Guten Tag, für eine Studienarbeit ist ein Batteriemonitor zu entwickeln. Dieser Batteriemonitor soll unter anderem die Lade und Entladeströme(bidirektional) messen um diese mit einem Microcontroller auswerten zu können. Da aus den gemessenenen Strömen auf die Ladung rückgeschlossen werden soll (Ströme integrieren), wäre es wichtig, dass die Strommessung einigermaßen genau ist, da ansonsten der Fehler bei der Integration theoretisch immer addiert wird. Ein angestrebter Wert für die Genauigkeit bei der Strommessung wäre ca. 1mA. Das Problem ist allerdings, dass Ströme bis mindestens 50 A gemessen werden sollen. Somit ist der Messbereich sehr groß. Shunt + StrommessIC (Bsp INA138/168) wäre eine Möglichkeit, allerdings wird aufgrund des großen Messbereichs das ganze doch recht ungenau, oder? Diese Spannung müsste dann noch mit einem ADC eingelesen werden. Welche Auflösung haltet ihr denn für sinnvoll? 10 bit des uC ist zu wenig: 5V/2^10 = 5mA Kann mir jemand einen ADC IC empfehlen? Die Messung mittels Stromwandler nach Hall-Prinzip ist für den Messbereich generell zu ungenau, oder? Bsp: Allegro ACS758LCB-050B-PFFF-T http://de.farnell.com/allegro-microsystems/acs758lcb-050b-pff-t/current-sensor-50a-3cb/dp/1791392 maximale Messauflösung: 0,25A Vielen Dank für Kommentare und Tipps.
eine Möglichkeit wäre Messbereichsumschaltung: Ein 10Ohm Widerstand. Parallel dazu 2 antiparallele FETs, die Du aktiv einschaltest, wenn der Strom zu groß wird. Große Ströme misst Du dann zum über einen weiteren, niederohmigen Shunt.
>Da aus den gemessenenen Strömen auf die Ladung rückgeschlossen werden >soll (Ströme integrieren), wäre es wichtig, dass die Strommessung >einigermaßen genau ist, da ansonsten der Fehler bei der Integration >theoretisch immer addiert wird. >Ein angestrebter Wert für die Genauigkeit bei der Strommessung wäre ca. >1mA. Was für ein Unsinn. Ihr baut da nur noch ein weiteres Schätzeisen zur Kapazitätsermittlung. Viel wichtiger als minimalste Ströme zu messen ist die Temperaturabhängigkeit und die Alterungsrate von Akkus je nach Belastung. Da kann man noch so genau Ströme messen. Am Ende stimmt das Ergebnis einfach nicht.
> Das Problem ist allerdings, dass Ströme bis mindestens 50 A gemessen > werden sollen. Somit ist der Messbereich sehr groß. > Ein angestrebter Wert für die Genauigkeit wäre ca. 1mA. 1:50000 = 16 signifikante Bit Auflösung? Das schafft du nicht (mit vertretbarem Aufwand). Schon bei ein paar Grad Temperaturabweichung spucken dir da so einfache Sachen wie Temperaturkoeffizienten von Widerständen bzw. Referenzspannungsquellen in die Suppe (vom Rauschen mal abgesehen)... :-o
Die Frage wäre, wie gross der Spannungsabfall am Messshunt sein darf. Bei 1V für 50A also 20mOhm 50W sind 1mA 20uV. Das ist messbar, erfordert halt einen 16 bit messgenauen A/D-Wandler. Da gibt's ja eine Menge von, nur nicht unbedingt im uC integriert weil dessen Arbeit schon zu sehr stören würde, sondern extern.
MaWin schrieb: > Das ist messbar, erfordert halt einen 16 bit messgenauen A/D-Wandler. Und ein sehr gutes Layout... :-o
MaWin schrieb: > Bei 1V für 50A also 20mOhm 50W sind 1mA 20uV. Das ist messbar, erfordert Das sind dann 50Watt Verlustleistung bei 50A. Selbst 2mOhm ergeben schon 5W Verlustleistung. Es geht hier bestimmt um eine Batterie im (Elektro-)Auto.
Schau dir folgende Seiten an, da sind verstärker bereits dabei und ordentliche Singalausgänge dabei. http://www.isabellenhuette.de/de/mess-systeme/ die teile sind nicht wirklich teuer (IVT A ~ 200€ war der auf einer messe genannte preis bei 1 Stück) ansonsten kannst du deren MessIC auch einzel ohne shunt beziehen und den shunt selber und selbst zu basteln beginnen. zudem solltest du dir, je nach batterie typ einen reset punkt suchen (oder auch mehrere) ich würde unterschreiten einer mindestspannung, erreichen der ladeschlussspannung und übergang von I zu U Ladung (~80%) vorschlagen. sg zoggl
Vor einigen Jahren wurde in der 'Elektronik' oder einem Derivat dieser Zeitschrift ein IC vorgstellt, das genau diese Aufgabe erledigen sollte. Es war für KFZs entwickelt worden. Vielleicht kannst Du unter elektroniknet.de (das war wohl die Adresse) im Archiv suchen.
