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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Batteriezustandsüberwachung
und des Batteriezustandsmanagements.
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Hintergrund der Erfindung
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Batterien
und Batteriestapel werden in vielen Anwendungen verwendet, wie etwa
Telekommunikationsenergieversorgungen, in elektrischen Fahrzeugen,
UPS (Uninterruptible Power Supply) und Photovoltaiksystemen. In
derartigen Systemen liefert entweder eine Batterie oder Batterien
die Hauptenergieversorgung für
das System oder sichern eine primäre Energieversorgung. Obwohl
man sich auf Batterien verlässt
zur Durchführung
dieser wesentlichen Rollen, stellen sie eine signifikante Quelle
für Systemfehler
dar, aufgrund der unvermeidlich begrenzten Batterielebensdauer und
der reduzierten Zuverlässigkeit
aufgrund von Batteriealterung. Da Batterien einen derart kritischen
Faktor in der Gesamtsystemzuverlässigkeit
darstellen, verwenden viele industrielle und fahrzeugspezifische
Anwendungen für
Batterien eine kontinuierliche Überwachung des
Zustands der Batterien, um einen drohenden Batterieausfall zu detektieren
und eine Ersetzung oder ein Neuladen der Batterie zu erlauben, bevor
der Fehler auftritt.
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Batterieüberwachungsvorrichtungen
sind verwendet worden, um Batterieperformanceparameter, wie Batterieausgangsspannung,
-strom, -temperatur, -ladezustand und verbleibende Kapazität, aufzuspüren und zu
protokollieren. Niederenergiebatteriepackungen wie diejenigen, die
in tragbaren Geräten
verwendet werden, sind oft ausgestattet mit fortschrittlichen Überwachungs-
und Managementsystemen, um die Batteriezuverlässigkeit zu verbessern und
Benutzer über
mögliche
Probleme zu alarmieren. Systeme von dem Typ, der für Niederenergiebatterien
verwendet wird, sind jedoch im Allgemeinen nicht geeignet für industrielle
Batteriegroßanwendungen,
da derartige Überwachungssysteme
dazu neigen, relativ komplex und teuer zu sein, und im Allgemeinen
eine relativ saubere und kontrollierte Umgebung benötigen. Es
besteht folglich ein signifikanter Bedarf für einfache und billige Batterieüberwachungssysteme
für industrielle
Batterieanwendungen.
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Die
meisten der vorhandenen Batterieüberwachungsvorrichtungen
beinhalten Echtzeitdatenerfassungssysteme, die kontinuierlich die
Batterieanschlusszustände überwachen.
Aufgrund des großen
Volumens der Echtzeitdaten, die von der Batterie erhalten werden,
werden die protokol lierten Daten normalerweise von dem Batteriemonitor
zu anderen größeren Geräten übertragen,
wie beispielsweise Allzweckcomputer (beispielsweise PCs) oder programmierbare
Logiksteuerungen (PLCs). Diese Vorrichtungen sind programmiert, um
die Daten zu kategorisieren und zu sichern, sowie um die Benutzer
vor potenziellen Problemen zu warnen. Ein großes Volumen von Daten muss
folglich von dem Batteriemonitor über eine Kommunikationsverbindung zu
einem PC oder einer anderen Vorrichtung übertragen werden, die die Daten
sichert oder analysiert. Derartige Systeme sind nicht geeignet für industrielle
Batterieanwendungen, weil das kontinuierliche Echtzeitdatenprotokollieren
eine sehr große
On Board Datenspeicherfähigkeit
für die
Datenmonitore erfordert. Andererseits ist eine kontinuierliche Kommunikation
der Daten, die von dem Monitor erzeugt werden, zu einer peripheren Vorrichtung
im Allgemeinen nicht möglich
aufgrund von Kosten und aufgrund des Modus der Batterieverwendung.
Beispielsweise ist in Motorenergieanwendungen die Batterie in einem
mobilen Lkw oder einem Fahrzeug, und die Kommunikationsverbindung
mit einer stationären
Peripherie (beispielsweise eine drahtlose Kommunikationsverbindung)
ist komplex und teuer. Darüber
hinaus, aufgrund des begrenzten Ausmaßes der On-Board Speicherverfügbarkeit
ist die Rate, mit der die Daten zur Speicherung abgetastet werden,
notwendigerweise geringer als wünschenswert.
Die reduzierte Abtastrate beeinträchtigt die Qualität der protokollierten Daten
und deren Verwendbarkeit, da Benutzer signifikante Batterieereignisse
(beispielsweise Spannungs- und Stromspitzen) verpassen können. Weitere
Betrachtungen umfassen die Kosten und die Größe von Monitoren. Größen und
Preisbegrenzungen, insbesondere für mobile Batteriesysteme, begrenzen
die Größe des erlaubten
On-Board Speichers,
der eine signifikante Komponente des Gesamtmonitorvolumens und der
Kosten darstellt. Die resultierenden Kompromisse, die für eine herkömmliche
Batterieüberwachung
notwendig sind, haben folglich zur Folge, dass die Endbenutzer weniger
Daten als erwünscht
erhalten, und dass die Daten, die erfasst worden sind, keine signifikanten
kurzen Ereignisse enthalten.
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Die
WO-A-99/34224 offenbart
ein Überwachungssystem
zum Überwachen
von Parametern eines Geräts.
Das System enthält
Eingänge
zum Empfangen von elektrischen analogen Signalen, die Parameter
des Geräts
darstellen. Das System enthält
ferner eine Multiplexingschaltung zum Multiplexen der analogen Signale in
sequenzielle analoge Eingangssignale und eine Auto-Rangingschaltung
zum individuellen Skalieren jedes der sequenziellen analogen Eingangssignale
innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, der geeignet ist für eine digitale
Verarbeitung. Das System enthält
auch einen Signalkonverter zum Umwandeln der skalierten sequenziellen
analogen Eingangssignale in jeweilige digitale Signale, sowie ein
digitales Verarbeitungssystem zum Speichern und/oder Manipulieren
der digitalen Signale.
