WO2006069745A1 - Verfahren zum korrigieren einer durch eine elektrische spannungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen strommessung - Google Patents

Verfahren zum korrigieren einer durch eine elektrische spannungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen strommessung Download PDF

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WO2006069745A1
WO2006069745A1 PCT/EP2005/013939 EP2005013939W WO2006069745A1 WO 2006069745 A1 WO2006069745 A1 WO 2006069745A1 EP 2005013939 W EP2005013939 W EP 2005013939W WO 2006069745 A1 WO2006069745 A1 WO 2006069745A1
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shunt resistor
temperature
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current
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Holger Lenhard
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Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/32—Compensating for temperature change
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references

Definitions

  • the invention relates to a method for correcting an electrical current measurement indirectly performed by an electrical voltage measurement using a shunt resistor, the method comprising a correction of the resistance value of the shunt resistor with respect to the current ambient temperature.
  • the change in the electrical resistance through the temperature characteristic of the shunt resistor is known.
  • a temperature sensor is used to measure the ambient temperature in order to correct the electrical resistance value of the shunt resistance value.
  • Such an ambient temperature-dependent correction of the resistance of the shunt resistor is particularly necessary in those applications in which the shunt resistor is arranged in a changing ambient temperature. This is the case, for example, in automotive applications where such current measurements are made.
  • the shunt resistor is typically provided in such an application near the battery, for example, connected to a battery post. High demands are placed on the accuracy of the current measurements, especially in the automotive sector. These are not sufficient for the previously known measuring methods, even if they already contain an ambient temperature correction. A use of temperature-compensated multi-part shunt resistors is costly.
  • the object of the invention is therefore to further develop a method for correcting an electrical current measurement of the type mentioned indirectly by an electrical voltage measurement in such a way that a current measurement with a higher accuracy is possible.
  • the correction method further includes a correction with respect to the increase in the temperature of the shunt resistor due to the power loss generated by the current flow in the shunt resistor, for which self-heating correction the self-heating caused by the current flow of the shunt resistor is simulated by folding a determined from the measured voltage power loss as an input variable with the impulse response of the shunt resistor system.
  • the impulse response of the shunt resistor system is defined for this purpose and expediently stored as a function retrievable. By convolution with the impulse response of the Shunt resistance system, the influence of the above self-heating can be simulated.
  • the input power required is the power dissipation, which is determined by the measured voltage and as far as possible already corrected for ambient temperature.
  • the heat capacity of the shunt resistor and the thermal resistance of the shunt resistor is used to its environment.
  • the arrangement of a temperature sensor at a defined distance to the shunt resistor is also advantageous against the background that with this temperature sensor, the heating of the immediate vicinity of the shunt resistor can be detected.
  • the shunt resistor When the shunt resistor is energized, not only does the shunt resistor itself heat up, but the current flow also heats up terminals, cables or the like. The heat radiated by these elements and also by the shunt resistor itself further heats a housing receiving the shunt resistor. This warming The influence on the total temperature of the shunt resistor also has an influence on its actual resistance value.
  • a temperature sensor in a thermally defined arrangement for shunt resistance, these heats can be detected with sufficient accuracy and incorporated into the correction.
  • the shunt resistance system for example, by the connection resistance by aging or loosening and introducing a new screw on a screw can change. This results in a change in the heating of the shunt resistor due to external influences, which usually lead to an additional increase in temperature. This naturally leads to errors in the current measurement. Since these changes are those within the shunt resistance system, it is desirable to recalibrate the shunt resistance system at certain intervals. This can be done in timed intervals or depending on the performance of a certain number of simulations. For recalibration of the shunt resistor system, the temperature measured via the temperature sensor is evaluated during and after a higher current load of the shunt resistor with respect to the total energy.
  • the temperature sensor is again in a thermally defined distance to the shunt resistor.
  • the shunt resistance system is recalibrated when the total energy with respect to the measured temperature has exceeded a predetermined limit value.
  • the total energy can be determined, for example, by integrating the power loss curve.
  • the thermal voltages generated by the connection of the shunt resistor it is also possible to correct the thermal voltages generated by the connection of the shunt resistor, at least as far as they are relevant.
  • the thermal voltage between the terminals of the shunt resistor and the terminals or cables or the like arises at the Beruh- tion of the different metals, with electrons from the metal with the smaller exit voltage in the transition with the greater exit voltage. This results in a contact voltage, which is a clear function of the temperature of the contact point.
  • the thermal voltage is thus based on the so-called Seebeck effect.
  • thermoelectric voltage can be corrected if asymmetric time constants of the thermal connection of the two temperature potentials of the shunt resistance material to the environment and against each other are given. This characterizes the course of the thermal voltage over time. The more different the time constants and the higher the thermal resistances of the temperature potentials to the environment and the higher the time constant of the compensation against each other, the greater the absolute value and the longer a temperature difference is obtained.
  • the course of this temperature difference can be represented by convolution of the input power provided with the impulse response of the shunt resistor system, as has been previously described.
  • the temperature difference of the shunt resistor is multiplied by the specific thermoelectric voltage, resulting in the resulting thermoelectric voltage, which is offset with the current value determined via the voltage measurement.
  • thermoelectric voltage can also be caused by impressing a temperature gradient across the shunt resistor terminals themselves, if one terminal is at a different temperature level than the other terminal.
