WO2008058981A2 - Arrangement and method for determining load currents in a vehicle - Google Patents

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WO2008058981A2
WO2008058981A2 PCT/EP2007/062312 EP2007062312W WO2008058981A2 WO 2008058981 A2 WO2008058981 A2 WO 2008058981A2 EP 2007062312 W EP2007062312 W EP 2007062312W WO 2008058981 A2 WO2008058981 A2 WO 2008058981A2
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    • G01R31/007—Testing of electric installations on transport means on road vehicles, e.g. automobiles or trucks using microprocessors or computers

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for determining a load current flowing through a load present in a vehicle, wherein the load is connected via a switching means to a voltage source.
  • the sense FETs are semiconductors in which a measuring current proportional to the load current is made available.
  • a disadvantage of these sense FETs is that the measurement of the load current is associated with errors of typically 15% and is therefore very inaccurate.
  • the detection of load currents by means of sense FETs involves the problem that the measuring signal is loaded with a high offset value and thus completely unsuitable for detecting load currents which are less than 250 mA.
  • the object of the present invention is therefore to provide an efficient arrangement and an efficient method for determining a load current flowing through a load present in a vehicle.
  • a current transformer with at least one primary winding, which is connected to the consumer and at least one secondary winding to which a secondary signal is removable, based on which the load current can be detected and the secondary signal can be generated by switching the switching means.
  • a current transformer is used to detect the load current. This known from the field of detection of alternating currents technology according to the invention for the detection of load currents, that is used for the detection of direct currents.
  • a short-term interruption between the voltage source and the consumer is brought about by the switching means. By this brief interruption, a secondary signal is generated in the secondary winding of the current transformer, based on which the load current is determined.
  • this interruption is sufficiently short, e.g. B. a millisecond, this interruption is irrelevant to the consumer. So this interruption z. B. not by fluctuations in the brightness of a connected Lamp as a consumer noticeable or by a reduced heating power of a heating element.
  • the invention Compared with those known from the prior art method for determining load currents, the invention has the advantages that, on the one hand, no strong heating of components takes place, as z. B. in the shunt resistor is the case. On the other hand, the invention allows a very accurate determination of the load currents, wherein the measurement signal has no offset errors and is galvanically isolated from the load current.
  • the switching means is a power semiconductor.
  • a power semiconductor can be realized inexpensively and easily controlled.
  • the secondary winding is connected to a sample-and-hold circuit.
  • the sample-and-hold circuit By the sample-and-hold circuit, the secondary signal of the current transformer is held at a certain time, thereby enabling further processing of the signal by an analog-digital converter.
  • the sample-and-hold circuit enables a cost-effective implementation of the current transformer, since it only has to transmit higher-frequency signal components of the load current. Saturation effects of the current transformer core do not influence the determination of the load current if dimensioned accordingly. The core can thus be correspondingly small and inexpensive.
  • the sample-and-hold circuit comprises a transistor with a control input, wherein the control input is connected via a high pass to the output of the microprocessor.
  • the current transformer comprises a ferrite core.
  • An arrangement with a ferrite core can be realized inexpensively.
  • the primary winding consists of a conductive bracket, which is threaded through a core of the current transformer. This design can be realized particularly inexpensive.
  • the primary winding consists of conductor tracks applied to a printed circuit board, which are enclosed by shell halves of the ferrite core. This design can be realized inexpensively.
  • Switching devices which have a rise time greater than or equal to 0.5 V / ⁇ s are particularly advantageous. These switching means allow correspondingly fast switching operations with correspondingly higher-frequency components in the load currents. Since the current transformer only has to transmit the higher-frequency components of the load current, the core of the current transformer can be dimensioned accordingly, d. H. Small and thus inexpensive ferrite cores can be used.
  • the secondary winding is loaded by a resistor.
  • a signal shaping of the secondary signal occurs. Any existing resonances of the current transformer are thereby reduced.
  • This resistance is also called load resistance.
  • the invention further includes a method for determining a load current flowing through a load present in a vehicle, wherein the load is connected to a voltage source via a switching means, wherein at least one primary winding of a current transformer is flowed through by the load current and the load current is determined by at least one a secondary winding of the current transformer removable secondary signal is detected, which is generated by switching of the switching means.
  • connection between the load and the voltage source is temporarily interrupted by the switching means to generate the secondary signal.
  • the only brief interruption does not affect the normal functioning of the consumer.
  • the short-term interruption has a duration of less than or equal to ten milliseconds.
  • the consumer is charged with a pulse width modulated voltage.
  • the exposure of consumers with pulse width modulated voltages is known from the prior art and is z. B. used to control the brightness of lamps or to control the heating power of heating elements.
  • the secondary signals of the current transformer are generated by applying the load with a pulse width modulated voltage. The application of the pulse width modulated voltage is thus used simultaneously to control the behavior of the consumer targeted, z. As the brightness of a lamp, and to ensure a determination of the load current using current transformers.
  • the invention allows numerous embodiments. Several of them are shown schematically in the drawing with reference to several figures and described below. Show it:
  • FIG. 1 is a block diagram of an inventive arrangement for determining load currents
  • Fig. 2 shows an embodiment of an inventive arrangement with a sample-and-hold circuit
  • Fig. 3 shows the time courses of different voltages and currents of the arrangement shown in Figure 2.
  • the arrangement has a voltage source 1, a switching means 2, a current transformer 3 and a load 4.
  • the voltage source 1 is realized by a battery present in a vehicle, the consumer 4 by a lamp.
  • the current transformer 3 consists of a core 32, through which a primary winding 31 and a secondary winding 33 are passed.
  • the primary winding 31 consists of a single turn, in this example a metal hoop.