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Die
WO-A-97/15839 offenbart
einen Batteriemonitor zum Überwachen
der Betriebsparameter einer Batterie zur Anzeige des absoluten Ladezustands,
des relativen Ladezustands und der Kapazität der Batterie bei einer Batterieentladung,
des Rests und der Wiederaufladzustände. Der Batteriemonitor enthält einen Stromsensor,
einen Spannungssensor und einen Temperatursensor zum Erfassen der
Batterietemperatur. Ein Prozessor nähert die Batterieparameter
unter Verwendung eines iterativen Prozesses basierend auf vorbestimmten
Beziehungen. Ausgangssignale, die für die bestimmten Parameter
kennzeichnend sind, werden bereitgestellt und können für unterschiedliche Batterieanwendungen
verwendet werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Batteriezustandsüberwachungsverfahren gemäß Anspruch
1 geschaffen.
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Die
im Folgenden beschriebene und verdeutlichte Vorrichtung und das
Verfahren führen
eine aktivitätsbasierte
Batteriedatenprotokollierung durch mit nur minimalem Erfordernis
bezüglich
der Datenspeicherkapazität.
Anstatt jeden Datenpunkt aufzuzeichnen (beispielsweise Spannung,
Strom, Temperatur der Batterie), überwacht die Erfindung die
Batterieaktivität
bezüglich
eines Ladens, Entladens und offene Schaltungsereignisse. Obwohl
Batterieparameter vorzugsweise mit sehr hohen Abtastraten abgetastet
werden, werden nur eine relativ kleine Anzahl von Speicherdatenfeldern
gespeichert und aktualisiert. Wenn das Auftreten eines Ereignisses
detektiert wird, also eine Änderung
des Ladezustands, ein Entladen oder eine offene Schaltung (kein Stromfluss),
wird ein neuer Datensatz erzeugt, der zusammengesetzt ist aus einer
ausgewählten
Anzahl an Datenfeldern. Bei jedem Abtastaugenblick werden die Datenfelder
vorzugsweise basierend auf verschiedenen Entscheidungskriterien
aktualisiert. Wenn das Ereignis endet (eine Änderung des Zustands tritt
auf), wird der Datensatz für
dieses Ereignis geschlossen, und ein neuer Datensatz wird initiiert
für ein
nachfolgendes Ereignis. Das gesamte Ereignis, das wenige Sekunden
oder Bruchteile einer Sekunde bis zu einigen Stunden dauern kann,
wird in einem einzelnen Datensatz zusammengefasst, der die Batterieaktivität während des
gesamten Ereignisses charakterisiert.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Batterieüberwachungsvorrichtung
enthält
einen Batterieerfassungseingangsanschluss, einen Stromerfassungseingangsanschluss
und einen Ausgangskommunikationsanschluss, über den Daten kommuniziert
werden können.
Ein programmierbarer Mikrocontroller ist mit dem Spannungserfassungs-
und Stromerfassungseingangsanschluss verbunden, um davon Signale
zu empfangen, und mit dem Ausgangskommunikationsanschluss, um mindestens
Signale zu übertragen,
und ist ebenfalls verbunden, um Daten für und von einem nicht flüchtigen
Speicher bereitzustellen. Der Spannungserfassungseingangsanschluss
ist mit Leitungen verbunden, die sich zu einer Batterie erstrecken,
um die Spannung über
der Batterie zu erfassen, und der Stromerfassungseingangsanschluss
ist mit Leitungen verbunden, die sich zu einem Stromsensor erstrecken,
der ein Signal liefert, das repräsentativ
für den
Strom durch die Batterie ist. Der Mikrocontroller ist programmiert,
um das Signal von dem Stromerfassungseingangssensor zu überwachen,
um eine Änderung
des Batteriezustands zwischen einem Batterieladen, -entladen und
einer offenen Schaltung zu detektieren. Ein Batterieereignis wird
zwischen Änderungen
des Zustands definiert. Während
jedes Ereignisses werden die Batteriespannung und der -strom überwacht
und der Mikrocontroller speichert Daten in dem nicht flüchtigen
Speicher, nach einem Ereignis, das mindestens den Zeitpunkt des
Ereignisses und den Gesamtstrom über
der Zeit, wie er während
des Ereignisses von und an die Batterie geliefert wurde, enthält. Zu selektiven
Zeitpunkten überträgt der Mikrocontroller
die Daten von dem nicht flüchtigen Speicher über den
Ausgangskommunikationsanschluss an einen Computer zur Analyse und/oder
Anzeige für einen
Benutzer. Die Vorrichtung kann auch einen Temperaturerfassungseingangsanschluss
enthalten, der verbindbar ist mit einem Temperatursensor an der
Batterie. Der Mikrocontroller empfängt ein Signal von dem Temperaturerfassungseingangsanschluss
während
eines Batterieereignisses und speichert die Daten in dem nicht flüchtigen
Speicher, nach einem Ereignis, das eine maximale Temperatur und/oder
minimale Temperatur, die während
des Ereignisses aufgetreten sind, darstellt.
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Zusätzlich zu
Datenfeldern, die den Zeitpunkt des Ereignisses und den Gesamtstrom über der
Zeit (Amperstunden) enthalten, kann der Mikrocontroller auch Felder
speichern, die dem Zustand des Ereignisses und dem Gesamtstrom über der
Zeit, der an und von der Batterie geliefert wird, entsprechen, Datenfelder
entsprechend Ereignisalarmen für
eine Überspannung,
Strom oder Temperatur, maximale Ereignisspannung, maximale Ereignisspannungszeit,
minimale Ereignisspannung, minimale Ereignisspannungszeit, maximale
Ereignistemperatur, maximale Ereignistemperaturzeit, maximalen Ereignisstrom
und maximale Ereignisstromzeit. Obwohl ein Ereignis (ein Batteriezustand
zwischen Zustandsänderungen)
Stunden dauern kann, muss nur ein Datenfeld pro Ereignis gespeichert
werden, was die Speicheranforderungen für den nicht flüchtigen Speicher
stark minimiert, während
die Qualität
und die Relevanz der Daten, die gesichert werden, bewahrt bleiben.
