CN110603450A - 具有优化的电流密度分布的电流传感器、确定负载电流的方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测流出或流入车辆电池的电流的电流传感器，包括：*测量电路；和*电导体，其具有：‑至少一个由第一电势拾取接触部(1)和第二电势拾取接触部(2)限定的第一测量路径，在其上能够检测第一测量路径的第一电压(U1)；‑用于与连接元件电接触的第一连接触点(21)；‑用于电接触电池极端子的第二连接触点(22)；和‑用于电接触用于提供校准电流的设备的电流馈入接触部(5)；第一测量路径在第一连接触点(21)和第二连接触点(22)之间串联实现，根据电导体的几何参数(11、12、13、14、15)和接触部(1、2、3、4、5、6、21、22)，电导体设计成在电流馈入接触部(5)处馈入的校准电流(Iref)产生第一测量路径中的电流密度分布，该分布与第一测量路径中由能在第一连接触点(21)处馈入的电流强度相等的负载电流(Iload)产生的电流密度分布接近。

Description

具有优化的电流密度分布的电流传感器、确定负载电流的 方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测流出或流入车辆电池的电流的电流传感器，以及一种用于确定流过电流传感器的电导体的负载电流的方法。
背景技术
这种电流传感器特别地可以用于确定电池(例如汽车电池)的蓄电状态。为了确定蓄电状态，通常需要测量电池电流。电池电流也可以称为负载电流。为此，在根据现有技术的实施例中，通常使用高精度电阻器或传感器来测量磁场强度。上述实施例的缺点特别地是成本高，特别是制造电阻器材料的成本高，该电阻器材料在例如-40℃至105℃的常规温度范围内具有或大或小的恒定电阻值。这种材料的一个示例是铜/镍/锰合金，例如锰铜。
例如可以向电池传感器提供电流测量，以在下游计算电池的物理变量。
一段时间以来，已经有一些方法可以用更有成本效益的部件来代替高精度电阻器作为测量电阻器，也称为分流电阻器或测量路径。一种可能性是在电池传感器的使用寿命内一次又一次地校准分流电阻器。
然而，已经发现，在普遍的边界条件下，特别是在传感器的期望的低功耗的情况下，即使同时测量在机动车中产生的较高且可随时间显著变化的电流，连续的重新校准也很困难，因为将用于校准的校准电流旨在被选择得较小，并且旨在仅被暂时应用。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电流传感器，与已知的设计相比，该电流传感器特别便宜，并且能够更好和/或更准确地确定负载电流。本发明的目的还在于提供一种相关的方法。
根据本发明，通过根据权利要求1所述的电流传感器和根据权利要求15所述的方法解决该问题。例如可以从相应的从属权利要求中得到有利的实施例。权利要求的内容通过明确的引用结合在说明书的内容中。
可选择地，本发明优选地涉及一种用于检测流出或流入车辆电池的电流的电流传感器，其包括测量电路、特别地用于提供输出信号的设备，以及电导体。就此而言，电导体至少包括第一测量路径，其由第一电势拾取接触部和第二电势拾取接触部限定。因此，可以借助于第一电势拾取接触部和第二电势拾取接触部检测第一测量路径上的第一电压。就此而言，电导体具有用于电接触连接元件的第一连接触点。此外，电导体具有用于电接触电池极端子的第二连接触点。电导体还具有与用于提供校准电流的设备电接触的电流馈入接触部。在这种情况下，第一测量路径串联形成在第一连接触点和第二连接触点之间。特别优选地，根据电导体的几何参数和接触部，特别是关于其成分和/或接触部在电导体上的位置，该电导体被设计成使得可在电流馈入接触部处馈入的校准电流将产生第一测量路径中的电流密度分布和/或沿着第一测量路径的电流密度轮廓和/或第一测量路径中的电势分布，其将与由可在第一连接触点处馈入的相等电流强度的负载电流产生的第一测量路径中的电流密度分布和/或沿着第一测量路径的电流密度轮廓和/或第一测量路径中的电势分布接近。
接触部优选地被理解为是指电流馈入接触部和/或第一电势拾取接触部和/或第二电势拾取接触部和/或第一连接触点和/或第二连接触点。
优选地，在电流馈入接触部处馈入的校准电流在第一测量路径上产生与具有相同电流强度的负载电流相同的电压，该负载电流在第一连接触点处馈送，并且特别地流向第二连接触点。
优选地，本发明还基于这样的思想：校准电流的点状注入在电流馈入接触部周围的区域中产生大体上圆形的等电势表面。特别地，这导致电流密度沿着电导体的横截面在电流馈入接触部周围的区域中不均匀地分布。
优选地，第一测量路径是具有限定的长度、宽度和高度的导体区段，第一电势拾取接触部和第二电势拾取接触部布置在第一测量路径的一个边缘处，因此，第一测量路径的长度由从第一电势拾取接触部到第二电势拾取接触部的距离限定，其中，特别地，第一测量路径的宽度大于第一测量路径的高度。
优选地，第一电势拾取接触部和第二电势拾取接触部布置在第一测量路径的相对侧或侧边缘或外边缘上。
优选地，电流馈入接触部与第一测量路径间隔第一距离，第一测量路径是具有限定的长度、宽度和高度的导体区段，第一电势拾取接触部和第二电势拾取接触部布置在第一测量路径的一个边缘处，因此，第一测量路径的长度由第一电势拾取接触部与第二电势拾取接触部之间的距离限定，其中，特别地，第一测量路径的宽度大于第一测量路径的高度，第一距离大于第一测量路径宽度的1/8或2/8或3/8或4/8或5/8或6/8或7/8或8/8。
优选地，电导体具有第二测量路径，该第二测量路径由第三电势拾取接触部与第四电势拾取接触部限定，在该第三电势拾取接触部与第四电势拾取接触部处可以检测第二测量路径上的第二电压。
特别优选地，第二测量路径是具有限定的长度、宽度和高度的导体区段，第三电势拾取接触部和第四电势拾取接触部布置在第一测量路径的一个边缘处，因此，第一测量路径的长度由从第三电势拾取接触部到第四电势拾取接触部的距离限定，其中，第二测量路径的宽度特别地大于第二测量路径的高度。
