Mit
zunehmendem Stromverbrauch in Kraftfahrzeugen werden derartige Messanordnungen (Stromsensoren)
und Messverfahren immer unumgänglicher,
da durch kontinuierliche Messung des Batteriestromes zu jedem Zeitpunkt
die Zustandsparameter der Batterie ermittelt werden müssen. Parameter
wie beispielsweise „State
of Health", „State
of Charge" oder „State
of Function" sollen
eine differenzierte Aussage über
die Funktionsfähigkeit
der Batterie unter allen denkbaren zukünftigen Betriebsbedingungen
ermöglichen
und bilden so die Basis für
ein intelligentes Batterie-Energie-Management im Fahrzeug.
In
einzelnen Fahrzeugen sind solche Systeme bereits seit 2001 im Einsatz
und beispielsweise in dem Artikel, Achim Scharf, "En Route to the Car
of the Future", "Power Electronics
Europe Magazine", Ausgabe
4/2001 beschrieben. Diese Systeme sind noch sehr aufwändig und
bestehen aus einem großen
Steuergerät,
in dem die kompletten Berechnungen auf Basis eines eingespeicherten
Batteriemodells durchgeführt
werden und das auch einen großen
Teil der daraus abgeleiteten Aktionen im Bordnetz steuert. In dieses
Gerät ist
ein Stromsensor integriert. Das Batteriekabel wird durch das Steuergerät hindurch
geführt,
so dass die Strommessung im Steuergerät erfolgen kann.
Für eine weite
Verbreitung von Batterie-Management-Systemen sind die Kosten der
oben geschilderten Lösung
bei weitem zu hoch. Daher gehen mehr und mehr Hersteller in ihren
Konzepten dazu über,
für die
Berechnungen aus dem Batteriemodell und die daraus abgeleiteten
Steuerungsfunktionen innerhalb des Bordnetzes vorhandene Steuergeräte zu nutzen.
In jedem Fahrzeug gibt es derzeit meist bereits mehrere Steuergeräte, die über einen
Microprozessor hoher Rechenleistung verfügen. Um die genannten Funktionen
in ein solches Steuergerät
zu integrieren muss daher bestenfalls der vorhandene Mikroprozessor
durch einen etwas leistungsstärkeren
ausgetauscht werden. Die entsprechenden Mehrkosten sind erheblich
geringer als die für
ein zusätzliches
Steuergerät.
Die entsprechenden Konzepte fordern dann ein extrem kostengünstiges
Strommessmodul, das an der Batterie, am Polschuh der Batterie oder
am Batteriekabel angebaut wird und dem Bordnetz über eine standardisierte Schnittstelle (z.B.
CAN-Bus) zu jeder Zeit die Information über den aktuell fließenden Batteriestrom
zur Verfügung
stellt.
Die
extrem hohen Anforderungen an diese Strommessung sind darin begründet, dass
einerseits im Startfall bei tiefen Temperaturen kurzzeitig durchaus
Ströme
im Bereich von 1000 A fließen
können, andererseits
aber bei abgestelltem Fahrzeug Ströme im Bereich von wenigen 10
mA fließen,
die wegen der langen Zeiten erheblich zur Ladebilanz der Batterie
beitragen und daher mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden
müssen.
Kein klassischer Stromsensor ist in der Lage mit ausreichender Genauigkeit
diesen Dynamikbereich von wenigen mA bis 1000 A zu erfassen.
Stromsensoren,
die in der Lage sind Ströme über einen
großen
Dynamikbereich mit Genauigkeiten von 1% oder besser zu erfassen,
sind Kompensationsstromsensoren (engl. Closed Loop Sensores). Eine
typische Ausführung
eines solchen Sensors ist in 1 dargestellt.
Er umfasst einen Magnetkern) mit einem Luftspalt. Im Luftspalt des
Magnetkerns ist eine Magnetfeldsonde 2 angebracht. Die Sonde
wandelt das magnetische Feld im Luftspalt in ein elektrisches Signal
um, das den Strom durch eine Kompensationsspule 3 steuert,
die vorzugsweise im Bereich der Magnetfeldsonde auf den Kern gewickelt ist.
