WO2018158330A1 - Stromsensor mit optimierter stromdichteverteilung, verfahren zum bestimmen eines laststroms - Google Patents

Stromsensor mit optimierter stromdichteverteilung, verfahren zum bestimmen eines laststroms Download PDF

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WO2018158330A1
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PCT/EP2018/054957
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Martin Schramme
Ralf SCHRÖPPEL
Andreas Aumer
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a current sensor for detecting a current from or in a vehicle battery, and to a method for determining a load current flowing through an electrical conductor of a current sensor.
  • Such a current sensor may, in particular to determine the battery condition of a battery, such as a car battery ⁇ be used. To determine a Batteriezu ⁇ stand, it is typically necessary to measure the battery current. This can also be referred to as a load current.
  • embodiments of the prior art typically use highly accurate resistors or sensors for measuring the magnetic field strength. Disadvantages of the previous embodiments are, in particular, the high costs, in particular for the production of resistance materials, which have more or less constant resistance values in a customary temperature range of, for example, -40 ° C. to 105 ° C.
  • An example of such a material is a copper -nickel-manganese alloy, for example manganin.
  • a current measurement can be provided, for example, for use in battery sensors for the downstream calculation of physical quantities of a battery.
  • a high-precision resistor as a measuring resistor, also referred to as a shunt resistor or measuring path, by means of more cost-effective components.
  • One option is to recalibrate a shunt resistor over the life of the battery sensor.
  • the invention preferably relates to a current sensor for detecting a current from or into a vehicle battery, comprising a measuring circuit, in particular a device for providing an output signal, and an electrical conductor.
  • the electrical conductor has at least one first measuring path, which is defined by a first potential tap contact and a second potential tap contact.
  • a first voltage can be detected over the first measuring path by means of the first potential tap contact and the second potential tap contact.
  • the electrical conductor has a first connection contact for making electrical contact with a connection element.
  • the electrical conductor has a second connection contact for making electrical contact with a battery pole terminal.
  • the electrical conductor has a current feed-in contact for making electrical contact with a device for providing a calibration current.
  • the first measuring path is formed lying in series between the first connection contact and the second connection contact.
  • the electrical conductor is based on his geometric parameters and contacts, in particular with respect to its nature and / or positioning of the contacts on the electrical conductor, designed such that a feedable to the StromeinspeiseWallet ist calibration current a current density distribution in the first
  • Measuring path and / or a current density curve along the first measuring path and / or a potential distribution in the first measuring section would cause, with a current density distribution in the first measuring section and / or a current density along the first measuring path and / or a potential distribution in the first measuring section would converge, which would be caused by a on the first terminal contact ⁇ feeds load current of the same current.
  • Under contacts are preferably the Stromeinspeise Membership ist and / or the first PotentialabgriffsWallet réelle and / or the second PotentialabgriffsAuthtechnik and / or the first terminal contact and / or the second terminal contact to understand.
  • a calibration current fed in at the power supply contact generates the same voltage on the first measurement path as a load current of the same current intensity, which is fed in at the first connection contact and in particular flows to the second connection contact.
  • the invention is preferably based on the idea that a point-shaped feed of the calibration current in the surrounding area around the power feed contact generates substantially circular electrical equipotential surfaces. This results in particular in an inhomogeneous distribution of
  • the first measuring section is a conductor segment of defined length, width and height, wherein the first Potentialabgriffsheft réelle and the second Potentialabgriffshefttechnik are arranged on an edge of the first measuring section, whereby the length of the first measuring section is defined by a distance of the first PotentialabgriffsKey réelle and the second PotentialabgriffsMap réelle, in particular the width of the first measuring section is greater than the height of the first measuring section.
  • the first potential tap contact and the second potential tap contact are opposite
  • the StromeinspeiseMessage ist is spaced apart from the first measuring section with a first distance, wherein the first measuring section is a conductor segment with defi ⁇ ned length, width and height, wherein the first Potenti ⁇ alabgriffs. réelle and the second Potentialabgriffskon- taktierung on one edge the first measuring path are arranged, whereby the length of the first measuring path is defined by a distance of the first Potentialabgriffs. réelle and the second Potentialabgriffs.technisch, wherein in particular the width of the first measuring section is greater than the height of the first
  • Measuring distance is, wherein the first distance is greater than 1/8 or 2/8 or 3/8 or 4/8 or 5/8 or 6/8 or 7/8 or 8/8 of the width of the first measuring section.
  • the electrical conductor has a second measuring path, defined by a third potential tap contact and a fourth potential tap contact, at which a second voltage can be detected across the second measuring path.
  • the second measuring section is a conductor segment having a defined length, width and height, wherein the third potential tap contact and the fourth potential tap contact are arranged on one edge of the second measuring section, whereby the length of the second measuring section is defined by a distance of the third Potentialabgriffs- contact and the fourth PotentialabgriffsAuthtechnik, in particular, the width of the second measuring section is greater than the height of the second measuring section.
  • the third potential tap contact and the fourth potential tap contact are preferably arranged on opposite sides or side edges or outer edges of the second measuring path.
  • the invention is preferably based on the idea that the feeding of the calibration current to the power supply contact essentially does not cause any inhomogeneous current density distribution along the cross-sectional area of the first measuring path and / or the second measuring path.
  • the cross-sectional area is given by a width and height of the first measuring section and / or the second measuring section.
  • the electrical conductor is designed on the basis of its geometrical parameters and contacts in such a way that a current density, caused by the calibration current which can be fed in at the current infeed contact, converges to zero in the second measuring path.
  • the Stromeinspeise bitter istстии with a second distance spaced from the second measuring section is formed, wherein the second distance greater than 1/8 or 2/8 or 3/8 or 4/8 or 5/8 or 6/8 or 7/8 or 8/8 of the width of the second measuring section.
  • the electrical conductor has a first subarea, in which the Stromeinspeisekontak- tion is arranged, wherein the length of the first portion is limited by the first measuring section and the second measuring section, wherein the first portion of a larger width and / or larger Height and / or thicker material thickness than the first measuring section and / or the second measuring section.
  • the width and / or height and / or material thickness is at least 1/10 larger and / or thicker than the first measuring section and / or the second measuring section.
  • a first subarea of the electrical conductor in which the current infeed contact is arranged wherein the length of the first subarea is bounded by the first measuring path and the second measuring path, preferably has a lower relative resistance than the first measuring path and / or the second measuring path.
  • the first partial area has a larger cross-sectional area than the first measuring zone and / or the second measuring zone.
  • the first subarea is wider.
  • the first subregion has a lower specific resistance than the first measuring path and / or the second measuring path.
  • a distance of the second measurement path to the first measurement path which is defined by the distance of the fourth potential tap contact to the first potential tap contact, is less than the sum of the distances between the fourth potential tap contact to the power feed contact and between the power input. dining contact to the first PotentialabgriffsAuthtechnik.
  • the distance of the second measuring section to the first measuring section is equal to the length of the first partial section.
  • the spacing of the second measuring section to the first measurement path is defined by the arranged at opposite edges or sides or side edges and outer edges of the first portion Potentialabgriffstitleêten.
  • the distance of the second measuring path to the first measuring path is defined by the inner Potenti ⁇ alabgriffstitle isten.
  • connecting lines between the fourth potential tap contact, the current injection contact and the first potential tap contact form a triangle.
  • the second measuring section and the first measuring section are arranged at an angle to each other, in particular at a right angle.
  • the first measuring path and the second measuring path are not in particular on a straight line.
  • the electrical conductor has a Stromaus ⁇ speiseWallettechnik to form a closed circuit of the calibration.
  • the current output contact is formed at a third distance at a distance from the first measuring path, wherein the first measuring path is a conductor segment having a defined length, width and height, the first potential tap contact and the second potential tap contact being connected to one edge of the first measuring path. ordered, whereby the length of the first measuring section is defined by a distance of the first PotentialabgriffsKey réelle and the second Potentialabgriffs gleichtechnik, wherein in particular the width of the first measuring section is greater than the height of the first measuring section, wherein the third distance greater than 1/8 or 2/8 or 3/8 or 4/8 or 5/8 or 6/8 or 7/8 or 8/8 of the width of the first measuring section.
  • the electrical conductor has a first subarea in which the current feed contact is arranged, the first subarea having a width, wherein the width is reduced and / or tapered in a region around the power feed contact, in particular the area around the power feed contacting has a constriction.
  • the electrical conductor has a first taper maximally spaced at a fourth distance from the power feeding contact, the fourth distance being less than 1/8 or 2/8 or 3/8 or 4/8 or 5/8 or 6/8 or 7/8 or 8/8 of a width of the first measuring section.
  • the electrical conductor has a second partial region in which the current output contact is arranged, wherein the length of the second partial region is limited by the first measuring path and the second connecting contact, wherein the second partial region has a width, wherein the width in one Reduced area around the StromausspeiseWallet réelle and / or is tapered, in particular, the area around the Stromausspeisecard ist has a constriction.
  • the electrical conductor has a second taper maximally spaced at a fifth distance from the current output contact, the fifth distance being less than 1/8 or 2/8 or 3/8 or 4/8 or 5/8 or 6/8 or 7/8 or 8/8 of a width of the first measuring section.
  • the electrical conductor has a first subarea, in which the Stromeinspeisekontak- tion is arranged, wherein the length of the first portion is limited by the first measuring section and the second measuring section, wherein at least one surface, in particular two Surfaces of the first portion are oval-shaped or circular or funnel-shaped.
  • first measuring section and / or the second measuring section have a homogeneous current density distribution or homogeneous current density at loadable or fed load current and calibration current.
  • the electrical conductor is of uniform material.
  • the StromeinspeiseCountmaschine is spaced from the first measuring section.
  • the Stromeinspeiserollmaschine is spaced from the second measuring section.
  • the Stromeinspeise Quiltmaschine is punctiform.
  • the current injection contact is formed over a majority of the circumference of the electrical conductor.
  • the StromeinspeiseAuthtechnik outside the first measuring section and outside the second measuring section is formed.
  • the current sensor comprises a housing, in which the measuring circuit is embedded and in particular the electrical conductor is partially embedded.
  • the current output contact is preferably formed outside the first measuring path and outside the second measuring path.
  • the invention further relates to a method for determining an electrical conductor of a current sensor flowing load current
  • an operating parameter is calculated.
  • the current sensor preferably has:
  • first voltmeter configured to measure a voltage dropping over the first test section
  • second voltmeter is configured in particular to measure a voltage drop across the second test section
  • At least one device for providing a calibration current which is configured to pass a calibration current through the first measurement path
  • an electronic control device configured to perform a method.
  • the method for determining a load current flowing through an electrical conductor of a current sensor preferably relates to a method for determining a load current flowing through a measuring resistor group.
  • the measuring resistor group has a number of branches, and each branch has an electrical conductor according to the invention.
  • the method preferably has the following steps for each of the branches:
  • the second operating parameter is calculated.
  • a measuring resistor originally consisting of only a single resistor can be generalized to a measuring resistor group which has at least one branch with at least two measuring sections.
  • any number of branches may be used, such as a branch, two branches, three branches or more branches.
  • the load currents may in each case be those parts of a total load current which flow through the respective branch.
  • Measuring voltage or calibration voltage in principle, both directly above the respective measurement path can be measured or can be measured such that a total voltage across a plurality of resistors, for example, two resistors, is measured and subtracts a voltage drop across another resistor voltage thereof becomes.
  • the first measurement voltage or a sum of the first measurement voltage and the second measurement voltage can be used.
  • Such variants are to be considered equivalent.
  • the respective calculated load currents of the branches are preferably added to a total load current.
  • the first calibration current is preferably different, in particular the same as the second calibration current. This leads to an advantageous solvability of equation systems, which are described in more detail below.
  • the second calibration flow is zero. This can save a power source and allow a particularly simple evaluation. It should be understood that such embodiments, in which, for example, a calibration flow rate is zero, are encompassed by the disclosure above.
  • the second operating parameter preferably corresponds to a product of a resistance value of the second measuring path and a gain factor of a voltmeter measuring the second measuring voltage.
  • the second operating parameter may be calculated in particular as a difference between a first fraction and a second fraction, wherein the second Refe ⁇ ence voltage is in the numerator of the first fraction, wherein the denominator of the first break is the current intensity of the calibration, wherein the numerator of the second fraction first reference voltage, and wherein in the denominator of the second fraction is a product of the first operating parameter and the current strength of the calibration.
  • the first operating parameter preferably corresponds to a ratio between
  • the first operating parameter is preferably calculated by dividing the first voltage measurement by the second measuring voltage or by regression analysis based on the first measurement ⁇ voltage and the second measuring voltage. This allows in particular an advantageous calculation of the first Be ⁇ operating parameters in the above meaning.
  • the first operating parameter is preferably calculated Ka of ⁇ librierzeitfound outside, in particular when the
  • the load current during respective calibration periods is calculated by extrapolating load currents from times outside of calibration periods. This takes into account the fact that, depending on the design, it may be difficult or even impossible to calculate the load current exactly during a calibration period, ie when the calibration current is superimposed.
  • the second Kalibrierteilstrom zero, and the load current will be ⁇ calculated based on the second calibration voltage, the second operating parameter and the current value of the calibration during respective KalibrierzeitLite. This contributes in particular the fact that, in particular when the second Kalibrierteilstrom is zero, an exact calculation of the load current during a Calib ⁇ rierzeitraums is possible.
  • the load current can be determined in two different exemplary ways. First, it may be calculated from the first calibration voltage divided by the second operating parameter minus the known calibration current, and secondly, it may be calculated from the second calibration voltage divided by the product of the first and second operating parameters.
  • the final result is output or calculated as the mean value of the two aforementioned methods.
