DE10032826A1 - Stromsensor und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Der Stromsensor weist mindestens einen Magnetfeldsensor (H1) zur Messung eines Stroms eines Leiters (L1) durch Bestimmung der Stärke des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes auf. Ferner weist der Stromsensor eine Anordnung zum Bündeln und Leiten des Magnetfeldes zum Magnetfeldsensor (H1) hin auf. Die Anordnung weist mindestens zwei sich gegenüberliegende Abschnitte (A) auf, zwischen denen der Magnetfeldsensor (H1) angeordnet ist. Die Anordnung besteht aus einem magnetischen Material, das eine Koerzitivstärke von weniger als 10 A/cm aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor sowie eine Verwen­ dung eines solchen Stromsensors.

Es sind mehrere Arten von Stromsensoren bekannt. Ein erster Stromsensor besteht aus einem geschlitzten Ringkern aus bei­ spielsweise Ferrit. Zum Messen eines Stroms (Primärstrom) durch einen Primärleiter umgibt der Ringkern den Primärlei­ ter. Der Strom durch den Primärleiter erzeugt ein Magnetfeld, das durch den Ringkern gebündelt wird. Im Luftspalt des ge­ schlitzten Ringkerns ist ein Magnetfeldsensor angeordnet. Der Magnetfeldsensor steuert einen deutlich kleineren Strom (Se­ kundärstrom) als den Primärstrom durch eine um den Ringkern gewickelte Sekundärwicklung derart, daß im Luftspalt das Mag­ netfeld Null beträgt. Der Primärstrom wird also gemessen, in­ dem der Sekundärstrom bestimmt wird. Der Meßbereich des ers­ ten Stromsensors wird durch die Sättigungsmagnetisierung des Ringkerns und die maximale Verlustleistung in der Sekundär­ wicklung begrenzt.

Ein zweiter Stromsensor besteht aus einem Shuntwiderstand. Der Widerstand wird in den Leiter eingebaut, dessen Strom ge­ messen werden soll, so daß der Strom durch den Widerstand fließt. Der Strom wird durch Bestimmung des Spannungsabfalls am Widerstand gemessen.

Bei der derzeitigen Entwicklung neuer Batterien mit höheren Spannungen in der Automobiltechnik ist es aufgrund der Mög­ lichkeit eines höheren Stromverlust erstmals wünschenswert, den Strom aus der Batterie im nichtfahrenden Zustand des Au­ tomobils sehr genau zu messen, um auf Leckströme reagieren zu können sowie den Zustand der Batterie genau diagnostizieren zu können.

Es stellt sich folglich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen Stromsensor anzugeben, der geeignet ist, über einen Zeitraum im Bereich eines Leiters zu verbleiben und niedrige Ströme durch den Leiter zu messen, wobei innerhalb des Zeitraums auch sehr hohe Ströme durch den Leiter fließen. Ferner soll eine Verwendung für einen solchen Stromsensor an­ gegeben werden.

Sehr hohe Ströme, z. B. 1000 A, fließen teilweise im fahrenden Zustand des Automobils aus der Batterie. Der Meßbereich des Stromsensors sollte vorzugsweise bis zwischen 1 und 100 A reichen.

Die bisherigen Stromsensoren sind zur Lösung der Aufgabe un­ geeignet. Beim ersten Stromsensor ist der Primärstrom im fah­ renden Zustand des Automobils so hoch, daß der Ringkern eine irreversible Remanenz erhält, wodurch die Genauigkeit des ersten Stromsensors stark verringert wird, so daß niedrige Ströme im anschließenden nichtfahrenden Zustand nicht mehr zuverlässig gemessen werden können. Beim zweiten Stromsensor ist der Primärstrom im fahrenden Zustand des Automobils so hoch, daß die Energie- und Spannungsverluste im Widerstand bei Auslegung auf einen Meßbereich bis zu 100 A nicht vertret­ bar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stromsensor mit mindes­ tens einem Magnetfeldsensor zur Messung eines Stroms eines Leiters durch Bestimmung der Stärke des durch den Strom er­ zeugten Magnetfeldes. Die Stärke des Magnetfeldes ist also ein Maß für die Höhe des Stroms. Der Stromsensor weist ferner eine Anordnung zum Bündeln und Leiten des Magnetfeldes zum Magnetfeldsensor hin auf. Die Anordnung weist mindestens zwei sich gegenüberliegende Abschnitte auf, zwischen denen der Magnetfeldsensor angeordnet ist. Die Anordnung besteht aus einem magnetischen Material, das eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 10 kA/cm aufweist.

