用于通过分流电阻器确定电流的测量方法与流程

1.本发明涉及用于特别是在高达显著超过1000a的高电流强度的情况下准确确定电流的测量装置和测量方法。


背景技术：

2.从现有技术已知各种能够测量或确定高电流强度的方法。为了确定交流(ac)电流，通常利用例如所谓的罗氏(rogowski)线圈，其中由待确定的ac电流流过的导体的交变场感生电压。除了所描述的直接测量磁场之外，还可以通过磁场补偿来实现确定。这种用于直流(dc)和ac电流的补偿电流传感器例如使用霍尔(hall)传感器进行操作，如de4230939a1中公开的那样。另一种根据补偿原理操作的传感器是磁通门传感器，如ep2669688a1中描述的那样；最后提到的传感器，即所谓的dcct传感器，然而用于与粒子加速器相关的特定应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供允许准确确定电流强度并且同时能够在没有任何大的技术支出的情况下实施的装置和方法。
4.基于前文提及的类型的方法和装置，该目的分别通过权利要求1和权利要求6的特征来实现。
5.通过在从属权利要求中提及的特征，本发明的有利实施方式和发展方案是可能的。
6.可以使用下文描述的本发明的一种特定应用是确定锂离子电池的库仑效率，由此即使在短的测量持续时间之后也能够良好地估计电池的使用寿命。这是特别有利的，因为通过测量库仑效率可以在短时间内确定重要因素，诸如温度、充电电流、以及操作策略等对使用寿命的影响。一个典型的应用也是在用于电流测量的同时准确确定分流电阻器的电阻。
7.本发明基于如下思想，通过基于能够非常准确地测量的变量而公式化表示电流强度来确定电流强度。然而，由于所提出的装置和所提出的方法旨在测量远超过100a、甚至超过1000a的非常高的电流强度，因此小的系统误差可能已经破坏了测量的精度。由于要确定的电流强度的幅值，几乎不可能进行直接测量。此外，例如由于任何电流表的固有电阻的温度漂移引起的甚至小的误差也会导致不可接受的误差。使用本发明，可以例如以优于1ma的精度确定100a的电流强度。
8.根据本发明，电路支路与不准确但可负载电流的分流电阻器并联连接，其中在确定的同时分流电阻器的电阻本身可以被确定。该电路支路包括与分流电阻器相比尽可能准确但电流可负载能力较小的参考电阻器，即参考电阻器通常承载的电流强度低于、特别是显著低于分流电阻器负载的电流强度。
[0009]-本发明与传统的罗氏线圈相比具有例如以下优点：测量精度不依赖于线圈相对
于导体的定位，并且因此不依赖于磁场的场分布。
[0010]-此外，当采用磁场，尤其是由罗氏线圈提供的磁场进行测量时，测量很容易因其他外部磁场，特别是包括因地球磁场而失真。根据本发明也可以排除这种干扰效应。
[0011]-本发明还使得测量dc电流成为可能，因为与其他感应式操作的传感器不同，不需要生成任何感生电压。总的来说，本发明中的测量结果通常也有利地与时间电流曲线无关。
[0012]-本发明还具有如下优点：能够与具有(偏移)稳定性、以及偏离线性行为等相关缺点的任何附加的放大器或积分器电路无关地操作。
[0013]-本发明还具有能够非常快速地进行电流测量的优点。
[0014]
并联电路在分流电阻器的上游和下游形成节点。
[0015]
为了能够形成方程组，其中例如节点上游和下游的电流强度被公式化为与分流电阻器的电阻的未知的或至少不准确已知的值无关的变量，通过电路支路生成可随时间变化的参考电流。
[0016]
因此，两个相互相反的电流流过分流电阻器，即：
[0017]-在节点分流的电流，其中流过分流电阻器的部分远大于流过参考电阻器的部分，以及
[0018]-参考电流源生成的电流，其(通过节点)并通过分流电阻器再次流回。
[0019]
根据本发明的该特征使得例如可以基于分流电阻器和参考电阻器两端的压降并且基于参考电阻器的相对准确已知的电阻来公式化表示电流强度。电压测量通常能够非常准确地执行。电压表的固有电阻非常高，使得电流流过电压表引起的损耗可以忽略不计。
[0020]
参考电流根据本发明被修改，以便具有足够的变量以能够求解方程组。修改参考电流的一种选择是停用电路支路。这可以通过机械开关执行，但并非必须如此。相反，也可以使用电子开关，例如晶体管，尤其是场效应晶体管，使得能够避免开关期间的电压峰值、或接触腐蚀等。
[0021]
附加的参考电流源也可以替代地连接到电路支路中。因此，可以生成比仅成对的值更多的值；可以提高精度。
[0022]
为了进一步提高精度，可以通过电隔离(galvanically isolated)参考电流源来消除其他干扰源。为此，可以使用独立于电源的电流源。原则上还可以考虑经由隔离变压器或类似电路向电流源提供能量。然而，允许独立供电的电流源是完全独立的。在本发明的一个发展方案中，太阳能电池非常适合于此。为了获得稳定的电流源，太阳能电池可以由专用光源照射。例如，提出了一种预先安装在电路板上的太阳能电池和高强度红外发光二极管(ir-led)的组合。在这种情况下，电流源被完全电隔离。这种电流源，包括在短路条件下，提供高电流。
