CN104704376A - 用于测量经过开关的电流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于测量经过具有未知的内电阻（R_s）的开关（2）的电流（I_x）的方法和装置（1），所述开关具有两个端子（3，4），其中测量开关上的电压差（u_s），其中借助于交流电流源（6）在运行时将由交流电流源提供的电流（i_p）与经过开关（2）的要测量的电流（I_x）叠加，所述交流电流源是与开关（2）并联的交流电流回路（5）的部分，其中由所述交流电流源（6）提供的电流（i_p）的幅度（I_p）和频率（f_p）是已知的；确定电压差（u_s）的交流电压分量（u_p）和其幅度（U_p）；并且确定和输出与交流电流源（6）的电流（i_p）的幅度（I_p）成比例的、端子（3，4）之间的电流（I_x）。

Description

用于测量经过开关的电流的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量经过具有未知的内电阻的开关的电流的方法以及装置，所述开关具有两个端子，其中借助于用于确定施加在开关上的电压的测量电路来测量开关上的电压差。

背景技术

已知的是，在这种测量中，测量结果自然具有与开关的在测量时间点的当前的内电阻的显著的相关性。因此，在电流相同的情况下，例如原理上结构相同的开关之间的测量电压（进而电流测量）由于样本分布并且附加地由于与环境相关的参数、例如温度而变化。因此通常尝试：通过利用具有补偿值的表格进行的校准和温度测量来考虑波动的或变化的参数。然而，在此在所测量的温度和实际的开关温度之间的差的关联起负面的作用。在具有多个并联的开关的情况下，所述关联还更差并且因此补偿还更难。

发明内容

因此，本发明的任务是，创造开始所提出类型的方法以及装置，其中至少降低测量结果与温度和样本分布的相关性。

开始所提出类型的根据本发明的方法通过如下方式解决所述任务，即借助于交流电流源在运行时将由交流电流源提供的电流与经过开关的要测量的电流叠加，所述交流电流源是与开关并联的交流电流回路的部分，其中由交流电流源提供的电流的幅度和频率是已知的；确定电压差的交流电压分量和将该交流电压分量的幅度确定为最大的电压值；并且确定和输出与交流电流源的最大电流成比例的、端子之间的电流。因此，在相应的根据本发明的装置中具有交流电流源的交流电路回路与开关并联，所述交流电流源提供具有已知的幅度和已知的频率的交流电流，其中在运行时将交流电流与经过开关的要测量的电流叠加，并且测量电路被设立用于确定施加在开关上的电压的交流电压分量。因为交流电流的幅度是已知的，所以——在假设线性的开关电阻的情况下——根据交流电压分量的幅度推断出开关的当前的内电阻，而不必中断或影响直流电流。

当除交流电压分量之外确定电压差的直流电压值时或者当测量电路被设立用于确定施加在开关上的电压的直流电压分量时，能够有利地根据交流电流源的交流电流的幅度和所确定的电压值的比确定端子之间的电流并且将其输出；而与当前的开关电阻无关。优选地，测量电路对此具有用于确定施加在开关上的电压的直流电压分量的至少一个低通滤波器。所述方法或所述装置利用如下事实：即在电阻相同的情况下，两个电流之比对应于这两个关联的电压的比。具体地，所述技术通过叠加已知的交流电流实现在测量时间点隐含地确定开关的内电阻的可能性。改变所述内电阻的可能的影响因素因此能够实际上被消除，使得其不再或至少明显更少地影响测量结果。为了正确地考虑可能时间上变化的参数，能够同时执行直流电压分量的确定和交流电压分量的确定。

尤其是在相较于交流电流的幅度小的直流电流的情况下有利的是：开关是半导体开关，所述半导体开关与用于控制开关电阻的栅极信号发生器连接，其中中断由交流电流源提供的电流，所述开关电阻由栅极信号发生器周期地、优选以交流电流源的频率来调制并且确定电压差的另一交流电压分量，其中确定和输出与另一交流电压分量和交流电流源的最大电流的乘积成比例的、端子之间的电流。在此，直流电流分量的测量不需要用于确定端子之间的电流，其中开关的绝对内电子能够是未知的，但是由栅极信号发生器产生的电阻变化必须是已知的。

