WO2006087342A1 - Einrichtung zur erfassung elektrischer ströme - Google Patents

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WO2006087342A1
WO2006087342A1 PCT/EP2006/050960 EP2006050960W WO2006087342A1 WO 2006087342 A1 WO2006087342 A1 WO 2006087342A1 EP 2006050960 W EP2006050960 W EP 2006050960W WO 2006087342 A1 WO2006087342 A1 WO 2006087342A1
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electrical currents
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Matthias Marcks
Christian Strehle
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Continental Teves Ag & Co. Ohg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
    • G01R1/203—Resistors used for electric measuring, e.g. decade resistors standards, resistors for comparators, series resistors, shunts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R1/44—Modifications of instruments for temperature compensation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/16—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor
    • H05K1/167—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor incorporating printed resistors

Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting electrical currents with a measuring resistor, which is arranged on a printed circuit board and is formed by a conductor track section.
  • a device for detecting electrical currents in which a measuring resistor is designed as a resistance foil and is connected to a metallized region of a circuit carrier.
  • the measuring resistor is formed meander-shaped.
  • shunt resistors are used to measure current in electronic circuits.
  • Shunt resistors also referred to below as shunts for short, are measuring resistors which are connected in series with the component to be measured. From the voltage dropping across the shunt resistor, the current can be dissipated.
  • Shunt resistors are used, for example, in DC systems, since the possibility of using purely inductive current transformers is not given here.
  • a shunt resistor must be equipped as a separate component. This component causes Costs and space required on the circuit board.
  • the voltages supplied by a shunt resistor are usually very small for power dissipation, so they must be amplified prior to conversion with an AD converter.
  • the small signal voltage of the shunt resistor can be read directly with an AD converter, but this is usually only partially exploited and thus the effective resolution is smaller than the nominal resolution.
  • the track section at least one temperature sensor is assigned. It is provided that the conductor track section is meander-shaped and surrounds the temperature sensor at least partially. In addition, the conductor track section consists of copper.
  • a measured value amplifier is provided, which is formed from three active semiconductor devices, wherein the semiconductor devices are preferably formed as transistors. It is provided that two transistors are arranged as a current mirror, wherein a transistor, the voltage drop is supplied to the conductor track portion, which affects the symmetry of the current mirror. The third transistor is arranged such that a feedback to the Cancellation of the influence of the current mirror symmetry takes place.
  • the object is procedurally achieved in that the temperature of the meander-shaped conductor track section is determined and a temperature-dependent correction of the measurement result is made. It is provided that, after the temperature determination of the meander-shaped conductor track section, the current resistance value of the conductor track section is calculated and is included in the current calculation
  • Fig. 1 is a schematic representation of a hydraulic brake system
  • Figure 2 shows an embodiment of a shunt resistor as a conductor with terminals and temperature sensor.
  • Fig. 3 is a circuit diagram of a small differential voltage amplifier with three transistors
  • FIG. 4 shows a signal flow diagram for temperature compensation of the shunt resistor shown in FIG. 2 and for calculating the current current
  • Fig. 6 shows an arrangement of a shunt resistor in an H-bridge and Fig. 7 shows a modified circuit with respect to the circuit shown in Fig. 3.
  • Fig. 1 is a circuit diagram of a hydraulic brake system is shown schematically.
  • the hydraulic brake system has on a first axis, the front axle, wheel brakes 2, which are acted upon during service braking via a hydraulic line 9 with pressure.
  • the wheels of the front axle are assigned wheel speed sensors 12 whose output signals are fed to an electronic control and regulation unit (ECU) 5.
  • ECU electronic control and regulation unit
  • This electronic control unit 5 is assigned to the service brake system.
  • the rear axle, wheel brakes 3 are also provided, which can be acted upon during service braking via a second hydraulic line 10 with pressure.
  • the wheel speeds of the wheels of the rear axle are determined by wheel speed sensors 13 and the above-mentioned electronic control unit 5 fed.
  • the wheels of the rear axle in addition to the wheel brakes 3 for service braking on an electromechanical parking brake.
  • the electromechanical parking brake has two mechanically lockable braking devices 4, which are designed as drum brakes 4, each with an expanding lock, not shown, on.
  • the aforementioned expansion lock can be actuated by means of a cable pull 11 from an electromechanical actuating unit 1, after which the drum brakes 4 are clamped.
