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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Meßfehlerkompensation bei der
Erfassung der Ströme
an einem Energiespeicher, um dessen Ladezustand zu ermitteln. Es
werden die Ströme,
die der Batterie entnommen oder in die Batterie eingespeist werden,
mittels einer Strommessung kontinuierlich gemessen. Die erfaßten Meßwerte werden
entweder über
die Zeit integriert oder aufsummiert. Daraus entsteht die Ladebilanz
des Energiespeichers.
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Stand der Technik
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DE 4 312 760 A1 offenbart
eine Klemme mit integrierter Strommessung. In elektrischen Geräten zur
Regelung von Strömungen
oder Leistungen werden Strommeßeinrichtungen
eingesetzt sowie für entsprechende
Ströme
geeignete Ein- und/oder Ausgangsklemmen. Diese Elemente sind nach
dem Stand der Technik getrennt im Gerät angeordnet und erfordern
ein großes
Volumen und einen hohen Verdrahtungsaufwand. Durch die Integration
eines Strommessers ohne weichmagnetischen Kern zur Führung des
Magnetfeldes, kann der Stromsensor in die Klemme ohne nennenswerte
Vergrößerung von deren
Bauvolumen integriert werden.
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JP 06-317636 betrifft
die Batteriestrommessung einer Batterie mit zwei Stromdetektoren.
Ein erster Stromsensor basiert auf dem Hall-Effekt und ein zweiter
Stromsensor misst den Spannungsabfall an einem Erdungskabel. Beim Überschreiten
eines Schwellwerts wird der erste Stromsensor abgeschaltet. Die
Strommessung sieht somit einen in zwei Abschnitte unterteilten Strombereich
vor. Unterhalb des Schwellwerts werden immer alle Stromsensoren
verwendet. Ferner wird zur Fehlerkorrektur Extrapolation mittels
zweier Geradenpunkten verwendet, die eine vergleichsweise komplexe
Berechnung erfordert. Der Offset-Fehler des zweiten Stromsensors wird
hierbei durch Projektion der Geraden auf die y-Achse, d. h. für einen
Strom von null, erfasst.
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Zur
Ermittlung der Ladebilanz eines Energiespeichers, wie beispielsweise
einer Batterie, werden die ein- und austretenden Ströme mittels
Stromwandler gemessen. Um einen möglichst großen Meßbereich mit hoher Genauigkeit
erfassen zu können,
werden zwei Stromwandler eingesetzt. Ein kleiner Stromwandler dient
zur Erfassung niedriger Ströme,
während
ein großer
Wandler für
die Erfassung großer
Ströme
im oberen Meßbereich
eingesetzt wird. Überschreitet
der zu messende Strom einen bestimmten Schwellenwert, so geht die
Messung des Stromes vom ersten Stromwandler auf den zweiten Stromwandler über, bis
der zu messende Strom die Schwelle wieder unterschreitet.
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Das
auf diese Weise erhaltene Meßergebnis ist
mit einem Meßfehler
behaftet, der sich im Wesentlichen aus zwei Teilen zusammensetzt,
nämlich
einem vom Meßwert
unabhängigen
Teil (Offset) und einen vom Meßwert
abhängigen
Teil. Der absolute Meßfehler
nimmt mit der Größe des Stromwandlers zu.
Die Genauigkeit einer Strommessung mit einem kleinen Stromwandler
ist daher größer. Der
Punkt, der vom Meßwert
unabhängige
Teil des Meßfehlers, der
Offset, wird durch den Meßwandler
sowie die nachgeschaltete Aus-werteelektronik verursacht und ist
abhängig
von der Temperatur. Wird die Ladebilanz eines Energiespeichers mit
zwei Stromwandlern für niedrige
und höhere
Ströme
erstellt, wird diese insbesondere durch den Offset-Fehler des größeren Stromwandlers
verfälscht,
da dieser sich wegen der nachfolgenden Integration über die
Zeit vervielfacht.
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Darstellung der Erfindung
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Mittels
der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt
ein permanenter Abgleich des sich im großen Stromwandler einstellenden
meßwertunabhängigen Teil
des Meßfehlers,
des Offset. Dadurch läßt sich der
Offset-Fehler des großen
Wandlers kompensieren und eine genauere Erfassung des Batteriestromes
und damit eine aussagekräftigere
Ladebilanzerstellung herbeiführen.
