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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung einer Spannung, insbesondere der Spannung im Zwischenkreis eines Umrichters in einem stark störungsbehafteten Umfeld.
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Eine zu messende Spannung wird heute üblicherweise über einen AD- oder Sigma-Delta-Wandler digitalisiert. Ist die Spannung zu hoch für die entsprechenden Bauteile, so wird sie vorher mittels eines Spannungsteilers auf ein passendes Arbeitsniveau gebracht. Bei hohen zu messenden Spannungen ergibt sich ein hohes Teilerverhältnis beim Spannungsteiler. Eingekoppelte Störungen, die aufgrund des hohen Teilerverhältnisses zu Ungenauigkeiten führen, werden dabei entweder durch vorgeschaltete Hardware-Filter oder durch digitale Filter, d. h. per Software, beseitigt. Auch eine Kombination von Hardware- und Software-Filtern ist möglich.
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Stets problematisch ist die Messung einer hohen Spannung, die ein hohes Teilerverhältnis beim Spannungsteiler erfordert, in einer von starken Störungen belasteten Umgebung. Ein Beispiel für eine solche Messungsumgebung ist der Zwischenkreis eines um Umrichters in einem Elektrofahrzeug.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung einer Spannung anzugeben, die insbesondere in den genannten problematischen Umgebungen ein verbessertes Messergebnis erlauben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Lösung besteht in einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 3. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung einer Spannung wird die zu messende Spannung zur Aufladung eines Kondensators verwendet. Auf diese Weise wird der Kondensator innerhalb einer Ladezeit von einem vorgebbaren ersten Ladezustand in einen vorgebbaren zweiten Ladezustand gebracht. Die sich ergebende Ladezeit wird ausgewertet, um die zu messende Spannung zu ermitteln. Dabei kann die Ladezeit direkt ausgewertet werden, beispielsweise über eine Zeitmessung. Es ist auch möglich, die Zeit indirekt auszuwerten über andere Größen, die wiederum durch das Verstreichen der Ladezeit beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß wird also die zu messende Spannung nicht mehr direkt digitalisiert, sondern vielmehr der Umweg über die durch die Spannung beeinflusste Zeit genommen, die benötigt wird, den Kondensator aufzuladen. Die Spannung wird also in diesem Fall indirekt gemessen. Der besondere Vorteil dieser Art der Messung besteht darin, dass die Spannung über dem Kondensator nur aufgrund von tatsächlich geflossenen Strömen steigt. Hierdurch werden auftretende Störungen automatisch außer Acht gelassen. Zusätzlich findet durch die integrative Wirkung des Kondensators automatisch eine Mittelung der Spannung während des Messintervalls statt. Schließlich zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Bauteilaufwand zur Umsetzung der Messungen gering ist.
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Dabei kann genau ein einzelner Kondensator verwendet werden oder aber mehr als ein Kondensator. Die zu messende Spannung kann direkt zur Aufladung verwendet werden. Alternativ kann auch eine aus der Spannung abgeleitete elektrische Größe verwendet werden. So kann beispielsweise die zu messende Spannung durch einen Spannungsteiler geteilt werden, wobei der Ausgang des Spannungsteilers direkt oder indirekt mit dem Kondensator verbunden wird.
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Bevorzugt ist der vorgebbare erste Ladezustand ein Zustand geringer oder gar Ladung auf dem Kondensator, also geringer oder keiner Spannung über dem Kondensator. Zweckmäßig ist der vorgebbaren zweite Ladezustand höher als der vorgebbare erste Ladezustand. Insofern wird der Kondensator von der zu messenden Spannung aufgeladen. Es ist aber auch möglich, das Verhältnis der vorgebbaren Ladezustände umzudrehen und de Kondensator somit durch die zu messende Spannung beeinflusst zu entladen. Auch die Verwendung beider Richtungen ist möglich.
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Für die konkrete Umsetzung der Messung gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. Beispielsweise ist es möglich, zur Auswertung der Ladezeit eine Rechtspannung zu erzeugen, deren Frequenz von der zu messenden Spannung abhängt. Dabei kann die Rechteckspannung beispielsweise erzeugt werden, indem der Kondensator wechselweise ent- und aufgeladen wird, und das Umschalten zwischen Entladung und Aufladung zu einem Umschalten einer Ausgangsspannung verwendet wird. Zur Erfassung der Rechteckspannung kann beispielsweise ein Zähler verwendet werden, der die Anzahl von beispielsweise steigenden Flanken zählt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung einer Spannung umfasst wenigstens einen Kondensator, der elektrisch mit der zu messenden Spannung verbunden ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Herstellen eines vorgebbaren ersten Ladezustands für den Kondensator. Schließlich umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit, die zur Erzeugung eines die zu messende Spannung repräsentierenden Signals ausgestaltet ist. Das Signal wird dabei aus einer Ladezeit ermittelt, innerhalb derer sich der Kondensator von dem vorgebbaren ersten Ladezustand zu einem vorgebbaren zweiten Ladezustand begibt.