  • the load current is calculated outside of calibration periods by dividing the second measurement voltage by the second operating parameter.
  • the load current during calibration periods is calculated by dividing the first calibration voltage by the second operating parameter minus a correction value, wherein the correction value is preferably the current value of the calibration current, in particular if the second calibra ⁇ rierteilstrom is zero.
  • the current intensity of the calibration current can be determined in particular based on a measured voltage drop across a reference resistor, wherein this reference resistor is in particular a temperature- and / or long-term stable reference resistor. This has a known resistance.
  • the electronic control device preferably controls the feeding of the calibration current.
  • the electronic control device may in particular comprise processor means and memory means, wherein program code is stored in the memory means, in the execution of which the processor means execute a method according to the invention or behave accordingly.
  • the measuring resistor group has a single branch. This corresponds to a simple design.
  • the measuring resistor group has a plurality of branches.
  • different currents can be taken into account.
  • a number of multiplexers may also be provided in order to associate a voltage measurement and / or a passing of the calibration current to a specific branch.
  • measuring instruments or current sources can be used for different branches, which saves effort.
  • the measuring resistor group may have a plurality of branches.
  • the load current is in this case preferably summed calculated over all branches. It can be spoken of a total load current, which results from summation on the respective load currents of the branches.
  • the invention further relates to a non-volatile computer-readable storage medium which contains program code, in the execution of which a processor carries out a method according to the invention. It can be used in terms of the method to all described versions and variants.
  • FIG. 1 shows a measuring resistor group with circuitry according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a measuring resistor group with circuitry according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a measuring resistor group with circuitry according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a measuring resistor group with circuitry according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a measuring resistor group with a circuit according to a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 6 electrical conductor according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 7 current sensor according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows an electrical conductor according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 9 simulation of the potential curve of the electrical conductor according to the third exemplary embodiment
  • FIG. 10 Simulation of the potential curve of the electrical conductor according to the third exemplary embodiment
  • FIG. 11 Simulation of the potential curve of the electrical conductor according to the third exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a measuring resistor group with circuitry according to a first exemplary embodiment, with which the method according to the invention can also be carried out advantageously.
  • the measuring resistor group has a first measuring resistor Rl and a second measuring resistor R2, via which a time-varying load current Iload is conducted.
  • This load current Iload initially comes from a battery, which is shown in terms of voltage as Vbat in Figure 1.
  • the load current Iload also flows through a load, generally referred to as load, which is shown here only schematically and may include typical electrical components of a motor vehicle such as a starter, a vehicle light or electronic components as well as a generator.
  • a first voltmeter Ul is arranged above the first measuring resistor Rl.
  • a second voltmeter U2 is arranged above the second measuring resistor R2. These are designed to measure respective voltages across the two measuring resistors Rl, R2 at each current flowing through II, 12.
  • the load load Iload is generated from the battery Vbat via the load load, which flows via the resistor network of the measuring resistors Rl, R2 to the ground GND.
  • the two capacitors Cl, C2 are connected via a switch Sl and a reference resistor Rref to a point between the first measuring resistor and the second measuring resistor.
  • Line resistances are formed between this point and the measuring resistor Rl or the measuring resistor R2.
  • the voltmeter Ul or the voltmeter U2 is above the measuring resistor Rl or. arranged the measuring resistor R2.
  • Above the reference resistor Rref a further voltmeter Uref is arranged, which measures a voltage drop across the reference resistor Rref when the calibration current Iref is flowing through.
  • a calibration current Iref is thus fed into the resistor network consisting of the measuring resistors R1, R2. wherein the first capacitor C1 discharges substantially via the first measuring resistor Rl, and the second capacitor C2 discharges substantially via the second measuring resistor R2. Consequently, two Kalibrierteilströme, namely a first Kalibrierteilstrom Iref, 1 and a second Kalibrierteilstrom Iref, 2, wherein the first Kalibriereilstrom Iref, 1 flows through the first measuring resistor Rl and the second Ka ⁇ librierteilstrom Iref, 2 flows through the second measuring resistor R2.
  • the two Kalibrierteilströme Iref, 1 and Iref, 2 bear on the two measuring resistors Rl, R2 opposite
  • the voltmeters U1, U2 typically each have at least one amplifier, as a rule with a variable amplification factor, and one analog-to-digital converter or a common analog-to-digital converter, which can be connected to one amplifier per one multiplexer ,
  • an arithmetic unit for example an electronic control device, which may be designed, for example, as a microcontroller.
  • an electronic control device may comprise, for example, Pro ⁇ zessorstoff and storage means, wherein in the
  • Memory processing program code is stored, in the execution of the processor means execute a method according to the invention.
  • the processor means can calculate the load current Iload according to the above-mentioned formulas.
  • the arithmetic unit or the electronic control device can preferably also have an interface for reading in the voltages Ul, U2, Uref and an interface for controlling the switch S1.
  • C2 any other type of power source can be used.
  • DC / DC converters a direct connection to the positive terminal of a battery (with or without resistor Rlim), series regulators, regulated precision current sources (in particular with the elimination of the Iref measurement via Rref) or other suitable designs can be used.
  • FIG. 2 shows a measuring resistor group with circuitry according to a second exemplary embodiment. It should be noted that in the case of FIG. 2 and the further figures, the changes to the previous figures are essentially dealt with, with reference to the previous description with regard to elements which have not been mentioned separately.
  • the resistance network or the measuring resistance group consists of a plurality of measuring resistors R1, R2, R3, R4,..., Rz, Rz-1 connected in parallel or in series.
  • An advantage of this embodiment is, in particular, that an altogether lower measuring resistance in the Iload path is achieved by the parallel connection of a plurality of resistor branches, while the measuring resistors R1, R2,..., Rz-1, Rz can be relatively large. Thus, even with a low applied calibration current compared to the load current, a relatively high, i. easily measurable voltage drop, generated at the respective measuring resistor.
  • two, in particular three, different or multiple multiplexers are used, one of which is used to switch the reference currents and a second, and in particular a third, to switch the voltmeter on the respective branch of the resistor network.
  • the feed point for the reference current and the edges of the measuring sections for the partial flows are spatially separated from one another.
  • FIG. 3 shows a measuring resistor group with circuitry according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • a first multiplexer Muxl for switching the calibration current Iref on any branch (Rl, R2), (R3, R4), ..., (Rz-1, Rz) of the resistor network
  • a second multiplexer Mux2 for switching the voltmeter Um
  • a third multiplexer Mux3 for switching the voltmeter Un to any branch (R1, R2), (R3, R4), ..., (Rz-1, Rz) of the resistor network.
  • a microcontroller yC controls the multiplexers Muxl, Mux2, Mux3 and the switch Sl and receives the measured values Un, Um, Uref.
  • the microcontroller yC is an electronic control device and is configured to carry out a method according to the invention. In principle, all described designs and variants can be used.
  • FIG. 4 shows a measuring resistor group with circuitry according to a fourth exemplary embodiment of the invention, in which the calibration currents IS sum can be switched selectively by the control unit via different measuring resistors (upper resistance, lower resistance) of a resistance branch.
  • the voltage measurement is divided into the steps amplification (amplifier 1, amplifier 2) and analog-to-digital conversion (AD converter 1, AD converter 2).
  • FIG. 5 shows a measuring resistor group with circuitry according to a fifth embodiment, wherein (the resistance network ⁇ three resistors connected in series resistance above, Resistance center, resistor bottom) contains each branch, which can be charged separately with the calibration.
  • FIG. 6 shows an electrical conductor according to a first exemplary embodiment.
  • the electrical conductor has a first measuring path and a second measuring path.
  • the first measuring ⁇ path is defined by a first and a second PotentialabgriffsAuth réelle 1 PotentialabgriffsAuthtechnik 2 to which a first voltage Ul is detected on the first measurement path.
  • the second measuring path is defined by a third potential tap contact 3 and a fourth potential tap contact 4, at which a second voltage U2 can be detected over the second measuring path.
  • the electrical conductor furthermore has a first connection contact 21 for making electrical contact with a cable and a second connection contact 22 for making electrical contact with a pole terminal.
  • the electrical conductor has a current feed-in contact 5 for making electrical contact with a device for providing a calibration current.
  • the second measurement path and the first measuring section are each formed from ⁇ in series between the first terminal contact 21 and the second terminal contact 22nd
  • the Stromeinspeiseking ist 5 is at a first distance 12 spaced from the first measuring section.
  • the first measuring section is a conductor segment with a defined length, width
  • the first potential tap contact 1 and the second potential tap contact 2 are formed on an edge of the first measuring section.
  • the length of the first measuring path is thus defined by a distance of the first potential tap contact 1 and the second potential tap contact 2.
  • the width 11 of the first measuring section is in particular greater than the height of the first measuring section.
  • the second measuring section 12 is in this embodiment substantially the same size of the width 11 of the first measuring section.
  • the second measuring section is a conductor segment with a defined length, width 13 and height.
  • the third potential tap contact 3 and the fourth potential tap contact 4 are formed at an edge of the second measuring path.
  • the length of the second measurement path is thus defined by a distance of the third potential tap contact 3 and the fourth potential tap contact 4.
  • the width 13 of the second measuring section is in particular greater than the height of the second measuring section.
  • the StromeinspeiseCount réelle 5 is at a second distance 14 spaced from the second measuring section from ⁇ formed.
  • the second distance 14 is in this embodiment substantially equal to the width 13 of the second measuring section.
  • the electrical conductor has a first portion in which the StromeinspeiseWalletmaschine 5 arranged or
  • the length of the first subarea is limited by the first measuring path and the second measuring path or by the fourth potential tap contact 4 and the first potential tapping contact 1.
  • the first subregion has a greater width than the first measurement section 11 or the second measurement section 13.
  • the electrical conductor is formed of the same material.
  • the current sensor shown in FIG. 7 comprises a
  • the electrical conductor has a current output contact 6 for forming a closed circuit of the calibration current Iref.
  • the StromausspeiseWallet ist 6 is formed with a third Abfand 15 spaced from the first measuring section.
  • the third spacer 15 is in this embodiment in ⁇ We sentlichen equal to the width 11 of the first measuring section.
  • the electrical conductor has a second partial region in which the current output contact 6 is arranged or
  • the current sensor has a first voltmeter, which is configured to measure a falling over the first measuring section voltage Ul or with the first Potentialabgriffs- contacting 1 and the second PotentialabgriffsAuthtechnik 2 via a printed circuit board 7 is electrically contacted.
  • the current sensor has a second voltmeter which is configured to measure a voltage U2 dropping across the second measuring path or is electrically contacted via the printed circuit board 7 to the third potential tap contact 3 and the fourth potential tap contact 4.
  • the current sensor has a device for providing a calibration current, which can preferably be designed as a capacitor and / or high-precision current source and / or branches off a defined current from the vehicle battery.
  • the apparatus for providing a calibration current is configured a calibration current Iref through the first measurement ⁇ route to conduct or pass through or feed.
  • the device for providing a calibration current is in particular electrically contacted via the printed circuit board 7, in particular with the current feeding contact 5 and particularly preferably with the current output contact 6.
  • the current sensor comprises a control device that is configured to perform a method.
  • FIG. 8 shows an electrical conductor according to a third exemplary embodiment.
  • a distance of the second measuring path and the first measuring path which is defined in particular by the distance of the fourth PotentialabgriffsKey réelle 4 and the first PotentialabgriffsTypetechnik 1, is less than the sum of the distances between the fourth potentialab ⁇ grip contact 4 and the StromeinspeiseCount réelle. 5 and between the StromeinspeiseCounttechnik 5 and the first PotentialabgriffsKeytechnik. 1
  • the second measuring section and the first measuring section are arranged at an angle to one another, in particular at a right angle. As a result, the first measuring section and the second measuring section are not on a straight line.
  • the electrical conductor has a first portion in which the Stromeinspeise manifest ist 5 arranged or
  • the length of the first subarea is limited by the second measuring section and the first measuring section. Two surfaces of the first portion are oval-shaped or
  • the electrical conductor has perforated elements, which serve in particular for the suspension or assembly of the electrical conductor, in particular in the current sensor.
  • FIGS. 9, 10 and 11 show finite element simulation results of a potential curve or of equipotential surfaces on different surfaces of the electrical conductor and in different situations.
  • FIG. 9 shows the locally high one
  • the flow of current through the oval-shaped formation of the first subregion is supplied in particular funnel-shaped to the measuring section.
  • FIG. 10 shows the equipotential surfaces or equipotential lines of the first measuring section with the calibration current Iref fed in.
  • the equipotential surfaces or equipotential lines lie parallel to one another, resulting in a homogeneous current density profile in or along the first measuring path.
  • the determination of a load current Iload to be measured takes place via a resistance group, through which the load current flows.
  • the resistance group has at least one first measuring section a first measuring resistor Rl and a second measuring path with a second measuring resistor R2, which are connected to each other in series.
  • further measuring resistors R3, R4,..., Rn-1, Rn connected in series can be connected.
  • a calibration current or several calibration currents is / are temporarily fed into this resistance network or measuring resistor group, so that a calibration current or a part of the calibration current or a part of the calibration currents together with the load current or a part of the load current via one or more of these measurement resistors flows.
  • the measuring resistors can be regarded as partial resistors of the measuring resistor group.
  • the voltage drop caused by the sum of the currents flowing through a measuring resistor is measured via one or more partial resistors of the resistor network. It is now possible to select the points at which the calibration current (s) are fed into the measuring resistor group and the points over which the voltage measurements are carried out on the current-carrying measuring resistors in such a way that a solvable system of equations results:
  • TJ ⁇ T + T) * / * T
  • the measuring resistors may consist of further measuring resistors connected in series or in parallel, g m , g n are the (faulty) amplification factors of the measuring devices for the voltages U m , U n ,
  • the Kalibrierteilstöme or the Ka ⁇ librierstrom is applied periodically, for example with a period between 10 ms and 100 ms for a duration of a period between 10 and 100 ys ys.
