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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Temperatur in einem Stromsensor.
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Elektrische Ströme in und aus einer Fahrzeugbatterie werden beispielsweise in der
DE 10 2005 039 587 A1 mit einem Stromsensor gemessen, bei dem ein Messelement aus Manganin zwischen zwei als Anschlüsse wirkenden Übergangswiderständen aus Kupfer geschweißt ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung das bekannte Verfahren zur Strommessung 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 einer Temperatur in einem Stromsensor, der ein erstes elektrisch leitfähiges Material und ein zum ersten elektrisch leitfähigen Material in Reihe geschaltenes zweites elektrisch leitfähiges Material umfasst, die beide von einem elektrischen Strom durchflossen werden, umfassend:
- – Erfassen von einem Bezugspotential auf dem ersten oder zweiten elektrisch leitfähigen Material ausgehend eines ersten Spannungsabfalls auf dem ersten elektrisch leitfähigen Material,
- – Erfassen, vorzugsweise vom Bezugspotential ausgehend, eines zweiten Spannungsabfalls auf dem zweiten elektrisch leitfähigen Material, und
- – Ermitteln der Temperatur basierend auf einer Gegenüberstellung des ersten Spannungsabfalls und des zweiten Spannungsabfalls.
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Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass Stromsensoren insbesondere, wenn sie wie eingangs erwähnt zur Messung von elektrischen Strömen in oder aus einer Fahrzeugbatterie eingesetzt werden, im elektrischen Leistungspfad der Batterien verschaltet werden. Insbesondere, wenn die Stromsensoren mit einem sogenannten ohm'schen Shunt oder Messshunt, nachstehend Messelement genannt, aufgebaut werden, im Rahmen dessen der zu messende Strom anhand des am Messshunt durch den zu messenden Strom verursachten Spannungsabfall bestimmt wird, kann diese Verschaltung um Leistungspfad zu deutlich spürbaren negativen Nebenwirkungen aufgrund der auftretenden hohen elektrischen Ströme und der damit verbundenen Verlustleistung führen. Die Hauptursache liegt darin, dass sich das Messelement durch die auftretenden hohen Ströme und damit durch die entstehende Verlustleistung stark erwärmen kann.
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Regelmäßig können Temperaturen von weit über 125°C auftreten. Hierbei kann das Problem in Abhängigkeit der Übergangswiderstände zu den äußeren Kontaktstellen, wie beispielsweise zu den Stromschienen oder Kabeln weiter verschlimmert werden, weil diese durch einen schlechten elektrischen Kontakt beispielsweise im Rahmen von Schraubverbindungen oder korrodierender Anschlussstellen weitaus höhere elektrische Widerstände aufweisen können, so dass an ihnen weitaus höhere elektrische Verlustleistungen abfallen. Das führt dazu, dass sich das Messelement weiter erhitzen kann, was zum Einen eine Gefahr für die in der Nähe zum Stromsensor befindliche Elektronik darstellt. Zum Anderen besteht aber auch für das gesamte System eine deutliche Brandgefahr.
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Ferner beeinflusst die durch die Verlustleistung erzeugte Wärme die Messgenauigkeit der gesamten Messkette, die in der Regel das Messelement, einen Verstärker und einen Analog/Digital-Wandler umfasst. Zwar könnte zur Vermeidung dieses Problems versucht werden, die Messanschlüsse zur Erfassung des Spannungsabfalls über dem Messelement so nah wie möglich am Messelement zu verschalten, der Erfolg dieser Maßnahme ist jedoch äußerst begrenzt.
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Alternativ könnte die Temperatur im Stromsensor gemessen werden. Dies würde es ermöglichen, durch geeignete Kompensationsverfahren, wie beispielsweise Kühlung, Notabschaltung, Leistungsregulierung des Stromkreises oder aber auch rechnerische Kompensation der Messergebnisse, die auftretenden Abweichungen zu kompensieren. Zwar könnte die Temperaturerfassung direkt (am Stromsensor) oder indirekt (in der Nähe des Stromsensors) durch einen platzierten Temperatursensor erfolgen, dieser würde jedoch den benötigten Einzelteilaufwand insbesondere in der Massenproduktion spürbar steigern. Zudem wäre die direkte Temperaturmessung nur mit einem sehr hohen Kostenaufwand zu realisieren, auch wenn sie vergleichsweise zuverlässiger wäre, als die indirekte Temperaturmessung. Alternativ könnte die Verlustleistung erfasst und als Grundlage zur zuvor genannten Kompensation herangezogen werden. Die Genauigkeit der Kompensation ist hierbei jedoch sehr gering.