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Durch
die Stromerfassung durch beide Stromwandler innerhalb eines beiden
Wandlern gemeinsamen Meßbereiches,
kann ein Abgleich der erhaltenen Wandlerwerte durchgeführt werden.
In diesem gemeinsamen Meßbereich
der Stromerfassung erzeugt der zweite Wandler für die höheren Ströme einen Meßfehler, der vom Offset-Fehler
dominiert wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Meßergebnis
des zweiten Wandlers für
große
Ströme
durch das gleichzeitig, parallel durch den ersten Wandler für geringere
Ströme
erhaltene Meßergebnis
abgeglichen werden, so daß die
mit größerem Offset-Fehler-Anteil
behaftete Messung des zweiten Wandlers für größere Ströme, die das Gesamtergebnis
erheblich verfälscht,
korrigiert werden kann. Zweckmäßigerweise
erfolgt die Korrektur der Wandlerwerte des zweiten Wandlers für höhere Ströme vor der
Integration der Meßwerte.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
Schaltungskonfiguration zur Erfassung des Stromes eines Energiespeichers
zur Ermittlung der Ladebilanz.
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2 einen
beispielhaft herausgegriffenen Batteriestromverlauf mit eingezeichneten
Meßbereichen.
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3 die
Gegenüberstellung
der Offset-Werte der Wandler, der unkompensierten und der kompensierten
Meßergebnisse
und der erfindungsgemäß kompensierten
Meßergebnisse.
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Ausführungsvarianten
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht
eine Schaltungskonfiguration hervor, mit der die Stromerfassung
an einem Energiespeicher zur Ermittlung von dessen Ladebilanz erfolgen
kann.
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Der
Energiespeicher 1 – vorzugsweise
ausgebildet als eine Batterie für
Kraftfahrzeuge – verfügt über einen
Pluspol 2 sowie einen Minuspol 3, der über eine
Masseleitung 5 mit der Masse 4 verbunden ist.
Mit Bezugszeichen 6 ist der Batteriestrom IBatt. bezeichnet,
der sich aus der Differenz der Ströme 8, nämlich des
Verbraucherstromes IVerbr. und des Stromes 7,
nämlich
des Generatorstromes IGenerator ergibt. Wird
mehr Strom verbraucht als ein Generator 11 liefert, wird
der Energiespeicher 1 entladen, der Batteriestrom IBatt. ist positiv. Wird hingegen weniger
Strom verbraucht als der Generator 11 liefert, wird der
Energiespeicher 1 durch den Generator 11 aufgeladen;
in diesem Falle ist der Batteriestrom IBatt. mit
einem negativen Vorzeichen behaftet. Der Generator 11 verfügt ebenso über eine
Masse 4, wie die ebenfalls nur schematisch angedeuteten
Verbraucher 12, die ebenfalls mit der Masse verbunden sind.
Als elektrische Verbraucher seien beispielhaft die Beleuchtungsanlage
sowie die Scheibenwischeinrichtung an einem Kraftfahrzeug aufgeführt.
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Der
im dargestellten Ausführungsbeispiel
als vom Pluspol 2 abfließend dargestellte Batteriestrom IBatt., Bezugszeichen 6, passiert
zwei hintereinanderliegend angeordnete Stromwandler 9 bzw. 10.
Der erste Stromwandler 9 erfaßt Ströme in einem niedrigeren Bereich
liegend und deckt den unteren Meßbereich ab, während der
zweite Stromwandler 10 die höheren Ströme im oberen Meßbereich
erfaßt.
Der erstgenannte Stromwandler 9 mißt in der Regel die genaueren
Meßwerte,
da der absolute Meßfehler tendenziell
mit der Größe des jeweils
eingesetzten Stromwandlers zunimmt. Im allgemeinen setzt sich der
Meßfehler
eines Stromwandlers aus einem vom Meßwert unabhängigen Anteil (Offset) sowie
einem vom Meßwert
abhängigen
Teil zusammen. Der vom Meßwert
jeweils unabhängige
Teil des Meßfehlers hat
jedoch bei der Integration der Meßwerte weitaus gravierendere
Auswirkungen, da die Meßfehler
sich bei einer nachgeschalteten Integration vervielfachen
und
somit die Aussagefähigkeit
einer solcherart aufgestellten Ladebilanz erheblich schwächen.