Ein Primärleiter 4,
dessen Strom gemessen werden soll, ist durch den Magnetkern geführt. Die
Regelelektronik des Stromsensors sorgt nun dafür, dass der über den
Strom des Primärleiters
in den Magnetkern eingespeiste magnetische Fluss zu jeder Zeit durch
das Feld der Kompensationsspule kompensiert wird. Der von der Magnetfeldsonde
zu registrierende Sollwert des Regelkreises ist also Feldstärke Null.
Die Magnetfeldsonde arbeitet als Nullfelddetektor. Im ausgeregelten
Zustand ist der Strom durch die Kompensationsspule IKomp direkt
proportional zum zu messenden Strom IPrim.
Hat die Kompensationsspule N Windungen, so gilt IPrim =
N IKomp.
Die
Magnetfeldsonde 2 sollte dabei einen sehr geringen, vorzugsweise
verschwindenden, Offset aufweisen. Als Offset versteht man das Ausgangssignal
der Sonde, wenn das Magnetfeld Null anliegt. Ist das Sondensignal
in diesem Fall nicht ebenfalls Null, hat die Sonde einen Offset,
was einen deutlichen Fehler des Sensors im Bereich kleiner Ströme verursacht.
Als
Magnetfeldsonde kann ein Hall-IC eingesetzt werden. Hall ICs haben
normalerweise einen sehr deutlichen Offset, der zu Messfehlern des Stromsensors
im Bereich von 0,5 A führen
kann. Es ist jedoch möglich
diesen Offset durch elektronische Maßnahmen auf dem Hall-IC oder
durch Kalibrierung des Stromsensors weitgehend zu eliminieren.
Einfacher
und genauer, insbesondere was die Temperaturabhängigkeit des Stromsensors betrifft,
ist die Nutzung einer magnetischen Sonde beispielsweise nach
EP 0 294 590 . Da hier durch
die Auswerteelektronik die Symmetrie eines weichmagnetischen Metallstreifens
abgefragt wird, arbeitet diese Magnetfeldsonde als Nullfelddetektor
praktisch offsetfrei und temperaturunabhängig. Eine solche Sonde ist
in
1 schematisch als
Magnetfeldsonde
2 angedeutet.
Ferner
ist ein Magnetkern
1, der in Verbindung mit einer magnetischen
Sonde gemäß
EP 0 294 590 genutzt wird,
vorzugsweise gemäß
EP 1 010 014 aus zwei oder
mehr Teilen zusammengesetzt, die sich teilweise überlappend zusammengefügt werden und
eine Tasche im Bereich des Luftspaltes für die Magnetfeldsonde
2 aufweisen.
Dadurch kann der Stromsensor durch Zusammenfügen des Kerns über beliebig
geformte Leiter montiert werden und die Sonde ist gegen äußere störende Magnetfeldeinflüsse geschützt.
Unter
der Voraussetzung, dass die Magnetfeldsonde 2 keinen Offset
aufweist, wird die Genauigkeit eines solchen Stromsensors im Bereich
kleiner Ströme
durch die Hystereseeigenschaften des Magnetkerns 1 bestimmt.
Die Magnetisierungskurve praktisch jeden weichmagnetischen Werkstoffes – insbesondere
die der hier aus Kostengründen
meist eingesetzten NiFe-Werkstoffe – weist eine deutliche Hysterese
auf. Das heißt,
auch ohne äußeres Magnetfeld
bleibt in einem solchen Kern ein remanenter magnetischer Fluss erhalten,
dessen Stärke
von der Vorgeschichte des Magnetkernes abhängt. Vorgeschichte heißt dabei
die Feldstärken
und Feldrichtungen, denen der Kern vor der Messung bei kleinen Strömen ausgesetzt
war.
