DE102016202501A1

DE102016202501A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Kalibrierstrompulses

Info

Publication number: DE102016202501A1
Application number: DE102016202501.5A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schröppel; Wolfgang Weigert
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-19
Also published as: WO2017140589A1; DE102016202501B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Kalibrierstrompulses bei Überlagerung durch einen Nutzstrompuls, wobei der Kalibrierstrompuls rechnerisch nach Messung über mehrere Messwiderstände einer Messwiderstandsgruppe ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Kalibrierstrompulses.
In Kraftfahrzeugen wird zunehmend eine Batteriezustandserkennung durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit der Batterie zuverlässig zu berechnen. Für die Erfassung der Batteriemessgrößen wird dabei typischerweise ein sogenannter Intelligenter Batteriesensor (IBS) eingesetzt.
Eine kontinuierliche Messung des Batteriezustands ist dabei vorteilhaft, um die Leistungsbilanz des Kraftfahrzeuges zu optimieren und somit einen erheblichen Beitrag zur Verbrauchsminderung und zur CO₂-Einsparung zu leisten. Zu der kurzeitigen Leistungsabgabe bei Motorstarts kommen in modernen Fahrzeugen Innovationen wie z.B. Start-Stopp-Betrieb und Rekuperation hinzu, welche zu einem erhöhten Energieumsatz führen und die Batterie zusätzlich zu den bereits bekannten Leistungsabgaben beanspruchen.
Eine Erfassung der Batteriemessgrößen Strom, Spannung und Temperatur soll typischerweise sehr genau, dynamisch und zeitsynchron sein, um den Batteriezustand, die Leistungsfähigkeit der Batterie und deren Alterungsgrad ermitteln zu können, beispielsweise mittels eines Algorithmus.
Die Messung der Batteriemessgröße Strom wird heute in der Regel mit Hilfe eines hochwertigen und präzisen Messwiderstands, auch als Messshunt bezeichnet, durchgeführt, welcher typischerweise einen Drift seines Widerstandswerts von weniger als 1 % vom Messwert über seine Lebensdauer von beispielsweise 15 Jahren aufweist. Dieser Messwiderstand ist jedoch mit einer hohen Genauigkeit und geringem Temperaturgang in der Regel auch sehr kostenintensiv. Beispielhaft kann hierfür eine Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, insbesondere eine als Manganin bekannte Legierung, verwendet werden.
Um zukünftig kostengünstigere Widerstandsmaterialien bzw. Messwiderstände mit einer höheren Ungenauigkeit beim Widerstandswert und Temperaturgang verwenden zu können, besteht die Möglichkeit, eine kontinuierliche Kalibration des Messsytem im Betrieb durchzuführen, um die Ungenauigkeiten zu kompensieren. Eine solche Kalibration soll vorteilhaft kontinuierlich während der gesamten Lebensdauer des Batteriesensors im eingebauten Zustand im Fahrzeug erfolgen.
Dies kann beispielsweise mit einem kontinuierlichen wiederkehrenden Kalibrationsstrompuls bzw. Kalibrierstrompuls erfolgen. Dieser Kalibrierstrompuls kann auf der Batteriesensorplatine generiert werden. Er erzeugt beispielsweise an einem Referenzwiderstand wie auch an dem Messwiderstand über alle Temperatur- und Laststrombereiche Spannungsabfälle, die dann kontinuierlich gemessen und ins Verhältnis gesetzt werden können. Somit ist ein kontinuierlicher Abgleich mit einem Referenzwiderstand möglich.
Als problematisch hat sich bei kontinuierlichen Kalibrationsverfahren erwiesen, dass sich dabei der Kalibrationsstrompuls und der Laststrom addieren und nur wieder schwer voneinander trennen lassen, was zu großen Problemen bei der Auswertung der Messdaten führt.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines Kalibrierstrompulses bereitzustellen, welches diesbezüglich verbessert ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Kalibrierstrompulses an einer Messwiderstandsgruppe. Die Messwiderstandsgruppe weist eine Anzahl von Messwiderständen auf, welche an jeweiligen Verbindungspunkten miteinander oder mit weiteren Komponenten verbunden sind.
Durch den Übergang von einem Messwiderstand zu einer Messwiderstandsgruppe wird eine besondere ´Vorgehensweise ermöglicht, welche Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
Es sei verstanden, dass die Verbindungspunkte vielfältig ausgestaltet sein können, beispielsweise als elektrische Kontakte zwischen physisch abgrenzbaren Widerständen. Es kann sich jedoch auch lediglich um bestimmte Punkte oder Orte auf Widerstandsmaterialien handeln, welche Teilbereiche dieser Widerstandsmaterialien voneinander abgrenzen.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Durchleiten eines Laststroms durch einen ersten Messwiderstand der Messwiderstandsgruppe und durch einen zweiten Messwiderstand der Messwiderstandsgruppe, gleichzeitig
– Durchleiten eines Kalibrierstroms durch zumindest den ersten Messwiderstand, gleichzeitig
– Messen eines ersten Spannungspulses zwischen einem ersten Verbindungspunkt und einem zweiten Verbindungspunkt, wobei der erste Verbindungspunkt unmittelbar mit dem ersten Messwiderstand verbunden ist, und
– Berechnen des Kalibrierstrompulses basierend zumindest auf dem ersten Spannungspuls.