  • TJ J * R * er
  • U m , U n denote measuring voltages, ie voltages measured outside of calibration periods.
  • temporally variable calibration currents can be applied to the times in which calibration currents flow, ie within calibration periods.
  • voltage value pairs U n (t), U m (t) measured at the same time t can be stored. These stored value pairs can be used in the microcontroller by means of
  • I load - ⁇ - 1
  • I i oad From the sum of the two equations, I i oad can be calculated approximately also for the times in which the calibration current is switched on: In this case, an error arises, in particular, when the currents I r e f, m and I re f, n differ greatly.
  • the value I REJ f 'm - I re] f' n is known here, it corresponds to the Ka ⁇ librierstrom, so the sum of the Kalibrierteilströme. Here, the different signs are taken into account.
  • Calibration time and measured values are formed after the calibration time.
  • a decision can be made whether the faulty measurement used or is formed ⁇ He set value.
  • the decision can z. B. based
  • the relative error caused by the ratio of the sum of the currents flowing through all the branches becomes smaller.
  • the respective applied load current can be calculated exactly, since the sum of U n and U m is the same for all branches at any time, regardless of whether one of the branches is being calibrated or not.
  • the measuring resistors Ri, R 2 , R z -i, R z and the devices for measuring the voltages U n , U m can have almost any size tolerances or deviations from the setpoint.
  • the value of the calibration current also plays no decisive role.
  • the ratio mn of e two products " ⁇ H , m öm of measuring resistors R" n “ and R" m “ and amplification factors g" n “ , g” m " should be essentially stable over a certain period of time, which should be significantly longer than the period of time. with which the periodically applied calibration currents are switched on and off or changed periodically.
  • shall be accurately known at least at a point in time when U n and U m are measured when the calibration current is applied.
  • the described device or arrangement typically requires only a precise knowledge of I ref at a time. In addition, virtually no requirements are made on the quality of the current source for I ref . Only an accurate measurement of I ref is typically needed. This is, for example, with a correspondingly accurate Refe rence ⁇ resistor R ref, and an accurate measurement of the voltage drop across R ref easy to reach.
  • R ref namely, unlike the measuring resistor for the load current, have a high resistance of eg 1 ohm, which only needs to be designed for small reference currents and not for high load currents.
  • the voltage drop I ref * R ref can also be conveniently measured, since z. B. no complex amplifier is required.
  • the first operating parameter is, in particular, alpha nm
  • the second operating parameter is in particular the product of resistance and amplification factor.
  • Any subsets of the circuits shown can, for example, be discretely mounted on a printed circuit board or integrated in a semiconductor device.
  • the discrete circuit or the semiconductor device can further devices, for example temperature sensors, in particular for temperature measurement, at least one of the resistors Rref, Rl, R2, ..., Rn, voltage sensors, in particular for measuring battery voltages, communication interfaces, devices for controlling the current sources Cl , C2, further current sources, clocks, volatile and / or non-volatile data memories, in particular for storing calibration data of the current measuring device, for example a value determined in the final production test of Rref or a temperature coefficient of Rref, microprocessors, in particular for the calculation of physical Quantities of the battery or to calculate temperature models, in particular for calculating the battery temperature, the ambient temperature of the device or for calculating a temperature of one or more of the resistors used Rref, Rl, ..., Rz.
  • devices for example temperature sensors, in particular for temperature measurement, at least one of the resistors Rref, Rl, R2, ..., Rn, voltage sensors, in particular for measuring battery voltages, communication interfaces, devices for controlling the
  • the entire arrangement or any subset of the pre ⁇ direction can be installed, for example, in a plastic or metal ⁇ housing with or without an integrated plug, or can be encapsulated with a plastic.
  • Shunt resistors Rl, ..., Rz can be integrated in a battery terminal, in a cable lug, in a battery cable or in a battery.
  • the circuit may also include one or more choppers for the voltages sensed at the resistors Rref, Rl, ..., Rz.
  • the circuit can have one or more sample-and-hold elements for the resistors Rref, Rl,..., Rz tapped voltages or tapped or amplified voltages contained therein.
  • the measurement of the calibration current Iref can also be carried out using a current measurement method other than a voltage measurement via Iref, for example using a Hall sensor or other magnet-based measurement methods.
  • Mentioned steps of the method according to the invention can be carried out in the order given. However, they can also be executed in a different order. In one of its embodiments, for example with a specific set of steps, the method according to the invention can be carried out in such a way that no further steps are carried out. However, in principle also further steps can be carried out, even those which are not mentioned. The claims belonging to the application do not constitute a waiver of the achievement of further protection.
  • the first operating parameter is designated by a
  • the second operating parameter is designated by R * g
  • the gain factor is designated by g.

Abstract

Stromsensor zum Erfassen eines Stromes aus oder in eine Fahrzeugbatterie, umfassend: * eine Messschaltung; und * einen elektrischen Leiter, aufweisend: - zumindest eine erste Messstrecke, definiert durch eine erste Potentialabgriffskontaktierung (1) undeine zweite Potentialabgriffskontaktierung (2) an denen eine erste Spannung (U1) über der ersten Messstrecke erfassbar ist; - einen ersten Anschlusskontakt (21) zur elektrischen Kontaktierung mit einem Anschlusselement; - einen zweiten Anschlusskontakt (22) zur elektrischen Kontaktierung mit einer Batteriepolklemme; und - eine Stromeinspeisekontaktierung (5) zur elektrischen Kontaktierung mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Kalibrierstroms; wobei die erste Messstrecke in Reihe liegend zwischen dem ersten Anschlusskontakt (21) und dem zweiten Anschlusskontakt (22) ausgebildet ist, wobei der elektrische Leiter anhand seiner geometrischen Parameter (11,12,13,14,15) und Kontaktierungen (1,2,3,4,5,6,21,22) derart ausgebildet ist, dass ein an der Stromeinspeisekontaktierung (5) einspeisbarer Kalibrierstrom (Iref) eine Stromdichteverteilung in der ersten Messstrecke hervorruft, die mit einer Stromdichtenverteilung in der ersten Messstrecke konvergiert, welche durch ein an dem ersten Anschlusskontakt (21) einspeisbaren Laststrom (Iload) gleicher Stromstärke hervorgerufen wird.

Description

Stromsensor mit optimierter Stromdichteverteilung, Verfahren zum Bestimmen eines Laststroms
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsensor zum Er- fassen eines Stromes aus oder in eine Fahrzeugbatterie, sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines durch einen elektrischen Leiter eines Stromsensors fließenden Laststroms.
Ein solcher Stromsensor kann insbesondere zur Bestimmung des Batteriezustands einer Batterie, beispielsweise einer Auto¬ batterie, verwendet werden. Zur Bestimmung eines Batteriezu¬ standes ist es typischerweise erforderlich, den Batteriestrom zu messen. Dieser kann auch als Laststrom bezeichnet werden. Hierzu kommen bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik typi- scherweise hochgenaue Widerstände oder Sensoren zur Messung der magnetischen Feldstärke zum Einsatz. Nachteilig an den bisherigen Ausführungen sind insbesondere die hohen Kosten, insbesondere zur Erstellung von Widerstandsmaterialien, welche in einem üblichen Temperaturbereich von beispielsweise -40 °C bis 105 °C mehr oder weniger konstante Widerstandswerte aufweisen. Ein Beispiel eines solchen Materials ist eine Kup¬ fer-Nickel-Mangan-Legierung, beispielsweise Manganin.
Eine Strommessung kann beispielsweise zum Einsatz in Batte- riesensoren zur nachgelagerten Berechnung von physikalischen Größen einer Batterie vorgesehen sein.
Seit einiger Zeit gibt es Ansätze, einen hochpräzisen Widerstand als Messwiderstand, auch als Shunt-Widerstand oder Messstrecke bezeichnet, durch kostengünstigere Bauteile zu ersetzen. Eine Möglichkeit ist es, einen Shunt-Widerstand über die Lebensdauer des Batteriesensors immer wieder nachzukalibrieren .
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine ständige Nach- kalibrierung auch während der gleichzeitigen Messung der im Kraftfahrzeug auftretenden hohen und zeitlich stark veränderlichen Ströme unter den herrschenden Randbedingungen, insbesondere eines erwünschten niedrigen Stromverbrauchs des Sensors, schwierig ist, da der zum Kalibrieren anzulegende Kalibrierstrom klein gewählt werden soll und nur kurzzeitig anliegen soll. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, welcher insbesondere kostengünstig ist und im Vergleich zu bekannten Ausführungen eine bessere und/oder präzisere Bestimmung des Laststroms ermöglicht. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen
Stromsensor nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 15. Vorteilhafte Ausführungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht .
Die Erfindung betrifft alternativ vorzugsweise einen Stromsensor zum Erfassen eines Stromes aus oder in eine Fahrzeugbatterie, umfassend eine Messschaltung, insbesondere eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Ausgangssignals, und einen elektrischen Leiter. Dabei weist der elektrischen Leiter zumindest eine erste Messstrecke auf, welche durch eine erste Potentialabgriffs- kontaktierung und eine zweite Potentialabgriffskontaktierung definiert ist. Dabei ist eine erste Spannung über der ersten Messstrecke mittels der ersten Potentialabgriffskontaktierung und der zweiten Potentialabgriffskontaktierung erfassbar. Dabei weist der elektrische Leiter einen ersten Anschlusskontakt zur elektrischen Kontaktierung mit einem Anschlusselement auf . Zudem weist der elektrische Leiter einen zweiten Anschlusskontakt zur elektrischen Kontaktierung mit einer Batteriepolklemme auf. Des Weiteren weist der elektrische Leiter eine Stromeinspeise- kontaktierung zur elektrischen Kontaktierung mit einer Vor- richtung zur Bereitstellung eines Kalibrierstroms auf. Dabei ist die erste Messstrecke in Reihe liegend zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der elektrische Leiter anhand seiner geometrischen Parameter und Kontaktierungen, insbesondere bezüglich seiner Beschaffenheit und/oder Positionierung der Kontaktierungen auf dem elektrischen Leiter, derart ausgebildet, dass ein an der Stromeinspeisekontaktierung einspeisbarer Kalibrierstrom eine Stromdichteverteilung in der ersten
Messstrecke und/oder einen Stromdichteverlauf entlang der ersten Messstrecke und/oder eine Potentialverteilung in der ersten Messstrecke hervorrufen würde, die mit einer Stromdichtenverteilung in der ersten Messstrecke und/oder einem Strom- dichteverlauf entlang der ersten Messstrecke und/oder einer Potentialverteilung in der ersten Messstrecke konvergieren würde, welche durch ein an dem ersten Anschlusskontakt ein¬ speisbaren Laststrom gleicher Stromstärke hervorgerufen werden würde .
Unter Kontaktierungen sind bevorzugt die Stromeinspeisekontaktierung und/oder die erste Potentialabgriffskontaktierung und/oder die zweite Potentialabgriffskontaktierung und/oder der erste Anschlusskontakt und/oder der zweite Anschlusskontakt zu verstehen.
Bevorzugt erzeugt ein an der Stromeinspeisekotaktierung eingespeister Kalibrierstrom die gleiche Spannung an der ersten Messstrecke wie ein Laststrom gleicher Stromstärke, welcher an dem ersten Anschlusskontakt eingespeist wird und insbesondere zu dem zweiten Anschlusskontakt fließt.
Der Erfindung liegt vorzugsweise der Gedanke zu Grunde, dass eine punktförmige Einspeisung des Kalibrierstroms im umliegenden Bereich um die Stromeinspeisekontaktierung im Wesentlichen kreisförmige elektrische Äquipotentialflächen erzeugt. Daraus resultiert insbesondere eine inhomogene Verteilung der
Stromdichte im umliegenden Bereich um die Stromeinspeiseko¬ taktierung entlang der Querschnittsfläche des elektrischen Leiters.
Es ist bevorzugt, dass die erste Messstrecke ein Leitersegment mit definierter Länge, Breite und Höhe ist, wobei die erste Potentialabgriffskontaktierung und die zweite Potentialabgriffskontaktierung an einem Rand der ersten Messstrecke angeordnet sind, wodurch die Länge der ersten Messstrecke durch einen Abstand der ersten Potentialabgriffskontaktierung und der zweiten Potentialabgriffskontaktierung definiert ist, wobei insbesondere die Breite der ersten Messtrecke größer der Höhe der ersten Messstrecke ist.
Bevorzugt sind die erste Potentialabgriffskontaktierung und die zweite Potentialabgriffskontaktierung an gegenüberliegenden
Seiten bzw. Seitenkanten bzw. Außenkanten der ersten Messstrecke angeordnet .
Es ist bevorzugt, dass die Stromeinspeisekontaktierung mit einem ersten Abstand beabstandet zur ersten Messstrecke ausgebildet ist, wobei die erste Messstrecke ein Leitersegment mit defi¬ nierter Länge, Breite und Höhe ist, wobei die erste Potenti¬ alabgriffskontaktierung und die zweite Potentialabgriffskon- taktierung an einem Rand der ersten Messstrecke angeordnet sind, wodurch die Länge der ersten Messstrecke durch einen Abstand der ersten Potentialabgriffskontaktierung und der zweiten Potentialabgriffskontaktierung definiert ist, wobei insbesondere die Breite der ersten Messtrecke größer der Höhe der ersten
Messstrecke ist, wobei der erste Abstand größer 1/8 oder 2/8 oder 3/8 oder 4/8 oder 5/8 oder 6/8 oder 7/8 oder 8/8 der Breite der ersten Messstrecke ist.