Diese
Remanenz verursacht bei einem Stromsensor nach 1 also auch bei Primärstrom Null ein gewisses Magnetfeld
an der Sonde und täuscht
dem Stromsensor damit einen Primärstrom vor,
der nicht vorhanden ist. Dieser Messfehler bei kleinen Strömen liegt,
wenn der Stromsensor vorher Ströme
nahe der oberen Messbereichsgrenze oder sogar darüber gesehen
hat, typischerweise zwischen 50 und 100 mA. Gemessene Fehlerkurven
bei Aussteuerung des Stromsensors bis über die obere Messbereichsgrenze
hinaus sind in 2 dargestellt.
Diese Aussteuerung bringt den Sensorkern teilweise in die Sättigung,
verursacht also die stärkste Remanenz
bei Zurücknahme
des Primärstromes
auf Null.
Die
Messkurven in
2 sind
mit Stromsensoren mit offsetfreier magnetischer Sonde gemäß
EP 0 294 590 aufgenommen.
Sie würden
jedoch genauso auftreten bei Stromsensoren mit Hall-IC als Magnetfeldsonde,
wenn es gelingt den Offset des Hall-IC, der im allgemeinen erheblich
größer ist
als der durch die Remanenz des Magnetkerns verursachte, zu eliminieren.
Die
Remanenz des Magnetkerns begrenzt also prinzipiell den Messbereich
eines Kompensationsstromsensors nach unten.
Daher
ist der im geschilderten Batteriemanagement System des "Power Electronics
Europe Magazine",
Ausgabe 4/2001 eingesetzte Stromsensor zweistufig aufgebaut. Der
in
3 schematisch dargestellte
Batteriestromsensor weist neben dem hier als Hochstromstufe arbeitenden
Kompensationsstromsensor
1 bis
3 eine zusätzliche
Niederstromstufe
5 auf. Diese Niederstromstufe ist auf
der Basis des in
EP 0 960 342 beschriebenen Prinzips als
bewickelter Ringkern aus amorphem weichmagnetischem Metall ausgeführt. Er
arbeitet mit wechselseitiger Ummagnetisierung, ist dadurch offsetfrei
und hat eine sehr hohe Auflösung
im Bereich kleiner Ströme.
Solche Sensoren sind allerdings nicht zur Messung hoher Ströme geeignet,
so dass der zweistufige Aufbau zwingend erforderlich ist. Der Nachteil
dieses existierenden Batteriestromsensors, der technisch alle Anforderungen
erfüllt,
ist daher dieser zweistufige Aufbau mit zwei unterschiedlichen Funktionsprinzipien,
der sowohl den Aufwand auf der Seite des magnetischen Moduls als
auch auf der Seite der Auswerteelektronik verdoppelt.
Andere
Lösungen
für einen
Batteriemanagement Sensor basieren ausschließlich auf einem in den Batteriestrompfad
eingefügten
Shunt-Widerstand mit entsprechender Messung und Verstärkung des
Spannungsabfalles an diesem Widerstand. Diese zunächst bestechend
einfach erscheinende Lösung
hat jedoch auch gravierende Nachteile: Hohe Ströme verursachen an dem zusätzlich in
den Stromkreis gebrachten Widerstand eine starke Erwärmung.
Bei
geringen Strömen
ist dagegen der zu messende Spannungsabfall so gering, dass die
Messung durch elektromagnetische Einstrahlungen leicht zu stören ist
und eine ausreichende Genauigkeit nur mit sehr hohem elektronischem
Schaltungsaufwand sicherzustellen ist. Verschärft wird dieses Problem noch
bei Messung des Stromes an der Plus-Seite der Batterie, da dann
die mögliche
Schwankung des Bezugspotentiales mit der Batteriespannung mehrere Zehnerpotenzen
größer als
die zu messende Spannung ist. Diese Lösungen benötigen daher entweder einen
sehr hohen elektronischen Aufwand oder erfüllen die Genauigkeits- und
Störfestigkeitsanforderungen
nicht.