优选地，第三电势拾取接触部和第四电势拾取接触部布置在第二测量路径的相对侧或侧边缘或外边缘上。
特别优选地，第二测量路径和第一测量路径实现成在第一连接触点和第二连接触点之间彼此串联，其中，特别地，电流馈入接触部串联地定位在第二测量路径和第一测量路径之间。
本发明优选地基于这样的思想：在电流馈入接触部处馈入校准电流基本上不会沿着第一测量路径和/或第二测量路径的横截面区域引起不均匀的电流密度分布。
优选地，横截面区域由第一测量路径和/或第二测量路径的宽度和高度给出。
优选地，基于电导体的几何参数和接触部，该电导体实现成使得由可在电流馈入接触部处馈入的校准电流产生的电流密度在第二测量路径中向零收敛。
优选地，电流馈入接触部与第二测量路径间隔第二距离，该第二距离大于第二测量路径宽度的1/8或2/8或3/8或4/8或5/8或6/8或7/8或8/8。
优选地，电导体具有第一子区域，在该第一子区域中布置有电流馈入接触部，其中，第一子区域的长度由第一测量路径和第二测量路径界定，第一子区域具有比第一测量路径和/或第二测量路径更大的宽度和/或高度和/或更厚的材料厚度。
特别优选地，该宽度和/或高度和/或材料厚度比第一测量路径和/或第二测量路径大和/或厚至少1/10。
优选地，电导体的布置有电流馈入接触部的第一子区域的相对电阻值比第一测量路径和/或第二测量路径低，该第一子区域的长度由第一测量路径和第二测量路径界定。
第一子区域特别优选地具有比第一测量路径和/或第二测量路径更大的横截面积。特别地，第一子区域更宽。
第一子区域特别优选地具有比第一测量路径和/或第二测量路径更低的比电阻/电阻率。
优选地，从第二测量路径到第一测量路径的距离由从第四电势拾取接触部到第一电势拾取接触部的距离限定，该距离小于第四电势拾取接触部与电流馈入接触部之间的距离和电流馈入接触部与第一电势拾取接触部之间的距离之和。
从第二测量路径到第一测量路径的距离优选地等于第一子区域的长度。特别地，从第二测量路径到第一测量路径的距离由布置在第一子区域的相对边缘或相对侧或侧边缘或外边缘上的电势拾取接触部限定。从第二测量路径到第一测量路径的距离特别优选地由内部电势拾取接触部限定。
第四电势拾取接触部、电流馈入接触部和第一电势拾取接触部之间的连接线优选地形成三角形。
优选地，第二测量路径和第一测量路径布置成彼此成角度，特别是成直角。因此，第一测量路径和第二测量路径特别地不在一条直线上。
优选地，电导体具有电流输出接触部，以构成校准电流的闭合电路。
特别优选地，电流输出接触部与第一测量路径间隔第三距离，第一测量路径是具有限定的长度、宽度和高度的导体区段，第一电势拾取接触部和第二电势拾取接触部布置在第一测量路径的一个边缘处，因此，第一测量路径的长度由第一电势拾取接触部和第二电势拾取接触部之间的距离限定，其中，特别地，第一测量路径的宽度大于第一测量路径的高度，该第一距离大于第一测量路径宽度的1/8或2/8或3/8或4/8或5/8或6/8或7/8或8/8。
优选地，电导体具有第一子区域，在该第一子区域中布置有电流馈入接触部，其中，第一子区域具有一宽度，该宽度在电流馈入接触部周围的区域中减小和/或逐渐变窄，其中，特别地，电流馈入接触部周围的区域具有窄缩部。
优选地，电导体具有第一锥形区段，该第一锥形区段与电流馈入接触部间隔不超过第四距离，该第四距离小于第一测量路径宽度的1/8或2/8或3/8或4/8或5/8或6/8或7/8或8/8。
优选地，电导体具有第二子区域，在该第二子区域中布置有电流输出接触部，第二子区域的长度由第一测量路径和第二连接触点界定，第二子区域具有一宽度，其中，该宽度在电流输出接触部周围的区域中(特别是在电流输出接触部周围具有窄缩部的区域中)减小和/或逐渐变窄。
优选地，电导体具有第二锥形区段，该第二锥形区段与电流输出接触部的间隔不超过第五距离，该第五距离小于第一测量路径宽度的1/8或2/8或3/8或4/8或5/8或6/8或7/8或8/8。
优选地，电导体具有第一子区域，在该第一子区域中布置有电流馈入接触部，第一子区域的长度由第一测量路径和第二测量路径界定，其中，第一子区域的至少一个表面(特别是两个表面)是椭圆形或圆形或漏斗形的。
优选地，在所提供或可以提供的负载电流和校准电流下，第一测量路径和/或第二测量路径具有均匀的电流密度分布或均匀的电流密度。
优选地，电导体由均质材料制成。
电流馈入接触部优选地与第一测量路径间隔开。
电流馈入接触部优选地与第二测量路径间隔开。
电流馈入接触部优选地是点状的。
优选地，电流馈入接触部形成在电导体的大部分圆周上。
电流馈入接触部优选地形成在第一测量路径之外和第二测量路径之外。
电流传感器优选地包括壳体，其中嵌入有测量电路，并且特别地部分嵌入有电导体。
电流输出接触部优选地形成在第一测量路径之外和第二测量路径之外。
本发明还涉及一种确定流过电流传感器的电导体的负载电流的方法，
-该方法包括以下步骤：
-测量在第一测量路径上下降的第一测量电压，
-基于至少第一测量电压和工作参数来计算负载电流，
-其中，该方法在相应的校准周期期间仅具有以下步骤：
-使校准电流流入电流馈入接触部中，和
-至少在校准电流流过时，测量在第一测量路径上下降的第一校准电压，
-其中，基于至少第一校准电压和校准电流的电流强度来计算工作参数。
优选地，电流传感器具有：
-至少一个第一电压表和特别地一个第二电压表，其中，第一电压表构造成测量在第一测量路径上下降的电压，第二电压表构造成测量在第二测量路径上下降的电压，
-至少一个用于提供校准电流的设备，该设备构造成使校准电流通过第一测量路径，和
-电子控制设备，其构造成执行一种方法。
用于确定流过电流传感器的电导体的负载电流的方法优选地涉及用于确定流过测量电阻器组的负载电流的方法。测量电阻器组具有多个支路，每个支路都具有根据本发明的电导体。
该方法优选地对于每个支路具有以下步骤：
-测量在第一测量路径上下降的第一测量电压和在第二测量路径上下降的第二测量电压，
