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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Stromes, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Stromsensor mit der Steuervorrichtung.
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Aus der
DE 10 2011 078 548 A1 ist ein Stromsensor mit einem Messshunt bekannt, durch den ein zu messender Strom geführt wird. An dem Messshunt wird ein Spannungsabfall erfasst, wobei eine Signalverarbeitungseinrichtung den zu messenden Strom aus dem Spannungsabfall sowie den Materialeigenschaften und geometrischen Abmaßen des Messshunts bestimmt.
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Der Stromsensor wird in einem Fahrzeug, beispielsweise zur Überwachung des Ladestandes der Fahrzeugbatterie eingesetzt. Hierbei sollte der Stromsensor aus Sicherheitsgründen mit einer Eigenüberwachung ausgestattet werden, im Rahmen dessen sich Fehler, wie beispielsweise ein Überstrom detektieren lassen. In einem herkömmlichen mit einer Eigenüberwachung ausgestatteten Stromsensor wird der Spannungsabfall dazu in einem zweiten, von der Signalverarbeitungseinrichtung unabhängigen Signalweg einem vorbestimmten Spannungspegel gegenübergestellt und, wenn der Spannungsabfall den vorbestimmten Spannungspegel übersteigt, auf den zu detektierenden Fehler entschieden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannte Strommessung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Messen eines Stromes, die Schritte Erfassen eines Spannungsabfalls an einem vom zu messenden Strom durchflossenen Leiter, Erfassen eines vom zu messenden Strom um den Leiter aufgebauten Magnetfeldes und Ausgeben eines Messwertes für den zu messenden Strom basierend auf dem erfassten Spannungsabfall und dem erfassten Magnetfeld.
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Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass der oben genannte, von der Signalverarbeitungseinrichtung unabhängige Signalweg zur Bereitstellung der Eigenüberwachung einen hohen technischen Aufwand an Redundanz erforderlich macht, der sich insbesondere in einer hohen Anzahl an elektronischen Bauteilen durch redundant ausgeführte Komparatoren niederschlägt. Diese redundanten elektronischen Bauteile benötigen nicht nur einen hohen Platzbedarf sondern sind auch vergleichsweise kostenintensiv.
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Hier greift das angegebene Verfahren mit dem Vorschlag an, den von der Signalverarbeitungseinrichtung unabhängigen Signalweg nicht bereits über die Erfassung des Spannungsabfalls sondern über die Erfassung eines durch den zu messenden Stromes verursachten Magnetfeldes zu führen. Auf diese Weise können für die Eigenüberwachung des Stromsensors kostengünstige Magnetfeldsensorelemente, wie beispielsweise Hall-Sensorelemente verwendet werden, die sich wesentlich kostengünstiger und auch platzsparender realisieren lassen.
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Magnetfeldsensorelemente können bereits herstellerseitig so konfiguriert werden, dass sie die Messwerte digital ausgeben. Das hat den Vorteil, dass der bei der für die Eigenüberwachung auf einen Überstrom notwendige vorbestimmte Spannungspegel ebenfalls digital vorgegeben und direkt mit der Ausgabe aus dem Magnetfeldsensorelement verglichen werden kann. Im Gegensatz zur oben genannten Eigenüberwachung, im Rahmen derer der vorbestimmte Spannungspegel in der Regel über eine Pulsweitenmodulation o.ä. generiert werden muss, lässt sich im Rahmen des angegebenen Verfahrens die Komplexität eines das angegebene Verfahren verwendenden Stromsensors deutlich senken. Dies macht sich auch in den Ansprechzeiten bemerkbar, die sich von derzeit ca. 20ms bei Änderungen des zu messenden Stromes auf weniger als 10µs senken lassen könnten.
