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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Ermittlung
eines durch einen in einem Fahrzeug vorhandenen Verbraucher fließenden Laststromes,
wobei der Verbraucher über
ein Schaltmittel mit einer Spannungsquelle verbunden ist.
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In
modernen Kraftfahrzeugen ist eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern
vorhanden, die über
eine Spannungsquelle gespeist werden. Diese Spannungsquelle wird üblicherweise
durch einen in dem Fahrzeug vorhandenen Akkumulator dargestellt,
der auch als Fahrzeugbatterie bezeichnet wird. Die Verbraucher werden
demnach durch eine Gleichspannungsquelle gespeist und die durch
die Verbraucher fließenden
Lastströme
weisen einen Gleichspannungsanteil auf. Als Verbraucher im Fahrzeug können z.
B. Heizelemente, Elektromotoren oder Leuchten und Lampen genannt
werden.
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Zur
Kontrolle und Steuerung der Verbraucher ist es wichtig, die durch
die Verbraucher fließenden
Lastströme
zu ermitteln bzw. zu diagnostizieren. Diese Diagnose wird durch
in dem Fahrzeug vorhandene Steuergeräte durchgeführt. Zur Messung des Laststroms
werden dabei üblicherweise
zwei verschiedene Methoden bzw. Messmittel eingesetzt. Zum einen
kann die Messung anhand eines Shunt-Widerstandes erfolgen, wobei
der Shunt-Widerstand von dem Laststrom durchflossen wird und auf
Grund des Laststromes ein Spannungsabfall am Shunt-Widerstand entsteht,
der schließlich
gemessen wird. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass es zu einer
starken Erwärmung
des Shunt-Widerstandes bei großen
Strömen
kommt und kostspielige Operationsverstärker eingesetzt werden müssen, wenn
kleine Messspannungen zu verarbeiten sind.
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Eine
andere Methode stellt die Erfassung von Lastströmungen mittels so genannter
Sense-FETs dar. Bei den Sense-FETs handelt es sich um Halbleiter,
bei denen ein zu dem Laststrom proportionaler Messstrom zur Verfügung gestellt
wird. Nachteilig bei diesen Sense-FETs ist, dass die Messung des
Laststromes mit Fehlern von typischerweise 15% behaftet und somit
sehr ungenau ist. Des Weiteren tritt bei der Erfassung von Lastströmen mittels
Sense-FETs das Problem auf, dass das Messsignal mit einem hohen
Offsetwert belastet und somit völlig
ungeeignet zur Erfassung von Lastströmen ist, die kleiner als 250
mA sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine effiziente Anordnung
und ein effizientes Verfahren zur Ermittlung eines durch einen in
einem Fahrzeug vorhandenen Verbraucher fließenden Laststromes zur Verfügung zu
stellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Stromwandler mit mindestens einer Primärwicklung, welche mit dem Verbraucher
verbunden ist und mindestens einer Sekundärwicklung, an der ein Sekundärsignal
abnehmbar ist, anhand dessen der Laststrom erfassbar ist und das
Sekundärsignal
durch ein Schalten des Schaltmittels erzeugbar ist. Zur Erfassung
des Laststromes wird demnach ein Stromwandler verwendet. Diese aus
dem Bereich der Erfassung von Wechselströmen bekannte Technik wird erfindungsgemäß für die Erfassung
von Lastströmen,
also für
die Erfassung von Gleichströmen, benutzt.
Um die Ermittlung des Laststromes anhand des Stromwandlers durchführen zu
können,
wird durch das Schaltmittel eine kurzzeitige Unterbrechung zwischen
der Spannungsquelle und dem Verbraucher herbeigeführt. Durch
diese kurzzeitige Unterbrechung wird in der Sekundärwicklung
des Stromwandlers ein Sekundärsignal
erzeugt, anhand dessen der Laststrom ermittelt wird. Wenn diese
Unterbrechung hinreichend kurz ist, z. B. eine Millisekunde, ist
diese Unterbrechung für
den Verbraucher ohne Belang. So macht sich diese Unterbrechung z. B.
nicht durch Schwankungen der Helligkeit einer angeschlossenen Lampe
als Verbraucher bemerkbar oder durch eine reduzierte Heizleistung
eines Heizelementes.
