WO2005005998A1 - Messverfahren und messanordnung zum messen von strömen mit grossen dynamikbereich - Google Patents

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WO2005005998A1
WO2005005998A1 PCT/EP2004/007420 EP2004007420W WO2005005998A1 WO 2005005998 A1 WO2005005998 A1 WO 2005005998A1 EP 2004007420 W EP2004007420 W EP 2004007420W WO 2005005998 A1 WO2005005998 A1 WO 2005005998A1
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PCT/EP2004/007420
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Inventor
Norbert Preusse
Stefan Schäfer
Friedrich Lenhard
Original Assignee
Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G01R15/183—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using transformers with a magnetic core
    • G01R15/185—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using transformers with a magnetic core with compensation or feedback windings or interacting coils, e.g. 0-flux sensors

Definitions

  • the invention relates to a measuring method and a measuring arrangement for measuring currents with a large dynamic range, in particular for measuring the battery current in a motor vehicle.
  • the magnetic field probe 2 should have a very small, preferably vanishing, offset.
  • the offset is the output signal of the probe when the magnetic field is zero. If the probe signal is also not zero in this case, the probe has an offset, which causes a clear error of the sensor in the range of small currents.
  • Hall IC can be used as a magnetic field probe. Hall ICs usually have a very clear offset, which can lead to measurement errors of the current sensor in the range of 0.5 A. However, it is possible to use electronic offset Measures to be largely eliminated on the Hall IC or by calibrating the current sensor.
  • a magnetic probe for example according to EP 0 294 590, is simpler and more precise, in particular with regard to the temperature dependence of the current sensor. Since the symmetry of a soft magnetic metal strip is queried here by the evaluation electronics, this magnetic field probe works as a zero field detector practically offset-free and temperature-independent. Such a probe is indicated schematically in FIG. 1 as a magnetic field probe 2.
  • a magnetic core 1 which is used in connection with a magnetic probe according to EP 0 294 590, preferably according to EP 1 010 014, is composed of two or more parts, which are joined together partially overlapping and a pocket in the area of the air gap for have the magnetic field probe 2.
  • the current sensor can be mounted by assembling the core over conductors of any shape and the probe is protected against external disturbing magnetic field influences.
  • the accuracy of such a current sensor in the range of small currents is determined by the hysteresis properties of the magnetic core 1.
  • the magnetization curve of practically every soft magnetic material - in particular that of the NiFe materials mostly used here for cost reasons - shows a clear hysteresis. This means that even without an external magnetic field, a remanent magnetic flux remains in such a core, the strength of which depends on the history of the magnetic core. Prehistory means the field strengths and field directions, to which the core was exposed at low currents before the measurement.
  • this remanence therefore also causes a certain magnetic field at the probe even with a primary current of zero and thus simulates the current sensor with a primary current that is not present.
  • This measurement error for small currents is typically between 50 and 100 mA if the current sensor has previously seen currents near or above the upper measuring range limit. Measured error curves when the current sensor is driven up to beyond the upper measuring range limit are shown in FIG. 2. This modulation partially brings the sensor core into saturation, thus causing the greatest remanence when the primary current is reduced to zero.
  • the measurement curves in FIG. 2 are recorded with current sensors with an offset-free magnetic probe according to EP 0 294 590. However, they would also occur in the case of current sensors with Hall IC as a magnetic field probe if the offset of the Hall IC, which is generally considerably larger than that caused by the remanence of the magnetic core, can be eliminated.
  • the remanence of the magnetic core limits the measuring range of a compensation current sensor downwards.
  • the current sensor used in the described battery management system of "Power Electronics Europe Magazine", edition 4/2001 has a two-stage structure.
  • the battery current sensor shown schematically in FIG. 3 has an additional low current stage 5 in addition to the compensation current sensor 1 to 3 operating here as a high current stage.
  • This low current stage is based on that described in EP 0 960 342 Principle as a wound toroidal core made of amorphous soft magnetic metal. It works with mutual magnetization, is therefore offset-free and has a very high resolution in the range of small currents.
  • such sensors are not suitable for measuring high currents, so that the two-stage structure is absolutely necessary.
  • the disadvantage of this existing battery current sensor, which technically fulfills all requirements is therefore this two-stage structure with two different functional principles, which doubles the effort both on the magnetic module side and on the evaluation electronics side.
  • the voltage drop to be measured is so small that the measurement can be easily disturbed by electromagnetic radiation and sufficient accuracy can only be ensured with a very high level of electronic circuitry.
  • This problem is exacerbated when measuring the current on the plus side of the battery, since the possible fluctuation of the reference potential with the battery voltage is then several orders of magnitude larger than the voltage to be measured.
  • These solutions therefore either require a very high level of electronic complexity or do not meet the accuracy and immunity requirements.
  • Another solution to the problem is conceivable, which, according to the schematic illustration in FIG. 4, consists of the combination of a shunt resistor and the low-current sensor from FIG.
  • the resistance value of the shunt can be reduced. This reduces the heating problems at high currents.
  • the voltage drop at the lower end of the shunt measuring range can be kept one or two larger sizes higher than when a shunt is used exclusively. The measurement is therefore considerably more immune to interference and requires less electronic effort.
  • the object of the invention is to provide a measuring arrangement and a measuring method for measuring currents with a large dynamic range and in particular for detecting the battery current of a motor vehicle while meeting the aforementioned requirements, in which the disadvantages described do not occur.
  • the advantage of the invention is that only a single measuring element is required, that the current sensor for carrying out the method can be manufactured extremely cost-effectively and that it is very flexible with regard to the integration into the circuit.