Schonmal an Strommessung via Hall-Sensor gedacht. Hatte da letztens eine Seite gefunden die entsprechende Hall-Sensoren anbieten. Kabel durch fertig.
bei längeren Kabeln kann auch das Kabel selbst als Shunt genutzt werden. Dann misst du zwischen zwei Punkten bekannter Länge den Spannungsabfall.
Thomas Hempe schrieb: > Schonmal an Strommessung via Hall-Sensor gedacht. LOL... :-D Bei 16 signifikanten Bits? Im Auto mit vielerlei Störeren im Temperaturbereich von -30 bis +80°C? Ich möchte hier grundlegend die geforderte Genauigkeit von 1mA in Frage stellen... EDIT: > bei längeren Kabeln kann auch das Kabel selbst als Shunt genutzt werden. Nicht mal eine Konstantanleitung kann die geforderte Genauigkeit über den nötigen Temperaturbereich bieten!
> Schonmal an Strommessung via Hall-Sensor gedacht. Ja, hat er, Thomas, du hättest den Originalbeitrag nur mal lesen müssen: > Die Messung mittels Stromwandler nach Hall-Prinzip aber im Gegensatz zu dir hat er begriffen > ist für den Messbereich generell zu ungenau, oder?
> Das Problem ist allerdings, dass Ströme bis mindestens 50 A gemessen > werden sollen. Somit ist der Messbereich sehr groß. Es gibt Mosfets mit einem Pin zur Strommessung. Evtl. hilft es dir ja. > Da aus den gemessenenen Strömen auf die Ladung rückgeschlossen werden > soll (Ströme integrieren), wäre es wichtig, dass die Strommessung > einigermaßen genau ist, da ansonsten der Fehler bei der Integration > theoretisch immer addiert wird. > Ein angestrebter Wert für die Genauigkeit bei der Strommessung wäre ca. > 1mA. Aha, wie wird denn geladen ? Per PWM oder per konstant Strom ? Du verlierst bei der Messung mit dem ADC sowieso Werte, da du garnicht so schnell abtasten kannst als das du jeden Ripple mitbekommen würdest. Und bei einer Batterie auf ein mA genau zu messen halte ich für Humbug, der unbekannten Größe Selbstentladung sei dank.
>Und bei einer Batterie auf ein mA genau zu messen halte ich für Humbug, >der
unbekannten Größe Selbstentladung sei dank.
So ein Humbug ist das alles nicht. Bei KFZs summieren sich die
Ruheströme aller Komponenten, sodass es im mA schon einiges zu messen
gibt. Die Alterung/Selbstentladung einer Batterie geht langsamer
vonstatten.
Alle Ripple-Geschichten kann man per Integrator filtern.
Bei einem älteren Passat hatte ich am Batteriekabel Abgriffe gefunden:
1mOhm war der Kabelwiderstand dazwischen. Diese sind wohl zur
Stromessung vorgesehen gewesen. Temperatureinflüsse kann man
herausrechnen, indem man die Temperatur mißt. Der Tk von Kupfer ist
bekannt.
Vielen Dank für die vielen Kommentare bislang. Die Idee hinter den 1 mA Auflösung war, dass ich die Faktoren Temperatur, Alterung und sonstige Effekte später softwaretechnisch hinzuaddieren wollte. Wenn allerdings kein realistisches Ergebnis vorliegt, dann ist das nicht vielversprechend. Ich denke ich muss die angestrebte Auflösung aber auf mindestens 10mA erhöhen, da sich das sonst nicht realisieren lässt. Die hohe Auflösung eben, weil ich verhindern will, dass sich die Batterie entlädt, ohne dass ich das mitbekomme. Wie könnte denn eine funktionierende Messbereichsumschaltung aussehen? Wäre dies mit einem zusätzlichen Parallelwiderstand möglich, der mittels Relais geschaltet werden kann?
Eine Meßbereichsumschaltung würde ich überhaupt nicht machen. Soll da ein Relais die 50A schalten? Nimm einen niederohmigen Shunt und wandle direkt mit einem Delta-Sigma-ADC. Ein billiger wäre der MCP3553. Damit hast Du auf jeden Fall eine hohe Auflösung; an der Genauigkeit kannst Du dann arbeiten :-)
Okay, habe mich mal über den ADC informiert. So wie ich das sehe hat dieser IC kein Sample & Hold Glied integriert, oder? Wäre wichtig, da sich der Strom ja verändern kann. Entwickler schrieb: > Soll da > ein Relais die 50A schalten? Ja es war eigentlich so gedacht.