  • the consumer 4 is connected to the primary winding 31 of the current transformer 3, wherein the primary winding 31 of the current transformer 3 is connected via the switching means 2 to the voltage source 1.
  • the primary winding 31 is flowed through by the load current il. From the voltage source 1, the load 4 is supplied with the load current il.
  • the connection between the voltage source 1 and the load 4 is briefly interrupted by the switching means 2.
  • a voltage is generated in the secondary winding 33 of the current transformer 3, by means of which the load current il can be determined.
  • the interruption of the load current il by the switching means 2 takes place only for a very short period of time, for. 1 ms, so that the normal function of the consumer 4 is not affected thereby.
  • the secondary winding 33 of the current transformer 3 is loaded with a resistor Rl. Based on the voltage drop u2 at the resistor Rl the load current il is determined.
  • the voltage u2 is supplied to a microprocessor 6 present in a control unit 5.
  • the switching means 2 is controlled by the microprocessor 6.
  • the arrangement according to the invention enables the determination of direct currents on the basis of a current transformer 3.
  • FIG. 2 shows the arrangement shown in FIG. 1 supplemented by a sample-and-hold circuit 7.
  • the sample-and-hold circuit 7 has a high-pass filter consisting of a capacitor C 1 and a resistor R 1. Furthermore, it comprises a transistor Tl, whose control input is connected to the output of the high-pass filter, and a further resistor R3 and a further capacitor C2, wherein the capacitor C2 via the resistor R3, the voltage drop across the load resistor Rl of the secondary winding 33 voltage u2 is supplied , The transistor Tl is connected between the secondary winding 33 of the current transformer 3 and the circuit ground.
  • the output voltage u3 of the sample-and-hold circuit 7 dropping across the capacitor C2 is fed to an analog-to-digital converter of the microprocessor 6 to determine the load current.
  • the sample-and-hold circuit 7 and the switching means 2 are controlled via a generated by the microprocessor 6 control signal u4, which is pulse width modulated.
  • the control signal u4 is supplied to the input of the high-pass filter (Cl) of the sample-and-hold circuit 7.
  • the supply via the resistor R4, the capacitor C3 and the transistor T2 is used for signal delay and to suppress any existing interference.
  • the arrangement shown in Figure 2 has the following operation.
  • the transistor T1 When the control signal u4 jumps from low to high, a voltage is generated in the secondary winding 33 of the current transformer 3, which voltage is available at the load resistor Rl. Furthermore, the transistor T1 is set in the conducting state, whereupon the signal u2 available at the resistor R1 is applied to the capacitor C2 of the sample-and-hold circuit 7. The capacitor C2 of the sample-and-hold circuit 7 is charged to a peak value. Due to the derivation of the control signal u4 by means of the high-pass filter, the transistor T1 is set in the conductive state only for a short period of time. It follows that the capacitor C2 is charged during this short period of time and maintains its voltage u4, as the transistor T1 transitions from the conducting to the blocking state.
  • the voltage u4 at the capacitor C2 and thus at the output of the sample-and-hold circuit 7 can now be digitized by an analog-digital converter.
  • the application of the sample-and-hold circuit 7 makes it possible to use a relatively small and inexpensive ferrite core for the current transformer 3, since this only has to transmit the present in the load current il higher frequency signal components.
  • the sample-and-hold circuit 7 shown in FIG. 2 has the advantage that only one signal u4 of the microprocessor 6 is needed to control the transistor T1 of the sample-and-hold circuit 7 and of the switching means 2, that is to say. H. the control can be done via a signal line.
  • the control signal u4 jumps from low to high and lingers there until the time t2 at which a jump from high to low takes place. It can be seen that in the transition from low to high, the load current il increases, and thus a voltage in the secondary winding 33 of the current transformer 3 is induced. The course of il shows that the load current il between the times tl and t2 rises to a maximum value and then decreases. The decrease can be explained by the cold conduction behavior of the consumer 4, which in this example is formed by a lamp.
  • a voltage in the secondary winding 33 of the current transformer 3 is induced, which can be removed at the load resistance Rl as the voltage u2.
  • the direct current component of the load current il can be determined. This voltage u2 rises up to a maximum value, in order then to drop, also due to saturation effects in the core 32 of the current transformer 3.
  • the transistor Tl By controlling the sample-and-hold circuit 7 with the control signal u4, the transistor Tl is set in the conductive state at the time tsl and thereby makes it possible to charge the capacitor C2.
  • the voltage u3 on the capacitor C2 represents the output voltage of the sample-and-hold circuit 7, which is supplied to the analog-digital converter of the microprocessor 6 and by means of which finally the load current il is determined.
  • the transistor transitions from the conducting to the non-conducting state and the capacitor C3 keeps its instantaneous voltage value.

Abstract

The invention relates to an arrangement and method for determining a load current that flows through a consumer (4) present in a vehicle, said consumer (4) being connected to a voltage source (1) via a switch (2) and the arrangement comprising a current transformer (3). Said current transformer has at least one primary winding (31) which is connected to the consumer (4) and at least one secondary winding (33) on which a secondary signal (u2) can be tapped. The load current (i1) can be detected by means of said signal and the secondary signal (u2) can be produced by switching the switch (2).

Description

Beschreibungdescription
Anordnung und Verfahren zur Ermittlung von Lastströmen in einem FahrzeugArrangement and method for determining load currents in a vehicle
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Ermittlung eines durch einen in einem Fahrzeug vorhandenen Verbraucher fließenden Laststromes, wobei der Verbraucher über ein Schaltmittel mit einer Spannungsquelle verbunden ist .The invention relates to an arrangement and a method for determining a load current flowing through a load present in a vehicle, wherein the load is connected via a switching means to a voltage source.