  • the invention is based on the following considerations:
  • a simple microprocessor will be available to operate the digital interface (GAN bus) alone. This microprocessor can then be used for simple control and computing tasks in connection with the current measurement without incurring any additional costs. At one in one Control unit integrated solution, such tasks are certainly not a problem.
  • the measuring method according to the invention for measuring currents with a large dynamic range uses a magnetic measuring module which has a magnetic core with at least one compensation coil surrounding it, an air gap and a core opening.
  • a magnetic field probe is arranged in the air gap and a primary conductor conducting the current to be measured is guided through the opening of the magnetic core.
  • the voltage drop between spaced locations of the Primary current conductor can be measured and evaluated as a measure of the current flowing through it.
  • the current measurement is preferably calibrated by measuring the voltage drop during operation below the current threshold value by measuring the current with the magnetic module.
  • the temperature of the primary conductor can also be measured and the current measurement can be corrected by measuring the voltage drop using the temperature measurement.
  • the high-current mode can include a current measurement based on the compensation principle and / or a current measurement based on the principle of voltage measurement via a shunt resistor.
  • the primary current conductor can have contacts at certain intervals, at which the voltage drop across the primary current conductor is measured in addition to the current measurement with the magnetic module.
  • the current measurement via the voltage drop can be calibrated using the magnetic module.
  • a device for temperature measurement can be provided, the current measurement being corrected by measuring the voltage drop by means of the temperature measurement.
  • the magnetic module can also have a second compensation coil which is connected in series / parallel to the first compensation coil and is wound on the magnetic core at a different location than the first compensation coil.
  • the magnetic field probe can consist of a wound core made of soft magnetic nanocrystalline or amorphous metal.
  • control and evaluation circuit which is connected at least between the magnetic field probe and the compensation coil, preferably has a microprocessor.
  • FIG. 1 shows the typical structure of a compensation current sensor according to the prior art
  • FIG. 2 typical error curves of current sensors according to FIG. 1, provided that the magnetic field probe has no offset
  • FIG. 4 shows the construction of a two-stage current sensor for battery current measurement according to the prior art
  • FIG. 5 shows a measuring module and a measuring method for the low current range according to the invention
  • FIG. 6 measurement results on a measurement module according to FIG. 1 using the measurement method according to the invention
  • FIG. 7 shows a measuring module with two compensation coils and a corresponding measuring method for the low current range according to the invention
  • FIG. 8 shows a measuring module with two compensation coils and a voltage tap on the primary conductor and a corresponding measuring method for the low-current range according to the invention.
  • the invention is based on the use of a compensation current sensor which operates in its normal operating mode above a limit of, for example, 1 A. If the current to be measured falls below this limit, the evaluation electronics switch to a low current mode. In this mode, each measuring point is determined by the following sequence, shown schematically in FIG.
  • the mode of operation of this method is evident when looking at the error curve in FIG. 2.
  • the hysteresis curve is symmetrical. This means that the additional current value simulated by the remanence of the magnetic core, if the core was in positive saturation before the measurement was taken, will be as large in magnitude as in the case if the core was in negative saturation before the measurement was taken. The mean value thus gives the true current value.
  • the first measurement results on a measurement module according to FIG. 5 with the algorithm according to the invention are shown in FIG. 6. Without further optimizations, the lower measuring range limit can already be lowered to approx. 15 mA. This is already sufficient for some applications.
  • the reason for the apparent current value of lo to 15 mA remaining even after this method is that the core cannot conduct the magnetic flux fed into the compensation coil as desired, but loses stray flux. Saturation effects initially occur in the core areas close to the coil. In particular, the areas of the core opposite the coil are not completely reached by the pulse and are therefore not completely saturated. The core keeps its memory of the prehistory in these not fully saturated areas.
  • a further development of the invention is remedied by an arrangement according to FIG. 7 with a second compensation coil 3a, which is connected in series with the first compensation coil 3, under which the magnetic field probe 2 is located.
  • the compensation current flows through both coils in the same direction. This enables the core to be driven more evenly into saturation by the current pulse and the effect of the measurement method described above is optimized.
  • the arrangement according to FIG. 7 with 2 compensation coils has yet another advantage: the measuring range of the sensor according to FIG. 5 is limited to approximately 100 A when using very simple and inexpensive components. Above this, the magnetic core begins to saturate, also due to stray flux effects, which makes the measurement characteristic highly non-linear. This effect is also avoided by the second compensation coil, so that the measuring range can be extended to almost double the measuring range of a sensor with only one compensation coil and other identical components.
  • Such a current sensor can be designed for a measuring range of 400 to 600 A or even beyond by appropriate dimensioning of the components, but this is for reasons of cost and because of the increasing
  • a sensible measuring range is therefore considered below for a sensor with a compensation coil 100 to 130 A and for a sensor with two compensation coils approx. 200 A.
  • this measurement must be calibrated. This can be done during the measurement with the magnetic sensor within its measuring range by comparing the values of the current sensor with the values determined from the measurement of the voltage drop happen.
  • the compensation current sensors described here are so fast that there is enough time for such a calibration process even when the current increases rapidly during the starting process.
  • the temperature is also an important parameter for determining the battery parameters.
  • the temperature measurement will therefore also be integrated in many measuring modules.
  • the measured temperature value can be used to correct the voltage drop at the current bracket in order to determine the true current value.

