DE10240243A1

DE10240243A1 - Verfahren und Messanordnung zum Abgleich der Nullpunktdrift von Stromsensoren

Info

Publication number: DE10240243A1
Application number: DE10240243A
Authority: DE
Inventors: Dirk Mentgen; Bernd Frey; Matthias Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-31
Filing date: 2002-08-31
Publication date: 2004-03-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich der Nullpunktdrift von Stromsensoren in einer Messanordnung mit einem ersten Stromsensor (2) zum Messen kleiner Ströme und einem zweiten Stromsensor (3) zum Messen großer Ströme, die in Abhängigkeit von dem zu messenden Strom (I) von einer Schalteinrichtung (4) alternativ ausgewählt und mit einer Messschaltung (5) verbunden werden, und einem Spannungssensor (7). Zur Verbesserung der Messgenauigkeit des zweiten Stromsensors (3) wird vorgeschlagen, in einer Phase, in der die Stromwerte im Messbereich des ersten Stromsensors (2) liegen, wenigstens zwei Messungen von Strom (I) und Spannung (U) mit dem ersten Stromsensor (2) zu verschiedenen Zeitpunkten (t1, t3) durchzuführen und zu einem dritten Zeitpunkt eine Messung von Strom (I) und Spannung (U) mit dem zweiten Stromsensor (3) bzw. dem Spannungssensor (7) durchzuführen, in einem weiteren Schritt (13) denjenigen Strom (I2') zu berechnen, den der erste Stromsensor (2) zum Zeitpunkt (t2) der Strommessung mit dem zweiten Stromsensor (3) gemessen haben würde, und in einem weiteren Schritt (14) einen Korrekturfaktor zur Korrektur des Strom-Messwerts des zweiten Stromsensors (3) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich der Nullpunktdrift von Stromsensoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Messanordnung mit einem ersten und einem zweiten Stromsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Eine wesentliche Grösse bei der Durchführung eines elektrischen Energie- und Verbrauchermanagements in einem Kfz ist der Lade- bzw. Entladestrom der Fahrzeugbatterie. Der Batteriestrom muß dabei mit möglichst hoher Genauigkeit – wünschenswert. ist eine Genauigkeit von weniger als 2% – in einem großen Bereich, z.B. zwischen 1 und 500 A, gemessen werden. Da dies mit einem einzigen Stromsensor nicht in der erforderlichen Genauigkeit über den gesamten Messbereich realisierbar ist, werden üblicherweise zwei oder mehr Stromsensoren mit unterschiedlichen Messbereichen eingesetzt, die in Abhängigkeit vom aktuell fließenden Strom alternativ verwendet werden.
1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Messanordnung zur Messung des Lade- und Entladestroms einer Batterie 1, mit einem ersten Stromsensor 2 zum Messen kleiner Ströme und einem zweiten Stromsensor 3 zum Messen großer Ströme. Die beiden Stromsensoren 2, 3 können von einer Schalteinrichtung 4 ausgewählt und mit einer Messschaltung 5 verbunden werden, welche die Messsignale auswertet. Die variable Stromquelle bzw. -Senke 6 steht exemplarisch für einen sich ändernden Lade- bzw. Entladestrom I_L der Batterie 1. Der Innenwiderstand Ri der Batterie 1 ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet.
Die Genauigkeit der Stromsensoren 2, 3 wird im wesentlichen durch drei Parameter bestimmt, nämlich den Messbereich, die Auflösung und die Nullpunktdrift. Dabei sind Messbereich und Auflösung konstante Größen, die bei der Auswertung entsprechend berücksichtigt werden können, dagegen ist die Nullpunktdrift variabel und somit nicht genau bestimmbar. Bei der Herstellung der Stromsensoren 2, 3 kann zwar ein Nullpunktabgleich durchgeführt werden, durch Alterung, Temperaturänderung etc. bei Betrieb driftet der Nullpunkt jedoch und verschlechtert somit das Messergebnis.