Durch die besondere Vorgehensweise ist es möglich, anhand des ersten Spannungspulses einen Rückschluss auf den Kalibrierstrom zu erhalten, welcher sich vom Laststrom trennen lässt. Mögliche konkrete Ausgestaltungen werden weiter unten in der Anmeldung beschrieben.
Bei dem Laststrom handelt es sich insbesondere um einen Strom, welcher von der Batterie zum Chassis oder umgekehrt fließt, beispielsweise weil Verbraucher im Fahrzeug einen entsprechenden Strombedarf haben. Hierbei kann es sich beispielsweise um Anlasser oder Scheinwerfer handeln.
Bei einer Batterie kann es sich beispielsweise um eine typische Autobatterie handeln, welche insbesondere als Akkumulator ausgebildet sein kann. Auch für andere Batterien oder Akkumulatoren bzw. allgemein Stromspeicher oder Stromerzeuger ist das Verfahren jedoch entsprechend anwendbar.
Gemäß einer Ausführung ist vorgesehen, dass der zweite Verbindungspunkt unmittelbar mit dem ersten Messwiderstand verbunden ist, so dass der erste Spannungspuls genau über dem ersten Messwiderstand gemessen wird.
Das Verfahren weist gemäß einer Ausführung ferner gleichzeitig zum Schritt des Messens des ersten Spannungspulses folgenden Schritt auf:

– Messen eines zweiten Spannungspulses zwischen einem dritten Verbindungspunkt und einem vierten Verbindungspunkt, wobei der dritte Verbindungspunkt unmittelbar mit dem zweiten Messwiderstand verbunden ist, und
– wobei der Kalibrierstrompuls auch basierend auf dem zweiten Spannungspuls berechnet wird.

Durch das Messen des zweiten Spannungspulses können unterschiedliche Lösungen verwendet werden, um den Kalibrierstrompuls von der Überlagerung mit dem Laststrom zu extrahieren. Beispielhafte Vorgehensweisen werden nachfolgend beschrieben.
Gemäß einer Ausführung ist der vierte Verbindungspunkt unmittelbar mit dem zweiten Messwiderstand verbunden, so dass der zweite Spannungspuls genau über dem zweiten Messwiderstand gemessen wird.
Gemäß einer Ausführung ist der zweite Verbindungspunkt unmittelbar mit dem zweiten Messwiderstand verbunden.
Vorteilhaft wird der Kalibrierstrompuls auch basierend auf einem Widerstandswert des ersten Messwiderstands und/oder einem Widerstandswert des zweiten Messwiderstands und/oder jeweiligen Widerstandswerten weiterer Messwiderstände der Messwiderstandsgruppe berechnet. Dabei kann auf alle Kombinationen der genannten Werte zurückgegriffen werden, also beispielsweise mit einem dieser Werte, mit zwei beliebigen dieser Werte oder mit drei dieser Werte. Insbesondere können Verhältnisse von Widerständen berücksichtigt werden, wie die weiter unten näher ausgeführt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird der Kalibrierstrom seriell zum ersten Messwiderstand durch einen Referenzwiderstand geleitet und ein Spannungsabfall wird über dem Referenzwiderstand gemessen. Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung der Stromstärke des Kalibrierstroms.
Gemäß einer Ausführung wird der Laststrom in einen ersten Pfad und einen dazu parallelen zweiten Pfad aufgeteilt. Vorzugsweise wird er zu gleichen Teilen aufgeteilt. Dies entspricht einer möglichen Vorgehensweise, um Laststrom und Kalibrierstrom voneinander zu trennen.
Nachfolgend werden bestimmte spezifische Ausführungen beschrieben, welche die Erfinder als vorteilhafte, jedoch nicht als einzige Ausführungen zur Durchführung des Verfahrens erkannt haben. Es sei erwähnt, dass die Spannungspulse dabei typischerweise entsprechend der obigen Angaben bezüglich der Verbindungspunkte gemessen werden.
Gemäß einer Ausführung ist vorgesehen,

– dass der erste Pfad den ersten Messwiderstand und seriell dazu einen dritten Messwiderstand aufweist,
– dass der erste Messwiderstand und der dritte Messwiderstand am ersten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind,
– dass der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand aufweist,
– dass der dritte Messwiderstand und der zweite Messwiderstand am dritten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, und
– dass der erste Messwiderstand und der zweite Messwiderstand am zweiten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt bildet.

Gemäß einer Ausführung ist vorgesehen,

– dass der erste Pfad den ersten Messwiderstand, seriell dazu einen dritten Messwiderstand und seriell dazu einen vierten Messwiderstand aufweist,
– dass der erste Messwiderstand und der dritte Messwidersand am ersten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind,
– dass der erste Messwiderstand und der vierte Messwiderstand am zweiten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind,
dass der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand aufweist,
– dass der dritte Messwiderstand und der zweite Messwiderstand am dritten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, und
– dass der vierte Messwiderstand und der zweite Messwiderstand am vierten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind.