-基于第一测量电压和第二测量电压计算第一工作参数，
-基于至少第二测量电压和第二工作参数计算负载电流，
-其中，该方法在相应的校准期间仅具有以下步骤：
-使校准电流流入电流馈入接触部中，其中，将校准电流分为流过第一测量路径的第一校准分电流和流过第二测量路径的第二校准分电流，和
-在校准电流和负载电流流过的情况下，测量在第一测量路径上下降的第一校准电压，以及在校准电流和负载电流流过的情况下，测量在第二测量路径上下降的第二校准电压，
-其中，基于至少第一校准电压、第二校准电压、第一工作参数和校准电流的电流强度计算第二工作参数。
根据本发明的方法有利地使得可以确定负载电流。
为此，可以将最初仅包括单个电阻器的测量电阻器一般化为具有至少一个支路的测量电阻器组，该支路具有至少两个测量路径。应当理解，可以使用任何期望数量的支路，即例如一个支路、两个支路、三个支路或更多支路。
负载电流特别地可以分别是总负载电流的流过相应支路的那些部分。
优选地应当理解，在各测量路径上下降的电压(即测量电压或校准电压)可以基本上直接在各测量路径上测量，或者可以以如下方式测量：即，在多个电阻器(例如两个电阻器)上测量总电压，并从中减去在另一电阻器上下降的电压。这些实施例在本申请的意义上是等同的，并且都应相应地包括在本文所使用的公式中。
优选地应当理解，在基于至少第二测量电压和第二工作参数计算负载电流的步骤中，第一测量电压或者第一测量电压和第二测量电压之和也可以用作第二测量电压的替代。这种变型应被认为是等同的。
在多个支路的情况下，优选将各支路的分别计算出的负载电流相加，以形成总负载电流。
关于该过程的细节，请参考以下实施例。
基于负载电流的电流方向，第一校准电流优选地与第二校准电流不同，特别是相反。这导致下面将进一步详细描述的方程组的有利的可解性。
根据一个实施例，第二校准分电流是零。这使得可以省去电流源，并且能够进行特别简单的评估。
应当理解，在上文的公开中包括了其中校准分电流例如由此为零的那些实施例。
第二工作参数优选地对应于第二测量路径的电阻值与测量第二测量电压的电压表的增益因子的乘积。
第二工作参数特别地可以被计算成第一分数和第二分数之差，其中，第一分数的分子包含第二参考电压，其中，第一分数的分母包含校准电流的当前强度，其中，第二分数的分子包含第一参考电压，并且其中，第二分数的分母包含第一工作参数和校准电流的电流强度的乘积。这允许有利地计算第二工作参数，特别是对于上述含义。关于数学背景，请参考以下实施例。
应当理解，在本申请中陈述的方程或公式的情况下，无论以文本的形式还是作为公式陈述，某些变换(特别是琐碎的变换)从根本上也被认为是等同的，并且不背离保护范围。例如，方程可以乘以一个常数。
第一工作参数优选地对应于下列项目之比：
-第二测量路径的电阻值与测量第二测量电压的电压表的增益因子的乘积，和
-第一测量路径的电阻值与测量第一测量电压的电压表的增益因子的乘积。
在这种情况下，优选地通过用第一测量电压除以第二测量电压或借助于基于第一测量电压和第二测量电压的回归分析来计算第一工作参数。对于上述含义，这特别地允许有利地计算第一工作参数。
优选地在校准周期之外计算第一工作参数，特别是如果测量电压也被测量。
根据一个实施例，通过从校准周期之外的时间推算负载电流，在相应的校准周期期间计算负载电流。这考虑到以下事实，即根据实施例，可能难以甚至无法在校准周期期间(也就是说在叠加有校准电流的情况下)精确地计算负载电流。
根据一个实施例，第二校准分电流为零，并且在相应的校准周期期间基于第二校准电压、第二工作参数和校准电流的电流强度来计算负载电流。这特别地考虑到以下事实，即，即使在校准周期期间，特别是在第二校准分电流为零的情况下，也可以精确地计算负载电流。
在这种情况下，特别地可以通过两种不同的示例性方式确定负载电流。一方面，它可以由第一校准电压除以第二工作参数、减去已知的校准电流得到，另一方面，它可以由第二校准电压除以第一和第二工作参数的乘积得到。
最终结果有利地被输出或计算为上述两种方法的平均值。
根据一个实施例，在校准周期之外通过用第二测量电压除以第二工作参数来计算负载电流。
根据一个实施例，在校准周期期间通过用第一校准电压除以第二工作参数减去校正值来计算负载电流，其中，该校正值优选地是校准电流的电流强度，特别是在第二校准分电流为零的情况下。
也可以使用估计值来除以校准电流。由于通常已知第一测量路径和第二测量路径的标称电阻值，通常可以估计电流将如何分配。只要校准电流与负载电流相比较小，这通常只产生很小的误差。
特别地可以基于在参考电阻器上测得的电压降来确定校准电流的电流强度，其中，该参考电阻器特别地是温度稳定和/或长期稳定参考电阻器。长期稳定参考电阻器具有已知的电阻。
应当提及，在第一种示例中，由此通常仅测量总的校准电流，也就是说不知道两个校准分电流。可以考虑多种可能性来测量校准电流。刚刚提到的参考电阻上的电压测量就是一个示例。另一种可能性是从精确的电流源获得校准电流。
根据一种发展，基于参考电阻器的电流强度来计算负载电流的误差值。这使得可以估计所确定的负载电流的可靠性。
电子控制设备优选地控制校准电流的馈入。
电子控制设备特别地可以具有处理器装置和存储装置，其中，该存储装置存储程序代码，在该程序代码的执行期间，处理器装置执行根据本发明的方法或相应地动作。
根据一个实施例，测量电阻器组具有单个支路。这对应于简单的实施例。
根据一个实施例，测量电阻器组具有多个支路。这例如使得可以考虑不同的电流强度。
还可以提供多个多路复用器，以将电压测量和/或校准电流的传导分配到特定的支路。这使得可以针对不同的支路使用测量仪器或电流源，从而节省开支。
测量电阻器组可以具有多个支路。在这种情况下，优选地以对所有支路求和的方式来计算负载电流。在这种情况下，可以参考总负载电流，该总负载电流由将支路中的各负载电流相加得到。
本发明还涉及一种包含程序代码的非易失性计算机可读存储介质，在该程序代码的执行期间，处理器执行根据本发明的方法。关于该方法，可以参考描述的全部实施例和变型。