Abstract

Messverfahren und messanordnung bedienen sich eines magnetischen Messmoduls, das einen Magnetkern (1) mit mindestens einer ihn umgebenden Kompensationspule (3), einem Luftspalt und einer Kernöffnung aufweist wobei, in dem Luftspalt eine Magnetfeldsonde angeordnet ist und ein du messenden Strom leitender Primärleiter (4) durch die Öffnung des Magnetkernes (1) geführt ist. Es sind dabei folgende Schritte vorgesehen: bei überschreiten eines Stromschwellenwertes Umschalten in einem Hochstrom-Modus und bei Unterschreiten eines Stromschwellenwertes Umschalten in einen Niederstrom-Modus, wobei der Niederstrom-Modus seinerseits folgende Schritte umfasst: Anlegen eines ersten Stromimpulses an die Kompensationsspule (3), der den Magnetkern (1) in eine erste Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt. Messen einer ersten Primärstromwertes I1 nach Abschalten des Stromimpulses. Anlegen eines zweiten Stromimpulses an die Kompensationsspule (3) der den Magnetkern (1) in eine entgegengensetzte, zweite Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt. Messen eines zweiten Primärstromwertes I2 nach Abschalten des zweiten Stromimpulses und schliesslich Ermitteln des korrigierten Primärstromwertes als Mittelwert I=(I1 + I2)/2 aus dem ersten und dem zweiten Primärstromwert I1, I2.

Description

Beschreibung
Messverfahren und Messanordnung zum Messen von Strömen mit großem Dynamikbereich
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Messanordnung zum Messen von Strömen mit großem Dynamikbereich, insbesondere zur Messung des Batteriestromes in einem Kraftfahrzeug.
Mit zunehmendem Stromverbrauch in Kraftfahrzeugen werden derartige Messanordnungen (Stromsensoren) und Messverfahren immer unumgänglicher, da durch kontinuierliche Messung des Batteriestromes zu jedem Zeitpunkt die Zustandsparameter der Batterie ermittelt werden müssen. Parameter wie beispielsweise „State of Health", „State of Charge" oder „State of Func- tion" sollen eine differenzierte Aussage über die Funktionsfähigkeit der Batterie unter allen denkbaren zukünftigen Betriebsbedingungen ermöglichen und bilden so die Basis für ein intelligentes Batterie-Energie-Management im Fahrzeug.
In einzelnen Fahrzeugen sind solche Systeme bereits seit 2001 im Einsatz und beispielsweise in dem Artikel, Achim Scharf, "En Route to the Car of the Future", "Power Electronics Euro- pe Magazine", Ausgabe 4/2001 beschrieben. Diese Systeme sind noch sehr aufwändig und bestehen aus einem großen Steuergerät, in dem die kompletten Berechnungen auf Basis eines eingespeicherten Batteriemodells durchgeführt werden und das auch einen großen Teil der daraus abgeleiteten Aktionen im Bordnetz steuert. In dieses Gerät ist ein Stromsensor integriert . Das Batteriekabel wird durch das Steuergerät hindurch geführt, so dass die Strommessung im Steuergerät erfolgen kann. Für eine weite Verbreitung von Batterie-Management-Systemen sind die Kosten der oben geschilderten Lösung bei weitem zu hoch. Daher gehen mehr und mehr Hersteller in ihren Konzepten dazu über, für die Berechnungen aus dem Batteriemodell und die daraus abgeleiteten Steuerungsfunktionen innerhalb des Bordnetzes vorhandene Steuergeräte zu nutzen. In jedem Fahrzeug gibt es derzeit meist bereits mehrere Steuergeräte, die über einen Microprozessor hoher Rechenleistung verfügen. Um die genannten Funktionen in ein solches Steuergerät zu integrieren muss daher bestenfalls der vorhandene Mikroprozessor durch einen etwas leistungsstärkeren ausgetauscht werden. Die entsprechenden Mehrkosten sind erheblich geringer als die für ein zusätzliches Steuergerät. Die entsprechenden Konzepte fordern dann ein extrem kostengünstiges Strommessmodul, das an der Batterie, am Polschuh der Batterie oder am Batteriekabel angebaut wird und dem Bordnetz über eine standardisierte Schnittstelle (z.B. CAN-Bus) zu jeder Zeit die Information über den aktuell fließenden Batteriestrom zur Verfügung stellt.
Die extrem hohen Anforderungen an diese Strommessung sind darin begründet, dass einerseits im Startfall bei tiefen Temperaturen kurzzeitig durchaus Ströme im Bereich von 1000 A fließen können, andererseits aber bei abgestelltem Fahrzeug Ströme im Bereich von wenigen 10 mA fließen, die wegen der langen Zeiten erheblich zur Ladebilanz der Batterie beitragen und daher mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden müssen. Kein klassischer Stromsensor ist in der Lage mit ausrei- chender Genauigkeit diesen Dynamikbereich von wenigen mA bis 1000 A zu erfassen. Stromsensoren, die in der Lage sind Ströme über einen großen Dynamikbereich mit Genauigkeiten von 1% oder besser zu erfassen, sind Kompensationsstromsensoren (engl. Closed Loop Sen- sores) . Eine typische Ausführung eines solchen Sensors ist in Figur 1 dargestellt. Er umfasst einen Magnetkern ) mit einem Luftspalt. Im Luftspalt des Magnetkerns ist eine Magnetfeldsonde 2 angebracht. Die Sonde wandelt das magnetische Feld im Luftspalt in ein elektrisches Signal um, das den Strom durch eine Kompensationsspule 3 steuert, die vorzugsweise im Be- reich der Magnetfeldsonde auf den Kern gewickelt ist. Ein
Primärleiter 4, dessen Strom gemessen werden soll, ist durch den Magnetkern geführt. Die Regelelektronik des Stromsensors sorgt nun dafür, dass der über den Strom des Primärleiters in den Magnetkern eingespeiste magnetische Fluss zu jeder Zeit durch das Feld der Kompensationsspule kompensiert wird. Der von der Magnetfeldsonde zu registrierende Sollwert des Regelkreises ist also Feldstärke Null. Die Magnetfeldsonde arbeitet als Nullfelddetektor. Im ausgeregelten Zustand ist der Strom durch die Kompensationsspule Iomp direkt proportional zum zu messenden Strom Iprim- Hat die Kompensationsspule N Windungen, so gilt Ipri = Iκop •
Die Magnetfeldsonde 2 sollte dabei einen sehr geringen, vorzugsweise verschwindenden, Offset aufweisen. Als Offset ver- steht man das Ausgangssignal der Sonde, wenn das Magnetfeld Null anliegt. Ist das Sondensignal in diesem Fall nicht ebenfalls Null, hat die Sonde einen Offset, was einen deutlichen Fehler des Sensors im Bereich kleiner Ströme verursacht .
