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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Ladestandes einer elektrischen Energiequelle und eine Steuervorrichtung zur Durchführung des angegebenen Verfahrens.
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Wie aus der
DE 32 164 12 C2 bekannt, muss zur Messung des Ladestandes einer elektrischen Energiequelle der elektrischen Energiequelle zugeführte oder abgeführte Strom zeitlich integriert werden.
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Zur Durchführung von Messungen des zwischen der elektrischen Energiequelle und einem elektrischen Verbraucher fliesenden elektrischen Stromes in einem Kraftfahrzeug kann in Reihe zwischen die elektrische Energiequelle und den elektrischen Verbraucher ein Stromsensor geschaltet werden. Ein derartiger Stromsensor ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 078 548 A1 bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Ladungsmessung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stromes die Schritte:
- – Messen eines elektrischen Stromes, und
- – numerisches Integrieren des gemessenen elektrischen Stromes über die Zeit zum Ladestand basierend auf zeitlichen Abständen zwischen den Takten eines umgebungstemperaturabhängigen Taktsignals.
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Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass der eingangs genannte Ladestand über eine numerische Integration des erfassten elektrischen Stroms über die Zeit gebildet werden könnte, welche mathematisch gesehen bekanntermaßen eine Umformung des elektrischen Stromes darstellt. Im Rahmen des angegebenen Verfahrens wird dabei erkannt, dass temperaturabhängige Messfehler im elektrischen Strom durch die numerische Integration mit umgeformt werden. Es ist daher möglich die temperaturabhängigen Fehler sowohl vor der numerischen Integration, als auch nach der numerischen Integration zu neutralisieren. So könnten die temperaturabhängigen Fehler im erfassten elektrischen Strom selbst oder im berechneten Ladestand rechentechnisch korrigiert werden. In beiden Fällen würde dies jedoch einen unnötigen Hardwareaufwand nach sich ziehen, da nun eine messtechnische Nachbearbeitung notwendig wäre, die die temperaturabhängigen Fehler aus dem elektrischen Strom oder aus dem Ladestand herausrechnet.
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Demgegenüber ist es Idee des angegebenen Verfahrens, den eventuell auftretenden Fehlern im elektrischen Strom bei der Erzeugung des Taktsignals entgegenzuwirken, dass als Zeitbasis für die numerische Integration notwendig ist. Mit anderen Worten soll das Taktsignal für die numerische Integration derart verfälscht werden, dass es die temperaturabhängigen Messfehler im erfassten elektrischen Strom ausgleicht oder neutralisiert. Auf diese Weise kann der oben genannte Hardwareaufwand zum Erfassen und Auswerten des Ladestandes aufgrund der Beinflussbarkeit der Zeitbasis reduziert werden, was sich in spürbar niedrigeren Kosten für Vorrichtungen bemerkbar macht, die das angegebene Verfahren durchführen.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens hängt die Umgebungstemperaturabhängigkeit des Taktsignals von einer temperaturabhängigen Fehlerkurve eines Sensorelements ab, mit dem die elektrische Ladung erfasst wird.
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Auf diese Weise kann die Erfassung des Ladestandes technisch hochgenau und temperaturunabhängig durchgeführt werden, da die Temperaturabhängigkeit des Stromsensors selbst auf technisch einfache Weise über das Taktsignal korrigiert werden kann. Als weiterer Vorteil des angegebenen Verfahrens ergibt sich die Möglichkeit bei temperaturabhängigen Fehlern für den Ladestand diese bei der technischen Qualität des Stromsensors auszunutzen. So können diese Fehler jetzt selbst bei preisgünstigen Stromsensoren reduziert werden, wodurch die Ladungsmessung selbst bei gleichbleibender Qualität wirtschaftlicher durchgeführt werden kann. Mit anderen Worten können durch das angegebene Verfahren die temperaturabhängigen Genauigkeitsanforderungen an den Stromsensor gelockert und damit Kosten erheblich gesenkt werden, ohne dass die Genauigkeit der Ladungsermittlung der elektrischen Energiequelle eingeschränkt wird.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst die Umgebungstemperaturabhängigkeit des Taktsignals eine Konjugation der temperaturabhängigen Fehlerkurve des Sensorelements.