Darüber
hinaus können
sehr schnelle Abtastraten verwendet werden, um sicherzustellen,
dass instationäre
Ereignisse, wie maximale Spannungen und Ströme, detektiert werden, und
die Charakteristiken und das Timing dieser Ereignisse werden für eine spätere Analyse
gespeichert.
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Die
Vorrichtung kann auch einen Stromsensor enthalten, der einen Shunt
enthält,
der in Serie mit der Batterie geschaltet ist, durch den der Strom
fließt,
der durch die Batterie fließt,
einen Verstärker,
der verbunden ist zum Empfangen der Spannung über den Shunt, ein Filter,
um das Signal von dem Verstärker
tiefpasszufiltern, und einen Analog-zu-Digital Wandler zum Empfangen
des gefilterten Ausgangssignals von dem Verstärker und zum Bereitstellen
von digitalen Ausgangsdaten auf einer Digitaldatenkommunikationsverbindung
zu dem Stromerfassungseingangsanschluss, wodurch ein digitales Datensignal
bereitgestellt wird für
die Überwachungsvorrichtung,
um Rauschen in dem Signal zu minimieren. Der Stromsensor kann ein
Hochgewinnverstärker
sein und ein Niedergewinnverstärker,
die jeweils geschaltet sind, um die Spannung über dem Shunt zu empfangen
wobei der Analog-zu-Digital Wandler einen ersten Kanal enthält, der
geschaltet ist zum Empfangen einer Ausgabe von dem Hochgewinnverstärker, und
einen zweiten Kanal zum Empfangen einer Ausgabe von dem Niedergewinnverstärker. Der
Mikrocontroller ist programmiert, um selektiv die Stromerfassungsdaten
von dem ersten Analog-zu-Digital Wandlerkanal zu empfangen, wenn
der Strom, der erfasst wird, unter einem Schwellenwert ist, und
von dem zweiten Analog-zu-Digital Wandlerkanal, wenn der Strom,
der erfasst wird, über
einem Schwellenwert liegt.
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Der
Mikrocontroller kann auch programmiert sein zum Speichern von einem
oder von mehreren Datenfeldern für
jedes Batterieereignis in dem nicht flüchtigen Speicher von anderen
stationären
Datenfeldern, wie Installationszeit, Hochspannungseinstellwert,
Niederspannungseinstellwert, Hochstromeinstellwert und Hochtemperatureinstellwert,
die verglichen werden können
mit Daten, die gelesen werden, um Alarme auszulösen, einen zyklischen Zähler, Gesamtstunden
der offenen Schaltungsgesamtereignisse, Gesamtstunden der Entladegesamtereignisse,
Gesamtstunden der Ladegesamtereignisse, Gesamtamperstunden von Entladegesamtereignissen,
Gesamtamperstunden von Ladegesamtereignissen, und einen Zählwert der
aufgezeichneten Ereignisse.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende
detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
offensichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Batterieüberwachungssystems,
das geeignet ist zur Verwendung gemäß der Erfindung und geschaltet
ist zur Überwachung
einer Batterie;
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2 ein
Blockdiagramm einer Batterieüberwachungsvorrichtung,
die in dem System gemäß 1 verwendet
wird;
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3 ein
Flussdiagramm des Prozesses, der von dem Mikrocontroller innerhalb
der Überwachungsvorrichtung
gemäß 2 durchgeführt wird,
um den Zustand der Batterie zu bestimmen;
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4 ein
Flussdiagramm, das ein Verfahren des Betriebs einer Batterieüberwachungsvorrichtung
verdeutlicht zum Bestimmen und Speichern von Daten bezüglich Batterieereignissen;
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5 ein
Blockdiagramm eines Stromsensors zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Strom-Shunt, der mit einem Stromsensor
verwendet werden kann;
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7 eine
perspektivische Ansicht einer Stromsensorschaltung, die montiert
ist für
den Strom-Shunt gemäß 6;
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8 eine
Draufsicht der Schaltungsplatine des Stromsensors gemäß 7;
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9 eine
Bodenansicht der Schaltungsplatine des Stromsensors gemäß 7;
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10 ein
Schaltungsdiagramm, das das effektive Layout und die Platzierung
des Filternetzwerks in dem Stromsensor gemäß 7 verdeutlicht.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren ist eine Batterieüberwachungsvorrichtung, die
zur Verwendung gemäß der Erfindung
geeignet ist, mit dem Bezugszeichen 10 in 1 versehen,
und ist geschaltet zur Überwachung
der Zustände
in einer Batterie 11, die mit ihrem positiven und negativen
Anschluss an Leiter 12 bzw. 13 gekoppelt ist.
Die Batterieüberwachungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung
hat einen Spannungserfassungseingangsanschluss 15, der
durch Leitungen 16 und 17 mit den Leitungen 12 und 13 auf
jeder Seite der Batterie verbunden ist, um eine Überwachung der Spannung über der
Batterie zu erlauben. Ein Temperaturerfassungseingangsanschluss 20 ist
durch eine Leitung 21 verbunden, um ein Signal von einem
Temperatursensor 22, der mit der Batterie 11 verbunden
ist, zu empfangen. Ein Stromerfassungseingangsanschluss 24 ist
durch Leitungen 25 mit einem Stromsensor 26 verbunden,
der in einer der Batterieleitern geschaltet ist (beispielsweise der
Leiter 13, wie gezeigt), um den Pegel und die Richtung
des Stroms, der durch die Batterie fließt, zu detektieren. Die Überwachungsvorrichtung 10 hat
einen Ausgangsanschluss 28, der einen digitalen Kommunikationsanschluss 30 enthalten
kann (beispielsweise einen RS-232 Anschluss) und einen Infrarotanschluss 31 (IrDA).
Der Datenausgangsanschluss 30 kann über eine Kommunikationsverbindung 33 mit
einem Fernsystem, wie einen Computer 34, beispielsweise
PC, verbunden sein zur periodischen Kommunikation mit der Batterieüberwachungsvorrichtung 10.