附图说明
本领域技术人员将从下面参考附图描述的示例性实施方式中获得其他特征和优点。在附图中：
图1：示出了根据第一示例性实施例连接的测量电阻器组，
图2：示出了根据第二示例性实施例连接的测量电阻器组，
图3：示出了根据第三示例性实施例连接的测量电阻器组，
图4：示出了根据第四示例性实施例连接的测量电阻器组，
图5：示出了根据第五示例性实施例连接的测量电阻器组，
图6：根据第一示例性实施例的电导体，
图7：根据第一示例性实施例的电流传感器，
图8：根据第三示例性实施例的电导体，
图9：根据第三示例性实施例的电导体的电势轮廓的仿真，
图10：根据第三示例性实施例的电导体的电势轮廓的仿真，以及
图11：根据第三示例性实施例的电导体的电势轮廓的仿真。
具体实施方式
图1示出了根据第一示例性实施例连接的测量电阻器组，其也可以有利地用于执行根据本发明的方法。
该测量电阻器组具有第一测量电阻器R1和第二测量电阻器R2，经由第一和第二测量电阻器R1、R2传导可随时间变化的负载电流Iload。该负载电流Iload最初来自电池，该电池在图1中按照电压用Vbat表示。负载电流Iload也流经负载，该负载大体上称为Load，并且在本文中仅作示意性说明，其可以包括机动车辆的典型电气部件，例如起动马达、车辆照明或电子部件以及发电机。
第一电压表U1布置成跨接第一测量电阻器R1。第二电压表U2布置成跨接第二测量电阻器R2。它们设计成在相应的电流I1、I2流过时测量两个测量电阻器R1、R2上各自的电压。
第一电容器C1和第二电容器C2用作校准电流Iref的电流源，并且从车辆电池经由串联电阻器Rlim直接充电。负载电流Iload由电池Vbat经由负载Load产生，并且经由测量电阻器R1、R2的电阻网络流入大地GND。
两个电容器C1、C2经由开关S1和参考电阻器Rref连接到第一测量电阻器和第二测量电阻器之间的点。在该点与测量电阻器R1或测量电阻器R2之间构成了导体电阻。电压表U1或电压表U2布置成跨接测量电阻器R1或测量电阻器R2。另一电压表Uref布置成跨接参考电阻器Rref，并且在校准电流Iref流过时测量参考电阻器Rref上的电压降。
由于开关S1闭合，除了负载电流Iload之外，由此将校准电流Iref馈送到包括测量电阻器R1、R2的电阻网络中，其中，第一电容器C1基本上经由第一测量电阻器R1放电，第二电容器C2基本上经由第二测量电阻器R2放电。因此，这产生两个校准分电流，即第一校准分电流Iref,1和第二校准分电流Iref,2，其中，第一校准分电流Iref,1流过第一测量电阻器R1，第二校准分电流Iref,2流过第二测量电阻器R2。两个校准分电流Iref,1和Iref,2在两个测量电阻器R1、R2上具有相反的数学符号，而它们的总和Iref流经参考电阻器Rref，并且如上所述可以使用电压测量来进行测量。
在当前的情况下不再详细说明用于测量两个测量电阻器R1、R2上的电压降的电压表U1、U2。电压表U1、U2通常各自具有至少一个通常具有可变增益因子的放大器，并且各自具有模数转换器或可以经由多路复用器连接到各放大器的公共模数转换器。
图1未示出算法单元，例如电子控制设备，其可以是例如微控制器的形式。这种电子控制设备可以具有例如处理器装置和存储装置，其中，存储装置存储程序代码，在该程序代码的执行期间，处理器装置执行根据本发明的方法。特别地，处理器装置可以根据上文描述的公式计算负载电流Iload。算法单元或电子控制设备优选地还可以具有用于读取电压U1、U2、Uref的接口和用于控制开关S1的接口。
应当指出，可以使用任何期望的其他类型的电流源来代替电容器C1、C2。例如，可以使用DC/DC转换器、与电池正极的直接连接(有或没有串联电阻器Rlim)、同相调节器、经调节的精密电流源(特别地省略了经由Rref的Iref测量)或其他合适的实施例。
还应当指出，也可以在测量值数字化之前以模拟量的形式进行部分计算，特别是计算在测量电阻器上测量的电压(Un、Um)之和和/或这些电压之差(Un-Um)。
图2示出了根据第二示例性实施例连接的测量电阻器组。应当指出，在图2和其他附图中大体上讨论相对于先前附图的改变，在这种情况下，对于未明确提及的元件，参考先前的描述。
在根据图2的实施例中，电阻网络或测量电阻器组包括并联和串联连接的多个测量电阻器R1、R2、R3、R4、……、Rz-1、Rz。该实施例的一个优点特别地在于，由于多个电阻器支路并联连接，因此在Iload路径中实现了整体较低的测量电阻，而测量电阻器R1、R2、……、Rz-1、Rz可能相对较大。因此，即使施加的校准电流与负载电流相比较低，在相应的测量电阻上也会产生较高(即容易测量)的电压降。
优选地，使用两个(特别是三个)或更多不同的多路复用器，其中一个用于切换参考电流，第二个(特别是第三个)用于将电压表切换到电阻网络的相应支路。
特别地，用于参考电流的馈送点和用于分电流的测量路径的边缘在空间上彼此分开。
例如也可以对于每个测量电阻器R1、R2、……、Rz-1、Rz使用一个电流源和/或一个电压测量装置来代替用于参考电流的多路复用器。
图3示出了根据本发明的第三示例性实施例连接的测量电阻器组。在这种情况下，使用单独的多路复用器Mux1将校准电流Iref切换到电阻网络的任何所需支路(R1,R2)、(R3,R4)、……、(Rz-1,Rz)，第二多路复用器Mux2用于将电压表Um连接到电阻网络的任何所需支路(R1,R2)、(R3,R4)、……、(Rz-1,Rz)，第三多路复用器Mux3用于将电压表Un切换到电阻网络的任何所需支路(R1,R2)、(R3,R4)、……、(Rz-1,Rz)。微控制器μC控制多路复用器Mux1、Mux2和Mux3以及开关S1，并且接收测量值Un、Um、Uref。
微控制器μC是电子控制设备，并且构造成执行根据本发明的方法。在这种情况下，原则上可以参考所描述的所有实施例和变型。