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Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass die durch die numerische Integration des elektrischen Stromes bedingte mathematische Umformung des elektrischen Stromes linear ist. Das heißt, dass auch die oben genannten temperaturabhängigen Fehler des elektrischen Stromes linear umgeformt werden. Bei der Integration des elektrischen Stromes zum Ladestand müssen die Messfehler daher lediglich vom elektrischen Strom wieder abgezogen werden, um sie zu neutralisieren. Dies geschieht im Rahmen des angegebenen Verfahrens dadurch, dass auf das Taktsignal der negative Betrag des Fehlers aufgerechnet wird, der bei der Erfassung des elektrischen Stromes entsteht. Daher wird bei der Erzeugung des Taktsignals die Konjugation der temperaturabhängigen Fehlerkurve des Sensorelements berücksichtigt, wobei mathematisch eine konjugierte Kurve bekanntermaßen eine an einer X-Achse eines karthesischen Koordinatensystems gespiegelte Kurve darstellt.
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Besonders bevorzugt ist die Fehlerkurve des Sensorelements über die Umgebungstemperatur proportional, insbesondere linear, steigend, was eine Vielzahl von Sensorelementen zur Erfassung eines elektrischen Stromes abdeckt.
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In einer anderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren die Schritte:
- – Empfangen eines drahtlos übertragenen Signals mit einer Zeitinformation, und
- – Erzeugen des Taktsignals mit einer von der Zeitinformation abhängigen Taktperiode.
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Der Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass für die numerische Integration der zeitliche Abstand der einzelnen Stützstellen innerhalb der numerischen Integration genau definiert sein muss, um den Integrationsfehler möglichst gering zu halten und den Ladestand genau zu berechnen. Zwar könnten der zeitliche Abstand der Stützstellen über einen Taktgenerator, wie einen Oszillator vorgegeben werden, ein Taktgenerator kann den zeitlichen Abstand zwischen den Stützstellen jedoch nicht mit einer Genauigkeit erzeugen, die notwendig wäre, die numerische Integration des elektrischen Stromes über eine vergleichsweise lange Zeitdauer mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen und den Ladestand mit einem geringen Fehler auszugeben.
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Mit dem angegebenen Verfahren wird daher vorgeschlagen, die numerische Integration basierend auf einer zeitlichen Referenzquelle durchzuführen, die auch über einen vergleichsweise langen Zeitraum eine ausreichende Genauigkeit aufweist. Eine derartige Referenzquelle sind drahtlos übertragene Signale, die entsprechende Zeitinformationen mit sich tragen.
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Die Zeitinformation kann beispielsweise die Frequenz, also die Trägerfrequenz, des drahtlosen Signals selbst sein. Wird beispielsweise ein drahtlos übertragenes Signal eines Radiosenders empfangen, so kann dieses drahtlose Signal dem entsprechenden Radiosender zugeordnet und anschließend anhand des bekannten Radiosenders die Trägerfrequenz des Radiosenders bestimmt werden. Ist die Trägerfrequenz bekannt, so kann das Taktsignal basierend auf der Trägerfrequenz mit einer ausreichenden Genauigkeit erzeugt werden.
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Besonders bevorzugt ist das drahtlos übertragene Signal jedoch ein per Funkt übertragenes Zeitsignal, in das die Zeitinformation einmoduliert ist. Derartige Signale können beispielsweise ein Global Positioning System Signal, kurz GPS-Signal, oder ein Zeitgebersignal sein, das in Europa beispielsweise unter dem Namen DCF77-Signal bekannt ist. Der Vorteil dieser Signale liegt darin, dass sie die einmodulierte Zeitinformation mit einer beliebigen Genauigkeit tragen können. Im Falle der beiden genannten Beispiele sind die Informationen atomuhrgenau und stellen deshalb selbst über Jahre hinweg eine zuverlässige Referenzquelle für die numerische Integration dar.
