DE102020213509A1

DE102020213509A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren eines Stromsensors

Info

Publication number: DE102020213509A1
Application number: DE102020213509.6A
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2022-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Stromsensors (10) aufweisend: einen mit einem Strom (I) bestrombaren Widerstand (20); einen Verstärker (30) zum Verstärken einer am Widerstand (20) abfallenden Spannung (V) und Ausgeben eines Verstärkerausgangssignals (Vout*); einen A/D-Wandler (40) zum Wandeln des Verstärkerausgangssignals (Vout*) in ein Wandlerausgangssignal (Vout); und eine Signalverarbeitungseinrichtung (50) zum Verarbeiten des Wandlerausgangssignals (Vout) unter Verwendung von in einer Speichereinrichtung (54) gespeicherten Kalibrierungsparametern zu einem Ausgangssignal (OUT) des Stromsensors (10). Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache und dennoch genaue Kalibrierung des Stromsensors (10 und weist hierfür auf: Erfassen eines ersten Werts (Vout1) des Wandlerausgangssignals (Vout) bei nicht bestromtem Widerstand (20); Erfassen eines zweiten Werts (Vout2) des Wandlerausgangssignals (Vout) unmittelbar nach einem Einschalten der Bestromung des Widerstands (20) mit einer vorgegebenen Teststromstärke (Itest); Erfassen eines dritten Werts (Vout3) des Wandlerausgangssignals (Vout) in einem zeitlichen Verlauf nach dem Einschalten der Bestromung des Widerstands (20) mit der Teststromstärke (Itest); Ermitteln der Kalibrierungsparameter durch eine Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte (Vout1, Vout2, Vout3); und Speichern der Kalibrierungsparameter in der Speichereinrichtung (54). Ferner werden eine entsprechende Kalibrierungsvorrichtung (100) sowie vorteilhafte Verwendungen vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Stromsensors.
Bei bekannten Stromsensoren erfolgt die Bestimmung eines elektrischen Stroms üblicherweise mittels einer Messung des Spannungsabfalls an einem von dem Strom durchflossenen Widerstand („Shunt“). Die an einem Widerstand mit konstantem Widerstandswert abfallende Spannung ist proportional zum Strom und somit ein geeignetes Maß für den Strom.
Problematisch ist bei derartigen Stromsensoren in der Praxis jedoch beispielsweise, dass die Messung, und insbesondere z. B. eine in der Regel erforderliche vorherige Verstärkung der am Widerstand abfallenden Spannung, aufgrund von Herstellungstoleranzen des betreffenden Messverstärkers fehlerbehaftet sein kann.
Ein weiteres, einer genauen Absolutwertmessung des Stroms entgegenstehendes Problem ist eine gewisse Variation des Widerstandswerts des Widerstands (Shunt) durch Herstellungstoleranzen.
Ferner hat es sich bei derartigen Stromsensoren, insbesondere bei Stromsensoren zur Messung relativ großer Stromstärken, als problematisch herausgestellt, dass bei der Bestromung des Widerstands eine nicht vernachlässigbare elektrische Verlustleistung entsteht, welche zu einer Erwärmung des Widerstands und infolgedessen zu einer Änderung des Widerstandswerts und somit zu einer Verfälschung der Strommessung führt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte für eine Kalibrierung von Stromsensoren bekannt, wie beispielsweise eine individuelle Vermessung einerseits des Winderstandswerts des Shunts und andererseits einer Charakteristik (z. B. Verstärkungsfaktor) des Messverstärkers, aus denen ein Stromsensor gebaut wird. Aus den Ergebnissen dieser Vermessung kann (wenigstens) ein Kalibrierungsparameter gebildet und in einer Speichereinrichtung des Stromsensors eingespeichert werden. Ein derartiges Kalibrierungsverfahren ist jedoch sehr aufwendig und je nach konkretem Anwendungsbereich des Stromsensors oftmals dennoch nicht ausreichend genau.
Die Veröffentlichung CN 111077489 A beschreibt eine Kalibrierung eines Stromsensors mittels eines Systems umfassend eine Stromquelle, einen kalibrierten Stromsensor und einen Prozessor, wobei der zu kalibrierende Stromsensor in Reihenschaltung mit einer Stromquelle und dem kalibrierten Stromsensor angeordnet wird. Mittels des kalibrierten Stromsensors wird eine Stromstärke der Stromquelle erfasst, um einen Standardwert zu erhalten, und mittels des zu kalibrierenden Stromsensors wird ein entsprechender zu kalibrierender Wert zu erhalten. Der Prozessor ist so konfiguriert, dass er aus dem Standardwert und dem zu kalibrierenden Wert einen Kalibrierungsparameter ermittelt, der im zu kalibrierenden Stromsensor gespeichert werden kann. Weitere Verfahren zur Kalibrierung von Stromsensoren sind beispielsweise aus den Veröffentlichungen CN 104297710 A und US 8,718,964 B2 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Weg für eine einfache und dennoch genaue Kalibrierung eines Stromsensors aufzuzeigen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mittels eines Verfahrens zum Kalibrieren eines Stromsensors nach Anspruch 1 sowie mittels einer Vorrichtung zum Kalibrieren eines Stromsensors nach Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der bei dem erfindungsgemäßen Kalibrierungsverfahren vorgesehene Stromsensor weist auf:

- einen mit einem zu messenden Strom bestrombaren Widerstand,
- einen Verstärker zum Verstärken einer infolge einer Bestromung des Widerstands am Widerstand abfallenden Spannung mit einem Verstärkungsfaktor, und zum Ausgeben eines entsprechenden analogen Verstärkerausgangssignals,
- einen A/D-Wandler zum Wandeln des analogen Verstärkerausgangssignals in ein dementsprechendes digitales Wandlerausgangssignal, und
- eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des Wandlerausgangssignals unter Verwendung von in einer Speichereinrichtung der Signalverarbeitungseinrichtung gespeicherten Kalibrierungsparametern zu einem für den elektrischen Strom repräsentativen Ausgangssignal des Stromsensors.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren dieses Stromsensors weist (zumindest) folgende Schritte auf:

- Erfassen (wenigstens) eines ersten Werts des Wandlerausgangssignals bei nicht bestromtem Widerstand,
- Erfassen (wenigstens) eines zweiten Werts des Wandlerausgangssignals unmittelbar nach einem Einschalten der Bestromung des Widerstands mit (wenigstens) einer vorgegebenen Teststromstärke,
- Erfassen (wenigstens) eines dritten Werts des Wandlerausgangssignals in einem zeitlichen Verlauf nach dem Einschalten der Bestromung des Widerstands mit der Teststromstärke,
- Ermitteln der Kalibrierungsparameter durch eine Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte des Wandlerausgangssignals, und
- Speichern der ermittelten Kalibrierungsparameter in der Speichereinrichtung.