  • this thermoelectric voltage effect is classified as low compared to the two previously described and should therefore be neglected. With the method described, therefore, a compensation of the thermal voltage of the material used to form the shunt resistor is possible.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a battery current sensor with a shunt resistor
  • FIG. 2 shows a thermal-electrical equivalent circuit diagram (block diagram), illustrating a method for correcting an electrical current measurement indirectly performed by an electrical voltage measurement
  • FIG. 3 shows a diagram for comparing a current impressed into the shunt resistor with the measured, uncorrected current and the variables used for a correction
  • FIG. 4 shows a temperature profile diagram for illustrating the temperature profile of different temperature variables when impressing a current on the shunt resistor.
  • a battery current sensor 1 is connected at one end via a battery terminal 2 to a pole of a motor vehicle battery, not shown. At its other end, the battery power sensor 1 is connected to a power cable via a crimp terminal 3.
  • the battery current sensor 1 comprises a shunt resistor 4 as a measuring resistor.
  • the shunt resistor 4 is enclosed in a housing 5, which has an opening 6 on the upper side.
  • Above the housing 5 is a printed circuit board 7 with the required electrical / electronic components, which are otherwise not shown.
  • a temperature sensor 8 is arranged at the bottom here ⁇ the circuit board 8 is projecting into the opening 6 of the housing.
  • the top of the circuit board 7 is covered by a cover 9.
  • the temperature sensor 8 is due to its location with respect to the shunt resistor 4 in a defined uniform thermal arrangement to the shunt resistor 4, in such an arrangement that heating of the shunt resistor 4 is transmitted to the temperature sensor 8 at a current injection after a certain time, so that then the temperature of the temperature sensor 8, the heating of the shunt resistor 4 can be detected.
  • thermal arrangement is to be distinguished in the block diagram shown with a solid line from the dash-dotted electrical arrangement.
  • the measured voltage is designated as UME SS in the context of these designs.
  • the resistance value R 0 of the shunt resistor 4 is corrected accordingly. Both changes in the ambient temperature Tu and the heat-generating power loss P generated by the current flow in and outside the shunt resistor 4 flow into the correction.
  • the resistance value RKORR corrected with respect to this variable represents the result of the correction process.
  • the resistance value RKORR is used in the aforementioned equation, in order to obtain the measurement result IKORR ZU.
  • IKORR thus sets the voltage UMES measured over the voltage S determined, the shunt resistor 4 impressed current IKORR, which, as shown below, approximated to the current impressed on the shunt resistor 4 or even coincides with this.
  • the self-heating of the shunt resistor 4 is simulated with an impressed current. This simulation is shown on the basis of the simulation element 11.
  • the simulation of the internal heating of the shunt resistor 4 takes place by folding a power loss P determined from the measured voltage UMESS as an input variable with the impulse response of the shunt resistor system.
  • the shunt resistance system is defined by the heat capacity CTHSH of the shunt resistor 4 and by the thermal resistance RTH S H of the shunt resistor 4 to the environment. Therefore, with regard to the simulation element 11 in FIG. 2, these variables are represented as system parameters which influence the simulation element.
  • the shunt resistor system described by these parameters CTHSH, RTHSH and the resulting impulse response is stored in a readable memory and can be called up with each simulation.
  • the power loss P required as an input variable for performing the simulation is obtained before the simulation method is carried out for the first time by calculating the current intensity impressed on the shunt resistor 4 according to the above-mentioned equation, whereby only the nominal resistance value R 0 of the shunt resistor 4 is included in this or, if possible , already a corrected at least with respect to the ambient temperature resistance value.
  • the power loss generated by the current flow flows into the power loss P as an input variable of the simulation in the immediate vicinity of the shunt resistor 4, if these are detected by the temperature sensor 8.
  • This power loss expressing itself in a warming is also one of the power losses generated by power generation.
  • the resulting loss line Pu of the immediate environment is calculated accordingly, so that at the input of the simulation element the power loss P formed from the two above-described components PSHUNT, PU applied.
  • the simulated shunt resistance temperature T S IM will be used hereinafter to be used together with the ambient temperature Tu indirectly detected by the temperature sensor 8 as the temperature TK O RR received in the correction.
  • the ambient temperature Tu is determined in the illustrated embodiment by a long-term averaging of the temperature values TMESS detected by the temperature sensor 8. Thus, indirectly, the ambient temperature Tu is also detected by the temperature sensor 8.
  • TKORR a correction member 12 is applied.
  • the correction element 12 serves to determine the corrected resistance value RK O RR of the shunt resistor 4, as shown in the equation reproduced in the correction term.
  • the quantity R 0 represents the gauge resistance of the shunt resistor 4 at a defined temperature.
  • R is the temperature coefficient of the shunt resistor 4.
  • To is the gauge temperature.
  • the corrected resistance RKORR of the shunt resistor 4 can thus be tapped as a function of an impressed current. This resistance RKORR is then used to determine the current IKORR.
  • the resistance value RKORR is also used for subsequent current measurements to determine the internal power loss PSHUNT of the shunt resistor 4 at a current injection, so that this value RKORR also influences the input variable P of the simulation. This has the consequence that subsequent simulations due to the better approximation of the internal power dissipation of the shunt resistor 4 as the input variable of the simulation, the determined simulated temperature TSIM of the actual shunt resistance temperature is highly accurate or even coincident with this.
  • FIG. 3 shows the results of an experiment.
  • a current l ⁇ s ⁇ has been impressed, for each 30 seconds with 750, 700 and 650 A.