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Gegenüber denen
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Ermittlung von
Lastströmen
weist die Erfindung die Vorteile auf, dass zum einen keine starke
Erwärmung
von Bauelementen erfolgt, wie es z. B. bei dem Shunt-Widerstand
der Fall ist. Zum anderen ermöglicht
die Erfindung eine sehr genaue Ermittlung der Lastströme, wobei
das Messsignal keine Offsetfehler aufweist und galvanisch vom Laststrom
getrennt ist.
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Vorteilhafterweise
ist das Schaltmittel ein Leistungshalbleiter. Ein Leistungshalbleiter
kann kostengünstig
realisiert und einfach gesteuert werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, einen Steuereingang des Schaltmittels mit einem
Ausgang eines Mikroprozessors zu verbinden. Bei dieser Variante
kann zur Steuerung der Anordnung ein sowieso im Fahrzeug vorhandener
Mikroprozessor genutzt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Sekundärwicklung
mit einer Sample-and-Hold-Schaltung verbunden. Durch die Sample-and-Hold-Schaltung
wird das Sekundärsignal
des Stromwandlers zu einem bestimmten Zeitpunkt festgehalten und
hierdurch eine Weiterverarbeitung des Signals durch einen Analogdigitalwandler
ermöglicht.
Des Weiteren ermöglicht
die Sample-and-Hold-Schaltung eine kostengünstige Realisierung des Stromwandlers,
da dieser nur höherfrequente
Signalanteile des Laststromes übertragen muss.
Sättigungseffekte
des Stromwandlerkerns beeinflussen, bei entsprechender Dimensionierung, nicht
die Ermittlung des Laststromes. Der Kern kann hierdurch entsprechend
klein und kostengünstig
ausfallen.
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Besonders
vorteilhaft ist hierbei, wenn die Sample-and-Hold-Schaltung einen Transistor
mit einem Steuereingang umfasst, wobei der Steuereingang über einen
Hochpass mit dem Ausgang des Mikroprozessors verbunden ist. Diese
Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass sowohl das Schaltmittel als
auch die Sample-and-Hold-Schaltung mit ein und demselben Signal
des Mikroprozessors gesteuert werden und somit nur eine Steuerleitung
zwischen dem Mikroprozessor und der erfindungsgemäßen Anordnung
notwendig ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Stromwandler
einen Ferritkern. Eine Anordnung mit einem Ferritkern kann kostengünstig realisiert
werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung besteht
die Primärwicklung
aus einem leitfähigen
Bügel,
der durch einen Kern des Stromwandlers gefädelt ist. Diese Ausführung kann
besonders kostengünstig
realisiert werden.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Primärwicklung
aus auf einer Platine aufgebrachten Leiterbahnen, die von Schalenhälften des
Ferritkerns umschlossen sind. Diese Ausführung kann kostengünstig realisiert
werden.
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Besonders
vorteilhaft sind Schaltmittel, die eine Anstiegszeit größer gleich
0,5 V/μs
aufweisen. Diese Schaltmittel ermöglichen entsprechend schnelle
Schaltvorgänge
mit entsprechend höherfrequenten
Anteilen in den Lastströmen.
Da der Stromwandler nur die höherfrequenten
Anteile des Laststromes übertragen
muss, kann der Kern des Stromwandlers entsprechend dimensioniert
werden, d. h. es können
kleine und somit kostengünstige
Ferritkerne eingesetzt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Sekundärwicklung
durch einen Widerstand belastet. Hierdurch tritt eine Signalformung
des Sekundärsignals
auf. Eventuell vorhandene Resonanzen des Stromwandlers werden hierdurch
vermindert. Im Bereich der Energietechnik, in welcher Stromwandler
zur Messung von Wechselströmen
eingesetzt werden, wird dieser Widerstand auch als Bürdewiderstand
bezeichnet.