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Die elektrische Verbindung zwischen dem Kondensator und der zu messenden Spannung kann dabei direkt oder indirekt sein. Vorzugsweise wird zwischen der zu messenden Spannung und dem Kondensator wenigstens ein Ladewiderstand angeordnet sein. Dabei kann genau ein einzelner Kondensator vorgesehen sein oder aber mehr als ein Kondensator. Neben der einfachen Verbindung über einen Ladewiderstand können zwischen der zu messenden Spannung und dem Kondensator noch andere Komponenten angeordnet sein, um aus der zu messenden Spannung eine abgeleitete elektrische Größe zu bilden. Ein Beispiel für solche Komponenten ist ein Spannungsteiler.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Vergleichsschaltung vor, die zum Vergleich des Ladezustands des Kondensators mit dem vorgebbaren zweiten Ladezustand ausgestaltet ist. Zweckmäßig ist die Vergleichsschaltung auch ausgestaltet zum Vergleich des Ladezustands des Kondensators als mit dem vorgebbaren ersten Ladezustand. Beispielsweise kann die Vergleichsschaltung als Inverter mit Hysterese ausgestaltet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wechselt die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung bei Erreichen des vorgebbaren ersten beziehungsweise zweiten Ladezustands zwischen einem oberen und einen unteren Spannungsniveau. Durch eine solche Vergleichsschaltung wird in einfacher Weise ermöglicht, das Erreichen von einem der beiden Ladezustände zu detektieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung so gestaltet, dass der Kondensator wechselweise geladen und entladen wird. Ist weiterhin die Vergleichsschaltung ausgestaltet, zwischen einem oberen und einen unteren Spannungsniveau hin und her zu schalten bei Erreichen des ersten beziehungsweise zweiten Ladezustands, so ergibt sich vorteilhaft als Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung ein Rechtecksignal. Die Frequenz des Rechtecksignals hängt dann von der zu messenden Spannung ab. Zweckmäßig kann das Rechtecksignal beispielsweise durch einen Zähler ausgewertet werden, wobei der Zähler beispielsweise die ansteigenden Flanken des Rechtecksignals zählt. Der Zählerstand innerhalb eines festgelegten Messintervalls ist dann ein Maß für die zu messende Spannung.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird der Kondensator einem vorgebbaren ersten Ladezustand gehalten. Auf ein Startsignal einer Steuereinrichtung hin wird mit der Aufladung des Kondensators begonnen. Die Steuereinrichtung erfasst weiterhin, wann der Ladezustand des Kondensators einen zweiten vorgebbaren Ladezustand erreicht. Die Zeit zwischen dem Erreichen des zweiten vorgebbaren Ladezustands und dem Startsignal dient in dieser Ausgestaltung als Maß für die zu messende Spannung.
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Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Dabei zeigen im Einzelnen
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1 eine erste Ausführungsvariante für eine kontinuierliche Spannungsmessung und
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2 eine zweite Ausführungsvariante für eine getriggerte Spannungsmessung.
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In der ersten Ausführungsvariante gemäß 1 ist die zu messende Spannung 1 über einen Ladewiderstand 2 elektrisch mit dem Messkondensator 4 verbunden. Die zu messende Spannung 1 ist die Zwischenkreisspannung eines Elektrofahrzeugs und liegt beispielhaft bei ca. 680 V. Der Messkondensator 4 ist auf der abgewandten Seite mit Erdpotential verbunden. Parallel zum Messkondensator 4 ist eine Schottky-Diode 3 vorgesehen.
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Ein erster Knotenpunkt 12, der elektrisch zwischen dem Messkondensator 4 und dem Ladewiderstand 2 liegt, ist weiterhin verbunden mit einer Serienschaltung aus einem Entladewiderstand 6 und einer Entladediode 7. Parallel dazu ist ein Vergleicher 5 vorgesehen. Der Vergleicher ist hier als Inverter mit Hysterese realisiert. Der Vergleicher 5 und die Entladediode 7 sind ausgangsseitig an einem zweiten Knotenpunkt 13 verbunden.
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Der zweite Knotenpunkt 13 ist mit dem CLK-Eingang eines Toggle-Flip-Flops 8 verbunden. Dessen CLR, J und K-Eingang sind mit +5 V verbunden. Die Ausgänge Q und Qquer des Toggle-Flip-Flops 8 sind jeweils über einen Widerstand mit Erde verbunden. Schließlich ist am Q-Ausgang des Toggle-Flip-Flops 8 ein Signal 9 als Ergebnis der Messung abgreifbar.