  • the determined via the voltage measurement using the shunt resistor 4 uncorrected current is expressed by the curve IME S.
  • the fault liability of the measured current IMESS- Plotted by the diagram of Figure 3 is also measured in the temperature sensor 8 temperature T M ESS- Also shown is the calculated on the basis of the impressed current l ⁇ s ⁇ temperature TSHUNT in shunt resistor 4.
  • the heating of the shunt resistor 4 in the current injection shown in FIG. 3 is shown in the diagram of FIG.
  • the curve TMES S indicates the profile of the temperature detected by the temperature sensor 8 in the vicinity of the shunt resistor 4. In the course of current injection, the temperature detected by the temperature sensor 8 naturally increases slowly.
  • the simulated by the self-heating of the shunt resistor 4 temperature T S IM is determined by the above-described correction method.
  • the calculated temperature TSHUNT is also plotted parallel to the simulated temperature curve T S IM.
  • the course of the corrected temperature TKORR follows the curve TSIM- With increasing time, the temperature sensor 8 will also detect increased temperatures as a result of the heating of the shunt resistor 4 and its closer surroundings, which then flow into the correction so that the course of the temperature changes.
  • the temperature curve TKORR approximates to the extent of the calculated temperature curve TSHUNT to a great extent, at least as far as is approximate, to a sufficiently accurate extent the corrected resistance value RKORR for determining the measured current intensity I K ORR with sufficient accuracy.

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Abstract

Ein Verfahren zum Korrigieren einer durch eine elektrische Spannungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen Strommessung unter Verwendung eines Shuntwiderstandes (4), wobei das Verfahren eine Korrektur des Widerstandswertes des Shuntwiderstandes (4) bezüglich der aktuellen Umgebungstemperatur (TU) umfasst, ist dadurch bestimmt, dass das Korrekturverfahren des Weiteren eine Korrektur bezüglich der sich durch die durch den Stromfluss im Shuntwiderstand (4) erzeugte Verlustleistung (P) einstellenden Erhöhung der Temperatur des Shuntwiderstandes (4) beinhaltet, für welche Eigenerwärmungskorrektur die Stromfluss bedingte Eigenerwärmung des Shuntwiderstandes 4 durch Faltung einer aus der gemessenen Spannung UMESS ermittelten Verlustleistung (P) als Eingangsgröße mit der Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems simuliert wird.

Description

Verfahren zum Korrigieren einer durch eine elektrische Spannungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen
Strommessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren einer durch eine elektrische Spannungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen Strommessung unter Verwendung eines Shuntwiderstandes, wobei das Verfah- ren eine Korrektur des Widerstandswertes des Shuntwiderstandes bezüglich der aktuellen Umgebungstemperatur umfasst.
Elektrische Strommessungen werden vielfach auf indirekte Weise durchgeführt, und zwar durch Messen der elektrischen Spannung. Eingesetzt wird zu einer solchen indirekten Strommessung ein Shuntwiderstand, über den der zu messende Strom geleitet wird. Am Anfang und am Ende der Shuntstrecke wird die resultierende Spannung abgegriffen. Der Strom wird unter Einbeziehung des Widerstandswertes des Shuntwiderstandes entsprechend der Gleichung / = U/R berechnet. Daher ist es erforderlich, den Widerstandswert des Shuntwiderstandes hinreichend genau zu kennen. Zu diesem Zweck ist der Widerstandswert des Shuntwiderstandes bei einer Eichtemperatur bestimmt worden. Da davon auszugehen ist, dass sich der Shuntwiderstand bei seiner Verwendung kaum auf seiner Eichtemperatur befindet, ist es notwendig, den Widerstandswert des Shuntwiderstandes temperaturabhängig entsprechend zu korrigieren. Dabei ist die Änderung des elektrischen Widerstandes durch die Temperaturkennlinie des Shuntwiderstandes bekannt. Um eine Kompensation einer Temperaturdrift eines Shuntwiderstandes durchzuführen, wird mit einem Temperatursensor die Umgebungstemperatur gemessen, um mit dieser den elektrischen Widerstandswert des Shuntwiderstandswertes zu korrigieren. Eine solche umgebungstemperaturabhängige Korrektur des Widerstandes des Shuntwiderstandes ist insbesondere bei solchen Anwendungen notwendig, bei denen der Shuntwiderstand in einer sich ändernden Umgebungstemperatur angeordnet ist. Dieses ist beispielsweise bei Automotiv-Anwendungen der Fall, bei denen derartige Strommessungen durchgeführt werden. Der Shuntwiderstand ist bei einer solchen Anwendung typischerweise in der Nähe der Batterie, beispielsweise an einen Batteriepol angeklemmt, vorgesehen. An die Genauigkeit der Strommessungen werden insbesondere im Automotiv-Bereich hohe Anforderungen gestellt. Diesen genügen die vorbekannten Messverfahren nicht, auch wenn diese bereits eine Umgebungstemperaturkorrektur enthalten. Ein Einsatz temperaturkompensierter mehrteiliger Shuntwiderstände ist kostenträchtig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Korrigieren einer durch eine elektrische Spannungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen Strommessung der eingangs genannten Art dergestalt weiterzu- bilden, dass eine Strommessung mit einer höheren Genauigkeit möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes Verfahren gelöst, bei dem das Korrekturverfahren des Weiteren eine Kor- rektur bezüglich der sich durch die durch den Stromfluss im Shuntwider- stand erzeugte Verlustleistung einstellenden Erhöhung der Temperatur des Shuntwiderstandes beinhaltet, für welche Eigenerwärmungskorrektur die Stromfluss bedingte Eigenerwärmung des Shuntwiderstandes durch Faltung einer aus der gemessenen Spannung ermittelten Verlustleistung als Eingangsgröße mit der Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems simuliert wird.