在用于测量经过开关的电流的方法的一个有利的改进形式中，电阻变化也不必是已知的，而是在该方法的范围内被确定。该改进形式包括如下步骤：

a）选择开关电阻的第一设置；

b）确定电压差的第一交流电压分量；

c）选择开关电阻的第二设置；

d）确定电压差的第二交流电压分量；

e）将交流电流源去激活；

f）由栅极信号发生器周期地根据矩形信号在第一和第二设置之间切换开关电阻，优选地以与之前由交流电流源产生的交流电流相同的频率来切换；

g）确定电压差的第三交流电压分量；

h）根据第一和第二交流电压分量的差和第三交流电压分量的比和交流电流源的最大电流来确定端子之间的电流并且将其输出。

为了在上述方法之一的范围内快速确定电流方向，能够将电压差的或者通过叠加交流电流或者通过调制开关电阻引起的交流电压分量与参考信号相乘，并且根据乘积信号的符号来确定电流方向并且将其输出，其中优选地参考信号具有与交流电流或开关电阻相同的频率。在本发明的该变型形式中，充分利用交流电压分量的在电流方向变换（即直流电流分量的符号变换）的情况下有效地转动基本上180°的相位和乘积信号关于相移的灵敏度，以便识别大多在振荡的第一个半周期之内的电流方向的变换。在此，在同一测量中调制和解调的频率应当是相同的并且其相位是相关的，但是在不同的测量方法和测量中能够应用不同的频率。当例如多个滤波器（或能够协调的滤波器组，例如开关电容器滤波器）可供使用时，能够在一个频率下执行一个测量并且在第二频率下执行另一测量。

如果不可或几乎不可预测可能的要叠加给要测量的电流的频率，那么有利的是：一旦在端子之间的电流中识别出不适宜的频率组分、例如混合乘积、高次谐波、混叠伪影等，就改变交流电流的和必要时栅极信号发生器的频率。如果能够考虑到强烈变换的并且部分高至使得具有还更高的频率已经引起具有放射电磁波的问题的干扰频率，那么所述方法也是有用的。在该情况下更适宜的是：选择相对低的频率并且在需要时、即在叠加频率范围时相应地避开。

为了保护开关、但是也作为防故障电流的保护功能，适宜的是：当所确定的电流大于预先确定的极限值时，切断开关。在此，极限值显然与相应的应用相关。

确定交流电压分量的简单的可行性在于：在测量电路中设有用于确定施加在开关上的电压的交流电压分量的至少一个带通滤波器。尤其当滤波器或其传递函数不必是可配置的时，对此能够应用相对便宜的构件。

为了简化直流和交流电压分量的分析有利的是：测量电路具有用于放大施加在开关上的电压的差分放大器。特别是，差分放大器允许例如在分开的并且独立地供电的电流回路之内的与开关电势无关的电压测量。

为了能够实现简单地改变开关内电阻并且在测量时覆盖尤其宽的电流范围而适宜的是：开关是半导体开关，所述半导体开关与用于控制开关电阻的栅极信号发生器连接。在该情况下，能够借助于半导体开关的栅极电压的相应的设置以期望的程度改变或——以适当的栅极信号发生器为前提的方式——甚至调制内电阻。此外，在电流低于已知的交流电流值的情况下能够提高开关电阻并且在电流高于已知的交流电流值的情况下能够降低开关电阻，使得将特定的电流范围映射到与恒定电阻相比更小的电压范围上，因此这在电压测量的给定的动态的情况下能够实现覆盖更宽的电流范围。

栅极信号发生器在最简单的情况下能够具有带有至少两个和优选三个开关状态的栅极电压开关，其中将不同的开关电阻与每个开关状态相关联。在此，栅极信号发生器能够通过施加不同的栅极电压来适配开关电阻。在此有利的是，选择可行的栅极电压，使得开关因此基本上被切断。为了尽管如此开发更宽的电流范围，栅极电压开关对于两个不同的栅极电压需要至少两个附加的开关状态进而总共至少三个开关状态。然而也能够取消借助于栅极电压的切断，使得于是两个不同的栅极电压是足够的。

表明的是：尤其在测量与交流电流相比显著更低的电流时极其有利的是，栅极信号发生器具有用于以时间控制的方式周期地在至少两个不同的栅极电压之间进行切换的时钟发生器，因为因此能够根据由于变换的开关电阻在交流电流源切断的情况下产生的交流电压分量的频移（Hub）来确定要测量的电流。在适当地选择开关电阻的情况下，与否则要测量的直流电压分量相比能够更简单地测量所述频移。

在其中要测量的电流显著小于由交流电流源提供的电流的情况下——如所提出的那样——在交流电流源激活的情况下分析直流电压分量更难。然而当要测量的电流通过开关电阻的周期变化如上述那样转换成具有已知频率的交流电压时，能够相对更好地对要测量的信号滤波和放大，使得最后能够实现精确地测量电流。

与到目前为止描述的改进无关地，适宜的是，与开关平行地设有用于断开交流电流回路的断路器。特别地，借助于这种断路器能够避免经由否则由交流电流回路形成的分路连接而绕开断开的开关的电流。

为了可靠地避免由交流电流源提供的、能够使测量失真的可能的直流电流分量，有利的是，交流电流源经由电感耦合装置与其余的交流电流回路连接。由此消除交流电流源的直流电流分量。

根据本发明的装置尤其适合于测量例如机动车中的电池的充电和放电电流，其中将电池与开关的端子中的一个连接并且将电流发生器、尤其是发电机与另一端子连接。在这种、如其例如在机动车领域中常见的应用中，温度波动的上述问题是尤其显著的并且同时由于这种应用与电池充电状态的相关性而是重要的，尽可能准确地测量每个仍然如此小的放电电流。