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Hier setzt das angegebene Verfahren an, dem die Überlegung zugrunde liegt, dass sich im Messelement abhängig von der Temperatur sein elektrischer Widerstand verändert. Mit anderen Worten könnte durch Erfassen des elektrischen Widerstandes des Messelementes und damit des ersten elektrisch leitfähigen Materials die Temperatur unmittelbar bestimmt werden. Am Messelement wird jedoch nicht der elektrische Widerstand sondern der Spannungsabfall erfasst, in dem neben dem sich temperaturabhängig verändernden elektrischen Widerstand auch der zu erfassende elektrische Strom enthalten ist.
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Um diesen elektrischen Strom zu eliminieren, wird mit dem angegebenen Verfahren vorgeschlagen, auch einen Spannungsabfall zu erfassen, in dem wenigstens einer der Übergangswiderstände und damit das zweite elektrisch leitfähige Material enthalten ist. Die Übergangswiderstände und das Messelement weisen voneinander abweichende Temperaturgänge, also verschiedene Spannungs-Temperatur-Kennlinien auf. Das heißt, dass sich der elektrische Widerstand an den Übergangswiderständen und am Messelement je nach Temperatur unterschiedlich entwickelt. Werden die beiden erfassten Spannungsabfälle daher einander beispielsweise durch Quotientenbildung gegenübergestellt, dann wird der elektrische Strom aus der Messung eliminiert und man erhält direkt einen zuverlässigen Messwert für die Temperatur um den Stromsensor, ohne dass ein zusätzlicher Temperatursensor notwendig wäre. Damit kann die Temperatur um den Stromsensor zuverlässig und kostengünstig erfasst werden.
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Prinzipiell kann zum Erfassen der Temperatur um den Stromsensor jeder beliebige, das heißt auch ein extra elektrischer Strom für die Temperaturerfassung verwendet werden. Besonders zweckmäßiger Weise wird jedoch al elektrischer Strom der vom Stromsensor zu messende elektrische Strom verwendet (und im Anschluss durch die Gegenüberstellung eliminiert), weil auf diese Weise keine weiteren elektrischen Zusatzelemente, wie beispielsweise eine eigene Stromquelle verwendet werden müssen.
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Für die Temperaturmessung können das erste elektrisch leitfähige Material und das zweite elektrisch leitfähige Material, an dem die Spannungsabfälle gemessen werden in beliebige elektrische Elemente integriert werden. Jedoch wird als erstes elektrisch leitfähiges Material besonders zweckmäßigerweise das Material des Messelements, also des Messshunt gewählt, an dem die Messspannung abfällt, die vom zumessenden Strom des Stromsensors abhängig ist. Auf diese Weise kann die ohnehin im Stromsensor zur Strommessung vorhandene Struktur zur Messung der Temperatur vollumfänglich mit verwendet werden.
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Zur Messung eines Spannungsabfalls ist bekanntlich ein Bezugspotential notwendig, das in einer besonders günstigen Weiterbildung auf dem Messshunt gelegt wird, weil auf diese Weise lediglich ein weiterer Messpunkt an einer Stelle mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material notwendig ist.