In modernen Kraftfahrzeugen ist eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern vorhanden, die über eine Spannungsquelle gespeist werden. Diese Spannungsquelle wird üblicherweise durch einen in dem Fahrzeug vorhandenen Akkumulator dargestellt, der auch als Fahrzeugbatterie bezeichnet wird. Die Verbraucher werden demnach durch eine Gleichspannungsquelle gespeist und die durch die Verbraucher fließenden Lastströme weisen einen Gleichspannungsanteil auf. Als Verbraucher im Fahrzeug können z. B. Heizelemente, Elektromotoren oder Leuchten und Lampen genannt werden.In modern motor vehicles there is a large number of electrical consumers that are fed by a voltage source. This voltage source is usually represented by an existing in the vehicle accumulator, which is also referred to as a vehicle battery. The consumers are thus fed by a DC voltage source and the load currents flowing through the loads have a DC component. As a consumer in the vehicle z. As heating elements, electric motors or lights and lamps are called.
Zur Kontrolle und Steuerung der Verbraucher ist es wichtig, die durch die Verbraucher fließenden Lastströme zu ermitteln bzw. zu diagnostizieren. Diese Diagnose wird durch in dem Fahrzeug vorhandene Steuergeräte durchgeführt. Zur Messung des Laststroms werden dabei üblicherweise zwei verschiedene Methoden bzw. Messmittel eingesetzt. Zum einen kann die Messung anhand eines Shunt-Widerstandes erfolgen, wobei der Shunt-Widerstand von dem Laststrom durchflössen wird und auf Grund des Laststromes ein Spannungsabfall am Shunt-Widerstand entsteht, der schließlich gemessen wird. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass es zu einer starken Erwärmung des Shunt-Widerstandes bei großen Strömen kommt und kostspielige Operationsverstärker eingesetzt werden müssen, wenn kleine Messspannungen zu verarbeiten sind. Eine andere Methode stellt die Erfassung von Lastströmungen mittels so genannter Sense-FETs dar. Bei den Sense-FETs handelt es sich um Halbleiter, bei denen ein zu dem Laststrom proportionaler Messstrom zur Verfügung gestellt wird. Nachteilig bei diesen Sense-FETs ist, dass die Messung des Laststromes mit Fehlern von typischerweise 15 % behaftet und somit sehr ungenau ist. Des Weiteren tritt bei der Erfassung von Lastströmen mittels Sense-FETs das Problem auf, dass das Messsignal mit einem hohen Offsetwert belastet und somit völlig ungeeignet zur Erfassung von Lastströmen ist, die kleiner als 250 mA sind.To control and control the consumers, it is important to determine or diagnose the load currents flowing through the loads. This diagnosis is performed by existing in the vehicle control units. For measuring the load current usually two different methods or measuring means are used. On the one hand, the measurement can be made on the basis of a shunt resistor, wherein the shunt resistor is flowed through by the load current and, due to the load current, a voltage drop occurs at the shunt resistor, which is finally measured. A disadvantage of this method is that it comes to a strong heating of the shunt resistor at high currents and costly operational amplifier must be used when small measuring voltages are processed. Another method is the detection of load currents by means of so-called sense FETs. The sense FETs are semiconductors in which a measuring current proportional to the load current is made available. A disadvantage of these sense FETs is that the measurement of the load current is associated with errors of typically 15% and is therefore very inaccurate. Furthermore, the detection of load currents by means of sense FETs involves the problem that the measuring signal is loaded with a high offset value and thus completely unsuitable for detecting load currents which are less than 250 mA.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine effiziente Anordnung und ein effizientes Verfahren zur Ermittlung eines durch einen in einem Fahrzeug vorhandenen Verbraucher fließenden Laststromes zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is therefore to provide an efficient arrangement and an efficient method for determining a load current flowing through a load present in a vehicle.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromwandler mit mindestens einer Primärwicklung, welche mit dem Verbraucher verbunden ist und mindestens einer Sekundärwicklung, an der ein Sekundärsignal abnehmbar ist, anhand dessen der Laststrom erfassbar ist und das Sekundärsignal durch ein Schalten des Schaltmittels erzeugbar ist. Zur Erfassung des Laststromes wird demnach ein Stromwandler verwendet. Diese aus dem Bereich der Erfassung von Wechselströmen bekannte Technik wird erfindungsgemäß für die Erfassung von Lastströmen, also für die Erfassung von Gleichströmen, benutzt. Um die Ermittlung des Laststromes anhand des Stromwandlers durchführen zu können, wird durch das Schaltmittel eine kurzzeitige Unterbrechung zwischen der Spannungsquelle und dem Verbraucher herbeigeführt. Durch diese kurzzeitige Unterbrechung wird in der Sekundärwicklung des Stromwandlers ein Sekundärsignal erzeugt, anhand dessen der Laststrom ermittelt wird. Wenn diese Unterbrechung hinreichend kurz ist, z. B. eine Millisekunde, ist diese Unterbrechung für den Verbraucher ohne Belang. So macht sich diese Unterbrechung z. B. nicht durch Schwankungen der Helligkeit einer angeschlossenen Lampe als Verbraucher bemerkbar oder durch eine reduzierte Heizleistung eines Heizelementes.This object is achieved by a current transformer with at least one primary winding, which is connected to the consumer and at least one secondary winding to which a secondary signal is removable, based on which the load current can be detected and the secondary signal can be generated by switching the switching means. Accordingly, a current transformer is used to detect the load current. This known from the field of detection of alternating currents technology according to the invention for the detection of load currents, that is used for the detection of direct currents. In order to carry out the determination of the load current based on the current transformer, a short-term interruption between the voltage source and the consumer is brought about by the switching means. By this brief interruption, a secondary signal is generated in the secondary winding of the current transformer, based on which the load current is determined. If this interruption is sufficiently short, e.g. B. a millisecond, this interruption is irrelevant to the consumer. So this interruption z. B. not by fluctuations in the brightness of a connected Lamp as a consumer noticeable or by a reduced heating power of a heating element.
