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Batteriesensor zur Erfassung eine Ladestroms und eines Entladestroms einer eine Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie.
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In Fahrzeugen, insbesondere bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, werden Batterien mit hohen Spannungen verwendet. Im Betrieb des Fahrzeugs ist es erforderlich, die Batterieströme permanent zu erfassen, um genaue Aussagen über den Ladezustand der Fahrzeugbatterie treffen zu können. Dies betrifft sowohl die Ladeströme für die Batterie wie auch die Entladeströme der Batterie, also den Stromverbrauch des Fahrzeugs.
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Um die Ladezeiten deutlich zu verkürzen, sind die Ladeströme deutlich größer als die Entladeströme, die im regulären Fahrzeugbetrieb auftreten. Problematisch ist hierbei, die beim Ladezustand auftretenden hohen Ladeströme sowie die im regulären Fahrzeugbetrieb auftretenden Entladeströme mit derselben Genauigkeit zu messen. Die auf die wovon Ladeströme ausgelegten Stromsensoren sind beispielsweise nicht dafür geeignet, die im regulären Fahrzeugbetrieb auftretenden Ströme, die im Vergleich zu den Ladeströmen deutlich geringer sind, mit einer ausreichenden Genauigkeit zu erfassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Batteriesensor bereitzustellen, der gleichermaßen zur Erfassung der Ladeströme wie auch der Entladeströme geeignet ist.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Batteriesensor zur Erfassung eine Ladestroms und eines Entladestroms einer eine Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, vorgesehen, wobei der Batteriesensor einen ersten Strompfad für einen Ladestrom der Batterie aufweist, einen zweiten Strompfad für einen Entladestrom sowie zumindest eine Strommesseinrichtung zur Erfassung des Ladestroms und des Entladestroms. Der erste Strompfad und der zweite Strompfad weisen einen gemeinsamen Leitungsabschnitt auf.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, innerhalb eines Batteriesensors mehrere Strompfade bereitzustellen, die auf die jeweils auftretenden Ladeströme und Entladeströme ausgelegt sind. Um den Herstellungsaufwand möglichst gering zu halten, ist ein gemeinsamer Leitungsabschnitt vorgesehen, der von beiden Strompfaden verwendet wird.
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Neben dem gemeinsamen Leitungsabschnitten hat zumindest einer der Strompfade einen weiteren Leitungsabschnitt. Dieser Leitungsabschnitt kann beispielsweise verwendet werden, um über einen Vorwiderstand die Spannung soweit zu reduzieren, dass der Messbereich einer im gemeinsamen Leitungsabschnitt angeordneten Strommesseinrichtung eine Erfassung der Ströme beider Strompfade mit derselben Genauigkeit ermöglicht. Alternativ können in den separaten Leitungsabschnitten beider Strompfade getrennte Strommesseinrichtungen vorgesehen sein, deren Messbereich auf die jeweils zu erfassenden Ströme ausgelegt sind. Im gemeinsamen Leitungsabschnitt kann eine weitere Strommesseinrichtung vorgesehen sein, um die erfassten Ströme zur plausibilisieren.
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Die Anordnung der Strommesseinrichtungen außerhalb des gemeinsamen Leitungsabschnitts hat den Vorteil, dass die Messgenauigkeit der Strommesseinrichtungen auf den jeweiligen Messbereich abgestimmt werden kann. Eine hochgenaue Strommesseinrichtung für den Entladestrom wird so beispielsweise nicht durch die sehr hohen Ladeströme beansprucht. Dadurch können beispielsweise Alterungsprozesse herausgezögert oder Kalibrierungsintervalle verlängert werden. Unabhängig davon können aber innerhalb des Batteriesensors weitere Komponenten von beiden Strommesseinrichtung verwendet werden, beispielsweise eine Auswerteeinheit. Beispielsweise ist es auch möglich, dass die Strommesseinrichtungen lediglich Messwerte erfassen und diese in einer gemeinsamen Auswerteeinheit verarbeitet werden.