Denkbar
ist eine weitere Lösung
des Problems, die gemäß der schematischen
Darstellung in 4 aus
der Kombination eines Shunt-Widerstandes und des Niederstromsensors
aus 3 besteht. Durch
die Nutzung der magnetischen Messung bei kleinen Strömen kann
der Widerstandswert des Shunts geringer ausgelegt werden. Dadurch
verringern sich die Erwärmungsprobleme
bei hohen Strömen.
Trotzdem kann der Spannungsabfall am unteren Ende des Shunt-Messbereiches
noch um ein bis zwei Größenordungen
höher gehalten
werden als bei ausschließlicher
Nutzung eines Shunts. Die Messung ist daher erheblich störsicherer
und erfordert einen geringeren elektronischen Aufwand.
Obwohl
diese Lösung
schon erheblich günstiger
erscheint als die vorher geschilderten, benötigt sie neben dem magnetischen
Messsystem einen speziellen Shunt, der für Ströme bis zu 1000 A oder mehr
geeignet sein muss. Solche Shunts sind mit aufwändigen Verbindungsverfahren
in einen Strombügel
integriert und daher auch nicht besonders kostengünstig. Der
Strombügel
muss mit Schraub- oder Schweißverbindungen
in den Stromkreis eingefügt werden.
Die Nutzung eines vorhandenen Leiterstückes, wodurch zusätzliche
Verbindungen im Stromkreis vermieden würden, ist nicht möglich.
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Messanordnung und ein Messverfahren zum
Messen von Strömen
mit großem
Dynamikbereich und insbesondere zur Erfassung des Batteriestromes
eines Kraftfahrzeuges unter Erfüllung
der vorgenannten Anforderungen anzugeben, bei denen die beschriebenen Nachteile
nicht auftreten.
Die
Aufgabe wird durch ein Messverfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine
Messanordnung gemäß Patentanspruch
7 gelöst.
Aus gestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
Vorteil
der Erfindung ist es, dass nur ein einziges Messelement benötigt wird,
dass der Stromsensor zur Durchführung
des Verfahrens äußerst kostengünstig herzustellen
ist und dass dieser sehr flexibel bezüglich der Einbindung in den
Stromkreis ist.
Der
Erfindung geht dabei von folgenden Überlegungen aus:
- a) Die genaueste und störsicherste
Messmethode ist der Kompensationsstromsensor gemäß 1. Außerdem ist dieser Stromsensor
sehr kostengünstig
herstellbar und durch den teilbaren Magnetkern flexibel auf Stromleitern
unterschiedlicher Form montierbar. Er wäre also die ideale Lösung, wenn
sich die untere Messbereichsgrenze deutlich unter die durch die
Remanenz des Magnetkernes bedingten 100 mA absenken ließe.
- b) Im Niederstrombereich ist die Anforderung an die zeitliche
Auflösung
der Messung sehr gering, da im Wesentlichen integrale Stromflüsse über sehr
lange Zeiten zu erfassen sind. Bandbreiten von weit unter 1 Hz sind
daher ohne weiteres akzeptabel.
- c) In einem eigenständigen
Messmodul wird schon alleine für
die Bedienung der digitalen Schnittstelle (CAN-Bus) ein einfacher
Microprozessor zur Verfügung
stehen. Dieser Microprozessor kann dann, ohne dass dadurch weitere Kosten
verursacht werden, für
einfache Steuer- und Rechenaufgaben im Zusammenhang mit der Strommessung
genutzt werden. Bei einer in ein
Steuergerät integrierten
Lösung
stellen solche Aufgaben erst recht kein Problem dar.