Gemäß einer Ausführung ist vorgesehen,

– dass der erste Pfad den ersten Messwiderstand und seriell dazu einen dritten Messwiderstand aufweist,
– dass der erste Messwiderstand und der dritte Messwiderstand am ersten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind,
– dass der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand und seriell dazu einen vierten Messwiderstand aufweist,
– dass der zweite Messwiderstand und der vierte Messwiderstand am dritten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind,
– dass der dritte Messwiderstand und der vierte Messwiderstand an einem fünften Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, und
– dass der erste Messwiderstand und der zweite Messwiderstand am zweiten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt bildet.

Gemäß einer Ausführung ist vorgesehen,

– dass der erste Pfad den ersten Messwiderstand und seriell dazu einen dritten Messwiderstand aufweist,
– dass der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand und seriell dazu einen vierten Messwiderstand aufweist,
– dass der erste Messwiderstand und der dritte Messwiderstand am ersten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind,
– dass der zweite Messwiderstand und der vierte Messwiderstand am zweiten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind,
– dass der dritte Messwiderstand und der vierte Messwiderstand an einem weiteren Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, und
– dass der erste Messwidersand und der zweite Messwiderstand an noch einem weiteren Verbindungspunkt miteinander verbunden sind.

Gemäß einer Ausführung ist vorgesehen,

– dass der erste Messwiderstand und der zweite Messwiderstand seriell zueinander geschaltet sind,
– dass der erste Messwiderstand und der zweite Messeiderstand am ersten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt bildet,
– dass der zweite Verbindungspunkt ein dem ersten Verbindungspunkt gegenüberliegender Pol des ersten Messwiderstands ist, und
– dass der dritte Verbindungspunkt ein dem vierten Verbindungspunkt gegenüberliegender Pol des zweiten Messwiderstands ist.