  • a parking brake operation is performed after the operation of a control element 7 by the driver.
  • the output signals of the control element 7 of the electromechanical parking brake associated electronic control unit (ECU) 6 are supplied, which controls the already mentioned electromechanical actuator 1 accordingly.
  • the just mentioned te electronic control unit 6 and the service brake system associated electronic control and regulating unit 5 communicate with each other via a data line 8, which is designed as a CAN connection.
  • the present invention therefore relates to a device for measuring an electric current by means of a shunt resistor 14, which is part of a printed circuit board and an amplifier 16, consisting of three active semiconductor devices, eg transistors T ia , T ib , T 2 .
  • the shunt resistor 14 consists of a conductor track section 14 made of copper. Particularly advantageously, the conductor track section 14 is formed meander-shaped, as shown in Fig. 2. Of course, other forms are conceivable. Since the shunt resistor 14 is formed by the meandering trace portion 14, the same reference numeral is used. To compensate for the temperature dependence of the copper shunt resistor 14 selbiger surrounds a temperature sensor 15 spatially, as shown in Fig. 2.
  • the temperature sensor 15 is also applied to the circuit board.
  • the amplified voltage drop across the shunt resistor 14 and the temperature information are detected by an AD converter and converted in a microprocessor into a real current value, as will be explained in more detail below.
  • a temperature sensor 15 is required anyway, so that the inclusion of the temperature sensor 15 in the current measurement is no additional effort.
  • the shunt resistor 14 shown in FIG. 2 consists of a conductor track section 14 made of copper on a conductor track. plate.
  • the track portion 14 has a cross section A Cu and a length l Cu , which according to the equation
  • the conductor track section 14 determines the copper resistance R, where p is the resistivity of the conductor material, so typically copper.
  • the conductor track section 14 is formed meander-shaped in order to cause the lowest possible high-frequency radiation and to be able to arrange the measuring connections "Sense +/-" spatially close to one another.
  • the temperature sensor 15 should preferably be mounted in the middle of the shunt resistor 14 in order to measure an average temperature of the conductor track section. When using several temperature sensors, e.g. can be designed as a series connection of multiple diodes, these are expediently distributed over the length of the shunt resistor 14 to measure an average temperature.
  • the illustrated in Fig. 3 circuit diagram of the measurement amplifier 16 according to the invention for amplifying the small signal voltages is characterized in that it consists of only three active components and thus can be realized very space-saving and cost.
  • the voltage drop U shU n t at the already described shunt resistor 14 is the input, the voltage across the resistor R 5 is the output.
  • the input stage is constructed as a current mirror 17 of the transistors T ia and T ib , which is disturbed by the shunt voltage U shunt in its symmetry.
  • the transistor T ia is connected as a diode, which should have the same temperature response as the transistor T ib . And generates the base reference voltage for this. Via the transistor T 2 is a feedback that tries to restore the symmetry.
  • the measured value amplifier can also be configured such that the shunt resistor is connected to a terminal at a high potential, such as the battery voltage.
  • the output voltage of the measured value amplifier 16 then refers to the ground potential, so that, as it were, a conversion of a small voltage at a high potential to an AD converter-compatible signal takes place.
  • 16 PNP instead of NPN transistors can be used in the measured amplifier described and the shunt resistor 14 is connected with a terminal to the operating voltage instead of ground.
  • the temperature of the shunt resistor 14 is converted into a voltage U * via a temperature sensor 15 or via a temperature-dependent resistor (NTC, PTC) or via a diode voltage drop.
  • This voltage U * is measured in method step 21 by an AD converter and the temperature ⁇ is determined by means of a characteristic curve or an approximation function.
  • the temperature measurement is calibrated once during the production of the printed circuit board.
  • the actual resistance value R & is extrapolated from the value R ⁇ oc measured at a certain temperature of for example 2O 0 C.
  • the resistance R.2o ° c at a certain temperature, for example, 2O 0 C is during the manufacture of conductor determined plate and also stored in an EEPROM 18.
  • the voltage at the shunt resistor 14 passes via the above-described measured value amplifier 16 as an input variable U out to a further AD converter.
  • the amplification factor and the offset of the amplifier are determined and stored in the EEPROM 18.
  • the actual shunt voltage U shU n t is recalculated .