Es ist bevorzugt, dass der elektrische Leiter eine zweite Messstrecke aufweist, definiert durch eine dritte Potential- abgriffskontaktierung und eine vierte Potentialabgriffskon- taktierung an denen eine zweite Spannung über der zweiten Messstrecke erfassbar ist.
Es ist besonders bevorzugt, dass die zweite Messstrecke ein Leitersegment mit definierter Länge, Breite und Höhe ist, wobei die dritte Potentialabgriffskontaktierung und die vierte Potentialabgriffskontaktierung an einem Rand der zweiten Messstrecke angeordnet sind, wodurch die Länge der zweiten Mess- strecke durch einen Abstand der dritten Potentialabgriffs- kontaktierung und der vierten Potentialabgriffskontaktierung definiert ist, wobei insbesondere die Breite der zweiten Messtrecke größer der Höhe der zweiten Messstrecke ist.
Bevorzugt sind die dritte Potentialabgriffskontaktierung und die vierte Potentialabgriffskontaktierung an gegenüberliegenden Seiten bzw. Seitenkanten bzw. Außenkanten der zweiten Messstrecke angeordnet.
Es ist besonders bevorzugt, dass die zweite Messstrecke und die erste Messstrecke zueinander in Reihe liegend zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt ausgebildet sind, wobei insbesondere die Stromeinspeisekontaktierung in Reihe zwischen der zweiten Messtrecke und der ersten Messstrecke liegt .
Der Erfindung liegt vorzugsweise der Gedanke zu Grunde, dass die Einspeisung des Kalibrierstroms an der Stromeinspeisekontak- tierung im Wesentlichen keine inhomogene Stromdichtenverteilung entlang der Querschnittsfläche der ersten Messstrecke und/oder der zweiten Messstrecke verursacht.
Bevorzugt ist die Querschnittsfläche gegeben durch eine Breite und Höhe der ersten Messstrecke und/oder der zweiten Messstrecke.
Es ist bevorzugt, dass der elektrische Leiter anhand seiner geometrischen Parameter und Kontaktierungen derart ausgebildet ist, dass eine Stromdichte, hervorgerufen durch den an der Stromeinspeisekontaktierung einspeisbaren Kalibrierstrom, in der zweiten Messstrecke gegen Null konvergiert.
Es ist bevorzugt, dass die Stromeinspeisekontaktierung mit einem zweiten Abstand beabstandet zur zweiten Messstrecke ausgebildet ist, wobei der zweite Abstand größer 1/8 oder 2/8 oder 3/8 oder 4/8 oder 5/8 oder 6/8 oder 7/8 oder 8/8 der Breite der zweiten Messstrecke ist. Es ist bevorzugt, dass der elektrischen Leiter einen ersten Teilbereich aufweist, in welchem die Stromeinspeisekontak- tierung angeordnet ist, wobei die Länge des ersten Teilbereichs durch die erste Messstrecke und die zweite Messstrecke begrenzt ist, wobei der erste Teilbereich eine größere Breite und/oder größere Höhe und/oder dickere Materialstärke aufweist als die erste Messstrecke und/oder die zweite Messstrecke.
Besonders bevorzugt ist die Breite und/oder Höhe und/oder Materialstärke um wenigstens 1/10 größer und/oder dicker als die erste Messstrecke und/oder die zweite Messstrecke.
Bevorzugt weist ein erster Teilbereich des elektrischen Leiters, in welchem die Stromeinspeisekontaktierung angeordnet ist, wobei die Länge des ersten Teilbereichs durch die erste Messstrecke und die zweite Messstrecke begrenzt ist, einen geringeren relativen Widerstandswert auf, als die erste Messstrecke und/oder die zweite Messstrecke. Besonders bevorzugt weist der erste Teilbereich eine größere Querschnittsfläche auf, als die erste Messstrecke und/oder die zweite Messstrecke. Insbesondere ist der erste Teilbereich breiter . Besonders bevorzugt weist der erste Teilbereich einen geringeren spezifischen Widerstandswert auf, als die erste Messstrecke und/oder die zweite Messstrecke.
Es ist bevorzugt, dass ein Abstand der zweiten Messstrecke zu der ersten Messstrecke, die durch den Abstand der vierten Potentialabgriffskontaktierung zu der ersten Potentialabgriffs- kontaktierung definiert ist, geringer ist als die Summe der Abstände zwischen der vierten Potentialabgriffskontaktierung zu der Stromeinspeisekontaktierung sowie zwischen der Stromein- speisekontaktierung zu der ersten Potentialabgriffskontaktierung . Bevorzugt ist der Abstand der zweiten Messstrecke zu der ersten Messstrecke gleich der Länge des ersten Teilbereichs. Insbe¬ sondere ist der Abstand der zweiten Messstrecke zu der ersten Messstrecke definiert durch die an gegenüberliegenden Rändern bzw. Seiten bzw. Seitenkanten bzw. Außenkanten des ersten Teilbereichs angeordneten Potentialabgriffskontaktierungen . Besonders bevorzugt ist der Abstand der zweiten Messstrecke zu der ersten Messstrecke definiert durch die inneren Potenti¬ alabgriffskontaktierungen .
Bevorzugt bilden Verbindungslinien zwischen der vierten Potentialabgriffskontaktierung, der Stromeinspeisekontaktierung und der ersten Potentialabgriffskontaktierung ein Dreieck. Bevorzugt sind die zweite Messstrecke und die erste Messstrecke unter einem Winkel zueinander angeordnet, insbesondere in einem rechten Winkel. Dadurch liegen die erste Messstrecke und die zweite Messtrecke insbesondere nicht auf einer Geraden. Es ist bevorzugt, dass der elektrische Leiter eine Stromaus¬ speisekontaktierung zur Bildung eines geschlossenen Stromkreises des Kalibrierstroms aufweist.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Stromausspeisekontaktierung mit einem dritten Abstand beabstandet zur ersten Messstrecke ausgebildet ist, wobei die erste Messstrecke ein Leitersegment mit definierter Länge, Breite und Höhe ist, wobei die erste Potentialabgriffskontaktierung und die zweite Potentialabgriffskontaktierung an einem Rand der ersten Messstrecke an- geordnet sind, wodurch die Länge der ersten Messstrecke durch einen Abstand der ersten Potentialabgriffskontaktierung und der zweiten Potentialabgriffskontaktierung definiert ist, wobei insbesondere die Breite der ersten Messtrecke größer der Höhe der ersten Messstrecke ist, wobei der dritte Abstand größer 1/8 oder 2/8 oder 3/8 oder 4/8 oder 5/8 oder 6/8 oder 7/8 oder 8/8 der Breite der ersten Messstrecke ist. Es ist bevorzugt, dass der elektrischen Leiter einen ersten Teilbereich aufweist, in welchem die Stromeinspeisekontak- tierung angeordnet ist, wobei der erste Teilbereich eine Breite aufweist, wobei die Breite in einem Bereich um die Stromein- speisekontaktierung verringert und/oder verjüngt ist, wobei insbesondere der Bereich um die Stromeinspeisekontaktierung eine Einschnürung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der elektrische Leiter eine erste Verjüngung aufweist, die maximal mit einem vierten Abstand von der Stromeinspeisekontaktierung beabstandet ist, wobei der vierte Abstand kleiner 1/8 oder 2/8 oder 3/8 oder 4/8 oder 5/8 oder 6/8 oder 7/8 oder 8/8 einer Breite der ersten Messstrecke ist .
Es ist bevorzugt, dass der elektrischen Leiter einen zweiten Teilbereich aufweist, in welchem die Stromausspeisekontaktierung angeordnet ist, wobei die Länge des zweiten Teilbereichs durch die erste Messstrecke und den zweiten Anschlusskontakt begrenzt ist, wobei der zweite Teilbereich eine Breite aufweist, wobei die Breite in einem Bereich um die Stromausspeisekontaktierung verringert und/oder verjüngt ist, wobei insbesondere der Bereich um die Stromausspeisekontaktierung eine Einschnürung aufweist .
Es ist bevorzugt, dass der elektrische Leiter eine zweite Verjüngung aufweist, die maximal mit einem fünften Abstand von der Stromausspeisekontaktierung beabstandet ist, wobei der fünfte Abstand kleiner 1/8 oder 2/8 oder 3/8 oder 4/8 oder 5/8 oder 6/8 oder 7/8 oder 8/8 einer Breite der ersten Messstrecke ist .
Es ist bevorzugt, dass der elektrischen Leiter einen ersten Teilbereich aufweist, in welchem die Stromeinspeisekontak- tierung angeordnet ist, wobei die Länge des ersten Teilbereichs durch die erste Messstrecke und die zweite Messstrecke begrenzt ist, wobei zumindest eine Oberfläche, insbesondere zwei Oberflächen, des ersten Teilbereichs ovalförmig oder kreisförmig oder trichterförmig ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass die erste Messstrecke und/oder die zweite Messstrecke eine homogene Stromdichteverteilung bzw. homogene Stromdichte bei einspeisbarem bzw. eingespeistem Laststrom und Kalibrierstrom aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass der elektrische Leiter materialein- heitlich ausgebildet ist.
Bevorzugt ist die Stromeinspeisekontaktierung beabstandet zur ersten Messstrecke ausgebildet. Bevorzugt ist die Stromeinspeisekontaktierung beabstandet zur zweiten Messstrecke ausgebildet.
Bevorzugt ist die Stromeinspeisekontaktierung punktförmig ausgebildet .
Es ist bevorzugt, dass die Stromeinspeisekontaktierung über einen Großteil des Umfangs des elektrischen Leiters ausgebildet ist . Bevorzugt ist die Stromeinspeisekontaktierung außerhalb der ersten Messstrecke und außerhalb der zweiten Messstrecke ausgebildet .
Bevorzugt umfasst der Stromsensor ein Gehäuse, in welches die Messschaltung eingebettet ist und insbesondere der elektrische Leiter teilweise eingebettet ist.
Bevorzugt ist die Stromausspeisekontaktierung außerhalb der ersten Messstrecke und außerhalb der zweiten Messstrecke ausgebildet.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Bestimmen eines durch einen elektrischen Leiter eines Stromsensors fließenden Laststroms,
- wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Messen einer ersten Messspannung, welche über der ersten Messstrecke abfällt,
- Berechnen des Laststroms basierend zumindest auf der ersten Messspannung und einem Betriebsparameter,
- wobei das Verfahren ausschließlich während jeweiliger Kalibrierzeiträume folgende Schritte aufweist:
- Leiten eines Kalibrierstroms in die Stromeinspeisekontak- tierung, und
- Messen einer ersten Kalibrierspannung, welche zumindest bei fließendem Kalibrierstrom über der ersten Messstrecke abfällt,
- wobei basierend zumindest auf der ersten Kalibrierspannung und einer Stromstärke des Kalibrierstroms ein Betriebsparameter berechnet wird.
Bevorzugt weist der Stromsensor:
- zumindest einen ersten Spannungsmesser und insbesondere einen zweiten Spannungsmesser auf, wobei der erste Spannungsmesser zur Messung einer über der ersten Messstrecke abfallenden Spannung konfiguriert ist und der zweite Spannungsmesser insbesondere zur Messung einer über der zweiten Messstrecke abfallenden Spannung konfiguriert ist,
- zumindest eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Kalib- rierstroms auf, welche zum Durchleiten eines Kalibrierstroms durch die erste Messstrecke konfiguriert ist, und
- eine elektronische Steuerungsvorrichtung auf, welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren durchzuführen.
Das Verfahren zum Bestimmen eines durch einen elektrischen Leiter eines Stromsensors fließenden Laststroms betrifft vorzugsweise ein Verfahren zum Bestimmen eines durch eine Messwider- standsgruppe fließenden Laststroms. Die Messwiderstandsgruppe weist dabei eine Anzahl von Zweigen auf, und jeder Zweig weist einen erfindungsgemäßen elektrischen Leiter auf. Bevorzugt weist das Verfahren für jeden der Zweige folgende Schritte auf:
- Messen einer ersten Messspannung, welche über der ersten Messstrecke abfällt, und einer zweiten Messspannung, welche über der zweiten Messstrecke abfällt,
- Berechnen eines ersten Betriebsparameters basierend auf der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung,
- Berechnen des Laststroms basierend zumindest auf der zweiten Messspannung und einem zweiten Betriebsparameter,
- wobei das Verfahren ausschließlich während jeweiliger Kalibrierzeiträume folgende Schritte aufweist:
- Leiten eines Kalibrierstroms in die Stromeinspeisekontak- tierung, wobei sich der Kalibrierstrom in einen durch die erste Messstrecke fließenden ersten Kalibrierteilstrom und einen durch die zweite Messstrecke fließenden zweiten Kalibrierteilstrom aufteilt, und
- Messen einer ersten Kalibrierspannung, welche bei fließendem Kalibrierstrom und Laststrom über der ersten Messstrecke abfällt, und einer zweiten Kalibrierspannung, welche bei flie- ßendem Kalibrierstrom und Laststrom über der zweiten Messstrecke abfällt,
- wobei basierend zumindest auf der ersten Kalibrierspannung, der zweiten Kalibrierspannung, dem ersten Betriebsparameter und einer Stromstärke des Kalibrierstroms der zweite Betriebspa- rameter berechnet wird.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft möglich, einen Laststrom zu bestimmen. Bevorzugt kann ein ursprünglich nur aus einem einzigen Widerstand bestehender Messwiderstand verallgemeinert werden zu einer Messwiderstandsgruppe, welche mindestens einen Zweig mit mindestens zwei Messstrecken aufweist. Es sei verstanden, dass jede beliebige Anzahl von Zweigen verwendet werden kann, also beispielsweise ein Zweig, zwei Zweige, drei Zweige oder mehr Zweige . Bei den Lastströmen kann es sich insbesondere jeweils um diejenigen Teile eines Gesamtlaststroms handeln, welche durch den jeweiligen Zweig fließen. Bevorzugt sei verstanden, dass eine über einer jeweiligen
Messstrecke abfallenden Spannung, also Messspannung bzw. Kalibrierspannung, grundsätzlich sowohl unmittelbar über der jeweiligen Messstrecke gemessen werden kann oder auch derart gemessen werden kann, dass eine Gesamtspannung über mehrere Widerstände, beispielsweise zwei Widerstände, gemessen wird und eine über einem anderen Widerstand abfallende Spannung davon subtrahiert wird. Diese Ausführungen sind äquivalent im Sinne dieser Anmeldung und sollen beide entsprechend von den hier verwendeten Formulierungen umfasst sein.