Als Magnetfeldsonde kann ein Hall-IC eingesetzt werden. Hall ICs haben normalerweise einen sehr deutlichen Offset, der zu Messfehlern des Stromsensors im Bereich von 0,5 A führen kann. Es ist jedoch möglich diesen Offset durch elektronische Maßnahmen auf dem Hall-IC oder durch Kalibrierung des Stromsensors weitgehend zu eliminieren.
Einfacher und genauer, insbesondere was die Temperaturabhän- gigkeit des Stromsensors betrifft, ist die Nutzung einer magnetischen Sonde beispielsweise nach EP 0 294 590. Da hier durch die Auswerteelektronik die Symmetrie eines weichmagnetischen Metallstreifens abgefragt wird, arbeitet diese Magnetfeldsonde als Nullfelddetektor praktisch offsetfrei und temperaturunabhängig. Eine solche Sonde ist in Figur 1 schematisch als Magnetfeldsonde 2 angedeutet .
Ferner ist ein Magnetkern 1, der in Verbindung mit einer magnetischen Sonde gemäß EP 0 294 590 genutzt wird, vorzugs- weise gemäß EP 1 010 014 aus zwei oder mehr Teilen zusammengesetzt, die sich teilweise überlappend zusammengefügt werden und eine Tasche im Bereich des Luftspaltes für die Magnetfeldsonde 2 aufweisen. Dadurch kann der Stromsensor durch Zusammenfügen des Kerns über beliebig geformte Leiter montiert werden und die Sonde ist gegen äußere störende Magnetfeldeinflüsse geschützt.
Unter der Voraussetzung, dass die Magnetfeldsonde 2 keinen Offset aufweist, wird die Genauigkeit eines solchen Stromsen- sors im Bereich kleiner Ströme durch die Hystereseeigenschaften des Magnetkerns 1 bestimmt. Die Magnetisierungskurve praktisch jeden weichmagnetischen Werkstoffes - insbesondere die der hier aus Kostengründen meist eingesetzten NiFe-Werkstoffe - weist eine deutliche Hysterese auf. Das heißt, auch ohne äußeres Magnetfeld bleibt in einem solchen Kern ein remanenter magnetischer Fluss erhalten, dessen Stärke von der Vorgeschichte des Magnetkernes abhängt. Vorgeschichte heißt dabei die Feldstärken und Feldrichtungen, denen der Kern vor der Messung bei kleinen Strömen ausgesetzt war.
Diese Remanenz verursacht bei einem Stromsensor nach Figur 1 also auch bei Primärstrom Null ein gewisses Magnetfeld an der Sonde und täuscht dem Stromsensor damit einen Primärstrom vor, der nicht vorhanden ist. Dieser Messfehler bei kleinen Strömen liegt, wenn der Stromsensor vorher Ströme nahe der oberen Messbereichsgrenze oder sogar darüber gesehen hat, ty- pischerweise zwischen 50 und 100 mA. Gemessene Fehlerkurven bei Aussteuerung des Stromsensors bis über die obere Messbereichsgrenze hinaus sind in Figur 2 dargestellt. Diese Aussteuerung bringt den Sensorkern teilweise in die Sättigung, verursacht also die stärkste Remanenz bei Zurücknahme des Primärstromes auf Null.
Die Messkurven in Figur 2 sind mit Stromsensoren mit offset- freier magnetischer Sonde gemäß EP 0 294 590 aufgenommen. Sie würden jedoch genauso auftreten bei Stromsensoren mit Hall-IC als Magnetfeldsonde, wenn es gelingt den Offset des Hall-IC, der im allgemeinen erheblich größer ist als der durch die Remanenz des Magnetkerns verursachte, zu eliminieren.
Die Remanenz des Magnetkerns begrenzt also prinzipiell den Messbereich eines Kompensationsstromsensors nach unten.