Gegenüber denen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Ermittlung von Lastströmen weist die Erfindung die Vorteile auf, dass zum einen keine starke Erwärmung von Bauelementen erfolgt, wie es z. B. bei dem Shunt-Widerstand der Fall ist. Zum anderen ermöglicht die Erfindung eine sehr genaue Ermittlung der Lastströme, wobei das Messsignal keine Offsetfehler aufweist und galvanisch vom Laststrom getrennt ist .Compared with those known from the prior art method for determining load currents, the invention has the advantages that, on the one hand, no strong heating of components takes place, as z. B. in the shunt resistor is the case. On the other hand, the invention allows a very accurate determination of the load currents, wherein the measurement signal has no offset errors and is galvanically isolated from the load current.
Vorteilhafterweise ist das Schaltmittel ein Leistungshalbleiter. Ein Leistungshalbleiter kann kostengünstig realisiert und einfach gesteuert werden.Advantageously, the switching means is a power semiconductor. A power semiconductor can be realized inexpensively and easily controlled.
Besonders vorteilhaft ist es, einen Steuereingang des Schaltmittels mit einem Ausgang eines Mikroprozessors zu verbinden. Bei dieser Variante kann zur Steuerung der Anordnung ein sowieso im Fahrzeug vorhandener Mikroprozessor genutzt werden.It is particularly advantageous to connect a control input of the switching means to an output of a microprocessor. In this variant can be used to control the arrangement anyway in the vehicle existing microprocessor.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sekundärwicklung mit einer Sample-and-Hold-Schaltung verbunden. Durch die Sample-and-Hold-Schaltung wird das Sekundärsignal des Stromwandlers zu einem bestimmten Zeitpunkt festgehalten und hierdurch eine Weiterverarbeitung des Signals durch einen Analogdigitalwandler ermöglicht. Des Weiteren ermöglicht die Sample-and-Hold-Schaltung eine kostengünstige Realisierung des Stromwandlers, da dieser nur höherfre- quente Signalanteile des Laststromes übertragen muss. Sättigungseffekte des Stromwandlerkerns beeinflussen, bei entsprechender Dimensionierung, nicht die Ermittlung des Laststromes. Der Kern kann hierdurch entsprechend klein und kostengünstig ausfallen.In a further advantageous embodiment of the invention, the secondary winding is connected to a sample-and-hold circuit. By the sample-and-hold circuit, the secondary signal of the current transformer is held at a certain time, thereby enabling further processing of the signal by an analog-digital converter. Furthermore, the sample-and-hold circuit enables a cost-effective implementation of the current transformer, since it only has to transmit higher-frequency signal components of the load current. Saturation effects of the current transformer core do not influence the determination of the load current if dimensioned accordingly. The core can thus be correspondingly small and inexpensive.
Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Sample-and-Hold- Schaltung einen Transistor mit einem Steuereingang umfasst, wobei der Steuereingang über einen Hochpass mit dem Ausgang des Mikroprozessors verbunden ist. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass sowohl das Schaltmittel als auch die Sample-and-Hold-Schaltung mit ein und demselben Signal des Mikroprozessors gesteuert werden und somit nur eine Steuerleitung zwischen dem Mikroprozessor und der erfindungsgemäßen Anordnung notwendig ist.In this case, it is particularly advantageous if the sample-and-hold circuit comprises a transistor with a control input, wherein the control input is connected via a high pass to the output of the microprocessor. This embodiment has the advantage that both the switching means and the sample-and-hold circuit are controlled with one and the same signal of the microprocessor and thus only one control line between the microprocessor and the inventive arrangement is necessary.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Stromwandler einen Ferritkern. Eine Anordnung mit einem Ferritkern kann kostengünstig realisiert werden.In a further advantageous embodiment, the current transformer comprises a ferrite core. An arrangement with a ferrite core can be realized inexpensively.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung besteht die Primärwicklung aus einem leitfähigen Bügel, der durch einen Kern des Stromwandlers gefädelt ist. Diese Ausführung kann besonders kostengünstig realisiert werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the primary winding consists of a conductive bracket, which is threaded through a core of the current transformer. This design can be realized particularly inexpensive.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Primärwicklung aus auf einer Platine aufgebrachten Leiterbahnen, die von Schalenhälften des Ferritkerns umschlossen sind. Diese Ausführung kann kostengünstig realisiert werden.In another embodiment of the invention, the primary winding consists of conductor tracks applied to a printed circuit board, which are enclosed by shell halves of the ferrite core. This design can be realized inexpensively.
Besonders vorteilhaft sind Schaltmittel, die eine Anstiegszeit größer gleich 0,5 V/μs aufweisen. Diese Schaltmittel ermöglichen entsprechend schnelle Schaltvorgänge mit entsprechend höherfrequenten Anteilen in den Lastströmen. Da der Stromwandler nur die höherfrequenten Anteile des Laststromes übertragen muss, kann der Kern des Stromwandlers entsprechend dimensioniert werden, d. h. es können kleine und somit kostengünstige Ferritkerne eingesetzt werden.Switching devices which have a rise time greater than or equal to 0.5 V / μs are particularly advantageous. These switching means allow correspondingly fast switching operations with correspondingly higher-frequency components in the load currents. Since the current transformer only has to transmit the higher-frequency components of the load current, the core of the current transformer can be dimensioned accordingly, d. H. Small and thus inexpensive ferrite cores can be used.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sekundärwicklung durch einen Widerstand belastet. Hierdurch tritt eine Signalformung des Sekundärsignals auf. Eventuell vorhandene Resonanzen des Stromwandlers werden hierdurch vermindert. Im Bereich der Energietechnik, in welcher Stromwandler zur Messung von Wechselströmen eingesetzt werden, wird dieser Widerstand auch als Bürdewiderstand bezeichnet .In a further advantageous embodiment of the invention, the secondary winding is loaded by a resistor. As a result, a signal shaping of the secondary signal occurs. Any existing resonances of the current transformer are thereby reduced. In the field of power engineering, in which current transformers are used to measure alternating currents This resistance is also called load resistance.