Bevorzugt sei verstanden, dass beim Schritt des Berechnens des Laststroms basierend zumindest auf der zweiten Messspannung und einem zweiten Betriebsparameter alternativ zur zweiten Messspannung auch die erste Messspannung oder eine Summe aus erster Messspannung und zweiter Messspannung verwendet werden kann. Derartige Varianten sind als äquivalent zu betrachten.
Bei mehreren Zweigen werden die jeweiligen berechneten Lastströme der Zweige bevorzugt zu einem Gesamtlaststrom addiert.
Zu den Details der Vorgehensweise sei auf die unten stehenden Ausführungen verwiesen.
Bevorzugt ist bezogen auf eine Stromrichtung des Laststroms der erste Kalibrierstrom unterschiedlich, insbesondere gegengleich zum zweiten Kalibrierstrom. Dies führt zu einer vorteilhaften Lösbarkeit von Gleichungssystemen, welche weiter unten näher beschrieben werden.
Gemäß einer Ausführung ist der zweite Kalibrierteilstrom null. Dies kann eine Stromquelle einsparen und eine besonders einfache Auswertung ermöglichen. Es sei verstanden, dass solche Ausführungen, in welchen also beispielsweise ein Kalibrierteilstrom null ist, von der obenstehenden Offenbarung umfasst werden. Bevorzugt entspricht der zweite Betriebsparameter einem Produkt aus einem Widerstandswert der zweiten Messstrecke und einem Verstärkungsfaktor eines die zweite Messspannung messenden Spannungsmessers . Der zweite Betriebsparameter kann insbesondere als Differenz zwischen einem ersten Bruch und einem zweiten Bruch berechnet werden, wobei im Zähler des ersten Bruchs die zweite Refe¬ renzspannung steht, wobei im Nenner des ersten Bruchs die Stromstärke des Kalibrierstroms steht, wobei im Zähler des zweiten Bruchs die erste Referenzspannung steht, und wobei im Nenner des zweiten Bruchs ein Produkt aus dem ersten Betriebsparameter und der Stromstärke des Kalibrierstroms steht. Dies erlaubt eine vorteilhafte Berechnung des zweiten Be¬ triebsparameters insbesondere bei der oben angegebenen Be- deutung. Zu den mathematischen Hintergründen sei auf die untenstehende Ausführung verwiesen.
Es sei verstanden, dass bei in dieser Anmeldung angegebenen Gleichungen oder Formeln, seien sie in Textform oder als Formel angegeben, grundsätzlich auch gewisse Umformungen, insbesondere triviale Umformungen, als äquivalent angesehen werden und nicht aus dem Schutzbereich herausführen. So kann beispielsweise eine Gleichung mit einer Konstanten multipliziert werden.
Der erste Betriebsparameter entspricht vorzugsweise einem Verhältnis zwischen
einem Produkt aus Widerstandswert der zweiten Messstrecke und Verstärkungsfaktor eines die zweite Messspannung messenden Spannungsmessers und
einem Produkt aus Widerstandswert der ersten Messstrecke und Verstärkungsfaktor eines die erste Messspannung messenden Spannungsmessers . Der erste Betriebsparameter wird dabei vorzugsweise durch Division der ersten Messspannung durch die zweite Messspannung oder durch Regressionsanalyse basierend auf der ersten Mess¬ spannung und der zweiten Messspannung berechnet. Dies erlaubt insbesondere eine vorteilhafte Berechnung des ersten Be¬ triebsparameters bei der oben angegebenen Bedeutung.
Bevorzugt wird der erste Betriebsparameter außerhalb von Ka¬ librierzeiträumen berechnet, insbesondere wenn auch die
Messspannungen gemessen werden.
Gemäß einer Ausführung wird der Laststrom während jeweiliger Kalibrierzeiträume durch Extrapolation von Lastströmen aus Zeiten außerhalb von Kalibrierzeiträumen berechnet. Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass es je nach Ausführung schwierig oder gar unmöglich sein kann, den Laststrom während eines Kalibrierzeitraums, also bei überlagertem Kalibrierstrom, exakt zu berechnen . Gemäß einer Ausführung ist der zweite Kalibrierteilstrom null, und der Laststrom wird während jeweiliger Kalibrierzeiträume basierend auf der zweiten Kalibrierspannung, dem zweiten Betriebsparameter und der Stromstärke des Kalibrierstroms be¬ rechnet. Dies trägt insbesondere der Tatsache Rechnung, dass, insbesondere wenn der zweite Kalibrierteilstrom null ist, eine exakte Berechnung des Laststroms auch während eines Kalib¬ rierzeitraums möglich ist.
Insbesondere in diesem Fall kann der Laststrom auf zwei ver- schiedene beispielhafte Weisen bestimmt werden. Zum ersten kann er aus der ersten Kalibrierspannung, dividiert durch den zweiten Betriebsparameter, minus dem bekannten Kalibrierstrom berechnet werden, zum anderen kann er aus der zweiten Kalibrierspannung, dividiert durch das Produkt aus dem ersten und dem zweiten Betriebsparameter, berechnet werden.
Vorteilhafterweise wird das Endergebnis als Mittelwert der beiden eben genannten Methoden ausgegeben bzw. berechnet. Gemäß einer Ausführung wird der Laststrom außerhalb von Kalibrierzeiträumen durch Division der zweiten Messspannung durch den zweiten Betriebsparameter berechnet.
Gemäß einer Ausführung wird der Laststrom während Kalibrierzeiträumen durch Division der ersten Kalibrierspannung durch den zweiten Betriebsparameter abzüglich eines Korrekturwerts berechnet, wobei der Korrekturwert vorzugsweise die Stromstärke des Kalibrierstroms ist, insbesondere wenn der zweite Kalib¬ rierteilstrom null ist.
Man könnte auch einen Schätzwert für die Aufteilung des Ka¬ librierstroms verwenden. Aufgrund der typischerweise bekannten nominalen Widerstandswerte der ersten Messstrecke und der zweiten Messstrecke ist es typischerweise abschätzbar, wie sich der Strom aufteilen wird. Solange der Kalibrierstrom klein ist im Vergleich zum Laststrom, ergibt dies üblicherweise nur einen kleinen Fehler.
Die Stromstärke des Kalibrierstroms kann insbesondere basierend auf einem gemessenen Spannungsabfall an einem Referenzwiderstand ermittelt werden, wobei dieser Referenzwiderstand insbesondere ein temperatur- und/oder langzeitstabiler Referenzwiderstand ist. Dieser weist einen bekannten Widerstand auf.
Es sei erwähnt, dass damit typischerweise der Kalibrierstrom zunächst einmal nur in der Summe gemessen wird, d.h. ohne Kenntnis der beiden Kalibrierteilströme. Um den Kalibrierstrom zu messen, sind zahlreiche Möglichkeiten denkbar. Die eben erwähnte
Spannungsmessung über einem Referenzwiderstand ist ein Beispiel davon. Eine andere Möglichkeit wäre es, den Kalibrierstrom von einer präzisen Stromquelle zu beziehen. Gemäß einer Weiterbildung wird basierend auf der Stromstärke des Referenzwiderstands ein Fehlerwert für den Laststrom berechnet. Damit kann die Zuverlässigkeit des ermittelten Laststroms abgeschätzt werden. Bevorzugt steuert die elektronische Steuerungsvorrichtung das Einspeisen des Kalibrierstroms. Die elektronische Steuerungsvorrichtung kann insbesondere Prozessormittel und Speichermittel aufweisen, wobei in den Speichermitteln Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung die Prozessormittel ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen bzw. sich entsprechend verhalten.
Gemäß einer Ausführung weist die Messwiderstandsgruppe einen einzigen Zweig auf. Dies entspricht einer einfachen Ausführung.
Gemäß einer Ausführung weist die Messwiderstandsgruppe eine Mehrzahl von Zweigen auf. Damit kann beispielsweise unterschiedlichen Stromstärken Rechnung getragen werden.
Es kann auch eine Anzahl von Multiplexern vorgesehen sein, um eine Spannungsmessung und/oder ein Durchleiten des Kalibrierstroms einem bestimmten Zweig zuzuordnen. Damit können Messinstrumente bzw. Stromquellen für unterschiedliche Zweige verwendet werden, was Aufwand einspart.
Die Messwiderstandsgruppe kann eine Mehrzahl von Zweigen aufweisen. Der Laststrom wird in diesem Fall bevorzugt summiert über alle Zweige berechnet. Dabei kann von einem Gesamtlaststrom gesprochen werden, welcher sich durch Summation über die jeweiligen Lastströme der Zweige ergibt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges com- puterlesbares Speichermedium, welches Programmcode enthält, bei dessen Ausführung ein Prozessor ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Dabei kann hinsichtlich des Verfahrens auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden .
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen. Dabei zeigen: Figur 1: eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2: eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 3: eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 4: eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
Figur 5: eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
Figur 6: elektrischer Leiter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 7: Stromsensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 8: elektrischer Leiter gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 9: Simulation des Potentialverlaufs des elektrischen Leiters gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 10: Simulation des Potentialverlaufs des elektrischen Leiters gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, und
Figur 11: Simulation des Potentialverlaufs des elektrischen Leiters gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, mit welcher sich auch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft durchführen lässt. Die Messwiderstandsgruppe weist einen ersten Messwiderstand Rl und einen zweiten Messwiderstand R2 auf, über welche ein zeitlich veränderlicher Laststrom Iload geleitet wird. Dieser Laststrom Iload stammt zunächst aus einer Batterie, welche spannungsmäßig als Vbat in Figur 1 eingezeichnet ist. Der Laststrom Iload fließt auch über eine allgemein als Load bezeichnet Last, welche hier lediglich schematisch dargestellt ist und typische elektrische Komponenten eines Kraftfahrzeugs wie beispielsweise einen Anlasser, ein Fahrzeuglicht oder elektronische Komponenten sowie auch einen Generator beinhalten kann.
Über dem ersten Messwiderstand Rl ist ein erster Spannungsmesser Ul angeordnet. Über dem zweiten Messwiderstand R2 ist ein zweiter Spannungsmesser U2 angeordnet. Diese sind dazu ausgebildet, jeweilige Spannungen über den beiden Messwiderständen Rl, R2 bei jeweils durchfließendem Strom II, 12 zu messen.
Als Stromquellen für einen Kalibrierstrom Iref dienen ein erster Kondensator Cl und ein zweiter Kondensator C2, welche über einen Vorwiderstand Rlim direkt aus der Fahrzeugbatterie geladen werden. Über den Verbraucher Load wird der Laststrom Iload aus der Batterie Vbat erzeugt, der über das Widerstandsnetzwerk der Messwiderstände Rl, R2 zur Masse GND fließt. Die beiden Kondensatoren Cl, C2 sind über einen Schalter Sl und einen Referenzwiderstand Rref mit einem Punkt zwischen dem ersten Messwiderstand und dem zweiten Messwiderstand verbunden.
Zwischen diesem Punkt und dem Messwiderstand Rl bzw. dem Messwiderstand R2 sind jeweils Leitungswiderstände ausgebildet. Der Spannungsmesser Ul bzw. der Spannungsmesser U2 ist über dem Messwiderstand Rl bzw . dem Messwiderstand R2 angeordnet. Über dem Referenzwiderstand Rref ist ein weiterer Spannungsmesser Uref angeordnet, welcher eine über dem Referenzwiderstand Rref bei durchfließendem Kalibrierstrom Iref abfallende Spannung misst.
Durch Schließen des Schalters Sl wird somit zusätzlich zum Laststrom Iload ein Kalibrierstrom Iref in das aus den Messwiderständen Rl, R2 bestehende Widerstandsnetzwerk eingespeist, wobei sich der erste Kondensator Cl im Wesentlichen über den ersten Messwiderstand Rl entlädt, und der zweite Kondensator C2 sich im Wesentlichen über den zweiten Messwiderstand R2 entlädt. Hierdurch entstehen folglich zwei Kalibrierteilströme, nämlich ein erster Kalibrierteilstrom Iref, 1 und ein zweiter Kalibrierteilstrom Iref, 2, wobei der erste Kalibrierteilstrom Iref , 1 durch den ersten Messwiderstand Rl fließt und der zweite Ka¬ librierteilstrom Iref, 2 durch den zweiten Messwiderstand R2 fließt. Die beiden Kalibrierteilströme Iref, 1 und Iref, 2 tragen über den beiden Messwiderständen Rl, R2 entgegengesetzte
Vorzeichen, während ihre Summe Iref durch den Referenzwiderstand Rref fließt und wie bereits beschrieben über eine Spannungs¬ messung gemessen werden kann. Die Spannungsmesser Ul, U2 zur Messung der über den beiden
Messwiderständen Rl, R2 abfallenden Spannungen sind vorliegend nicht weiter im Detail ausgeführt. Die Spannungsmesser Ul, U2 weisen typischerweise jeweils mindestens einen Verstärker auf, in der Regel mit variablem Verstärkungsfaktor, und je einen Anlog-Digital-Wandler oder auch einen gemeinsamen Ana- log-Digital-Wandler, welcher über einen Multiplexer je einem Verstärker zugeschaltet werden kann.