在多种情况下还有利的是，开关具有带有绝缘栅极的至少一个场效应晶体管、尤其是至少一个MOSFET。所述开关类型允许即使在多个安培的情况下并且也在危险环境中也允许电流的安全开关。此外，该开关类型尤其适合于应用在根据本发明的装置中，因为其具有有限的并且可调节的、带有大的公差的内电阻。

能够通过如下方式实现相对简单且可便宜实现并且尽管如此还精确地测量交流电压分量，即测量电路与处理单元连接，其中处理单元具有用于以周期的参考信号调制交流电压分量的乘法器，其中参考信号的频率基本上等于由交流电流源产生的交流电流的频率，并且其中乘法器的输出端与一个低通滤波器或者多个串联的低通滤波器连接。在这种电路的情况下，在（最后的）低通滤波器的输出端处存在峰值电压或交流电压分量的幅度进而能够直接地用于确定要测量的电流。此外，所获得的幅度由于参考信号和交流电压分量之间的所考虑的相位而是带符号的，使得所存在的电压根据电流反向是负或正的。

当在同样描述的测量电路中参考信号是矩形信号时，实现尤其快速地确定电流方向（正或负的符号）。矩形信号在调制时产生更快且更强的偏转，这例如结合连接在低通滤波器下游的比较器能够实现电流方向变化的加速的记录。

为了由交流电流源提供的交流电压分量的测量不被外部的交流电流所影响，有利的是，交流电流源的频率与可能的、叠加在端子之间的电流上的一个或多个频率不同、尤其是更大地来选择。这尤其是涉及如下频率分量，所述频率分量例如由于由电网的频率来整流的交流电压或由于所连接的发电机的可预测的转速范围而能够被叠加在要测量的电流上。通常，对于这样的分量能够规定最大频率，使得交流电流源的频率有利地以一定间距在所述最大频率之上来选择。在理想的情况下，距可能的干扰频率的间距是足够大的，使得适当的带通滤波器能够完全地滤出所述干扰频率。

附图说明

下面，根据尤其优选的实施例并且参考附图还进一步阐述本发明，然而本发明不应当受限制于所述实施例。在此，在附图中详细地：

图1示出用于测量经过具有未知的内电阻的开关的电流的装置的简单的基本实施方案的示意方框电路图；

图2示出具有电池和发电机的根据本发明的装置的一个变型形式的示意方框电路图；

图3示出具有带有两个MOSFET的开关的根据本发明的装置的另一变型形式的示意方框电路图；

图4示出根据图1的示意方框电路图，然而其具有测量电路的信号处理元件的细节图；

图5示出一组用于示出根据本发明的方法的信号变化；和

图6示出另一组用于示出根据本发明的方法的另一变型形式的信号变化；和

图7示出另一组用于示出根据本发明的用于确定电流方向的方法的一种变型形式的信号变化。

在附图和下面的附图描述中总是用小写和大写字母表示交流电流和交流电压，其中小写字母i或u代表交流电流或交流电压，并且大写字母I和U代表利用所述小写字母来表示的电流或电压的幅度。电路元件或节点的分配根据字母的角标来进行。在直流电流和直流电压的情况下，不应用小写字母并且大写字母在该情况下代表算数平均值，这在完美的直流电流或完美的直流电压的情况下能够等同于幅度。

具体实施方式

在图1中绘制的示意方框电路图示出具有开关2和两个经由开关2连接的端子3、4的装置1。经由开关2连接的交流电流回路5与开关2并联。交流电流回路5中的交流电流i_p通过交流电流源6确定，其中由交流电流源6产生的交流电流i_p、即其幅度I_p和其频率f_p是已知的或预先确定的。此外，测量电路7在两侧与开关2连接，所述测量电路被设立用于确定施加在开关2上的电压u_s，其中所确定的总电压u_s或其时间变化被拆开成直流电压分量U_x和交流电压分量u_p。因此，开关2作为测量分路工作，然而具有未知的电阻R_s。为了确定在端子3、4之间流动的电流或其平均值I_x，测量电路7与处理单元8连接，所述处理单元从交流电流幅度I_p的已知的参数和从测量的电压分量U_x、u_p或交流电压分量u_p的幅度U_p推导出所研究的电流I_x，更确切地说根据如下公式：

             （1）。

在此，不需要了解开关2的内电阻R_s。代替于此，了解交流电压分量u_p的幅度U_p和交流电流幅度I_p是足够的，经由所述了解能够隐含地确定开关内电阻R_s。在此可自由地假设：开关2的内电阻R_s是纯欧姆性质的，即开关2具有可忽略小的无功电阻或不具有无功电阻。由于这两个电压值U_x、U_p的基本上同时的测量，结果与内电阻R_s的可能的变化或波动是无关的。

