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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Batteriestrommessung +-50A


Autor: Michael (Gast)
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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/acs758l...
maximale Messauflösung: 0,25A

Vielen Dank für Kommentare und Tipps.

Autor: gh.j (Gast)
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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.

Autor: holger (Gast)
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>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.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> 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

Autor: MaWin (Gast)
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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.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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MaWin schrieb:
> Das ist messbar, erfordert halt einen 16 bit messgenauen A/D-Wandler.
Und ein sehr gutes Layout...  :-o

Autor: Helmut S. (helmuts)
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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.

Autor: zoggl (Gast)
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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

Autor: Entwickler (Gast)
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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.

Autor: Thomas Hempe (tux85)
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Schonmal an Strommessung via Hall-Sensor gedacht. Hatte da letztens eine 
Seite gefunden die entsprechende Hall-Sensoren anbieten. Kabel durch 
fertig.

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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bei längeren Kabeln kann auch das Kabel selbst als Shunt genutzt werden. 
Dann misst du zwischen zwei Punkten bekannter Länge den Spannungsabfall.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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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!

Autor: MaWin (Gast)
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> 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?

Autor: FET (Gast)
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> 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.

Autor: Entwickler (Gast)
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>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.

Autor: Michael (Gast)
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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?

Autor: Entwickler (Gast)
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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 :-)

Autor: Michael (Gast)
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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.

Autor: Johannes (Gast)
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> 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.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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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...

Autor: Entwickler (Gast)
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>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.

Autor: Johannes (Gast)
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> 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.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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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?

Autor: Entwickler (Gast)
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>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 :-)

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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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... ;-)

Autor: MaWin (Gast)
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> 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).

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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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 ...

Autor: Johannes (Gast)
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> 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.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> 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...

Autor: Entwickler (Gast)
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>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.

Autor: Johannes (Gast)
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> > 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.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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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...

Autor: Michael (Gast)
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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.

Autor: ArnoR (Gast)
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"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.

Autor: Michael (Gast)
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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.

Autor: ArnoR (Gast)
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> 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.

Autor: oszi40 (Gast)
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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.

Autor: Johannes (Gast)
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>> 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.

Autor: Besucher (Gast)
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> 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

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

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> 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.

Autor: Besucher (Gast)
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@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.

Autor: Johannes (Gast)
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>> 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.

Autor: Sven (Gast)
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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.

Autor: Sven (Gast)
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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.

Autor: Michael H. (michael_h45)
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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.

Autor: oszi40 (Gast)
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... 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?

Autor: Johannes (Gast)
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> 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.

Autor: Angelsachse (Gast)
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Nur im Bild 4 gibt es einen Schnitzer, das ist natürlich kein 100 
Ohm-Widerstand.

Autor: Sven (Gast)
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>> 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...

Autor: Johannes (Gast)
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> 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.

Autor: Sven (Gast)
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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.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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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.

Autor: oszi40 (Gast)
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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?).

Autor: Johannes (Gast)
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> 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.

Autor: Sven (Gast)
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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

Autor: oszi40 (Gast)
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Ein gutes Beispiel für eine typische Studentenrechnung mit möglicht 12 
Stellen hinter dem Komma und dann Realisierung mit billigen 
20%-Widerständen...? :-)

Autor: Johannes (Gast)
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> 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.

Autor: Michael H. (michael_h45)
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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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