Alle diese Ausführungen ermöglichen eine vorteilhafte Bestimmung des Kalibrierstrompulses. Auf Details wird weiter unten mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher eingegangen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird der Kalibrierstrom am ersten Verbindungspunkt in die Messwiderstandsgruppe eingeleitet. Dies kann insbesondere vorteilhaft mit den oben beschriebenen Ausführungen kombiniert werden.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Messwiderstände der Messwiderstandsgruppe als Teilbereiche eines flächigen Widerstands ausgeführt. Dies erlaubt eine einfache Herstellung der Widerstände. Beispielhafte Ausführungen sind weiter unten mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es sei jedoch verstanden, dass auch beliebige andere Ausführungen von Widerständen in Betracht kommen, beispielsweise diskrete Widerstände.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Batteriesensor, welcher dazu konfiguriert ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Insbesondere kann der Batteriesensor Prozessormittel und Speichermittel aufweisen, wobei die Speichermittel Programmcode enthalten, bei dessen Ausführung die Prozessormittel ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen bzw. sich entsprechend verhalten. Außerdem kann der Batteriesensor eine Messwiderstandsbaugruppe aufweisen, welche wie mit Bezug auf das Verfahren beschrieben ausgeführt ist. Alle mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Ausführungen gelten entsprechend als mögliche vorrichtungsgemäße Ausführungen eines Batteriesensors. Hinsichtlich des Verfahrens kann auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, welches Programmcode enthält, bei dessen Ausführung ein Prozessor ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Hinsichtlich des Verfahrens kann auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
Allgemein gesagt ist es eine mögliche Grundidee der kontinuierlichen Kalibration, im eingebauten Zustand eines Sensors im Fahrzeug einen Kalibrationsstrom bzw. Kalibrierstrom zu erzeugen, der dann so geleitet wird, dass dieser einen Spannungsabfall an einem hochgenauen Vorwiderstand bzw. Referenzshunt wie auch am Messwiderstand bzw. Messshunt generiert. Dieser Spannungsabfall kann so kontinuierlich differenziell gemessen und die beiden Spannungen können ins Verhältnis gesetzt werden.
Wenn dies bei allen bekannten Lastfällen und Temperaturbereichen geschieht, können so die schlechteren spezifischen Eigenschaften des manganinlosen Messshuntmaterials kompensiert werden.
Ausgehend davon soll der Referenzwiderstand nur minimales Alterungsverhalten und Temperaturgang aufweisen. Dies wird begünstigt, da dieser nur gering thermisch belastet wird und nur kleine Ströme fließen.
Die Problematik und Schwierigkeit bei dieser Methode der kontinuierlichen Kalibration mittels Kalibrierstrom über einen Referenzwiderstand besteht aber darin, dass über den zu kalibrierenden Messshunt sowohl der Kalibrierstrom wie auch der Laststrom fließt. Diese beiden Ströme addieren sich und es entsteht ein Mischstrom. Der so entstandene Mischstrom beinhaltet Anteile von beiden Signalen, die nur schwer wieder voneinander zu trennen sind.
Hier setzt die Erfindung an. Der Laststrom wird zunächst über dem Messwiderstand aufgeteilt und der Kalibrierstrom wird in den Messshunt derart eingespeist, dass dieser in unterschiedlicher Größe über den aufgeteilten Messwiderstand fließt. Durch eine einfache Subtraktion der Teillastströme kann beispielsweise der Kalibrierstrompuls wieder vom Laststrom extrahiert werden.
Diese Verfahren stellt eine einfache und kostengünstige Methode dar, um das Kalibrierstromsignal vom Laststrom zu trennen. Weiter unten ist ein Beispiel dieser Methode durchgerechnet und zugehörige Simulationsergebnisse werden dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann es beispielsweise erlauben, den erzeugten Kalibrierstrom vom Laststrom so zu trennen, dass das eigentliche Kalibrierstromsignal nahezu ohne Überlagerungen für die weitere Berechnung herangezogen werden kann. Zudem stellt es eine einfache, schnelle und kostengünstige Lösung dar, die relevanten Spannungsabfälle aus dem Mischstrom zu extrahieren.
Das Verfahren dieser Signalextraktion beruht beispielsweise zumindest in manchen Ausführungen auf der Methode der parallelen Messung am Messshunt, bei gleichzeitig anliegenden identischen Laststromsignalen. Der Trick kann beispielsweise sein, dass sich der Laststrom zu gleichen Teilen und der Kalibrierstrom ungleich über die Teilwiderstände verteilt. Subtrahiert man die Teillastströme, so bleibt ein Teil des Kalibrierstrompulses übrig.
Im Detail kann beispielsweise das kleinere Widerstandselement mit einem großen Anteil des Kalibrierstrompulses plus Laststrom durchflossen werden und das größere Widerstandselement kann mit einem im Verhältnis kleineren Anteil des Kalibrierstrompulses plus gleichem Anteil an Laststrom durchflossen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen. Dabei zeigen:
1a bis 1e: Beispielhafte Ausführungen und Beschaltungen einer Messwiderstandsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2a bis 2g: Beispielhafte Ausführungen einer Messwiderstandsanordnung,
3: Ein Prinzipschaltbild, welches zur Illustration des Verfahrens dient, und
4a bis 4k: Graphen zur Illustration des Verfahrens und einer Simulation.
Die 1a bis 1e zeigen Ausführungsbeispiele einer Messwiderstandsgruppe, welche bis zu vier Messwiderstände aufweist. Dabei werden grundsätzlich ein erster Messwiderstand mit R1, ein zweiter Messwiderstand mit R2, ein dritter Messwiderstand mit R3 und ein vierter Messwiderstand mit R4 bezeichnet.
Die Messwiderstände sind an jeweiligen Verbindungspunkten untereinander und mit externen Komponenten verbunden. Die Verbindungspunkte sind mit den Bezugszeichen V1 für einen ersten Verbindungspunkt, V2 für einen zweiten Verbindungspunkt, V3 für einen dritten Verbindungspunkt, V4 für einen vierten Verbindungspunkt, V5 für einen fünften Verbindungspunkt, VW für einen weiteren Verbindungspunkt und VNW für einen noch weiteren Verbindungspunkt bezeichnet.
In die Messwiderstandsgruppe werden jeweils ein Laststrom I_L und ein Referenzstrom I_R eingeleitet, welche jeweils mit Pfeilen im jeweils linken Teil der Figuren eingezeichnet sind. Wie gezeigt wird der Referenzstrom I_R gepulst angelegt, während der Laststrom I_L als veränderlicher Strom gezeigt ist, da dieser vom aktuellen Strombedarf von Verbrauchern, beispielsweise in einem Fahrzeug, abhängt.
In den jeweils rechten Teilen der Figuren sind jeweils auch die Bereiche gezeigt, über welche der erste Spannungspuls (Udiff1) und der zweite Spannungspuls (Udiff2) gemessen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 1a wird der Laststrom über die Widerstände R2 parallel zu R1 und R3 geführt. Der Kalibrierstrom fließt über den Widerstand R1 parallel R3 und R2. Gemessen werden dabei die Spannungen Udiff1 und Udiff2 wie eingezeichnet. Diese werden dann entsprechend ihres Widerstandsverhältnissen voneinander abgezogen.
Dieses Verfahren kann in verschiedenen Widerstandsnetzwerken umgesetzt, gemessen und verrechnet werden. Darüber hinaus ist diese Methode unabhängig davon, wie der Kalibrierstrompuls erzeugt wird und auch unabhängig von der Art des Laststromes, da der Laststrom in den Messwiderständen nahezu identisch anliegt.
Nachfolgend werden die einzelnen Ausführungsbeispiele der 1a bis 1e beschrieben. Dabei wird insbesondere auch auf die Verschaltung der Widerstände sowie auf die Aufteilung der Widerstände auf Pfade, also einen ersten Pfad und einen zweiten Pfad, eingegangen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1a ist vorgesehen,

– dass der erste Pfad den ersten Messwiderstand R1 und seriell dazu den dritten Messwiderstand R3 aufweist,
– dass der erste Messwiderstand R1 und der dritte Messwiderstand R3 am ersten Verbindungspunkt V1 miteinander verbunden sind,
– dass der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand R2 aufweist,
– dass der dritte Messwiderstand R3 und der zweite Messwiderstand R2 am dritten Verbindungspunkt V3 miteinander verbunden sind, und
– dass der erste Messwiderstand R1 und der zweite Messwiderstand R2 am zweiten Verbindungspunkt V2 miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt V4 bildet.