Der IrDA Anschluss 31 erlaubt eine Kommunikation mit einem
IrDA-Gerät,
wie beispielsweise einem Palm PilotTM, und
andere drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsverbindungen können auch
nach Wunsch verwendet werden.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm der Batterieüberwachungsvorrichtung 10,
die in einem separaten Gehäuse
untergebracht sein kann, das benachbart zu der Batterie montiert
wird. Wie in 2 gezeigt, wird eine Spannung über der
Batterie, die auf den Leitungen 16 und 17 dem
Eingangsanschluss 15 bereitgestellt wird, an eine Stromerfassungs-
und Konditionierungsschaltung 40 geliefert, die ein konditioniertes
Ausgangssignal auf einer Leitung 41 an einen Analog-zu-Digital
(A/D)-Wandler 42 liefert. Das Ausgangssignal von dem A/D-Wandler 42 wird
auf digitalen Datenleitungen 43 an einen Mikrocontroller 44 geliefert,
beispielsweise ein DSP (Digital Signal Processor) Chip. Die Spannung
auf den Leitungen 16 und 17 wird auch durch Leitungen 46 an
eine Energieversorgungsschaltung 47 übertragen, um die internen
Leistungsbedürfnisse
der Batterieüberwachungsvorrichtung 10 bereitzustellen.
Die Energieversorgungsschaltung 47 liefert vorzugsweise
lineare oder geschaltete regulierte Energie durch einen Trenntransformator
an eine isolierte Energieversorgung 48, die die Energie
bereitstellt, die erforderlich ist für den RS-232 Anschluss 30.
Der RS-232 Anschluss 30 muss von der Energie isoliert sein,
die an den Rest der Überwachungsvorrichtung 10 geliefert
wird, um einen Schutz für
Benutzer bereitzustellen, die einen Computer direkt mit der Vorrichtung 10 über den
RS232 Anschluss 30 verbinden können. Das Signal auf den Stromerfassungsleitungen 28,
das an dem Stromerfassungseingangsanschluss 24 empfangen
wird, wird an die Stromerfassungs- und Konditionierungsschaltung 50 geliefert,
ein Ausgangssignal von dieser wird auf einer Leitung 51 an
den A/D Wandler 42 geliefert, und das Temperaturerfassungssignal
auf den Leitungen 17 wird durch den Eingangsanschluss 20 an
eine Temperaturerfassungs- und Zustandsschaltung 53 geliefert,
die ein Ausgangssignal auf einer Leitung 54 für den A/D
Wandler 42 bereitstellt. Der A/D Wandler 42 liefert
Ausgangsdaten auf den Datenleitungen 43 von den Erfassungs-
und Konditionierungsschaltungen 40, 50 und 53 zu dem
Mikrocontroller 44 in einer gesteuerten Art und Weise.
Die Erfassungs- und Konditionierungsschaltungen 40, 50 und 53 sind
vorzugsweise aus Verstärkerpuffer-Frontends gebildet,
gefolgt von Tiefpassfilterschaltungen, um Rauschen herauszufiltern.
Ein nicht flüchtiger
Speicher 57 ist durch Datenleitungen 58 mit dem
Mikrocontroller 44 verbunden. Ein geeigneter nicht flüchtiger
Speicher 57 ist ein EEPROM (Electrically Erasable Programmable
Read-Only Memory). Die Größe des Speichers,
die erforderlich ist, hängt
von der Anzahl an Datenpunkten, die zu speichern sind, ab, und von
der Zeitdauer während der
die Daten in der Überwachungsvorrichtung 10 gehalten
werden müssen.
Ein Takt 60, beispielsweise ein Kristalloszillator, wird
verwendet, um ein Taktsignal zu erzeugen, das auf einer Leitung 61 an
den Mikrocontroller 44 geliefert wird, um eine Zeitbasis
zu bilden. Nur für
Verdeutlichungszwecke der Erfindung ist eine beispielhafte Abtastperiode
des A/D 42 zur Aktualisierung von Daten 200ms. Beispiele
von kommerziellen Komponenten, die verwendet werden können, sind:
A/D 42, 12-Bit, 4-Kanal Mikrochip MCP 3204; Mikrocontroller 44,
Microchip Flash-Micro-Controller PIC 16LF76; nicht flüchtiger
Speicher 57, EEPROM 32KX8 Mikrochip 24LC256.
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Ein
spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass
kein kontinuierliches Protokollieren und Speichern von Daten bezüglich der
Batteriespannung, Temperatur und Strom erforderlich ist, was einen großen On-Board
Speicher erfordern würde.
In der vorliegenden Erfindung implementiert die Überwachungsvorrichtung 10 eine
aktivitätsbasierte
Protokollroutine. Diese wird ausgeführt, indem der Batterie 3 eindeutige Zustände zugeordnet
werden, nämlich:
(1) offene Schaltung, bei der die Batterie nicht geladen oder entladen wird
und kein Strom (oder im wesentlichen kein Strom) durch die Batterie
fließt;
(2) ein Ladezustand, bei dem die Batterie durch einen Lader geladen
wird und Strom durch die Batterie (von dem positiven zu dem negativen Anschluss)
fließt;
und (3) einen Entladezustand, bei dem die Batterie Energie an eine
Last liefert (und Strom durch die Batterie in Richtung von dem negativen
zu dem positiven Anschluss der Batterie fließt).
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Gemäß der Erfindung
ist ein Signal, das dem Batteriestrom entspricht, auf den Leitungen 28 durch
den Stromerfassungseingangsanschluss 24 bereitgestellt,
und folglich durch die Konditionierungsschaltung 50 und den
A/D Wandler 42 zu dem Mikrocontroller 44. Die
Daten, die dem Strom entsprechen, der durch die Batterie fließt, werden
durch den Mikrocontroller mit einem ausgewählten Schwellenwert ITH verglichen. Der Mikrocontroller ist programmiert,
um einen Batteriestromentscheidungsprozess durchzuführen, wie
in 3 gezeigt. Anfänglich
wird der Batteriestrom Ib von dem Mikrocontroller
bei 65 gelesen, und eine Entscheidung erfolgt in 66, ob
Ib größer als
ITH ist. Wenn dies der Fall ist, ist die
Batterie in dem Ladezustand, wie an dem Block 67 angegeben;
wenn dies nicht der Fall ist, dann erfolgt eine Entscheidung in 68,
ob Ib kleiner als –ITH ist.