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Darüber hinaus lässt sich aus dem erfassten Magnetfeld der Messwert für den zu messenden Strom völlig unabhängig vom Spannungsabfall am Messshunt bestimmen. Dieses Prinzip kann selbst dann angewendet werden, wenn alle elektrischen Bauteile auf einer gemeinsamen Leiterplatte verschaltet sind. Dies steigert die Zuverlässigkeit und die Ausfallsicherheit eines das angegebene Verfahren anwendenden Stromsensors deutlich. Die Zuverlässigkeit ist zudem besonders hoch, weil zur Erfassung des Spannungsabfalls am Messshunt bei der Erfassung des Magnetfeldes kein Sensorelement mit hochspannungsführenden Teilen in Kontakt gebracht zu werden braucht. Je nach verwendetem Magnetfeldsensorelement zur Erfassung des Magnetfeldes kann der Messwert für den zu messenden Strom beliebig analog oder digital, jeweils stufenweise oder stufenlos ausgegeben werden.
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Die eingesetzten Magnetfeldsensorelemente sind zudem in der Regel bereits durch den Hersteller kalibriert und lassen sich unmittelbar in einem, das angegebene Verfahren ausführenden Stromsensor verbauen. Eine Kalibrierung durch den Hersteller des Stromsensors ist nicht mehr notwendig, was sich in reduzierten Taktzeiten bei der Herstellung des Stromsensors bemerkbar macht.
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Ferner weisen Magnetfeldsensorelemente auch eine höhere Temperaturstabilität auf, wodurch die Eigenüberwachung des Stromsensors besonders zuverlässig realisiert werden kann.
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Bei der Ausgabe des Messwertes für den zu messenden Strom können auch weitere Größen erfasst und berücksichtigt werden. So kann beispielsweise im Rahmen eines elektrischen Leiters in Form eines aktiven Messshunts der Spannungsabfall über dem aktiven Messshunt sowie seine Ansteuerung erfasst werden, die notwendig ist, den Spannungsabfall über dem Messshunt konstant zu halten. Diese Ansteuerung, beispielsweise in Form eines Ansteuersignals kann dann ebenfalls bei der Ausgabe des Messwertes berücksichtigt werden.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird der Messwert für den Strom basierend auf dem erfassten Spannungsabfall bestimmt und der so bestimmte Messwert basierend auf einer Gegenüberstellung mit dem erfassten Magnetfeld ausgegeben. Die Gegenüberstellung in dem angegebenen Verfahren kann beispielsweise als Verifizierung dienen, ob der zu messende Strom durch den Messshunt richtig erfasst wird. Die Verifizierung kann dabei beliebig erfolgen und ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren eingeschränkt.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst die Gegenüberstellung mit dem erfassten Magnetfeld eine Plausibilisierung des Messwertes basierend auf dem erfassten Magnetfeld. Unter einer Plausibilisierung soll ein Verfahren verstanden werden, im Rahmen dessen der Messwertwert für den zu messenden Strom überschlagsmäßig daraufhin überprüft wird, ob der Messwert annehmbar, einleuchtend und/oder nachvollziehbar sein kann oder nicht. Als Grundlage für diese Plausibilisierung braucht das erfasste Magnetfeld daher nicht mit sehr niedrigen Toleranzen erfasst werden, sondern es muss nur eine ausreichende Grundlage dafür bieten, dass überhaupt erkannt werden kann, ob der basierend auf dem Spannungsabfall bestimmte Messwert stimmen kann oder nicht. Auf diese Weise können zur Erfassung des Magnetfeldes kostengünstige elektronische Bauelemente verwendet werden, die die Kosten eines das angegebene Verfahren ausführenden Stromsensors senken.
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In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens schlägt die Plausibilisierung fehl, wenn ein sich aus dem erfassten Magnetfeld ergebender Stromwert einen vorbestimmten Wert überschreitet. Im Rahmen dieser Plausibilisierung wird eine Messung mit dem das angegebene Verfahren ausführenden Stromsensor in einem Messbereich erkannt, für den der Stromsensor nicht ausgelegt ist, und die Richtigkeit der basierend auf dem Spannungsabfall bestimmten Stromwerte nicht mehr als sichergestellt angenommen werden können.
