind,
zu beschränken.
Bei einer Ausführungsform
können
für eine
Gesamttoleranz von etwa +/–1%
Nenntoleran zen von etwa +/–0,5%
zusätzlich zu
weiteren +/–0,5%
Toleranz aufgrund der Zeit, der Temperatur oder anderer Faktoren
zulässig
sein. Wiederum können
nach Wunsch andere Ausführungsformen
mit anderen Toleranzen konzipiert sein.
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Aus
Gründen,
die aus der nachstehenden Erörterung
offensichtlicher werden, kann es bei vielen Ausführungsformen gewünscht sein,
die Referenzspannungen 112, 113 und die zugehörige Spannungsteilerschaltung
derart zu entwerfen, dass die Nenntoleranz für die erfassten Referenzspannungen größer als
die Toleranz ist, die für
die detektierten Signale zulässig
ist. Darüber
hinaus ist es allgemein wünschenswert,
dass die Gesamttoleranz des Referenzspannungserfassungsmechanismus
so konzipiert ist, dass sie größer als
die Nenntoleranz der Referenzspannungen ist, und dass die absolute
Spannungsdifferenz zwischen den Referenzspannungen 112, 113 noch
größer ist.
Jede dieser Toleranzen sollte kleiner als das Verhältnis der
Reduktionswiderstände 114, 115 zu
den Erfassungswiderständen 116, 117 sein.
Dieses Konzept wird wiederum nachstehend genauer angesprochen.
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Die
Anschlüsse 106, 108, 152, 154 des
Prozessors 102 werden verwendet, um elektrische Eigenschaften,
wie etwa die Spannung 134 und/oder den Strom 135 zu
erfassen. Bei der in 1A gezeigten Ausführungsform
wird die erfasste Spannung 134 durch einen Spannungsteiler
angelegt, der aus einem Reduktionswiderstand 138 und einem
Erfassungswiderstand 140 besteht, um die empfangene Spannung
(welche im Fall eines Batteriestapels oder dergleichen ziemlich
hoch sein kann) auf ein Niveau zu skalieren, das im Bereich der
A/D-Merkmale an den Anschlüssen 106, 108 liegt.
Die skalierte Spannung kann ferner nach Wunsch mit einem Spannungssignalkonfigurationsmodul 130 eingestellt
werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen
stellt das Konfigurationsmodul 130 einfach eine Pull-up- oder
eine Pull-down-Impedanz bereit, die mit einem geeigneten Referenzsignal
(z. B. Masse) verbunden ist, um ungewünschte kurzzeitige elektrische
Ausgleichsvorgänge
zu verhindern und/oder um die empfangene Spannung weiter auf ein
gewünschtes Niveau
zu skalieren.
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Bei
der in 1B gezeigten Ausführungsform
ist der Stromsensor 142 eine beliebige Einrichtung, Schaltung,
Logik oder dergleichen, die zur Bereitstellung einer Anzeige des
Stroms 135 in der Lage ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen
ist der Stromsensor 142 ein herkömmlicher Halleffektsensor.
Bei anderen Ausführungsformen
ist der Stromsensor 142 einfach eine Shunt-Schaltung, die
den Strom 135 durch einen bekannten Widerstandswert führt, um
einen Spannungsausgang gemäß dem ohmschen
Gesetz zu erzeugen. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann der Stromsensor 142 durch einen
oder mehrere Widerstandssensoren 144 ersetzt (oder ergänzt) sein,
wie etwa Thermistoren und/oder dergleichen. Bei derartigen Ausführungsformen
stellen die Sensoren 144 eine Ausgangsspannung bereit,
die auf die gleiche Weise wie der Ausgang des Stromsensors 142 verarbeitet
werden kann.