Bei diesem Verfahren erfolgt neben einer umgebungstemperaturabhängigen Korrektur auch eine Korrektur im Hinblick auf die durch den Strom- fluss im Shuntwiderstand selbst erzeugte Wärme. Diese ändert sich in Abhängigkeit von dem Stromfluss sehr rasch. Insbesondere erhöht sich die Eigentemperatur bei einem Stromfluss durch den Shuntwiderstand bei höheren Belastungen bereits in wenigen Sekunden beträchtlich, wobei diese rasche und zunächst sehr lokale Erwärmung von dem Temperatur- sensor nicht erfasst werden kann. Zur Korrektur dieser stromflussbeding- ten Eigenerwärmung des Shuntwiderstandes wird eine Simulation seiner Eigenerwärmung durchgeführt. Dieses erfolgt durch Faltung einer aus einer über einen AD-Wandler gemessenen Spannung ermittelten, angenäherten Verlustleistung als Eingangsgröße mit der Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems. Das Shuntwiderstandsystem wird als lineares und zeitinvariantes System betrachtet. Die Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems ist zu diesem Zweck definiert und zweckmäßigerweise als Funktion abrufbar hinterlegt. Durch Faltung mit der Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems kann der Einfluss der vorbeschriebenen Eigenerwärmung simuliert werden. Als Eingangsgröße wird die Verlustleistung benötigt, die über die gemessene Spannung und soweit wie möglich bereits umgebungstemperaturkorrigiert bestimmt wird.
Zur Bestimmung der Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems wird die Wärmekapazität des Shuntwiderstandes sowie der thermische Widerstand des Shuntwiderstandes zu seiner Umgebung verwendet.
Um die Simulationsberechnung aufgrund des theoretisch unendlichen Verlaufs der Impulsantwort nicht unnötig lang für einen vorgegebenen Eingangswert durchführen zu müssen ist es zweckmäßig, zum Durchführen der Faltung nur einen ersten, einige oder auch mehrere Abtastpunkte umfassenden Zeitabschnitt der Impulsantwort zu verwenden. Es ist dann möglich, in einer rascheren Folge auch bei relativ geringen zur Verfügung stehenden Rechnerkapazitäten in ausreichend hoher Abtastfrequenz Strommessungen durchzuführen. Bei dieser Verfahrensausgestaltung macht man sich zunutze, dass bei länger andauernder Erwärmung des Shuntwiderstandes ein in einer definierten thermischen Entfernung zu dem Shuntwiderstand angeordneter Temperatursensor erwärmt wird und die Ausgangsgröße des Temperatursensors ebenfalls in die Korrektur mit einfließt. Wird ein solcher in einer definierten thermischen Umgebung angeordneter Temperatursensor verwendet, braucht man grundsätzlich keinen weiteren Temperatursensor zum Erfassen der Umgebungstemperatur. Diese kann durch eine langfristige Mittelwertbildung der Temperaturwerte des in definierter Umgebung zum Shuntwiderstand angeordneten Temperatursensors ermittelt werden, da Ströme, die zu einer Erwärmung führen, nur kurzzeitig anliegen.
Die Anordnung eines Temperatursensors in einer definierten Entfernung zum Shuntwiderstand ist auch vorteilhaft vor dem Hintergrund, dass mit diesem Temperatursensor auch die Erwärmung der näheren Umgebung des Shuntwiderstandes erfasst werden kann. Bei einer Bestromung des Shuntwiderstandes erwärmt sich nicht nur der Shuntwiderstand selbst, sondern es erwärmen sich durch den Stromfluss unmittelbar auch Anschlussklemmen, Kabel oder dergleichen. Die von diesen Elementen und auch vom Shuntwiderstand selbst abgestrahlte Wärme erwärmt des Weiteren ein den Shuntwiderstand aufnehmendes Gehäuse. Diese Erwär- mung hat ebenfalls Einfluss auf die Gesamttemperatur des Shuntwider- standes und somit auf seinen tatsächlichen Widerstandswert. Durch Anordnen eines Temperatursensors in thermisch definierter Anordnung zum Shuntwiderstand können diese Erwärmungen hinreichend genau erfasst und in die Korrektur mit eingebracht werden. Somit erfolgt eine Korrektur des Widerstandswertes des Shuntwiderstandes entsprechend der Gesamttemperatur des Shuntwiderstandes, die sich aus einer Überlagerung der Umgebungstemperatur mit der Eigenerwärmung des bestromten Shuntwiderstandes und der Erwärmung der näheren Umgebung des Shuntwiderstandes ergibt.