Des Weiteren beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines durch einen in einem Fahrzeug vorhandenen Verbraucher fließenden Laststromes, wobei der Verbraucher über ein Schaltmittel mit einer Spannungsquelle verbunden ist, wobei mindestens eine Primärwicklung eines Stromwandlers von dem Laststrom durchflössen wird und der Laststrom anhand eines an mindestens einer Sekundärwicklung des Stromwandlers abnehmbaren Sekundärsignals ermittelt wird, welches durch ein Schalten des Schaltmittels erzeugt wird.The invention further includes a method for determining a load current flowing through a load present in a vehicle, wherein the load is connected to a voltage source via a switching means, wherein at least one primary winding of a current transformer is flowed through by the load current and the load current is determined by at least one a secondary winding of the current transformer removable secondary signal is detected, which is generated by switching of the switching means.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird durch das Schaltmittel die Verbindung zwischen dem Verbraucher und der Spannungsquelle kurzzeitig unterbrochen, um das Sekundärsignal zu erzeugen. Durch die nur kurzzeitige Unterbrechung wird die normale Funktionsweise des Verbrauchers nicht beeinträchtigt.In an advantageous embodiment, the connection between the load and the voltage source is temporarily interrupted by the switching means to generate the secondary signal. The only brief interruption does not affect the normal functioning of the consumer.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung bei der die kurzeitige Unterbrechung eine Zeitdauer von kleiner gleich zehn Millisekunden aufweist.Particularly advantageous is an embodiment in which the short-term interruption has a duration of less than or equal to ten milliseconds.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Verbraucher mit einer pulsweitenmodulierten Spannung beaufschlagt. Die Beaufschlagung von Verbrauchern mit pulsweitenmodulierten Spannungen ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird z. B. zur Helligkeitssteuerung von Lampen oder zur Regelung der Heizleistung von Heizelementen eingesetzt. Bei dieser Ausführung werden die Sekundärsignale des Stromwandlers durch das Beaufschlagen des Verbrauchers mit einer pulsweitenmodulierten Spannung erzeugt. Das Beaufschlagen der pulsweitenmodulierten Spannung wird also gleichzeitig genutzt, um das Verhalten des Verbrauchers gezielt zu steuern, z. B. die Helligkeit einer Lampe, und um eine Ermittlung des Laststromes mittels Stromwandler zu gewährleisten. Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Mehrere davon sind schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:In a further advantageous embodiment, the consumer is charged with a pulse width modulated voltage. The exposure of consumers with pulse width modulated voltages is known from the prior art and is z. B. used to control the brightness of lamps or to control the heating power of heating elements. In this embodiment, the secondary signals of the current transformer are generated by applying the load with a pulse width modulated voltage. The application of the pulse width modulated voltage is thus used simultaneously to control the behavior of the consumer targeted, z. As the brightness of a lamp, and to ensure a determination of the load current using current transformers. The invention allows numerous embodiments. Several of them are shown schematically in the drawing with reference to several figures and described below. Show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Ermittlung von Lastströmen,1 is a block diagram of an inventive arrangement for determining load currents,
Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Sample-and-Hold-Schaltung undFig. 2 shows an embodiment of an inventive arrangement with a sample-and-hold circuit and
Fig. 3 die zeitlichen Verläufe verschiedener Spannungen und Ströme der in Figur 2 dargestellten Anordnung.Fig. 3 shows the time courses of different voltages and currents of the arrangement shown in Figure 2.
In Figur 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung als Blockschaltbild dargestellt. Die Anordnung weist eine Spannungsquelle 1, ein Schaltmittel 2, einen Stromwandler 3 und einen Verbraucher 4 auf. Die Spannungsquelle 1 wird durch eine in einem Fahrzeug vorhandene Batterie, der Verbraucher 4 durch eine Lampe realisiert. Der Stromwandler 3 besteht aus einem Kern 32, durch den eine Primärwicklung 31 und eine Sekundärwicklung 33 hindurchgeführt sind. Die Primärwicklung 31 besteht aus einer einzigen Windung, in diesem Beispiel einem Metallbügel. Der Verbraucher 4 ist mit der Primärwicklung 31 des Stromwandlers 3 verbunden, wobei die Primärwicklung 31 des Stromwandlers 3 über das Schaltmittel 2 mit der Spannungsquelle 1 verbunden ist. Die Primärwicklung 31 wird vom Laststrom il durchflössen. Aus der Spannungsquelle 1 wird der Verbraucher 4 mit dem Laststrom il gespeist.1 shows an embodiment of the arrangement according to the invention is shown as a block diagram. The arrangement has a voltage source 1, a switching means 2, a current transformer 3 and a load 4. The voltage source 1 is realized by a battery present in a vehicle, the consumer 4 by a lamp. The current transformer 3 consists of a core 32, through which a primary winding 31 and a secondary winding 33 are passed. The primary winding 31 consists of a single turn, in this example a metal hoop. The consumer 4 is connected to the primary winding 31 of the current transformer 3, wherein the primary winding 31 of the current transformer 3 is connected via the switching means 2 to the voltage source 1. The primary winding 31 is flowed through by the load current il. From the voltage source 1, the load 4 is supplied with the load current il.