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In einer Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Erzeugen des Taktsignals mit einem basierend auf der Zeitinformation gesteuerten Oszillator. Unter einem derartigen gesteuerten Oszillator soll nachstehend eine abstimmbare Oszillatorschaltung oder ein abstimmbarer Frequenzgenerator verstanden werden. Diese können beliebig, beispielsweise als digital gesteuerter Oszillator, kurz DCO genannt, als numerisch gesteuerter Oszillator, kurz NCO genannt, oder als spannungsgesteuerter Oszillator, kurz VCO genannt, aufgebaut sein. Als Schaltungen für die gesteuerten Oszillatoren kommen beispielsweise phase locked loops oder auch Wien-Robinson-Brücken in Betracht.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Erzeugen des Taktsignals mit einem Hilfsoszillator, wenn das drahtlos übertragene Signal nicht verfügbar ist. Auf diese Weise können beispielsweise Fahrten mit einem Fahrzeug durch einen Tunnel überbrückt werden, ohne dass das Taktsignal ausfallen würde.
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In einer Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren die Schritte
- – Erzeugen einer absoluten Zeitangabe basierend auf dem Taktsignal, und
- – Verknüpfen des elektrischen Stromes und/oder des Ladestandes mit der absoluten Zeitangabe.
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Da die absolute Zeitangabe basierend auf einem drahtlos übermittelten Signal berechnet wird, ist diese an verschiedenen Orten, wie beispielsweise in verschiedenen Fahrzeugen gleich. Auf diese Weise können die mit der absoluten Zeitangabe verknüpften elektrischen Ströme und/oder die Ladestände, die an verschiedenen Orten aufgenommen worden sind miteinander korreliert werden, was die Auswertemöglichkeiten dieser Größen steigert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Schaltung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erzeugen eines Taktsignals, und
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2 eine Prinzipdarstellung einer Fehlerkurve eines Stromsensors, und
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3 eine Prinzipdarstellung einer Korrekturkurve zur Berücksichtigung der Fehlerkurve des Stromsensors bei der Erzeugung eines Taktsignals zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine Prinzipdarstellung einer Schaltung 2 zum Ausführen eines Verfahrens zum Erzeugen eines Taktsignals 4 zeigt.
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Das Taktsignal 4 wird in der vorliegenden Ausführung in einem abstimmbaren Oszillator 6 erzeugt, der beispielsweise als eine dem Fachmann bekannte rückgekoppelte Phasenschleife, phase locked loop genannt, ausgeführt sein kann. Der abstimmbare Oszillator 6 erhält zum Abstimmen eine Referenzfrequenz 8, die in der vorliegenden Ausführung aus einem drahtlos übertragenen Signal 10 über einen Empfänger 12 gewonnen wird.
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Das drahtlos übertragene Signal 10 kann jedes beliebige Signal sein, aus dem sich eine Periodizität ableiten lässt, die zum Einstellen des Taktsignals 4 geeignet ist. In der vorliegenden Ausführung wird dieses drahtlos übertragene Signal 10 von einem Satelliten 14 zum Versenden von GPS-Signalen oder von einer Antenne 16 zum Versenden von Zeitsynchronisationssignalen abgestrahlt.
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In einer dem Fachmann bekannten Weise enthalten GPS-Signale eine Zeitinformationen anhand derer sich die Lage eines Empfängers der GPS-Signale bestimmen lässt. Details dazu können im einschlägigen Stand der Technik nachgeschlagen werden. In der vorliegenden Ausführung können die Zeitinformationen der GPS-Signale zudem zum Generieren des Taktsignals 4 verwendet werden, indem eine Periode des Taktsignals 4 an den zeitlichen Verlauf dieser Zeitinformationen angeglichen wird. Dazu wird das GPS-Signal zunächst von einer Antenne 18 im Empfänger 12 empfangen und aus dem zeitlichen Verlauf der Zeitinformation die Referenzfrequenz 8 in einem Demodulator 20 demoduliert. Anschließend wird das Taktsignal 4 mit dem abstimmbaren Oszillator 6 basierend auf dieser Referenzfrequenz 8 erzeugt.