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Das erste und zweite elektrisch leitfähige Material sind nachstehend weit auszulegen. Es ist lediglich wichtig, dass ein Unterschied zwischen den beiden Materialien vorhanden ist. Es kann sich daher prinzipiell um dieselben Materialtypen handeln, wobei der Unterschied beispielsweise in der Länge des Materials oder im Volumen der beiden Materialien liegen kann.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens weist der Stromsensor wenigstens einen Schaltungsanschluss zum Zu- oder Abführen des zu messenden Stromes mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material auf, der mit dem Messshunt verbunden ist. An diesen ohnehin vorhandenen Schaltungsanschluss mit dem vom ersten elektrisch leitfähigen Material verschiedenen zweiten elektrisch leitfähigen Material braucht zur Umsetzung des angegebenen Verfahrens lediglich eine einige zusätzliche elektrische Leitung elektrisch beispielsweise durch Bonden, Löten oder Leitkleben kontaktiert zu werden. Aus allen so erhaltenen Informationen kann dann mit einer geeigneten Signalverarbeitungseinrichtung die Temperatur ausgewertet werden.
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Zum Gegenüberstellen der beiden Spannungsabfälle können beliebige mathematische Operationen wie Subtraktion, Korrelation oder Faltung verwendet werden. Besonders bevorzugt wird im Rahmen einer anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens zum Gegenüberstellen des ersten Spannungsabfalls und des zweiten Spannungsabfalls ein Quotient der beiden Spannungsabfälle gebildet. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass sich die erfassten Spannungsabfälle im Rahmen des ohm'schen Gesetzes aus einem Quotienten des zu erfassenden elektrischen Stromes und des in den jeweiligen erfassten Spannungsabfall eingehenden elektrischen Widerstands zusammensetzen. Der elektrische Strom ist jedoch prinzipbedingt für beide Spannungsabfälle gleich, so dass er sich im Rahmen der zuvor genannten Quotientenbildung herauskürzen lässt.
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Dem so gebildeten Quotienten kann im Rahmen einer weiteren Ausführung des angegebenen Verfahrens in einer Kennlinie eine eindeutige Temperatur als zu messende Temperatur zugeordnet werden. Eine derartige Kennlinie kann programmtechnisch in einfacher Weise in einem Speicher hinterlegt und im Bedarfsfall ohne großen Rechenaufwand abgerufen werden.
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In einer besonderen Weiterbildung kann die eindeutige Temperatur vorab experimentell beispielsweise durch Testreihen bestimmt werden.
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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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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Stromsensor eine angegebene Steuervorrichtung.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine angegebene Steuervorrichtung.
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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 eines Fahrzeuges mit einem elektrischen Antrieb;
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2 eine Prinzipdarstellung eines Stromsensors aus dem Fahrzeuges der 1;
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3 einen Schaltplan des Stromsensors der 2;
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4 Veränderungen der Strommessergebnisse des Stromsensors der 3 über die Temperatur; und
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5 Temperaturmessergebnisse des Stromsensors der 3 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 eines Fahrzeuges 2 mit einem elektrischen Antrieb 4 zeigt.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels soll das Fahrzeug 2 beispielhaft einen Vorderradantrieb aufweisen, in dem der elektrische Antrieb 4 umfasst einen Elektromotor 6 umfasst, der über eine Antriebswelle 8 die Vorderräder 10 des Fahrzeuges 2 antreibt. Die Hinterräder 12 des Fahrzeuges 2 sind daher freilaufende Räder.
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Der Elektromotor 6 des elektrischen Antriebs 4 wird in der vorliegenden Ausführung über einen elektrischen Konverter 14 in einer an sich bekannten Weise aus einer Fahrzeugbatterie 16 mit elektrischer Energie 18 versorgt. Dazu gibt die Fahrzeugbatterie 16 einen elektrischen Strom 20 ab, der dann über den Konverter 14 gesteuert von einer als Motorsteuerung 22 ausgebildeten Steuervorrichtung in die zum Antrieb des Elektromotors 6 geeignete elektrische Energie 18 umgewandelt wird. Dazu steuert die Motorsteuerung 22 den Konverter 14 mit an sich bekannten Steuersignalen an.
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Zur Erfüllung diverser Aufgaben, wie beispielsweise das Ladestandsmanagement der Fahrzeugbatterie 16 muss die Motorsteuerung 22 über einen Stromsensor 24 den von der Fahrzeugbatterie 16 abgegebenen elektrischen Strom 20 erfassen.