Wenn ja, ist die Batterie in dem Entladezustand, wie bei Block 69 angegeben;
wenn nein, ist die Batterie in dem offenen Schaltungszustand bei
Block 70. Folglich wird die Batterie als in einem offenen
Schaltungszustand angesehen, wenn der Strom durch die Batterie größer oder
gleich –ITH und kleiner oder gleich ITH ist.
Der Wert von ITH ist vorzugsweise derart
ausgewählt,
dass er kleiner als der normale Lade- und Entladestrom ist, aber nicht
bei einem derartig niedrigen Pegel, dass minimale schwankende Ströme, die
auftreten können,
wenn die Batterie in einem untätigen
Zustand ist, aufgezeichnet werden als Änderungen eines Lade- oder
Entladezustands, wenn tatsächlich
kein Laden oder Entladen erfolgt.
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Jedes
Mal, wenn die Batterie ihren Zustand ändert (beispielsweise von der
offenen Schaltung zu einem Entladen), wird ein Aktivitätsereignis
von dem Mikrocontroller
44 registriert, und ein neuer Datensatz
wird erzeugt und in dem nicht flüchtigen
Speicher
57 gespeichert. Die bevorzugten Datenfelder, die
verfolgt und protokolliert (gespeichert) werden während eines
gegebenen Ereignisses, sind in der folgenden Tabelle 1 beispielhaft
gezeigt. Tabelle 1: Datensatz für jedes Ereignis
| Datenfeld | Gespeichertes
Feld |
| 1 | Ereignistyp
(Zustand) – offene
Schaltung, Laden, Entladen |
| 2 | Ereignisstartzeitstempel – ja: Monat:
Tag: Stunde: Minute: Sekunde: |
| 3 | Ereignisgesamtamperstunden |
| 4 | Ereignisalarme-Spannung,
Strom oder Temperatur |
| 5 | Maximumereignisspannung |
| 6 | Maximumereignisspannungszeitstempel – Y: M:
D: HH: MM: SS |
| 7 | Minimumereignisspannung |
| 8 | Minimumereignisspannungszeitstempel – Y: M:
D: HH: MM: SS |
| 9 | Maximumereignistemperatur |
| 10 | Maximumereignistemperaturzeitstempel – Y: D:
T: HH: MM: SS |
| 11 | Maximumereignisstrom |
| 12 | Maximumereignisstromstempel – Y: M:
D: HH: MM: SS |
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Tabelle
1 verdeutlicht bevorzugte ausgewählte
Datenfelder, die zu speichern sind, enthaltend nur zwölf erforderliche
Felder. Folglich enthält
jeder Datensatz, der ein Ereignis charakterisiert, das in dem nicht
flüchtigen
Speicher 57 gespeichert wird, nur zwölf Datenfelder, wobei jedes
Datenfeld ein oder zwei Speicherbytes enthält. Obwohl die Ereignisse Stunden
dauern können,
wird nur ein Datenfelddatensatz pro Ereignis gespeichert, wodurch
die Speicheranforderungen für
das nicht flüchtige
Speicher 57 stark minimiert werden, während die Qualität und die
Relevanz der Daten, die gespeichert werden, erhalten bleibt.
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Zusätzlich zu
den Ereignisdatensätzen
wird vorzugsweise ein stationärer
Satz von begrenzten Datenfeldern gespeichert und in dem nicht flüchtigen
Speicher
57 während
Ereignissen aktualisiert. Bevorzugte stationäre Datenfelder sind in der
folgenden Tabelle 2 aufgelistet. Es sei erwähnt, dass diese Felder nur
einmal erzeugt und während
Ereignissen aktualisiert werden müssen. Tabelle 2: Stationäre Datenfelder
| Datenfeld | Gespeichertes
Feld |
| 1 | Installationszeit – Y: M:
D: HH: MM: SS |
| 2 | Hochspannungseinstellwert |
| 3 | Niederspannungseinstellwert |
| 4 | Hochspannungseinstellwert |
| 5 | Hochtemperatureinstellwert |
| 6 | Batterienominalkapazitäts-Amperstunden |
| 7 | Batterienominalspannung |
| 8 | Zykluszähler |
| 9 | Gesamtstunden
der offenen Schaltung über
alle Ereignisse |
| 10 | Gesamtstunden
des Entladens über
alle Ereignisse |
| 11 | Gesamtstunden
des Ladens über
alle Ereignisse |
| 12 | Gesamtamperstunden
des Entladens über
alle Ereignisse |
| 13 | Gesamtamperstunden
des Ladens über
alle Ereignisse |
| 14 | Ereigniszählerwert
der gespeicherten Ereignisse |
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Die Überwachungsvorrichtung 10 behält eine
hohe Abtastrate von Daten von der Spannung, Strom und Temperatursensoren
bei, so dass signifikante sich ändernde
Ereignisse (beispielsweise maximale Spannung) erfasst werden. Bei
jedem Abtastpunkt liest die Überwachungsvorrichtung
die Batteriespannung, den Strom und die Temperatur und aktualisiert
die relevanten Felder. Das Folgende fasst die Aktionen der Überwachungsvorrichtung
unter Steuerung des Mikrocontrollers während dieses Prozesses zusammen.