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Vorzugsweise ist der elektrische Widerstand des ersten Strompfades kleiner als der elektrische Widerstand des zweiten Strompfad. Die Stromstärke des Ladestroms ist üblicherweise wesentlich größer als die Stromstärke des Entladestroms. Es ist wichtig, dass der Ladestrom mit einer geringen Verlustleistung zu Batterie geleitet wird. Daher ist es erforderlich, dass der erste Strompfad des Ladestroms einen geringeren Widerstand aufweist.
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Beispielsweise weist der Batteriesensor für den ersten Strompfad einen Ladestromkontakt und für den zweiten Strompfad einen Entladestromkontakt auf, sowie einen Batteriekontakt zu Kontaktierung mit der Fahrzeugbatterie, wobei der gemeinsame Leitungsabschnitt an den Batteriekontakt anschließt.
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann der Batteriesensor einen sich vom Entladestromkontakt zum Batteriekontakt erstreckenden elektrischen Leiter aufweisen, wobei der Ladestromkontakt auf dem elektrischen Leiter zwischen dem Ladestromkontakt und dem Batteriekontakt vorgesehen ist. Der Batteriesensor weist also lediglich einen elektrischen Leiter auf, wobei der Entladestrom durch den gesamten elektrischen Leiter fließt und der Ladestrom lediglich durch einen Teilbereich des elektrischen Leiters, also den gemeinsamen Leitungsabschnitt. Der vorstehend beschriebene Aufbau kann somit durch einen sehr geringen konstruktiven Aufwand hergestellt werden. Insbesondere kann der elektrische Leiter vorab hergestellt werden, wobei in den elektrischen Leiter verschiedene elektrische Widerstände integriert sein können.
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Beispielsweise kann im gemeinsamen Leitungsabschnitt eine Strommessung erfolgen, wobei hierzu im gemeinsamen Leitungsabschnitt zumindest ein erster Messabschnitt vorgesehen ist, wobei der Messabschnitt zumindest eine erste Strommesseinrichtung zur Erfassung eines über den Messabschnitt fließenden Stroms aufweist.
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Optional oder ergänzend kann auch eine Strommessung in den Abschnitten außerhalb des gemeinsamen Leitungsabschnittes erfolgen.
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Hierzu ist beispielsweise im ersten Strompfad außerhalb des gemeinsamen Leitungsabschnitts ein zweiter Messabschnitt vorgesehen ist, wobei der zweite Messabschnitt zumindest eine zweite Strommesseinrichtung aufweist.
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Des Weiteren kann im zweiten Strompfad außerhalb des gemeinsamen Leitungsabschnitten ein dritter Messabschnitt vorgesehen sein, wobei der dritte Messabschnitt zumindest eine dritte Strommesseinrichtung aufweist.
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Die Strommesseinrichtungen außerhalb des gemeinsamen Leitungsabschnitt sind so ausgebildet, dass deren Messbereich jeweils auf die Ladeströme Beziehung Weise die Entladeströme abgestimmt ist. Ist zusätzlich eine Strommesseinrichtung im gemeinsamen Leitungsabschnitt vorgesehen, kann diese auch eine geringere Messgenauigkeit aufweisen, da diese lediglich zur Überprüfung bzw. zur Plausibilisierung der Messwerte der anderen Strommesseinrichtungen verwendet wird.
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Optional kann der Batteriesensor auch eine insbesondere kabellose Empfangseinrichtung zum Empfang eines Strommesswertes, insbesondere eines Strommesswertes für den Ladestrom, aufweisen. Üblicherweise weisen die Ladestationen für Elektrofahrzeuge eine eigene Strommesseinrichtung auf, insbesondere zur Abrechnung des geladenen Stroms. Um die gemessenen Batteriewerte zu plausibilisieren, ist es auch möglich denkbar, die Messwerte dieser Strommesseinrichtung an das Fahrzeug bzw. den Batteriesensor zu übermitteln, und diese mit den Werten des Batteriesensors abzugleichen. Beispielsweise kann eine Strommesseinrichtung innerhalb des Batteriesensors auch überwiegend auf die Entladeströme ausgerichtet und im zweiten Strompfad angeordnet sein während im gemeinsamen Leitungsabschnitt eine Strommesseinrichtung mit einer geringeren Genauigkeit angeordnet ist. Die Messwerte dieser Strommesseinrichtung können mit den empfangenen Strommesswerten der Ladestation abgeglichen und korrigiert werden.