Daher ist der im geschilderten Batteriemanagement System des "Power Electronics Europe Magazine", Ausgabe 4/2001 eingesetzte Stromsensor zweistufig aufgebaut. Der in Figur 3 sche- matisch dargestellte Batteriestromsensor weist neben dem hier als Hochstromstufe arbeitenden Kompensationsstromsensor 1 bis 3 eine zusätzliche Niederstromstufe 5 auf. Diese Niederstromstufe ist auf der Basis des in EP 0 960 342 beschriebenen Prinzips als bewickelter Ringkern aus amorphem weichmagnetischem Metall ausgeführt. Er arbeitet mit wechselseitiger Um- magnetisierung, ist dadurch offsetfrei und hat eine sehr hohe Auflösung im Bereich kleiner Ströme. Solche Sensoren sind al- lerdings nicht zur Messung hoher Ströme geeignet, so dass der zweistufige Aufbau zwingend erforderlich ist. Der Nachteil dieses existierenden Batteriestromsensors, der technisch alle Anforderungen erfüllt, ist daher dieser zweistufige Aufbau mit zwei unterschiedlichen Funktionsprinzipien, der sowohl den Aufwand auf der Seite des magnetischen Moduls als auch auf der Seite der Auswerteelektronik verdoppelt .
Andere Lösungen für einen Batteriemanagement Sensor basieren ausschließlich auf einem in den Batteriestrompfad eingefügten Shunt-Widerstand mit entsprechender Messung und Verstärkung des Spannungsabfalles an diesem Widerstand. Diese zunächst bestechend einfach erscheinende Lösung hat jedoch auch gravierende Nachteile: Hohe Ströme verursachen an dem zusätzlich in den Stromkreis gebrachten Widerstand eine starke Erwär- mung.
Bei geringen Strömen ist dagegen der zu messende Spannungsabfall so gering, dass die Messung durch elektromagnetische Einstrahlungen leicht zu stören ist und eine ausreichende Ge- nauigkeit nur mit sehr hohem elektronischem Schaltungsaufwand sicherzustellen ist. Verschärft wird dieses Problem noch bei Messung des Stromes an der Plus-Seite der Batterie, da dann die mögliche Schwankung des Bezugspotentiales mit der Batteriespannung mehrere Zehnerpotenzen größer als die zu messende Spannung ist. Diese Lösungen benötigen daher entweder einen sehr hohen elektronischen Aufwand oder erfüllen die Genauig- keits- und Störfestigkeitsanforderungen nicht. Denkbar ist eine weitere Lösung des Problems, die gemäß der schematischen Darstellung in Figur 4 aus der Kombination eines Shunt-Widerstandes und des Niederstromsensors aus Figur 3 besteht. Durch die Nutzung der magnetischen Messung bei klei- nen Strömen kann der Widerstandswert des Shunts geringer ausgelegt werden. Dadurch verringern sich die Erwärmungsprobleme bei hohen Strömen. Trotzdem kann der Spannungsabfall am unteren Ende des Shunt-Messbereiches noch um ein bis zwei Größe- nordungen höher gehalten werden als bei ausschließlicher Nut- zung eines Shunts. Die Messung ist daher erheblich störsicherer und erfordert einen geringeren elektronischen Aufwand.
Obwohl diese Lösung schon erheblich günstiger erscheint als die vorher geschilderten, benötigt sie neben dem magnetischen Messsystem einen speziellen Shunt, der für Ströme bis zu 1000 A oder mehr geeignet sein muss. Solche Shunts sind mit aufwändigen Verbindungsverfahren in einen Strombügel integriert und daher auch nicht besonders kostengünstig. Der Strombügel muss mit Schraub- oder Schweißverbindungen in den Stromkreis eingefügt werden. Die Nutzung eines vorhandenen- Leiterstückes, wodurch zusätzliche Verbindungen im Stromkreis vermieden würden, ist nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messanordnung und ein Messverfahren zum Messen von Strömen mit großem Dynamikbereich und insbesondere zur Erfassung des Batteriestromes eines Kraftfahrzeuges unter Erfüllung der vorgenannten Anforderungen anzugeben, bei denen die beschriebenen Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird durch ein Messverfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Messanordnung gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Aus- gestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Vorteil der Erfindung ist es, dass nur ein einziges Messele- ment benötigt wird, dass der Stromsensor zur Durchführung des Verfahrens äußerst kostengünstig herzustellen ist und dass dieser sehr flexibel bezüglich der Einbindung in den Stromkreis ist.
Der Erfindung geht dabei von folgenden Überlegungen aus:
a) Die genaueste und störsicherste Messmethode ist der Kompensationsstromsensor gemäß Figur 1. Außerdem ist dieser Stromsensor sehr kostengünstig herstellbar und durch den teilbaren Magnetkern flexibel auf Stromleitern unterschiedlicher Form montierbar. Er wäre also die ideale Lösung, wenn sich die untere Messbereichsgrenze deutlich unter die durch die Remanenz des Magnetkernes bedingten 100 mA absenken ließe.
b) Im Niederstrombereich ist die Anforderung an die zeitliche Auflösung der Messung sehr gering, da im Wesentlichen integrale Stromflüsse über sehr lange Zeiten zu erfassen sind. Bandbreiten von weit unter 1 Hz sind daher ohne weiteres a - zeptabel .
c) In einem eigenständigen Messmodul wird schon alleine für die Bedienung der digitalen Schnittstelle (GAN-Bus) ein einfacher Microprozessor zur Verfügung stehen. Dieser Micropro- zessor kann dann, ohne dass dadurch weitere Kosten verursacht werden, für einfache Steuer- und Rechenaufgaben im Zusammenhang mit der Strommessung genutzt werden. Bei einer in ein Steuergerät integrierten Lösung stellen solche Aufgaben erst recht kein Problem dar.
