DE102014219238A1 - Overcurrent detection in the current sensor with Hall sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stromes (20) in einem Fahrzeug, umfassend – Erfassen eines Spannungsabfalls (42) an einem vom zu messenden Strom (20) durchflossenen Leiter (28), – Erfassen eines vom zum messenden elektrischen Strom (20) um den Leiter (28) aufgebauten Magnetfeldes (64), – Ausgeben eines Messwertes (26) für den zu messenden Strom (20) basierend auf dem erfassten Spannungsabfall (42) und dem erfassten Magnetfeld (64).The invention relates to a method for measuring an electric current (20) in a vehicle, comprising detecting a voltage drop (42) on a conductor (28) through which the current to be measured (20), detecting an electric current to be measured (20 ) generating a measured value (26) for the current to be measured (20) based on the detected voltage drop (42) and the detected magnetic field (64).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Stromes, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Stromsensor mit der Steuervorrichtung.The invention relates to a method for detecting a current, a control device for carrying out the method and a current sensor with the control device.
Aus der
Der Stromsensor wird in einem Fahrzeug, beispielsweise zur Überwachung des Ladestandes der Fahrzeugbatterie eingesetzt. Hierbei sollte der Stromsensor aus Sicherheitsgründen mit einer Eigenüberwachung ausgestattet werden, im Rahmen dessen sich Fehler, wie beispielsweise ein Überstrom detektieren lassen. In einem herkömmlichen mit einer Eigenüberwachung ausgestatteten Stromsensor wird der Spannungsabfall dazu in einem zweiten, von der Signalverarbeitungseinrichtung unabhängigen Signalweg einem vorbestimmten Spannungspegel gegenübergestellt und, wenn der Spannungsabfall den vorbestimmten Spannungspegel übersteigt, auf den zu detektierenden Fehler entschieden. The current sensor is used in a vehicle, for example for monitoring the charge level of the vehicle battery. For reasons of safety, the current sensor should be equipped with self-monitoring in the context of which faults, such as an overcurrent, can be detected. In a conventional current sensor equipped with self-monitoring, the voltage drop in a second signal path independent of the signal processing means is compared with a predetermined voltage level and, if the voltage drop exceeds the predetermined voltage level, decided on the fault to be detected.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannte Strommessung zu verbessern.It is an object of the present invention to improve the known current measurement.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is solved by the features of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Messen eines Stromes, die Schritte Erfassen eines Spannungsabfalls an einem vom zu messenden Strom durchflossenen Leiter, Erfassen eines vom zu messenden Strom um den Leiter aufgebauten Magnetfeldes und Ausgeben eines Messwertes für den zu messenden Strom basierend auf dem erfassten Spannungsabfall und dem erfassten Magnetfeld.According to one aspect of the invention, a method of measuring a current includes steps of detecting a voltage drop across a conductor through which the current to be measured, detecting a magnetic field generated from the current to be measured around the conductor, and outputting a measurement value for the current to be measured based on the current detected voltage drop and the detected magnetic field.
Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass der oben genannte, von der Signalverarbeitungseinrichtung unabhängige Signalweg zur Bereitstellung der Eigenüberwachung einen hohen technischen Aufwand an Redundanz erforderlich macht, der sich insbesondere in einer hohen Anzahl an elektronischen Bauteilen durch redundant ausgeführte Komparatoren niederschlägt. Diese redundanten elektronischen Bauteile benötigen nicht nur einen hohen Platzbedarf sondern sind auch vergleichsweise kostenintensiv.The specified method is based on the consideration that the above-mentioned, independent of the signal processing device signal path to provide self-monitoring requires a high technical complexity of redundancy, which is reflected in particular in a large number of electronic components by redundant comparators. These redundant electronic components not only require a lot of space but are also relatively expensive.
Hier greift das angegebene Verfahren mit dem Vorschlag an, den von der Signalverarbeitungseinrichtung unabhängigen Signalweg nicht bereits über die Erfassung des Spannungsabfalls sondern über die Erfassung eines durch den zu messenden Stromes verursachten Magnetfeldes zu führen. Auf diese Weise können für die Eigenüberwachung des Stromsensors kostengünstige Magnetfeldsensorelemente, wie beispielsweise Hall-Sensorelemente verwendet werden, die sich wesentlich kostengünstiger und auch platzsparender realisieren lassen.Here, the specified method attacks with the suggestion that the signal path independent of the signal processing means does not already lead via the detection of the voltage drop but via the detection of a magnetic field caused by the current to be measured. In this way, cost-effective magnetic field sensor elements, such as Hall sensor elements can be used for self-monitoring of the current sensor, which can be realized much cheaper and more space-saving.