Vorteilhaft wird mit der Erfindung ein bereits gefertigter Stromsensor kalibriert, so dass im Vergleich zu einer Kalibrierung basierend auf einer vorhergehenden individuellen Vermessung von Widerstand und Verstärker der Aufwand verringert und die Genauigkeit erhöht sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erwähnten ersten, zweiten und dritten Werte des Wandlerausgangssignals z. B. in drei entsprechenden, unmittelbar aufeinanderfolgenden zeitlichen Phasen (erste, zweite, dritte Phase) erfasst werden können und die Erfassung und darauf basierende Kalibrierung hierbei relativ rasch durchgeführt werden können.
Ein besonderer weiterer Vorteil ergibt sich aus der erfindungsgemäß vorgesehenen Kombination der Erfassung dieser ersten, zweiten und dritten Werte. Dies ermöglicht die Ermittlung von Kalibrierungsparametern, durch welche bei der späteren Strommessung mit dem kalibrierten Stromsensor vorteilhaft insbesondere z. B. thermische bzw. dynamische Effekte, die auf Variationen der Temperatur des Widerstands infolge von Variationen des Stroms und/oder einer Umgebungstemperatur beruhen, berücksichtigt und somit durch die Kalibrierung korrigiert (kompensiert) werden können.
Gemäß einer Ausführungsform wird bei der Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte des Wandlerausgangssignals ein Modell für den Wert des Wandlerausgangssignals (in Abhängigkeit von dem Strom I und dem Widerstandswert R und wenigstens einem weiteren Parameter) zugrundegelegt, beispielsweise gemäß folgender Gleichung : $Vout = I \times R \times K + Voffset$
wobei bezeichnen:
Vout den Wert des Wandlerausgangssignals,
I die Stromstärke des Stroms durch den Widerstand (Shunt),
R den Widerstand (Widerstandswert) des Widerstands,
K einen Verstärkungsfaktor des Verstärkers, und
Voffset eine Offsetspannung des Verstärkers.
Nachfolgend sei am Beispiel dieses Modells ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft etwas detaillierter erläutert. Bei dem Verfahren kann z. B. vorgesehen sein, dass die vorstehend bereits genannten Schritte aufeinanderfolgend, in der angegebenen Reihenfolge, und jeweils ein Mal durchgeführt werden:

S1: Erfassen eines (z. B. einzigen) ersten Werts „Vout1“ des Wandlerausgangssignals Vout bei nicht bestromtem Widerstand,
S2: Erfassen eines (z. B. einzigen) zweiten Werts „Vout2“ des Wandlerausgangssignals Vout unmittelbar nach einem Einschalten der Bestromung des Widerstands mit einer vorgegebenen Teststromstärke „Itest“,
S3: Erfassen eines (z. B. einzigen) dritten Werts „Vout3“ des Wandlerausgangssignals Vout in einem zeitlichen Verlauf nach dem Einschalten der Bestromung des Widerstands mit der Teststromstärke Itest,
S4: Ermitteln der Kalibrierungsparameter durch eine Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte Vout1, Vout2, Vout3 des Wandlerausgangssignals Vout, und
S5: Speichern der ermittelten Kalibrierungsparameter in der Speichereinrichtung.

In einer bevorzugten Verwendung des Kalibrierungsverfahrens wird dieses z. B. „am Bandende“ einer Serienfertigung von Stromsensoren an den einzelnen Stromsensoren durchgeführt, d.h. noch bevor der Stromsensor in seiner späteren elektrischen Installationsumgebung verbaut ist.
Beim Schritt S1 sind dann in der Regel keine besonderen Maßnahmen zur Sicherstellung der „Nichtbestromung“ des Widerstands erforderlich. Ansonsten, falls der Stromsensor bereits in einer elektrischen Installationsumgebung verbaut ist, kann die Nichtbestromung z. B. durch ein zeitweises (für die Dauer des Kalibrierungsverfahrens) Abtrennen des Widerstands von dieser elektrischen Umgebung oder z. B. durch ein elektrisches Kurzschließen der Anschlüsse des Widerstands erfolgen. Sodann kann der erste Wert Vout1 des Wandlerausgangssignals Vout z. B. ein einziges Mal erfasst werden. Alternativ können mehrere (Anzahl z. B. im Bereich von 2 bis 5) redundante erste Werte Vout1 erfasst und daraus ein einziger Wert Vout1 (z. B. Mittelwert) gebildet werden, der für die folgenden Verfahrensschritte weiter verwendet wird.
Beim Schritt S2 kann die Bestromung durch eine z. B. sprunghafte Erhöhung der Stromstärke I auf eine z. B. fest vorgegebene, gegebenenfalls einstellbare Teststromstärke „Itest“ erfolgen (Anstiegszeit z. B. maximal 100 ms, insbesondere maximal 50 ms), wobei unmittelbar danach der zweite Wert Vout2 erfasst wird. Alternativ könnten in zeitlichen Abständen voneinander (z. B. zeitlich äquidistant) auch mehrere zweite Werte Vout2 erfasst werden (Anzahl z. B. im Bereich von 2 bis 5), z. B. um daraus einen weiterzuverwendenen Mittelwert zu bilden. Dies jedoch nur, wenn alle diese Erfassungen binnen einer (sehr kurzen) Zeitspanne unmittelbar nach dem Einschalten des Teststroms erfolgen, innerhalb derer eine teststrombedingte Temperaturerhöhung des Widerstands allenfalls noch vernachlässigbar gering ist (z. B. kleiner als 5% einer maximal infolge des Teststroms erreichbaren Temperaturerhöhung). In der Praxis zumeist geeignet kann z. B. eine Zeitspanne von maximal 20 ms, insbesondere maximal 10 ms sein, innerhalb derer die eine oder mehreren Erfassungen von Werten für Vout2 abgeschlossen werden. In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Einschalten des Teststroms mittels einer (z. B. Konstant-)Stromquelle in Verbindung mit einem ansteuerbaren Schaltelement. Alternativ kann hierbei z. B. eine Stromquelle mit ansteuerbar einstellbarer Stromstärke verwendet werden.
Beim Schritt S3 kann in dem zeitlichen Verlauf nach dem Einschalten der Bestromung die Teststromstärke Itest z. B. zeitlich konstant gehalten werden und z. B. ein einziger dritter Wert Vout3 erfasst werden. Alternativ und bevorzugt werden in zeitlichen Abständen voneinander (z. B. zeitlich äquidistant) mehrere dritte Werte Vout3, Vout4, ... erfasst (Anzahl z. B. im Bereich von 2 bis 10). Dies bevorzugt so, dass diese Erfassungen über eine Zeitspanne nach dem Einschalten des Teststroms verteilt erfolgen, innerhalb derer eine teststrombedingte Temperaturerhöhung des Widerstands bereits ein nennenswertes Ausmaß erreicht (z. B. mindestens 20%, insbesondere mindestens 50% einer maximal infolge des Teststroms erreichbaren Temperaturerhöhung). In der Praxis zumeist geeignet kann z. B. eine Zeitspanne von mindestens 1 s, insbesondere mindestens 2 s sein, über die die mehreren Erfassungen von Werten für Vout3 erfolgen.