图2示出装置1的一个变型形式，其中将输出电压u_G的发电机9与端子3连接并且将可重复充电的电池10与另一端子4连接。分别将可变的本地负载11、12与发电机9和电池10连接，使得仅发电机或电池电流的一部分流经串联阻抗13、14和开关2。装置1被设置用于确定所述部分电流I_x。开关2与控制单元15、例如开关或栅极信号发生器15连接。控制单元15确定开关位置或通常控制开关2的内电阻R_s的变化。

交流电流回路5具有断路器17，所述断路器被设立用于独立于开关2中断或断开交流电流回路5。如在图2中还可见，在此，交流电流源6经由电感性耦合装置16与本来的交流电流回路5连接。在该情况下，断路器17是尤其有利的，因为其防止要测量的电流I_x的可能的直流电压分量经由交流电流回路5和电感16绕开开关2。

图2还示出测量电路7的简单的结构。在此，测量电路7包括差分放大器18、低通滤波器19和带通滤波器20。这两个滤波器19、20分别与差分放大器18的输出端连接。差分放大器18是用于消除电流I_x中的绝对电压波动的简单的机构，并且在需要的情况下将要测量的电压差置于这两个滤波器19、20的工作范围中。

在图3中示出的变型形式中，例如示出栅极信号发生器15和开关2的详细结构。在此，开关2具有两个串联的半导体开关21、22、优选MOSFET。为了改变这两个半导体开关21、22的内电阻R_s，将栅极电压源23连接在这两个开关21、22的源级（或Bulk）和栅极之间。由栅极电压源23施加的电压u_g因此确定开关2的内电阻R_s。在此，将栅极电压源23与栅极信号开关24连接，所述栅极信号开关将栅极电压源23或者与具有时钟发生器26的脉冲的栅极信号发生器25连接或者与静态的栅极信号发生器27连接。也能够优选地将至少两个静态的栅极信号发生器27与栅极信号开关24连接，使得选择开关2的两个不同的恒定的内电阻是可行的。当栅极电压源23与脉冲的栅极信号发生器25连接时，栅极电压进而对应于脉冲信号的开关2的内电阻R_s振荡。当脉冲的栅极电压源25的脉冲频率与交流电流的频率基本一致时，这应该通过连接线28来表明，则在测量电路7中，基本上恒定的电流I_x（即在交流电流回路5切断的情况下）也能够导致交流电压分量U_p，因为测量电路7的滤波器19、20在该情况下从其余的电压波动中滤出通过调制的栅极电压所产生的信号，使得所确定的交流电压分量U_p与开关2中的电阻变化成比例。

如通过图3中的联接29表明：有利的是，在应用脉冲的栅极信号发生器25的情况下切断交流电流回路5。为了该目的，为断路器17设有两个位置：在图3中示出的闭合的第一位置中，交流电流回路5经由开关2引导，使得交流电流i_p与要测量的电流I_x叠加；在断开的第二位置中，断路器17将开关2与交流电流回路5分离，使得仅要测量的电流I_x流经开关2。栅极信号开关24和断路器17为了简单的同步在所示出的实例中两者由共同的运行选择单元30来控制。实际上例如与测量装置的设置在上级的进程控制装置连接的运行选择单元30在具有恒定开关电阻的运行模式（例如参见图6，t₀和t₂之间的区间）和具有周期变换的开关电阻的运行模式（例如参见图6，t₂和t_x之间的区间）之间切换。为此，运行选择单元30经由控制线路30a、30b与断路器17的和栅极信号开关24的控制输入端连接，使得始于运行选择单元30的信号（参见图6g）同时地或者实现交流电流回路5的切断并且栅极电压源23与脉冲的栅极信号发生器25连接，或者实现交流电流回路5的接通并且栅极电压源23与静态的栅极信号发生器27的连接。

如在图1中已经通过处理单元8表明，根据本发明的装置能够具有一系列处理元件，其中除了测量电路7之外在图4中详细地示出处理单元8的一部分的一个优选的实施方式。装置1的上面已经详述的基本元件、即具有端子3、4和交流电流回路5连同交流电流源6的开关2在图4中为了更加简单的取向而简化地（参见图1）示出。类似于图2，差分放大器18被设置用于确定和放大在开关2上下降的电压；将低通滤波器19和——与其并联的——两个串联的相同的带通滤波器20'、20''与差分放大器18的输出端连接。因此，在第二带通滤波器20''的输出端处存在对应于在开关2上下降的电压u_s的交流电压分量的交流电压u_p。

为了确定直流电压分量和交流电压分量的电压商（见公式1）而需要尽可能精确地确定交流电压u_p的幅度U_p。这在图4中示出的布置中通过锁相放大器电路31实现，其中交流电压u_p在乘法器32中借助出自信号发生器33的参考信号来调制。参考信号是具有与栅极信号发生器25的时钟发生器26或交流电流源6的频率相同的频率的交流电压。如此调制的信号随后例如经过两个串联的低通滤波器34、34'。（必要时，也能够使用较高阶的低通滤波器）。在输出之前，施加在第二低通滤波器34'上的电压为了放大在另一乘法器35中与恒定的增益电压36相乘。因此，将交流电压分量u_p的幅度或峰值电压U_p施加在乘法器35的输出端处。