> Okay, habe mich mal über den ADC informiert. Anscheinend noch nicht so richtig. > So wie ich das sehe hat dieser IC kein Sample & Hold Glied integriert, > oder? Das ist ein Delta-Sigma-Wandler. Der hat prinzipiell kein Sample & Hold, weil er kontinuierlich mit einer relativ hohen Abtastrate (> 100 kHz) wandelt. Der Vorteil dabei ist, dass die Anforderungen an das Anti-Aliasing-Filter nicht hoch sind und schon im Wandler so eine Art Mittelwertbildung passiert. > Wäre wichtig, da sich der Strom ja verändern kann. Für eine Ladungsmessung ist das eigentlich nicht so wichtig, solange man korrekt den arithmetischen Mittelwert des Strom misst. Man muss also den Messwert mit einem Tiefpass so filtern, dass man keine Strom-Spitzen verpasst, aber das sollte kein großen Problem sein. Es gibt für solche Anwendungen auch spezielle ICs, z.B. von TI, z.B.: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/bq27000.html Der ist zwar für LiIonen-Akkus gemacht, aber vielleicht kannst du dir da ein paar Ideen holen. Evtl gibt es ähnliche Bausteine, die etwas flexibler einsatzbar sind. Noch eine Anmerkung zur Genauigkeit: Ich denke, dass eine absolute Genauigkeit von 1mA nicht notwendig ist. Der Fehler in der Ladungsmange, den man macht, ist das Integral aus dem Strom-Messfehler über der Zeit. Wenn man z.B. eine Stunde lang den Akku mit einem hohen Strom belastet und dabei 10 mA Messfehler hat, ist der aufintegrierte Ladungs-Fehler 10 mAh. Wenn allerdings im Standby über mehrere Tage hinweg der Messfehler im Strom 10 mA beträgt, dann summiert sich das schon zu einem großen Wert. Bei einem Messbereich von 50A entspricht eine Genauigkeit von 0,1% einem Messfehler von 50 mA, das wäre schon ein sehr guter Wert, den man nicht so ohne weiteres erreicht. Im Standby, also bei einem sehr geringen Laststrom, sollte die Genauigkeit aber schon im Bereich 1mA sein. Hier ist vor allem ein geringer Offset-Fehler wichtig, dazu muss auf jeden Fall regelmäsig, also im Betrieb, eine Offset-Kalibration durchgeführt werden.
Johannes schrieb: > Im Standby, also bei einem sehr geringen Laststrom, sollte die > Genauigkeit aber schon im Bereich 1mA sein. Wie wäre es, wenn du die Strompfade am Akku aufteilst und "Kleinverbraucher" mit höherer Genauigkeit misst. Den "Großverbraucher" Antrieb dann eben mit geringerer Auflösung... Und zwischendurch solltest du irgendeine Art finden, das Ding wieder zu "referenzieren" (Lade- oder Entladeschlussspannung...). > Wenn man z.B. eine Stunde lang den Akku mit einem hohen Strom belastet > und dabei 10 mA Messfehler hat, ist der aufintegrierte Ladungs-Fehler > 10 mAh. Der selbe Effekt tritt auf, wenn du den Akku mit einem kleinen Strom belastest und dabei 10mA Messfehler hast... :-o > Wenn allerdings im Standby über mehrere Tage hinweg der Messfehler im > Strom 10 mA beträgt, dann summiert sich das schon zu einem großen Wert. Und trotzdem bleibt die Frage, ob dieser "große" Wert irgendeine praxisbezogene Relevanz hat: nach 1 Tag sind das dann 240mAh, nach einer Woche aufgerundet 2Ah. Da kann sogar die Selbstentladung des Akkus noch mithalten...
>Und trotzdem bleibt die Frage, ob dieser "große" Wert irgendeine >praxisbezogene Relevanz hat: Ich denke, das ist auch Bestandteil von Michaels Arbeit. Das kann man aber nur klären, wenn man bei der Messung hinreichend "Reserven" hat. Delta-Sigma-Wandler haben eine hohe Auflösung bei geringen Kosten. Und auch der Eingangsoffset und dessen Drift sind sehr gering, sodass keine Vorverstärkung die Messung zusätzlich verfälschen könnte.
> Der selbe Effekt tritt auf, wenn du den Akku mit einem kleinen Strom > belastest und dabei 10mA Messfehler hast... :-o Ich denke, du hast schon verstanden, wie das gemeint war: Ein großer Lade- oder Entladestrom fließt nicht sehr lange, dann ist der Akku entweder voll oder leer. Bei einem kleinen Strom dauert es viel länger, also wirkt sich der Fehler hier mehr aus. > Und trotzdem bleibt die Frage, ob dieser "große" Wert irgendeine > praxisbezogene Relevanz hat: nach 1 Tag sind das dann 240mAh, nach einer > Woche aufgerundet 2Ah. Da kann sogar die Selbstentladung des Akkus noch > mithalten... Vielleicht ist gerade das der Sinn dieser Messung, dass man die Selbstentladung auch ermitteln kann. Und dann sollte der Messfehler natürlich geringer als die Selbstantladung sein.
Johannes schrieb: > Ein großer Lade- oder Entladestrom fließt nicht sehr lange, > dann ist der Akku entweder voll oder leer. Bei einem kleinen Strom > dauert es viel länger, also wirkt sich der Fehler hier mehr aus. Überleg dir das nochmal... Es ist unabhängig von der Stromstärke für den aufintegrierten Fehler nur die Integrationszeit interessant. Wenn ich bei 50A die 10mA Messfehler habe und bei 1A auch, dann ist letztlich nur der Messfehler selber relevant. > Und dann sollte der Messfehler natürlich geringer als die Selbstantladung > sein. Schluck... :-o Nehmen wir mal einen größeren Akku mit 500Ah. Dann 2% Selbstentladung pro Monat = 10Ah. Da liegt der Summationsfehler mit 10mA Messfehler in etwa in der gleichen Größenordnung... Michael schrieb: >>> Wäre dies mit einem zusätzlichen Parallelwiderstand möglich, >>> der mittels Relais geschaltet werden kann? >> Soll da ein Relais die 50A schalten? > Ja es war eigentlich so gedacht. Und dann mit seinen undefinierten Kontaktwiderständen einen 2mOhm Shunt parallel zu einem 20mOhm Shunt schalten?