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Für die erste Strommesseinrichtung, die zweite Strommesseinrichtung und die dritte Strommesseinrichtung können verschiedene Strommessprinzipien verwendet werden.
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Beispielsweise können der erste Messabschnitt, der zweite Messabschnitt und/oder der dritte Messabschnitt zumindest einen Messwiderstand aufweisen, wobei die erste Strommesseinrichtung, die zweite Strommesseinrichtung und/oder die dritte Strommesseinrichtung eine Spannungserfassungseinrichtung aufweist, die einen Spannungsabfall über den Messwiderstand erfassen kann. Ist der elektrische Widerstand des jeweiligen Messwiderstandes bekannt, kann aus diesem Grund dem erfassten Spannungsabfall über den Messwiderstand der über den Messwiderstand fließende Strom, also der Ladestrom oder der Entladestrom berechnet werden. Die Messwiderstände können des Weiteren verwendet werden, um die elektrischen Widerstände des ersten Strompfad des und des zweiten Strompfad es entsprechend einzustellen.
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Alternativ oder ergänzend kann auch am ersten Messabschnitt, am zweiten Messabschnitt und/oder am dritten Messabschnitt jeweils zumindest ein magnetischer Stromsensor vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors
- 3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors
- 4 eine Darstellung eines elektrischen Leiters für einen erfindungsgemäßen Batteriesensor.
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In 1 ist ein Ladekonzept 10 für ein Fahrzeug 12 gezeigt. Das Fahrzeug 12 hat eine Batterie 14, elektrische Verbraucher 16 sowie einen Batteriesensor 18. Die elektrischen Verbraucher 16 können beispielsweise eine Fahrzeugelektronik oder Elektromotoren des Fahrzeugs sein. Des Weiteren ist eine Ladestation 20 gezeigt, die an einem Ladestecker 22 am Fahrzeug 12 angeschlossen werden kann, um die Batterie 14 aufzuladen.
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Der Batteriesensor 18 hat einen Ladestromkontakt 24 der mit dem Ladestecker 22 verbunden werden kann, einen Entladekontakt 26, der mit dem elektrischen Verbraucher 16 verbunden ist sowie einen Batteriekontakt 28, der mit der Fahrzeugbatterie 14 verbunden ist.
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Ein erster Strompfad 30 erstreckt sich vom Ladestromkontakt 24 bis zum Batteriekontakt 28. Ein zweiter Strompfad 32 erstreckt sich vom Entladekontakt 26 bis zum Batteriekontakt 28. Wie in 1 zu sehen ist, weisen beide Strompfade 30, 32 einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 34 auf, der sich von einem gemeinsamen Knotenpunkt 36 bis zum Batteriekontakt 28 erstreckt. Der erste Strompfad 30 hat des Weiteren einen ersten Leitungsabschnitt 38, der sich vom Knotenpunkt 36 bis zum Ladestromkontakt 24 erstreckt. Der zweite Strompfad 32 hat einen zweiten Leitungsabschnitt 40, der sich vom Knotenpunkt 36 bis zum Entladekontakt 26 erstreckt.
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Im ersten Leitungsabschnitt 38 ist ein Messwiderstand 42 angeordnet, der in der hier gezeigten Ausführungsform einen elektrischen Widerstand von 10µOhm aufweist. Im zweiten Leitungsabschnitt 40 ist ein Messwiderstand 44 vorgesehen, der einen größeren elektrischen Widerstand aufweist als der Widerstand 42 im ersten Leitungsabschnitt 38, in der hier gezeigten Ausführungsform 50 µOhm.
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An beiden Messwiderständen ist eine Strommesseinrichtung 43, 45 mit jeweils einer Spannungserfassungseinrichtung vorgesehen, die einen Spannungsabfall eines über den jeweiligen Leitungsabschnitte fließenden Stroms über den jeweiligen Messwiderstand 42, 44 erfassen kann. Aus dem jeweils erfassten Spannungsabfall und dem bekannten elektrischen Widerstand des jeweiligen Messwiderstandes 42, 44 kann über das ohmsche Gesetz der über den Leitungsabschnitt 38, 40 fließende Strom berechnet werden.