Allgemein gilt, dass Stromsensoren mit großem Messbereich absolut gesehen eine große Nullpunktdrift aufweisen und Stromsensoren mit kleinerem Messbereich eine entsprechend kleinere Nullpunktdrift besitzen. Ein Stromsensor mit geringer Nullpunktdrift ist ferner im allgemeinen teuerer als ein Stromsensor mit gleichem Messbereich und höherer Nullpunktdrift. Üblicherweise werden daher zwei Stromsensoren 2, 3 eingesetzt, von denen der eine einen kleinen Messbereich und der andere einen großen Messbereich aufweist. Somit erreicht man bei kleineren Stromwerten eine relativ hohe Genauigkeit, bei größeren Stromwerten ist die Messung dagegen weiterhin relativ ungenau.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Messanordnung mit wenigstens zwei Stromsensoren zu schaffen, das bzw. die bei höheren Stromwerten eine genauere Messung ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie 5 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, in einer Phase, in der die Stromwerte sowohl im Messbereich des ersten als auch des zweiten Sensors liegen (es fließen nur geringe Ströme), mit dem ersten Stromsensor sowie einem Spannungssensor wenigstens zwei Messungen von Strom und Spannung zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchzuführen und mit dem zweiten Stromsensor bzw. dem Spannungssensor zu einem dritten Zeitpunkt. eine Messung von Strom und Spannung durchzuführen. Aus den Messergebnissen wird dann derjenige Strom berechnet, den der erste Stromsensor zum Zeitpunkt der Strommessung mit dem zweiten Stromsensor gemessen haben würde. Für diesen dritten Messzeitpunkt liegt somit sowohl ein berechneter Stromwert als auch ein vom zweiten Stromsensor gemessener Stromwert vor. Auf der Grundlage der Abweichung der beiden Werte voneinander läßt sich das Messsignal des zweiten Sensors korrigieren und z.B. ein Korrekturfaktor zur Korrektur des zweiten Stromsensors ermitteln. Auf diese Weise kann die Nullpunktdrift des zweiten Stromsensors ständig kompensiert und somit die Genauigkeit des Messergebnisses verbessert werden.
Der erste und zweite Stromsensor können von der Schalteinrichtung alternierend ausgewählt und mit der Messschaltung verbunden werden. In diesem Fall würde eine erste Strommessung mit dem ersten Stromsensor, eine zweite Strommessung mit. dem zweiten Stromsensor und eine dritte Strommessung mit dem ersten Stromsensor durchgeführt werden. Wahlweise können aber auch zwei oder mehr Strommessungen mit dem ersten Stromsensor hintereinander und wenigstens eine Strommessung (vorher oder nachher) mit dem zweiten Stromsensor durchgeführt werden.
vorzugsweise wird die Zeitdauer zwischen der ersten und der letzten der drei erforderlichen Messungen so gewählt, dass sich der Innenwiderstand der Batterie während dieser Zeitdauer nicht oder nur unbedeutend ändert.
Zur Berechnung desjenigen Stromwerts, der vom ersten Stromsensor zum Zeitpunkt der Strommessung mit dem zweiten Stromsensor gemessen worden wäre, wird vorzugsweise der Innenwiderstand der Batterie berücksichtigt.
Aus dem berechneten Stromwert und dem vom zweiten Stromsensor tatsächlich gemessenen Strom kann ein Korrekturfaktor zur Korrektur des zweiten Stromsensors ermittelt werden. Dieser Korrekturwert wird vorzugsweise in einem z.B. in der Messschaltung enthaltenen Speicher gespeichert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine bekannte Messanordnung zur Strommessung mit einem ersten und einem zweiten Stromsensor;
2 einen typischen Stromverlauf des zu messenden Stroms;
3 einen zugehörigen Spannungsverlauf; und
4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der wesentlichen Verfahrensschritte.
1 zeigt eine Messanordnung zur Strommessung mit einer Batterie 1, einem ersten Stromsensor 2 zur Messung kleiner Ströme, einem zweiten Stromsensor 3 zur Messung großer Ströme, einer Schalteinrichtung 4 zum Auswählen und Verbinden eines der Stromsensorer 2, 3 mit einer Messschaltung 5, und einem Spannungssensor 7 zur Messung einer Batteriespannung. Der Innenwiderstand der Batterie 1 ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet. Eine variable Stromquelle bzw. -Senke 6 steht exemplarisch für einen sich ändernden Lade- oder Entladestrom I_L der Batterie.