从刚刚描述的放大器电路31中获得的幅度U_p是有符号的进而允许推断出要测量的电流I_x的电流方向。

如果电流I_x变得极其小——并且尤其当必须极其快速地确定电流方向时——，然而基于交流电压u_p的幅度U_p进行识别是不充分的，因为信号噪声比变得过小或者低通的时间常数不利地起作用。因此，在图4中为了快速且单义地确定电流方向而平行于放大器电路31设有附加的、稍微变化的放大器电路37。又被构造为锁相放大器的该电路37在此应用矩形的参考信号，所述参考信号由矩形信号发生器38产生。又将两个串联的低通滤波器40、40'与乘法器39的输出端连接，将交流电压u_p以及参考信号输送给所述所述乘法器。施加在第二低通滤波器40'的输出端处的电压随后在另一乘法器41中以与之前描述相比更高的增益电压42放大。乘法器41最后与鉴别器43连接，所述鉴别器输出二阶的方向信号sign（U_p），所述方向信号能够被考虑用于快速的电流方向识别。

为了计算电流测量的结果I_res形成计算单元8'，所述计算单元同样是处理单元8的部分，所述计算单元获得电压幅度U_x和U_p的商并且将其与交流电流i_p的已知的幅度I_p相乘。

本发明的原理工作方式应当根据图5中示出的时间进程详细地阐述。图示包括装置的不同参数的时间曲线或信号变化的七个行或测算表a）-g），所述信号变化或时间曲线根据电路仿真来确定。图5a示出这两个端子3、4上的电压变化。例如与发电机连接的第一端子3处的电压u_G锯齿形地以特定的发电机频率f_G波动。所述电压波动通常——也在下面——被称作为纹波，所述纹波的特征在于纹波频率f_R和纹波幅度A_R。而例如与电池10连接的第二端子4处的电压u_B基本上是恒定的，这通过实线示出。在第一时间段44期间，第一端子3处的电压u_G高于第二端子4处的电压u_B，使得电流I_x从第一端子3流动至第二端子4。所述电流I_x在图5b中被绘制，其中电流I_x的变化通过电压差（u_G-u_B）来确定进而具有与第一端子3处的电压u_G相同的结构。在时间点t_x，电压关系倒转并且第二端子4处的电压u_B现在超过第一端子3处的电压u_G。因此，电流方向也变换，这通过第二时间段44'中的符号变换在图5b中示出。

图5c平行于图5a和5b示出直流电压分量U_x的、即在开关2上下降的电压u_s的平均值（U_x=avg（u_s））的时间变化。在此，在低通滤波器19中进行取平均值，由此平滑图5a中可见的电压波动。然而，低通滤波器19引起电压变化中的延迟45，例如在时间点t_x变换时，使得平均电压在过渡周期45之后才相对于当前的平均值或直流电压分量U_x收敛。

如上面已经多次阐述，将来自特地设置的交流电流源6的交流电流i_p与要测量的电流I_x叠加，所述电流的变化在图5b中示出。因此流经开关2的总电流（i_s=I_x+i_p）改变在开关2上下降的电压u_s。在图5d中，示出这种叠加的交流电压分量u_p。叠加的交流电流i_p的频率f_p在该实例中大致为纹波频率f_R的五倍。交流电压分量u_p与均匀振荡的可见的偏差基于电流I_x的纹波（参见图5a）。因为电压波动由于纹波大大致处于与由电流源6引起的交流电压相同的数量级中，所以能够清楚地识别偏差。

图5e示出栅极电压u_g的变化。实线对应于恒定的栅极电压U_g进而对应于开关2的基本上恒定的内电阻R_s，所述开关在可与图3中示出的装置比较的实例中具有MOSFET。这对应于由静态的栅极信号发生器27控制的栅极电压源23。

图5d中示出的交流电压分量u_p的幅度U_p的时间变化在图5f中示出。所述幅度U_p例如能够借助图4中示出的装置1来确定。尽管应用低通滤波器34、34'，在此电流纹波的“残余”还起作用，使得所示出的幅度U_p相对于由交流电流源6产生的交流电流i_p的实际上恒定的幅度稍微失真。可与用于电压平均的低通滤波器19相比，在此使用的低通滤波器34、34'也在切换电流I_x的电流方向时引起延迟46。在切换时间点t_x之后，幅度U_p立即显著地下降并且在过渡周期46之后才又收敛于与切换之前相同的或多或少稳定的变化。

从直流电压分量U_x和交流电压u_p或其幅度U_p的所示出的信号变化中——在考虑在信号处理期间使用的放大因数的情况下——能够根据上述公式（1）计算流经开关2的电流I_x。所述计算的结果I_res的时间变化在图5g中示出，其中需要强调的是，开关2的内电阻R_S的值不明确地用于所研究的电流I_x的计算I_res（即I_res = I_x）。对信号多次滤波尽管引起在切换电流方向时的延迟并且纹波的形状失真，但是在其他方面基本上正确地描述电流I_x的变化。