Magnetfeldsensorelemente können bereits herstellerseitig so konfiguriert werden, dass sie die Messwerte digital ausgeben. Das hat den Vorteil, dass der bei der für die Eigenüberwachung auf einen Überstrom notwendige vorbestimmte Spannungspegel ebenfalls digital vorgegeben und direkt mit der Ausgabe aus dem Magnetfeldsensorelement verglichen werden kann. Im Gegensatz zur oben genannten Eigenüberwachung, im Rahmen derer der vorbestimmte Spannungspegel in der Regel über eine Pulsweitenmodulation o.ä. generiert werden muss, lässt sich im Rahmen des angegebenen Verfahrens die Komplexität eines das angegebene Verfahren verwendenden Stromsensors deutlich senken. Dies macht sich auch in den Ansprechzeiten bemerkbar, die sich von derzeit ca. 20ms bei Änderungen des zu messenden Stromes auf weniger als 10µs senken lassen könnten.Magnetic field sensor elements can already be configured by the manufacturer so that they output the measured values digitally. This has the advantage that the predetermined voltage level necessary for the self-monitoring of an overcurrent can likewise be digitally predefined and compared directly with the output from the magnetic field sensor element. In contrast to the above-mentioned self-monitoring, in the context of which the predetermined voltage level usually via a pulse width modulation or similar. must be generated, the complexity of a current sensor using the specified method can be significantly reduced in the specified method. This is also noticeable in the response times, which could be reduced from the current approx. 20 ms with changes in the current to be measured to less than 10 μs.
Darüber hinaus lässt sich aus dem erfassten Magnetfeld der Messwert für den zu messenden Strom völlig unabhängig vom Spannungsabfall am Messshunt bestimmen. Dieses Prinzip kann selbst dann angewendet werden, wenn alle elektrischen Bauteile auf einer gemeinsamen Leiterplatte verschaltet sind. Dies steigert die Zuverlässigkeit und die Ausfallsicherheit eines das angegebene Verfahren anwendenden Stromsensors deutlich. Die Zuverlässigkeit ist zudem besonders hoch, weil zur Erfassung des Spannungsabfalls am Messshunt bei der Erfassung des Magnetfeldes kein Sensorelement mit hochspannungsführenden Teilen in Kontakt gebracht zu werden braucht. Je nach verwendetem Magnetfeldsensorelement zur Erfassung des Magnetfeldes kann der Messwert für den zu messenden Strom beliebig analog oder digital, jeweils stufenweise oder stufenlos ausgegeben werden.In addition, the measured value for the current to be measured can be determined completely independently of the voltage drop at the measuring shunt from the detected magnetic field. This principle can be applied even if all electrical components are interconnected on a common circuit board. This significantly increases the reliability and reliability of a current sensor applying the specified method. The reliability is also particularly high because no sensor element with high-voltage-carrying parts needs to be brought into contact with the detection of the voltage drop at the measuring shunt during the detection of the magnetic field. Depending on the used magnetic field sensor element for detecting the magnetic field of the measured value for the current to be measured can be arbitrarily analog or digital, each output stepwise or continuously.
Die eingesetzten Magnetfeldsensorelemente sind zudem in der Regel bereits durch den Hersteller kalibriert und lassen sich unmittelbar in einem, das angegebene Verfahren ausführenden Stromsensor verbauen. Eine Kalibrierung durch den Hersteller des Stromsensors ist nicht mehr notwendig, was sich in reduzierten Taktzeiten bei der Herstellung des Stromsensors bemerkbar macht.In addition, the magnetic field sensor elements used are usually already calibrated by the manufacturer and can be installed directly in a current sensor performing the specified method. A calibration by the manufacturer of the current sensor is no longer necessary, which manifests itself in reduced cycle times in the production of the current sensor.
Ferner weisen Magnetfeldsensorelemente auch eine höhere Temperaturstabilität auf, wodurch die Eigenüberwachung des Stromsensors besonders zuverlässig realisiert werden kann. Further, magnetic field sensor elements also have a higher temperature stability, whereby the self-monitoring of the current sensor can be realized particularly reliable.