Die Nomenklatur der Verbindungspunkte wurde so gewählt, um der oben gewählten Definition des ersten Spannungspulses und des zweiten Spannungspulses Rechnung zu tragen. Dabei wird der erste Spannungspuls entsprechend der eingezeichneten ersten Spannungsdifferenz Udiff1 zwischen dem ersten Verbindungspunkt V1 und dem zweiten Verbindungspunkt V2 gemessen, und der zweite Spannungspuls wird entsprechend der eingezeichneten zweiten Spannungsdifferenz Udiff2 zwischen dem dritten Verbindungspunkt V3 und dem vierten Verbindungspunkt V4 gemessen. Dies gilt für alle gezeigten Ausführungsbeispiele.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1b ist vorgesehen,

– dass der erste Pfad den ersten Messwiderstand R1, seriell dazu den dritten Messwiderstand R3 und seriell dazu den vierten Messwiderstand R4 aufweist,
– dass der erste Messwiderstand R1 und der dritte Messwidersand R3 am ersten Verbindungspunkt V1 miteinander verbunden sind,
– dass der erste Messwiderstand R1 und der vierte Messwiderstand R4 am zweiten Verbindungspunkt V2 miteinander verbunden sind,
– dass der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand R2 aufweist,
– dass der dritte Messwiderstand R3 und der zweite Messwiderstand R2 am dritten Verbindungspunkt V3 miteinander verbunden sind, und
– dass der vierte Messwiderstand R4 und der zweite Messwiderstand R2 am vierten Verbindungspunkt V4 miteinander verbunden sind.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1c ist vorgesehen,

– dass der erste Messwiderstand R1 und der zweite Messwiderstand R2 seriell zueinander geschaltet sind,
– dass der erste Messwiderstand R1 und der zweite Messeiderstand R2 am ersten Verbindungspunkt V1 miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt V4 bildet,
– dass der zweite Verbindungspunkt V2 ein dem ersten Verbindungspunkt V1 gegenüberliegender Pol des ersten Messwiderstands R1 ist, und
– dass der dritte Verbindungspunkt V3 ein dem vierten Verbindungspunkt V4 gegenüberliegender Pol des zweiten Messwiderstands R2 ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Gegensatz zu den anderen Ausführungsbeispielen lediglich ein Pfad vorgesehen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1d ist vorgesehen,

– dass der erste Pfad den ersten Messwiderstand R1 und seriell dazu den dritten Messwiderstand R3 aufweist,
– dass der erste Messwiderstand R1 und der dritte Messwiderstand R3 am ersten Verbindungspunkt V1 miteinander verbunden sind,
– dass der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand R2 und seriell dazu den vierten Messwiderstand R4 aufweist,
– dass der zweite Messwiderstand R2 und der vierte Messwiderstand R4 am dritten Verbindungspunkt V3 miteinander verbunden sind,
– dass der dritte Messwiderstand R3 und der vierte Messwiderstand R4 an einem fünften Verbindungspunkt V5 miteinander verbunden sind, und
– dass der erste Messwiderstand R1 und der zweite Messwiderstand R2 am zweiten Verbindungspunkt V2 miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt V4 bildet.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1e ist vorgesehen,

– dass der erste Pfad den ersten Messwiderstand R1 und seriell dazu den dritten Messwiderstand R3 aufweist,
– dass der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand R2 und seriell dazu den vierten Messwiderstand R4 aufweist,
– dass der erste Messwiderstand R1 und der dritte Messwiderstand R3 am ersten Verbindungspunkt V1 miteinander verbunden sind,
– dass der zweite Messwiderstand R2 und der vierte Messwiderstand R4 am zweiten Verbindungspunkt V2 miteinander verbunden sind,
– dass der dritte Messwiderstand R3 und der vierte Messwiderstand R4 an einem weiteren Verbindungspunkt VW miteinander verbunden sind, und
– dass der erste Messwidersand R1 und der zweite Messwiderstand R2 an noch einem weiteren Verbindungspunkt VNW miteinander verbunden sind.