Aufgrund der bündelnden Funktion der Anordnung wird das Mag­ netfeld an der Stelle des Magnetfeldsensors verstärkt. Da­ durch wird das Signal/Störverhältnis verbessert, z. B. ver­ zehnfacht. Ferner bewirkt die Anordnung eine Abschirmung ge­ gen äußere Feldern. Auch durch diesen Effekt wird das Sig­ nal/Störverhältnis verbessert. Der Stromsensor ist also für die Messung niedriger Ströme geeignet.

Aufgrund der niedrigen Koerzitivfeldstärke des Materials der Anordnung ist das Material sehr weichmagnetisch. Beispiels­ weise enthält das Material Mu-Metall (wie z. B. Vacoperm (VAC Hanau) oder Magnifer (Krupp VDM)), Trafoblech oder ähnliche NiFe-Legierungen. Solche Materialien weisen kaum eine magne­ tische Remanenz auf. Obwohl also zeitweise sehr hohe Ströme fließen können, wird der erfindungsgemäße Stromsensor in sei­ ner Genauigkeit nicht beeinträchtigt und weist die erforder­ liche Empfindlichkeit für niedrige Ströme auf.

Das Material der Anordnung sollte vorzugsweise keine recht­ eckige Hystereseschleife aufweisen.

Vorzugsweise weisen die beiden Abschnitte der Anordnung je­ weils eine Endfläche auf, wobei die Endflächen der Abschnitte parallel zueinander verlaufen. Die Endflächen sind - abhängig vom Abstand zwischen den Abschnitten - derart größer als ein zu den Endflächen paralleler Querschnitt des Magnetfeldsen­ sors, daß das Magnetfeld im Bereich des Magnetfeldsensors im wesentlichen homogen ist. Durch diese Geometrie der Anordnung ist das Magnetfeld über einen viel größeren Bereich homogen als bei einem Stromsensor ohne Anordnung. Folglich ist die Anordnung des Magnetfeldsensors bezüglich des Leiters weniger lagekritisch, da auch leichte radiale Abweichungen von der Soll-Lage die Genauigkeit des Stromsensors nicht oder kaum beeinflussen.

Eine besonders hohe Empfindlichkeit des Stromsensors für niedrige Ströme wird bei einer Anordnung erzielt, die zwei weitere sich gegenüberliegende Abschnitte aufweist, zwischen denen ein weiterer Magnetfeldsensor angeordnet ist. Die An­ ordnung ist dabei derart aufgebaut, daß bei der Messung eines Stroms eines Leiters die Richtung des Magnetfeldes im Bereich des Magnetfeldsensors im wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung des Magnetfeldes im Bereich des weiteren Magnetfeld­ sensors ist. Beim Betrieb eines solchen Stromsensors wird die Differenz der Ausgangssignale der beiden Magnetfeldsensoren gebildet, die das Maß für die Höhe des Stroms durch den Lei­ ter darstellt. Da das durch den zu messenden Strom erzeugte Magnetfeld im Bereich des einen Magnetfeldsensors in eine Richtung zeigt, die entgegengesetzt zur Richtung ist, in die das erzeugte Magnetfeld im Bereich des anderen Magnetfeldsen­ sors zeigt, wird durch die Bildung der Differenz die Signal­ stärke verdoppelt, was eine Verbesserung des Sig­ nal/Störverhältnisses bewirkt. Da Fremdfelder bei einer sol­ chen Anordnung normalerweise im Bereich beider Magnetfeldsen­ soren im wesentlichen dieselbe Richtung aufweisen, heben sie sich bei der Bildung der Differenz auf, so daß eine weitere starke Erhöhung des Signal/Störverhältnisses erzielt wird. Insgesamt kann das Signal/Störverhältnis um einen Faktor < 1000 erhöht werden gegenüber dem Signal/Störverhältnisses ei­ nes einfachen Magnetfeldsensors ohne Anordnung.

Beispielsweise ist der Leiter zwischen dem Magnetfeldsensor und dem weiteren Magnetfeldsensor angeordnet.