Bei der Ausgabe des Messwertes für den zu messenden Strom können auch weitere Größen erfasst und berücksichtigt werden. So kann beispielsweise im Rahmen eines elektrischen Leiters in Form eines aktiven Messshunts der Spannungsabfall über dem aktiven Messshunt sowie seine Ansteuerung erfasst werden, die notwendig ist, den Spannungsabfall über dem Messshunt konstant zu halten. Diese Ansteuerung, beispielsweise in Form eines Ansteuersignals kann dann ebenfalls bei der Ausgabe des Messwertes berücksichtigt werden.When outputting the measured value for the current to be measured, other quantities can also be recorded and taken into account. For example, in the context of an electrical conductor in the form of an active measuring shunt, the voltage drop across the active measuring shunt and its control can be detected, which is necessary to keep the voltage drop across the measuring shunt constant. This control, for example in the form of a drive signal can then also be taken into account in the output of the measured value.
In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird der Messwert für den Strom basierend auf dem erfassten Spannungsabfall bestimmt und der so bestimmte Messwert basierend auf einer Gegenüberstellung mit dem erfassten Magnetfeld ausgegeben. Die Gegenüberstellung in dem angegebenen Verfahren kann beispielsweise als Verifizierung dienen, ob der zu messende Strom durch den Messshunt richtig erfasst wird. Die Verifizierung kann dabei beliebig erfolgen und ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren eingeschränkt.In a development of the specified method, the measured value for the current is determined based on the detected voltage drop, and the thus determined measured value is output based on a comparison with the detected magnetic field. The comparison in the specified method can, for example, serve as a verification as to whether the current to be measured is detected correctly by the measuring shunt. The verification can be arbitrary and is not limited to a particular method.
In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst die Gegenüberstellung mit dem erfassten Magnetfeld eine Plausibilisierung des Messwertes basierend auf dem erfassten Magnetfeld. Unter einer Plausibilisierung soll ein Verfahren verstanden werden, im Rahmen dessen der Messwertwert für den zu messenden Strom überschlagsmäßig daraufhin überprüft wird, ob der Messwert annehmbar, einleuchtend und/oder nachvollziehbar sein kann oder nicht. Als Grundlage für diese Plausibilisierung braucht das erfasste Magnetfeld daher nicht mit sehr niedrigen Toleranzen erfasst werden, sondern es muss nur eine ausreichende Grundlage dafür bieten, dass überhaupt erkannt werden kann, ob der basierend auf dem Spannungsabfall bestimmte Messwert stimmen kann oder nicht. Auf diese Weise können zur Erfassung des Magnetfeldes kostengünstige elektronische Bauelemente verwendet werden, die die Kosten eines das angegebene Verfahren ausführenden Stromsensors senken.In an additional development of the specified method, the comparison with the detected magnetic field includes a plausibility check of the measured value based on the detected magnetic field. A plausibility check should be understood to mean a method in which the measured value for the current to be measured is checked by way of a rough estimate as to whether the measured value can be acceptable, reasonable and / or comprehensible or not. As a basis for this plausibility check, therefore, the detected magnetic field need not be detected with very low tolerances, but it must only provide a sufficient basis for ever being able to determine whether or not the measured value determined based on the voltage drop can be correct. In this way, low-cost electronic components can be used to detect the magnetic field, which reduce the cost of a current sensor executing the specified method.
In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens schlägt die Plausibilisierung fehl, wenn ein sich aus dem erfassten Magnetfeld ergebender Stromwert einen vorbestimmten Wert überschreitet. Im Rahmen dieser Plausibilisierung wird eine Messung mit dem das angegebene Verfahren ausführenden Stromsensor in einem Messbereich erkannt, für den der Stromsensor nicht ausgelegt ist, und die Richtigkeit der basierend auf dem Spannungsabfall bestimmten Stromwerte nicht mehr als sichergestellt angenommen werden können.In a particular development of the specified method, the plausibility check fails if a current value resulting from the detected magnetic field exceeds a predetermined value. As part of this plausibility check, a measurement is detected with the current sensor performing the specified method in a measuring range for which the current sensor is not designed, and the correctness of the current values determined based on the voltage drop can no longer be assumed to be ensured.
In einem derartigen Fall kann beispielsweise ein Fehler ausgegeben werden, dass dann beispielsweise einen Überstrom anzeigen kann. Der besondere Vorteil des angegebenen Verfahrens ist, dass die Fehlererkennung und -weiterleitung an eine übergeordnete Signalverarbeitungseinrichtung über einen komplett von der Messwerterfassung verschiedenen Signalpfad erfolgen kann. In such a case, for example, an error may be output that may then indicate, for example, an overcurrent. The particular advantage of the specified method is that the error detection and forwarding to a higher-level signal processing device can take place via a signal path that is completely different from the measured value acquisition.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.According to a further aspect of the invention, a control device is set up to carry out a method according to one of the preceding claims.