[0023]
为了获得具有可修改的电流强度的参考电流，可以修改用于照射太阳能电池的光源。此外，两个太阳能电池还可以彼此独立地被照射并且相反地切换或操作，使得能够通过改变一个或两个光源的亮度来改变参考电流强度以及电流方向。例如，这两个光源可以交替照射。如果要断开并联连接的电路支路以修改电流强度，则电路支路也可以经由晶体管或者经由场效应晶体管走线，然后通过太阳能电池的电流流动将其置于关断状态。
[0024]
在本发明的一个有利实施方式中，可以使用桥式电路来确定分流电阻器的电阻。电阻待确定的分流电阻器连接到桥支路中。也可以有利地使用桥式电路来反转参考电流的
极性。通过确定子支路中的电流强度来确定电阻。
[0025]
由此可以将具有交替极性的参考电流选择为关于0v高度对称，使得可以提高测量精度。极性可以非常快速且准确地被反转，特别是在使用场效应晶体管进行开关的情况下。
[0026]
桥式电路的优点可以是在参考电流的极性反转中实现更准确的对称性或更准确的50％占空比。原则上也只需要一个太阳能电池用于参考电流源。
附图说明
[0027]
在附图中示出并且在下文中更详细地解释了本发明的示例性实施方式，并且给出了进一步的细节和优点。在图中：
[0028]
图1示出了根据本发明的具有能够接入的电路支路的测量装置的示意性电路图，
[0029]
图2示出了根据本发明的具有可变参考电流源的测量装置的示意性电路图，
[0030]
图3示出了用于实现用于根据图1的测量装置的开关的示意性电路图，以及
[0031]
图4至图5示出了用于实现用于根据图2的测量装置的参考电流源的示意性电路图，这里使用太阳能电池用于电隔离。
具体实施方式
[0032]
图1示出了根据本发明的具有用于接入或断开电路支路2的开关sw1的测量装置1的示意性电路图。
[0033]
在变量中，电路支路2接入的情况，即开关sw1接通的情况，由“单引号(
′
)”表示，而开关sw1断开的情况由“双引号(
″
)”表示。开关sw1断开：
[0034]i″
ref
＝0
[0035]
开关sw1接通：
[0036]i′
ref
＝i
ref，0
[0037]
假设电阻器(即分流电阻器和参考电阻器)的电阻在开关交替之间的短时间内是恒定的：
[0038]r′
sh
＝r
″
sh
＝r
sh，0
[0039]
和
[0040]r′
ref
＝r
″
ref
＝r
ref，0
[0041]
该电路也被操作(开关交替执行得如此之快)，使得可以假设电流强度i
in
在路径通过分流电阻器和通过包含参考电阻器的电路支路分支的节点的上游和下游是恒定的，即：
[0042]i′
in
＝i
″
in
＝i
in，0
[0043]
对于接通的开关sw1，这给出：
[0044][0045]
当开关sw1断开时：
[0046]v″
sh
＝r
″
sh
·i″
in
＝r
sh，0
·iin，0
[0047]
对于i
in
总体，这最终给出：
[0048][0049]
这里计算被执行是在假设开关sw1的行为类似于机械开关并且在断开状态下具有实际上无限大的电阻而在接通状态下没有欧姆电阻的情况下。
[0050]
对于其余部分，通常应预期高电流强度i
in
。
[0051]
图2示出了类似于图1的实施方式(测量装置11)，但是其中流过电路支路12的电流没有完全中断，而是其中参考电流i
ref
的极性交替变化，相1由“单引号(
′
)”表示，相反的相2由“双引号(
″
)”表示，也就是说
[0052]i′
ref
＝+i
ref，0
[0053]
和
[0054]i″
ref
＝-i
ref，0
[0055]
为此，利用了电流源13，其与参考电阻器r
ref
串联连接到电路支路12中并且其极性能够交替。此外，电流的流动被设定为使得i
in
保持恒定，也就是说：
[0056]i′
in
＝i
″
in
＝i
in，0
[0057]
无论电路情况如何，分流电阻器和参考电阻器的电阻被假设在开关交替之间的短时间内是恒定的，也就是说
[0058]r′
sh
＝r
″
sh
＝r
sh，0
[0059]
和
[0060]r′
ref
＝r
″
ref
＝r
ref，0
[0061]
对于参考电流强度的具有不同极性的两个相，这最终给出：
[0062]v′
sh
＝(i
′
in-i
′
ref
)
·r′
sh
＝(i
in，0-i
ref，0
)
·rsh，0
[0063]v′
ref
＝i
′
ref
·r′
ref
＝i
ref，0
·rref，0
[0064]
和
[0065]v″
sh
＝(i
″
in-i
″
ref
)
·r″
sh
＝(i
in
，0+i
ref，0
)
·rsh，0
[0066]v″
ref
＝i
″
ref
·r″
ref
＝-i
ref，0
·rref，0
[0067]
重排最终给出：
[0068][0069]
并且
[0070][0071]
对于电流强度i
in