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Die
Ausgänge
des Stromsensors 132 und/oder der Sensoren 144 können vor
dem Erfassen auf irgendeine Weise konfiguriert werden. Zum Beispiel
kann eine Stromsignalkonfigurationsschaltung 132 Pull-up-
oder Pull-down-Impedanzen und/oder
eine andere Skalierung ähnlich
wie die vorstehend beschriebene Spannungskonfigurationsschaltung 130 bereitstellen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen
stellt die Konfigurationsschaltung 132 einfach einen Widerstand
oder eine andere Impedanz bereit, die eine Skalierung oder eine
andere Einstellung in den Spannungserfassungsbereich der Anschlüsse 106, 108 ermöglicht.
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Die
Zuverlässigkeit
und Sicherheit erfasster Daten wird durch Redundanz wesentlich verbessert. Folglich
zeigen 1A und 1B, dass
die Spannungssignale und Stromsignale beide an mehrere Anschlüsse des
Prozessors 102 angelegt sind. Beispielsweise zeigt 1A,
dass die erfasste Spannung an beide Anschlüsse 106 und 108 angelegt
ist; 1B zeigt auf ähnliche
Weise, dass der erfasste Strom an die Anschlüsse 152 und 154 angelegt
ist. Wie nachstehend genauer beschrieben ist, können an den zwei Anschlüssen erfasste
Spannungen und/oder Ströme
mit Bezug auf separate Referenzwerte, die an den Anschlüssen 104, 110 empfangen werden,
analysiert werden, um ratiometrische und andere Werte zu berechnen,
die weiter analysiert werden können,
um geeignete Toleranzen zuzulassen, während Fehler oder andere Probleme,
die auftreten können,
detektiert werden. Derartige Analysetechniken sind nachstehend mit
Bezug auf 3–5 beschrieben.
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Signalaufbereitungsschaltungen 118–121 sind
beliebige Schaltungen oder andere Module, die in der Lage sind,
Signale weiter aufzubereiten, die an die Anschlüsse des Prozessors 102 angelegt
sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen
umfasst jede Schaltung 118–121 ein Spannungsspeicherelement (z.
B. einen Kondensator 126, 127, 128, 129),
das zur Speicherung einer elektrischen Ladung für eine nachfolgende Erfassung
in der Lage ist. Jede Schaltung 118–121 umfasst auch
ein Spannungsflusselement (z. B. Widerstände 122, 123, 124, 125 in 1A–B, obwohl
Induktivitäten äquivalent
verwendet werden können),
das die Spannungsspeicherelemente 126–129 voneinander elektrisch
isoliert. Allgemein gesprochen wirken die Aufbereitungsschaltungen 118–121 als
Tiefpassrauschfilter, um die Qualität von an den Prozessor 102 angelegten
Signalen zu verbessern.
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1A zeigt,
dass das Spannungssignal am Knoten 146 sowohl an den Anschluss 106 als
auch 108 angelegt ist, um Redundanz und die Fähigkeit zur
Berechnung ratiometrischer Werte mit Bezug auf zwei verschiedene
Referenzwerte bereitzustellen. Es wird angemerkt, dass die Aufteilung
des Spannungssignals vor den Aufbereitungsschaltungen 118–121 stattfindet,
um ein zusätzliches
Redundanzniveau bereitzustellen; das heißt, dass dann, wenn irgendeine
Komponente in irgendeiner einzelnen Schaltung 118–121 ausfallen
sollte, dieses Problem durch die verschiedenen Werte, die an den
Anschlüssen 106, 108 empfangen
werden, detektierbar ist.
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1B zeigt
auf ähnliche
Weise, dass das Stromsignal (dargestellt durch die Spannung bei Knoten 148)
an die beiden Anschlüsse 152 und 154 über Schaltungen 119 bzw. 121 angelegt
ist. Dies ermöglicht,
dass Strommesswerte ähnlich
wie das vorstehend beschriebene Spannungssignal 146 redundant überprüft werden
können.
Bei einer in 2 gezeigten alternativen Ausführungsform
können
jedoch zwei separate Stromsensoren bereitgestellt sein, wobei Eingaben
von jedem Sensor an separate Anschlüsse 152, 154 in
dem Prozessor 102 bereitgestellt sind.