Über die Zeit kann sich das Shuntwiderstandsystem beispielsweise durch die Anschlusswiderstände durch Alterung oder Lösen und Einbringen einer neuen Anschraubung einer Schraubverbindung verändern. Dieses hat eine Veränderung in der Erwärmung des Shuntwiderstands durch Fremdeinflüsse zur Folge, die in aller Regel zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung führen. Dieses führt naturgemäß zu Fehlern in der Strommessung. Da es sich bei diesen Änderungen um solche handelt, die sich innerhalb des Shuntwiderstandsystems befinden, ist es zweckmäßig, in gewissen Zeitabständen das Shuntwiderstandsystem nachzukalibrieren. Dieses kann in zeitlich definierten Abständen oder in Abhängigkeit von der Durchführung einer bestimmten Anzahl von Simulationen durchgeführt werden. Zur Nachkalibrierung des Shuntwiderstandsystems wird die über den Temperatursensor gemessene Temperatur während und nach einer höheren Strombelastung des Shuntwiderstandes bezüglich der Gesamtenergie ausgewertet. Zu diesem Zweck befindet sich der Temperatursensor wiederum in einem thermisch definierten Abstand zum Shuntwiderstand. Das Shuntwiderstandsystem wird gemäß einem Ausführungsbeispiel dann nachkalibriert, wenn die Gesamtenergie bezogen auf die ge- messene Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat. Die Gesamtenergie kann beispielsweise durch Integration der Verlustleistungskurve ermittelt werden.
Mit dem vorbeschriebenen Verfahren ist es ebenfalls möglich, die durch den Anschluss des Shuntwiderstandes erzeugten Thermospannungen, zumindest soweit diese von Relevanz sind, zu korrigieren. Die Ther- mospannung zwischen den Anschlüssen des Shuntwiderstandes und den Anschlussklemmen oder Kabeln oder dergleichen entsteht an der Beruh- rungsstelle der unterschiedlichen Metalle, wobei Elektronen aus dem Metall mit der kleineren Austrittsspannung in das mit der größeren Austrittsspannung übergehen. Es entsteht somit eine Kontaktspannung, die eine eindeutige Funktion der Temperatur der Kontaktstelle ist. Die Ther- mospannung beruht somit auf dem sogenannten Seebeck-Effekt. Kompensiert werden können mit diesem Verfahren Temperaturdifferenzen zwischen dem Material des Shuntwiderstands mit seinen beiden Tempe- raturpotentialen bei Einprägen eines Temperaturgradienten durch den Stromfluss und der darauf resultierenden Verlustleistung am Shuntwider- stand und den Shuntwiderstandanschlüssen. Bei Einprägung eines solchen Temperaturgradienten handelt es sich um eine Fremderwärmung in der näheren Umgebung des Shuntwiderstandes, die infolge des in definiertem thermischem Abstand zum Shuntwiderstand angeordneten Tem- peratursensors erfasst wird und infolge dessen in die Korrektur einfließt.
Mit dem Verfahren ist auch eine Thermospannung korrigierbar, wenn asymmetrische Zeitkonstanten der thermischen Anbindung der beiden Temperaturpotentiale des Shuntwiderstandmaterials an die Umgebung und gegeneinander gegeben sind. Dieses charakterisiert den Verlauf der Thermospannung über die Zeit. Je unterschiedlicher die Zeitkonstanten und je höher die thermischen Widerstände der Temperaturpotentiale gegen die Umgebung sind und je höher die Zeitkonstante des Ausgleichs gegeneinander ist, umso größer ist der Absolutwert und umso länger wird eine Temperaturdifferenz erhalten. Der Verlauf dieser Temperaturdifferenz kann durch Faltung der als Eingangsgröße vorgesehenen Verlustleistung mit der Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems dargestellt werden, wie dieses zuvor beschrieben worden ist. Zur Korrektur wird die Temperaturdifferenz des Shuntwiderstandes mit der spezifischen Thermospannung multipliziert, woraus sich die resultierende Thermospannung ergibt, die mit dem über die Spannungsmessung ermittelten Stromwert verrechnet wird.
Eine Thermospannung kann auch durch die Einprägung eines Temperaturgradienten über die Anschlüsse des Shuntwiderstandes selbst hervor- gerufen werden, wenn der eine Anschluss auf einem anderen Temperaturniveau liegt als der andere Anschluss. Dieser Thermospannungseffekt ist jedoch verglichen mit den beiden vorbeschriebenen als gering einzustufen und soll daher vernachlässigt werden. Mit dem beschriebenen Verfahren ist also auch eine Kompensation der Thermospannung des zur Ausbildung des Shuntwiderstands eingesetzten Materials möglich.
Von besonderem Vorteil des Korrekturverfahrens ist vor allem die Kostenersparnis gegenüber solchen Shuntwiderständen, die mehrteilig sind und temperatur- und/oder thermospannungskompensiert sind.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : einen schematisierten Längsschnitt durch einen Batterie-Strom- Sensor mit einem Shuntwiderstand,
Fig. 2: ein thermisch-elektrisches Ersatzschaltbild (Blockschaltbild), darstellend ein Verfahren zum Korrigieren einer durch eine elektrische Spannungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen Strommessung,
Fig. 3: ein Diagramm zum Gegenüberstellen eines in den Shuntwiderstand eingeprägten Stromes mit dem gemessenen, unkorri- gierten Strom und den für eine Korrektur verwendeten Größen und
Fig. 4: ein Temperaturverlaufsdiagramm zum Darstellen des Temperaturverlaufs unterschiedlicher Temperaturgrößen bei Einprägen eines Stromes auf den Shuntwiderstand.