Das
erfindungsgemäße Messverfahren
zum Messen von Strömen
mit großem
Dynamikbereich bedient sich eines magnetischen Messmoduls, das einen
Magnetkern mit mindestens einer ihn umgebenden Kompensationsspule,
einem Luftspalt und einer Kernöffnung
aufweist. Dabei ist in dem Luftspalt eine Magnetfeldsonde angeordnet
und ein den zu messenden Strom leitender Primärleiter durch die Öffnung des
Magnetkernes geführt.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- – bei Überschreiten
eines Stromschwellenwertes Umschalten in einem Hochstrom-Modus und
bei Unterschreiten eines Stromschwellenwertes Umschalten in einen
Niederstrom-Modus,
wobei der Niederstrom-Modus die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- – Anlegen
eines ersten Stromimpulses an die Kompensationsspule, der den Magnetkern
in eine erste Richtung bis in die magnetische Sättigung treibt;
- – Messen
eines ersten Primärstromwertes
I1 nach Abschalten des Stromimpulses,
- – Anlegen
eines zweiten Stromimpulses an die Kompensationsspule, der den Magnetkern
in eine entgegengesetzte, zweite Richtung bis in die magnetische
Sättigung
treibt,
- – Messen
eines zweiten Primärstromwertes
I2 nach Abschalten des zweiten Stromimpulses
- – Ermitteln
des korrigierten Primärstromwertes
als Mittelwert I = (I1 + I2)/2
aus dem ersten und dem zweiten Primärstromwert I1,
I2.
Zusätzlich zu
der Strommessung mit dem magnetischen Modul kann der Spannungsabfall
zwischen beabstandeten Stellen des Primärstromleiters als Maß für den durch
ihn fließenden
Strom gemessen und ausgewertet werden.
Vorzugsweise
wird dabei die Strommessung mittels Messung des Spannungsabfalls
während
des Betriebs unterhalb des Stromschwellenwertes durch die Strommessung
mit dem magnetischen Modul kalibriert.
Alternativ
oder zusätzlich
kann auch die Temperatur des Primärleiters gemessen und die Strommessung
durch Messung des Spannungsabfalls mittels der Temperaturmessung
korrigiert werden.
Schließlich kann
der Hochstrom-Modus eine Strommessung nach dem Kompensationsprinzip und/oder
eine Strommessung nach dem Prinzip der Spannungsmessung über einem
Shunt-Widerstand umfassen.
Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung zum
Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst ein magnetisches Messmodul, das einen Magnetkern mit mindestens
einer ihn umgebenden Kompensationsspule, einem Luftspalt und einer Kernöffnung aufweist,
wobei in dem Luftspalt eine Magnetfeldsonde angeordnet ist und ein
den zu messenden Strom leitender Primärleiter durch die Öffnung des
Magnetkernes geführt
ist. Des Weiteren ist eine Ansteuer- und Auswerteschaltung vorgesehen, die
bei Überschreiten
eines Stromschwellenwertes in einem Hochstrom-Modus und bei Unterschreiten
eines Stromschwellenwertes in einen Niederstrom-Modus umschaltet,
wobei der Niederstrom-Modus die oben näher beschriebenen Verfahrensschritte
umfasst.
Bei
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
kann der Primärstromleiter
in gewissen Abständen
Kontakte aufweisen, an denen zusätzlich
zu der Strommessung mit dem magnetischen Modul der Spannungsabfall
an dem Primärstromleiter
gemessen wird.
Die
Strommessung über
den Spannungsabfall kann dabei der Strommessung mit dem magnetischen
Modul kalibriert werden.
Weiterhin
kann eine Einrichtung zur Temperaturmessung vorgesehen sein, wobei
die Strommessung durch Messung des Spannungsabfalls mittels der
Temperaturmessung korrigiert wird.
Zudem
kann das magnetische Modul neben der ersten Kompensationsspule eine
zweite Kompensationsspule aufweisen, die zur ersten Kompensationsspule
in Reihe geschaltet ist und an anderer Stelle als die erste Kompensationsspule
auf den Magnetkern gewickelt ist.
Die
Magnetfeldsonde kann aus einem bewickelten Kern aus weichmagnetischem
nanokristallinen oder amorphen Metall bestehen.
Bevorzugt
weist schließlich
die Ansteuer- und Auswerteschaltung, die zumindest zwischen Magnetfeldsonde
und Kompensationsspule geschaltet ist, einen Microprozessor auf.