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Nun
mit Bezug auf 2 umfasst ein beispielhaftes
System 200 zur Erfassung eines Stroms 135 von
einem Batteriestapel oder dergleichen auf geeignete Weise einen
hochauflösenden
Stromsensor 242 und einen separaten Stromsensor 244 mit hoher
Größe. Typischerweise
wird der Stromsensor 244 mit hoher Größe über einen größeren Dynamikbereich
als der hochauflösende
Sensor 242 verfügen,
aber der hochauflösende
Sensor wird eine verbesserte Genauigkeit/Auflösung bereitstellen, die von
dem Stromsensor 244 mit hoher Größe nicht verfügbar ist.
Bei dieser Ausführungsform
werden an den zwei Kanälen 152, 154 erfasste
Ströme
typischerweise über
den gesamten Erfassungsbereich nicht direkt miteinan der verglichen,
sondern werden stattdessen nur über
denjenigen Abschnitt des Erfassungsbereichs verglichen, in welchem
sich die zwei Sensoren 242, 244 überschneiden,
wie nachstehend genauer beschrieben ist.
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Obwohl 2 der
Einfachheit halber die Spannungserfassungsschaltung nicht zeigt,
kann auch eine Spannungserfassung bereitgestellt sein. Die Spannungserfassungsschaltung
kann mit anderen Anschlüssen
(z. B. den Anschlüssen 106, 108 in 1A)
auf beliebige Weise gekoppelt sein, um ein Erfassen von sowohl dem
Strom als auch der Spannung unter Verwendung eines gemeinsamen Satzes von
Referenzen 112, 113 zu ermöglichen.
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Im
Betrieb werden die Ströme 135 und
die Spannungen 134 an den Anschlüssen des Prozessors 102 unter
Verwendung herkömmlicher
Abtast- und A/D-Techniken
erfasst, die häufig
von vielen Prozessoren 102 bereitgestellt werden. Die resultierenden
Werte können
auf beliebige Weise verarbeitet werden. 3–5 zeigen
verschiedene Techniken, die eine sichere und zuverlässige Erfassung elektrischer
Eigenschaften sowie eine effektive Identifikation von Problemen
ermöglichen,
die im Betrieb in den Systemen 100/150/200 auftreten
können.
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Die
verschiedenen Schritte, die in 3–5 gezeigt
sind, stellen eine Logik dar, die durch Hardware, Software, Firmware
oder dergleichen ausgeführt
werden kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die in 3 gezeigten
verschiedenen Schritte und Merkmale in einer Software/Firmware implementiert,
die im Flash oder einem anderen Speicher, der dem Prozessor 102 zugeordnet
ist, gespeichert ist, und die von dem Prozessor 102 ausgeführt werden
kann. Andere Ausführungsformen
können
Softwareanweisungen in Quell- oder Objectcodeform auf einem beliebigen
digitalen Speichermedium, etwa irgendeiner Art von Speicher, tragbarem Medium
oder Massenspeicher zur Ausführung
durch irgendeinen Prozessor oder Controller speichern.
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Mit
Bezug nun auf 3 umfasst eine beispielhafte
Technik zur Messung der Spannung 134 auf geeignete Weise
die weit gefassten Schritte des Beschaffens von Referenz- und Spannungsdaten (Schritt 302),
des Berechnens erster und zweiter Werte (Schritt 304) und
des Vergleichens (Schritt 310) von Verhältnissen der ersten und zweiten
Werte (Schritt 308) und der Referenzspannungen (Schritt 306).
Wenn das Verhältnis
der erfassten Spannungen das Verhältnis der Referenzwerte überschreitet (Schritt 310),
wird ein Problem in dem System 100 identifiziert (Schritt 312).
Die Verarbeitung wird wiederholt oder fährt nach Wunsch auf andere
Weise fort (Schritt 314).
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Referenz-
und Spannungsmesswerte werden auf beliebige Weise beschafft (Schritt 302).