Ein Batterie-Strom-Sensor 1 ist mit seinen einem Ende über eine Batterieklemme 2 an einen Pol einer nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugbatterie angeschlossen. Mit seinem anderen Ende ist der Batterie-Strom-Sensor 1 an ein Stromkabel über einen Crimpanschluss 3 angeschlossen. Der Batterie-Strom-Sensor 1 umfasst einen Shuntwiderstand 4 als Messwider- stand. Der Shuntwiderstand 4 ist eingeschlossen in einem Gehäuse 5, das oberseitig eine Öffnung 6 aufweist. Oberhalb des Gehäuses 5 befindet sich eine Leiterplatte 7 mit den benötigten elektrischen/elektronischen Komponenten, die im Übrigen nicht weiter dargestellt sind. Auf der Unter- seitθ der Leiterplatte 8 ist in die Öffnung 6 des Gehäuses hineinragend ein Temperatursensor 8 angeordnet. Die Oberseite der Leiterplatte 7 ist durch einen Deckel 9 abgedeckt. Der Temperatursensor 8 befindet sich aufgrund seiner Lage bezüglich des Shuntwiderstandes 4 in einer definierten gleichbleibenden thermischen Anordnung zu dem Shuntwiderstand 4, und zwar in einer solchen Anordnung, dass eine Erwärmung des Shuntwiderstandes 4 bei einer Stromeinprägung nach einer gewissen Zeit auf den Temperatursensor 8 übertragen wird, so dass dann von dem Temperatursensor 8 die Erwärmung des Shuntwiderstandes 4 erfasst werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen der zu dem Temperatursensor 8 weisenden Oberfläche des Shuntwiderstandes 4 und dem Temperatursensor 8 Luft, um bewusst eine gewisse thermische Isolierung zwischen dem Shuntwiderstand 4 und dem Temperatursensor 8 auszubilden.
In Figur 2 ist in dem dargestellten Blockschaltbild die thermische Anordnung mit einer durchgezogenen Linienführung von der strichpunktiert dargestellten elektrischen Anordnung zu unterscheiden.
Für die indirekte Strommessung mittels der an dem Shuntwiderstand 4 abgegriffenen Spannung wird diese zunächst über einen AD-Wandler 10 geleitet. Die gemessene Spannung ist im Rahmen dieser Ausführungen mit UMESS bezeichnet. Grundsätzlich lässt sich aus der gemessenen Spannung UMESS über die Gleichung / = U/R auch die Stromstärke des durch den Shuntwiderstand 4 fließenden Stroms berechnen. Zur Korrektur des Widerstandswertes R0 des Shuntwiderstandes 4 hinsichtlich seines Temperaturganges wird der Widerstandswert entsprechend korrigiert. In die Korrektur fließen sowohl Veränderungen der Umgebungstemperatur Tu als auch die durch den Stromfluss im und außerhalb des Shuntwider- Standes 4 erzeugte wärmeproduzierende Verlustleistung P ein. Der bezüglich dieser Variablen korrigierte Widerstandswert RKORR stellt das Ergebnis des Korrekturverfahrens dar. Zum Durchführen der Berechnung der Stromstärke wird der Widerstandswert RKORR in vorgenannter Gleichung verwendet, um auf diese Weise das Messergebnis IKORR ZU erhal- ten. IKORR stellt somit die über die gemessene Spannung UMESS ermittelte, dem Shuntwiderstand 4 eingeprägte Stromstärke IKORR dar, die, wie nachfolgend gezeigt, an die am Shuntwiderstand 4 tatsächlich eingeprägte Stromstärke angenähert ist oder sogar mit dieser übereinstimmt. Bei dem Korrekturverfahren wird die Eigenerwärmung des Shuntwider- standes 4 bei einem eingeprägten Strom simuliert. Diese Simulation ist anhand des Simulationsgliedes 11 dargestellt. Die Simulation der Ei- generwärmung des Shuntwiderstandes 4 erfolgt durch Faltung einer aus der gemessenen Spannung UMESS ermittelten Verlustleistung P als Eingangsgröße mit der Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems. Das Shuntwiderstandsystem ist definiert durch die Wärmekapazität CTHSH des Shuntwiderstandes 4 sowie durch den thermischen Widerstand RTHSH des Shuntwiderstandes 4 zur Umgebung. Daher sind bezüglich des Simulationsgliedes 11 in Figur 2 diese Größen als Systemparameter dargestellt, die auf das Simulationsglied Einfluss nehmen. Das durch diese Parameter CTHSH, RTHSH beschrieben Shuntwiderstandsystem und die sich daraus ergebende Impulsantwort wird in einem auslesbaren Speicher hinterlegt und kann bei jeder Simulation abgerufen werden. Die als Eingangsgröße zum Durchführen der Simulation benötigte Verlustleistung P ergibt sich vor einer erstmaligen Durchführung des Simulationsverfahrens durch Errechnen der dem Shuntwiderstand 4 eingeprägten Stromstärke gemäß der vorgenannten Gleichung, wobei in diese lediglich der nominale Wider- standswert R0 des Shuntwiderstandes 4 eingeht oder, wenn möglich, bereits ein zumindest bezüglich der Umgebungstemperatur korrigierter Widerstandswert. Über die auf diese Weise ermittelte Stromstärke lässt sich die innere Verlustleistung des Shuntwiderstandes 4 entsprechend der Gleichung PSHUNT = I2 X R berechnen bzw. annähern.