图4示出了根据本发明的第四示例性实施例连接的测量电阻器组，其中，校准电流ISumme可以借助控制器分别经由电阻支路的不同的测量电阻器(顶部电阻器、底部电阻器)有意地切换。电压测量详细地分成放大(放大器1、放大器2)和模数转换(A/D转换器1、A/D转换器2)的步骤。
图5示出了根据第五示例性实施例连接的测量电阻器组，其中，电阻网络对于每个支路包括串联连接的三个电阻器(顶部电阻器、中间电阻器、底部电阻器)，校准电流可以单独地施加到每个支路。
图6示出了根据第一示例性实施例的电导体。电导体具有第一测量路径和第二测量路径。第一测量路径由第一电势拾取接触部1和第二电势拾取接触部2限定，在该第一电势拾取接触部1和第二电势拾取接触部2处可以检测第一测量路径上的第一电压U1。第二测量路径由第三电势拾取接触部3和第四电势拾取接触部4限定，在该第三电势拾取接触部3和第四电势拾取接触部4处可以检测第二测量路径上的第二电压U2。
电导体还具有用于电接触电缆的第一连接触点21和用于电接触端子柱的第二连接触点22。电导体还具有用于电接触用于提供校准电流的设备的电流馈入接触部5。第二测量路径和第一测量路径定位成在第一连接触点21和第二连接触点22之间彼此串联。
电流馈入接触部5与第一测量路径相距第一距离12。第一测量路径是具有限定的长度、宽度11和高度的导体区段。第一电势拾取接触部1和第二电势拾取接触部2形成在第一测量路径的一个边缘处。因此，第一测量路径的长度由第一电势拾取接触部1和第二电势拾取接触部2之间的距离限定。第一测量路径的宽度11特别地大于第一测量路径的高度。在该示例性实施例中，第一距离12基本上与第一测量路径的宽度11相等。
第二测量路径是具有限定的长度、宽度13和高度的导体区段。第三电势拾取接触部3和第四电势拾取接触部4形成在第二测量路径的一个边缘处。因此，第二测量路径的长度由第三电势拾取接触部3和第四电势拾取接触部4之间的距离限定。第二测量路径的宽度13特别地大于第二测量路径的高度。电流馈入接触部5与第二测量路径相距第二距离14。在该示例性实施例中，第二距离14基本上与第二测量路径的宽度13相等。
电导体具有第一子区域，电流馈入接触部5布置或形成在该第一子区域中。第一子区域的长度由第一测量路径和第二测量路径界定，或由第四电势拾取接触部4和第一电势拾取接触部1界定。第一子区域具有比第一测量路径的宽度11或第二测量路径的宽度13更大的宽度。
电导体被构造成材料一致。
如图7所示的电流传感器包括根据第二示例性实施例的电导体。
电导体具有电流输出接触部6，以构成用于校准电流Iref的闭合电路。电流输出接触部6与第一测量路径相距第三距离15。在该示例性实施例中，第三距离15基本上与第一测量路径的宽度11相等。
电导体具有第二子区域，电流输出接触部6布置或形成在该第二子区域中。第二子区域的长度由第一测量路径和第二连接触点22界定。第二子区域具有比第一测量路径的宽度11或第二测量路径的宽度13更大的宽度。
电流传感器具有第一电压表，该第一电压表构造成测量第一测量路径上下降的电压U1和/或经由印刷电路板7电接触第一电势拾取接触部1和第二电势拾取接触部2。
电流传感器具有第二电压表，该第二电压表构造成测量第二测量路径上下降的电压U2和/或经由印刷电路板7电接触第三电势拾取接触部3和第四电势拾取接触部4。
此外，电流传感器具有用于提供校准电流的设备，该设备优选地可以实现成电容器和/或高精度电流源，和/或从车辆电池中分接出限定的电流。用于提供校准电流的设备构造成经由第一测量路径传导或传递或馈送校准电流Iref。为此，用于提供校准电流的设备特别地经由印刷电路板7电接触电流馈入接触部5和特别优选地电接触电流输出接触部6。
电流传感器还包括构造成执行方法的控制装置。
图8示出了根据第三示例性实施例的电导体。从第二测量路径到第一测量路径的距离(该距离特别地由从第四电势拾取接触部4到第一电势拾取接触部1的距离限定)小于第四电势拾取接触部4与电流馈入接触部5之间的距离和电流馈入接触部5与第一电势拾取接触部1之间的距离之和。
第四电势拾取接触部4、电流馈入接触部5和第一电势拾取接触部1之间的连接线路形成三角形。
第二测量路径和第一测量路径布置成彼此成角度，特别是成直角。因此，第一测量路径和第二测量路径不在一条直线上。
电导体具有第一子区域，电流馈入接触部5布置或形成在该第一子区域中。第一子区域的长度由第二测量路径和第一测量路径界定。第一子区域的两个表面设计成椭圆形或圆形。
此外，电导体具有穿孔，该穿孔特别地用于特别是在电流传感器中悬挂或安装电导体。
图9、10和11示出了在不同的情况下，电导体的各表面上的电势轮廓或等电势区域的有限元模拟结果。
在图9中，将校准电流Iref注入电流馈入接触部5中。图9示出了电流馈入接触部5处的局部高电势，该局部高电势由注入校准电流Iref导致。局部高电势在电流馈入接触部5周围产生环形或椭圆形或圆形的等电势表面或等电势线。这特别地产生垂直于等电势区域或等电势线取向的电流或电流方向100，从而在电流馈入接触部周围产生不均匀的电流密度分布。在距电流馈入接触部5一定距离处获得均匀的电流密度分布，其特征特别地在于与测量路径范围平行地或垂直地延伸的等电势面或等电势线。
此外，流过第一子区域的椭圆形结构的电流特别地以漏斗形馈入到测量路径。
图10示出了当注入校准电流Iref时，第一测量路径的等电势表面或等电势线。等电势表面或等电势线彼此平行，导致在第一测量路径中或沿着第一测量路径产生均匀的电流密度轮廓。
在图11中，在第一连接触点21处只馈送负载电流Iload。这也在第一测量路径中产生平行的等电势表面或等电势线，或者均匀的电流密度轮廓。在所提供的负载电流和注入的校准电流的电流强度大小相等的情况下，结果是在第一测量路径中收敛/汇聚等电势表面或收敛电流密度分布或收敛电流密度轮廓或收敛等电势线。
下面给出本发明的扩展的进一步解释，在这种情况下，该解释一方面用于解释功能，另一方面，本文所述的特征也可以与其他地方描述的特征以任何期望的方式组合。它们同样可以彼此组合，并且可以单独地或组合地构成本发明必不可少的方面。