>Nehmen wir mal einen größeren Akku mit 500Ah. Dann 2% Selbstentladung >pro Monat = 10Ah. Da liegt der Summationsfehler mit 10mA Messfehler in >etwa in der gleichen Größenordnung... Und wie sieht die Rechnung aus, wenn der verwendete Akku nur 12Ah hat. Man kann sich seine Welt auch schön rechnen :-)
Entwickler schrieb: > Und wie sieht die Rechnung aus, wenn der verwendete Akku nur 12Ah hat. Ja, das wissen wir leider nicht, deshalb ist jede Annahme richtig, wenn die Schlussfolgerungen passen... ;-)
> Und dann mit seinen undefinierten Kontaktwiderständen einen > 2mOhm Shunt parallel zu einem 20mOhm Shunt schalten? Das ist egal, denn du misst ja nicht den Relaiskontaktwiderstand sondern den Spannungsabfall am Shunt, und den Spannungsabfall am anderen Shunt, und weisst daher in der Summe den Summenstrom. Das Reöais verhindert im wesentlichen die Überlastung des höherohmigen Shunts (der trotzdem ein paar msec den vollen Strom aushalten können muss).
MaWin schrieb: > der trotzdem ein paar msec den vollen Strom aushalten können muss Und die versorgte Schaltung mit dem dadurch erzeugten Spannungseinbruch zurechtkommen muss: z.B. 100mOhm * 50A = 5V :-/ Irgendwie scheint mir die Skalierung hier ein nicht zu unterschätzendes Problem darzustellen, denn auch 10mA*100mOhm gibt nur 1mV ...
> Überleg dir das nochmal... > Es ist unabhängig von der Stromstärke für den aufintegrierten Fehler nur > die Integrationszeit interessant. Wenn ich bei 50A die 10mA Messfehler > habe und bei 1A auch, dann ist letztlich nur der Messfehler selber > relevant. Bei einem Akku mit angenommen 500 Ah ist der Akku bei einem Entladestrom von 50 A in 10 Stunden leer. Man macht bei einem Messfehler von 10 mA damit einen Fehler von 0,1 Ah. Bei 1A Entladestrom dauert es 500 h, damit ist der Fehler schon 2 Ah, wenn man hier auch einen Messfehler von 10 mA hat. Der Trick ist, dass jedesmal beim Aufladen bzw. Entladen am Ende der Ingrierer wieder auf einen Startwert gesetzt wird, so dass sich der Fehler nicht endlos aufsummiert. > Nehmen wir mal einen größeren Akku mit 500Ah. Dann 2% Selbstentladung > pro Monat = 10Ah. Da liegt der Summationsfehler mit 10mA Messfehler in > etwa in der gleichen Größenordnung... Wenn der Akku über einen Monat nur durch Selbstentladung leer wird, dann fließt kein Laststrom. In diesem Fall ist nur noch der Offset-Fehler in der Strommessung relevant, und der lässt sich durch geeignete Maßnahmen (automatische regelmäsige Kalibration) mit Sicherheit auf unter 1mA reduzieren. > Irgendwie scheint mir die Skalierung hier ein nicht zu unterschätzendes > Problem darzustellen, denn auch 10mA*100mOhm gibt nur 1mV ... Siehst Du ein Problem darin, eine Spannung von 1mV zu messen? Für den 50A-Messbereich würde ich einen 1mA-Shunt verwenden, der Messbereich ist dann 50 mV. Für eine Genauigkeit von 0,1% muss der prozentuale Messfehler am A/D-Wandler kleiner als 50 µV sein. Das ist mit Sicherheit anspruchsvoll, aber vermutlich sind 0,1% auch nicht notwendig. Viel wichtiger ist der Offset-Fehler, der sollte so klein wie möglich sein.
> 50 A in 10 Stunden leer. damit einen Fehler von 0,1 Ah. Ja, klar. > 1A Entladestrom dauert es 500 h, damit ist der Fehler schon 2 Ah, 500h * 10mA = 2Ah? Hmmm... Ich komme auf 5Ah. Aber trotzdem sind wir eigentlich synchron: für den Fehler ist in der Summe nur die Zeit relevant. > Siehst Du ein Problem darin, eine Spannung von 1mV zu messen? Ja, wenn irgendwo Ströme im 50A Bereich unterwegs sind, dann schon...
>Für den 50A-Messbereich würde ich einen 1mA-Shunt verwenden,
Am besten im Sicherungshalter mit Schnellwechselvorrichtung :-)
Ich würde für den ganzen Meßbereich einen 1mOhm Shunt verwenden.