Das erfindungsgemäße Messverfahren zum Messen von Strömen mit großem Dynamikbereich bedient sich eines magnetischen Messmoduls, das einen Magnetkern mit mindestens einer ihn umgebenden Kompensationsspule, einem Luftspalt und einer Kernöffnung aufweist . Dabei ist in dem Luftspalt eine Magnetfeldsonde angeordnet und ein den zu messenden Strom leitender Primärlei- ter durch die Öffnung des Magnetkernes geführt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: bei Überschreiten eines Stromschwellenwertes Umschalten in einem Hochstrom-Modus und bei Unterschreiten eines Stromschwellenwertes Umschalten in einen Niederstrom- Modus, wobei der Niederstrom-Modus die folgenden Verfahrensschritte umfasst : Anlegen eines ersten Stromimpulses an die Kompensationsspule, der den Magnetkern in eine erste Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt; Messen eines ersten Primärstromwertes Ii nach Abschalten des Stromimpulses, Anlegen eines zweiten Stromimpulses an die Kompensations- spule, der den Magnetkern in eine entgegengesetzte, zwei- te Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt, Messen eines zweiten Primärstromwertes I2 nach Abschalten des zweiten Stromimpulses Ermitteln des korrigierten Primärstromwertes als Mittelwert I=(Iι + I2)/2 aus dem ersten und dem zweiten Primär- stromwert Ix, I2.
Zusätzlich zu der Strommessung mit dem magnetischen Modul kann der Spannungsabfall zwischen beabstandeten Stellen des Primärstromleiters als Maß für den durch ihn fließenden Strom gemessen und ausgewertet werden.
Vorzugsweise wird dabei die Strommessung mittels Messung des Spannungsabfalls während des Betriebs unterhalb des Stromschwellenwertes durch die Strommessung mit dem magnetischen Modul kalibriert.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die Temperatur des Pri- märleiters gemessen und die Strommessung durch Messung des Spannungsabfalls mittels der Temperaturmessung korrigiert werden.
Schließlich kann der Hochstrom-Modus eine Strommessung nach dem Kompensationsprinzip und/oder eine Strommessung nach dem Prinzip der Spannungsmessung über einem Shunt-Widerstand umfassen.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Durchführen des er- findungsgemäßen Verfahrens umfasst ein magnetisches Messmodul, das einen Magnetkern mit mindestens einer ihn umgebenden Kompensationsspule, einem Luftspalt und einer Kernöffnung aufweist, wobei in dem Luftspalt eine Magnetfeldsonde angeordnet ist und ein den zu messenden Strom leitender Primär- leiter durch die Öffnung des Magnetkernes geführt ist. Des
Weiteren ist eine Ansteuer- und Auswerteschaltung vorgesehen, die bei Überschreiten eines Stromschwellenwertes in einem Hochstrom-Modus und bei Unterschreiten eines Stromschwellenwertes in einen Niederstrom-Modus umschaltet, wobei der Nie- derstrom-Modus die oben näher beschriebenen Verfahrensschritte umfasst. Bei der erfindungsgemäßen MessVorrichtung kann der Primärstromleiter in gewissen Abständen Kontakte aufweisen, an denen zusätzlich zu der Strommessung mit dem magnetischen Modul der Spannungsabfall an dem Primärstromleiter gemessen wird.
Die Strommessung über den Spannungsabfall kann dabei der Strommessung mit dem magnetischen Modul kalibriert werden.
Weiterhin kann eine Einrichtung zur Temperaturmessung vorge- sehen sein, wobei die Strommessung durch Messung des Spannungsabfalls mittels der Temperaturmessung korrigiert wird.
Zudem kann das magnetische Modul neben der ersten Kompensationsspule eine zweite Kompensationsspule aufweisen, die zur ersten Kompensationsspule in Reihe/parallel geschaltet ist und an anderer Stelle als die erste Kompensationsspule auf den Magnetkern gewickelt ist .
Die Magnetfeldsonde kann aus einem bewickelten Kern aus weichmagnetischem nanokristallinen oder amorphen Metall bestehen.
Bevorzugt weist schließlich die Ansteuer- und Auswerteschaltung, die zumindest zwischen Magnetfeldsonde und Kompensationsspule geschaltet ist, einen Microprozessor auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
Figur 1 den typischen Aufbau eines Kompensations- Stromsensors nach dem Stand der Technik, Figur 2 typische Fehlerkurven von Stromsensoren nach Figur 1 unter der Voraussetzung, dass die Magnetfeldsonde keinen Offset aufweist,
Figur 3 den Aufbau eines zweistufigen Stromsensors zur Batteriestrommessung nach dem Stand der Technik,
Figur 4 den Aufbau eines zweistufigen Stromsensors zur Batteriestrommessung nach dem Stand der Technik,
Figur 5 ein Messmodul und ein Messverfahren für den Niederstrombereich gemäß der Erfindung,
Figur 6 Messergebnisse an einem Messmodul nach Figur 1 mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren,
Figur 7 ein Messmodul mit zwei Kompensationsspulen und ein entsprechendes Messverfahren für den Niederstrombe- reich gemäß der Erfindung,
Figur 8 ein Messmodul mit zwei Kompensationsspulen sowie einem Spannungsabgriff am Primärleiter und ein entsprechendes Messverfahren für den Niederstrombe- reich gemäß der Erfindung.