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In einem derartigen Fall kann beispielsweise ein Fehler ausgegeben werden, dass dann beispielsweise einen Überstrom anzeigen kann. Der besondere Vorteil des angegebenen Verfahrens ist, dass die Fehlererkennung und -weiterleitung an eine übergeordnete Signalverarbeitungseinrichtung über einen komplett von der Messwerterfassung verschiedenen Signalpfad erfolgen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Stromsensor zum Erfassen eines Stromes einen elektrischen Leiter, der vom zu erfassenden Strom durchströmbar ist, ein erstes Sensorelement zum Erfassen eines Spannungsabfalls am elektrischen Leiter, ein zweites Sensorelement zum Erfassen eines um den elektrischen Leiter aufbaubaren Magnetfeldes, und eine der angegebenen Steuervorrichtungen zum Bestimmen des Stromes basierend auf dem Spannungsabfall und dem Magnetfeld.
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Das zweite Sensorelement zum Erfassen des Magnetfeldes kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein. Aus Kostengründen sollte das zweite Sensorelement in einer Weiterbildung des angegebenen Sensors ein Hall-Sensor sein.
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In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors sollte ein Abstand zwischen dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement einen vorbestimmten Abstand unterschreitet. Der vorbestimmte Abstand sollte dabei derart gewählt werden, dass beide Sensorelemente so nah wie aneinander positioniert sind, so dass beide Sensorelemente auch wirklich denselben Strom messen und nicht beispielsweise strukturelle Unterschiede im Messshunt zu unterschiedlichen Messergebnissen führen.
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In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Sensors kann eine Messtoleranz des zweiten Sensorelementes größer sein, als eine Messtoleranz des ersten Sensorelementes. Auf diese Weise können für das zweite Sensorelement gegenüber dem ersten Sensorelement kostengünstige elektronische Bauelemente verwendet werden, wodurch die Herstellungskosten des angegebenen Sensors gesenkt werden können.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug einen der angegebenen Sensoren.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeuges mit einem elektrischen Antrieb;
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2 eine Prinzipdarstellung eines Stromsensors für das Fahrzeug der 1;
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3 eine Prinzipdarstellung eines alternativen Stromsensors für das Fahrzeug der 1;
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4 eine schematische Ansicht eines Regelkreises zur Steuerung des Stromsensors aus 3,
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5 eine schematische Ansicht des um ein Hall-Element erweiterten Stromsensors der 2, und
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6 eine schematische Ansicht einer Plausibilisierungseichrichtung zum Plausibilisieren eines mit dem Stromsensor der 5 erfassten Messwertes zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeuges 2 mit einem elektrischen Antrieb 4 zeigt.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels soll das Fahrzeug 2 beispielhaft einen Vorderradantrieb aufweisen, in dem der elektrische Antrieb 4 umfasst einen Elektromotor 6 umfasst, der über eine Antriebswelle 8 die Vorderräder 10 des Fahrzeuges 2 antreibt. Die Hinterräder 12 des Fahrzeuges 2 sind daher freilaufende Räder.
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Der Elektromotor 6 des elektrischen Antriebs 4 wird in der vorliegenden Ausführung über einen elektrischen Konverter 14 in einer an sich bekannten Weise aus einer Fahrzeugbatterie 16 mit elektrischer Energie 18 versorgt. Dazu gibt die Fahrzeugbatterie 16 einen elektrischen Strom 20 ab, der dann über den Konverter 14 gesteuert von einer als Motorsteuerung 22 ausgebildeten Steuervorrichtung in die zum Antrieb des Elektromotors 6 geeignete elektrische Energie 18 umgewandelt wird. Dazu steuert die Motorsteuerung 22 den Konverter 14 mit an sich bekannten Steuersignalen an.
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Zur Erfüllung diverser Aufgaben, wie beispielsweise das Ladestandsmanagement der Fahrzeugbatterie 16 muss die Motorsteuerung 22 über einen Stromsensor 24 den von der Fahrzeugbatterie 16 abgegebenen elektrischen Strom 20 erfassen.