Bei verschiedenen Ausführungsformen
werden Referenzwerte unter Verwendung von A/D-Messungen an den Anschlüssen 104 und 110 (1A)
von Prozessor 102 beschafft, wie vorstehend beschrieben
ist. Spannungsmesswerte von dem System 100 werden auch
unter Verwendung separater A/D-Bänke
(z. B. der Anschlüsse 106, 108)
des Prozessors 102 beschafft.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
werden die gemessenen Spannungswerte ratiometrisch dargestellt.
Das heißt,
die gemessenen Spannungen werden als ein Verhältnis zu einer Referenz (z.
B. den Referenzen 112, 113) ausgedrückt. Dies
kann bei verschiedenen Ausführungsformen
erreicht werden, indem die gemessene Spannung einfach durch die Referenz
dividiert wird. Zum Beispiel kann eine an dem Anschluss 106 (1A)
gemessene Spannung durch den Wert der an dem Anschluss 104 gemessenen
Referenz dividiert werden, und die an dem Anschluss 108 gemessene
Spannung kann durch die an dem Anschluss 110 gemessene
Referenz dividiert werden. Durch Bereitstellen des konfigurierten
Spannungssignals (z. B. der Spannung an dem Knoten 146 in 1A)
an zwei Anschlüsse 106, 108 am
Prozessor 102 und dann durch Ausdrücken der gemessenen Spannungen
als Verhältnisse
zu Referenzen, die an den Anschlüssen 104, 110 gemessen
werden, kann in das System 100 zusätzliche Sicherheit und Zuverlässigkeit
eingebaut werden.
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Zusätzliche
Sicherheit kann erhalten werden, indem verschiedene Vergleiche der
gemessenen Signale ausgeführt
werden. Die gemessenen und/oder berechneten ratiometrischen Spannungswerte
können
beispielsweise miteinander verglichen werden und ein Problem kann
identifiziert werden, wenn sie sich wesentlich unterscheiden (z.
B. um mehr als einen Schwellenwertbetrag). Ein Problem kann auch
identifiziert werden, wenn sich die Referenzwerte, die an den Anschlüssen 104 und 110 gemessen
werden, wesentlich unterscheiden. Noch darüber hinaus kann ein Verhältnis der
gemessenen Spannungswerte (z. B. der an den Anschlüssen 106, 108 gemessenen
Werte) bestimmt werden (Schritt 306) und mit dem Verhältnis der
gemessenen Referenzwerte, die an den Anschlüssen 104, 110 gemessen
werden, verglichen werden (Schritt 308). Wenn das Verhältnis der
gemessenen Spannungseigenschaften das Verhältnis der gemessenen Referenzsignale überschreitet,
dann kann ein Problem identifiziert (Schritt 312) und angemessen
angesprochen werden.
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„Probleme” können eine
beliebige Art von Inkonsistenz, Fehler oder anderer Nichtkonformität von Interesse
bezeichnen. Bei verschiedenen Ausführungsformen sind Probleme
irgendwelche interessierenden Bedingungen, die aus den verschiedenen Vergleichen
redundanter Elemente in dem System 100 identifiziert werden.
Probleme können
aus mechanischen oder elektrischen Varianzen aufgrund von Defekten,
Ausfall, Umwelteinflüssen
und/oder anderen Faktoren resultieren.
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Probleme
können
auf beliebige Weise angesprochen werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann Schritt 312 umfassen, dass eine Gegenmaßnahme ergriffen
wird (z. B. ein Abschalten oder eine andere Modifikation des Betriebs
eingeleitet wird), eine Warnung oder ein anderes Anzeigesignal an
einen Bediener oder Steuerungsprozess bereitgestellt wird, eine
oder mehrere Komponenten zur weiteren Analyse markiert werden, ein
Eintrag in ein Datenlogbuch vorgenommen wird oder irgendwelche anderen
Maßnahmen
ergriffen werden, wie es für
die spezielle Ausführungsform
angemessen ist.