Um den Laststrom il ermitteln zu können, wird erfindungsgemäß die Verbindung zwischen der Spannungsquelle 1 und dem Verbraucher 4 durch das Schaltmittel 2 kurzzeitig unterbrochen. Durch diese kurzzeitige Unterbrechung wird eine Spannung in der Sekundärwicklung 33 des Stromwandlers 3 erzeugt, anhand derer der Laststrom il ermittelt werden kann. Die Unterbrechung des Laststromes il durch das Schaltmittel 2 erfolgt nur für einen sehr kurzen Zeitabschnitt, z. B. 1 ms, so dass die normale Funktion des Verbrauchers 4 dadurch nicht beeinträchtigt wird. Die Sekundärwicklung 33 des Stromwandlers 3 ist mit einem Widerstand Rl belastet. Anhand des Spannungsabfalls u2 an dem Widerstand Rl wird der Laststrom il ermittelt. Zur Ermittlung des Laststromes il wir die Spannung u2 einen in einem Steuergerät 5 vorhandenen Mikroprozessor 6 zugeführt. Das Schaltmittel 2 wird durch den Mikroprozessor 6 gesteuert. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Ermittlung von Gleichströmen anhand eines Stromwandlers 3.In order to be able to determine the load current IL, according to the invention the connection between the voltage source 1 and the load 4 is briefly interrupted by the switching means 2. By this brief interruption, a voltage is generated in the secondary winding 33 of the current transformer 3, by means of which the load current il can be determined. The interruption of the load current il by the switching means 2 takes place only for a very short period of time, for. 1 ms, so that the normal function of the consumer 4 is not affected thereby. The secondary winding 33 of the current transformer 3 is loaded with a resistor Rl. Based on the voltage drop u2 at the resistor Rl the load current il is determined. In order to determine the load current, the voltage u2 is supplied to a microprocessor 6 present in a control unit 5. The switching means 2 is controlled by the microprocessor 6. The arrangement according to the invention enables the determination of direct currents on the basis of a current transformer 3.
Figur 2 zeigt die in Figur 1 dargestellte Anordnung ergänzt um eine Sample-and-Hold-Schaltung 7. Die Sample-and-Hold- Schaltung 7 weist einen Hochpass auf, bestehend aus einem Kondensator Cl und einem Widerstand Rl. Des Weiteren umfasst sie einen Transistor Tl, dessen Steuereingang mit dem Ausgang des Hochpasses verbunden ist, sowie einen weiteren Widerstand R3 und einen weiteren Kondensator C2, wobei dem Kondensator C2 über dem Widerstand R3 die an dem Belastungswiderstand Rl der Sekundärwicklung 33 abfallende Spannung u2 zugeführt wird. Der Transistor Tl ist zwischen der Sekundärwicklung 33 des Stromwandlers 3 und der Schaltungsmasse geschaltet.FIG. 2 shows the arrangement shown in FIG. 1 supplemented by a sample-and-hold circuit 7. The sample-and-hold circuit 7 has a high-pass filter consisting of a capacitor C 1 and a resistor R 1. Furthermore, it comprises a transistor Tl, whose control input is connected to the output of the high-pass filter, and a further resistor R3 and a further capacitor C2, wherein the capacitor C2 via the resistor R3, the voltage drop across the load resistor Rl of the secondary winding 33 voltage u2 is supplied , The transistor Tl is connected between the secondary winding 33 of the current transformer 3 and the circuit ground.
Die an dem Kondensator C2 abfallenden Ausgangsspannung u3 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 wird zur Ermittlung des Laststromes il einem Analogdigitalwandler des Mikroprozessors 6 zugeführt. Die Sample-and-Hold-Schaltung 7 sowie das Schaltmittel 2 werden über ein von dem Mikroprozessor 6 erzeugtes Steuersignal u4 gesteuert, welches pulsweitenmoduliert ist. Hierzu wird das Steuersignal u4 dem Eingang des Hochpasses (Cl) der Sample-and-Hold-Schaltung 7 zugeführt. Die Zuführung des Steuersignals u4 zum Schaltmittel 2 erfolgt über einen Widerstand R4, einen Kondensator C3 und einen Transistor T2. Die Zuführung über den Widerstand R4, den Kondensator C3 und den Transistor T2 dient zur Signalverzögerung und zur Unterdrückung evtl. vorhandener Störungen. Die in Figur 2 dargestellte Anordnung weist folgende Funktionsweise auf. Wenn das Steuersignal u4 von Low auf High springt, wird in der Sekundärwicklung 33 des Stromwandlers 3 eine Spannung erzeugt, die an dem Belastungswiderstand Rl zur Verfügung steht. Des Weiteren wird der Transistor Tl in den leitenden Zustand versetzt, worauf das an dem Widerstand Rl zur Verfügung stehende Signal u2 an den Kondensator C2 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 gelegt wird. Der Kondensator C2 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 wird auf einen Spitzenwert aufgeladen. Durch die Ableitung des Steuersignals u4 mittels des Hochpasses wird der Transistor Tl nur für einen kurzen Zeitabschnitt in den leitenden Zustand versetzt. Hieraus folgt, dass der Kondensator C2 während dieses kurzen Zeitabschnittes aufgeladen wird und seine Spannung u4 behält, da der Transistor Tl von den leitenden in den sperrenden Zustand übergeht .The output voltage u3 of the sample-and-hold circuit 7 dropping across the capacitor C2 is fed to an analog-to-digital converter of the microprocessor 6 to determine the load current. The sample-and-hold circuit 7 and the switching means 2 are controlled via a generated by the microprocessor 6 control signal u4, which is pulse width modulated. For this purpose, the control signal u4 is supplied to the input of the high-pass filter (Cl) of the sample-and-hold circuit 7. The supply of the control signal U4 to the switching means 2 via a resistor R4, a capacitor C3 and a transistor T2. The supply via the resistor R4, the capacitor C3 and the transistor T2 is used for signal delay and to suppress any existing interference. The arrangement shown in Figure 2 has the following operation. When the control signal u4 jumps from low to high, a voltage is generated in the secondary winding 33 of the current transformer 3, which voltage is available at the load resistor Rl. Furthermore, the transistor T1 is set in the conducting state, whereupon the signal u2 available at the resistor R1 is applied to the capacitor C2 of the sample-and-hold circuit 7. The capacitor C2 of the sample-and-hold circuit 7 is charged to a peak value. Due to the derivation of the control signal u4 by means of the high-pass filter, the transistor T1 is set in the conductive state only for a short period of time. It follows that the capacitor C2 is charged during this short period of time and maintains its voltage u4, as the transistor T1 transitions from the conducting to the blocking state.