Die Erfindung geht nach Figur 5 von der Nutzung eines Kompensationsstromsensors aus, der oberhalb einer Grenze von z.B. 1 A in seiner ganz normalen Betriebsart arbeitet. Sinkt der zu gemessene Strom unter diese Grenze, schaltet die Auswerte - elektronik in einen Niederstrom-Modus. In diesem Modus wird jeder Messpunkt durch folgende in Figur 5 schematisch dargestellte Sequenz ermittelt: a) Das Messverfahren startet im Punkt A bei einem zufälligen Offset-Wert, der von der Vorgeschichte des Sensors bzw. Magnetkerns abhängt; b) Es folgt das Anlegen eines ersten Strompulses an die Kompensationsspule 3, der den Magnetkern über einen Wert B hinaus in eine Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt; c) Dann erfolgt das Messen eines ersten Primärstromwertes Ii nach Abschalten des Stromimpulses; d) Es folgt das Anlegen eines zweiten Strompulses an die Kompensationsspule 3, der den Magnetkern über einen Wert C hinaus in die entgegengesetzte Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt; e) Es folgt das Messen eines zweiten Primärstromwertes I2 nach Abschalten des zweiten Stromimpulses; f) Schließlich erfolgt das Ermitteln des korrigierten Primärstromwertes als Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten Primärstromwert I=(Iχ + I2)/2.
Die Wirkungsweise dieser Methode wird bei Betrachten der Fehlerkurve in Figur 2 offensichtlich. Die Hysteresekurve ist symmetrisch. D.h. der durch die Remanenz des Magnetkernes vorgetäuschte zusätzliche Stromwert wird, wenn der Kern vor Aufnahme des Messwertes in der positiven Sättigung war, betragsmäßig genauso groß sein, wie in dem Fall, wenn der Kern vor Aufnahme des Messwertes in der negativen Sättigung war. Der Mittelwert ergibt also den wahren Stromwert. Erste Messergebnisse an einem Messmodul gemäß Figur 5 mit dem erfindungsgemäßen Algorithmus sind in Figur 6 dargestellt. Ohne weitere Optimierungen kann die untere Messbereichsgrenze hier bereits auf ca. 15 mA abgesenkt werden. Dies ist für manche Anwendungen bereits ausreichend.
Die Ursache für den auch nach diesem Verfahren noch übrig bleibenden scheinbaren Stromwert von lo bis 15 mA ist, dass der Kern den in der Kompensationsspule eingespeisten Magnet- fluss nicht beliebig gut führen kann, sondern Streufluss verliert. Sättigungseffekte treten zunächst in den spulennahen Bereichen des Kernes auf. Insbesondere die der Spule gegenüberliegenden Bereiche des Kerns werden nicht vollständig von dem Impuls erreicht und damit nicht vollständig gesättigt. Der Kern behält in diesen nicht vollständig gesättigten Bereichen sein Gedächtnis an die Vorgeschichte.
Abhilfe bringt in Weiterbildung der Erfindung eine Anordnung gemäß Figur 7 mit einer zweiten Kompensationsspule 3a, die mit der ersten Kompensationsspule 3, unter der sich die Magnetfeldsonde 2 befindet, hintereinander geschaltet ist. Beide Spulen werden also gleichsinnig vom Kompensationsstrom durchflössen. Dadurch gelingt es den Kern durch den Stromimpuls gleichmäßiger in die Sättigung zu treiben und die Wirkung des oben beschriebenen Messverfahrens wird optimiert.
Die Anordnung nach Figur 7 mit 2 Kompensationsspulen hat noch einen weiteren Vorteil: Der Messbereich des Sensors nach Fi- gur 5 ist bei Verwendung sehr einfacher und kostengünstiger Komponenten auf ca. 100 A begrenzt. Darüber beginnt der Magnetkern, ebenfalls durch Streuflusseffekte, teilweise zu sättigen, wodurch die Messcharakteristik stark nichtlinear wird. Dieser Effekt wird ebenfalls durch die zweite Kompensations- spule vermieden, so dass der Messbereich auf fast das Doppelte des Messbereiches eines Sensors mit nur einer Kompensationsspule und sonst gleichen Komponenten ausgedehnt werden kann.
Ein solcher Stromsensor kann zwar durch entsprechende Dimensionierung der Komponenten auf einen Messbereich von 400 bis 600 A oder auch noch darüber hinaus ausgelegt werden, jedoch ist dies aus Kostengründen und wegen der damit steigenden
Baugröße nicht sinnvoll. Die Komponenten müssten sehr massiv und aufwändig ausgelegt werden. Außerdem müsste die Auswerteelektronik sehr hohe Kompensationsströme treiben, was auch auf der Elektronikseite Kosten verursacht. Als sinnvoller Messbereich wird daher im Weiteren für einen Sensor mit einer Kompensationsspule 100 bis 130 A und für einen mit zwei Kompensationsspulen ca. 200 A angesehen.
Ströme oberhalb dieser Messbereiche müssen meist nur mit ge- ringerer Genauigkeit erfasst werden. Dazu eignet sich eine
Messung des Spannungsabfalles direkt am Primärleiter, der im Wesentlichen aus Kupfer bestehen wird. Bei solch hohen Strömen ist der Spannungsabfall über 1 bis 2 cm am Kupferbügel bereits so hoch, dass er ohne Probleme ausgewertet werden kann.
Da die Geometrie des Kupferbügels und der Kontaktierung gewissen Toleranzen unterworfen sein wird und normales Kupfer eine sehr hohe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Wider- Standes von ca. 40% auf 100° Temperaturdifferenz aufweist, muss diese Messung kalibriert werden. Dies kann während der Messung mit dem magnetischen Sensor innerhalb dessen Messbereiches durch Vergleich der Werte des Stromsensors mit den aus der Messung des Spannungsabfalls ermittelten Werten geschehen. Die hier geschilderten Kompensations Stromsensoren sind so schnell, dass selbst bei schnellem Stromanstieg beim Startvorgang genügend Zeit für einen solchen Kalibriervorgang bleibt.