Beim Schritt S4 kann eine Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte Vout1, Vout2, Vout3 des Wandlerausgangssignals Vout unter Nutzung des betreffenden mathematisch-physikalischen Modells der Abhängigkeit des Wandlerausgangssignals Vout von der Stromstärke I erfolgen (um einen oder mehrere der Parameter des betreffenden Modells (z. B. beinhaltend Gleichung 1) zu ermitteln).
Im Beispiel gemäß Gleichung 1 kann z. B. angenommen werden, dass die A/D-Wandlung der Spannung Vout* in das Wandlerausgangssignal Vout ohne nennenswerten Fehler erfolgt (Vout entspricht Vout*), und somit die Werte der Modellparameter „Voffset“ und „K“ sich nur auf den Verstärker beziehen. Alternativ könnten diese Werte und somit das Modell jedoch auch zur Charakterisierung der Hintereinanderschaltung von Verstärker und A/D-Wandler bezogen werden. Es könnte im Schritt S4 jedoch auch z. B. ein anderes (komplizierteres) Modell bei der Auswertung zugrundegelegt werden, welches zusätzlich entsprechende Parameter des A/D-Wandlers (wie „Offset“ und/oder „Wandlungsfaktor“) enthält.
Im Beispiel wird aus dem ersten Wert Vout1 (vgl. Gleichung 1) Voffset ermittelt: Vout1 = Voffset.
Sodann kann (vgl. Gleichung 1), falls der Widerstandswert R bekannt ist, aus dem zweiten Wert Vout2 der Wert K ermittelt werden: K = (Vout2 - Voffset) / (Itest x R).
Hierbei kann der Wert R z. B. aus einer Herstellerspezifikation und/oder dem Ergebnis einer zuvor durchgeführten Messung dieses Werts bekannt sein.
Falls im Verfahren, z. B. vor oder bei dem Schritt S2, eine Ermittlung einer Temperatur T des Widerstands erfolgt, so kann für die vorerwähnte Ermittlung von K vorteilhaft auch ein für die konkret ermittelte Temperatur T genauer bestimmbarer Wert R verwendet werden.
In einer diesbezüglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Modell eine Temperaturabhängigkeit von R berücksichtigt, z. B. gemäß folgender Gleichung: $R (T) = R 0 \times (1 + alfa \times (T - T 0))$
wobei bezeichnen:
R(T) den Widerstand R des Widerstands in Abhängigkeit von einer Temperatur T des Widerstands,
alfa einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands,
R0 und T0 einen Basiswiderstand (R0) des Widerstands und die zugehörige Normaltemperatur (T0).
Hierbei können die Werte R0 und T0 und auch der Temperaturkoeffizient alfa z. B. aus einer Herstellerspezifikation und/oder dem Ergebnis einer zuvor durchgeführten Messung dieser Werte bekannt sein.
Wenn bei der Durchführung des Kalibrierungsverfahrens die Temperaturabhängigkeit von R berücksichtigt wird, sei es gemäß obiger Gleichung 2 oder gemäß eines anderen Modells für diese Temperaturabhängigkeit, so kann hierfür insbesondere z. B. eine Messung der Temperatur T des Widerstands durchgeführt werden (bevorzugt vor dem Schritt S2, z. B. während Schritt S1, und z. B. während Schritt S3) und/oder wie nachfolgend erläutert durch die Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte Vout1, Vout2, Vout3, ... diese Temperatur T anhand eines „thermischen Modells“ (vgl. z. B. Gleichung 5 weiter unten) abgeschätzt werden.
Bei der Modellierung des Widerstands R(T) kann im Rahmen der Erfindung alternativ zu Gleichung 2 auch eine andere (z. B. kompliziertere) Abhängigkeit des Widerstands R(T) von der Temperatur T berücksichtigt werden, wobei zugehörige Modellparameter (oder zumindest ein Teil derartiger Parameter) wieder aus einer Herstellerspezifikation und/oder vorheriger Messung bekannt sein können (und gegebenenfalls ein anderer Teil der Parameter z. B. durch das Kalibrierungsverfahren selbst abgeschätzt werden können).
Um während des Kalibrierverfahrens, z. B. vor oder bei dem Schritt S2 und z. B. beim Schritt S3, eine Ermittlung einer Temperatur T des Widerstands zu bewerkstelligen, kann T z. B. unmittelbar am Widerstand gemessen werden.
Alternativ oder zusätzlich kommt in Betracht, hierfür eine Temperatur „Tsens“ in einer Umgebung des Widerstands zu messen. Es ist anzumerken, dass der von einem „Umgebungstemperatursensor“ (in der Umgebung des Widerstands) gelieferter Temperaturwert Tsens jedenfalls dann relativ genau dem Temperaturwert T des Widerstands entspricht, wenn eine gewisse Zeitspanne lang vor der Temperaturmessung keine Bestromung des Widerstands erfolgte. In der Praxis kann hierfür oftmals eine Zeitspanne (ohne Bestromung) von z. B. mindestens 1 min, insbesondere mindestens 2 min, ausreichend sein.
Falls der zu kalibrierende Stromsensor (wenigstens) einen Temperatursensor aufweist, etwa zur Temperaturmessung unmittelbar am Widerstand (T) und/oder zur Umgebungstemperaturmessung (Tsens), so kann dieser für das erfindungsgemäße Kalibrierungsverfahren vorteilhaft genutzt bzw. mitgenutzt werden. Für eine Messung der Umgebungstemperatur Tsens kann ein solcher Sensor z. B. an einem Schaltungsträger (z. B. Schaltungsträgerplatte) angeordnet sein, an dem auch die übrigen, eingangs genannten Komponenten des Stromsensors (Widerstand, Verstärker, A/D-Wandler, Signalverarbeitungseinrichtung) angeordnet sind.
Durch die Erfassung des dritten Werts Vout3 kann vorteilhaft (wenigstens) ein Parameter ermittelt werden, der repräsentativ für den zeitlichen Verlauf des Wandlerausgangssignals Vout nach dem Einschalten der Bestromung mit der Teststromstärke Itest ist. Der Wert von Vout wird sich in dieser zeitlichen Phase in der Praxis verändern (z. B. vergrößern), weil der Widerstand (Shunt) sich infolge der Bestromung mit dem Teststrom erwärmen wird und somit in der Regel sich dessen Widerstandswert R (temperaturabhängig) ändert (vgl. z. B. Modell hierfür gemäß Gleichung 2).
In einer Ausführungsform, wie oben bereits erläutert, werden mehrere dritte Werte Vout3, Vout4, ... des Wandlerausgangssignals Vout im zeitlichen Verlauf nach dem Einschalten der Bestromung des Widerstands mit der Teststromstärke Itest erfasst. Vorteilhaft kann damit der (zeitabhängige) Verlauf von Vout mittels entsprechender Parameter noch genauer charakterisiert werden.
Insbesondere können die mehreren dritten Werte Vout3, Vout4, ... z. B. zumindest bis zu einem Zeitpunkt erfasst werden, zu dem das Wandlerausgangssignal Vout sich nurmehr allenfalls unwesentlich ändert. Für eine bestimmte vorgegebene Teststromstärke Itest ist dieser Zeitpunkt dann gegeben, wenn eine infolge der betreffenden Bestromung erzeugte Verlustleistung „Pin“ genauso groß ist wie ein infolge einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T des Widerstands und der Temperatur Tsens der Umgebung des Widerstands resultierende Wärmeabgabeleistung „Pout“.
Für die elektrische Verlustleistung Pin gilt hierbei:

- allgemein: $Pin = I^{2} \times R$
- bzw. bei Bestromung mit Teststromstärke: Pin = Itest² × R

Für die Wärmeabgabeleistung Pout gilt, falls bei der Wärmeabgabe z. B. eine Wärmeleitung dominiert, in guter Näherung: $Pout = W \times (T - Tsens)$
wobei bezeichnen:
W den Wärmeleitwert des Widerstands (zur Umgebung hin),
T die Temperatur des Widerstands,
Tsens die Umgebungstemperatur.
Insbesondere wenn im Rahmen der Auswertung unter Verwendung der erfassten dritten Werte Vout3, Vout4, ... ein stationärer Endwert „Voutend“ des Wandlerausgangssignals Vout abgeschätzt oder bestimmt wird, so lässt sich unter Verwendung dieses Endwerts Voutend wiederum vorteilhaft z. B. der vorerwähnte Wärmeleitwert W bestimmen (oder ein anderer, die Wärmeabgabeleistung Pout des Widerstands charakterisierender Parameter, wie z. B. eine für das Ausführungsbeispiel von 2 beschreibene Zeitkonstante „PT“).
Dies ist vor allem deshalb von großem Vorteil, weil dann durch die Auswertung wenigstens ein Kalibrierungsparameter bestimmt und im Stromsensor gespeichert werden kann (z. B. der Parameter W als solcher, oder ein daraus abgeleiteter Parameter), mittels welchem im späteren Betrieb des (kalibrierten) Stromsensors unabhängig von einer dann ebenfalls möglichen Messung der Widerstandstemperatur T (zwecks Berücksichtigung gemäß Gleichung 1 bzw. dem betreffenden Modell) auch eine Ermittlung durch Abschätzung der Temperatur T anhand des zeitlichen Verlaufs (Historie) der Strommessung, also z. B. anhand des Signals Vout oder des Signals OUT ermöglicht wird. Vorteilhaft kann und sollte für eine solche Ermittlung der Temperatur T im Sensorbetrieb auch die (zeitaufgelöst) erfasste Umgebungstemperatur Tsens herangezogen werden, falls verfügbar (vgl. Gleichung 5).
Unter Zugrundelegung der für die Wärmeabgabe beispielhaft angegebenen Gleichung 4 kann ein Modell der thermischen bzw. dynamischen Effekte vorgesehen werden, beispielsweise gemäß folgender Gleichung: $Cp \times dT/dt = I^{2} \times R - W \times (T - Tsens)$
wobei bezeichnen:
Cp die Wärmekapazität des Widerstands,
T die Temperatur des Widerstands,
t die Zeit
I die Stromstärke des Stroms durch den Widerstand,
R den Widerstand (Widerstandswert) des Widerstands,
W den Wärmeleitwert des Widerstands,
Tsens die Umgebungstemperatur.
Hierbei kann der Wert Cp z. B. aus einer Herstellerspezifikation und/oder dem Ergebnis einer zuvor durchgeführten Messung dieses Werts bekannt sein.
Wie vorstehend bereits erläutert kann ein Modell für eine Modellierung der Temperatur T des Widerstands abhängig vom Strom I und abhängig von der aktuell gemessenen Temperatur Tsens genutzt werden. Damit können thermische bzw. dynamische Effekte, die auf Variationen der Temperatur des Widerstands beruhen, berücksichtigt werden, und zwar im Kalibrierungsverfahren und/oder im späteren Betrieb des Stromsensors.
Zur Berücksichtigung einer im Stromsensor gemessenen Temperatur Tsens im Kalibrierungsverfahren (im Schritt S4) bzw. durch die Kalibrierungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass in einem oder mehreren der Schritte S1 bis S3 eine Erfassung des Messwerts von Tsens erfolgt und entsprechende Temperaturdaten (bis zur Durchführung des Schritts S4) zwischengespeichert werden. Bei der Kalibrierungsvorrichtung kann hierzu vorgesehen sein, dass deren mit dem Stromsensor verbindbare Schnittstelleneinrichtung zusätzlich zur Übertragung dieser Messwerte bzw. Temperaturdaten vom Stromsensor zur Kalibrierungsvorrichtung verwendet wird.
Beim Schritt S4 werden basierend auf dem Ergebnis der Auswertung der in den Schritten S1 bis S3 erfassten ersten, zweiten und dritten Werte Vout1, Vout2, Vout3, ... des Wandlerausgangssignals Vout die Kalibrierungsparameter ermittelt.
Wie oben bereits erläutert, können bei der Auswertung im Schritt S4 insbesondere z. B. die im beispielhaften Modell gemäß Gleichung 1 vorkommenden Werte von „Voffset“ und/oder „K“ ermittelt werden. Diese Parameter Voffset und K als solche (und ggf. ferner einer oder mehrere der Parameter R0, T0, alfa, W, PT) oder daraus abgeleitete Parameter, können dann als die im Schritt S4 ermittelten Kalibrierungsparameter vorgesehen sein, so dass im späteren Betrieb des Stromsensors das Sensorausgangssignal OUT beispielsweise möglichst genau proportional zur Stromstärke I ist.
Alternativ oder zusätzlich kann im Schritt S4 z. B. auch der in Gleichung 1 vorkommende Wert von „R“ ermittelt werden, beispielsweise wenn der Verstärkungsfaktor K bereits z. B. aus einer Herstellerspezifikation und/oder dem Ergebnis einer zuvor durchgeführten Messung bekannt ist. In diesem Fall kann (vgl. Gleichung 1) aus den erfassten Werten Vout1, Vout2 der Verstärkungsfaktor K bestimmt werden.
Auch kann bei der Auswertung im Schritt S4 der Wert von „R“ ermittelt werden, wenn z. B. aus Herstellerspezifikation und/oder Ergebnis einer Messung, (wenigstens) ein Wertepaar „R0, T0“ (Basiswiderstandswert R0 und zugehöriger Normaltemperaturwert) und der Temperaturkoeffizient „alfa“ des Widerstands bekannt sind, und beim Kalibrierungsverfahren eine Messung der Widerstandstemperatur T durchgeführt wird. Anstatt einer Messung von T während des Kalibrierungsverfahrens (insbesondere z. B. während Schritt S1 und/oder während Schritt S3) kommt auch eine Abschätzung von T mittels eines Modells und z. B. einer Messung (z. B. während Schritt S1 und/oder während Schritt S3) der Umgebungstemperatur Tsens in Betracht.
Zur genaueren Bestimmung und/oder Charakterisierung des Widerstands ist es bevorzugt, dass im Schritt S4 (wenigstens) ein Wertepaar „R0, T0“ (Basiswiderstandswert R0 und zugehöriger Normaltemperaturwert) verwendet oder ermittelt wird, etwa um bei einer Nutzung des „thermische Modells“ (vgl. Gleichung 5) die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts R zu berücksichtigen.
Die Parameter R0, T0 (samt zugehörigem Parameter alfa) als solche, oder daraus abgeleitete Parameter, können dann als im Schritt S4 ermittelte Kalibrierungsparameter vorgesehen sein, so dass im späteren Betrieb des Stromsensors vorteilhaft die Temperaturabhängigkeit des Werts „R“ berücksichtigt werden kann (um das Sensorausgangssignal OUT z. B. möglichst genau proportional zur Stromstärke I vorzusehen).
Die Nutzung des thermischen Modells basierend auf Gleichung 5 kann z. B. ein numerisches Lösen des durch die Gleichungen 1, 2 und 5 definierten Differentialgleichungssystems mit geeigneten Rand- bzw. Anfangsbedingungen (z. B. Startwerte von T und Tsens zu Beginn eines Modellierungszeitraums) beinhalten. Analoges gilt für andere (z. B. kompliziertere) Modelle, die im Rahmen der Erfindung (anstelle der Gleichungen 1, 2 und 5) vorgesehen sein können.
Diese Modellierung während des Kalibrierungsverfahrens kann dazu genutzt werden, zunächst unbekannte Parameter im Modell zu bestimmen, etwa durch eine Anpassungsrechnung (z. B. mit „Least Square Fit“), um die so ermittelten (angepassten) Parameter (z. B. „W“ und/oder „Cp“), oder daraus abgeleitete Parameter, als im Schritt S4 ermittelte Kalibrierungsparameter vorzusehen.
Die gleiche Modellierung kann während des späteren Betriebs des Stromsensors vorgesehen sein und z. B. insbesondere dazu genutzt werden, um aus den zeitabhängigen Werten von Vout und/oder OUT sowie Tsens durch die Anpassungsrechnung (z. B. mit „Least Square Fit“) die aktuelle (zeitabhängige) Temperatur T des Widerstands zu bestimmen. Diese Temperatur T kann dann im Betrieb des Stromsensors gemäß der Gleichungen 1 und 2 berücksichtigt werden, so dass im Sensorbetrieb das Ausgangssignal OUT die gewünschte Abhängigkeit von I zeigt, also z. B. möglichst genau proportional zur Stromstärke I ist.
Mit dem Schritt S5 des Kalibrierungsverfahrens erfolgt das Speichern bzw. Aktualisieren (im Falle einer „Nachkalibrierung) der im Schritt S4 ermittelten Kalibrierungsparameter in der Speichereinrichtung der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung des Stromsensors, und das Kalibrierungsverfahren ist beendet.
Im Betrieb des so kalibrierten Stromsensors kann die von der Signalverarbeitungseinrichtung durchgeführte Wandlung des Wandlerausgangssignal Vout in das Ausgangssignal OUT vorteilhaft z. B. durch ein Steuerprogramm gesteuert werden, welches z. B. in der gleichen Speichereinrichtung wie die Kalibrierungsparameter gespeichert ist. Alternativ dazu kann hierfür jedoch auch eine separate Speichereinrichtung vorgesehen sein. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann eine digitale Recheneinrichtung sowie (wenigstens) eine Speichereinrichtung aufweisen und z. B. als ein Mikrocontroller implementiert sein.
Die gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung vorgesehene Vorrichtung zum Kalibrieren eines Stromsensors der hier beschriebenen Art weist auf:

- eine mit dem Stromsensor verbindbare Schnittstelleneinrichtung,
- eine ansteuerbare Stromquelle zum Bestromen des Widerstands des Stromsensors über die Schnittstelleneinrichtung,
- eine ansteuerbare (z. B. zumindest ein- und ausschaltbare) Erfassungseinrichtung zum Erfassen des digitalen Wandlerausgangssignals des Stromsensors über die Schnittstelleneinrichtung, und
- eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Stromquelle und der Erfassungseinrichtung und zum Ermitteln von Kalibrierungsparametern durch eine Auswertung des mittels der Erfassungseinrichtung erfassten Wandlerausgangssignals,

Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, und umgekehrt.
Die Schnittstelleneinrichtung der Vorrichtung weist zumindest für das Bestromen des Widerstands des Stromsensors einen elektrischen Schnittstellenteil, z. B. einen zweipoligen elektrischen Anschluss (z. B. Steckverbinder oder dergleichen) auf.
Für das Erfassen des digitalen Wandlerausgangssignals „Vout“ des Stromsensors und für das Speichern (Übertragen) der ermittelten Kalibrierungsparameter in die Speichereinrichtung des Stromsensors kann die Schnittstelleneinrichtung ebenfalls einen elektrischen Schnittstellenteil aufweisen (z. B. Steckverbinder oder dergleichen, z. B. zur Digitaldatenübertragung). Alternativ könnte die Schnittstelleneinrichtung hierfür jedoch auch einen zur drahtlosen Datenübertragung ausgebildeten Schnittstellenteil aufweisen.
Die ansteuerbare Stromquelle der Kalibrierungsvorrichtung sollte die Bestromung des Widerstands mit wenigstens einer bestimmten und möglichst präzise definierten Teststromstärke „Itest“ bewerkstelligen können. In einer Ausführungsform ist diese Teststromstärke (z. B. durch eine Benutzereingabe) einstellbar, z. B. in Stufen oder aber stufenlos.
Die ansteuerbare Erfassungseinrichtung zum Erfassen des digitalen Wandlerausgangssignals Vout des Stromsensors kann z. B. als ein funktionaler Bestandteil der Steuereinrichtung implementiert sein, welche auch zur Ansteuerung der Stromquelle dient. Alternativ kann jedoch z. B. auch eine separat von der Steuereinrichtung implementierte, jedoch kommunikativ mit der Steuereinrichtung verbundene Erfassungseinrichtung (z. B. aufweisend eine Digitaldatenschnittstelle gemäß eines Datenbusstandards) vorgesehen sein.
Die Steuereinrichtung zum Ansteuern der Stromquelle und der besagten Erfassungseinrichtung (welche einen funktionalen Bestandteil der Steuereinrichtung darstellen kann) und zum Ermitteln von Kalibrierungsparametern kann als eine programmgesteuerte digitale Datenverarbeitungseinrichtung (z. Mikrocontroller oder dergleichen) implementiert sein.
Die Steuereinrichtung kann z. B. eine Recheneinrichtung und eine zugehörige Speichereinrichtung zum Speichern von Daten sowie eines den Betrieb der Recheneinrichtung steuernden Programms aufweisen.
Die Steuereinrichtung kann basierend auf einem durch das Steuerprogramm vorgegebenen Auswertealgorithmus das von der Erfassungseinrichtung erfasste Wandlerausgangssignal Vout (insbesondere desse Werte Vout1, Vout2 und Vout3) auswerten, um basierend auf dem Ergebnis der Auswertung die Kalibrierungsparameter zu ermitteln und deren Übertragung über die Schnittstelleneinrichtung in die Speichereinrichtung des Stromsensors zu bewirken.
Die Steuereinrichtung bzw. das betreffende Steuerprogramm ist hierbei dazu ausgebildet, ein Kalibrierungsverfahren der oben bereits beschriebenen Art auszuführen, um damit einen mit der Kalibrierungsvorrichtung verbundenen Stromsensor zu kalibrieren.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Kalibrierungsvorrichtung als ein tragbares Gerät ausgebildet oder umfasst zumindest ein tragbares Gerät, welches zumindest die Schnittstelleneinrichtung der Kalibrierungsvorrichtung aufweist, so dass ein Benutzer das Gerät zwecks Kalibrierung eines Stromsensors an demselben anschließen kann.
In einer anderen Ausführungsvariante ist die Kalibrierungsvorrichtung als ein „Werkzeugeinsatz“ ausgebildet oder umfasst zumindest einen solchen Werkzeugeinsatz, der zumindest die Schnittstelleneinrichtung der Kalibrierungsvorrichtung aufweist, so dass ein automatisiertes Werkzeug wie z. B. ein Roboter oder dergleichen den Werkzeugeinsatz zwecks Kalibrierung eines Stromsensors an demselben anschließen kann.
Für beide Ausführungsvarianten ist gemäß einer bevorzugten Verwendung des Kalibrierungsverfahrens bzw. der Kalibrierungsvorrichtung vorgesehen, dass die Kalibrierung am Ende einer Fertigungsstrecke (z. B. zur Serienfertigung) von Stromsensoren der hier beschriebenen Art erfolgt, oder jedenfalls vor einem Einbau derartiger Stromsensoren in deren Verwendungsumgebung (z. B. in einem Fahrzeug) erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Verwendung des Kalibrierungsverfahrens bzw. der Kalibrierungsvorrichtung ist vorgesehen, dass damit ein Stromsensor kalibriert wird, der zur Messung eines Stroms vorgesehen ist, dessen Stromstärke betriebsmäßig Werte von mehr als 100 A annehmen kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die bei der Kalibrierung vorgesehene Teststromstärke mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, einer für den zu messenden Strom betriebsmäßig vorgesehenen Maximalstromstärke. Andererseits ist es zumeist ausreichend und sinnvoll, wenn die Teststromstärke maximal 100% der betriebsmäßig vorgesehenen Maximalstromstärke beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Verwendung des Kalibrierungsverfahrens bzw. der Kalibrierungsvorrichtung ist vorgesehen, dass damit ein Stromsensor kalibriert wird, der zur Messung eines Stroms einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (z. B. Batterie bzw. Akkumulator) an Bord eines Fahrzeuges vorgesehen ist (sei es beim Laden oder beim Entladen der Energiespeichereinrichtung). Insbesondere kann es sich dabei um eine Energiespeichereinrichtung handeln, aus welcher eine elektrische Antriebseinrichtung des betreffenden Fahrzeuges versorgt wird (z. B. elektrisch betriebenes Straßenkraftfahrzeug).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:

1 ein Blockschaltbild eines Stromsensors mitsamt daran zwecks Kalibrierung des Stromsensors angeschlossener Kalibrierungsvorrichtung,
2 beispielhafte zeitliche Verläufe einer Stromstärke sowie eines Wandlerausgangssignals des Stromsensors während eines mittels der Kalibrierungsvorrichtung durchgeführten Kalibrierungsverfahrens, und
3 ein Ablaufdiagramm des Kalibrierungsverfahrens.