当电流I_x变小时，测量误差上升。为了改进精度和分辨率，因此能够在低于一定的测量电流的情况下转换到多阶段的方法。图6在该上下文中阐述在改进的三阶段方法的中的信号变化。在此基于：开关2的内电阻R_S尽管是未知的，但是能够有针对性地进行控制并且尤其是周期的电阻变化是可行的，参见图3。

在图6中，图6a详细地示出本发明的装置1的两个端子3、4上的电压u_G、u_B；图6b示意地示出在该实例中三阶段的方法的时间进程，其中第一阶段对应于t₀和t₁之间的区段A，第二阶段对应于t₁和t₂之间的区段B并且第三阶段对应于t₂和t_x之间的区段C。随后的、即始于时间点t_x的区段C'与区段C的区别在于测量变量的变化（参见图6a），然而并非测量过程的变化；图6c示出交流电流回路5中的交流电流i_p的变化；图6d不仅示出要测量的电流I_x而且示出总电流i_s，所述总电流流经开关2；图6e示出运行选择单元30的状态（参见图3）；图6f说明开关2上的栅极电压u_g的变化；图6g或图6h说明在开关上下降的电压的直流电压分量U_x或交流电压u_p并且图6i示出交流电压u_p的所确定的幅度U_p。

在此示出的方法的区段A、B、C或三个阶段依次经历，其中顺序不是标准的。在时间点t_x，电流I_x的方向翻转（参见图6a）。能够选择任意其他的顺序。比顺序更加重要的是，步骤的时间上的邻近，因为方法进程相对于环境参数的可能的变化是更加有利快速的。在图6中的测算表中，在时间点t₀和t₁之间绘制第一阶段A（在横坐标上绘制时间的情况下），在t₁和t₂之间绘制第二阶段B并且在t₂和t_x之间绘制第三阶段C。除了纹波之外，在端子3、4之间流动的电流I_x在整个过程期间——从t₀至t_x——基本上是相同的（参见图6a）。这两个第一阶段（t₀和t₂之间）与第三阶段（t₂和t_x之间）的区别尤其在于：交流电流源6在第三阶段期间是非激活的。因此，在时间点之t₂和t_x之间在交流电流回路5中没有电流流动（i_p=0）。

在这两个第一阶段期间，将两个不同的栅极电压U_g0、U_g1（参见图6f）施加在开关2上。这两个栅极电压引起开关2的两个不同的内电阻R_s0和R_s1，这引起交流电压u_p的相应的变化。该变化（参见图6h和6i）在于：交流电压u_p的幅度U_p在第二阶段B期间稍微小于在第一阶段A期间，因为第二开关内电阻R_s1小于第一开关内电阻R_s0。因为交流电流i_p或其幅度I_p在该实例中大于端子3、4之间的电流I_x，所以交流电压u_p在这两个第一方法阶段期间主要受交流电流源6的影响，即几乎不能够识别与均匀周期变化的偏差。矩形的交流电流i_p的作用也在流经开关的电流i_s中显示出（参见图6d），其中矩形分量与具有锯齿形纹波的电流I_x叠加。对于当前测量重要的是，在这两个阶段期间的、尤其是交流电压分量u_p的在第一阶段或第二阶段期间测量的幅度U_p0或U_p1或实际上是其差，即在开关2上的栅极电压u_g变化时交流电压分量u_p的幅度U_p的变化ΔU_p= U_p0- U_p1。

在第三阶段C期间，交流电流源6完全地被去激活并且必要时断开交流电流回路5，使得仅要测量的电流I_x流经开关2。此外，现在，将栅极电压源23与周期的栅极信号发生器25连接，使得栅极电压u_g进而开关2的内电阻R_s周期性地在在这两个之前的阶段期间认定的值R_s0和R_s1之间切换。然而，开关2的内电阻R_s还必须在任何时间点是已知的。开关2应当适合于跟随变换的栅极电压u_g的频率，使得在周期变换时达到的电阻基本上对应于在这两个第一方法阶段期间的恒定的电阻R_s0和R_s1。栅极电压u_g的变换频率有利地等于由交流电流源6在这两个第一阶段A、B期间产生的交流电流i_p的频率f_p，使得通过电阻变化产生的交流电压u_p（在电流I_x保持相同的情况下）能够与之前叠加的交流电流i_p一样由相同的滤波器来处理。由于变换的开关内电阻R_s，由测量电路7确定的交流电压U_p分量不为零，如切断的交流电流源6所让设想的那样，而是对应于在预先给定的电流I_x和变换的电阻R_s的情况下在开关2上下降的交流电压u_p（参见图6h的t₂和t_x之间）。交流电压分量U_p2的有效的估算然而出于已经多次提出的原因在时间点t₂切断交流电流源6之后的短的过渡状态持续时间48之后才达到平均值。交流电压分量u_p的之后确定的幅度U_p2对应于在恒定电流（ΔU_x= U_p2）和变换的电阻情况下的电压变化ΔU_x。从现在开始，根据在激活的交流电流源6和不同的恒定的栅极电压U_g0、U_g1进而不同的开关电阻的情况下的交流电压分量的幅度的变化ΔU_p和所述电压变化ΔU_x能够根据下述公式计算所研究的电流I_x：