In Figur 1 nicht eingezeichnet ist ein Rechenwerk, beispielsweise eine elektronische Steuerungsvorrichtung, welche beispielsweise als MikroController ausgebildet sein kann. Eine solche elektronische Steuerungsvorrichtung kann beispielsweise Pro¬ zessormittel und Speichermittel aufweisen, wobei in den
Speichermitteln Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung die Prozessormittel ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen. Insbesondere können die Prozessormittel dabei den Laststrom Iload gemäß den oben genannten Formeln berechnen. Das Rechenwerk bzw. die elektronische Steuerungsvorrichtung kann bevorzugt auch eine Schnittstelle zum Einlesen der Spannungen Ul, U2, Uref sowie eine Schnittstelle zum Steuern des Schalters Sl aufweisen . Es sei erwähnt, dass anstelle der Kondensatoren Cl, C2 jede beliebige andere Art von Stromquelle zum Einsatz kommen kann. Beispielsweise können DC/DC-Wandler, eine direkte Verbindung zum Pluspol einer Batterie (mit oder ohne Vorwiderstand Rlim) , Längsregler, geregelte Präzisionsstromquellen (insbesondere mit Entfall der Iref-Messung über Rref) oder auch andere geeignete Ausführungen zum Einsatz kommen.
Es sei des Weiteren darauf hingewiesen, dass Teile der Be- rechnungen, insbesondere die Berechnung einer Summe von über den Messwiderständen gemessenen Spannungen (Un, Um) und/oder eine Differenz dieser Spannungen (Un-Um) auch vor der Digitalisierung der Messwerte analog ausgeführt werden können. Figur 2 zeigt eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel . Es sei erwähnt, dass bei Figur 2 und den weiteren Figuren im Wesentlichen auf die Änderungen zu den vorherigen Figuren eingegangen wird, wobei bezüglich nicht eigens erwähnter Elemente auf die vorherige Beschreibung verwiesen sei.
Bei der Ausführung gemäß Figur 2 besteht das Widerstandsnetzwerk bzw. die Messwiderstandsgruppe aus mehreren, parallel bzw. in Reihe geschalteten Messwiderständen Rl, R2, R3, R4,..., Rz, Rz-1. Ein Vorteil dieser Ausführung besteht insbesondere darin, dass durch die Parallelschaltung mehrerer Widerstandszweige ein insgesamt niedrigerer Messwiderstand im Iload-Pfad erreicht wird, während die Messwiderstände Rl, R2,..., Rz-1, Rz relativ groß sein können. Damit wird selbst bei niedrigem angelegtem Ka- librierstrom im Vergleich zum Laststrom ein relativ hoher, d.h. leicht messbarer Spannungsabfall, am jeweiligen Messwiderstand erzeugt .
Vorzugsweise werden zwei, insbesondere drei, verschiedene oder mehrere Multiplexer eingesetzt, wovon einer zum Schalten der Referenzströme und ein zweiter und insbesondere ein dritter, zum Schalten der Spannungsmesser auf den jeweiligen Zweig des Widerstandsnetzwerks verwendet wird. Insbesondere sind der Einspeisepunkt für den Referenzstrom und die Ränder der Messstrecken für die Teilströme räumlich voneinander getrennt sind.
Anstelle des Multiplexers für den Referenzstrom kann bei¬ spielsweise auch je eine Stromquelle und/oder je ein Span¬ nungsmessgerät pro Messwiderstand Rl, R2,..., Rz-1, Rz verwendet werden .
Figur 3 zeigt eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei wird ein erster Multiplexer Muxl zum Schalten des Kalibrierstroms Iref auf einen beliebigen Zweig (Rl, R2), (R3, R4 ),..., (Rz-1, Rz) des Widerstandsnetzwerks, ein zweiter Multiplexer Mux2 zum Schalten des Spannungsmessers Um und ein dritter Multiplexer Mux3 zum Schalten des Spannungsmessers Un auf einen beliebigen Zweig (Rl, R2), (R3, R4 ),..., (Rz-1, Rz) des Widerstandsnetzwerks verwendet. Ein MikroController yC steuert die Multiplexer Muxl, Mux2, Mux3 und den Schalter Sl und empfängt die Messwerte Un, Um, Uref.
Der MikroController yC ist eine elektronische Steuerungsvorrichtung und ist dazu konfiguriert, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Dabei kann grundsätzlich auf alle be- schriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
Figur 4 zeigt eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher die Kalibrierströme ISumme von der Steuerung gezielt über ver- schiedene Messwiderstände (Widerstand oben, Widerstand unten) eines Widerstandszweigs getrennt geschaltet werden können. Die Spannungsmessung ist detailliert in die Schritte Verstärkung (Verstärker 1, Verstärker 2) und Analog-Digital-Wandlung (AD-Wandler 1, AD-Wandler 2) aufgeteilt.
Figur 5 zeigt eine Messwiderstandsgruppe mit Beschaltung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, bei dem das Widerstands¬ netzwerk drei in Reihe geschaltete Widerstände (Widerstand oben, Widerstand Mitte, Widerstand unten) j e Zweig enthält , die separat mit dem Kalibrierstrom beaufschlagt werden können.
Figur 6 zeigt einen elektrischen Leiter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der elektrische Leiter weist eine erste Messstrecke und eine zweite Messstrecke auf. Die erste Mess¬ strecke ist definiert durch eine erste Potentialabgriffskon- taktierung 1 und eine zweite Potentialabgriffskontaktierung 2, an denen eine erste Spannung Ul über der ersten Messstrecke erfassbar ist. Die zweite Messstrecke ist definiert durch eine dritte Potentialabgriffskontaktierung 3 und eine vierte Potentialabgriffskontaktierung 4, an denen eine zweite Spannung U2 über der zweiten Messstrecke erfassbar ist. Der elektrische Leiter weist des Weiteren einen ersten Anschlusskontakt 21 zur elektrischen Kontaktierung mit einem Kabel und einen zweiten Anschlusskontakt 22 zur elektrischen Kontaktierung mit einer Polklemme auf. Ferner weist der elektrische Leiter eine Stromeinspeisekontaktierung 5 zur elektrischen Kontaktierung mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Kalibrierstroms auf. Die zweite Messstrecke und die erste Messstrecke sind zueinander in Reihe liegend zwischen dem ersten Anschlusskontakt 21 und dem zweiten Anschlusskontakt 22 aus¬ gebildet .
Die Stromeinspeisekontaktierung 5 ist mit einem ersten Abstand 12 beabstandet zur ersten Messstrecke ausgebildet. Die erste Messstrecke ist ein Leitersegment mit definierter Länge, Breite
11 und Höhe. Die erste Potentialabgriffskontaktierung 1 und die zweite Potentialabgriffskontaktierung 2 sind an einem Rand der ersten Messstrecke ausgebildet. Die Länge der ersten Messstrecke ist damit durch einen Abstand der ersten Potentialabgriffs- kontaktierung 1 und der zweiten Potentialabgriffskontaktierung 2 definiert. Die Breite 11 der ersten Messstrecke ist insbe- sondere größer der Höhe der ersten Messstrecke. Der erste Abstand
12 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen gleich groß der Breite 11 der ersten Messstrecke. Die zweite Messtrecke ist ein Leitersegment mit definierter Länge, Breite 13 und Höhe. Die dritte Potentialabgriffskon- taktierung 3 und die vierte Potentialabgriffskontaktierung 4 sind an einem Rand der zweiten Messstrecke ausgebildet. Die Länge der zweiten Messstrecke ist damit durch einen Abstand der dritten Potentialabgriffskontaktierung 3 und der vierten Potentialabgriffskontaktierung 4 definiert. Die Breite 13 der zweiten Messstrecke ist insbesondere größer der Höhe der zweiten Messstrecke. Die Stromeinspeisekontaktierung 5 ist mit einem zweiten Abstand 14 beabstandet zur zweiten Messstrecke aus¬ gebildet. Der zweite Abstand 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen gleich groß der Breite 13 der zweiten Messstrecke . Der elektrische Leiter weist einen ersten Teilbereich auf, in welchem die Stromeinspeisekontaktierung 5 angeordnet bzw.
ausgebildet ist. Die Länge des ersten Teilbereichs wird durch die erste Messstrecke und die zweite Messstrecke bzw. durch die vierte Potentialabgriffskontaktierung 4 und die erste Poten- tialabgriffskontaktierung 1 begrenzt. Der erste Teilbereich weist eine größere Breite auf, als die erste Messstrecke 11 bzw. die zweite Messstrecke 13.
Der elekrische Leiter ist materialeinheitlich ausgebildet.
Der in Figur 7 dargestellte Stromsensor umfasst einen
elektrischen Leiter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Der elektrische Leiter weist eine Stromausspeisekontaktierung 6 zur Bildung eines geschlossenen Stromkreises des Kalibrierstroms Iref auf. Die Stromausspeisekontaktierung 6 ist mit einem dritten Abfand 15 beabstandet zur ersten Messstrecke ausgebildet. Der dritte Abstand 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel im We¬ sentlichen gleich groß der Breite 11 der ersten Messstrecke.
Der elektrische Leiter weist einen zweiten Teilbereich auf, in welchem die Stromausspeisekontaktierung 6 angeordnet bzw.
ausgebildet ist. Die Länge des zweiten Teilbereichs wird durch die erste Messstrecke und den zweiten Anschlusskontakt 22 begrenzt. Der zweite Teilbereich weist eine größere Breite auf, als die erste Messstrecke 11 bzw. die zweite Messstrecke 13. Der Stromsensor weist einen ersten Spannungsmesser auf, der zur Messung einer über der ersten Messstrecke abfallenden Spannung Ul konfiguriert ist bzw. mit der ersten Potentialabgriffs- kontaktierung 1 und der zweiten Potentialabgriffskontaktierung 2 über eine Leiterplatte 7 elektrisch kontaktiert ist.
Der Stromsensor weist einen zweiten Spannungsmesser auf, der zur Messung einer über der zweiten Messstrecke abfallenden Spannung U2 konfiguriert ist bzw. mit der dritten Potentialabgriffs- kontaktierung 3 und der vierten Potentialabgriffskontaktierung 4 über die Leiterplatte 7 elektrisch kontaktiert ist.
Ferner weist der Stromsensor eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Kalibrierstroms auf, welche bevorzugt als Kondensator und/oder hochpräzise Stromquelle ausgebildet sein kann und/oder einen definierten Strom von der Fahrzeugbatterie abzweigt. Die Vorrichtung zur Bereitstellung eines Kalibrierstroms ist dazu konfiguriert einen Kalibrierstrom Iref durch die erste Mess¬ strecke zu leiten bzw. durchzuleiten bzw. einzuspeisen. Dazu ist die Vorrichtung zur Bereitstellung eines Kalibrierstroms insbesondere mit der Stromeinspeisekontaktierung 5 und besonders bevorzugt mit der Stromausspeisekontaktierung 6 über die Leiterplatte 7 elektrisch kontaktiert.
Ferner umfasst der Stromsensor eine Steuerungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist ein Verfahren durchzuführen.
Figur 8 zeigt einen elektrischen Leiter gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Ein Abstand der zweiten Messstrecke und der ersten Messstrecke, der insbesondere durch den Abstand der vierten Potentialabgriffskontaktierung 4 und der ersten Potentialabgriffskontaktierung 1 definiert ist, ist geringer als die Summe der Abstände zwischen der vierten Potentialab¬ griffskontaktierung 4 und der Stromeinspeisekontaktierung 5 sowie zwischen der Stromeinspeisekontaktierung 5 und der ersten Potentialabgriffskontaktierung 1.
Verbindungslinien zwischen der vierten Potentialabgriffskon- taktierung 4, der Stromeinspeisekontaktierung 5 und der ersten Potentialabgriffskontaktierung 1 bilden ein Dreieck.
Die zweite Messstrecke und die erste Messstrecke sind unter einem Winkel zueinander angeordnet, insbesondere in einem rechten Winkel. Dadurch liegen die erste Messstrecke und die zweite Messtrecke nicht auf einer Geraden.
Der elektrische Leiter weist einen ersten Teilbereich auf, in welchem die Stromeinspeisekontaktierung 5 angeordnet bzw.
ausgebildet ist. Die Länge des ersten Teilbereichs wird durch die zweite Messstrecke und die erste Messstrecke begrenzt. Zwei Oberflächen des ersten Teilbereichs sind ovalförmig bzw.
kreisförmig ausgebildet. Ferner weist der elektrische Leiter Lochelemente auf, welche insbesondere der Aufhängung bzw. der Montage des elektrischen Leiters, insbesondere im Stromsensor, dienen.
Die Figuren 9, 10 und 11 zeigen Fini- te-Elemente-Simulationsergebnisse eines Potentialverlaufs bzw. von Äquipotentialflächen an verschiedenen Oberflächen des elektrischen Leiters und in verschiedenen Situationen.