> > Siehst Du ein Problem darin, eine Spannung von 1mV zu messen? > Ja, wenn irgendwo Ströme im 50A Bereich unterwegs sind, dann schon... Wenn man das richitg macht, ist das eigentlich kein Problem. Der Vorteil hier ist ja, dass die zu messende Signalbandbreite sehr klein ist, man kann also den Messwert mit einem Tiefpass schon mal gut Filtern. Dann einen Delta-Sigma-Wandler mit der zugehörigen Eingangsbeschaltung potentialfrei aufbauen und auf das gleiche Potential wie den Shunt legen. Damit kann man auch bei großen Strömen noch recht kleine Spannungen messen, also 1 mV sollte da absolut kein Problem sein. Und wie gesagt, muss die Genauigkeit bei hohem Laststrom nicht so hoch sein, außer man würde den halb vollen Akku über einen langen Zeitraum ständig mit einem hohen Strom ein Stückchen laden und dann wieder entladen, so dass er nie die Lade- oder Entladeschlussspannung erreicht. Aber das kommt im normalen Betrieb bei einem Akku eigentlich nicht vor. Mit einem 1 mOhm Shunt über den gesamten Messbereich wird es schon anspruchsvoller, da braucht man dann < 10 µV Offset, um die 10 mA zu erreichen. Hier muss man auf jeden Fall mit Problemen durch Thermospannungen, Temperaturdrift und anderen Effekten rechnen. Hier wäre mal interessant zu wissen, in welchem Temperaturbereich die Schaltung arbeiten soll.
Johannes schrieb: > Hier wäre mal interessant zu wissen, in welchem Temperaturbereich die > Schaltung arbeiten soll. Oder besser noch, in welcher Anwendung (Gerät) die Schaltung arbeiten soll...
Die zu entwickelnde Schaltung soll es beispielsweise im Wohnmobil ermöglichen den aktuellen Ladezustand der Batterie zu visualisieren. Angeschlossene Verbraucher sind also Fernseher, Radio, verschiedene Lampen... Funktionieren soll das Gerät (größenordnungsmäßig) von -10°C bis 40°C.
"Die zu entwickelnde Schaltung soll es beispielsweise im Wohnmobil ermöglichen den aktuellen Ladezustand der Batterie zu visualisieren." Dein Verfahren kannst du da gleich vergessen. Der Ladezustand bzw. die entnehmbare Kapazität der Bleiakkus ist nicht nur von der hin- und herfließenden Ladung sondern auch stark von der Temperatur, der Selbstentladung, ALterung, Sulfatierung, usw. abhängig, also von Dingen, die du nicht erfasst.
ArnoR schrieb: > Dein Verfahren kannst du da gleich vergessen. Der Ladezustand bzw. die > entnehmbare Kapazität der Bleiakkus ist nicht nur von der hin- und > herfließenden Ladung sondern auch stark von der Temperatur, der > Selbstentladung, ALterung, Sulfatierung, usw. abhängig, also von Dingen, > die du nicht erfasst. Michael schrieb: > Die Idee hinter den 1 mA Auflösung war, dass ich die Faktoren > Temperatur, Alterung und sonstige Effekte später softwaretechnisch > hinzuaddieren wollte. Wenn allerdings kein realistisches Ergebnis > vorliegt, dann ist das nicht vielversprechend. Das Erfassen der anderen Werte ist schon geplant. Es sollen Strompeaks mitgelogged werden, sowie Lade/Entladezyklen, Temperatur etc. und dann alle Daten in einer Software verrechnet werden. Die Stromauswertung sollte nur ein Element für die Einschätzung des Status of Charge (SoC) werden. Trotzdem sollte es einigermaßen genau werden.
> Michael schrieb: >> Die Idee hinter den 1 mA Auflösung war, dass ich die Faktoren >> Temperatur, Alterung und sonstige Effekte später softwaretechnisch >> hinzuaddieren wollte. Wie soll die Temperatur, Alterung ... durch eine 1mA-Auflösung bei der Strommessung erfasst werden. Das Eine ist unabhängig vom Anderen.
ArnoR schrieb: > Wie soll die Temperatur, Alterung ... durch eine 1mA-Auflösung Nehmen wir mal an: er sammelt alle Werte und setzt "Künstliche Intelligenz" ein. Dann bleiben immer noch genug Störgrößen, die das lernende System kaum während der garantierten 2 Jahre Batterielebensdauer vollständig lernen kann. Denn es gibt ja nur 2 Winter und 2 Sommer und evtl. einen Zellenschluß, eine Tiefentladung bis die Batterie entsorgt wird. Die nächste Batterie wird wieder andere Eigenschaften haben.
>> Michael schrieb: >>> Die Idee hinter den 1 mA Auflösung war, dass ich die Faktoren >>> Temperatur, Alterung und sonstige Effekte später softwaretechnisch >>> hinzuaddieren wollte. > >Wie soll die Temperatur, Alterung ... durch eine 1mA-Auflösung bei der >Strommessung erfasst werden. Das Eine ist unabhängig vom Anderen. Er schreibt ja, dass er diese Effekte hinzuaddieren, also kompensieren möchte; nicht unbedingt damit erfassen. Das ist aber nur dann sinnvoll, wenn die Strommessung mindestens so genau ist, dass die Messfehler in der Kapazität nicht größer sind als die Effekte, die man wegkompensieren will.
> Ein angestrebter Wert für die Genauigkeit bei der Strommessung
wäre ca. 1mA.
> Die Messung mittels Stromwandler nach Hall-Prinzip ist für den
Messbereich generell zu ungenau, oder?