Damit wird bei dem Ausführungsbeispiel von 1e lediglich ein Spannungspuls entsprechend der eingezeichneten ersten Spannungsdifferenz Udiff1 gemessen. Es hat sich gezeigt, dass dies für eine Messung ausreicht. Auf eine zweite Messung und den damit verbundenen Aufwand kann somit verzichtet werden.
In diesem Fall kann auch von einer weiteren Möglichkeit für die Anwendung der Methode „gleich verteilter Laststrom, ungleich verteilter Kalibrierstrompuls“ gesprochen werden, wobei der Spannungsabfall einfach differenziell gemessen wird. In diesem Schaltungsbeispiel von 1e wird der Laststrom über die Widerstände R2 und R4 parallel zu R1 und R3 geführt. Der Kalibrierstrom fließt über den Widerstand R1 parallel R3, R4 und R2. Gemessen wird dann die differenzielle Spannung Udiff1. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der Puls mit einer höheren Auflösung gemessen werden kann. Wie bei der Wheatstone’schen Messbrücke oder H-Messbrücke wird hier die Differenzspannung erfasst.
Eine zeitsynchrone Messung aller Messsignale ist grundsätzlich vorteilhaft. Der Widerstandswert bzw. das Widerstandsverhältnis der relevanten Widerstände wird dabei typischerweise so gewählt, dass eine Verrechnung und Extraktion des relevanten Messsignals ohne Laststromanteil möglich und sinnvoll ist.
Eine Option für die Signalerfassung bietet ein Lock-In-Verstärker. Dieser Verstärker bietet eine Möglichkeit, sehr schwache Analogsignale zu messen und hat eine sehr gute Unterdrückung von Rauschen und Offset. Ein weiterer Vorschlag für die Signalerfassung wäre die Methode der Modulation und Demodulation (Analog Spectrum Modulation).
Bei den Ausführungsbeispielen der 1a, 1b und 1d kann von einem parallelen differentiellen Spannungsabgriff gesprochen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1c kann von einem seriellen differentiellen Spannungsabgriff gesprochen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1e kann von einem einfachen differentiellen Spannungsabgriff gesprochen werden.
In den 2a bis 2g sind unterschiedliche Ausführungen von Widerstandsgruppen gezeigt, welche als flächige Widerstandselemente mit jeweils geeignetem Spannungsabgriff ausgeführt sind. Es sei jedoch verstanden, dass diese nur beispielhaft gezeigt sind und auch zahlreiche andere Ausführungen denkbar sind. Die gezeigten Anschlüsse entsprechen dabei typischerweise jeweiligen Verbindungspunkten.
Bei den 2a und 2b sind O-Shunts bzw. O-Widerstände mit mechanisch getrennten Widerstandselementen gezeigt. Diese können auch als Schlitzshunts bezeichnet werden. Dabei zeigt
2a einen O-Shunt mit Widerstandsverhältnis 1/3 und 2b zeigt einen O-Shunt mit Widerstandsverhältnis 1/2.
2c zeigt einen Riegelshunt bzw. Riegelwiderstand mit Widerstandsverhältnis 1/2. Ähnlich könnte auch ein Widerstandsverhältnis von 1/1 realisiert werden, wenn beispielsweise die Abstände der Messpunkte verändert werden.
2d zeigt einen Widerstand mit Messbrücke, welche in Form von zwei nach rechts abstehenden, gut leitfähigen Flügeln realisiert ist. Als Widerstandsverhältnis kann hier beispielsweise wie gezeigt 1/2 oder aber beispielsweise auch 1/1 realisiert werden.
2e zeigt einen U-Shunt bzw. U-Widerstand mit Widerstandsverhältnis 1/3. Ebenso könnte hier jedoch beispielsweise auch ein Widerstandsverhältnis von 1/2 oder 1/1 realisiert werden.
2f zeigt einen O-Shunt bzw. O-Widerstand mit Widerstandsverhältnis 1/1.
2g zeigt einen O-Shunt mit Widerstandsverhältnis 1/1. Im Unterschied zu 2f ist hier eine differentielle Messung vorgesehen.
3 zeigt eine beispielhafte Beschaltung für die Simulation eines Schaltungsbeispiels, welche nachfolgend mit Bezug auf die 4a bis 4k erläutert wird. Hinsichtlich des Aufbaus orientiert sich diese Beschaltung an dem Ausführungsbeispiel von 1a. Bezüglich der Details sei auf die Beschreibung in der Figur verwiesen. Insbesondere sei angemerkt, dass zur Messung eines Kalibrierstroms ein Vorwiderstand bzw. Referenzwiderstand bzw. Referenzshunt Rref vorgesehen ist.
Für das Beispiel wurden dabei folgende Widerstandswerte verwendet: R1 = R3 = 100 Ohm R2 = 200 Ohm
Beide Pfade haben somit einen identischen Widerstand. Der Gesamtwiderstand beträgt 100 Ohm.
Die 4a bis 4k sind jeweils als zeitabhängige Graphen dargestellt, wobei die Zeitachse jeweils der horizontalen Achse entspricht.
4a zeigt einen Strompuls. Es handelt sich hierbei um einen Kalibrierstrompuls.
4b zeigt einen anliegenden Laststrom über einem Gesamtwiderstand der Messwiderstandsbaugruppe von 100 Ohm.
4c zeigt einen anliegenden Mischstrom über dem zweiten Messwiderstand R2, wobei sich Laststrom und Kalibrierstrom addieren.
Der durch den Kalibrierstrompuls erzeugte Spannungsabfall ist bei schnellen Laststromänderungen typischerweise schwierig zu detektieren und zu messen. Die abfallende Spannung, welche auf den Kalibrierstrom zurückgeht, liegt in der Größenordnung von μV im Vergleich zu Lastströmen in der Größenordnung von mV.
4d zeigt einen anliegenden Mischstrom über dem ersten Messwiderstand R1, wobei sich ebenfalls Laststrom und Kalibrierstrom addieren.
Die Aufteilung des Laststroms auf die Pfade erfolgt entsprechend der Spannung nach der Knotenregel zu gleichen Teilen, da wie bereits erwähnt die Widerstände der Pfade gleich sind.