  • quotient formation between the actual voltage U shU n t at the shunt resistor 14 and the current resistance value R * calculates the current I in the shunt resistor 14 and makes it available to the controller.
  • the current in the motor can be measured redundantly.
  • the motor current flows in the shunt resistor 14, whose FET is permanently switched on.
  • the proportion of the motor current that occurs in the freewheeling case flows. On average, this is the motor current multiplied by a factor whose value is 1-d, where d is the current duty cycle. The current measurement during operation of the motor can be monitored and made plausible via this relation.
  • each shunt resistor 14 temperature sensor 15 is also redundant in the arrangement of FIG. 5 and may be available in the de-energized pauses for other functions of the electronics.
  • the advantage here is that the redundancy of the temperature sensor 15 is also a reliable signal available.
  • FETs or MOSFETs instead of transistors can be used.
  • the geometry of the shunt resistor 14 is variable. Practically all forms are conceivable.
  • the conductor material that forms the shunt resistor need not be copper. There are other materials conceivable.
  • An advantage of the invention is the elimination of components on the circuit board that cost space and money. Another advantage is that the current measurement can be made with a conventional AD converter with high resolution.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme mit einem Messwiderstand, der auf einer Leiterplatte angeordnet ist und durch einen Leiterbahnabschnitt (14) gebildet wird. Um den Platzbedarf auf der Leiterplatte zu verringern ist erfindungsgemäß ein Messwert-Verstärker vorgesehen ist, der aus drei aktiven Halbleiterbauelementen gebildet wird, wobei die Halbleiterbauelemente vorzugsweise als Transistoren (T1a, T1b, T2) ausgebildet sind. Um die Erfassung mit einer erhöhten Genauigkeit durchzuführen ist vorgesehen, dass die Temperatur des mäanderförmigen Leiterbahnabschnitts (14) ermittelt wird (15) und eine temperaturabhängige Korrektur des Messergebnisses vorgenommen wird.

Description

Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme mit einem Messwiderstand, der auf einer Leiterplatte angeordnet ist und durch einen Leiterbahnabschnitt gebildet wird.
Aus der DE 103 10 498 Al ist eine Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme bekannt, bei der ein Messwiderstand als Widerstandsfolie ausgebildet ist und mit einem metallisierten Bereich eines Schaltungsträgers verbunden ist. Bei der vorbekannten Einrichtung ist vorgesehen, dass der Messwiderstand mäanderförmig ausgebildet ist.
Zur Regelung eines elektrischen Verbrauchers, z.B. eines E- lektromotors in einer elektrischen Parkbremse, ist es notwendig den Strom im Verbraucher messtechnisch zu erfassen. Diese Information ist einerseits zur betriebsmäßigen Regelung nötig und andererseits zum Schutz vor länger anhaltenden Fehlerzuständen wie z.B. Kurzschlüssen.
Üblicherweise werden zur Strommessung in elektronischen Schaltungen Shunt-Widerstände verwendet. Shunt-Widerstände, nachfolgend auch kurz als Shunts bezeichnet, sind Messwiderstände, die in Reihe zu dem zu messenden Bauelement geschaltet sind. Aus der am Shunt-Widerstand abfallenden Spannung kann der Strom abgeleitet werden. Shunt-Widerstände finden beispielsweise in Gleichstromsystemen Anwendung, da hier die Möglichkeit des Einsatzes von rein induktiven Stromwandlern nicht gegeben ist. Gegenwärtig muss ein Shunt-Widerstand als eigenes Bauteil bestückt werden. Dieses Bauteil verursacht Kosten und benötigt bestückbare Fläche auf der Leiterplatte. Außerdem sind die von einem Shunt-Widerstand gelieferten Spannungen aus Verlustleistungsgründen in der Regel sehr klein, so dass sie vor der Umwandlung mit einem AD-Wandler verstärkt werden müssen. Hierzu kommen z.B. integrierte Verstärker in Frage, die jedoch ebenfalls Leiterplattenfläche beanspruchen und Kosten verursachen. Alternativ kann die kleine Signalspannung des Shunt-Widerstands direkt mit einem AD-Wandler eingelesen werden, wobei dieser in der Regel jedoch nur teilweise ausgenutzt wird und somit die effektive Auflösung kleiner ist als die nominale Auflösung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass der Platzbedarf auf der Leiterplatte verringert wird und die Erfassung mit einer erhöhten Genauigkeit erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Leiterbahnabschnitt mindestens ein Temperatursensor zugeordnet wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Leiterbahnabschnitt mäanderförmig ausgebildet ist und den Temperatursensor zumindest teilweise umschließt. Außerdem besteht der Leiterbahnabschnitt aus Kupfer.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist ein Messwert-Verstärker vorgesehen, der aus drei aktiven Halbleiterbauelementen gebildet wird, wobei die Halbleiterbauelemente vorzugsweise als Transistoren ausgebildet sind. Dabei ist vorgesehen, dass zwei Transistoren als Stromspiegel angeordnet sind, wobei einem Transistor der Spannungsabfall am Leiterbahnabschnitt zugeführt wird, was die Symmetrie des Stromspiegels beeinflusst. Der dritte Transistor ist derart angeordnet, dass eine Rückkopplung zur Aufhebung der Beeinflussung der Stromspiegelsymmetrie erfolgt.