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4 zeigt
einen beispielhaften Prozess 400, der zum Messen von Strom,
wie etwa des Stroms 135, unter Verwendung eines der in 1B und 2 gezeigten
Systeme 150, 200 geeignet ist. Der Prozess 400 umfasst
auf geeignete Weise die weit gefassten Schritte des Beschaffens
von Referenz- und
Datenwerten (Schritt 402), des Bestimmens der Strommesswerte
an jedem Anschluss mit Bezug auf die beobachteten Referenzen (Schritte 404, 406),
des Bestimmens von Verhältnissen
der gemessenen Referenzen und der gemessenen Stromsignale (Schritte 408 bzw. 410)
und des Identifizierens eines Problems (Schritt 414), wenn
das erfasste Stromverhältnis
das Referenzverhältnis überschreitet
(Schritt 412). Der Prozess 400 kann auf einer
beliebigen Zeitbasis (Schritt 416) wiederholt oder fortgesetzt
werden.
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Der
Prozess 400 arbeitet sehr ähnlich wie der Prozess 300,
der vorstehend beschrieben ist, speziell bei Ausführungsformen,
die wie in 1B ausgestaltet sind, wobei
ein einziger Stromsensor letztendlich ein Shunt-Signal an beide Erfassungsanschlüsse 152 und 154 liefert.
Bei derartigen Ausführungsformen
werden die an jeden der Anschlüsse 104, 152, 154 und 110 angelegten
Spannungen digitalisiert, wobei die Anschlüsse 104 und 110 Referenzwerte
bereitstellen und die Anschlüsse 152, 154 Werte
für den
gemessenen Strom bereitstellen. Bei Ausführungsformen, die mit zwei
Stromsensoren 242, 244 wie in 2 ausgestaltet
sind, stellt jeder Sensor 242, 244 jeweils ein
Stromsignal an einen Anschluss 152, 154 bereit,
um zur Redundanz mehrere Strommessungen zu ermöglichen.
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Schritt 402 umfasst
dann, dass A/D-Eingaben von jedem der Anschlüsse 104, 152, 154, 110 beschafft
werden, um Werte für
zwei Referenzsignale und zwei Strommesswerte zu sammeln. Einer der Strommesswerte
kann mit einem ersten der Referenzwerte ratiometrisch ausgedrückt werden
(Schritt 404) und der andere Messwert kann mit dem anderen
Referenzwert ratiometrisch ausgedrückt werden (Schritt 406).
Auch ein Verhältnis
der zwei Referenzwerte kann berechnet werden (Schritt 408).
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Wie
der vorstehende Prozess 300 ermöglicht auch der Prozess 400,
dass Verhältnisse
gemessener Werte mit Verhältnissen
von Referenzsignalen verglichen werden, um Probleme zu identifizieren (Schritte 412, 414).
Bei Ausführungsformen,
die zwei verschiedene Stromsensoren 242, 244 bereitstellen, kann
es wünschenswert
sein, Werte oder Verhältnisse
nur zu vergleichen, wenn der Strom in einem gemeinsamen Empfindlichkeitsbereich
liegt. Das heißt, dass
es möglicherweise
nicht wünschenswert
ist, gemessene Stromwerte zu vergleichen, die außerhalb des Bereichs des Sensors 242 liegen,
wenn der Sensor 244 einen größeren Dynamikbereich als der
Sensor 242 aufweist. Bei Ausführungsformen, in denen ein
einziger Sensor 135 beide Stromwerte bereitstellt oder
bei denen ähnliche
Sensoren 242, 244 verwendet werden, können eine
Messung und ein Vergleich über
den gesamten Empfindlichkeitsbereich für den oder die Sensoren stattfinden.
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5 zeigt
einen beispielhaften Prozess 500 zur Diagnose und Identifikation
von Problemen, die in einem Strom- und Spannungsmesssystem auftreten
können.