Befindet sich der Stromwert I_L sowohl im Messbereich des ersten Stromsensors 2 als auch im Messbereich des zweiten Stromsensors 3, werden z.B. folgende in 2 gezeigte Messungen durchgeführt: Zum Zeitpunkt t1 wird ein Strom I1 mit dem ersten Stromsensor 2 gemessen, im Zeitpunkt t2 wird ein Strom I2 mit dem zweiten Stromsensor 3 gemessen und zum Zeitpunkt t3 wird ein Strom I3 wieder mit dem ersten Stromsensor 2 gemessen. Parallel zu den Strommessungen werden an den Zeitpunkten t1-t3 Spannungsmessungen mit dem Spannungsmesser 7 durchgeführt und entsprechende Spannungen U1, U2 und U3 gemessen (siehe 3).
Wie erwähnt, wird zum Zeitpunkt t2 der Strom I2 vom zweiten Stromsensor 3 gemessen, nicht dagegen vom ersten Stromsensor 2. Derjenige Strom I2', den der erste Stromsensor 2 zum Zeitpunkt t2 gemessen haben würde, kann über den Innenwiderstand Ri nach folgender Beziehung berechnet werden:
bzw.
Der Innenwiderstand 8 der Batterie kann aus den Messwerten I1 und I3 sowie U1 und U3 berechnet werden, wobei gilt:
Der so berechnete Strom I2' ist wesentlich genauer als der zum Zeitpunkt t2 mit dem zweiten Stromsensor 3 gemessene Strom I2. Die Differenz Idiff zwischen gemessenem und berechnetem Strom I2 bzw. I2' kann somit zur Korrektur der Nullpunktdrift des zweiten Stromsensors 3 verwendet werden. Es gilt: Idiff = I2 – I2'
Der korrigierte Strom-Messwert Ikorr des zweiten Stromsensors 3 ergibt sich somit zu: Ikorr = I2 – Idiff.
Die Reihenfolge der einzelnen Messungen ist selbstverständlich beliebig. Beispielsweise kann auch zuerst eine Strommessung mit dem zweiten Stromsensor 3 und danach zwei aufeinanderfolgende Strommessungen mit dem ersten Stromsensor 2 durchgeführt werden. Für die Berechnung des Korrekturfaktors Idiff bzw. des korrigierten Strom-Messwertes Ikorr gelten dann entsprechend geänderte Beziehungen.
Der Korrekturwert wird vorzugsweise in der Messschaltung 5 gespeichert und regelmäßig aktualisiert.
4 zeigt nochmals die wesentlichen Verfahrensschritte bei der Kompensation der Nullpunktdrift des zweiten Stromsensors 3 in Form eines Flußdiagramms. Dabei wird in einem ersten Schritt 10 zum Zeitpunkt t1 ein Strom I1 mit dem ersten Stromsensor 2, sowie ein Spannungswert U1 gemessen. In Schritt 11 wird zum Zeitpunkt t2 ein Strom I2 mit dem zweiten Stromsensor 3, sowie ein Spannungswert U2 gemessen. In Schritt 12 wird zum Zeitpunkt t3 ein Strom I3 wieder mit dem ersten Stromsensor 2, sowie ein Spannungswert U3 gemessen. Aus den Messwerten der Schritte 10-12 wird in Schritt 13 derjenige Strom I2' berechnet, den der erste Stromsensor 2 zum Zeitpunkt t2 gemessen haben würde. In Schritt 14 wird dann ein Korrekturfaktor Idiff für den zweiter Stromsensor 3 in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt. Bei einer nachfolgenden Messung mit dem zweiten Stromsensor 3, bei der hohe Ströme gemessen werden, wird in Schritt 15 ein korrigierter Strom-Messwert Ikorr für den zweiten Stromsensor 3 berechnet.