 ，  （2）

其中

和  （3）。

如在图6a中可见，电流I_x在第三阶段C期间不受交流电流源6影响地保持。但是，尽管间接地由变换的内电阻R_s产生短暂的电流尖峰47：在从较大的电阻R_s0切换到较小的电阻R_s1时，能够识别向上指向更大电流值的电流尖峰并且在从较小的电阻R_s1切换到较大的电阻R_s0时能够识别向下指向更小电流值的电流尖峰。

在时间点t_x，即在该实例中在第三和最后的方法阶段C之后并且在区段C'开始时，也在图6中示出的变化中变换电流I_x的方向。然而，借助这两个恒定的栅极电压u_g0、u_g1进行直接的再次测量不是强制必需的。也在切换电流方向时，根据本发明的装置需要短的过渡状态持续周期49，尤其是这涉及交流电压分量u_p的幅度U_p（图6i）和直流电压分量U_x（图6g）。在此，能够引起短暂的过冲，所述过冲归因于通常在低通滤波器中存储的能量。如果过渡状态持续周期49的持续时间对于相应的应用是可接受的，那么确定直流电压分量U_x对于识别电流方向是足够的。

在图7中示出的信号变化说明根据本发明的方法的一个变型形式，所述变型形式允许相对快速地识别电流方向或电流方向的变换。所示出的情况大致对应于图6中的区段C和C'（参见图6b）之间的具有在时间点t_x的电流方向的变换的过渡。在此详细地，图7a示出当前装置1的两个端子3、4上的电压u_G、u_B；图7b示出电流I_x，其方向能够确定；图7c示出交流电压u_p；图7d说明参考电压u_r的变化，所述参考电压的形状、频率f_p和相位与开关2处的栅极电压u_g（参见图6f）一致；并且图7e不仅说明在开关上下降的电压的直流电压分量U_x而且说明方向信号sign（U_p）（参见图4）。

如结合放大器电路37（参见图4）已经阐述，交流电压u_p为了确定方向与优选矩形的参考信号u_r相乘。由于在时间点t_x交流电压u_p的突然改变的相位（参见图7c），交流电压u_p和（未改变的）参考信号u_r的乘积已经在这两个信号（即参考信号u_r和交流电压u_p）的第一个半周期之内、但是无论如何比同样在图7e中示出的直流电压分量U_x显著更快速地改变符号。直流电压分量U_x的变化速度由低通滤波器的时间常数预先给定。

在图7中的虚线的辅助线上能够读取在时间点t_x的电流方向变换之前和之后的交流电压u_p和参考信号u_r之间的相对相位。方向信号sign（U_p）相对于直流电压分量U_x的颠倒的符号从栅极电压u_g和参考信号u_r的同相位中得出。为了更加简单地使用，方向信号实际上能够以倒转的方式被输出或者替代地能够在栅极电压和参考信号之间设有180°的相移。

Claims (22)

1.用于测量经过具有未知的内电阻（R_s）的开关（2）的电流（I_x）的方法，所述开关具有两个端子（3，4），其中测量所述开关上的电压差（u_s），其特征在于，借助于交流电流源（6）在运行时将由所述交流电流源（6）提供的电流（i_p）与经过所述开关（2）的要测量的电流（I_x）叠加，所述交流电流源是与所述开关（2）并联的交流电流回路（5）的部分，其中由所述交流电流源（6）提供的电流（i_p）的幅度（I_p）和频率（f_p）是已知的；确定所述电压差（u_s）的交流电压分量（u_p）和将所述交流电压分量的幅度（U_p）确定为最大的电压值；并且确定和输出与所述交流电流源（6）的电流（i_p）的幅度（I_p）成比例的、端子（3，4）之间的电流（I_x）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中除所述交流电压分量（u_p）之外确定所述电压差（u_s）的直流电压值（U_x）并且根据所述交流电流源（6）的电流（i_p）的幅度（I_p）和所确定的电压值（U_x ，U_p）的比来确定和输出所述端子（3，4）之间的电流（I_x）。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关（2）是半导体开关，所述半导体开关与用于控制开关电阻（R_s）的栅极信号发生器（15）连接，其中中断由所述交流电流源提供的电流（i_p），所述开关电阻（R_s）由所述栅极信号发生器（15）周期地、优选以所述交流电流源（6）的频率（f_p）来调制并且确定所述电压差（u_s）的另一交流电压分量（u_p2），其中确定和输出与所述另一交流电压分量（u_p2）和所述交流电流源（6）的电流（i_p）的幅度（I_p）的乘积成比例的、所述端子（3，4）之间的电流（I_x）。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