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Erst überwacht
die Überwachungsvorrichtung
kontinuierlich den Batteriestrom, um zu bestimmen, ob sich der Zustand
der Batterie geändert
hat, indem der in 3 gezeigte Prozess verwendet
wird. Als zweites, wenn sich der Batteriezustand ändert, wird
ein neues Ereignis erkannt. Drittens, bei Beginn eines neuen Ereignisses
erzeugt die Überwachungsvorrichtung
einen neuen Datensatz, inkrementiert den Ereigniszähler und speichert
die Startzeit des Ereignisses. Viertens, bei jedem Abtastereignis
liest die Überwachungsvorrichtung die
Strom-, Spannungs- und Temperaturvariablen und aktualisiert die
verschiedenen Felder wie folgt: Wenn der Spannungsmesswert größer ist
als das Maximumereignisspannungsfeld, wird das Maximumereignisspannungsfeld
mit der neugelesenen Spannung aktualisiert. Im übrigen bleibt das Feld unverändert. Wenn
das Feld aktualisiert wird, wird auch der Maximumereignisspannungszeitstempel
aktualisiert.
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Wenn
der Spannungsmesswert kleiner als das Minimumereignisspannungsfeld
ist, wird das Minimumereignisspannungsfeld mit der neugelesenen
Spannung aktualisiert. Im übrigen
bleibt das Feld unverändert.
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Wenn
der Strommesswert größer ist
als das Maximumereignisstromfeld, wird das Maximumereignisstromfeld
mit dem neugelesenen Strom aktualisiert. Im übrigen bleibt das Feld unverändert.
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Wenn
der gelesene Temperaturmesswert größer als das Maximumereignistemperaturfeld
ist, wird das Maximumtemperaturstromfeld mit dem neugelesenen Strom
aktualisiert. Im übrigen
bleibt das Feld unverändert.
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Fünftens,
das Amperstundenfeld (Strom gegenüber der Zeit) wird aktualisiert
durch Summieren der gemessenen Amperwerte über der Zeit. Sechstens, das
Alarmfeld wird aktualisiert, wenn die Batteriespannung, der Strom
oder die Temperatur vorgesetzte ausgewählte Pegel überschreiten. Diese Pegel sind
in dem Mikrocontroller 44 vorprogrammiert als Teil der
stationären
Felder, die in der obigen Tabelle 2 aufgelistet sind. Wenn das tatsächliche
Lesen die vorprogrammierten Werte überschreitet, wird ein Alarm
erzeugt und das Alarmfeld wird aktualisiert.
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Der
Prozess, der von dem Mikrocontroller durchgeführt wird, wie oben zusammengefasst,
ist in dem Flussdiagramm gemäß 4 verdeutlicht.
Das Programm beginnt bei 75 mit dem Lesen der Batteriespannung,
des Batteriestroms und der Batterietemperatur. Der Batteriestrom
wird mit ITH bei 76 verglichen,
und wenn ein neuer Batteriezustand detektiert worden ist, werden
verschiedene Aktionen durchgeführt,
wie in Block 77 angegeben, enthaltend ein Schließen des
vorherigen Datensatzes, ein Aktualisieren der Gesamtlade- und/oder
Entladeamperstunden, Gesamtstunden des Ladens/Entladens, und offene
Felder, Aktualisieren des Ereigniszählerfelds, Erzeugen eines neuen
Datensatzes, Aktualisieren des Ereignistypfelds, und Aktualisieren des
Startzeitfelds. Das Programm kehrt dann zurück zu einer Abzweigung 78 und
macht weiter bei Block 75, um erneut die Batteriespannung,
den -strom und die -temperatur zu lesen. Wenn der gleiche Zustand
bei 76 bestimmt wird, wird ein Amperstundenfeld bei 80 aktualisiert,
und ein Vergleich der abgetasteten Information erfolgt mit den Minimum-
und Maximumspannungs-, dem -strom- und den -temperaturfeldern bei 81.
Wenn die neuen Daten die Minimums und Maximums nicht überschreiten,
macht das Programm weiter, indem es zurückkehrt zu der Abzweigung 78,
und dann weitermacht erneut mit einem Lesen der Batteriespannung,
des Stroms und der Temperatur bei 75. Wenn der Vergleich
angibt, dass die Minimum- oder Maximumwerte bei 81 überschritten
werden, macht das Programm bei Block 83 weiter, um die
relevante minimale und maximale Spannung, Strom und Temperaturfelder
zu aktualisieren, und den entsprechenden Zeitstempel zu aktualisieren,
und macht dann weiter bei Block 84, um diese mit Einstellungswerten
zu vergleichen. Wenn die Ablesungen die Einstellungswerte nicht überschreiten,
kehrt das Programm zu der Abzweigung 78 zurück und liest
erneut die Batteriespannung, den Strom und die Temperatur bei 75.
Wenn der Vergleich bei 84 angibt, dass die Einstellungspunkte überschritten
worden sind, macht das Programm weiter, um Alarme bei Block 85 zu
erkennen.
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Die
Datenfelder, die oben zusammengefasst sind, sind im Allgemeinen
mehr als adäquat,
um die Anforderungen eines industriellen Batteriebenutzers zu erfüllen. Im
Allgemeinen kümmern
sich die industriellen Batteriebenutzer nicht bei jedem Zeitpunkt
um den Zustand der Batterie, sondern sorgen sich um die gesammelten
Performancedaten während
Batterieaktivitäten
zusätzlich
zu irgendwelchen Alarmen oder Fehlern, die auftreten können.
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Wie
oben erwähnt,
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung die Minimierung der Speicheranforderungen.
Beispielsweise kann ein nicht flüchtiger
Speicher 57 gebildet werden aus zwei 32K X 8 EEPROMs, enthaltend
64K Speicher, was eine Speicherung von bis zu 1362 eindeutigen Ereignissen
ermöglicht.
Wenn die Batterie vier Ereignisse pro Tag erfährt, ist dieser Datenspeicher
ausreichend für
340 Tage speichern oder fast ein Jahr. Selbst wenn die Batterie 20 Ereignisse
pro Tag erfährt,
eine relativ hohe Aktivitätsrate
für eine
normale Batterie, ermöglicht
dies 68 Tage Datenspeicherung.