Nein, es gäbe ansonsten keine Messzangen deren Ströme im untersten
Meßbereich bei 0,001A beginnen, von Beha/Amprobe z.B LH41A, (1,3% + 5
digits).
0,001A AC / 0,01A DC CHB35
0,05mA AC CHB5
0,01mA AC AC50A
Wenn es nur Stromzangen-Adapter sein sollen:
CT235A 1mV/A (+- 1%+ 0,5A)
CT237B
> Nein, es gäbe ansonsten keine Messzangen deren Ströme im untersten > Meßbereich bei 0,001A beginnen, von Beha/Amprobe z.B LH41A, (1,3% + 5 > digits). > 0,001A AC / 0,01A DC CHB35 Hier geht es um DC-Messung, und da hat das CHB35 10 mA... Bei einer DC-Messung nach dem Hallprinzip hast du eine große Fehlerquelle durch statische Magnetfelder (z.B. Erdamagnetfeld, Relais in der Nähe des Sensors, ...). Dadurch wird ein Offsetfehler erzeugt, der sich ständig ändert und den man praktisch nicht wegkalibrieren kann. Bei einem Shunt hat man am Sensorelement selber, also am Widerstand, keinen Offset-Fehler, da bei 0 A Strom auch die Spannung 0 V beträgt, mal von Thermospannungen abgesehen. Den Rest der Schaltung kann man auch im Betrieb kalibrieren, indem mit einem Analog-Schalter der Eingang kurzzeitig vom Shunt abgekoppelt und kurzgeschlossen wird.
@Johannes, > Hier geht es um DC-Messung, und da hat das CHB35 10 mA... Genau das habe ich auch geschrieben. > Bei einer DC-Messung nach dem Hallprinzip hast du eine große Fehlerquelle durch statische Magnetfelder.... Deine Bedenken kann ich nicht teilen, wenn ich meine unterschiedlichen Meßzangen einschalte, merke ich nichts von alledem. > und den man praktisch nicht wegkalibrieren kann. Und wenn es trotzdem schon etwas anzeigt, dagegen gibt es am Gerät eine Nullpunkteinstellung.
>> Hier geht es um DC-Messung, und da hat das CHB35 10 mA... > Genau das habe ich auch geschrieben. Der "angestrebte Wert für die Genauigkeit" ist 1mA; deine Stromzange hat 10 mA Auflösung und die Genauigkeit ist nochmal ein ganz anderes Thema. > Deine Bedenken kann ich nicht teilen, wenn ich meine unterschiedlichen > Meßzangen einschalte, merke ich nichts von alledem. Hast du noch nie den Nullpunkt einstellen müssen? > Und wenn es trotzdem schon etwas anzeigt, dagegen gibt es am Gerät eine > Nullpunkteinstellung. Ja genau, und es hat einen guten Grund, dass es diese Einstellmöglichkeit gibt (Hall-Sensoren haben einfach dieses Problem). Du hast bei der Stromzange den Vorteil, dass du den Nullpunkt abgleichen kannst, bevor die Messung gemacht wird. Dabei ist der Strom durch die Zange bekannt, nämlich 0. Bei der Messung im Wohnmobil geht das aber nicht, weil eigentlich immer irgend ein Strom fließt bzw. zumindest fließen kann. Man hat keine Möglichkeit, den Nullpunkt genau abzugleichen, außer dass man die Batterie komplett abschaltet. Bist du eigentlich sicher, dass deine Stromzang nach dem Hall-Prinzip arbeitet? Einige DC-Stromzangen und viele Strom-Wandler arbeiten nach dem Kompensationsprinzip, welches in der Regel genauer ist, aber auch mehr Strom braucht. Allerdings reagieren die genau so auf statische Magnetfelder. Ich hab mit so einem Wandler mal das Magnetfeld von einem Schütz messen können (unfreiwillig), der ca. 20 cm vom Stromwandler entfernt montiert war.
Die 50A mit 10mA zu messen dürfte nicht sinnvoll sein. Andererseits sollen auch die 10mA erfasst werden. Wenn keine Messbereichsumschaltung erwünscht ist, schreit das geradezu nach einer logarithmischen Erfassung. Also brauchen wir einen logarithmischen Shunt. Gibts das? Idee 1: Mehrere Schottky-Dioden parallel auf einen Kühlkörper, so dass bei 50A etwa 200-300mV abfallen. Macht 10-15W, die müssen halt abgeführt werden. Parallel dazu einen Widerstand 10ohm, der unter 200mV den Strom übernimmt. Die Messspannung wird bei niedrigen Strömen durch den Widerstand * Strom, bei höheren Strömen durch die Diodenkennlinie bestimmt. Nachteil 1: Das muss kalibriert werden. Nachteil 2: Die Diodenkennlinie ist temperaturabhängig, die Temperatur der Dioden muss also mit gemessen und die Kennlinie angepasst werden. Nachteil 3: Keine Ahnung, wie sich die Kennlinie bei Alterung verhält. Nachteil 4: Keine Ahnung, wie die Kennlinie von Leistungs-Schottkys bei kleinen Strömen aussieht. Aber ist ja ne Studienarbeit, da sollten solche Untersuchungen mit vorkommen.