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Von
den beiden Stromwandlern 9 bzw. 10 werden die
jeweiligen Wandlerwerte 14 bzw. 15 an die Auswerteelektronik 13 übermittelt,
in welcher eine Korrekturstufe 16 integriert ist. Bevor
die Meßwerte 17 aufaddiert
oder über
die Zeit integriert werden, werden sie um den vom Meßwert unabhängigen Fehleranteil,
den Offset 26 bzw. 27 abgeglichen, so daß eine Verfälschung
der Ladebilanz durch die Vervielfachung des Meßfehlers bei der Integration
ausgeschlossen ist. Die in der Korrekturstufe 16 ermittelten, korrigierten
Meßwerte 17,
werden an eine übergeordnete
Funktionseinheit übertragen,
in der eine Weiterverarbeitung der korrigierten Meßwerte erfolgt.
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2 zeigt
ein beispielhaft herausgegriffenes Verlaufsprofil mit eingezeichneten
Meßbereichen.
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In
dieser Darstellung sind eine mögliche,
praxisnahe Verlaufskurve 18 des Batteriestromes 6 IBatt. aufgetragen; parallel zur Zeitachse 19 verlaufend, sind
die jeweils untere bzw. obere Begrenzung 24 bzw. 23 eingetragen,
durch die ein gemeinsamer Meßbereich 21 der
beiden Stromwandler 9 bzw. 10 definiert ist. Vom
Ursprung ausgehend, verläuft
ein erster Abschnitt der Verlaufskurve 18 durch den Meßbereich 20 für niedrige
Ströme,
wo die Stromerfassung lediglich durch den Stomwandler 9 für niedrige Ströme erfolgt.
Die Höhe
des Stromes in diesem Meßbereich 20 liegt
unterhalb der unteren Begrenzung 24 des sich an diesen
anschließenden
gemeinsamen Meßbereiches 21,
in dem die Stromerfassung durch die beiden Stromwandler 9 bzw. 10 erfolgt.
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Steigt
der Batteriestrom 6 IBatt., wie
in 2 dargestellt, weiter an, verläßt dieser den Meßbereich 20,
in dem nur der erste Stromwandler 9 den Strom mißt. Nachdem
die Stromstärke
auf Werte angewachsen ist, die innerhalb des gemeinsamen Meßbereiches 21 eingreifen,
wird die Strommessung durch den ersten Stromwandler 9 und
den zweiten Stromwandler 10 gemeinsam vorgenommen, dargestellt
durch die eingekreisten Bezugszeichen 9 bzw. 10 innerhalb
des Meßbereiches 21.
Durch die in diesem Meßbereich 21 erfolgende
gemeinsame Ermittlung des Batteriestromes 6, werden zwei
Wandlerwerte 14 bzw. 15 ermittelt, die in der
Auswerteelektronik 13 ausgewertet werden. Innerhalb des
beiden Stromwandlern 9 bzw. 10 gemeinsamen Meßbereiches 21,
erfolgt die Ermittlung des Offests 27 des großen Stromwandlers 10,
um den die vom großen Stromwandler 10 ermittelten
Meßwerte 30 (vergl. 3)
zu korrigierten sind.
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Nimmt
die Stromstärke
des Batteriestromes 6 IBatt. weiter
zu, verläßt die Verlaufskurve 18 in
ihrem weiteren Verlauf den durch beide Wandler 9 bzw. 10 gemeinsam
abgedeckten Meßbereich 21 und
läuft in den
Meßbereich 22 ein,
innerhalb dessen die Stromerfassung ausschließlich durch den zweiten Stromwandler 10 für höhere Ströme erfolgt.
Aus der gemeinsamen Messung des Batteriestromes 6 durch die
beiden Stromwandler 9 und 10 ist der vom Meßwert unabhängige Fehleranteil,
der Offset 27, des zweiten Stromwandlers 10 bekannt und
kann bei der sich an die Übertragung
der Wandlerwerte 14 bzw. 15 an die Auswerteelektronik 13 anschließenden Auswertung
in der Korrekturstufe 16 zur Korrektur der Meßwerte des
zweiten Wandlers 10 herangezogen werden.
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3 schließlich zeigt
die Gegenüberstellung
der vom ersten Stromwandler und vom zweiten Stromwandler ermittelten
Meßwerte
sowie die korrigierten Meßwerte
des zweiten Stromwandlers.