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Des
Weiteren beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines
durch einen in einem Fahrzeug vorhandenen Verbraucher fließenden Laststromes,
wobei der Verbraucher über
ein Schaltmittel mit einer Spannungsquelle verbunden ist, wobei
mindestens eine Primärwicklung
eines Stromwandlers von dem Laststrom durchflossen wird und der
Laststrom anhand eines an mindestens einer Sekundärwicklung
des Stromwandlers abnehmbaren Sekundärsignals ermittelt wird, welches
durch ein Schalten des Schaltmittels erzeugt wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird durch das Schaltmittel die
Verbindung zwischen dem Verbraucher und der Spannungsquelle kurzzeitig
unterbrochen, um das Sekundärsignal
zu erzeugen. Durch die nur kurzzeitige Unterbrechung wird die normale
Funktionsweise des Verbrauchers nicht beeinträchtigt.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführung
bei der die kurzeitige Unterbrechung eine Zeitdauer von kleiner
gleich zehn Millisekunden aufweist.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Verbraucher
mit einer pulsweitenmodulierten Spannung beaufschlagt. Die Beaufschlagung von
Verbrauchern mit pulsweitenmodulierten Spannungen ist aus dem Stand
der Technik bekannt und wird z. B. zur Helligkeitssteuerung von
Lampen oder zur Regelung der Heizleistung von Heizelementen eingesetzt.
Bei dieser Ausführung
werden die Sekundärsignale
des Stromwandlers durch das Beaufschlagen des Verbrauchers mit einer
pulsweitenmodulierten Spannung erzeugt. Das Beaufschlagen der pulsweitenmodulierten
Spannung wird also gleichzeitig genutzt, um das Verhalten des Verbrauchers
gezielt zu steuern, z. B. die Helligkeit einer Lampe, und um eine
Ermittlung des Laststromes mittels Stromwandler zu gewährleisten.
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Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Mehrere davon sind schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer
Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Ermittlung
von Lastströmen,
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2 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Anordnung
mit einer Sample-and-Hold-Schaltung und
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3 die
zeitlichen Verläufe
verschiedener Spannungen und Ströme
der in 2 dargestellten Anordnung.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
als Blockschaltbild dargestellt. Die Anordnung weist eine Spannungsquelle 1,
ein Schaltmittel 2, einen Stromwandler 3 und einen Verbraucher 4 auf.
Die Spannungsquelle 1 wird durch eine in einem Fahrzeug
vorhandene Batterie, der Verbraucher 4 durch eine Lampe
realisiert. Der Stromwandler 3 besteht aus einem Kern 32,
durch den eine Primärwicklung 31 und
eine Sekundärwicklung 33 hindurchgeführt sind.
Die Primärwicklung 31 besteht
aus einer einzigen Windung, in diesem Beispiel einem Metallbügel. Der
Verbraucher 4 ist mit der Primärwicklung 31 des Stromwandlers 3 verbunden, wobei
die Primärwicklung 31 des
Stromwandlers 3 über
das Schaltmittel 2 mit der Spannungsquelle 1 verbunden
ist. Die Primärwicklung 31 wird
vom Laststrom i1 durchflossen. Aus der Spannungsquelle 1 wird
der Verbraucher 4 mit dem Laststrom i1 gespeist.
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Um
den Laststrom i1 ermitteln zu können, wird
erfindungsgemäß die Verbindung
zwischen der Spannungsquelle 1 und dem Verbraucher 4 durch das
Schaltmittel 2 kurzzeitig unterbrochen. Durch diese kurzzeitige
Unterbrechung wird eine Spannung in der Sekundärwicklung 33 des Stromwandlers 3 erzeugt,
anhand derer der Laststrom i1 ermittelt werden kann. Die Unterbrechung
des Laststromes i1 durch das Schaltmittel 2 erfolgt nur
für einen
sehr kurzen Zeitabschnitt, z. B. 1 ms, so dass die normale Funktion
des Verbrauchers 4 dadurch nicht beeinträchtigt wird.