In Figur 9 wird ein Kalibrierstrom Iref in die Stromeinspei- sekontaktierung 5 eingeleitet. Figur 9 zeigt das lokal hohe
Potential an der Stromeinspeisekontaktierung 5, welches durch das Einleiten des Kalibrierstroms Iref hervorgerufen wird. Das lokal hohe Potential führt zu ring- bzw. oval- bzw. kreisförmigen Äquipotentialflächen bzw. Äquipotenziallinien umliegend um die Stromeinspeisekontaktierung 5. Daraus resultiert insbesondere ein senkrecht zu den Äquipotentialflächen bzw. Äquipotentiallinien gerichteter Stromfluss bzw. gerichtete Stromfluss¬ richtung 100, wodurch eine inhomogene Stromdichteverteilung um die Stromeinspeisekontaktierung hervorgerufen wird. In einiger Entfernung von der Stromeinspeisekontaktierung 5 ergibt sich eine homogene Stromdichteverteilung, insbesondere gekennzeichnet durch parallele bzw. senkrecht zur Messstreckenlänge verlaufende Äquipotentialflächen bzw. Aquipotentiallinien .
Zudem wird der Stromfluss durch die ovalförmige Ausbildung des ersten Teilbereichs insbesondere trichterförmig der Messstrecke zugeführt .
Figur 10 zeigt die Äquipotentialflächen bzw. Äquipotentiallinien der ersten Messtrecke bei eingespeistem Kalibrierstrom Iref . Die Äquipotentialflächen bzw. Äquipotentiallinien liegen parallel zueinander, woraus ein homogener Stromdichterverlauf in bzw. entlang der ersten Messstrecke hervorgerufen wird.
In Figur 11 wird lediglich ein Laststrom Iload an dem ersten Anschlusskontakt 21 eingespeist. Daraus werden ebenso parallele Äquipotentialflächen bzw. Äquipotentiallinien in der ersten Messtrecke bzw. ein homogener Stromdichterverlauf hervorge¬ rufen. Bei gleicher Größe der Stromstärke des eingespeisten Laststroms sowie des eingespeisten Kalibrierstroms resultieren konvergierende Äquipotentialflächen bzw. konvergierende
Stromdichteverteilungen bzw. konvergierende Stromdichtever- läufe bzw. konvergierende Äquipotentiallinien in der ersten Messstrecke .
Nachfolgend werden weitere Erklärungen zu Weiterbildungen der Erfindung gegeben, wobei dies zum einen der Erklärung der Funktion dient und zum anderen die hierin beschriebenen Merkmale auch beliebig mit anderswo beschriebenen Merkmalen kombiniert werden können. Ebenso können sie untereinander kombiniert werden und können für sich oder in Kombination erfindungswesentliche Aspekte darstellen.
Die Bestimmung eines zu messenden Laststroms Iload erfolgt über eine Widerstandsgruppe, durch welche der Laststrom fließt. Die Widerstandsgruppe weist mindestens eine erste Messstrecke mit einem ersten Messwiderstand Rl und eine zweite Messstrecke mit einem zweiten Messwiderstand R2 auf, welche zueinander in Reihe geschaltet sind. Parallel zu diesen in Reihe geschalteten Teilwiderständen können weitere in Reihe geschaltete Messwi- derstände R3, R4,..., Rn-1, Rn geschaltet werden.
In dieses Widerstandsnetzwerk bzw. diese Messwiderstandsgruppe wird/werden zeitweise zusätzlich zum Laststrom ein Kalibrierstrom oder mehrere Kalibrierströme eingespeist, so dass ein Kalibrierstrom oder ein Teil des Kalibrierstroms oder ein Teil der Kalibrierströme zusammen mit dem Laststrom oder einem Teil des Laststroms über einen oder mehrere dieser Messwiderstände fließt. Die Messwiderstände können als Teilwiderstände der Messwiderstandsgruppe angesehen werden.
Dabei wird der von der Summe der über einen Messwiderstand fließenden Ströme verursachte Spannungsabfall über einen oder mehrere Teilwiderstände des Widerstandsnetzwerks gemessen. Es können nunmehr die Punkte, an denen der/die Kalibrierströme in die Messwiderstandsgruppe eingespeist werden, und die Punkte, über welche die Spannungsmessungen an den stromdurchflossenen Messwiderständen durchgeführt werden, so gewählt, dass sich ein lösbares Gleichungssystem ergibt:
TJ = \ T + T )* / * T
m \ load ,f ref ,m ) m om
^ 1 n = (jload ,i + ^ ref ,n)* * Sn
Dabei sind
- Um, Un die gemessenen Kalibrierpannungen über je einen oder mehrere Messwiderstände mit Nummer m, n,
- Rm, Rn die (unbekannten) Messwiderstände, über die die Kalibrierspannungen Um, Un gemessen werden. Die Messwiderstände können ihrerseits wieder aus weiteren, in Reihe oder parallel geschalteten Messwiderständen bestehen, - gm, gn die (fehlerbehafteten) Verstärkungsfaktoren der Messgeräte für die Spannungen Um, Un,
- I ioad, i der zu messende Laststrom oder ein Teil dieses
Laststroms, der über die Messwiderstände der Messwider- standsgruppe fließt, über die die Kalibrierspannungen Um, Un gemessen werden,
- I ref , m und Iref , n angelegte Kalibrierteilströme, die über die Messwiderstände Rm, Rn der Messwiderstandsgruppe fließen, über welchen die Kalibrierpannungen Um, Un gemessen werden, wobei I ref , m und Iref , n in unterschiedliche Richtungen, bezogen auf I ioad, i fließen.
Insbesondere werden die Kalibrierteilstöme bzw. wird der Ka¬ librierstrom periodisch angelegt, beispielsweise mit einer Periodendauer zwischen 10 ms und 100 ms für eine Dauer aus einer Zeitspanne zwischen 10 ys und 100 ys . Damit ergeben sich Zeiten, in denen Kalibrierströme oder Teile davon durch Messwiderstände der Messwiderstandsgruppe fließen, also Kalibrierzeiträume, und Zeiten, in denen keine Kalibrierströme durch die Messwiderstandsgruppe fließen. Zu diesen Zeiten, also außerhalb von Kalibrierzeiträumen, vereinfachen sich wenigstens ein Teil der Gleichungen des Gleichungssystems zu
TJ = J * R * er
m load ,i m & m
TJ = T * R
n 1 load ,i « * er
u S n
Um, Un bezeichnen dabei Messspannungen, also außerhalb von Kalibrierzeiträumen gemessene Spannungen.
Alternativ können zu den Zeiten, in denen Kalibrierströme fließen, also innerhalb von Kalibrierzeiträumen, zeitlich veränderliche Kalibrierströme angelegt werden.
Zu den Zeiten, in denen keine Kalibrierströme durch das Netzwerk
(X
fließen, werden vorteilhaft Beziehungen mn zwischen einzelnen Gleichungen des Gleichungssystems (bzw. zwischen gemessenen Spannungen ' ) gebildet (beispielsweise in einem Microkontroller, der Bestandteil einer Strommessvorrichtung oder mit dieser verbunden sein kann) :
U m =a mn *U ? bzw ,
IJ =(V * I * H * Q
m mn Load ,ί n n
Beispielsweise können zu jeweils gleichen Zeiten t gemessene Spannungs-Wertepaare Un(t), Um(t) gespeichert werden. Diese gespeicherten Wertepaare können im Microcontroller mittels
(X linearer Regression ausgewertet werden, um die Beziehung mn zu ermitteln. Dies entspricht einer Berechnungsvorschrift für den oben erwähnten ersten Betriebsparameter.
Vorteilhaft kann nun bei eingeschalteten Kalibrierströmen durch Messung der Spannungen Um, Un
77 m = a mn *( \/ load + ref ,m J )* R n * Spn
^ 1 n = i/load ,i + ^ ref ,n )* ^n * Sn zu messende Teil des Laststroms wie folgt bestimmt werden
Figure imgf000031_0001
u.
load ref,n
R n * S
U. U,
R n * - n a mn *R n *
Figure imgf000031_0002
I load =-^-1
R *g ref n
n
Die vorletzte Formel gibt eine Berechnungsvorschrift für den zweiten Betriebsparameter an. In Zeiten, zu welchen kein Kalibrierstrom anliegt, gilt ref'm I , = 0
und re] 'n und es kann die letzte Gleichung zur Bestimmung des zu messenden Laststroms I load benutzt werden. Mit bekanntem Rn, gn, alphanm kann vorteilhafterweise folgende Gleichung zur Bestimmung von I ioad benutzt werden:
Figure imgf000032_0001
Aus der Summe beider Gleichungen lässt sich I ioad näherungsweise auch für die Zeiten zurückrechnen, in denen der Kalibrierstrom angeschaltet ist:
Figure imgf000032_0002
Dabei entsteht ein Fehler insbesondere dann, wenn sich die Ströme I ref, m und Iref, n stark unterscheiden.
Der Wert IreJ f'm - Ire] f'n ist dabei bekannt, er entspricht dem Ka¬ librierstrom, also der Summe der Kalibrierteilströme. Hierbei sind die unterschiedlichen Vorzeichen berücksichtigt.
In dem Fall der weiter unten näher beschriebenen Figur 1 kann die Messung von I ioad für den Moment des Kalibriervorgangs unter¬ brochen werden. Beispielsweise kann der Messwert von I ioad für den Kalibrierzeitpunkt aus Mittelwerten von Messwerten vor dem
Kalibrierzeitpunkt und Messwerten nach dem Kalibrierzeitpunkt gebildet werden. Alternativ kann eine Entscheidung getroffen werden, ob der fehlerbehaftete Messwert benutzt oder ein Er¬ satzwert gebildet wird. Die Entscheidung kann z. B. auf Basis
(X
eines aktuellen Wertes des „Symmetriefaktors" mn im Vergleich
(X
zu früheren Werten von mn getroffen werden. Die Entscheidung kann aber auch davon abhängig gemacht werden, wie groß das Verhältnis des Fehlers im Vergleich zum anliegenden Laststrom ist . Hier zeigt sich ein Vorteil der Ausgestaltung der weiter unten beschriebenen Figur 2. Da zu einem Kalibrierzeitpunkt jeweils nur ein Zweig des Widerstandsnetzwerks mit dem Kalibrierstrom
+ ref,m ref,n
beaufschlagt wird, wird der durch verursachte relative Fehler im Verhältnis der Summe der durch alle Zweige fließenden Ströme kleiner. Für die gerade nicht kalibrierten Zweige kann der jeweilig anliegende Laststrom exakt berechnet werden, da die Summe von Un und Um zu jedem Zeitpunkt für alle Zweige gleich ist, unabhängig davon ob gerade einer der Zweige kalibriert wird oder nicht.
Die Messwiderstände Ri, R2, Rz-i, Rz und die Vorrichtungen zur Messung der Spannungen Un, Um können nahezu beliebig große Toleranzen bzw. Abweichungen vom Sollwert haben. Auch der Wert des Kalibrierstroms spielt keine entscheidende Rolle.
Vorteilhaft sind lediglich folgende Voraussetzungen erfüllt:
(X R * £T R * £T
Erstens: Das Verhältnis mn von e zwei Produkten " ÖH , m öm von Messwiderständen Rn und Rm und Verstärkungsfaktoren gn, gm zueinander soll über einen gewissen Zeitraum im Wesentlichen stabil sein. Dieser gewisse Zeitraum soll deutlich länger sein als die Periodendauer, mit der die periodisch angelegten Kalibrierströme zu- und abgeschaltet werden bzw. periodisch verändert werden.
Zweitens: Der Wert des Kalibrierstroms Iref ~ Iref'n ~ Ire >m ~ |7«/ | + 17«/,»| soll zu mindestens einem Zeitpunkt, zu dem Un und Um bei angelegtem Kalibrierstrom gemessen werden, genau bekannt sein. sei nun darauf hingewiesen, dass
1) der Spannungsabfall in einem Messwiderstand erhöht, der andere reduziert wird, und 2) aus der Differenz beider Messspannungen der Widerstand berechnet wird. Hierdurch ist eine zeitaktuelle Messung des Widerstandes möglich. Dieser muss daher nicht dauerhaft konstant sein.
Kostengünstigere Materialien können zum Einsatz kommen.
Durch die beschriebene Anordnung bzw. das beschriebene Verfahren ist es möglich, praktisch ohne Vorkenntnis des Widerstands¬ netzwerks bzw. der Messwiderstandsgruppe und der relativen Genauigkeit der Messgeräte, mit denen die Spannungen gemessen werden, den Laststrom zu bestimmen. Dadurch kann trotz des kostengünstigeren Materials sogar eine höhere Genauigkeit der Strommessung erreicht werden, als bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik. Bisher geht nämlich im Wesentlichen sowohl die Toleranz des Widerstandswerts des Messwiderstands als auch die Toleranz der Spannungs-Messvorrichtung für den Spannungsabfall in die Toleranz des gemessenen Stromwerts ein.
Mit der beschriebenen Vorrichtung bzw. Anordnung ist typischerweise lediglich eine genaue Kenntnis von Iref zu einem Zeitpunkt erforderlich. Zudem werden praktisch keine Anforderungen an die Qualität der Stromquelle für Iref gestellt. Lediglich eine genaue Messung von Iref ist typischerweise nötig. Dies ist beispielsweise mit einem entsprechend genauen Refe¬ renzwiderstand Rref und einer genauen Messung des Spannungs- abfalls über Rref einfach zu erreichen. Rref kann nämlich, anders als der Messwiderstand für den Laststrom, einen hohen Widerstand von z.B. 1 Ohm haben, der nur für kleine Referenzströme und nicht für hohe Lastströme ausgelegt zu werden braucht. Durch den entsprechend hoch gewählten Wert von Rref kann auch der Span- nungsabfall Iref * Rref bequem gemessen werden, da z. B. kein aufwändiger Verstärker erforderlich ist.