1 zeigt einen Stromsensor 10 sowie eine Vorrichtung 100 zum Kalibrieren des Stromsensors 10 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der Stromsensor 10 weist einen mit einem zu messenden Strom I bestrombaren Widerstand 20 („Shunt“) mit einem Widerstandswert „R“ auf, so dass eine infolge einer Bestromung des Widerstands 20 daran abfallende Spannung „V“ sich zu V = R x I ergibt.
Der Stromsensor 10 weist ferner einen Verstärker 30 zum Verstärken der am Widerstand 20, zwischen dessen Anschlüssen 21, 22, abfallenden Spannung V und Ausgeben eines entsprechenden analogen Verstärkerausgangssignals Vout* auf. Im dargestellten Beispiel erfolgt eine Spannungsverstärkung mit einem fest vorgegebenen Verstärkungsfaktor „K“. Der Verstärker 30 ist hierfür z. B. (nicht dargestellt) als zur Spannungsverstärkung entsprechend beschalteter Operationsverstärker implementiert.
Der Stromsensor 10 weist ferner einen A/D-Wandler 40 zum Wandeln des analogen Verstärkerausgangssignals Vout* in ein dementsprechendes digitales Wandlerausgangssignal Vout auf, d.h. der „digitale Wert“ von Vout entspricht dem Wert der Spannung Vout*: Vout ≙ Vout*.
Der Stromsensor 10 weist ferner eine Signalverarbeitungseinrichtung 50 (z. B. Mikrocontroller) auf, die im dargestellten Beispiel eine digitale Recheneinrichtung 52 und eine digitale Speichereinrichtung 54 aufweist. In der Speichereinrichtung 54 ist ein den Betrieb der Signalverarbeitungseinrichtung 50 steuerndes Verarbeitungsprogramm gespeichert, mittels welchem das Wandlerausgangssignal Vout in ein für den elektrischen Strom I repräsentatives (z. B. proportionales) Ausgangssignal OUT des Stromsensors 10 verarbeitet wird. Im dargestellten Beispiel soll der „digitale Wert“ von OUT dem Wert von I entsprechen: OUT ≙ I.
Unter der hypothetischen Annahme („Idealfall“), dass der Widerstandswert R unveränderlich und bekannt ist und dass der Verstärker 30 offsetfrei und mit unveränderlichem und bekanntem Verstärkungsfaktor K arbeitet, so wäre bereits das Wandlerausgangssignal Vout repräsentativ für den elektrischen Strom I:
Vout ≙ Vout* ≙ I, da Vout* = I × R × K.
Dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall. Im dargestellten Beispiel wird z. B. vielmehr insbesondere angenommen, dass der Widerstandswert R von einer Temperatur T des Widerstands 20 abhängt, und dass der Verstärker 30 einen Ausgangsoffset „Voffset“ und einen Verstärkungsfaktor K besitzt, wobei die genauen Werte dieser letzteren Kenngrößen Voffset und K aufgrund von Herstellungstoleranzen nicht genau bekannt sind. In diesem Fall gilt:
Vout = I x R(T) x K + Voffset mit einem von der Temperatur T abhängenden Widerstandswert R und einer Offsetspannung Voffset.
Das gemäß der Erfindung vorgesehene Kalibrierungsverfahren, das im Beispiel mittels der Kalibrierungsvorrichtung 100 ausgeführt wird, dient dazu, „Kalibrierungsparameter“ zu ermitteln und in der Speichereinrichtung 54 des Stromsensors 10 einzuspeichern (bzw. durch eine Nachkalibrierung zu aktualisieren).
Vorteilhaft ermöglicht dies, dass im späteren Betrieb des Stromsensors 10 die Signalverarbeitungseinrichtung 50 des Stromsensors 10 unter Verwendung der gespeicherten Kalibrierungsparameter das (fehlerbehaftete) digitale Wandlerausgangssignal Vout in ein „korrektes“ Sensorausgangssignal OUT „umrechnen“ kann.
Es versteht sich, dass als Kalibrierungsparameter im Rahmen der Erfindung insbesondere durch das Kalibrierungsverfahren ermittelte Werte taugen, welche die Eigenschaften des Widerstands 20 (z. B. Widerstandswert R und/oder Basiswiderstand und zugehörige Normaltemperatur und/oder Temperaturkoeffizient, etc.) und/oder die Eigenschaften des Verstärkers 30, ggf. unter Mitberücksichtigung des A/D-Wandlers 40 (z. B. Offsetspannung Voffset und/oder Verstärkungsfaktor K, etc.) quantitativ spezifizieren. Alternativ oder zusätzlich können als Kalibrierungsparameter im Rahmen der Erfindung jedoch auch aus solchen ermittelten Werten mathematisch abgeleitete Parameter vorgesehen sein (welche aus mathematischer Sicht gleichwertig für die Errechnung des korrekten Ausgangssignals OUT des Stromsensors taugen).
Im dargestellten Beispiel weist der Stromsensor 10 des Weiteren einen Umgebungstemperatursensor 60 auf, mittels welchem eine Temperatur „Tsens“ in einer Umgebung des Widerstands 20 gemessen werden kann. Der Sensor 60 ist z. B. an einer Schaltungsträgerplatte angeordnet, welche auch den Widerstand 20, den Verstärker 30, den A/D-Wandler 40 und die Signalverarbeitungseinrichtung 50 trägt. Insbesondere die Komponenten 40 und 50 (und/oder 30) können hierbei z. B. in einer gemeinsamen integrierten Schaltung, z. B. einem ASIC-Baustein zusammengefasst implementiert sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird im Betrieb des (kalibrierten) Stromsensors 10 die mittels des Temperatursensors 60 erfasste Umgebungstemperatur Tsens von der Signalverarbeitungseinrichtung 50 dazu genutzt, bei der Erzeugung des Sensorausgangssignals OUT eine Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts R zu berücksichtigen (zu kompensieren), etwa durch Abschätzung (Modellierung) von T basierend auf der Messung von Tsens. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird der Sensor 60 zusätzlich während des Kalibrierungsverfahrens (von der Vorrichtung 100) genutzt.
Die Vorrichtung 100 zur Kalibrierung des Stromsensors 10 weist eine mit dem Stromsensor 10 verbindbare Schnittstelleneinrichtung auf, die im dargestellten Beispiel von Schnittstellenteilen 110, 120 und 130 jeweils in Form von elektrischen Anschlüssen gebildet ist. Die Schnittstelleneinrichtung kann z. B. durch einen oder mehrere Steckverbinder oder dergleichen implementiert sein.
Die Vorrichtung 100 weist ferner eine ansteuerbare Stromquelle 140 auf, mittels welcher über den Schnittstellenteil 110 der Widerstand 20 des Stromsensors 10 mit einer präzise vorgebbaren Stromstärke bestromt werden kann.
Die Vorrichtung 100 weist ferner eine ansteuerbare Erfassungseinrichtung 150 auf, mittels welcher über den Schnittstellenteil 120 das digitale Wandlerausgangssignal Vout des Stromsensors 10 erfasst werden kann.
Die Vorrichtung 100 weist ferner eine als eine programmgesteuerte Einrichtung (z. B. Mikrocontroller) ausgebildete Steuereinrichtung 160 auf, mittels welcher bei der Durchführung des Kalibrierungsverfahrens zum einen die Stromquelle 140 und die Erfassungseinrichtung 150 angesteuert werden und zum anderen die Kalibrierungsparameter durch eine Auswertung des mittels der Erfassungseinrichtung 150 erfassten Wandlerausgangssignals Vout ermittelt werden. Am Ende des Kalibrierungsverfahrens bewirkt die Steuereinrichtung 160 eine Übertragung der ermittelten Kalibrierungsparameter über den Schnittstellenteil 130, um die Kalibrierungsparameter in der Speichereinrichtung 54 des Stromsensors 10 zu speichern. Das von der Vorrichtung 100 ausgeführte Kalibrierungsverfahren ist durch ein in einer Speichereinrichtung der Steuereinrichtung 160 gespeichertes Kalibrierungsprogramm vorgegeben.
In einer Ausführungsform ist der Schnittstellenteil 130 zur bidirektionalen Datenübetragung ausgebildet, so dass hierüber während des Kalibrierungsverfahrens insbesondere z. B. auch eine Übertragung des von dem Temperatursensor 60 gemessenen Werts Tsens erfolgen kann, um entsprechende Temperaturdaten bei der Auswertung im Schritt S4 des Kalibrierungsverfahrens berücksichtigen zu können.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Kalibrierungsverfahrens, welches folgende Schritte aufweist

Schritt S1: Erfassen (wenigstens) eines ersten Werts Vout1 des Wandlerausgangssignals Vout bei nicht bestromtem Widerstand 20.
Schritt S2: Erfassen (wenigstens) eines zweiten Werts Vout2 des Wandlerausgangssignals Vout unmittelbar nach einem Einschalten der Bestromung des Widerstands 20 mit einer vorgegebenen Teststromstärke Itest.
Schritt S3: Erfassen (wenigstens) eines dritten Werts Vout3 des Wandlerausgangssignals Vout in einem zeitlichen Verlauf nach dem Einschalten der Bestromung des Widerstands 20 mit der Teststromstärke Itest.
Schritt S4: Ermitteln der Kalibrierungsparameter durch eine Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte Vout1, Vout2, Vout3 des Wandlerausgangssignals Vout.
Schritt S5: Speichern der ermittelten Kalibrierungsparameter in der Speichereinrichtung 54.