使用一组其中流经负载电流的电阻器来确定待测量的负载电流Iload。该组电阻器具有至少一个具有第一测量电阻器R1的第一测量路径和一个具有第二测量电阻器R2的第二测量路径，它们彼此串联连接。串联连接的其他测量电阻器R3、R4、……、Rn-1、Rn可以与这些串联连接的部分电阻器并联连接。
除了负载电流之外，一路或多路校准电流偶尔馈送到该电阻网络或测量电阻器组中，因此，校准电流或一部分校准电流或某些校准电流与负载电流或部分负载电流一起流经这些测量电阻器中的一个或多个。可以将测量电阻器视为测量电阻器组中的部分电阻器。
在这种情况下，测量电阻网络中的一个或多个部分电阻器上的电压降，该电压降由流经测量电阻器的电流之和所引起。
将校准电流馈送到测量电阻器组中的点以及在电流流过的测量电阻器处进行电压测量的点现在可以这样选择：即，使得得到可解方程组：
Um＝(Iload,i+Iref,m)*Rm*gm
Un＝(Iload,i+Iref,n)*Rn*gn
在这种情况下
-Um、Un是数量为m、n的一个或多个测量电阻器上的测量校准电压，
-Rm、Rn是(未知的)测量电阻器，在该测量电阻器上测量校准电压Um、Un。该测量电阻器可以包括串联或并联连接的其他测量电阻器，
-gm、gn是电压Um、Un的测量设备的增益因子，
-Iload,i是待测量的负载电流或该负载电流中的流经用于测量校准电压Um、Un的测量电阻器组中的测量电阻的部分，
-Iref,m和Iref,n是施加的校准分电流，其流经用于测量校准电压Um、Un的测量电阻器组中的测量电阻器Rm、Rn，其中，Iref,m和Iref,n基于Iload,i沿着不同的方向流动。
特别地，周期性地施加校准分电流或校准电流，对于介于10μs和100μs之间的周期的持续时间，例如以介于10ms和100ms之间的周期持续时间。因此，结果是校准电流或一部分校准电流流过测量电阻器组中的测量电阻器的时间，即校准周期，以及没有校准电流流过测量电阻器组的时间。在这些时间内，也就是说在校准周期之外，方程组中的至少一些方程简化为
Um＝Iload,i*Rm*gm
Un＝Iload,i*Rn*gn
在这种情况下，Um、Un表示测量电压，也就是说在校准周期之外测量的电压。
可选择地，在校准电流流过的时间内，即在校准周期内，可以施加可随时间变化的校准电流。
在没有校准电流流经网络期间(例如，在微控制器中，该微控制器可以是电流测量设备的一部分或可以连接到该电流测量设备)，在方程组中的各个方程之间(或在测量电压Ui之间)有利地形成关系αmn：
Um＝αmn*Un
或者
Um＝αmn*Iload,i*Rn*gn
例如，在各种情况下，可以存储在同一时间t测量的电压值对Un(t)，Um(t)。可以通过线性回归方式在微控制器中评估这些存储的值对，以确定关系αmn。这对应于对上述第一工作参数的计算规则。
在接通校准电流的情况下，现在有利地可以通过测量电压Um、Un来确定待测量的一部分负载电流
Um＝αmn*(Iload,i+Iref,m)*Rn*gn
Un＝(Iload,i+Iref,n)*Rn*gn
如下：
倒数第二个公式表示第二工作参数的计算规则。
在没有施加校准电流期间，Iref,m＝0且Iref,n＝0，最后一个方程可以用于确定待测量的负载电流Iload。
根据已知的Rn、gn、αnm，可以有利地使用以下公式确定Iload：
在接通校准电流期间，也可以从两个方程之和近似地计算出Iload：
在这种情况下会产生误差，特别是当电流Iref,m和Iref,n相差很大时。
在这种情况下，值Iref,m-Iref,n是已知的，并且对应于校准电流，也就是说，对应于校准分电流之和。在这种情况下考虑了不同的数学符号。
在下面进一步详细描述的图1的情况下，在校准过程的瞬间可以中断Iload的测量。例如，可以由校准时间之前的测量值和校准时间之后的测量值的平均值来形成校准时间的Iload的测量值。可选择地，可以确定是否使用了错误的测量值或者是否形成了替代值。例如，可以基于“对称因子”αmn的瞬时值与αmn的先前值的比较来进行确定。然而，也可以根据误差与所施加的负载电流之比的大小来进行确定。
在这种情况下，下面进一步描述的图2中的构型的优点显而易见。由于在每种情况下，在校准时间仅向电阻网络的一个支路施加校准电流，因此与流经所有支路的电流之和相比，由±||Iref,m|-|Iref,n||导致的相对误差变小。由于无论一个支路当前是否被校准，对于所有支路，Un和Um之和在任何时候都相等，因此对于当前没有被校准的支路，可以精确地计算相应施加的负载电流。
测量电阻器R1、R2、……、Rz-1、Rz和用于测量电压Un、Um的设备与几乎任何所需尺寸的所需值可能具有公差或偏差。校准电流的值也不起决定性作用。
有利地，仅满足下列先决条件：
首先：测量电阻器Rn和Rm与增益因子gn、gm的两个乘积Rn*gn、Rm*gm彼此之比αmn在一定的时间段内基本稳定。该一定的时间段应比周期性施加的校准电流连接和断开或周期性变化的时间段长得多。
其次：至少在使用施加的校准电流测量Un和Um的至少一个时刻，应当准确地知道校准电流Iref＝Iref,n-Iref,m＝|Iref,n|-|Iref,m|的值。
现在应当指出
1)一个测量电阻器上的电压降增加，而另一个减小，并且
2)从两个测量电压之差计算出电阻。
这使得能够进行最新的电阻测量。因此，电阻不必永远恒定。可以使用更有成本效益的材料。
所描述的布置和所描述的方法使得实际上可以在没有电阻网络或测量电阻器组以及用于测量电压的测量装置的相对精度的的先验知识的情况下确定负载电流。因此，尽管采用更有成本效益的材料，但是与根据现有技术的实施例相比，甚至可以实现更高的电流测量精度。这是因为测量电阻器的电阻值的公差和电压降的电压测量设备的公差基本上都预先包括在所测量的电流值的公差中。