Die Spannung u4 am Kondensator C2 und somit am Ausgang der Sample-and-Hold-Schaltung 7 kann nun von einem Analogdigitalwandler digitalisiert werden. Die Anwendung der Sample-and- Hold-Schaltung 7 ermöglicht es einen relativ kleinen und preiswerten Ferritkern für den Stromwandler 3 einzusetzen, da dieser nämlich lediglich die in dem Laststrom il vorhandenen höherfrequenten Signalanteile übertragen muss. Die in der Figur 2 dargestellte Sample-and-Hold-Schaltung 7 weist den Vorteil auf, dass zur Steuerung des Transistors Tl der Sample- and-Hold-Schaltung 7 und des Schaltmittels 2 lediglich ein Signal u4 des Mikroprozessors 6 benötigt wird, d. h. die Steuerung kann über eine Signalleitung erfolgen.The voltage u4 at the capacitor C2 and thus at the output of the sample-and-hold circuit 7 can now be digitized by an analog-digital converter. The application of the sample-and-hold circuit 7 makes it possible to use a relatively small and inexpensive ferrite core for the current transformer 3, since this only has to transmit the present in the load current il higher frequency signal components. The sample-and-hold circuit 7 shown in FIG. 2 has the advantage that only one signal u4 of the microprocessor 6 is needed to control the transistor T1 of the sample-and-hold circuit 7 and of the switching means 2, that is to say. H. the control can be done via a signal line.
In Figur 3 sind die Zeitverläufe des Steuersignals u4 zur Steuerung des Schaltmittels 2 und des Transistors Tl der Sample-and-Hold-Schaltung 7, der daraus resultierende Laststrom il, der durch die Primärwicklung 31 des Stromwandlers 3 und den Verbraucher 4 fließt, die in der Sekundärwicklung 33 induzierte und an dem Lastwiderstand Rl abfallende Spannung u2 sowie die Ausgangsspannung u3 der Sample-and-Hold-Schaltung 7 dargestellt .In Figure 3, the timing of the control signal u4 for controlling the switching means 2 and the transistor Tl of the sample-and-hold circuit 7, the resulting load current il, which flows through the primary winding 31 of the current transformer 3 and the load 4, in the secondary winding 33 induced and dropped at the load resistance Rl voltage u2 and the output voltage u3 of the sample-and-hold circuit 7 is shown.
Zum Zeitpunkt tl springt das Steuersignal u4 von Low auf High und verweilt dort bis zum Zeitpunkt t2, an dem ein Sprung von High auf Low erfolgt. Es ist zu erkennen, dass bei dem Übergang von Low auf High der Laststrom il ansteigt, und somit auch eine Spannung in der Sekundärwicklung 33 des Stromwandlers 3 induziert wird. Dem Verlauf von il ist zu entnehmen, dass der Laststrom il zwischen den Zeitpunkten tl und t2 auf einen Maximalwert ansteigt und anschließend zurückgeht. Der Zurückgang ist aus dem Kaltleitverhalten des Verbrauchers 4 zu erklären, der in diesem Beispiel durch eine Lampe gebildet wird.At the time t1, the control signal u4 jumps from low to high and lingers there until the time t2 at which a jump from high to low takes place. It can be seen that in the transition from low to high, the load current il increases, and thus a voltage in the secondary winding 33 of the current transformer 3 is induced. The course of il shows that the load current il between the times tl and t2 rises to a maximum value and then decreases. The decrease can be explained by the cold conduction behavior of the consumer 4, which in this example is formed by a lamp.
Durch die zeitvariablen Anteile des Laststromes il wird eine Spannung in der Sekundärwicklung 33 des Stromwandlers 3 induziert, die an dem Belastungswiderstand Rl als Spannung u2 abgenommen werden kann. Anhand von u2 kann der Gleichstromanteil des Laststromes il ermittelt werden. Diese Spannung u2 steigt bis zu einem Maximalwert an, um dann, auch auf Grund von Sättigungseffekten in dem Kern 32 des Stromwandlers 3, abzufallen .By the time-variable components of the load current il, a voltage in the secondary winding 33 of the current transformer 3 is induced, which can be removed at the load resistance Rl as the voltage u2. Using u2, the direct current component of the load current il can be determined. This voltage u2 rises up to a maximum value, in order then to drop, also due to saturation effects in the core 32 of the current transformer 3.