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Die erste Ausführungsvariante setzt die gemessene Spannung 1 in folgender Weise um: Die Spannung 1 wird über den Ladewiderstand 2 zur Ladung des Messkondensators 4 verwendet. Die Spannung am ersten Knotenpunkt 12 steigt solange an, bis ein festgelegter oberer Ladezustand erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt ändert der entsprechend eingestellte Vergleicher 5 seinen Ausgangspegel. Das hat zweierlei Auswirkungen. Zum einen wird dadurch eine Entladung des Messkondensators 4 über den Entladewiderstand 6 und die Entladediode 7 bewirkt. Dadurch fällt der Ladestand des Messkondensators 4 wieder unter den oberen Ladezustand. Zum zweiten registriert der Toggle-Flip-Flop 8 die Änderung des Ausgangspegels des Vergleichers 5.
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Wenn der Messkondensator 4 einen festgelegten unteren Ladezustand erreicht, schaltet der Vergleicher 5 wiederum seinen Ausgangspegel um. Dadurch wird bewirkt, dass der Messkondensator 4 wieder aufgeladen wird. An dieser Stelle beginnt der beschriebene Ablauf also von Neuem. Am Ausgang des Vergleichers 5 ergibt sich damit ein Rechtecksignal, dessen Frequenz von der zu messenden Spannung 1 abhängt.
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Um einen Tastgrad von 50% zu erreichen, wird in diesem Beispiel das Rechtecksignal durch den Toggle-Flip-Flop 8 um den Faktor 2 heruntergeteilt. Der Toggle-Flip-Flop 8 ändert den Zustand seines Ausgangs immer zur steigenden Flanke des Eingangssignals, also des Rechtecksignals. Eine in 1 nicht gezeigte Auswerteeinheit kann das Rechtecksignal weiterverarbeiten. Das kann beispielsweise durch einen Zähler passieren. Der Zähler erhöht bedingt durch die Reaktion des Vergleichers 5 seinen Zählerstand stets um 1, wenn der Messkondensator 4 den oberen Ladezustand erreicht.
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Während eines festgelegten Messintervalls wird mittels des Zählers die Anzahl von Umschaltungen des Vergleichers 5 gezählt. Je höher die zu messende Spannung 1, desto schneller verläuft die Aufladung des Messkondensators 4. Der Zählerstand am Ende des Messintervalls ist daher proportional zur zu messenden Spannung 1 und stellt somit das Messsignal dar. Auf die beschriebene Weise ist also eine kontinuierliche Messung möglich. Die Genauigkeit der Messung und die Geschwindigkeit, mit der Messsignale zur Verfügung gestellt werden, werden durch die Wahl des Messintervalls und der elektrischen Komponenten eingestellt.
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Die zweite Ausführungsvariante gemäß 2 ist einfacher aufgebaut und bietet einen veränderten Messvorgang. Bei der zweiten Ausführungsvariante ist die zu messende Spannung 1 ebenfalls über einen Ladewiderstand 2 mit dem Messkondensator 4 verbunden. Der Messkondensator 4 ist auf der abgewandten Seite mit Erdpotential verbunden. Parallel zum Messkondensator 4 ist wiederum eine Schottky-Diode 3 vorgesehen.
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Ein erster Knotenpunkt 12, der elektrisch zwischen dem Messkondensator 4 und dem Ladewiderstand 2 liegt, ist weiterhin verbunden mit einer Serienschaltung aus einem Entladewiderstand 6 und einer Entladediode 7. Die Entladediode 7 ist jedoch im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante mit dem Ausgang eines zweiten Vergleichers 10 verbunden. Dieser wiederum ist eingangsseitig an einen Signalgeber 11 verbunden.
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Der erste Knotenpunkt 12 ist weiterhin verbunden mit der Eingangsseite eines Vergleichers 5, dessen Aufgabe analog zu der in der ersten Ausführungsvariante ist. An der Ausgangsseite des Vergleichers 5 wird das Ausgangssignal 9 abgegriffen.
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Bei der zweiten Ausführungsvariante verläuft die Messung nicht kontinuierlich. Vielmehr wird hier der Messkondensator 4 normalerweise im unteren Ladezustand vorliegen. Wenn gemessen werden soll, wird über den Signalgeber 11 im Sinne eines Startsignals der Zustand des zweiten Vergleichers 10 umgeschaltet. Hierdurch wird die Entladung des Messkondensators 4 nicht mehr zugelassen und somit die Aufladung durch die zu messende Spannung 1 bewirkt. Überschreitet der Ladezustand des Messkondensators 4 einen festgelegten oberen Ladezustand, so schaltet der Vergleicher 5 seinen Zustand. In dieser Ausführungsvariante wird die Zeit gemessen, die zwischen dem Startsignal und dem Umschalten des Vergleichers 5 vergeht, ermittelt. Diese Zeit ist ein Maß für die zu messende Spannung 1.