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Im Rahmen der vorliegenden Ausführung gibt der Stromsensor 24 einen Messwert 26 aus, der den von der Fahrzeugbatterie 16 abgegebenen elektrischen Strom 20 beschreibt und damit in einer vorbestimmten Weise von diesem abhängig ist. Dies soll die nachstehend anhand der 2 näher erläutert werden, in denen der Stromsensor 24 in einer Prinzipdarstellung dargestellt ist.
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Der Stromsensor 24 weist in der vorliegenden Ausführung einen Messshunts 28 auf, das aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material gebildet ist. Der Messshunt 28 kann über zwei Anschlusselemente 30 aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material in den elektrischen Antrieb 4 der 1 elektrisch integriert werden. Das erste elektrisch leitfähige Material des Messshunts 28 kann beispielsweise Manganin umfassen und mit den beiden Anschlusselemente 30 beispielsweise verschweißt sein. Das zweite elektrisch leitfähige Material der beiden Anschlusselemente 30 kann beispielsweise Kupfer umfassen. Die beiden Anschlusselemente 30 bilden so einen Übergangswiderstand zwischen den restlichen Schaltungselementen des elektrischen Antriebs 4 und dem Messshunt 28.
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Zur Messung des elektrischen Stromes 20 weist der Stromsensor 24 einen ersten elektrischen Anschluss 32 und einen zweiten elektrischen Anschluss 34 auf, über die in Richtung des elektrischen Stromes 20 gesehen entsprechen ein erstes elektrisches Potential 36 vor dem Messshunt 28 und ein zweites elektrisches Potential 38 nach dem Messshunt 28 erfasst werden können. Die beiden erfassten elektrischen Potentiale 36, 38 werden in der vorliegenden Ausführung einem ersten Sensorelement in Form eines Differenzverstärkers 40 zugeführt. Der Differenzverstärker 40 subtrahiert die beiden elektrischen Potentiale 36, 38 voneinander, bildet so einen Spannungsabfall 42, der damit über dem Messshunt 28 abfällt und gibt den von diesem Spannungsabfall 42 abhängigen Messwert 26 in Form eines Ausgangssignals aus. Basierend auf dem vom Spannungsabfall 42 abhängigen Messwert 26 kann damit beispielsweise in der Motorsteuerung 22 der elektrische Strom 20 in an sich bekannter Weise basierend auf den elektrischen und geometrischen Eigenschaften des Messshunts 28 bestimmt werden.
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Der Messshunt 28 ist im Stromsensor 24 der 2 als passiver Messshunt ausgebildet. Alternativ kann der Messshunt 28 auch als aktiver Messshunt ausgebildet werden, worauf im Rahmen der 3 und 4 näher eingegangen wird.
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Als aktiver Messshunt weist der Messshunt 28 einen ersten steuerbaren Schalter 44 und einen zweiten steuerbaren Schalter 46 auf, die jeweils in der vorliegenden Ausführung einen nicht näher referenzierten Feldeffekttransistor und eine nicht näher referenzierte Freilaufdiode auf weisen, die in Durchlassrichtung von Source nach Drain verschaltet ist. Beide steuerbare Schalter 44, 46 sind miteinander antiparallel verschaltet.
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In 3 ist statt dem Differenzverstärker 40 als erstes Sensorelement eine Auswerteschaltung 48 gezeigt. Die Auswerteschaltung 20 steuert die Feldeffekttransistoren der steuerbaren Schalter 44, 46 derart, dass der Spannungsabfall 42 über den Messshunt 28 auf einem in 4 angedeuteten Sollwert 54 gehalten wird.
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Dazu erfasst die Auswerteschaltung
20 den Spannungsabfall
42 über dem Messshunt
28 und steuert die Gates der Feldeffekttransistoren der steuerbaren Schalter
44,
46 mit je einem Steuersignal
50 derart an, dass Spannungsabfall
42 über dem in
4 gezeigten Regelkreis
52 auf dem Sollwert
54 gehalten wird. Hierbei sind die Steuersignale
50, wie in der
DE 10 2011 078 548 A1 gezeigt, abhängig vom zu messenden elektrischen Strom
20. Daher kann, wenn diese Abhängigkeit in der Auswerteschaltung
48 hinterlegt ist, der Messwert
26 für den elektrischen Strom
20 unmittelbar aus den Steuersignalen
50 abgeleitet werden, wenn der Spannungsabfall
42 auf den Sollwert
54 ausgeregelt ist.