Durch die Steuerung der Sample-and-Hold-Schaltung 7 mit dem Steuersignal u4 wird der Transistor Tl zum Zeitpunkt tSl in den leitenden Zustand versetzt und hierdurch die Aufladung des Kondensators C2 ermöglicht. Die Spannung u3 am Kondensator C2 stellt die Ausgangsspannung der Sample-and-Hold- Schaltung 7 dar, die dem Analogdigitalwandler des Mikroprozessors 6 zugeführt wird und anhand derer schließlich der Laststrom il ermittelt wird. Zum Zeitpunkt tS2 geht der Transistor von den leitenden in den nicht leitenden Zustand über und der Kondensator C3 behält seinen momentanen Spannungswert . By controlling the sample-and-hold circuit 7 with the control signal u4, the transistor Tl is set in the conductive state at the time tsl and thereby makes it possible to charge the capacitor C2. The voltage u3 on the capacitor C2 represents the output voltage of the sample-and-hold circuit 7, which is supplied to the analog-digital converter of the microprocessor 6 and by means of which finally the load current il is determined. At time tS2, the transistor transitions from the conducting to the non-conducting state and the capacitor C3 keeps its instantaneous voltage value.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Ermittlung eines durch einen in einem Fahrzeug vorhandenen Verbraucher (4) fließenden Laststromes (il), wobei der Verbraucher (4) über ein Schaltmittel (2) mit einer Spannungsquelle (1) verbunden ist, gekenn¬ zeichnet durch einen Stromwandler (3) mit mindestens einer Primärwicklung (31), welche mit dem Verbrau¬ cher (4) verbunden ist und mindestens einer Sekundärwicklung (33), an der ein Sekundärsignal (u2) abnehmbar ist, anhand dessen der Laststrom (i2) ermittelbar ist und das Sekundärsignal (u2) durch ein Schalten des Schaltmittels (2) erzeugbar ist.1. An arrangement for determining a through an existing in a vehicle load (4) flowing load current (il), said consumer (4) via a switching means (2) to a voltage source (1), labeled in ¬ is characterized by a current transformer ( 3) with at least one primary winding (31) which is connected to the consumer ¬ cher (4) and at least one secondary winding (33) on which a secondary signal (u2) is removable, based on which the load current (i2) can be determined and the Secondary signal (u2) by switching the switching means (2) can be generated.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (2) ein Leistungshalbleiter ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the switching means (2) is a power semiconductor.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuereingang des Schaltmittels3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a control input of the switching means
(2) mit einem Ausgang eines Mikroprozessors (6) verbunden ist.(2) is connected to an output of a microprocessor (6).
4 . Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Sekundärwicklung4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary winding s
(33) mit einer Sample-and-Hold-Schaltung (7) verbunden ist.(33) is connected to a sample-and-hold circuit (7).
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sample-and-Hold-Schaltung (7) einen Transistor (Tl) mit einem Steuereingang umfasst, wobei der Steuereingang über einen Hochpass mit dem Ausgang des Mikroprozessors (6) verbunden ist.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the sample-and-hold circuit (7) comprises a transistor (Tl) with a control input, wherein the control input is connected via a high pass to the output of the microprocessor (6).
6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (3) einen Ferritkern umfasst. 6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the current transformer (3) comprises a ferrite core.
7 . Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die Primärwicklung7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the primary winding s
(31) aus einem leitfähigen Bügel besteht, der durch einen Kern (32) des Stromwandlers (3) gefädelt ist.(31) consists of a conductive strap which is threaded through a core (32) of the current transformer (3).
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (31) aus auf einer Platine aufgebrachten Leiterbahnen besteht, die von Schalenhälften des Ferritkerns umschlossen sind.8. Arrangement according to claim 6, characterized in that the primary winding (31) consists of printed circuit boards mounted on a circuit board, which are enclosed by shell halves of the ferrite core.
9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (2) eine Anstiegszeit größer gleich 0,5 V/μs aufweist.9. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the switching means (2) has a rise time greater than or equal to 0.5 V / μs.
10. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung10. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary winding
(33) durch einen Widerstand (Rl) belastet ist.(33) is loaded by a resistor (Rl).
11. Verfahren zur Ermittlung eines durch einen in einem Fahrzeug vorhanden Verbraucher (4) fließenden Laststromes (il), wobei der Verbraucher (4) über ein Schaltmittel (2) mit einer Spannungsquelle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Primärwick¬ lung (31) eines Stromwandlers (3) von dem Laststrom (il) durchflössen wird und der Laststrom (il) anhand eines an mindestens einer Sekundärwicklung (33) des Stromwandlers (3) abnehmbaren Sekundärsignals (u2) ermittelt wird, wel¬ ches durch ein Schalten des Schaltmittels (2) erzeugt wird.11. Method for determining a load current (il) flowing through a consumer (4) present in a vehicle, wherein the load (4) is connected to a voltage source (1) via a switching means (2), characterized in that at least one primary winding ¬ lung (31) of a current transformer (3) on the load current (IL) flows through, and the load current (il) by way of at least one secondary winding (33) of the current transformer (3) is determined detachable secondary signal (u2), wel ¬ ches by a switching of the switching means (2) is generated.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Schaltmittel (2) die Verbindung zwischen dem Verbraucher (4) und der Spannungsquelle (1) kurzzeitig unterbrochen wird, um das Sekundärsignal (u2) zu erzeugen. 12. The method according to claim 11, characterized in that by the switching means (2) the connection between the load (4) and the voltage source (1) is briefly interrupted to generate the secondary signal (u2).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kurzeitige Unterbrechung eine Zeitdauer kleiner gleich zehn Millisekunden aufweist .13. The method according to any one of claims 11 or 12, characterized in that the short-term interruption has a duration of less than or equal to ten milliseconds.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (4 ) mit einer pulsweitenmodulierten Spannung beaufschlagt wird. 14. The method according to any one of claims 11, 12 or 13, characterized in that the load (4) is acted upon with a pulse width modulated voltage.
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