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Ein
anderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass jeder Datensatz
eine detaillierte Charakteristik der Batterieaktivität während eines
Ereignisses bereitstellt. Die maximalen und minimalen Batteriespannungen werden
bereitgestellt zusammen mit einem Zeitstempel für diese, und der maximale Strom
und die Temperatur werden auch bereitgestellt mit ihren jeweiligen
Zeitstempeln. Die Gesamtamperstunden während des Ereignisses werden
aufgezeichnet und gespeichert, sowie Gesamtlade- und Entladeamperstunden über alle
Ereignisse hinweg, was im Allgemeinen die beste Indikation einer
Batterieaktivität
darstellt. Der Ereignisamperstundenwert ist ähnlich zu der Streckenanzeige
in einem Automobil, da er den Benutzern angibt, wie viel Energie zu
und von der Batterie geliefert wurde. Der Gesamtamperstundenwert
des Ladens und Entladens ist ähnlich zu
dem Automobilkilometerzähler
und erlaubt Benutzern einen Wartungsplan basiert auf der Amperstundenverwendung
zu planen. Letztendlich werden Alarme und Fehler aufgespürt und aufgezeichnet,
was Benutzern erlaubt abnormale Zustande zu identifizieren und aufzuspüren.
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Zusätzliche
Vorteile enthalten einen einfachen Zugriff auf Daten, beispielsweise
durch RS-232 Interface oder eine Infrarotvorrichtung, wie Palm Pilot.
Die gespeicherten Daten sind einfach zu analysieren und zu interpretieren.
Ferner erlaubt die Überwachungsvorrichtung
den Herstellern die Batteriegewährleistungen
bezüglich
der Gesamtamperstunden des Ladens oder Entladens über die
Batterielebensdauer hinweg zu konditionieren, anstatt einfach eine
vorgesetzte Zahl von Monaten oder Jahren für die Garantie zu verwenden.
Dies ist eine bevorzugte Art und Weise zum Managen der Garantien,
da sie auf der tatsächlichen
Energieverwendung beruht und reale Batterieaktivitäten wiederspiegelt.
Batterieleasingfirmen können
Batteriesysteme verleihen und Benutzern eine Rechnung stellen basierend
auf der Energieverwendung (Amperstunden) anstelle nur zeitbezogen.
Zeitbasiertes Leasing und Inrechnungstellen ist für Leasingfirmen
nicht ausreichend, wenn die Batterie überverwendet oder überbelastet
wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch verwendet werden mit einem Stromsensor,
der in der Lage ist, einen weiten Bereich von Strompegeln mit hoher
Genauigkeit zu messen. Ein Strom-Shunt wird oft verwendet in herkömmlichen
Stromsensoren, um in dem System Strom zu messen, aufgrund der geringen
Kosten und der Einfachheit der Installation von Shunts. Da Strom-Shunts
jedoch geringe Signalpegel erzeugen (Minivoltbereich), sind die
Stromsignale normalerweise anfällig
für Differential-
und allgemeines Modusrauschen. Das Vorhandensein dieses Rauschens
erfordert im Allgemeinen ein zusätzliches
Filtern und eine Rauschunterdrückungsschaltung,
um das tatsächliche
gelesene Signal von dem Rauschsignal zu erhalten. Wenn ein A/D-Wandler
verwendet wird, um einen analogen Strommesswert in digitale Daten
zu wandeln, um mit einem Mikrocontroller zu kommunizieren, hängt die
erreichbare Stromlesegenauigkeit von der Anzahl an verwendeten Bits
ab. Wenn beispielsweise ein 10-Bit A/D verwendet wird, um 500A Maximumstrom
zu messen, beträgt die
Leseauflösung
nur 0,5 Amper. Ein A/D mit mehr Bit kann verwendet werden, um eine
höhere
Auflösung
zu erreichen. Die Kosten der A/Ds erhöhen sich jedoch mit der Anzahl
an Bits. Eine 0,5A Auflösung
ist akzeptabel während
eines normalen Lade- und Entladezyklus, aber in vielen Batterieanwendungen
und während
der Float-Lademodi kann der Strompegel ziemlich gering sein, normalerweise
bei wenigen 100 Milliamper. Folglich muss die Stromlesegenauigkeit
sehr hoch sein, um die Float-Strompegel genau zu messen, vorzugsweise
kleiner als 10 Milliamper. Selbst wenn ein 12-Bit A/D verwendet
wird, beträgt
die Stromlesegenauigkeit lediglich 100mA. Dies ist nicht genug für ein genaues
Messen des Float-Strompegels.
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Die
vorliegende Erfindung kann durchgeführt werden unter Verwendung
niedriger Kosten, eines weiten Bereichs und einer hochgenauen Stromsensorschaltung.
Wie in 5 gezeigt, ist ein Shunt 89 durch Leitungen 25 mit
einer Stromsensorschaltung 90 verbunden, die zwei Stromverstärkerpufferschaltungen 91 und 92 enthält, eine
mit geringem Gewinn und die andere mit hohem Gewinn. Ein Rauschfilter 93 filtert
Rauschen aus dem Signal heraus, das von dem Shunt zu den Verstärkern 91 und 92 geliefert
wird. Tiefpassfilterstufen 94 und 95 werden verwendet,
um die Stromlesemesswerte zu filtern und einen Rauschunanfälligkeitspegel
zu liefern. Die zwei analogen Messwerte werden dann verarbeitet
von einem Zweikanal A/D 97, der digitale Daten an die Überwachungsvorrichtung 10 auf
Datenleitungen 98 liefert, die verbunden sein können mit
Datenleitungen 43 in der Vorrichtung 10. Die Überwachungsvorrichtung 10 wählt zwischen
den zwei digitalen Auslesungen von dem A/D 97 aus, basierend
auf dem Strompegel. In dieser Anordnung ist eine Stromerfassungs-
und Konditionierungsschaltung 50 nicht erforderlich, und
der A/D Wandler 42 wird für Stromerfassungsdatensignale
umgangen. Obwohl die Stromsensor schaltung 90 physikalisch
gepackt sein kann mit einer anderen Schaltung gemäß 2,
ist sie vorzugsweise nahe dem Shunt 89 lokalisiert, wie
im Folgenden weiter diskutiert. In diesem Fall werden digitale Daten
dem Stromerfassungseingangsanschluss 24 bereitgestellt,
anstatt analoge Signaldaten. Es soll verstanden werden, dass die
Eingangsanschlüsse
Standardanschlüsse
sein können
oder einfach Öffnungen,
zum Aufnehmen der Signalleitungen in dem Gehäuse für die Batterieüberwachungsvorrichtung 10.