a）选择所述开关电阻（R_s）的第一设置；

b）确定所述电压差（u_s）的第一交流电压分量（u_p0）；

c）选择所述开关电阻（R_s）的第二设置；

d）确定所述电压差（u_s）的第二交流电压分量（u_p1）；

e）将所述交流电流源（6）去激活；

f）由所述栅极信号发生器（15）周期地根据矩形信号在所述第一和第二设置之间切换所述开关电阻（R_s），优选地以所述交流电流源（6）的频率（f_p）来切换；

g）确定所述电压差（u_s）的第三交流电压分量（u_p2）；

h）根据所述第一和第二交流电压分量（u_p0，u_p1）的差（ΔU_p）和所述第三交流电压分量（u_p2）的比和交流电流源（6）的最大电流来确定和输出所述端子（3，4）之间的电流（I_x）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述电压差（u_s）的或者通过叠加交流电流（i_p）或者通过调制所述开关电阻（R_s）引起的交流电压分量（u_p）与参考信号（u_r）相乘，并且根据乘积信号的符号（sign（U_p））来确定电流方向并且将其输出，其中优选地所述参考信号（u_r）具有与所述交流电流（i_p）或所述开关电阻（R_s）相同的频率（f_p）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，一旦在所述端子（3，4）之间的电流（I_x）中识别出不适宜的频率组分，就改变所述交流电流源（6）的和必要时所述栅极信号发生器（15）的频率（f_p）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，当所确定的电流（I_x）大于预先确定的极限值时，切断所述开关（2）。

8.用于测量经过具有未知的内电阻（R_s）的开关（2）的电流（I_x）的装置（1），所述开关具有两个端子（3，4），所述装置尤其是用于根据权利要求1至7中任一项所述的方法来进行测量，所述装置具有用于确定施加在所述开关（2）上的电压（u_s）的测量电路（7），其特征在于，将具有交流电流源（6）的交流电流回路（5）与所述开关（2）并联，所述交流电流源提供具有已知的幅度（I_p）和已知的频率（f_p）的交流电流（i_p），其中在运行时将所述交流电流（i_p）与经过所述开关（2）的要测量的电流（I_x）叠加，并且所述测量电路（7）被设立用于确定施加在所述开关上的电压（u_s）的交流电压分量（u_p）。

9.根据权利要求8所述的装置（1），其特征在于，所述测量电路（7）具有用于确定施加在所述开关（2）上的电压（u_s）的交流电压分量（u_p）的至少一个带通滤波器（20）。

10.根据权利要求8或9所述的装置（1），其特征在于，所述测量电路（7）被设立用于确定施加在所述开关上的电压（u_s）的直流电压分量（U_x）。

11.根据权利要求10所述的装置（1），其特征在于，所述测量电路（7）具有用于确定施加在所述开关（2）上的电压（u_s）的直流电压分量（U_x）的至少一个低通滤波器（19）。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述测量电路（7）具有用于放大施加在所述开关（2）上的电压（u_s）的差分放大器（18）。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述开关（2）是半导体开关，所述半导体开关与用于控制开关电阻（R_s）的栅极信号发生器（15）连接。

14.根据权利要求13所述的装置（1），其特征在于，所述栅极信号发生器（15）具有带有至少两个和优选三个开关状态的栅极电压开关（24），其中将不同的开关电阻（R_s）与每个开关状态相关联。

15.根据权利要求13或14所述的装置（1），其特征在于，所述栅极信号发生器（15）具有用于以时间控制的方式周期地在至少两个不同的栅极电压（U_g1，U_g2）之间进行切换的时钟发生器（26）。

16.根据权利要求8至15中任一项所述的装置（1），其特征在于，设有用于断开所述交流电流回路（5）的断路器（17）。

17.根据权利要求8至16中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述交流电流源（6）经由电感耦合装置（16）与其余的交流电流回路（5）连接。

18.根据权利要求8至17中任一项所述的装置（1），其特征在于，将电池（10）与所述开关（2）的端子中的一个（4）连接并且将电流发生器（9）、尤其是发电机与另一端子（3）连接。

19.根据权利要求8至18中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述开关（2）具有带有绝缘栅极的至少一个场效应晶体管、尤其是至少一个MOSFET。

20.根据权利要求8至19中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述测量电路（7）与处理单元（8）连接，其中所述处理单元（8）具有用于以周期的参考信号调制所述交流电压分量（u_p）的乘法器（32，39），其中所述参考信号的频率基本上等于由所述交流电流源（6）产生的交流电流（i_p）的频率（f_p），并且其中所述乘法器（32，39）的输出端与一个低通滤波器（34，40）或者多个串联的低通滤波器（34，34'，40，40'）连接。

21.根据权利要求20所述的装置（1），其特征在于，所述参考信号是矩形信号。

22.根据权利要求8至21中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述交流电流源（6）的频率（f_p）与叠加在所述端子（3，4）之间的电流（I_x）上的可能的一个或多个频率不同、尤其是更大地选择。