Idee 2: Ein regelbarer Widerstand. Ein MOSFET wird als Shunt benutzt und über eine Elektronik die Gatespannung so gesteuert, dass über dem MOS immer die gleiche Spannung abfällt. Also Kleiner Strom => kleine Shuntspannung => Gatespannung verringern => Rdson steigt => Shuntspannung steigt Großer Strom => große Shuntspannung => Gatespannung erhöhen => Rdson sinkt => Shuntspannung sinkt Die Gatespannung gibt über eine Umrechnung den Strom. Nachteile: Muss kalibriert werden. Keine Ahnung, wie der MOS sich bei Alterung verhält. Temperatur muss berücksichtigt werden. Benötigt Hilfsspannung für die Regelung.
Falls es überhaupt noch um Strommmessung geht... Dass der Artikel etwas älter ist, tut seiner Qualität keinen Abbruch, da die Technik und die damit einhergehenden Herausforderungen über die Jahre die selben geblieben sind. Ich finde es einen guten Anhaltspunkt für Einstieg in die Thematik und zugleich wegweisend zur Lösung, da sämtliche potentiellen Stolpersteine (Peltier-Effekt, Rauschen, usw) aufgezeigt und im Konzept behandelt werden.
... und auch der TK, der im realen Auto locker zwischen -30 und +60 Grad Celsius Raumtemperatur liegen kann. In diesem Temperaturbereich werden viele Vielfachmesser schon unheimlich lügen?
> Idee 1: > Mehrere Schottky-Dioden parallel auf einen Kühlkörper,... Ist eine interessante Idee, untersuch das mal, auch wenn sich am Ende herausstellen sollte, dass es zu ungenau ist. Vor allem bei großen Strömen wird man vermutlich Probleme durch Temperaturschwankungen bekommen. Selbst wenn du das irgendwie temperaturabhängig kalibriert hast, wird es recht schwer, die Temperatur der Dioden zu messen. Zwischen Diodengehäuse und dem Chip können da ganz ordentliche Temperaturdifferenzen auftreten. > Idee 2: > Ein regelbarer Widerstand. Da kannst Du auch mal untersuchen, aber hier ist mir nicht ganz klar, wie das in beiden Richtungen, also Laden und Entladen, funktionieren soll. Insgesamt halte ich den Ansatz mit dem logarithmischen Widerstand für nicht so gut, weil der relative Messfehler, also das Verhältnis von Messfehler / Messwert, bei größerem Strom immer größer wird. Das ist bei einer Messung mit Shunt günstiger, da ist der relative Messfehler ungefähr konstant bzw. wird bei sehr kleinen Strömen schlechter, aber dort ist ja eher der Offset entscheidend. Der Artikel von Michael H. geht da schon in die richtige Richtung.
Nur im Bild 4 gibt es einen Schnitzer, das ist natürlich kein 100 Ohm-Widerstand.
>> Insgesamt halte ich den Ansatz mit dem logarithmischen Widerstand für
nicht so gut, weil der relative Messfehler, also das Verhältnis von
Messfehler / Messwert, bei größerem Strom immer größer wird.
Wenn da 50 A fließen, interessieren 10mA mehr oder weniger nicht
wirklich, oder?
Die Temperaturabhängigkeit des Chips ist ein Problem, weil man um die zu
messen zwar die Spannung nehmen kann, aber dazu braucht man einen
konstanten Strom. Genau das ist aber nicht gegeben. Für langsame
Änderungen reicht die Kühlkörpertemperatur, für schnelle Änderungen ist
das System zu träge. Denkbar wäre, eine Doppeldiode zu nehmen, und über
den zweiten Strang die Temperatur zu messen. Das ist nur etwas aufwendig
bei mehreren Dioden...
Aber hej, wenn das ne Studienarbeit ist, gehört sowas dazu. Einfach kann
jeder...
> Wenn da 50 A fließen, interessieren 10mA mehr oder weniger nicht > wirklich, oder? Naja, wenn du bei der Spannungsmessung einen Fehler von 0,1% hast und der "Widerstand" mit einer logarithmische Kennlinie bei 50A eine Spannung von z.B. 1V hat, dann ist das in der Spannung eine Messfehler von 1 mV. Wenn man das jetzt auf den Strom zurückrechnet, ist der Fehler deutlich größer als 0,1% von 50A. Je nachdem, wie deine Kennlinie aussieht, sind das dann vermutlich mehrere Ampere.
Na und? Nehmen wir mal an, es sind bei 50A 2% Fehler, dass sind 1A. Klingt viel. Wenn der Akku 54Ah hat, sind das bei 50A 65 min Entladezeit. Bei 51A (+2%) sind das 64 min. Merkst Du was? Bei den hohen Strömen sind Fehler im unteren Prozentbereich irrelevant für die Aufgabenstellung. Die Ströme kann der Akku gar nicht lang genug liefern, damit sich der Fehler signifikant aufsummiert. Da ist es schon relevanter, ob der Akku im Winter statt 54 Ah nur noch 45 Ah hat. Dagegen ist es bei niedrigen Strömen wichtig, die genau zu messen, weil die der Akku über einen viel längeren Zeitraum liefern kann (Tage oder Wochen) und sich damit Messfehler stärker aufsummieren. Letztlich geht es ja darum, die Ladungsmenge (Strom x Zeit) möglichst genau zubestimmen, nicht den Strom allein.