Die 4e zeigt einen Spannungsabfall am ersten Messwiderstand R1 (untere Kurve) und am zweiten Messwiderstand R2 (obere Kurve). Des Weiteren ist ein enges Zeitfenster ZOOM 1 dargestellt, welches in 4f näher dargestellt ist. Dabei zeigt in 4f die untere Kurve den Spannungsabfall am Referenzwiderstand bzw. Vorwiderstand Rref, während die obere Kurve den Spannungsabfall am zweiten Messwiderstand R2 und die mittlere Kurve den Spannungsabfall am ersten Messwiderstand R1 zeigen.
Auch in 4f ist ein enges Zeitfenster ZOOM 2 dargestellt. Dieses ist in 4g näher dargestellt. Dabei zeigt die untere Kurve den Spannungsabfall am ersten Messwiderstand R1 und die obere Kurve zeigt den Spannungsabfall am zweiten Messwiderstand R2. Es ist zu sehen, dass der Spannungsabfall, welcher auf dem Kalibrierstrompuls bzw. Kalibrationsstrompuls beruht, nur schwach zu erkennen ist.
Eine resultierende Spannung Ures zur Auswertung kann nur folgendermaßen berechnet werden: Ures = (Udiff1·2) – Udiff2
Bei dieser Berechnung wird der Spannungsabfall an R1 auf das gleiche Niveau wie bei R2 gebracht.
Bei dem gegebenen Beispiel, mit den Verhältnis der beiden Widerstandselemente 100μOhm zu 200μOhm, erfolgt dies mit einer einfachen Multiplikation mit 2, d.h. Udiff1 wird mit 2 multipliziert. Somit ist der Anteil des durch den Laststrom hervorgerufenen Spannungsabfalls bei beiden Widerständen gleich groß. Durch die Multiplikation mit 2 wird der Anteil der durch den Kalibrierstrompuls hervorgerufen wird ebenfalls verdoppelt, was sich positiv auf das resultierende Pulssignal auswirkt.
Da es durch die Mess- und besondere Schaltungsmethode bei dem ersten Messwiderstand R1 zu einem höheren Kalibrierstromfluss und somit zu einem höheren Spannungsabfall kommt, bleibt nach der einfachen mathematischen Verrechnung, insbesondere Subration der beiden differenziellen Spannungen, ein einfach zu detektierendes Pulssignal übrig.
Ein solches Signal, entsprechend dem oben definierten Uref, ist in 4h dargestellt. Dabei ist wiederum ein enges Zeitfenster ZOOM 3 eingezeichnet. Dieses Zeitfenster ist genauer in 4i dargestellt. Dabei ist zu sehen, dass der Puls gut erkennbar ist. Die starke Überlagerung durch den Laststrom wurde somit mathematisch vorteilhaft eliminiert. Das resultierende Signal beinhaltet ein einfach zu detektierendes Pulssignal. Der Laststromanteil kürzte sich in mit dieser Methode vollkommen heraus.
Es sei verstanden, dass die obige Vorgehensweise zur Verrechnung der Widerstandswerte allgemein angewendet werden kann, je nach bestimmten Widerstandswerten und/oder sonstigen Gegebenheiten. Die Verrechnung kann dabei digital, also mittels mathematischer Formeln und/oder Algorithmen implementiert sein, insbesondere in einem programmierbaren Bauteil, sie kann jedoch beispielsweise auch analog und/oder schaltungstechnisch implementiert sein.
Die 4j zeigt schließlich das Pulssignal ohne Laststrom am Referenzwiderstand Rref (untere Kurve), am ersten Messwiderstand R1 (mittlere Kurve) und am zweiten Messwiderstand R2 (obere Kurve).
Die 4k zeigt Spannungen, welche durch den Kalibrierstrompuls an den Widerständen R1 und R2 hervorgerufen werden, sowie das oben beschriebene resultierende extrahierte Signal.
Insgesamt wurde mit dem eben beschriebenen Beispiel gezeigt, dass sich ein Kalibrierstrompuls von einem überlagerten Nutzstrompuls gut trennen lässt, was zur Kalibration eines Messwiderstands vorteilhaft dienen kann, insbesondere zur schnellen und laufenden Kalibrierung während des Betriebs.
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.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Kalibrierstrompulses an einer Messwiderstandsgruppe, wobei die Messwiderstandsgruppe eine Anzahl von Messwiderständen (R1, R2, R3, R4) aufweist, welche an jeweiligen Verbindungspunkten (V) miteinander oder mit weiteren Komponenten verbunden sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Durchleiten eines Laststroms durch einen ersten Messwiderstand (R1) der Messwiderstandsgruppe und durch einen zweiten Messwiderstand (R2) der Messwiderstandsgruppe, gleichzeitig – Durchleiten eines Kalibrierstroms durch zumindest den ersten Messwiderstand (R1), gleichzeitig – Messen eines ersten Spannungspulses zwischen einem ersten Verbindungspunkt (V1) und einem zweiten Verbindungspunkt (V2), wobei der erste Verbindungspunkt (V1) unmittelbar mit dem ersten Messwiderstand (R1) verbunden ist, und – Berechnen des Kalibrierstrompulses basierend zumindest auf dem ersten Spannungspuls.