Aufgrund der zu Figur 1 beschriebenen Anordnung zwischen dem Shuntwiderstand 4 und dem Temperatursensor 8 fließt in die Verlustleistung P als Eingangsgröße der Simulation auch die durch den Stromfluss erzeugte Verlustleistung in unmittelbarer Umgebung des Shuntwiderstandes 4 ein, wenn diese von dem Temperatursensor 8 erfasst werden. Diese sich in einer Erwärmung ausdrückende Verlustleistung zählt auch zu den strom- flusserzeugten Verlustleistungen. Die sich daraus ergebende Verlustleitung Pu der näheren Umgebung berechnet sich entsprechend, so dass am Eingang des Simulationsgliedes die aus beiden vorbeschriebenen Komponenten PSHUNT, PU gebildete Verlustleistung P anliegt. Durch Faltung dieser Eingangsgröße P mit der Impulsantwort des vorbeschriebenen Shuntwiderstandsystems wird die Eigenerwärmung des Shuntwiderstandes 4 simuliert mit dem Ergebnis, dass am Ausgang des Simulationsglie- des 11 die durch die Stromeinprägung am Shuntwiderstand 4 simulierte Temperatur TSIM abgreifbar ist.
Die simulierte Shuntwiderstandstemperatur TSIM wird im folgenden ver- wendet, um zusammen mit der von dem Temperatursensor 8 indirekt er- fassten Umgebungstemperatur Tu zusammen als in die Korrektur eingehende Temperatur TKORR verwendet zu werden. Die Umgebungstemperatur Tu wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine langfristige Mittelwertbildung der durch den Temperatursensor 8 erfassten Temperaturwerte TMESS ermittelt. Somit wird mittelbar die Umgebungstemperatur Tu auch von dem Temperatursensor 8 erfasst. Mit der aus der simulierten Eigenerwärmung errechneten Temperatur TSIM und der Umgebungstemperatur Tu sich ergebenden Temperaturkorrektur TKORR wird ein Korrekturglied 12 beaufschlagt. Das Korrekturglied 12 dient zur Ermittlung des korrigierten Widerstandswertes RKORR des Shuntwider- standes 4, wie dieses in der in dem Korrekturglied wiedergegebenen Gleichung dargestellt ist. Darin stellt die Größe R0 den Eichwiderstand des Shuntwiderstandes 4 bei einer definierten Temperatur dar. "r" ist der Temperaturkoeffizient des Shuntwiderstands 4. To ist die Eichtemperatur. Am Ausgang des Korrekturgliedes 12 ist somit der korrigierte Widerstandswert RKORR des Shuntwiderstands 4 in Abhängigkeit eines eingeprägten Stromes abgreifbar. Dieser Widerstandswert RKORR wird sodann für die Bestimmung der Stromstärke IKORR verwendet.
Der Widerstandswert RKORR findet für nachfolgende Strommessungen gleichfalls Verwendung zur Bestimmung der inneren Verlustleistung PSHUNT des Shuntwiderstandes 4 bei einer Stromeinprägung, so dass dieser Wert RKORR ebenfalls Einfluss auf die Eingangsgröße P der Simulation nimmt. Dieses hat zur Folge, dass nachfolgende Simulationen infolge der besseren Annäherung der inneren Verlustleistung des Shuntwiderstandes 4 als Eingangsgröße der Simulation die ermittelte simulierte Temperatur TSIM der tatsächlichen Shuntwiderstandstemperatur hochgenau angenähert ist oder mit dieser sogar übereinstimmt.
Das in Figur 3 gezeigte Diagramm gibt die Ergebnisse eines Versuches wieder. In den Shuntwiderstand 4 der Figur 1 ist ein Strom lιsτ eingeprägt worden, und zwar für jeweils 30 Sekunden mit 750, 700 und 650 A. Die über die Spannungsmessung anhand des Shuntwiderstandes 4 ermittelte unkorrigierte Stromstärke ist durch die Kurve IMESS ausgedrückt. Deutlich erkennbar ist die Fehlerbehaftung der gemessenen Stromstärke IMESS- Aufgetragen von dem Diagramm der Figur 3 ist ferner die in dem Temperatursensor 8 gemessene Temperatur TMESS- Ferner ist dargestellt die unter Zugrundelegung des eingeprägten Stroms lιsτ errechnete Temperatur TSHUNT im Shuntwiderstand 4. Deutlich erkennbar ist zwischen den beiden Kurven TSHUNT und TMESS, dass die Eigenerwärmung im Shuntwiderstand 4 sehr viel rascher ansteigt und auch wieder abfällt als dieses von dem Temperatursensor 8 erfasst werden kann. Daher ist es wesent- lieh, bei dem Korrekturverfahren die Eigenerwärmung des Shuntwider- standes 4 bei einer Stromeinprägung zu berücksichtigen.