2 zeigt im oberen Teil beispielhaft einen zeitlichen Verlauf einer bei einem Kalibrierungsverfahren mittels der Stromquelle 140 bewirkten Stromstärke I, angesteuert mittels der Steuereinrichtung 160 der Kalibrierungsvorrichtung 100. Im unteren Teil von 2 ist beispielhaft der zeitliche Verlauf des sich infolge dieser Bestromung ergebenden Wandlerausgangssignals Vout gezeigt.
Im Beispiel beginnt das Kalibrierungsverfahren mit dem Schritt S1 zu einem Zeitpunkt t1, zu dem die Steuereinrichtung 160 die Stromquelle 140 so ansteuert, dass kein Strom durch den Widerstand 20 fließt (I = 0). Daraufhin steuert die Steuereinrichtung 160 die Erfassungseinrichtung 150 an, um den ersten Wert Vout1 des Wandlerausgangssignals Vout zu erfassen, und speichert diesen für die spätere Verarbeitung (Schritt S4) in der Speichereinrichtung 162. In 2 ist diese Erfassung mit einem Punkt symbolisiert.
Der Schritt S2 wird zu einem Zeitpunkt t2 durchgeführt. Die Steuereinrichtung 160 steuert die Stromquelle 140 so an, dass der Strom I sprunghaft auf einen Wert der z. B. durch einen Benutzer vorgebbaren Teststromstärke Itest ansteigt. Im Beispiel von 2 gilt: Itest = 500 A. Daraufhin steuert die Steuereinrichtung 160 die Erfassungseinrichtung 150 an, um den zweiten Wert Vout2 des Wandlerausgangssignals Vout zu erfassen, und speichert auch diesen für die spätere Verarbeitung. In 2 ist diese Erfassung mit einem Punkt symbolisiert.
Der Schritt S3 beginnt z. B. unmittelbar nach dem Zeitpunkt t2 und kann z. B. bis zum eingezeichneten Zeitpunkt t3 andauern (oder z. B. kürzer vorgesehen sein). Die Steuereinrichtung 160 steuert die Stromquelle 140 im dargestellten Beispiel im Schritt S3 weiterhin so an, dass I = Itest gilt. Außerdem steuert die Steuereinrichtung 160 die Erfassungseinrichtung 150 an, um beginnend kurz nach t2 den dritten Wert Vout3 des Signals Vout zu erfassen, und im Beispiel sodann zu von dem Kalibrierungsprogramm vorgegebenen Zeitpunkten noch „weitere dritte Werte“ Vout4, ... zu erfassen. Auch die mehreren dritten Werte Vout3, Vout4, ... werden für die späteren Verarbeitungsschritte in der Steuereinrichtung 160 zwischengespeichert. In 2 sind beispielhaft fünf dieser (nach dem Zeitpunkt t2 stattfindenden) Einzelerfassungen jeweils mit einem Punkt symbolisiert. Im Beispiel erfolgen die Einzelerfassungen zeitäquidistant.
Die Erfassung im Schritt S3 dient zur (nachfolgenden) Ermittlung eines oder mehrerer Parameter zur Charakterisierung des zeitlichen Verlaufs des Wandlerausgangssignals Vout in der dem Zeitpunkt t2 unmittelbar nachfolgenden Zeitspanne (im Schritt S4).
Wie aus 2 ersichtlich, vergrößert sich im dargestellten Beispiel der Wert von Vout in dieser Phase (nach t2), weil der Widerstand 20 sich infolge der Bestromung (hier: I = Itest) erwärmt und somit der Widerstandswert R (temperaturabhängig) ansteigt, was bei gleichbleibender Bestromung den Spannungsabfall V und dementsprechend den Wert von Vout vergrößert. Bei dauerhafter Bestromumg mit I = Itest würde das Wandlerausgangssignal Vout asymptotisch bis auf einen in 2 mit „Voutend“ bezeichneten stationären Endwert ansteigen.
In einer Ausführungsform wird als Parameter, der den zeitlichen Verlauf von Vout ab dem Zeitpunkt t2 charakterisiert, anhand des zweiten Werts Vout2 und des oder der mehreren dritten Werte Vout3, ... insbesondere eine in 2 eingezeichnete Zeitkonstante „PT“ ermittelt, die den zeitlichen Abstand zwischen einerseits dem Zeitpunkt t2 und andererseits demjenigen Zeitpunkt angibt, bei dem eine lineare Fortsetzung des Verlaufes von Vout unmittelbar nach t2 den Endwert Voutend erreichen würde.
Alternativ oder zusätzlich zur Ermittlung der vorerwähnten Zeitkonstante PT kann (im Schritt S4) z. B. die Steigung der zeitabhängigen Kurve Vout(t) im Bereich unmittelbar nach t2 als ein den zeitlichen Verlauf von Vout charakterisierender Parameter ermittelt werden, z. B. als (Vout3 - Vout2) dividiert durch den zeitlichen Abstand der Erfassungen von Vout 2 und Vout3.
Aus der mit dem Schritt S3 ermittelten zeitabhängigen Kurve Vout(t) kann im Schritt S4 in Kenntnis von Itest(t) (z. B. konstant) eine zeitabhängige Kurve R(t) errechnet werden. Anhand eines Modells der Temperaturabhängigkeit von R (vgl. z. B. Gleichung 2) kann die zeitabhängige Kurve R(t) ggf. weiter in eine zeitabhängigen Kurve T(t) umgerechnet werden.
Es versteht sich, dass (im Schritt S4) der zeitliche Verlauf von Vout ab dem Zeitpunkt t2 umso genauer und zuverlässiger charakterisiert werden kann, je mehr einzelne Datenpunkte (Erfassungen von dritten Werten Vout3, ... und zugehörige Erfassungszeitpunkte, und ggf. zugehörige Temperaturwerte T und/oder Tsens) im Schritt S3 durchgeführt werden.
Der Schritt S3 kann mit Abschluss der letzten Einzelerfassung der mehreren dritten Werte Vout3, ... beendet werden. Wenn im dargestellten Beispiel der Schritt S3 z. B. bis zum Zeitpunkt t3 durchgeführt wird, so ändert sich das Wandlerausgangssignal Vout zu diesem Zeitpunkt (t3) nurmehr allenfalls unwesentlich, d.h. hat bereits fast den stationären Endwert Voutend erreicht. Anhand der im Schritt S3 ermittelten dritten Werte Vout3, ... kann (im Schritt S4) z. B. eine sehr genaue Abschätzung des Werts Voutend erfolgen.
Beispielsweise um die Kalibrierungszeit zu verkürzen, kann jedoch der Schritt S3 auch schon früher beendet werden, beispielsweise nach Abschluss der in 2 durch die fünf Punkte symbolisierten fünf Einzelerfassungen von dritten Werten Vout3, .... In diesem Fall kann im Rahmen der Auswertung z. B. der weitere Verlauf unter Verwendung eines Modells abgeschätzt werden, z. B. um Parameter wie PT und/oder Voutend zu ermitteln. Mit Beendigung der Erfassung von dritten Werten Vout3, ... kann auch die Bestromung beendet werden.
Im Schritt S4, der z. B. unmittelbar nach dem Ende von Schritt S3 beginnen kann, bewirkt die Steuereinrichtung 160 im Beispiel ein Abschalten der Stromquelle 140, so dass der Strom wieder auf I = 0 absinkt. Jedenfalls wertet die Steuereinrichtung 160 im Schritt S4 alle (in den Schritten S1 bis S3) erfassten ersten, zweiten und dritten Werte Vout1, Vout2, Vout3, ... des Wandlerausgangssignals Vout (und ggf. in der Phase der Schritte S1 bis S3 erfasste Temperaturdaten T und/oder Tsens) gemäß eines Auswertealgorithmus aus, der durch das in der Steuereinrichtung 160 gespeicherte Kalibrierungsprogramm definiert ist, um entsprechend dem Ergebnis dieser Auswertung die Kalibrierungsparameter zu ermitteln und z. B. (bis zum Beginn des Schritts S5) zwischenzuspeichern.
Im Schritt S5, der z. B. unmittelbar dem Schritt S4 folgt, bewirkt die Steuereinrichtung 160 ein Speichern der im Schritt S4 ermittelten Kalibrierungsparameter in der Speichereinrichtung (54) des Stromsensors 10, indem über den Schnittstellenteil 130 eine entsprechnde Datenübertragung durchgeführt wird. Damit ist das Verfahren zum Kalibrierung des Stromsensors 10 beendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 111077489 A [0007]
CN 104297710 A [0007]
US 8718964 B2 [0007]