Die Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass die Temperatur des mäanderförmigen Leiterbahnabschnitts ermittelt wird und eine temperaturabhängige Korrektur des Messergebnisses vorgenommen wird. Dabei ist vorgesehen, dass nach der Temperaturermittlung des mäanderförmigen Leiterbahnabschnitts der aktuellen Widerstandswerts des Leiterbahnabschnitts berechnet wird und in die Stromberechnung einfließt
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Bremsanlage;
Fig. 2 eine Ausführung eines Shunt-Widerstands als Leiterbahn mit Anschlüssen und Temperatursensor;
Fig. 3 ein Schaltbild eines Verstärkers für kleine Differenzspannungen mit drei Transistoren;
Fig. 4 ein Signalflussdiagramm zur Temperaturkompensation des in Fig. 2 dargestellten Shunt-Widerstands und zur Berechnung des aktuellen Stromes;
Fig. 5 eine Anordnung von zwei Shunt-Widerständen zur redundanten Strommessung mit redundanter Temperaturerfassung;
Fig. 6 eine Anordnung eines Shunt-Widerstandes in einer H-Brücke und Fig. 7 eine modifizierte Schaltung gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Schaltung.
In Fig. 1 ist ein Schaltbild einer hydraulischen Bremsanlage schematisch dargestellt. Die hydraulische Bremsanlage weist an einer ersten Achse, der Vorderachse, Radbremsen 2 auf, die während Betriebsbremsungen über eine hydraulische Leitung 9 mit Druck beaufschlagbar sind. Zur Kontrolle der gewünschten Bremsverzögerung und zur Realisierung einer Blockierschutz-Regelung (ABS) sind den Rädern der Vorderachse Raddrehzahlsensoren 12 zugeordnet, deren Ausgangssignale einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit (ECU) 5 zugeführt werden. Diese elektronische Steuer- und Regeleinheit 5 ist dem Betriebsbremssystem zugeordnet. An einer zweiten Achse, der Hinterachse, sind ebenfalls Radbremsen 3 vorgesehen, die während Betriebsbremsungen über eine zweite hydraulische Leitung 10 mit Druck beaufschlagbar sind. Die Raddrehzahlen der Räder der Hinterachse werden durch Raddrehzahlsensoren 13 ermittelt und der eben erwähnten elektronischen Steuer- und Regeleinheit 5 zugeführt. Außerdem weisen die Räder der Hinterachse neben den Radbremsen 3 für Betriebsbremsungen auch eine elektromechanische Feststellbremse auf. Die elektromechanische Feststellbremse weist zwei mechanisch verriegelbare Bremseinrichtungen 4, die als Trommelbremsen 4 mit jeweils einem nicht näher dargestellten Spreizschloss ausgebildet sind, auf. Das eben genannte Spreizschloss ist mittels eines Kabelzugs 11 von einer e- lektromechanischen Stelleinheit 1 betätigbar, wonach die Trommelbremsen 4 zugespannt werden. Ein Feststellbremsvorgang wird nach der Betätigung eines Bedienelementes 7 durch den Fahrzeugführer durchgeführt. Dabei werden die Ausgangssignale des Bedienelementes 7 einer der elektromechanischen Feststellbremse zugeordneten elektronischen Steuereinheit (ECU) 6 zugeführt, die die bereits erwähnte elektromechanische Stelleinheit 1 entsprechend ansteuert. Die eben genann- te elektronische Steuereinheit 6 sowie die dem Betriebsbremssystem zugeordnete elektronische Steuer- und Regeleinheit 5 kommunizieren miteinander über eine Datenleitung 8, die als CAN-Verbindung ausgebildet ist.