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei – der zweite Verbindungspunkt (V2) unmittelbar mit dem ersten Messwiderstand (R1) verbunden ist, so dass der erste Spannungspuls genau über dem ersten Messwiderstand (R1) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner gleichzeitig zum Schritt des Messens des ersten Spannungspulses folgenden Schritt aufweist: – Messen eines zweiten Spannungspulses zwischen einem dritten Verbindungspunkt (V3) und einem vierten Verbindungspunkt (V4), wobei der dritte Verbindungspunkt (V3) unmittelbar mit dem zweiten Messwiderstand (R2) verbunden ist, und – wobei der Kalibrierstrompuls auch basierend auf dem zweiten Spannungspuls berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei – der vierte Verbindungspunkt (V4) unmittelbar mit dem zweiten Messwiderstand (R2) verbunden ist, so dass der zweite Spannungspuls genau über dem zweiten Messwiderstand (R2) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei – der zweite Verbindungspunkt (V2) unmittelbar mit dem zweiten Messwiderstand (R2) verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der Kalibrierstrompuls auch basierend auf einem Widerstandswert des ersten Messwiderstands (R1) und/oder einem Widerstandswert des zweiten Messwiderstands (R2) und/oder jeweiligen Widerstandswerten weiterer Messwiderstände (R3, R4) der Messwiderstandsgruppe berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der Kalibrierstrom seriell zum ersten Messwiderstand (R1) durch einen Referenzwiderstand (Rref) geleitet wird und ein Spannungsabfall über dem Referenzwiderstand (Rref) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der Laststrom in einen ersten Pfad und einen dazu parallelen zweiten Pfad aufgeteilt wird, vorzugsweise zu gleichen Teilen.
Verfahren nach Anspruch 8, – wobei der erste Pfad den ersten Messwiderstand (R1) und seriell dazu einen dritten Messwiderstand (R3) aufweist, – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der dritte Messwiderstand (R3) am ersten Verbindungspunkt (V1) miteinander verbunden sind, – wobei der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand (R2) aufweist, – wobei der dritte Messwiderstand (R3) und der zweite Messwiderstand (R2) am dritten Verbindungspunkt (V3) miteinander verbunden sind, und – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der zweite Messwiderstand (R2) am zweiten Verbindungspunkt (V2) miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt (V4) bildet.
Verfahren nach Anspruch 8, – wobei der erste Pfad den ersten Messwiderstand (R1), seriell dazu einen dritten Messwiderstand (R3) und seriell dazu einen vierten Messwiderstand (R4) aufweist, – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der dritte Messwidersand (R3) am ersten Verbindungspunkt (V1) miteinander verbunden sind, – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der vierte Messwiderstand (R4) am zweiten Verbindungspunkt (V2) miteinander verbunden sind, – wobei der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand (V2) aufweist, – wobei der dritte Messwiderstand (R3) und der zweite Messwiderstand (R2) am dritten Verbindungspunkt (V3) miteinander verbunden sind, und – wobei der vierte Messwiderstand (R4) und der zweite Messwiderstand (R2) am vierten Verbindungspunkt (V4) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 8, – wobei der erste Pfad den ersten Messwiderstand (R1) und seriell dazu einen dritten Messwiderstand (R3) aufweist, – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der dritte Messwiderstand (R3) am ersten Verbindungspunkt (V1) miteinander verbunden sind, – wobei der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand (R2) und seriell dazu einen vierten Messwiderstand (R4) aufweist, – wobei der zweite Messwiderstand (R2) und der vierte Messwiderstand (R4) am dritten Verbindungspunkt (V3) miteinander verbunden sind, – wobei der dritte Messwiderstand (R3) und der vierte Messwiderstand (R4) an einem fünften Verbindungspunkt (V5) miteinander verbunden sind, und – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der zweite Messwiderstand (R2) am zweiten Verbindungspunkt (V2) miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt (V4) bildet.
Verfahren nach Anspruch 8, – wobei der erste Pfad den ersten Messwiderstand (R1) und seriell dazu einen dritten Messwiderstand (R3) aufweist, – wobei der zweite Pfad den zweiten Messwiderstand (R2) und seriell dazu einen vierten Messwiderstand (R4) aufweist, – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der dritte Messwiderstand (R3) am ersten Verbindungspunkt (V1) miteinander verbunden sind, – wobei der zweite Messwiderstand (R2) und der vierte Messwiderstand (R4) am zweiten Verbindungspunkt (V2) miteinander verbunden sind, – wobei der dritte Messwiderstand (R3) und der vierte Messwiderstand (R4) an einem weiteren Verbindungspunkt (VW) miteinander verbunden sind, und – wobei der erste Messwidersand (R1) und der zweite Messwiderstand (R2) an noch einem weiteren Verbindungspunkt (VNW) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der zweite Messwiderstand (R2) seriell zueinander geschaltet sind, – wobei der erste Messwiderstand (R1) und der zweite Messeiderstand (R2) am ersten Verbindungspunkt (V1) miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig den vierten Verbindungspunkt (V4) bildet, – wobei der zweite Verbindungspunkt (V2) ein dem ersten Verbindungspunkt (V1) gegenüberliegender Pol des ersten Messwiderstands (R1) ist, und – wobei der dritte Verbindungspunkt (V3) ein dem vierten Verbindungspunkt (V4) gegenüberliegender Pol des zweiten Messwiderstands (R2) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der Kalibrierstrom am ersten Verbindungspunkt (V1) in die Messwiderstandsgruppe eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei die Messwiderstände (R1, R2, R3, R4) der Messwiderstandsgruppe als Teilbereiche eines flächigen Widerstands ausgeführt sind.