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Wird eine Verbindung zwischen dem Ladestromkontakt 24 und der Ladestation 20 hergestellt, wird ein erster Stromkreis 46 gebildet, der sich vom der Ladestation 20 über den ersten Strompfad 30 zu Batterie 14 erstreckt. Von der Batterie 14 wird der zu Ladestation 20 hin geschlossen, wobei der erste Stromkreis 46 über den elektrischen Verbraucher 16 erstrecken kann. Über diesen ersten Stromkreis 46 kann die Fahrzeugbatterie 14 geladen werden.
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Wie in 1 zu sehen ist, erstreckt sich der erste Stromkreis 46 lediglich über den ersten Strompfad 30 und somit nur über den ersten Messwiderstand 42. Vorzugsweise erstreckt sich der der zweite Stromkreis 46 nicht über dne Verbraucher 16. In dieser ausführungsform liegen der zweite Messwiderstand 44 sowie der Entladekontakt 26 und somit ein Teil des zweiten Strompfades 32 außerhalb des ersten Stromkreises 46.
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Wird die Verbindung zu Ladestation 20 getrennt, wird ein zweiter Stromkreis 48 vom Strom durchflossen, der die Fahrzeugbatterie 14, den zweiten Strompfad 32 sowie die Fahrzeugelektronik 16 beinhaltet. Über den zweiten Stromkreis 48 wird der elektrische Verbraucher 16 im regulären Fahrzeugbetrieb mit Strom versorgt, wobei über den Messwiderstand 44 und die an diesem angeordnete Spannungserfassungseinrichtung eine Messung des Stromverbrauchs erfolgt.
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Beide Stromkreise 46, 48 teilen sich hierbei einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 34, der unmittelbar an den Batteriekontakt 28 anschließt. Somit ist nur ein Kontakt zwischen dem Batteriesensor 18 der Batterie 14 erforderlich.
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Die Anschlüsse für die Ladestation 20 sowie die Verbraucher 16 sind aber getrennt ausgeführt, sodass über die außerhalb des gemeinsamen Leitungsabschnitts 34 liegenden Leitungsabschnitte 38, 40 eine Auslegung der Strompfade 30, 32 an die jeweils auftretenden Stromstärken möglich ist. Insbesondere ist der elektrische Widerstand des ersten Messwiderstand 42 sehr klein, sodass ein möglichst verlustarmes Laden der Fahrzeugbatterie möglich ist. Insbesondere kann durch den geringen elektrischen Widerstand des ersten Messwiderstandes 42 verhindert werden, dass sich der Messwiderstand aufgrund des hohen Ladestroms zu stark erwärmt, was zum einen zu einer starken Verlustleistung führen würde, und zum anderen zu einer Veränderung des elektrischen Widerstandes des Messwiderstandes 42 führen könnte.
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Der elektrische Widerstand des zweiten Messwiderstandes 44 ist größer gewählt, sodass ein größerer Spannungsabfall durch den Entladestrom entsteht. Dadurch kann eine Messung des Entladestroms mit einer größeren Genauigkeit erfolgen. Die zumindest abschnittsweise Trennung des ersten Strompfades 30 und des zweiten Strompfades 32 hat den Vorteil, dass die hohen Ladeströme nicht über die Strommesseinrichtung des zweiten Stromkreis 32 fließen. Die hohen Ströme hätten eine starke Belastung und/oder Erwärmung der Strommesseinrichtung bzw. des Messwiderstandes 44 zur Folge, wodurch dieser schneller altern könnten oder häufiger kalibriert werden müssten.
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Optional kann, um den Ladestrom genauer bestimmen zu können, eine Empfangseinrichtung vorgesehen sein, die Messwerte einer externen Strommesseinrichtung empfangen kann. Diese Empfangseinrichtung kann kabellos ausgebildet sein oder über ein Kabel, beispielsweise mit dem Ladestrom Kontakt 24 mit dem Batteriesensor 18 verbunden sein.