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.In a development of the specified control device, the specified device has a memory and a processor. The specified method is stored in the form of a computer program in the memory and the processor is provided for carrying out the method when the computer program is loaded from the memory into the processor.
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.According to a further aspect of the invention, a computer program comprises program code means for performing all the steps of one of the specified methods when the computer program is executed on a computer or one of the specified devices.
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.In accordance with another aspect of the invention, a computer program product includes program code stored on a computer-readable medium and, when executed on a data processing device, performs one of the specified methods.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Stromsensor zum Erfassen eines Stromes einen elektrischen Leiter, der vom zu erfassenden Strom durchströmbar ist, ein erstes Sensorelement zum Erfassen eines Spannungsabfalls am elektrischen Leiter, ein zweites Sensorelement zum Erfassen eines um den elektrischen Leiter aufbaubaren Magnetfeldes, und eine der angegebenen Steuervorrichtungen zum Bestimmen des Stromes basierend auf dem Spannungsabfall und dem Magnetfeld.According to a further aspect of the invention, a current sensor for detecting a current comprises an electrical conductor through which the current to be detected can flow, a first sensor element for detecting a voltage drop across the electrical conductor, a second sensor element for detecting a magnetic field that can be built up around the electrical conductor, and one of the stated control devices for determining the current based on the voltage drop and the magnetic field.
Das zweite Sensorelement zum Erfassen des Magnetfeldes kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein. Aus Kostengründen sollte das zweite Sensorelement in einer Weiterbildung des angegebenen Sensors ein Hall-Sensor sein.The second sensor element for detecting the magnetic field can in principle be of any desired design. For cost reasons, the second sensor element should be a Hall sensor in a development of the specified sensor.
In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors sollte ein Abstand zwischen dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement einen vorbestimmten Abstand unterschreitet. Der vorbestimmte Abstand sollte dabei derart gewählt werden, dass beide Sensorelemente so nah wie aneinander positioniert sind, so dass beide Sensorelemente auch wirklich denselben Strom messen und nicht beispielsweise strukturelle Unterschiede im Messshunt zu unterschiedlichen Messergebnissen führen.In another embodiment of the specified sensor, a distance between the first sensor element and the second Sensor element falls below a predetermined distance. The predetermined distance should be chosen such that both sensor elements are positioned as close as possible to each other, so that both sensor elements actually measure the same current and not, for example, structural differences in the measurement shunt lead to different measurement results.
In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Sensors kann eine Messtoleranz des zweiten Sensorelementes größer sein, als eine Messtoleranz des ersten Sensorelementes. Auf diese Weise können für das zweite Sensorelement gegenüber dem ersten Sensorelement kostengünstige elektronische Bauelemente verwendet werden, wodurch die Herstellungskosten des angegebenen Sensors gesenkt werden können.In a particular embodiment of the specified sensor, a measurement tolerance of the second sensor element may be greater than a measurement tolerance of the first sensor element. In this way, inexpensive electronic components can be used for the second sensor element relative to the first sensor element, whereby the manufacturing cost of the specified sensor can be reduced.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug einen der angegebenen Sensoren.According to another aspect of the invention, a vehicle includes one of the specified sensors.
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:The above-described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in connection with the drawings, wherein:
In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.In the figures, the same technical elements are provided with the same reference numerals and described only once.
Es wird auf
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels soll das Fahrzeug
Der Elektromotor
Zur Erfüllung diverser Aufgaben, wie beispielsweise das Ladestandsmanagement der Fahrzeugbatterie
Im Rahmen der vorliegenden Ausführung gibt der Stromsensor
Der Stromsensor
Zur Messung des elektrischen Stromes
Der Messshunt
Als aktiver Messshunt weist der Messshunt
In
Dazu erfasst die Auswerteschaltung
Der Regelkreis
Weitere Details zu einem aktiven Messshunt können der bereits genannten
Im Rahmen der vorliegenden Ausführung soll der elektrische Strom
Zur redundanten Messung des elektrischen Stromes
Das Hall-Element
Die Plausibilisierungseinrichtung
Im Rahmen der vorliegenden Ausführung wird der redundante Messwert
Das Fehlersignal
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