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Im Rahmen der vorliegenden Ausführung soll dabei neben dem elektrischen Strom 20 auch eine Umgebungstemperatur 26 um den Stromsensor 24 herum erfasst werden. Zur Verwirklichung dieser beiden Messungen gibt der Stromsensor 24 einen ersten Spannungswert 28 und einen zweiten Spannungswert 30 aus, die nachstehend anhand der 2 und 3 näher erläutert werden sollen, in denen der Stromsensor 24 entsprechend in einer Prinzipdarstellung und als Schaltplan dargestellt ist.
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Der Stromsensor 24 weist in der vorliegenden Ausführung als Messelement einen Messshunt 32 aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material auf, der über zwei Anschlusselemente 34 aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material in den elektrischen Antrieb 4 der 1 elektrisch integriert werden kann. Das erste elektrisch leitfähige Material des Messshunts 32 kann beispielsweise Manganin umfassen und mit den beiden Anschlusselemente 34 beispielsweise verschweißt sein. Das zweite elektrisch leitfähige Material der beiden Anschlusselemente 34 kann beispielsweise Kupfer umfassen. Die beiden Anschlusselemente 34 bilden so einen Übergangswiderstand zwischen den restlichen Schaltungselementen des elektrischen Antriebs 4 und dem Messshunt 32.
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Zur Messung des elektrischen Stromes 20 weist der Stromsensor 24 einen ersten elektrischen Anschluss 36 und einen zweiten elektrischen Anschluss 38 auf, über die in Richtung des elektrischen Stromes 20 gesehen entsprechen ein erstes elektrisches Potential 40 vor dem Messshunt 32 und ein zweites elektrisches Potential 42 nach dem Messshunt 32 erfasst werden können. Die beiden erfassten elektrischen Potentiale 40, 42 werden in der vorliegenden Ausführung einem ersten Differenzverstärker 44 zugeführt. Der erste Differenzverstärker 44 subtrahiert die beiden elektrischen Potentiale 40, 42 voneinander und berechnet so den ersten Spannungsabfall 28, der damit über dem Messshunt 32 abfällt. Basierend auf dem ersten Spannungsabfall 28 kann damit der elektrische Strom 20 bestimmt werden.
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Wie bereits erwähnt, soll neben dem elektrischen Strom 20 auch die Temperatur 26 in der Umgebung des Stromsensors 24 bestimmt werden.
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Dazu weist der Stromsensor 24 einen dritten elektrischen Anschluss 46 auf, der in der vorliegenden Ausführung in Richtung des elektrischen Stromes 20 gesehen auf dem Anschlusselement 34 nach dem Messshunt 32 aufgebracht ist. Über den dritten elektrischen Anschluss 46 wird ein drittes elektrisches Potential 48 erfasst, das gemeinsam mit dem ersten elektrischen Potential 40 einem zweiten Differenzverstärker 50 zugeführt wird, der durch Subtraktion der beiden Potentiale 40, 48 den zweiten Spannungsabfall 30 misst. Der zweite Spannungsabfall 30 umfasst damit eine Spannung, die über dem Messshunt 32 und einem Teil des Anschlusselements 34 abfällt, das in Richtung des elektrischen Stromes 20 gesehen nach dem Messshunt 32 angeordnet ist.
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Aus dem ersten Spannungsabfall
28 und dem zweiten Spannungsabfall
30 kann in nachstehender Weise die Temperatur
26 um den Stromsensor
24 ermittelt werden. Dazu soll nachstehend der Einfachheit halber folgende Messwerttabelle betrachtet werden:
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Die Tabelle besteht in Spaltenrichtung betrachtet aus drei Untertabellen. Dabei sind in den ersten drei Spalten für verschiedene Werte des zu messenden elektrischen Stromes 20 die Entwicklung des ersten Spannungsabfalls 28 über die Temperatur 26 aufgetragen. In den zweiten drei Spalten sind für verschiedene Werte des zu messenden elektrischen Stromes 20 die Entwicklung des zweiten Spannungsabfalls 30 über die Temperatur 26 aufgetragen. In den letzten drei Spalten sind für verschiedene Werte des zu messenden elektrischen Stromes 20 die Entwicklung des Verhältnisses zwischen dem ersten Spannungsabfall 28 und dem zweiten Spannungsabfall 30 über die Temperatur 26 aufgetragen.