Sven schrieb: > Letztlich geht es ja darum, die Ladungsmenge (Strom x Zeit) möglichst > genau zubestimmen Nimm einen Säureheber... ;-) Letztlich ist die Ladungsmenge eigentlich uninteressant. Der Ladungszustand (jetzt wirds fast schon esoterisch) des Akkus kann ganz ein anderer sein: Ich habe schon mal in einen vollen 80Ah Akku aus Versehen nochmal über Nacht ein paar Ah mehr hineingesteckt. Aber ich glaube nicht, dass der die wieder herausrücken konnte.
Sven schrieb: > Letztlich geht es ja darum, die Ladungsmenge (Strom x Zeit) möglichst > genau zubestimmen, nicht den Strom allein. Genau? Es gibt auch Selbstentladung (ca. 20% pro Monat?).
> Merkst Du was? Bei den hohen Strömen sind Fehler im unteren > Prozentbereich irrelevant für die Aufgabenstellung. Wenn man bei der Strommessung 1% Fehler macht, ist das auch 1% Fehler in der Ladung; unabhängig davon, wie groß der Strom ist und unabhängig davon, wie lange der Strom fließt. Bei hohen Strömen wirkt sich der absolute Fehler (also der Offset) nicht mehr so stark aus, das hab ich weiter oben schon erklärt. Der relative Fehler wirkt aber immer gleich auf das Messergebnis. Durch einen "logarithmischen Widerstand" wird der relative Fehler mit zunehmendem Strom größer und das halte ich für keine gute Lösung. Vor allem wenn der Akku mit wenig Strom aufgeladen und dann mit einem hohen Strom entladen wird (oder umgekehrt), könnte das problematisch werden. So genau kenne ich jetzt die Aufgabenstellung nicht, vermutlich sind 2% Messfehler noch tolerierbar. Ob eine Genauigkeit von 2% tatsächlich mit diesem Verfahren erreichbar ist (Diode + Widerstand), würde mich schon interessieren, vielleicht kannst Du mal ein paar Ergebnisse hier posten, wenn du soweit bist.
Und? Wenn ein kleiner Strom um die 10mA gemessen werden soll, und die Auflösung der Messung am Shunt 10mA beträgt, wie groß ist der Fehler dann? Wenn die 50A mit 2% gemessen werden, müssten die 10mA mit 200µA Auflösung* gemessen werden, um 2% Fehler zu erhalten. Merkst Du jetzt was? Es ist nicht sinnvoll, über einen derart großen Messbereich einen absoluten Fehler (mA) anzugeben. Es reicht völlig, wenn der relative Fehler (%) einigermaßen konstant ist. Und es ist nicht sinnvoll, eine Auflösung im 0,1% Bereich über den ganzen Messbereich zu fordern, wenn die Kapazität des Akkus Schwankungen im 10% Bereich aufweisen kann. >> vielleicht >> kannst Du mal ein paar Ergebnisse hier posten, wenn du soweit bist. Ganz bestimmt nicht. Das ist nicht meine Baustelle. Ich geb nur nen Denkanstoß... *) erstmal nur Auflösung, von Genauigkeit mal gar nicht zu reden
Ein gutes Beispiel für eine typische Studentenrechnung mit möglicht 12 Stellen hinter dem Komma und dann Realisierung mit billigen 20%-Widerständen...? :-)
> Und? Wenn ein kleiner Strom um die 10mA gemessen werden soll, und die > Auflösung der Messung am Shunt 10mA beträgt, wie groß ist der Fehler > dann? Der relative Fehler ist dann in der Größenordnung von 100%... > Wenn die 50A mit 2% gemessen werden, müssten die 10mA mit 200µA > Auflösung* gemessen werden, um 2% Fehler zu erhalten. Merkst Du jetzt > was? Das kommt jetzt drauf an, über welchen Zeitraum der Fehler kleiner als 2% sein muss. Wenn man sagt, dass der Fehler über einen Monat aufintegriert kleiner als 2% der Akku-Kapazität sein soll, ist das bei einem 50 Ah Akku eine Fehler von 1,4 mA. Ein Messfehler ist immer so definiert, dass es einen Offsetfehler gibt, der absolut in A angegeben wird und ein relativen Fehler (in % vom Messwert). Und für beide Fehlerarten muss ein Grenzwert definiert werden, um die gewünschte Genauigkeit zu erhalten. > Es ist nicht sinnvoll, über einen derart großen Messbereich einen > absoluten Fehler (mA) anzugeben. Es reicht völlig, wenn der relative > Fehler (%) einigermaßen konstant ist. Genau das sage ich doch auch schon die ganze Zeit. Mit der logarithmischen Messung wird aber der relative Fehler bei hohem Strom schlechter. > Ganz bestimmt nicht. Das ist nicht meine Baustelle. Ich geb nur nen > Denkanstoß... Sorry, das hatte ich verwechselt.
Angelsachse schrieb: > Nur im Bild 4 gibt es einen Schnitzer, das ist natürlich kein 100 > Ohm-Widerstand. Das liegt an meinem pdf und war im Original-Artikel natürlich nicht so. Aber stimmt, 100 Ohm würden sich nicht sonderlich gut machen =)
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