典型地，使用所描述的设备或布置，仅需要准确地了解一次Iref。另外，实际上对Iref的电流源的质量没有要求。通常只需要精确地测量Iref。例如，这可以通过相应地准确的参考电阻器Rref和对Rref上的电压降的准确测量来轻松地实现。这是因为，与用于负载电流的测量电阻不同，Rref可以具有例如1欧姆的大电阻，其需要被设计成仅用于小的参考电流而不用于大的负载电流。因为相应地选择的Rref的值被选择成很大，由于不需要例如复杂的放大器，因此也可以方便地测量电压降Iref*Rref。
应当理解，第一工作参数特别地是αnm，第二工作参数特别地是电阻与增益因子的乘积。
所示电路的任何所需子集都可以适配有例如印刷电路板上的分立部件，或者集成在半导体设备中。此外，分立电路或半导体设备可以具有其它设备，例如特别地用于测量温度的温度传感器、至少一个电阻器Rref、R1、R2、……、Rn、特别地用于测量电池电压的电压传感器、通讯接口、用于控制电流源C1、C2的设备、其他电流源、时钟发生器、特别地用于存储与电流测量设备有关的校准数据(例如在制造最终测试中确定的Rref的值或Rref的温度系数)的易失性和/或非易失性数据存储器、微处理器，该微处理器特别是用于计算电池的物理变量或用于计算温度模型，特别是用于计算电池温度、设备的环境温度或用于计算所使用的一个或多个电阻器Rref、R1、……、Rz的温度。
设备的整个布置或任何期望的子集可以例如安装在具有或不具有集成式连接器的塑料或金属外壳中，或者可以用塑料注射成型。
所述设备的整个布置或任何期望的子集，特别是测量电阻器或分流电阻器R1、……、Rz可以集成到电池极端子、电缆套管、电池电缆或电池中。
该电路还可以包括一个或多个用于在电阻器Rref、R1、……、Rz处分接电压的斩波器。
该电路还可以包括一个或多个用于电阻器Rref、R1、……、Rz处的分接电压或用于在此处分接或放大的电压的采样保持元件。
最后，也可以使用除了使用Iref进行电压测量之外的电流测量方法来测量校准电流Iref，例如使用霍尔传感器或其他基于磁体的测量方法。
下面还给出了上述公式的推导。关于各个变量的含义参考上文的描述。
|Iref,1|+|Iref,2|＝Iref
I1＝Iload+|Iref,1|
I2＝Iload-|Iref,2|
U1＝R1*g1*(Iload+|Iref,1|)
U2＝R2*g2*(Iload-|Iref,2|)
a*R1*g1＝R2*g2
U2＝a*R1*g1*(Iload-|Iref,2|)
R2*g2＝a*R1*g1
可以按照指示的顺序执行根据本发明的方法的所述步骤。然而，它们也可以按照不同的顺序执行。在其一个例如具有特定的步骤组合的实施例中，可以执行根据本发明的方法，使得不执行其他步骤。然而，原则上，也可以执行其他步骤，甚至没有提到的类型的步骤。
作为本申请的一部分的权利要求不表示对获得其他保护的任何放弃。
如果在该方法的过程中发现一个或一组特征不是绝对必要的，则申请人现在希望提出至少一个不再具有该一个或一组特征的独立权利要求。举例来说，该独立权利要求可以是在申请日可用的权利要求的子组合，或者可以是由其他特征限制的在申请日可用的权利要求的子组合。要求重新措词的这类权利要求或特征的组合也应理解为也被本申请的公开内容覆盖。
还应当指出，在各种实施例或示例性实施例中描述的和/或在附图中示出的本发明的构型、特征和变型可以通过任何方式彼此组合。单个或多个特征可以通过任何方式互换。由此产生的特征的组合也应理解为也被本申请的公开内容覆盖。
从属权利要求中的反向引用不应理解为放弃对反向引用的从属权利要求的特征的独立实质保护。这些特征也可以通过任何方式与其他特征组合。
仅在说明书中公开的特征或者在说明书或权利要求中仅与其他特征结合地公开的特征可以从根本上具有对于本发明必不可少的独立意义。因此，为了区别于现有技术，它们也可以单独地包括在权利要求中。
为了更好的可读性，一些附图标记在权利要求中以缩写形式表示。因此，第一工作参数表示为a，第二工作参数表示为R*g，增益因子表示为g。在这种情况下，省去了上面描述中所使用的索引。

Claims (16)

1.一种用于检测流出或流入车辆电池的电流的电流传感器，包括：
*测量电路；和
*电导体，所述电导体具有：
-至少一个由第一电势拾取接触部(1)和第二电势拾取接触部(2)限定的第一测量路径，在所述第一电势拾取接触部和第二电势拾取接触部处能够检测所述第一测量路径上的第一电压(U1)；
-用于与连接元件电接触的第一连接触点(21)；
-用于与电池极端子电接触的第二连接触点(22)；以及
-用于与用于提供校准电流的设备电接触的电流馈入接触部(5)；
其中，第一测量路径在所述第一连接触点(21)和所述第二连接触点(22)之间串联实现，其中，基于所述电导体的几何参数(11、12、13、14、15)和接触部(1、2、3、4、5、6、21、22)，所述电导体设计成使得能够在所述电流馈入接触部(5)处馈入的校准电流(Iref)产生所述第一测量路径中的电流密度分布，该电流密度分布与所述第一测量路径中由能够在所述第一连接触点(21)处馈入的、电流强度相等的负载电流(Iload)所产生的电流密度分布接近。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述电流馈入接触部(5)与所述第一测量路径间隔第一距离(12)，所述第一测量路径是具有限定的长度、宽度(11)和高度的导体区段，所述第一电势拾取接触部(1)和所述第二电势拾取接触部(2)布置在所述第一测量路径的边缘处，因此，所述第一测量路径的长度由所述第一电势拾取接触部(1)和所述第二电势拾取接触部(2)之间的距离限定，其中，特别地，所述第一测量路径的宽度(11)大于所述第一测量路径的高度，所述第一距离(12)大于所述第一测量路径的宽度(11)的1/8或2/8或3/8或4/8或5/8或6/8或7/8或8/8。