Zur Regelung des Elektromotors der elektromechanischen Stelleinheit 1 ist es notwendig den Strom messtechnisch zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Einrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes mittels eines Shunt- Widerstandes 14, der Bestandteil einer Leiterplatte ist und eines Verstärkers 16, bestehend aus drei aktiven Halbleiterbauelementen, z.B. Transistoren Tia, Tib, T2. Der Shunt- Widerstand 14 besteht aus einem Leiterbahnabschnitt 14 aus Kupfer. Besonders vorteilhaft ist der Leiterbahnabschnitt 14 mäanderförmig ausgebildet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Selbstverständlich sind aber auch andere Formen denkbar. Da der Shunt-Widerstand 14 durch den mäanderförmigen Leiterbahnabschnitt 14 gebildet wird, wird dasselbe Bezugszeichen verwendet. Zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des kupfernen Shunt-Widerstandes 14 umschließt selbiger räumlich einen Temperatursensor 15, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Der Temperatursensor 15 ist ebenfalls auf der Leiterplatte aufgebracht. Der verstärkte Spannungsabfall am Shunt- Widerstand 14 und die Temperaturinformation werden von einem AD-Wandler erfasst und in einem Mikroprozessor in einen realen Stromwert umgerechnet, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. In vielen Steuergeräten ist ohnehin ein Temperatursensor 15 nötig, so dass die Einbeziehung des Temperatursensors 15 in die Strommessung keinen Mehraufwand darstellt.
Der in Fig. 2 dargestellte Shunt-Widerstand 14 besteht aus einem Leiterbahnabschnitt 14 aus Kupfer auf einer Leiter- platte. Der Leiterbahnabschnitt 14 weist einen Querschnitt ACu und eine Länge lCu auf, die gemäß der Gleichung
Figure imgf000008_0001
den Kupferwiderstand R bestimmt, wobei p der spezifische Widerstand des Leiterbahnmaterials, also typischerweise Kupfer, ist. Zweckmäßigerweise wird der Leiterbahnabschnitt 14 mäanderförmig ausgebildet, um eine möglichst geringe hochfrequente Abstrahlung zu verursachen und die Messanschlüsse „Sense+/-„ räumlich dicht beieinander anordnen zu können. Der Temperatursensor 15 sollte möglichst in der Mitte des Shunt-Widerstandes 14 angebracht sein, um eine mittlere Temperatur des Leiterbahnabschnitts zu messen. Bei Verwendung von mehreren Temperatursensoren, die z.B. als Reihenschaltung von mehreren Dioden ausgeführt sein kann, werden diese zweckmäßigerweise über die Länge des Shunt- Widerstandes 14 verteilt angeordnet, um eine mittlere Temperatur zu messen.
Das in Fig. 3 dargestellte Schaltbild des erfindungsgemäßen Messwertverstärkers 16 zur Verstärkung der kleinen Signalspannungen zeichnet sich dadurch aus, dass er aus nur drei aktiven Bauelementen besteht und somit sehr Platz sparend und kostengünstig realisiert werden kann. Der Spannungsabfall UshUnt am bereits beschriebenen Shunt-Widerstand 14 ist die Eingangsgröße, die Spannung am Widerstand R5 ist die Ausgangsgröße. Die Eingangsstufe ist als Stromspiegel 17 aus den Transistoren Tia und Tib aufgebaut, der durch die ShuntSpannung Ushunt in seiner Symmetrie gestört wird. Der Transistor Tia ist als Diode geschaltet, die den gleichen Temperaturgang haben sollte wie der Transistor Tib.und erzeugt die Basisreferenzspannung für diesen. Über den Transistor T2 erfolgt eine Rückkopplung, die die Symmetrie wieder herzustellen versucht. Da kein Integralanteil in der Regel- strecke vorhanden ist, verbleibt eine gewisse Unsymmetrie bzw. eine Differenz zwischen den Emitterspannungen. Das bedeutet, dass für Ushunt = OV der Transistor T2 als reiner Stromspiegel arbeitet. Die Transistordiode Tia stellt bei Us_ hunt = OV eine Basis-Emitter Spannung ein, die im Wesentlichen über die Stromverstärkung und den Widerstand R3 bestimmt wird. Diese Basis-Emitterspannung sieht auch der Transistor Tib, was in beiden Transistoren denselben Basisstrom zu Folge hat. Eben diese Basis-Emitter Spannung wirkt auch am Transistor T2, der dadurch etwas aufgesteuert wird und einen zusätzlichen Strom in den Widerstand Ri einspeist, was die E- mitterspannung gegenüber der Emitterspannung vom Transistor Tib etwas anhebt. Ebenso wird eine Offset-Ausgangsspannung am Widerstand R5 erzeugt.