Die Erwärmung des Shuntwiderstands 4 bei der zur Figur 3 gezeigten Stromeinprägung ist in dem Diagramm der Figur 4 gezeigt. Die Kurve TMESS gibt den Verlauf der von dem Temperatursensor 8 erfassten Temperatur der näheren Umgebung des Shuntwiderstandes 4 wieder. Im Zuge der Stromeinprägung steigt naturgemäß die von dem Temperatursensor 8 erfasste Temperatur langsam an. Über das vorbeschriebene Korrekturverfahren wird die im Zuge der Eigenerwärmung des Shuntwiderstandes 4 simulierte Temperatur TSIM ermittelt. Parallel zu der simulierten Temperaturkurve TSIM ist ebenfalls die errechnete Temperatur TSHUNT aufgetragen. Der Verlauf dieser beiden Kurven TSIM, TSHUNT macht deutlich, dass innerhalb der ersten Zeitspanne bis etwa 10 Sekunden nach Beginn des Ein- prägens des Stromes in den Shuntwiderstand 4 die simulierte Temperatur TSIM mit der errechneten Temperatur TSHUNT als Kontrollgröße quasi übereinstimmt. Dieses zeigt, dass das verwendete Shuntwiderstandsystem als solches hinreichend durch die verwendeten Variablen CTHSH, RTHSH bestimmt ist. Bei dem beschriebenen Korrekturverfahren geht in die Korrektur neben der simulierten Eigenerwärmung TSIM auch die von dem Tempe- ratursensor 8 gemessene Temperatur TMESS, gegebenenfalls in Tu umgerechnet, ein. Eine Addition der Kurven TMESS und TSIM ergibt die korrigierte Temperatur TKORR des Shuntwiderstands 4. Da innerhalb der ersten Sekunden einer Bestromung ein in die Korrektur einfließendes Messergebnis des Temperatursensors 8 noch nicht vorliegt, folgt der Verlauf der korrigierten Temperatur TKORR der Kurve TSIM- Mit zunehmender Zeit wird auch der Temperatursensor 8 durch die Erwärmung des Shuntwiderstandes 4 und seiner näheren Umgebung erhöhte Temperaturen erfassen, die sodann in die Korrektur einfließen, so dass der Verlauf der Tem- peraturkurve TKORR dem Verlauf der errechneten Temperaturkurve TSHUNT in hohem Maße angenähert ist, zumindest soweit angenähert ist, um in hinreichend genauem Maße den korrigierten Widerstandswert RKORR zum Bestimmen der gemessenen Stromstärke IKORR in hinreichender Genauig- keit.
Bezugszeichenliste
Batterie-Strom-Sensor Batterieklemme Crimpanschluss Shuntwiderstand Gehäuse Öffnung Leiterplatte Temperatursensor Deckel AD-Wandler Simulationsglied Korrekturglied

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Korrigieren einer durch eine elektrische Span- nungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen Strommessung unter Verwendung eines Shuntwiderstandes (4), wobei das Verfahren eine Korrektur des Widerstandswertes des Shuntwiderstandes (4) bezüglich der aktuellen Umgebungstemperatur (Ty) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturverfahren des Wei- teren eine Korrektur bezüglich der sich durch die durch den Strom- fluss im Shuntwiderstand (4) erzeugte Verlustleistung (P) einstellenden Erhöhung der Temperatur des Shuntwiderstandes (4) beinhaltet, für welche Eigenerwärmungskorrektur die Stromfluss bedingte Eigenerwärmung des Shuntwiderstandes (4) durch Faltung einer aus der gemessenen Spannung (UMESS) ermittelten Verlustleistung (P) als Eingangsgröße mit der Impulsantwort des Shuntwi- derstandsystems simuliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Impulsantwort des Shuntwiderstandsystems die
Wärmekapazität (CTHSH) des Shuntwiderstandes (4) und der thermische Widerstand (RTHSH) des Shuntwiderstandes (4) zur Umgebung verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangsgröße die aus der gemessenen Spannung ermittelte Verlustleistung (P) die Verlustleistung (PSHUNT) des Shuntwiderstandes (4) infolge seiner Eigenerwärmung und die Verlustleistung (Pu) infolge einer Umgebungstemperaturerwärmung verwen- det werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Faltung simulierte Temperatur (TSIM) des Shuntwiderstandes (4) addiert mit der von einem in einer definierten thermischen Anordnung zum Shuntwiderstand (4) angeordneten
Temperatursensor (8) gemessenen Temperatur (TMESS) diejenige Temperatur (TKORR) ist, mit der der Widerstandswert (RKORR) des Shuntwiderstandes (4) für die Korrektur der gemessenen Spannung (UMESS) abgeglichen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen der Faltung der aus der gemessenen Spannung (UMESS) ermittelten Verlustleistung (P) als Eingangsgröße nur ein erster, mehrere Abtastpunkte umfassender Zeitabschnitt der Im- pulsantwort verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Umgebungstemperatur (Tu) durch eine langfristige Mittelwertbildung der Temperaturwerte (TMESS) des Temperatursensors (8) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Korrekturverfahren des Weiteren eine Erwärmung der näheren Umgebung des Shuntwiderstandes (4), wie etwa des Gehäuses, von Anschlussklemmen, von Kabeln oder dergleichen berücksichtigt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der näheren Umgebung des Shuntwiderstandes (4) durch den Temperatursensor (8) erfasst wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass zur Nachkalibrierung des Shuntwiderstandsystems die gemessene Temperatur (TMESS) während und nach einer höheren Strombelastung des Shuntwiderstandes (4) bezüglich der Gesamtenergie ausgewertet wird und das Shuntwiderstandsystem nachkalibriert wird, wenn die Gesamtenergie bezogen auf die ge- messene Temperatur (TMESS) einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über den Verlauf der Temperatur (TKORR), mit der der Widerstandswert des Shuntwiderstandes (4) für die Korrektur der gemessenen Spannung (UMESS) abgeglichen wird, eine Temperaturdifferenz ermittelt wird, über die zusammen mit der spezifischen Thermospannung zwischen dem Shuntwiderstand (4) und seiner elektrischen Anbindung eine resultierende Thermospannung ermittelt wird, mit der der durch die Spannungsmessung (UMESS) ermittelte Stromwert (IKORR) korrigiert wird.
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