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert, wobei
gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
1 den typischen Aufbau eines
Kompensations-Stromsensors
nach dem Stand der Technik,
2 typische Fehlerkurven
von Stromsensoren nach 1 unter
der Voraussetzung, dass die Magnetfeldsonde keinen Offset aufweist,
3 den Aufbau eines zweistufigen
Stromsensors zur Batteriestrommessung nach dem Stand der Technik,
4 den Aufbau eines zweistufigen
Stromsensors zur Batteriestrommessung nach dem Stand der Technik,
5 ein Messmodul und ein
Messverfahren für
den Niederstrombereich gemäß der Erfindung,
6 Messergebnisse an einem
Messmodul nach 1 mit
dem erfindungsgemäßen Messverfahren,
7 ein Messmodul mit zwei
Kompensationsspulen und ein entsprechendes Messverfahren für den Niederstrombereich
gemäß der Erfindung,
8 ein Messmodul mit zwei
Kompensationsspulen sowie einem Spannungsabgriff am Primärleiter
und ein entsprechendes Messverfahren für den Niederstrombereich gemäß der Erfindung.
Die
Erfindung geht nach 5 von
der Nutzung eines Kompensationsstromsensors aus, der oberhalb einer
Grenze von z.B. 1 A in seiner ganz normalen Betriebsart arbeitet.
Sinkt der zu gemessene Strom unter diese Grenze, schaltet die Auswerteelektronik
in einen Niederstrom-Modus. In diesem Modus wird jeder Messpunkt
durch folgende in 5 schematisch
dargestellte Sequenz ermittelt:
- a) Das Messverfahren
startet im Punkt A bei einem zufälligen
Offset-Wert, der von der Vorgeschichte des Sensors bzw. Magnetkerns
abhängt;
- b) Es folgt das Anlegen eines ersten Strompulses an die Kompensationsspule 3,
der den Magnetkern über
einen Wert B hinaus in eine Richtung bis in die magnetische Sättigung
treibt;
- c) Dann erfolgt das Messen eines ersten Primärstromwertes I1 nach
Abschalten des Stromimpulses;
- d) Es folgt das Anlegen eines zweiten Strompulses an die Kompensationsspule 3,
der den Magnetkern über
einen Wert C hinaus in die entgegengesetzte Richtung bis in die
magnetische Sättigung
treibt;
- e) Es folgt das Messen eines zweiten Primärstromwertes I2 nach
Abschalten des zweiten Stromimpulses;
- f) Schließlich
erfolgt das Ermitteln des korrigierten Primärstromwertes als Mittelwert
aus dem ersten und dem zweiten Primärstromwert I = (I1 +
I2)/2.
Die
Wirkungsweise dieser Methode wird bei Betrachten der Fehlerkurve
in 2 offensichtlich. Die
Hysteresekurve ist symmetrisch. D.h. der durch die Remanenz des
Magnetkernes vorgetäuschte
zusätzliche
Stromwert wird, wenn der Kern vor Aufnahme des Messwertes in der
positiven Sättigung
war, betragsmäßig genauso
groß sein,
wie in dem Fall, wenn der Kern vor Aufnahme des Messwertes in der negativen
Sättigung
war. Der Mittelwert ergibt also den wahren Stromwert.
Erste
Messergebnisse an einem Messmodul gemäß 5 mit dem erfindungsgemäßen Algorithmus
sind in 6 dargestellt.
Ohne weitere Optimierungen kann die untere Messbereichsgrenze hier
bereits auf ca. 15 mA abgesenkt werden. Dies ist für manche
Anwendungen bereits ausreichend.
Die
Ursache für
den auch nach diesem Verfahren noch übrig bleibenden scheinbaren
Stromwert von 10 bis 15 mA ist, dass der Kern den in der Kompensationsspule
eingespeisten Magnetfluss nicht beliebig gut führen kann, sondern Streufluss
verliert. Sättigungseffekte
treten zunächst
in den spulennahen Bereichen des Kernes auf. Insbesondere die der Spule
gegenüberliegenden
Bereiche des Kerns werden nicht vollständig von dem Impuls erreicht
und damit nicht vollständig
gesättigt.