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Alternativ kann zur Erzeugung des Taktsignals 4 auch ein dem Fachmann bekanntes Zeitsynchronisationssignal verwendet werden. Ein solches Zeitsynchronisationssignal wird beispielsweise im westlichen Europa durch den Langwellensender DCF77 im Ortsteil Mainflingen in Mainhausen versendet und versorgt die meisten funkgesteuerten Uhren mit der genauen in Deutschland geltenden gesetzlichen Uhrzeit. Dieses Zeitsynchronisationssignal enthält daher in gleicher Weise wie die GPS-Signale eine oder mehrere Zeitinformationen, aus dessen zeitlichen Verlauf in zur oben beschriebenen Weise analog das Taktsignal 4 ableiten lässt.
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Alternativ könnte aber auch die Trägerfrequenz des drahtlos übertragenen Signals 10 selbst zur Erzeugung des Taktsignals 4 verwendet werden, worauf nachstehend der Kürze halber nicht weiter eingegangen werden soll.
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Das erzeugte Taktsignal 4 kann dann über einen Takteingang 22 einer Schaltung 24 zum Berechnen eines Ladestandes 26 einer nicht weiter dargestellten Fahrzeugbatterie zugeführt werden. In dieser Schaltung 24 werden von der Schaltung 24 empfangene Messwerte für einen Strom 28 von oder zu der Fahrzeugbatterie, der mit einem Stromsensor 30 gemessen wurde zeitlich zu dem Ladestand 26 basierend auf dem Taktsignal 4 integriert. Die Integration könnte dabei beispielsweise numerisch ablaufen.
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Der berechnete Ladestand 26 kann dann über eine Kommunikationsschnittstelle 32 in eine Bordnetz 34 eines Fahrzeuges eingespeist werden, in dem auch die nicht dargestellte Fahrzeugbatterie angeordnet ist.
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In der vorliegenden Ausführung wird die Referenzfrequenz 8 mit einem noch zu beschreibenden Korrektursignal 36 korrigiert. In diesem Zusammenhang wird die Referenzfrequenz 8 um eine in 2 gezeigte negative Abweichung 46 eines Temperaturfehlers 40 des Stromsensors 30 prozentual beaufschlagt.
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Das Korrektursignal 36 wird in der vorliegenden Ausführung in einem Konjugator 38 erzeugt, der aus einem Temperaturfehlergenerator 42 einen Temperaturfehler 40 des Stromsensors 30 empfängt und aus diesem das Korrektursignal 36 erzeugt, indem er den Temperaturfehler 40 wie anhand der 2 und 3 verdeutlicht negiert. Durch die Korrektur der Referenzfrequenz 8 mit dem negierten Temperaturfehler 40, also dem Korrektursignal 36, wird bei der Berechnung des Ladestandes 26 der Temperaturfehler 40 des elektrischen Stromes 28 sozusagen neutralisiert.
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Der Temperaturfehlergenerator 42 kann beispielsweise intern einen nicht weiter dargestellten Temperatursensor und eine nicht weiter dargestellte Kennlinie umfassen, wobei der Temperatursensor eine Umgebungstemperatur 44 um den Stromsensor 30 misst. Basierend auf der gemessenen Umgebungstemperatur 44 und der Kennlinie wird der Temperaturfehler 42 ermittelt.
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In den 2 und 3, die eine Prinzipdarstellung der Temperaturfehler 40 des Stromsensors 30 und der Werte des Korrektursignals 36 als Abweichungen 46 in Abhängigkeit einer Temperatur 48 zeigen, ist die Negation der Temperaturfehler 40 zur Erzeugung der Werte des Korrektursignals 36 qualitativ verdeutlicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3216412 C2 [0002]
- DE 102011078548 A1 [0003]