Dagegen wird für Ushunt > OV aus dem Stromspiegel 17 ein über den Transistor T2 zurückgekoppelter Differenzverstärker: Das Emitterpotential vom Transistor Tib wird angehoben, wodurch sich augenblicklich der Basisstrom und somit auch der Kollektorstrom entsprechend verringert. Dadurch steigt das Kollektorpotential des Transistors Tib und treibt einen Basisstrom in den Transistor T2 hinein, der als Emitterfolger das Emitterpotential des Transistors Tia anhebt, bis die Spannungsdifferenz zwischen den Emittern der Transistoren Tia und Tib wieder praktisch zu null wird. Durch diese Eigenschaft des Messwertverstärkers 16 wird am Widerstand Ri eine Spannung eingestellt, die sich aus der Ruhespannung für Ushunt = OV und UshUnt zusammensetzt. Der Anteil von Ushunt ist weitgehend durch den Strom i5 am Widerstand R5 bedingt, wenn man für UshUnt « VCC5 den Strom i3 am Widerstand R3 als konstant annehmen kann. Somit ergibt sich die AusgangsSpannung U Out zu
Uout = Ushunt R5/R1 ( H ) Durch den zusätzlichen Widerstand R$ wird dem Verstärker eine zu einer Shuntspannung äquivalenten EingangsSpannung derart überlagert, dass an seinem Ausgang eine Verschiebung des Signals stattfindet. Durch diese Maßnahme ist es möglich auch negative Ströme im Shunt-Widerstand zu messen.
Der Messwertverstärker kann gemäß Fig. 7 auch derart ausgestaltet sein, dass der Shunt-Widerstand mit einem Anschluss an einem hohen Potential wie der Batteriespannung angeschlossen ist. Die AusgangsSpannung des Messwertverstärkers 16 bezieht sich dann auf das Massepotential, so dass quasi eine Umsetzung einer kleinen Spannung auf hohem Potential auf ein AD-Wandler kompatibles Signal erfolgt.
Alternativ können in dem beschriebenen Messwertverstärker 16 PNP statt NPN-Transistoren eingesetzt werden und der Shunt- Widerstand 14 wird mit einem Anschluss an die Betriebsspannung angeschlossen statt an Masse.
Es folgt eine Beschreibung der Messwerterfassung mit Temperaturkompensation anhand von Fig. 4: Die Temperatur des Shunt-Widerstandes 14 wird über einen Temperatursensor 15 bzw. über einen temperaturabhängigen Widerstand (NTC, PTC) oder über einen Diodenspannungsabfall in eine Spannung U* umgewandelt. Diese Spannung U* wird im Verfahrensschritt 21 von einem AD-Wandler gemessen und mit Hilfe einer Kennlinie oder einer Näherungsfunktion die Temperatur Φ bestimmt. Die Temperaturmessung wird bei der Herstellung der Leiterplatte einmalig kalibriert. Durch Kenntnis des Temperaturkoeffizienten von Kupfer wird im Verfahrensschritt 22 der aktuelle Widerstandswert R& aus dem bei einer bestimmten Temperatur von beispielsweise 2O0C gemessenen Wert R∑o-c extrapoliert. Der Widerstandswert R.2o°c bei einer bestimmten Temperatur von beispielsweise 2O0C wird während der Herstellung der Leiter- platte ermittelt und ebenfalls in einem EEPROM 18 abgelegt. Die Spannung am Shunt-Widerstand 14 gelangt über den oben beschriebenen Messwertverstärker 16 als Eingangsgröße Uout auf einen weiteren AD-Wandler. Durch einen Kalibrierprozess während der Produktion werden der Verstärkungsfaktor und der Offset des Verstärkers ermittelt und im EEPROM 18 abgelegt. Hiermit wird im Verfahrensschritt 23 die tatsächliche Shuntspannung UshUnt zurückgerechnet. Im Verfahrensschritt 24 wird schließlich durch Quotientenbildung zwischen der tatsächlichen Spannung UshUnt a.m Shunt-Widerstand 14 und dem aktuellen Widerstandswert R* der aktuelle Strom I im Shunt- Widerstand 14 berechnet und der Regelung zur Verfügung gestellt.