1: Batterie
2: Erster Stromsensor
3: Zweiter Stromsensor
4: Schalteinrichtung
5: Messschaltung
6: Stromquelle bzw. -Senke
7: Spannungssensor
10-19: Verfahrensschritte
I1-I3: Strom-Messwerte
U1-U3: Spannungs-Messwerte
t1-t3: Zeitpunkte

Claims

Verfahren zum Abgleich der Nullpunktdrift von Stromsensoren in einer Messanordnung mit einem ersten Stromsensor (2) zum Messen kleiner Ströme und einem zweiten Stromsensor (3) zum Messen großer Ströme, und einem Spannungssensor (7) zum Messen einer Spannung, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Durchführen wenigstens zweier Messungen von Strom und Spannung mit dem ersten Stromsensor (2) bzw. dem Spannungssensor (7) zu verschiedenen Zeitpunkten (t1, t3), – Durchführen einer Strom- und Spannungsmessung mit dem zweiten Stromsensor (3) bzw. dem Spannungssensor (7) zu einem dritten Zeitpunkt (t2) in einer Phase, in der die Stromwerte im Messbereich des ersten Stromsensors (2) liegen, – Berechnen eines Stroms (I2), den der erste Stromsensor (2} zum Zeitpunkt (t2) der Strommessung mit dem zweiten Stromsensor (3) gemessen haben würde, und – Ermitteln eines Korrekturfaktors (Idiff) zur Korrektur des Messsignals des zweiten Stromsensors (3) aus dem zum dritten Zeitpunkt (t2) gemessenen und berechneten Stromwert (I2, I2').
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Stromsensor (2,3) von einer Schalteinrichtung (4) alternierend mit einer Messschaltung (5) verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Stromsensor (2, 3) an einer Batterie (1) angeschlossen sind und der Strom (I2), den der erste Stromsensor (2) zum Zeitpunkt (t2) der Strommessung mit dem zweiten Stromsensor (3) gemessen haben würde, auf der Grundlage des Innenwiderstands (8) der Batterie (1) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer zwischen zwei Strommessungen (t1, t2) bzw. (t2, t3) so kurz ist, dass sich der Innenwiderstand (8) der Batterie (1) nicht oder nur unbedeutend ändert.
Messanordnung zur Strommessung, insbesondere zum Messen des Lade- und Entladestroms einer Batterie (1), mit einem ersten Stromsensor (2) zum Messen kleiner Ströme und einem zweiten Stromsensor (3) zum Messen großer Ströme, und einer Messschalltung (5) zum Auswerten der Sensor-Messsignale, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer ersten Phase, in der die Stromwerte im Messbereich des ersten Stromsensors (2) liegen, wenigstens zwei Strom- und Spannungsmessungen mit dem ersten Stromsensor (2) bzw. dem Spannungssensor (7) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t1, t3) durchgeführt werden, und eine Strom- und Spannungsmessung zu einem dritten Zeitpunkt (t2) mit dem zweiten Stromsensor (3) bzw. dem Spannungssensor (7) durchgeführt wird, – ein Strom (I2), den der erste Stromsensor (2) zum Zeitpunkt (t2) der Strommessung mit dem zweiten Stromsensor (3) gemessen haben würde, berechnet wird, und – ein Korrekturfaktor (Idiff) zur Korrektur des zweiten Stromsensors (3) aus dem zum dritten Zeitpunkt (t2) gemessenen und berechneten Stromwert (I2, I2') ermittelt wird.
Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalteinrichtung (4) vorgesehen ist, die entweder den ersten (2) oder den zweiten Stromsensor (3) mit der Messschaltung (5) verbindet.
Messanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer zwischen zwei Messungen (t1, t2) bzw. (t2, t3) so kurz ist, dass sich der Innenwiderstand (8) der Batterie (1) nicht oder nur unbedeutend ändert.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Stromsensor (2, 3) an einer Batterie (1) angeschlossen sind und der Strom (I2), den der erste Stromsensor (2) zum Zeitpunkt (t2) der Strommessung mit dem zweiten Stromsensor (3) gemessen haben würde, auf der Grundlage des Innenwiderstands (8) der Batterie (1) berechnet wird.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Stromsensor (2, 3) in Serie geschaltet sind.