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Bei
hohen Strompegeln wird das Auslesesignal von der Niedergewinnstufe 91 ausgewählt, und
der volle Bereich der A/D Wandlerbits wird für den Vollgrößenstrombereich
des Systems reserviert. Sobald die Strommessdaten unter einen niedrigen
Schwellenwert fallen, ITH_low, wird das
Auslesesignal von der Hochgewinnstufe 92 ausgewählt. In
diesem Fall wird der volle Bereich der A/D Wandlerbits reserviert
für einen
schmäleren
Strombereich mit einem maximalen Wert von ITH_low,
wodurch folglich die Genauigkeit der niedrigen Stromauslesesignale
erhöht
wird.
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Als
ein Beispiel wird ein 500A/50mV Shunt 89 betrachtet, also
der Shunt 89 erzeugt 50mV bei 500A. Wenn die Niedergewinnpufferverstärkerstufe 91 einen
Gewinn von 82 hat, ist der verstärkte analoge Strompegel 4,1V,
was den maximalen erlaubten A/D 97 Eingangsspannungspegel
darstellt. Es sei angenommen, dass ein 10-Bit A/D 97 verwendet
wird, was einen Stromgenauigkeitsmesswert von 0,5A zur Folge hat,
was ausreichend ist, wenn der Strompegel über ein paar Amper ist. Dies
ist normalerweise der Fall während
Lade- und Entladeereignissen. Wenn ein Float-Ladestrom mit einer
Genauigkeit von 10mA gemessen werden muss, müssten die A/D-Bits in 10mV Inkrementen
gelesen werden. Da ein 10-Bit A/D 1024 Zählwerte hat, ist der maximale
Strom, der gemessen werden kann, 10,24A. Als ein Ergebnis ist der
untere Schwellenwertstrompegel ITH_low vorzugsweise
auf 10A gesetzt. Bei 10A würde
der Shunt 89 1mV erzeugen. Als Ergebnis würde die Hochgewinnpufferverstärkerstufe 92 einen
Gewinn von 4100 benötigen,
um den maximalen erlaubten A/D Eingangsspannungspegel von 4,1V zu
erzielen. Wenn der Strommesswert größer als 10A ist, wählt der
Monitor 10 den Kanal 1 (Niedergewinn) des A/D mit einer
Lesegenauigkeit von 0,5A. Sobald der Stromlesewert unter 10A abfällt, wählt der
Monitor 10 den Kanal 2 (Hochgewinn) des A/D mit einer Lesegenauigkeit
von 10mA. Bei Strompegeln über
10A wäre
der Hochgewinnverstärker 92 lediglich
gesättigt.
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Aufgrund
des Niederspannungssignalpegels, der durch den Shunt erzeugt wird
(Millivolt), sind alle Messwerte stark anfällig in dem Gleichtaktmodus-
und in dem Differenzmodusrauschen.
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Folglich
ist es wünschenswert,
die Rauschpegel zu reduzieren und ein hochqualitatives Eingangssignal
bereitzustellen.
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Um
die Rauschpegel zu minimieren und irgendwelche Rauschinterferenzen
zu reduzieren, sind die Stromerfassungs- und Konditionierungsschaltungen 91 und 92 zusammen
mit dem A/D Wandler 97 vorzugsweise auf einer Stromerfassungsplatine
(PCB = Printed Circuit Board) 100 platziert, die in naher
Umgebung des Shunt 89 positioniert sein kann, wie in 6 und 7 gezeigt.
Statt einem Senden von analogen Signalen an den Monitor 10 erfolgt
die A/D Umwandlung auf der Stromerfassungs-PCB 100, die
vorzugsweise die Spannung über
den Shunt an Eingangsanschlüssen 102 empfangt,
die durch ein kurzverdrilltes Paar von Drähten 25 mit dem Shunt 89 verbunden
sind, und digitale Signale werden auf den Datenleitungen 98 an
den Monitor 10 gesendet, wodurch die Qualität des Strommesswerts
verbessert und Rauschpegel minimiert werden.
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Das
Layout der Stromerfassungs-PCB 100 ist wichtig, um die
Rauschinterferenz zu reduzieren und die Genauigkeit der Strommessung
zu verbessern. Ein Layout, das im Wesentlichen rauschimmun ist,
ist in den 8-10 gezeigt.
Das Board 100 hat eine obere Schicht 105, eine
Bodenschicht 108, wie in den 8 bzw. 9 gezeigt.
Die Leitungen 25, die das Stromerfassungssignal befördern, sind über die
Eingangsanschlüsse 102 mit
dem Rauschfilter 93 verbunden, das zuerst aus einem Differentialmoduskondensator 112 besteht,
gefolgt von einem Differential- und Gleichtaktfilter 114.
Der Rest der analogen und digitalen Schaltkomponenten 115 ist
in dem Komponentenabschnitt auf der oberen Schicht 105 platziert.
Die Bodenschicht 108 enthält vorzugsweise eine Grundplatte
ausgenommen unter der Filterschaltung 100, um Rauschen
zu minimieren. Gleichtaktfilterkondensatoren 117 sind direkt
mit der Grundplatte an Verbindungen 118 verbunden, wenn das
gefilterte Signal in die Verarbeitungsschaltung eintritt. Eine geschlossene
und kompakte Ersetzung der verschiedenen Schaltungskomponenten ist
vorteilhaft, um das Rauschen zu reduzieren und eine Schaltungsrauschimmunität zu verbessern.
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Es
soll verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele,
wie oben verdeutlicht, beschränkt
ist, sondern alle innerhalb des Bereichs der folgenden Ansprüche liegenden
Formen abdeckt.