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Der Regelkreis 52 umfasst in der vorliegenden Ausführung als Regelstrecke den Messshunt 28, an dem der Spannungsabfall 42 abgegriffen wird. Der Spannungsabfall 42 wird beispielsweise an einem Differenzglied 56 durch Differenzbildung dem Sollwert 54 gegenübergestellt, wobei sich eine Regeldifferenz 58 ergibt, die an einen in der Auswerteschaltung 48 angeordneten Regler 60 ausgegeben wird, der in einer dem Fachmann bekannten Weise ausgebildet sein kann. Der Regler 60 erzeugt dann wiederum die Steuersignale 50, um den Spannungsabfall 42 auf dem Sollwert 54 zu halten.
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Weitere Details zu einem aktiven Messshunt können der bereits genannten
DE 10 2011 078 548 A1 entnommen werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Ausführung soll der elektrische Strom 20 redundant gemessen werden, was nachstehend beispielhaft anhand der 5 erläutert werden soll, die in einer perspektivischen Ansicht den Messshunt 28 als passiven Shunt beispielsweise der 2 zeigt. Dabei sind einige Elemente der 2 der Kürze halber in 5 nicht dargestellt und müssen gedanklich ersetzt werden. Die nachstehenden Ausführungen können jedoch 1:1 auch auf den aktiven Messshunt beispielsweise der 3 übertragen werden und sind daher nicht einschränkend zu verstehen.
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Zur redundanten Messung des elektrischen Stromes 20 ist neben dem ersten Sensorelement in Form des Differenzverstärkers 40 oder der Auswerteschaltung 48 ein zweites Sensorelement in Form eines Hall-Sensors 62 vorhanden, das ein vom elektrischen Strom 20 erzeugtes Magnetfeld 64 erfassen soll. Statt des Hall-Element 62 können auch andere magnetisch empfindliche Messaufnehmer, wie beispielsweise ein AMR-Element verwendet werden.
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Das Hall-Element 62 gibt im Rahmen der vorliegenden Ausführungen einen vom elektrischen Strom 20 abhängigen redundanten Messwert 66 aus, der beispielsweise gemeinsam mit dem Messwert 26 an eine in 6 gezeigte Plausibilisierungseinrichtung 68 ausgegeben werden kann.
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Die Plausibilisierungseinrichtung 68 könnte im Stromsensor 24 selbst aber auch in der Motorsteuerung 22 integriert sein.
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Im Rahmen der vorliegenden Ausführung wird der redundante Messwert 66 für den elektrischen Strom einer Prüfeinrichtung 70 zugeführt, die den redundanten Messwert 66 mit einem Fehlerwert 72 vergleicht. Dieser Fehlerwert 72 kann beispielsweise ein oberer Grenzwert für den elektrischen Strom 20 sein, ab dem ein Überstrom durch den Stromsensor 24 erkannt werden soll. In diesem Falle würde in der Prüfeinrichtung 70 festgestellt, ob der redundante Messwert 66 den Fehlerwert 72 in Form des oberen Grenzwertes übersteigt. Trifft dies zu, so kann aus der Prüfeinrichtung 70 ein Steuersignal 74 ausgegeben werden, mit dem ein Schalter 76 derart umgelegt wird, dass statt des Messwertes 26 ein Fehlersignal 78, beispielsweise aus einem Speicher 80 ausgegeben wird.
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Das Fehlersignal 78 ersetzt somit den Messwert 26 im Fehlerfall. Alternativ könnten aber der Messwert 26 und das Fehlersignal 78 gemeinsam ausgegeben werden, so dass sich der eigentliche Messwert aus einer Kombination des basierend auf dem Spannungsabfall 42 ermittelten Messwertes 26 und des Fehlersignals 78 ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078548 A1 [0002, 0045, 0047]