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Beispielsweise kann die externe Strommesseinrichtung Teil der Ladestation 20 sein, da hier eine sehr genaue Strommessung für die Abrechnungen des geladenen Stroms erfolgt. Die gemessenen Stromwerte können über die Empfangseinrichtung an den Batteriesensor 18 übermittelt werden und von diesem zur Verbesserung der Messgenauigkeit berücksichtigt werden.
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In der hier gezeigten Ausführungsform erfolgt die Strommessung sowohl im ersten Strompfad 30 wie auch im zweiten Strompfad 32 durch eine Erfassung eines Spannungsabfalls über einen Messwiderstand 42, 44. Alternativ können auch andere Messverfahren verwendet werden, beispielsweise magnetische Messverfahren. Insbesondere zur Erfassung des Ladestroms können auch Messverfahren mit einer geringeren Messgenauigkeit verwendet werden.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform lediglich darin, dass anstelle des ersten Messwiderstandes 42 eine Strommesseinrichtung 43 basierend auf einem magnetischen Prinzip verwendet wird. Somit kann der elektrische Widerstand des ersten Strompfad des 30 weiter reduziert werden.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform weist der erste Abschnitt 38 des ersten Strompfades 30 keinen Messwiderstand auf. Stattdessen ist ein dritter Messwiderstand 50 mit einer Strommesseinrichtung 51 im gemeinsamen Leitungsabschnitt 34 vorgesehen. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass der Entladestrom mit beiden Strommesseinrichtungen 45, 51 ermittelt werden kann, sodass eine Plausibilisierung der gemessenen Stromwerte erfolgen kann. Des Weiteren kann mit der Strommesseinrichtung 51 auch der Ladestrom ermittelt werden, wobei die zweite Strommesseinrichtung 45 im zweiten Abschnitt 40 des zweiten Strompfades 32 nicht im ersten Stromkreis liegt und somit nicht durch den Ladestrom belastet wird.
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In 4 ist ein elektrischer Leiter für den in 3 dargestellten Batteriesensor 18 gezeigt. Der elektrische Leiter wird aus einem Grundmaterial 54 ausgeschnitten, dass einen ersten Abschnitt 56, einen zweiten Abschnitt 58 und ein länglichen Widerstandsabschnitt 60 aufweist. Der erste Abschnitt 56 und der zweite Abschnitt 58 bestehend aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung. Der längliche Widerstandsabschnitt 60 besteht aus einem Widerstandsmaterial, beispielsweise einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, die einen geringeren Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes aufweist.
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Der elektrische Leiter wird aus dem Grundmaterial 54 ausgeschnitten, wobei der erste Messwiderstand 42 und der dritte Messwiderstand 48 jeweils aus dem Widerstandsabschnitt 60 ausgeschnitten werden und die übrigen Leitungsabschnitte aus den beiden Abschnitten 56, 58. Der Batteriekontakt und der Entladekontakt sind hierbei auf dem zweiten Abschnitt 58 vorgesehen, der Ladestromkontakt auf den ersten Abschnitt 56.
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Die erste Strompfad 30 ist zwischen dem Ladestromkontakt und die Batteriekontakt gebildet, sodass der Ladestrom nur durch einen Widerstand, nämlich den dritten Messwiderstand 48 geströmt. Der zweite Strompfad 32 ist zwischen dem Entladestromkontakt und dem Batteriekontakt gebildet, sodass der Entladestrom über beide Messwiderstände 44, 48 geströmt.
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Wie in 4 zu sehen ist, sind beide Messwiderstände 44, 48 gleich lang, wobei die Breite der Messwiderstände 44, 48 unterschiedlich ist. Der dritte Messwiderstand 48 ist wesentlich breiter ausgebildet, sodass diese einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist. Durch die Breite der Messwiderstände 44, 48 lassen sich somit auf einfache Weise unterschiedliche elektrische Widerstände realisieren.
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Unabhängig von den hier gezeigten Ausführungsformen können in den einzelnen Abschnitten auch andere und/oder mehrere Strommesseinrichtungen angeordnet sein, um die Messgenauigkeit zu verbessern.