Der Kern behält
in diesen nicht vollständig
gesättigten
Bereichen sein Gedächtnis
an die Vorgeschichte.
Abhilfe
bringt in Weiterbildung der Erfindung eine Anordnung gemäß 7 mit einer zweiten Kompensationsspule 3a,
die mit der ersten Kompensationsspule 3, unter der sich
die Magnetfeldsonde 2 befindet, hintereinander geschaltet
ist. Beide Spulen werden also gleichsinnig vom Kompensationsstrom durchflossen.
Dadurch gelingt es den Kern durch den Stromimpuls gleichmäßiger in
die Sättigung
zu treiben und die Wirkung des oben beschriebenen Messverfahrens
wird optimiert.
Die
Anordnung nach 7 mit
2 Kompensationsspulen hat noch einen weiteren Vorteil: Der Messbereich
des Sensors nach 5 ist
bei Verwendung sehr einfacher und kostengünstiger Komponenten auf ca.
100 A begrenzt. Darüber
beginnt der Magnetkern, ebenfalls durch Streuflusseffekte, teilweise zu
sättigen,
wodurch die Messcharakteristik stark nichtlinear wird.
Dieser
Effekt wird ebenfalls durch die zweite Kompensationsspule vermieden,
so dass der Messbereich auf fast das Doppelte des Messbereiches
eines Sensors mit nur einer Kompensationsspule und sonst gleichen
Komponenten ausgedehnt werden kann.
Ein
solcher Stromsensor kann zwar durch entsprechende Dimensionierung
der Komponenten auf einen Messbereich von 400 bis 600 A oder auch noch
darüber
hinaus ausgelegt werden, jedoch ist dies aus Kostengründen und
wegen der damit steigenden Baugröße nicht
sinnvoll. Die Komponenten müssten
sehr massiv und aufwändig
ausgelegt werden. Außerdem
müsste
die Auswerteelektronik sehr hohe Kompensationsströme treiben,
was auch auf der Elektronikseite Kosten verursacht. Als sinnvoller Messbereich
wird daher im Weiteren für
einen Sensor mit einer Kompensationsspule 100 bis 130A und für einen
mit zwei Kompensationsspulen ca. 200 A angesehen.
Ströme oberhalb
dieser Messbereiche müssen
meist nur mit geringerer Genauigkeit erfasst werden. Dazu eignet
sich eine Messung des Spannungsabfalles direkt am Primärleiter,
der im Wesentlichen aus Kupfer bestehen wird. Bei solch hohen Strömen ist
der Spannungsabfall über
1 bis 2 cm am Kupferbügel
bereits so hoch, dass er ohne Probleme ausgewertet werden kann.
Da
die Geometrie des Kupferbügels
und der Kontaktierung gewissen Toleranzen unterworfen sein wird
und normales Kupfer eine sehr hohe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes
von ca. 40% auf 100° Temperaturdifferenz
aufweist, muss diese Messung kalibriert werden. Dies kann während der
Messung mit dem magnetischen Sensor innerhalb dessen Messbereiches
durch Vergleich der Werte des Stromsensors mit den aus der Messung des
Spannungsabfalls ermittelten Werten geschehen. Die hier geschilderten
Kompensations Stromsensoren sind so schnell, dass selbst bei schnellem Stromanstieg
beim Startvorgang genügend
Zeit für einen
solchen Kalibriervorgang bleibt.
Eine
zusätzliche
oder alternative Kalibrierung der Messung des Spannungsabfalls am
Primärstromleiter
ist mit Hilfe einer Temperaturmessung möglich. Die Temperatur ist ebenfalls
eine wichtige Messgröße zur Ermittlung
der Batterieparameter. Die Temperaturmessung wird daher bei vielen
Messmodulen ebenfalls integriert sein. Der gemessene Temperaturwert
kann zur Korrektur des Spannungsabfalls am Strombügel genutzt
werden, um den wahren Stromwert zu ermitteln.