Die Sekundärwicklung 33 des
Stromwandlers 3 ist mit einem Widerstand R1 belastet. Anhand
des Spannungsabfalls u2 an dem Widerstand R1 wird der Laststrom
i1 ermittelt. Zur Ermittlung des Laststromes i1 wir die Spannung
u2 einen in einem Steuergerät 5 vorhandenen
Mikroprozessor 6 zugeführt.
Das Schaltmittel 2 wird durch den Mikroprozessor 6 gesteuert.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die
Ermittlung von Gleichströmen
anhand eines Stromwandlers 3.
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2 zeigt
die in 1 dargestellte Anordnung ergänzt um eine Sample-and-Hold-Schaltung 7.
Die Sample-and-Hold-Schaltung 7 weist
einen Hochpass auf, bestehend aus einem Kondensator C1 und einem
Widerstand R1. Des Weiteren umfasst sie einen Transistor T1, dessen
Steuereingang mit dem Ausgang des Hochpasses verbunden ist, sowie einen
weiteren Widerstand R3 und einen weiteren Kondensator C2, wobei
dem Kondensator C2 über dem
Widerstand R3 die an dem Belastungswiderstand R1 der Sekundärwicklung 33 abfallende
Spannung u2 zugeführt
wird. Der Transistor T1 ist zwischen der Sekundärwicklung 33 des Stromwandlers 3 und
der Schaltungsmasse geschaltet.
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Die
an dem Kondensator C2 abfallenden Ausgangsspannung u3 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 wird
zur Ermittlung des Laststromes i1 einem Analogdigitalwandler des
Mikroprozessors 6 zugeführt.
Die Sample-and-Hold-Schaltung 7 sowie das Schaltmittel 2 werden über ein
von dem Mikroprozessor 6 erzeugtes Steuersignal u4 gesteuert,
welches pulsweitenmoduliert ist. Hierzu wird das Steuersignal u4
dem Eingang des Hochpasses (C1) der Sample-and-Hold-Schaltung 7 zugeführt. Die
Zuführung des
Steuersignals u4 zum Schaltmittel 2 erfolgt über einen
Widerstand R4, einen Kondensator C3 und einen Transistor T2. Die
Zuführung über den
Widerstand R4, den Kondensator C3 und den Transistor T2 dient zur
Signalverzögerung
und zur Unterdrückung evtl.
vorhandener Störungen.
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Die
in 2 dargestellte Anordnung weist folgende Funktionsweise
auf. Wenn das Steuersignal u4 von Low auf High springt, wird in
der Sekundärwicklung 33 des
Stromwandlers 3 eine Spannung erzeugt, die an dem Belastungswiderstand
R1 zur Verfügung
steht. Des Weiteren wird der Transistor T1 in den leitenden Zustand
versetzt, worauf das an dem Widerstand R1 zur Verfügung stehende
Signal u2 an den Kondensator C2 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 gelegt
wird. Der Kondensator C2 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 wird
auf einen Spitzenwert aufgeladen. Durch die Ableitung des Steuersignals u4
mittels des Hochpasses wird der Transistor T1 nur für einen
kurzen Zeitabschnitt in den leitenden Zustand versetzt. Hieraus
folgt, dass der Kondensator C2 während
dieses kurzen Zeitabschnittes aufgeladen wird und seine Spannung
u4 behält,
da der Transistor T1 von den leitenden in den sperrenden Zustand übergeht.