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines Stromsensors (10), wobei der Stromsensor (10) aufweist: - einen mit einem zu messenden Strom (I) bestrombaren Widerstand (20), - einen Verstärker (30) zum Verstärken einer infolge einer Bestromung des Widerstands (20) am Widerstand (20) abfallenden Spannung (V) mit einem Verstärkungsfaktor (K), und zum Ausgeben eines entsprechenden analogen Verstärkerausgangssignals (Vout*), - einen A/D-Wandler (40) zum Wandeln des analogen Verstärkerausgangssignals (Vout*) in ein dementsprechendes digitales Wandlerausgangssignal (Vout), - eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung (50) zum Verarbeiten des Wandlerausgangssignals (Vout) unter Verwendung von in einer Speichereinrichtung (54) der Signalverarbeitungseinrichtung (50) gespeicherten Kalibrierungsparametern zu einem für den elektrischen Strom (I) repräsentativen Ausgangssignal (OUT) des Stromsensors (10), und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Erfassen (S1) eines ersten Werts (Vout1) des Wandlerausgangssignals (Vout) bei nicht bestromtem Widerstand (20), - Erfassen (S2) eines zweiten Werts (Vout2) des Wandlerausgangssignals (Vout) unmittelbar nach einem Einschalten der Bestromung des Widerstands (20) mit einer vorgegebenen Teststromstärke (Itest), - Erfassen (S3) eines dritten Werts (Vout3, Vout4, ...) des Wandlerausgangssignals (Vout) in einem zeitlichen Verlauf nach dem Einschalten der Bestromung des Widerstands (20) mit der Teststromstärke (Itest), - Ermitteln (S4) der Kalibrierungsparameter durch eine Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte (Vout1, Vout2, Vout3, ...) des Wandlerausgangssignals (Vout), - Speichern (S5) der ermittelten Kalibrierungsparameter in der Speichereinrichtung (54).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehrere dritte Werte (Vout3, Vout4, ...) des Wandlerausgangssignals (Vout) im zeitlichen Verlauf nach dem Einschalten der Bestromung des Widerstands (20) mit der Teststromstärke (Itest) erfasst werden, insbesondere wobei diese Werte (Vout3, Vout4, ...) zumindest bis zu einem Zeitpunkt (t3) erfasst werden, zu dem das Wandlerausgangssignal (Vout) sich nurmehr allenfalls unwesentlich ändert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte (Vout1, Vout2, Vout3, ...) des Wandlerausgangssignals (Vout) ein Modell für den Wert des Wandlerausgangssignals (Vout) gemäß folgender Gleichung zugrundeliegt: $Vout = I \times R \times K + Voffset$
wobei bezeichnen: Vout den Wert des Wandlerausgangssignals (Vout), I die Stromstärke des Stroms (I), R den Widerstand des Widerstands (20), K den Verstärkungsfaktor (K) des Verstärkers (30), Voffset eine Offsetspannung des Verstärkers (30).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Modell eine Temperaturabhängigkeit des Widerstands R berücksichtigt, beispielsweise gemäß der Gleichung $R (T) = R 0 \times (1 + alfa \times (T - T 0))$
wobei bezeichnen: R(T) den Widerstand R des Widerstands (20) in Abhängigkeit von einer Temperatur T des Widerstands (20), alfa einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (20), R0 und T0 einen Basiswiderstand (R0) des Widerstands (20) und die zugehörige Normaltemperatur (T0), und wobei für diese Berücksichtigung - eine Messung der Temperatur T des Widerstands (20) und/oder einer Umgebungstemperatur (Tsens) durchgeführt wird, und/oder - durch die Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte (Vout1, Vout2, Vout3, ...) eine Abschätzung der Temperatur T des Widerstands (20) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei beim Ermitteln (S4) der Kalibrierungsparameter durch die Auswertung der erfassten ersten, zweiten und dritten Werte (Vout1, Vout2, Vout3, ...) des Wandlerausgangssignals (Vout) zumindest die Werte von Voffset und K oder zumindest die Werte von Voffset und R ermittelt werden.
Vorrichtung (100) zum Kalibrieren eines Stromsensors (10) aufweisend - einen mit einem zu messenden Strom (I) bestrombaren Widerstand (20), - einen Verstärker (30) zum Verstärken einer infolge einer Bestromung des Widerstands (20) am Widerstand (20) abfallenden Spannung (V) mit einem Verstärkungsfaktor (K), und zum Ausgeben eines entsprechenden analogen Verstärkerausgangssignals (Vout*), - einen A/D-Wandler (40) zum Wandeln des analogen Verstärkerausgangssignals (Vout*) in ein dementsprechendes digitales Wandlerausgangssignal (Vout), - eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung (50) zum Verarbeiten des Wandlerausgangssignals (Vout) unter Verwendung von in einer Speichereinrichtung (54) der Signalverarbeitungseinrichtung (50) gespeicherten Kalibrierungsparametern zu einem für den elektrischen Strom (I) repräsentativen Ausgangssignal (OUT) des Stromsensors (10), wobei die Vorrichtung (100) aufweist: - eine mit dem Stromsensor (10) verbindbare Schnittstelleneinrichtung (110, 120, 130), - eine ansteuerbare Stromquelle (140) zum Bestromen des Widerstands (20) des Stromsensors (10) über die Schnittstelleneinrichtung (110, 120, 130), - eine ansteuerbare Erfassungseinrichtung (150) zum Erfassen des digitalen Wandlerausgangssignals (Vout) des Stromsensors (10) über die Schnittstelleneinrichtung (110, 120, 130), - eine Steuereinrichtung (160) zum Ansteuern der Stromquelle (140) und der Erfassungseinrichtung (150) und zum Ermitteln von Kalibrierungsparametern durch eine Auswertung des mittels der Erfassungseinrichtung (150) erfassten Wandlerausgangssignals (Vout), und wobei die Steuereinrichtung (160) dazu ausgebildet ist, die ermittelten Kalibrierungsparameter über die Schnittstelleneinrichtung (110, 120, 130) in der Speichereinrichtung (54) des Stromsensors (10) zu speichern und damit ein Verfahren (S1 bis S5) zum Kalibrieren des Stromsensors (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder einer Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, zum Kalibrieren eines Stromsensors (10), der zur Messung eines Stroms (I) vorgesehen ist, dessen Stromstärke betriebsmäßig Werte von mehr als 100 A annehmen kann.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder einer Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, zum Kalibrieren eines Stromsensors (10), der zur Messung eines Stroms (I) einer elektrischen Energiespeichereinrichtung an Bord eines Fahrzeuges vorgesehen ist, wobei die Energiespeichereinrichtung für eine Versorgung einer elektrischen Antriebseinrichtung des Fahrzeuges vorgesehen ist.