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Zum besseren Verständnis der ersten beiden Untertabellen sind in 4 die Abweichungen 52 des ersten Spannungsabfalls 28 und des zweiten Spannungsabfalls 30 von einem festen Bezugspunkt 54 über die Temperatur 26 aufgetragen. In 4 wurde dieser Bezugspunkt 54 bei einer Temperatur 26 von 25°C gewählt.
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Wie aus 4 ersichtlich, sind die Abweichungen 52 der Spannungsabfälle 28, 30 unabhängig vom elektrischen Strom 20, der den Stromsensor 24 durchströmt, so dass allein aus den Abweichungen heraus die Temperatur 26 bestimmt werden könnte. Jedoch müsste für den realen Einsatz jederzeit zunächst ein vorbestimmter Bezugspunkt 54 gemessen werden, von dem aus die Abweichungen 52 bestimmt werden können. Dies kann jedoch anwendungsabhängig nicht möglich oder zumindest sehr zeitaufwändig sein. In der Fahrzeugtechnik können beispielsweise extreme Temperaturschwankungen auftreten. So sind bei einem Fahrzeug Temperaturen von 40°C bis 50°C im Sommer gegenüber –20°C bis –10°C im Winter zu erwarten. Hier könnten sich ernsthafte Probleme aufwerfen, müsste zur Temperaturmessung zunächst der Bezugspunkt von 25°C durchlaufen werden. Zudem bestünde das weitere Problem zu erfassen, wann die 25°C erreicht sind, denn die Verwendung eines Temperatursensors sollte obsolet sein.
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Bei einer genaueren Betrachtung der 4 ist jedoch deutlich erkennbar, dass der Abstand 56 zwischen den Abweichungen 52 des ersten Spannungsabfalls 28 und den Abweichungen 52 des zweiten Spannungsabfalls 30 über die Temperatur 26 betrachtet einen temperaturabhängigen Verlauf aufweist. Ist der Abstand 56 zwischen den Abweichungen 52 des ersten Spannungsabfalls 28 und des zweiten Spannungsabfalls 30 daher bekannt, kann die zu messende Temperatur 26 eindeutig ermittelt werden. Ferner ist dieser Abstand 56 im Gegensatz zu den Spannungsabfällen 28, 30 vom zu messenden Strom 20 unabhängig.
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Ein Maß für den Abstand 56 kann durch jede beliebige Gegenüberstellung des ersten Spannungsabfalls 28 und des zweiten Spannungsabfalls 30 bestimmt werden. Als beispielhaftes Maß wurde in der obigen Tabelle anhand der Quotient 58 zwischen dem ersten Spannungsabfall 28 und dem zweiten Spannungsabfall 30 beispielhaft gezeigt. Deutlich zu sehen ist, dass die einzelnen Quotienten 58 vom zu messenden Strom 20 aber nicht von der zu messenden Temperatur 26 unabhängig sind. Daher kann durch die Quotientenbildung zwischen dem ersten Spannungsabfall 28 und dem zweiten Spannungsabfall 30 die zu messende Temperatur 26 eindeutig bestimmt werden.
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Der Verlauf des Quotienten 58 über die Temperatur 26 ist für die Werte der obigen Tabelle in 5 beispielhaft dargestellt.
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Eine derartige, in 5 gezeigte Kennlinie 60 könnte beispielsweise durch Erfassen einer Messwerttabelle, wie die oben gezeigte Tabelle im Vorfeld aufgezeichnet und dann in einem nicht weiter dargestellten Speicher der Motorsteuerung 22 aus 1 hinterlegt werden. Erhält die Motorsteuerung 22 dann in der in 1 gezeigten Weise die beiden Spannungsabfälle 28, 30 kann sie sich die Temperatur 26 durch Quotientenbildung der beiden Spannungsabfälle 28, 30 und anhand der Kennlinie 60 bestimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005039587 A1 [0002]