Eine zusätzliche oder alternative Kalibrierung der Messung des Spannungsabfalls am Primärstromleiter ist mit Hilfe einer Temperaturmessung möglich. Die Temperatur ist ebenfalls eine wichtige Messgröße zur Ermittlung der Batterieparameter. Die Temperaturmessung wird daher bei vielen Messmodulen ebenfalls integriert sein. Der gemessene Temperaturwert kann zur Korrektur des Spannungsabfalls am Strombügel genutzt werden, um den wahren Stromwert zu ermitteln.

Claims

Patentansprüche
1. Messverfahren zum Messen von Strömen mit großem Dynamikbereich mittels eines magnetischen Messmoduls, das einen Mag- netkern (1) mit mindestens einer ihn umgebenden Kompensationsspule (3), einem Luftspalt und einer Kernöffnung aufweist, wobei in dem Luftspalt eine Magnetfeldsonde (2) angeordnet ist und ein den zu messenden Strom leitender Primärleiter (4) durch die Öffnung des Magnetkernes (1) geführt ist, gekennzeichnet durch die Schritte: bei Überschreiten eines Stromschwellenwertes Umschalten in einem Hochstrom-Modus und bei Unterschreiten eines Stromschwellenwertes Umschalten in einen Niederstrom- Modus, wobei der Niederstrom-Modus die folgenden Verfah- rensschritte umfasst : Anlegen eines ersten Stromimpulses an die Kompensationsspule (3) , der den Magnetkern (1) in eine erste Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt; Messen eines ersten Primärstromwertes Iχ nach Abschalten des Stromimpulses, Anlegen eines zweiten Stromimpulses an die Kompensations- spule (3) , der den Magnetkern (1) in eine entgegengesetzte, zweite Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt, - Messen eines zweiten Primärstromwertes I nach Abschalten des zweiten Stromimpulses Ermitteln des korrigierten Primärstromwertes als Mittelwert I=(Iι + I2)/2 aus dem ersten und dem zweiten Primärstromwert Ii, I2.
2. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Strommessung mit dem magnetischen Modul der Spannungsabfall zwischen beabstandeten Stellen des Primärstromleiters als Maß für den durch ihn fließenden Strom gemessen und ausgewertet wird.
3. Messverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessung mittels Messung des Spannungsabfalls während des Betriebs unterhalb des Stromschwellenwertes durch die Strommessung mit dem magnetischen Modul kalibriert wird.
4. Messverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Primärleiters gemessen wird und die
Strommessung mittels Messung des Spannungsabfalls mittels der Temperaturmessung korrigiert wird.
5. Messverfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Hochstrom-Modus eine Strommessung nach dem Kompensationsprinzip umfasst.
6. Messverfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochstrom-Modus eine Strommessung nach dem Prinzip der Spannungsmessung über einem Shunt-Widerstand umfasst.
7. Messvorrichtung zum Messen von Strömen mit großem Dynamikbereich mittels eines magnetischen Messmoduls, das einen Mag- netkern (1) mit mindestens einer ihn umgebenden Kompensationsspule (3) , einem Luftspalt und einer Kernöffnung aufweist, wobei in dem Luftspalt eine Magnetfeldsonde (2) angeordnet ist und ein den zu messenden Strom leitender Primärleiter (4) durch die Öffnung des Magnetkernes (1) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuer- und Aus- werteschaltung vorgesehen ist, die bei Überschreiten eines Stromschwellenwertes in einem Hochstrom-Modus und bei Unterschreiten eines Stromschwellenwertes in einen Niederstrom- Modus umschaltet, wobei der Niederstrom-Modus die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Anlegen eines ersten Stromimpulses an die Kompensations- spule (3) , der den Magnetkern in eine erste Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt; Messen eines ersten Primärstromwertes lχ nach Abschalten des Stromimpulses, Anlegen eines zweiten Stromimpulses an die Kompensations- spule (3) , der den Magnetkern (1) in eine entgegengesetz- te, zweite Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt, Messen eines zweiten Primärstromwertes I2 nach Abschalten des zweiten Stromimpulses Ermitteln des korrigierten Primärstromwertes als Mittel- wert I=(Iι + I2) /2 aus dem ersten und dem zweiten Primärstromwert Iχ, I2.
8. Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärstromleiter in gewissen Abständen Kontakte aufweist, an denen zusätzlich zu der Strommessung mit dem magnetischen Modul der Spannungsabfall an dem Primärstromleiter gemessen wird.
9. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessung über den Spannungsabfall während des Betriebs der Messvorrichtung über die Strommessung mit dem magnetischen Modul kalibriert wird.
10. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Temperaturmessung vorgesehen ist und die Strommessung mittels Messung des Spannungsabfalls mittels der Temperaturmessung korrigiert wird.
11. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Modul neben der ersten Kompensationsspule (3) eine zweite Kompensationsspule (3a) aufweist, die zur ersten Kompensationsspule (3) in Rei- he/parallel geschaltet ist und an anderer Stelle als die erste Kompensationsspule (3) auf den Magnetkern (1) gewickelt ist .
12. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da- durch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsonde (2) aus einem bewickelten Kern aus weichmagnetischem amorphen Metall besteht .
13. MessVorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da- durch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsonde (2) aus einem bewickelten Kern aus weichmagnetischem nanokristallinen Metall besteht.
14. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da- durch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Aus- werteschaltung einen Microprozessor aufweist.
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