Der Prozess 500 beginnt mit dem Sammeln von Daten an den
Anschlüssen 104, 106, 108, 152, 154 und/oder 110,
um Referenzwerte, Stromwerte und/oder Spannungswerte aufzunehmen,
die bei der nachfolgenden Verarbeitung verwendet werden können (Schritt 502).
Aus den gemessenen Werten und den Referenzwerten werden auf geeignete
Weise ratiometrische Werte für
die Spannungs- und Strommessungen bestimmt (Schritt 504).
Zum Beispiel können
zwei oder mehr ratiometrische Spannungswerte aus den an den Anschlüssen 106 und 108 empfangenen
Signalen mit Bezug auf die an den Anschlüssen 104 bzw. 110 gemessenen Referenzspannungen
berechnet werden. Auf ähnliche
Weise können
unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Techniken ratiometrische
Werte von einem oder mehreren Stromsensoren beschafft werden.
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Wenn
Daten aufgenommen und verarbeitet werden, kann eine Anzahl von Vergleichen
ausgeführt
werden, um irgendwelche Probleme zu identifizieren, die aufgetreten
sein können
(Schritt 522). Bei verschiedenen Ausführungsformen können die
zwei Referenzwerte (z. B. die an den Anschlüssen 104 und 110 gemessenen
Werte) miteinander verglichen werden (Schritt 506), wobei
irgendwelche Unterschiede (Schritt 508) ein Problem identifizieren.
Berechnete Spannungswerte (Schritt 510) können ebenfalls
miteinander verglichen werden, um irgendwelche Unterschiede (Schritt 512)
zu identifizieren, wie auch berechnete Stromwerte (Schritt 514),
vorausgesetzt, dass der erfasste Strom bei Ausführungsformen, die mehrere Sensoren 242, 244 mit verschiedenen
Empfindlichkeitsbereichen bereitstellen, im Bereich beider Stromsensoren 242, 244 liegt. Irgendwelche
Unterschiede bei der Strommessung (Schritt 516) können auf
geeignete Weise ein Problem identifizieren. Darüber hinaus können weiterhin Verhältnisse
von Spannungsmesswerten, Strommesswerten und/oder Referenzsignalmesswerten verglichen
werden (Schritt 518), wobei Unterschiede (Schritt 520)
auf geeignete Weise ein Problem anzeigen.
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Die
in den Schritten 508, 512, 516 und 520 erkannten
verschiedenen Unterschiede können
ein Toleranzniveau berücksichtigen;
das heißt,
dass allgemein kein Problem identifiziert wird, wenn die Differenz
zwischen den zwei Werten kleiner als ein Schwellenwertniveau ist.
Der spezielle verwendete Schwellenwert kann von Ausführungsform
zu Ausführungsform
wesentlich variieren und kann bei einigen Ausführungsformen effektiv null
sein (z. B. wird nur eine kleine oder keine Differenz toleriert).
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Wie
vorstehend angemerkt können
Probleme auf beliebige Weise identifiziert und angesprochen werden
(Schritt 522) etwa durch Bereitstellen eines Anzeigeausgangssignals,
Lenken eines Steuerungsprozesses zum Abschalten oder einer anderweitigen
Verstellung des Betriebs oder dergleichen. Der Prozess 500 kann
nach Wunsch auf einer beliebigen Zeitbasis wiederholt werden oder
fortfahren (Schritt 524).
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Obwohl
mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorstehenden
genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine
große
Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass
die beispielhafte Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die
Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung des erfinderischen Gegenstands
in irgendeiner Weise einzuschränken.
Stattdessen wird die vorstehende genaue Beschreibung Fachleuten
eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften
Ausführungsform
oder der beispielhaften Ausführungsformen
bereitstellen. Es versteht sich, dass in der Funktion und Anordnung
von Elementen verschiedene Änderungen
durchgeführt
werden können,
ohne den Umfang des erfinderischen Gegenstands zu verlassen, wie
er in den beigefügten
Ansprüchen
und deren juristischen Äquivalenten
offengelegt ist.