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Die
Spannung u4 am Kondensator C2 und somit am Ausgang der Sample-and-Hold-Schaltung 7 kann
nun von einem Analogdigitalwandler digitalisiert werden. Die Anwendung
der Sample-and-Hold-Schaltung 7 ermöglicht es
einen relativ kleinen und preiswerten Ferritkern für den Stromwandler 3 einzusetzen,
da dieser nämlich
lediglich die in dem Laststrom i1 vorhandenen höherfrequenten Signalanteile übertragen
muss. Die in der 2 dargestellte Sample-and-Hold-Schaltung 7 weist
den Vorteil auf, dass zur Steuerung des Transistors T1 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 und
des Schaltmittels 2 lediglich ein Signal u4 des Mikroprozessors 6 benötigt wird,
d. h. die Steuerung kann über
eine Signalleitung erfolgen.
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In 3 sind
die Zeitverläufe
des Steuersignals u4 zur Steuerung des Schaltmittels 2 und
des Transistors T1 der Sample-and-Hold-Schaltung 7, der
daraus resultierende Laststrom i1, der durch die Primärwicklung 31 des
Stromwandlers 3 und den Verbraucher 4 fließt, die
in der Sekundärwicklung 33 induzierte
und an dem Lastwiderstand R1 abfallende Spannung u2 sowie die Ausgangsspannung
u3 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 dargestellt.
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Zum
Zeitpunkt t1 springt das Steuersignal u4 von Low auf High und verweilt
dort bis zum Zeitpunkt t2, an dem ein Sprung von High auf Low erfolgt.
Es ist zu erkennen, dass bei dem Übergang von Low auf High der
Laststrom i1 ansteigt, und somit auch eine Spannung in der Sekundärwicklung 33 des
Stromwandlers 3 induziert wird. Dem Verlauf von i1 ist
zu entnehmen, dass der Laststrom i1 zwischen den Zeitpunkten t1
und t2 auf einen Maximalwert ansteigt und anschließend zurückgeht.
Der Zurückgang
ist aus dem Kaltleitverhalten des Verbrauchers 4 zu erklären, der
in diesem Beispiel durch eine Lampe gebildet wird.
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Durch
die zeitvariablen Anteile des Laststromes i1 wird eine Spannung
in der Sekundärwicklung 33 des
Stromwandlers 3 induziert, die an dem Belastungswiderstand
R1 als Spannung u2 abgenommen werden kann. Anhand von u2 kann der
Gleichstromanteil des Laststromes i1 ermittelt werden. Diese Spannung
u2 steigt bis zu einem Maximalwert an, um dann, auch auf Grund von
Sättigungseffekten
in dem Kern 32 des Stromwandlers 3, abzufallen.
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Durch
die Steuerung der Sample-and-Hold-Schaltung 7 mit dem Steuersignal
u4 wird der Transistor T1 zum Zeitpunkt tS1 in den leitenden Zustand
versetzt und hierdurch die Aufladung des Kondensators C2 ermöglicht.
Die Spannung u3 am Kondensator C2 stellt die Ausgangsspannung der
Sample-and-Hold-Schaltung 7 dar,
die dem Analogdigitalwandler des Mikroprozessors 6 zugeführt wird
und anhand derer schließlich
der Laststrom i1 ermittelt wird. Zum Zeitpunkt tS2 geht der Transistor von
den leitenden in den nicht leitenden Zustand über und der Kondensator C3
behält
seinen momentanen Spannungswert.
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- 1
- Spannungsquelle
- 2
- Schaltmittel
- 3
- Stromwandler
- 31
- Primärwicklung
des Stromwandlers
- 32
- Kern
des Stromwandlers
- 33
- Sekundärwicklung
des Stromwandlers
- 4
- Verbraucher
- 5
- Steuergerät
- 6
- Mikroprozessor
- 7
- Sample-and-Hold-Schaltung
- C1
bis C3
- Kondensator
- i1
- Laststrom
- R1
bis R4
- Widerstand
- T1,
T2
- Transistor
- t1,
t2
- Zeitpunkte
- ts1,
ts2
- Zeitpunkte
- u2
- Sekundärsignal
- u3
- Ausgangsspannung
der Sample-and-Hold-Schaltung
- u4
- Steuersignal