3.根据上述权利要求中的至少一项所述的电流传感器，其中，所述电导体具有第二测量路径，所述第二测量路径由第三电势拾取接触部(3)和第四电势拾取接触部(4)限定，在所述第三电势拾取接触部(3)和第四电势拾取接触部(4)处能够检测所述第二测量路径上的第二电压(U2)，所述第二测量路径是具有限定的长度、宽度(13)和高度的导体区段，所述第三电势拾取接触部(3)和所述第四电势拾取接触部(4)布置在所述第二测量路径的一个边缘处，因此，所述第二测量路径的长度由所述第三电势拾取接触部(3)和所述第四电势拾取接触部(4)之间的距离限定，其中，特别地，所述第二测量路径的宽度(13)大于所述第二测量路径的高度，所述第二测量路径和所述第一测量路径在所述第一连接触点(21)和所述第二连接触点(22)之间彼此串联地实现，其中，所述电流馈入接触部(5)串联地定位在所述第二测量路径和所述第一测量路径之间。
4.根据权利要求3所述的电流传感器，其中，基于电导体的几何参数(11、12、13、14、15)和接触部(1、2、3、4、5、6、21，22)，所述电导体实现成使得由能够在所述电流馈入接触部(5)处馈入的校准电流(Iref)产生的电流密度在所述第二测量路径中向零收敛。
5.根据权利要求3和/或4所述的电流传感器，其中，所述电流馈入接触部(5)与所述第二测量路径间隔第二距离(14)，所述第二距离(14)大于所述第二测量路径的宽度(13)的1/8或2/8或3/8或4/8或5/8或6/8或7/8或8/8。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电流传感器，其中，所述电导体具有第一子区域，在所述第一子区域中布置有所述电流馈入接触部(5)，其中，所述第一子区域的长度由所述第一测量路径和第二测量路径界定，所述第一子区域具有比所述第一测量路径和/或所述第二测量路径更大的宽度和/或高度和/或更厚的材料厚度。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的电流传感器，其中，从所述第二测量路径到所述第一测量路径的距离由从所述第四电势拾取接触部(4)到所述第一电势拾取接触部(1)的距离限定，所述从所述第二测量路径到所述第一测量路径的距离小于所述第四电势拾取接触部(4)与所述电流馈入接触部(5)之间的距离和所述电流馈入接触部(5)与所述第一电势拾取接触部(1)之间的距离之和。
8.根据上述权利要求中至少一项所述的电流传感器，其中，所述电导体具有电流输出接触部(6)以形成所述校准电流(Iref)的闭合电路。
9.根据权利要求8所述的电流传感器，其中，所述电流输出接触部(6)与所述第一测量路径间隔第三距离(15)，所述第一测量路径是具有限定的长度、宽度(11)和高度的导体区段，所述第一电势拾取接触部(1)和所述第二电势拾取接触部(2)布置在所述第一测量路径的一个边缘处，因此，所述第一测量路径的长度由所述第一电势拾取接触部(1)和所述第二电势拾取接触部(2)之间的距离限定，其中，特别地，所述第一测量路径的宽度(11)大于所述第一测量路径的高度，所述第三距离(15)大于所述第一测量路径的宽度(11)的1/8或2/8或3/8或4/8或5/8或6/8或7/8或8/8。
10.根据上述权利要求中至少一项所述的电流传感器，其中，所述电导体具有第一子区域，在所述第一子区域中布置有所述电流馈入接触部(5)，其中，所述第一子区域具有一在所述电流馈入接触部(5)周围的区域中减小和/或逐渐变窄的宽度，其中，特别地，所述电流馈入接触部(5)周围的区域具有窄缩部。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的电流传感器，其中，所述电导体具有第二子区域，在所述第二子区域中布置有所述电流输出接触部(6)，所述第二子区域的长度由所述第一测量路径和所述连接触点(22)界定，所述第二子区域具有一在所述电流输出接触部(6)周围的区域中——特别是在所述电流输出接触部(6)周围的具有窄缩部的区域中——减小和/或逐渐变窄的宽度。
12.根据上述权利要求中的至少一项所述的电流传感器，其中，所述电导体具有第一子区域，在所述第一子区域中布置有所述电流馈入接触部(5)，所述第一子区域的长度由所述第一测量路径和第二测量路径界定，其中，所述第一子区域的至少一个表面、特别地是两个表面为椭圆形。
13.根据上述权利要求中至少一项所述的电流传感器，其中，在负载电流(Iload)和校准电流(Iref)能馈入的情况下，所述第一测量路径和/或所述第二测量路径具有均匀的电流密度分布。
14.根据上述权利要求中至少一项所述的电流传感器，其中，所述电导体被构造成材料一致。
15.一种用于确定流过根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器的电导体的负载电流(Iload)的方法，
-所述方法包括以下步骤：
-测量在所述第一测量路径(R1)上下降的第一测量电压(U1)，
-基于至少所述第一测量电压(U1)和工作参数计算所述负载电流(Iload)，
-其中，所述方法在相应的校准周期期间仅具有以下步骤：
-使校准电流(Iref)流入所述电流馈入接触部(5)中，和
-至少在校准电流(Iref)流过时，测量在所述第一测量路径(R1)上下降的第一校准电压(U1)，
-其中，基于至少所述第一校准电压(U1)和所述校准电流(Iref)的电流强度计算工作参数。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的电流传感器，具有
-至少一个第一电压表和特别地一个第二电压表，其中，所述第一电压表构造成测量在所述第一测量路径上下降的电压(U1)，所述第二电压表构造成测量在所述第二测量路径上下降的电压(U2)，
-至少一个用于提供校准电流(Iref)的设备，该设备构造成使校准电流(Iref)流经所述第一测量路径，和
-电子控制设备，其构造成执行根据权利要求15所述的方法。
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