，由此得出如下：
[0072][0073]
因此，在1/2的因子内，这给出了类似于根据图1的示例性实施方式的公式。
[0074]
根据图1和图2的示例性实施方式具有共同的特征，即仅需要并且必须测量同样能够被非常准确地测量的电压。参考电阻器的电阻同样是非常准确地已知的。
[0075]
在两个相期间的参考电流的绝对值不相同时，即：
[0076]
|i
′
ref
|≠|i
″
ref
|
[0077]
也可以准确确定测量电流i
in,0
和分流电阻器的电阻r
sh,0
。以下关系适用于此：
[0078][0079][0080][0081]
这给出了：
[0082][0083]
因此，对于每个开关周期，分流电阻器的当前电阻可以完全由可测量的电压和参考电阻器的已知电阻确定。
[0084]
如果在时间t＝t1、以及t＝t2等处确定的多个开关周期内分流电阻器的确定的电阻值结合在一起，则可以形成分流电阻器信号r
sh,0
(t):
[0085]rsh，0
(t)＝{r
sh，0
|t＝t1，r
sh，0
|t＝t2…
}
[0086]
应预期到，由于用于确定v
′
sh
、v
″
sh
、v
′
ref
和v
″
ref
的电压测量中的噪声，该分流电阻器信号将转而包含噪声，即快速且小的随机变化。然而，由于应预期到因电流负载引起的分流电阻器发热导致的待被预期的电阻变化将相对缓慢地发生，例如在几秒的时间间隔内发生，因此分流电阻器信号也可以被过滤以提高精度。对分流电阻器信号r
sh,0
(t)应用滤波函数f给出经滤波的分流电阻器信号r
*sh,0
(t)：
[0087][0088]
例如，平均滤波器、中值滤波器、低通滤波器或在信号处理中常见的其他滤波器函数可以用作合适的滤波器函数f。
[0089]
然后可以使用下式确定测量电流i
in,0
：
[0090][0091]
或者：
[0092][0093]
根据本发明的测量装置可以因此被用以：
[0094]-非常准确地确定电流强度，
[0095]-即使在涉及非常高的电流强度时，
[0096]-并且还准确测量分流电阻器的未知电阻。
[0097]
图3示出了如何可以实现根据图1的实施方式所需的开关sw1的示意图：发光二极管31(在红外区中发射)由电压源32供电；该电路经由场效应晶体管a进行开关。
[0098]
为了执行完全电隔离，例如可以使用太阳能电池作为电流源。以类似于光耦合器电路的方式，发光二极管31照射太阳能电池34，太阳能电池34转而开关场效应晶体管b，使得这导致关断状态或导通状态。
[0099]
最后，图4和图5均示出了示例性实施方式，其中参考电流源13能够通过使电流的极性交替在其电流强度方面被修改。根据图4的变型实施方式使用桥式电路(也称为h电路)来使极性交替。根据场效应晶体管对a-a
′
或b-b
′
分别处于导通状态还是关断状态，太阳能电池的电流有助于增大或减小参考电流强度i
ref
。在这种情况下，太阳能电池34也被红外发光二极管照射。用于修改参考电流强度i
ref
的开关仅通过还包括太阳能电池34的电路支路中的晶体管a-a
′
或b-b
′
进行。
[0100]
然而，替代地，两个太阳能电池54、55也可以反并联连接。从参考电流i
ref
的角度来看，极性取决于太阳能电池54、55中的哪一个被照射。
[0101]
附图标记列表：
[0102]
1 测量装置
[0103]
2 电路支路
[0104]
11 测量装置
[0105]
12 电路支路
[0106]
13 参考电流源
[0107]
31 发光二极管
[0108]
32 电压源
[0109]
34 太阳能电池
[0110]
51 红外发光二极管
[0111]
52 红外发光二极管
[0112]
54 太阳能电池
[0113]
55 太阳能电池
[0114]
a 场效应晶体管
[0115]a′ꢀ
场效应晶体管
[0116]
b 场效应晶体管
[0117]b′ꢀ
场效应晶体管
[0118]iref，0 参考电流强度
[0119]i′
ref 参考电流强度(相1)
[0120]i″
ref 参考电流强度(相2)
[0121]i′
in 电流强度(相1)
[0122]i″
in 电流强度(相2)
[0123]iin 电流强度
[0124]iin，0 电流强度
[0125]
k 节点
[0126]r′
sh 分流电阻器的电阻(相1)
[0127]r″
sh 分流电阻器的电阻(相2)
[0128]rsh，0 分流电阻器的电阻
[0129]rsh 分流电阻器
[0130]rsh，0
(t) 分流电阻器信号
[0131] 经滤波的分流电阻器信号
[0132]
f 滤波函数
[0133]r′
ref 参考电阻器的电阻(相1)
[0134]r″
ref 参考电阻器的电阻(相2)
[0135]rref，0
参考电阻器的电阻r
ref
参考电阻器
[0136]v′
sh
分流电阻器两端的电压(相1)
[0137]v″
sh 分流电阻器两端的电压(相2)
[0138]
sw
1 开关