Es sei verstanden, dass es sich bei dem ersten Betriebsparameter insbesondere um alphanm handelt, und es sich bei dem zweiten Betriebsparameter insbesondere um das Produkt aus Widerstand und Verstärkungsfaktor handelt. Beliebige Teilmengen der gezeigten Schaltungen können beispielsweise diskret auf einer Leiterplatte bestückt werden oder in einem Halbleiterbaustein integriert werden. Zusätzlich kann die diskrete Schaltung oder der Halbleiterbaustein weitere Vorrichtungen, beispielsweise Temperatursensoren, insbesondere zur Temperaturmessung, mindestens einen der Widerstände Rref, Rl, R2,..., Rn, Spannungssensoren, insbesondere zur Messung von Batteriespannungen, Kommunikationsschnittstellen, Vorrichtungen zur Regelung der Stromquellen Cl, C2, weitere Strom- quellen, Taktgeber, flüchtige und/oder nichtflüchtige Datenspeicher, insbesondere zur Speicherung von Kalibrierdaten der Strommessvorrichtung, beispielsweise ein im Fertigungs-Endtest ermittelter Wert von Rref oder ein Temperaturkoeffizient von Rref, Mikroprozessoren, insbesondere zur Berechnung von phy- sikalischen Größen der Batterie oder zur Berechnung von Temperaturmodellen, insbesondere zur Berechnung der Batterietemperatur, der Umgebungstemperatur der Vorrichtung oder zur Berechnung einer Temperatur eines oder mehrerer der verwendeten Widerstände Rref, Rl,..., Rz aufweisen.
Die gesamte Anordnung oder eine beliebige Teilmenge der Vor¬ richtung kann beispielsweise in ein Kunststoff- oder Metall¬ gehäuse mit oder ohne integriertem Stecker eingebaut werden, oder kann mit einem Kunststoff umspritzt werden.
Die gesamte Anordnung oder eine beliebige Teilmenge der genannten Vorrichtungen, insbesondere die Messwiderstände bzw.
Shunt-Widerstände Rl,..., Rz können in eine Batterie-Polklemme, in einen Kabelschuh, in ein Batteriekabel oder in eine Batterie integriert werden.
Die Schaltung kann darüber hinaus einen oder mehrere Chopper für die an den Widerständen Rref, Rl,..., Rz abgegriffenen Spannungen enthalten .
Die Schaltung kann darüber hinaus ein oder mehrere Samp- le-and-Hold-Glieder für an den Widerständen Rref, Rl,..., Rz abgegriffene Spannungen oder dort abgegriffene oder verstärkte Spannungen enthalten.
Letztendlich kann die Messung des Kalibrierstroms Iref auch mit einem anderen Strommessverfahren als einer Spannungsmessung über Iref durchgeführt werden, beispielsweise mit einem Hall-Sensor oder anderen Magnet-basierten Messmethoden.
Nachfolgend sei noch eine Herleitung für die oben genannten Formeln gegeben. Bezüglich der Bedeutung der einzelnen Variablen sei auf die obige Beschreibung verwiesen.
Figure imgf000036_0001
^ Ifoad + rre/,1
Figure imgf000036_0002
= a * Rl * gl * (lload - \lre 2\)
Figure imgf000036_0003
R2 * g2 = a *R\ * gl
Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind. Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar.
Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen .
Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden.
Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden. Zum Zweck der besseren Lesbarkeit werden in den Ansprüchen einige Bezugszeichen verkürzt wiedergegeben. So wird der erste Betriebsparameter mit a bezeichnet, der zweite Betriebsparameter wird mit R*g bezeichnet und der Verstärkungsfaktor wird mit g bezeichnet. Auf die in der obigen Beschreibung verwendeten Indizes wurde dabei verzichtet.

Claims

Stromsensor zum Erfassen eines Stromes aus oder in eine Fahrzeugbatterie, umfassend:
* eine Messschaltung; und
* einen elektrischen Leiter, aufweisend:
- zumindest eine erste Messstrecke, definiert durch eine erste Potentialabgriffskontaktierung (1) und eine zweite Potentialabgriffskontaktierung (2) an denen eine erste Spannung (Ul) über der ersten Messstrecke erfassbar ist;
- einen ersten Anschlusskontakt (21) zur elektrischen Kontaktierung mit einem Anschlusselement;
- einen zweiten Anschlusskontakt (22) zur elektrischen Kontaktierung mit einer Batteriepolklemme; und
- eine Stromeinspeisekontaktierung (5) zur elektrischen Kontaktierung mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines KalibrierStroms ;
wobei die erste Messstrecke in Reihe liegend zwischen dem ersten Anschlusskontakt (21) und dem zweiten Anschluss¬ kontakt (22) ausgebildet ist, wobei der elektrische Leiter anhand seiner geometrischen Parameter (11,12,13,14,15) und Kontaktierungen (1,2,3,4,5,6,21,22) derart ausgebildet ist, dass ein an der Stromeinspeisekontaktierung (5) einspeisbarer Kalibrierstrom (Iref) eine Stromdichteverteilung in der ersten Messstrecke hervorruft, die mit einer
Stromdichtenverteilung in der ersten Messstrecke konvergiert, welche durch ein an dem ersten Anschlusskontakt (21) einspeisbaren Laststrom (Iload) gleicher Stromstärke hervorgerufen wird.
Stromsensor nach Anspruch 1, wobei die Stromeinspeisekontaktierung (5) mit einem ersten Abstand (12) beabstandet zur ersten Messstrecke ausgebildet ist, wobei die erste Messstrecke ein Leitersegment mit definierter Länge, Breite (11) und Höhe ist, wobei die erste Potentialabgriffskon- taktierung (1) und die zweite Potentialabgriffskontaktierung (2) an einem Rand der ersten Messstrecke angeordnet sind, wodurch die Länge der ersten Messstrecke durch einen Abstand der ersten Potentialabgriffskontaktierung (1) und der zweiten Potentialabgriffskontaktierung (2) definiert ist, wobei insbesondere die Breite (11) der ersten Messtrecke größer der Höhe der ersten Messstrecke ist, wobei der erste Abstand (12) größer 1/8 oder 2/8 oder 3/8 oder 4/8 oder 5/8 oder 6/8 oder 7/8 oder 8/8 der Breite (11) der ersten Messstrecke ist.
Stromsensor nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der elektrische Leiter eine zweite
Messstrecke aufweist, definiert durch eine dritte Poten¬ tialabgriffskontaktierung (3) und eine vierte Potential¬ abgriffskontaktierung (4) an denen eine zweite Spannung (U2) über der zweiten Messstrecke erfassbar ist, wobei die zweite Messstrecke ein Leitersegment mit definierter Länge, Breite
(13) und Höhe ist, wobei die dritte Potentialabgriffs- kontaktierung (3) und die vierte Potentialabgriffskon- taktierung (4) an einem Rand der zweiten Messstrecke angeordnet sind, wodurch die Länge der zweiten Messstrecke durch einen Abstand der dritten Potentialabgriffskontaktierung (3) und der vierten Potentialabgriffskontaktierung
(4) definiert ist, wobei insbesondere die Breite (13) der zweiten Messtrecke größer der Höhe der zweiten Messstrecke ist, wobei die zweite Messstrecke und die erste Messstrecke zueinander in Reihe liegend zwischen dem ersten Anschlusskontakt (21) und dem zweiten Anschlusskontakt (22) ausgebildet sind, wobei die Stromeinspeisekontaktierung (5) in Reihe zwischen zweiter Messtrecke und erster Messstrecke liegt .
Stromsensor nach Anspruch 3, wobei der elektrische Leiter anhand seiner geometrischen Parameter (11,12,13,14,15) und Kontaktierungen (1,2,3,4,5,6,21,22) derart ausgebildet ist, dass eine Stromdichte, hervorgerufen durch den an der Stromeinspeisekontaktierung (5) einspeisbaren Kalibrierstrom (Iref), in der zweiten Messstrecke gegen Null konvergiert . Stromsensor nach Anspruch 3 und/oder 4, wobei die
Stromeinspeisekontaktierung (5) mit einem zweiten Abstand (14) beabstandet zur zweiten Messstrecke ausgebildet ist, wobei der zweite Abstand (14) größer 1/8 oder 2/8 oder 3/8 oder 4/8 oder 5/8 oder 6/8 oder 7/8 oder 8/8 der Breite (13) der zweiten Messstrecke ist.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der elektrische Leiter einen ersten Teilbereich aufweist, in welchem die Stromeinspeisekontaktierung (5) angeordnet ist, wobei die Länge des ersten Teilbereichs durch die erste Messstrecke und zweite Messstrecke begrenzt ist, wobei der erste Teilbereich eine größere Breite und/oder größere Höhe und/oder dickere Materialstärke aufweist als die erste Messstrecke und/oder die zweite Messstrecke.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein Abstand der zweiten Messstrecke zu der ersten Messstrecke, die durch den Abstand der vierten Potentialabgriffskon- taktierung (4) zu der ersten Potentialabgriffskontaktierung
(I) definiert ist, geringer ist, als die Summe der Abstände zwischen der vierten Potentialabgriffskontaktierung (4) zu der Stromeinspeisekontaktierung (5) sowie zwischen der Stromeinspeisekontaktierung (5) zu der ersten Potentialabgriffskontaktierung (1).
Stromsensor nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der elektrische Leiter eine Stromaus- speisekontaktierung (6) zur Bildung eines geschlossenen Stromkreises des Kalibrierstroms (Iref) aufweist.
Stromsensor nach Anspruch 8, wobei die Stromausspeise- kontaktierung (6) mit einem dritten Abstand (15) beabstandet zur ersten Messstrecke ausgebildet ist, wobei die erste Messstrecke ein Leitersegment mit definierter Länge, Breite
(II) und Höhe ist, wobei die erste Potentialabgriffskon- taktierung (1) und die zweite Potentialabgriffskontaktierung (2) an einem Rand der ersten Messstrecke angeordnet sind, wodurch die Länge der ersten Messstrecke durch einen Abstand der ersten Potentialabgriffskontaktierung (1) und der zweiten Potentialabgriffskontaktierung (2) definiert ist, wobei insbesondere die Breite (11) der ersten Messtrecke größer der Höhe der ersten Messstrecke ist, wobei der dritte
Abstand (15) größer 1/8 oder 2/8 oder 3/8 oder 4/8 oder 5/8 oder 6/8 oder 7/8 oder 8/8 der Breite (11) der ersten Messstrecke ist. 10. Stromsensor nach wenigstens einem der vorangegangenen
Ansprüche, wobei der elektrische Leiter einen ersten Teilbereich aufweist, in welchem die Stromeinspeisekon- taktierung (5) angeordnet ist, wobei der erste Teilbereich eine Breite aufweist, wobei die Breite in einem Bereich um die Stromeinspeisekontaktierung (5) verringert und/oder verjüngt ist, wobei insbesondere der Bereich um die
Stromeinspeisekontaktierung (5) eine Einschnürung aufweist .
11. Stromsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der elektrischen Leiter einen zweiten Teilbereich aufweist, in welchem die Stromausspeisekontaktierung (6) angeordnet ist, wobei die Länge des zweiten Teilbereichs durch die erste Messstrecke und den zweiten Anschlusskontakt (22) begrenzt ist, wobei der zweite Teilbereich eine Breite aufweist, wobei die Breite in einem Bereich um die Stromausspeisekontaktierung (6) verringert und/oder verjüngt ist, wobei ins¬ besondere der Bereich um die Stromausspeisekontaktierung (6) eine Einschnürung aufweist. 12. Stromsensor nach wenigstens einem der vorangegangenen
Ansprüche, wobei der elektrischen Leiter einen ersten Teilbereich aufweist, in welchem die Stromeinspeisekontaktierung (5) angeordnet ist, wobei die Länge des ersten Teilbereichs durch die erste Messstrecke und zweite
Messstrecke begrenzt ist, wobei zumindest eine Oberfläche, insbesondere zwei Oberflächen, des ersten Teilbereichs ovalförmig ausgebildet sind. Stromsensor nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Messstrecke und/oder die zweite Messstrecke eine homogene Stromdichteverteilung bei ein¬ speisbarem Laststrom (Iload) und Kalibrierstrom (Iref) aufweisen .
Stromsensor nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der elektrische Leiter materialeinheitlich ausgebildet ist.
Verfahren zum Bestimmen eines durch einen elektrischen Leiter eines Stromsensors nach einem der vorangegangenen Ansprüche fließenden Laststroms (Iload),
- wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Messen einer ersten Messspannung (Ul), welche über der ersten Messstrecke (Rl) abfällt,
- Berechnen des Laststroms (Iload) basierend zumindest auf der ersten Messspannung (Ul) und einem Betriebsparameter,
- wobei das Verfahren ausschließlich während jeweiliger Kalibrierzeiträume folgende Schritte aufweist:
- Leiten eines Kalibrierstroms (Iref) in die Stromein- speisekontaktierung (5) , und
- Messen einer ersten Kalibrierspannung (Ul), welche zumindest bei fließendem Kalibrierstrom (Iref) über der ersten Messstrecke (Rl) abfällt,
- wobei basierend zumindest auf der ersten Kalibrierspannung (Ul) und einer Stromstärke des Kalibrierstroms (Iref) ein Betriebsparameter berechnet wird.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend
- zumindest einen ersten Spannungsmesser und insbesondere einen zweiten Spannungsmesser, wobei der erste Spannungsmesser zur Messung einer über der ersten Messstrecke abfallenden Spannung (Ul) konfiguriert ist und der zweite Spannungsmesser insbesondere zur Messung einer über der zweiten Messstrecke abfallenden Spannung (U2) konfiguriert ist,
- zumindest eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Kalibrierstroms (Iref), welche zum Durchleiten eines Ka¬ librierstroms (Iref) durch die erste Messstrecke konfi¬ guriert ist, und
- eine elektronische Steuerungsvorrichtung, welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach Anspruch 15 durchzuführen .
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