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Im
linken Abschnitt des Koordinatensystems gemäß 3 sind die
sich einstellenden Wandlerwerte 25 des ersten Wandlers 9 sowie
die des zweiten Wandlers 10 aufgetragen für den Batteriestrom 6, IBatt. = 0. Aus einem Vergleich, der durch
die Schraffur kenntlich gemachten Balken geht hervor, daß der Offset 26 des
ersten Stromwandlers 9 wesentlich geringer bemessen ist
als derjenige des zweiten Wandlers 10, der mit Bezugszeichen 27 gekennzeichnet
ist. Der jeweilige Offset 26 bzw. 27 der korrespondierenden
Stromwandler 9 bzw. 10 repräsentiert den vom Meßwert unabhängigen Meßfehler
bei der Stromerfassung durch den jeweiligen Stromwandler.
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Bei
der Strommessung tritt zum Meßwert
unabhängigen
Fehleranteil, dem Offset 26 bzw. 27, ein meßwertabhängiger Anteil 28 des
Meßfehlers
hinzu. Dieser ist im in 3 dargestellten mittleren Balkendiagrammpaar
mit Bezugszeichen 28 bezeichnet. Für den ersten und den zweiten
Stromwandler 9 bzw. 10 ist der meßwertabhängige Fehler 28 gleich,
weshalb durch diesen Fehleranteil keine übermäßige Verfälschung einer durch die Stromerfassung
zu erzeugenden Ladebilanz auftreten kann. Im mittleren Balkendiagrammpaar
gemäß 3 sind
die tatsächlichen
Batterieströme
IBatt.,tats. mit Bezugszeichen 29 gekennzeichnet,
wobei der mit dem meßwertunabhängigen Meßfehleranteil 27 behaftete,
nicht kompensierte Meßwert 30,
den durch den ersten Stromwandler 9 ermittelten Meßwert deutlich überragt.
Der Meßwert 30 des
zweiten Stromwandlers 10 setzt sich zusammen aus tatsächlich gemessenem
Batteriestrom IBatt.,tats. 29,
dem meßwertabhängigen Fahleranteil 28,
sowie dem meßwertunabhängigen Fehleranteil 27,
dem Offset. Gleiches gilt für
den vom ersten Stromwandler 9 erfaßten Meßwert, wobei dessen Offset 26 deutlich
geringer ausfällt,
als derjenige des zweiten Stromwandlers 10.
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Ein
Abgleich der beiden meßwertunabhängigen Fehleranteile 26, 27 durch
Differenzbildung der Meßwerte
und Verminderung der Meßwerte 15 des zweiten
Stromwandlers 10 um die ermittelte Differenz, führt auf
das Balkendiagrammpaar, welches mit Bezugszeichen 31 bezeichnet
ist. Bei diesem stimmen die von beiden Stromwandlern 9 bzw. 10 ermittelten
Meßwerte 31 miteinander überein,
wobei das Balkendiagramm für
den ersten Stromwandler 9 demjenigen des ersten Stromwandlers 9 beim
mittleren Balkendiagrammpaar entspricht.
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- 1
- Energiespeicher
- 2
- Pluspol
- 3
- Minuspol
- 4
- Masse
- 5
- Masseleitung
- 6
- IBatt. (Batteriestrom) Strom aus Energiespeicher
- 7
- IGenerator Generatorstrom
- 8
- IVerbr. Verbraucherströme
- 9
- erster
Stromwandler
- 10
- zweiter
Stromwandler
- 11
- Generator
- 12
- Verbraucher
- 13
- Auswerteelektronik
- 14
- Wandlerwert
- 15
- Wandlerwert
- 16
- Korrekturstufe
- 17
- Meßwert
- 18
- Verlauf
IBatt. (Batteriestrom)
- 19
- Zeitachse
- 20
- Meßbereich
niedrige Ströme
- 21
- gemeinsamer
Meßbereich
beide Stromwandler
- 22
- Meßbereich
für höhere Ströme
- 23
- obere
Begrenzung
- 24
- untere
Begrenzung
- 25
- Wandlerwerte
- 26
- Offset
erster Stromwandler
- 27
- Offset
zweiter Stromwandler
- 28
- meßwertabhängiger Fehler
- 29
- IBatt.,tats.
- 30
- nicht
kompensierter Meßwert
zweiter Wandler
- 31
- kompensierter
Meßwert
zweiter Stromwandler