Bei einer Anordnung von zwei Shunt-Widerständen 14, 14' gemäß Fig. 5 und der Verwendung eines Freilaufzweiges über die Low-Side Transistoren Ti, T2 kann der Strom im Motor redundant gemessen werden. Zum einen fließt der Motorstrom in dem Shunt-Widerstand 14, dessen FET permanent eingeschaltet ist. In dem jeweils anderen Shunt-Widerstand 14' fließt der Anteil des Motorstromes, der im Freilauffall auftritt. Im Mittel ist das der Motorstrom multipliziert mit einem Faktor, dessen Wert 1-d beträgt, wobei d das aktuelle Tastverhältnis ist. Über diese Relation kann die Strommessung beim Betrieb des Motors überwacht und plausibilisiert werden.
Der bei jedem Shunt-Widerstand 14 vorhandene Temperatursensor 15 ist in der Anordnung nach Fig. 5 ebenfalls redundant vorhanden und kann in den stromlosen Pausen für weitere Funktionen der Elektronik zur Verfügung stehen. Der Vorteil ist hierbei, dass durch die Redundanz des Temperatursensors 15 ebenfalls ein verlässliches Signal zur Verfügung steht. Alternativ können bei der Erfindung auch FETs oder MOSFETs statt Transistoren eingesetzt werden. Ebenso ist die Geometrie des Shunt-Widerstandes 14 variabel. Es sind praktisch alle Formen denkbar.
Das Leitermaterial, welches den Shunt-Widerstand bildet muss nicht Kupfer sein. Es sind andere Materialien denkbar.
Ein Vorteil der Erfindung ist die Eliminierung von Bauteilen auf der Leiterplatte, die Bauraum und Geld kosten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Strommessung mit einem konventionellen AD-Wandler mit hoher Auflösung vorgenommen werden kann .

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme mit einem Messwiderstand, der auf einer Leiterplatte angeordnet ist und durch einen Leiterbahnabschnitt (14) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leiterbahnabschnitt (14) mindestens ein Temperatursensor (15) zugeordnet wird.
2. Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterbahnabschnitt (14) mäanderförmig ausgebildet ist und den Temperatursensor (15) zumindest teilweise umschließt.
3. Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterbahnabschnitt (14) aus Kupfer besteht.
4. Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwert-Verstärker (16) vorgesehen ist, der aus drei aktiven Halbleiterbauelementen gebildet wird, wobei die Halbleiterbauelemente vorzugsweise als Transistoren (Tia, Tib, T2) ausgebildet sind.
5. Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Transistoren (Tia, Tib) als Stromspiegel (17) angeordnet sind, wobei einem Transistor (Tib) der Spannungsabfall am Leiterbahnabschnitt (14) zugeführt wird, was die Symmetrie des Stromspiegels (17) beeinflusst.
6. Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Transis- tor (T2) derart angeordnet ist, dass eine Rückkopplung zur Aufhebung der Beeinflussung der Stromspiegelsymmetrie erfolgt.
7. Verfahren zur Erfassung elektrischer Ströme mit einem Messwiderstand, der auf einer Leiterplatte angeordnet ist und durch einen mäanderförmigen Leiterbahnabschnitt (14) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des mäanderförmigen Leiterbahnabschnitts (14) ermittelt wird und eine temperaturabhängige Korrektur des Messergebnisses vorgenommen wird.
8. Verfahren zur Erfassung elektrischer Ströme nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Temperaturermittlung des mäanderförmigen Leiterbahnabschnitts (14) der aktuellen Widerstandswerts (Ru) des Leiterbahnabschnitts (14) berechnet wird und in die Stromberechnung einfließt.
PCT/EP2006/050960 2005-02-16 2006-02-15 Einrichtung zur erfassung elektrischer ströme WO2006087342A1 (de)

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DE102005007189.9 2005-02-16

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