Fertigungstechnisch besonders einfach herstellbar ist ein Stromsensor, bei dem die Anordnung im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten Streifen besteht. Ein sol­ cher Stromsensor wird vorzugsweise um einen bandförmigen Lei­ ter gelegt. Ein besonders homogenes Magnetfeld wird erzielt, wenn die Streifen im Bereich des oder jedes Magnetfeldsensors verdickt sind.

Alternativ besteht die Anordnung beispielsweise im wesentli­ chen aus einem zweifach geschlitzten Ring, d. h. aus zwei Ringhälften. Ein solcher Stromsensor ist besonders für die Messung von Strömen durch einen Leiter mit rundem Querschnitt geeignet.

Die Anordnung kann beispielsweise durch Walzen und Verformen einer Legierung erzeugt werden.

Eine erfindungsgemäße Verwendung des Stromsensors besteht darin, über einen Zeitraum im Bereich eines Leiters zu verbleiben und niedrige Ströme, z. B. Ströme unter 100 mA, durch den Leiter zu messen, wobei innerhalb des Zeitraums auch sehr hohe Ströme, z. B. über 1000 A, durch den Leiter fließen.

Beispielsweise wird der Stromsensor im Bereich eines mit ei­ ner Batterie oder einem Generators eines Automobils verbunde­ nen Leiters installiert. Der Stromsensor verbleibt im Bereich des Leiters während eines Zeitraums, in dem das Automobil sich zeitweise im fahrenden und zeitweise im nichtfahrenden Zustand befindet. Mit Hilfe des Stromsensors wird der Strom aus der Batterie im nichtfahrenden Zustand des Automobils ge­ messen, um beispielsweise auf Leckströme reagieren zu können oder den Zustand der Batterie genau diagnostizieren zu kön­ nen.

Für die Verwendung in Automobilen darf der Stromsensor nicht temperaturempfindlich sein, da die Temperaturen bei der Ein­ baustelle des Stromsensors im fahrenden Zustand bis zu 150°C erreichen können. Die Permeabilität von weichmagnetischem Ma­ terial kann sich zwischen -40 und +150°C um den Faktor 10 än­ dern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Temperaturabhängig­ keit der Permeabilität das Meßergebnis des Stromsensors nicht merklich ändert. Das liegt daran, daß der Magnetfeldsensor im Luftspalt mit der Permeabilität von etwa 1 angeordnet ist, und das weichmagnetische Material bei ca. 25°C eine Permeabi­ lität von ca. 50000 aufweisen kann. Das gemessene Magnetfeld ergibt sich aus der Formel

mit I Strom durch den Leiter
D Abstand der zwei sich gegenüberliegenden Abschnitte voneinander, zwischen denen der Magnetfeldsensor ange­ ordnet ist
L Eisenlänge
µ Permeabilitätskonstante
µR relative Permeabilität

Es läßt sich erkennen, daß der zweite Term im Nenner vernach­ lässigt werden kann, wenn µR groß ist. Folglich fällt auf­ grund der allgemein sehr hohen Permeabilität des weichmagne­ tischen Materials eine Änderung um den Faktor 4 bis 10 der Permeabilität bei Temperaturschwankungen nicht ins Gewicht.

Der Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein Hallsensor sein.

Zwischen dem Leiter und der Anordnung kann eine Isolation vorgesehen sein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen ersten Stromsen­ sor, der einen ersten Leiter umgibt, mit einem ersten Leiterblech mit Abschnitten und Endflächen, einem zweiten Leiterblech mit Abschnitten und Endflächen, einem ersten Hallsensor, einem zweiten Hallsensor und Leitungen.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf den ersten Stromsensor, in der das zweite Leiterblech, der erste Leiter und die Leitungen dargestellt sind.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen zweiten Stromsen­ sor, der einen zweiten Leiter umgibt, mit einem ers­ ten Leiterblech, einem zweiten Leiterblech, einem ersten Hallsensor und einem zweiten Hallsensor.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein erster Stromsen­ sor zur Messung eines Stroms durch einen ersten Leiter L1 hergestellt.

Ein erstes Leiterblech LB1 wird gebildet, indem ein ca. 1 mm dicker, ca. 5 mm breiter und ca. 30 mm langer Streifen aus Mu-Metall an beiden Enden symmetrisch so gefaltet wird, daß der Streifen nur noch eine Länge von etwa 20 mm aufweist (siehe Fig. 1). In derselben Weise wird ein zweites Leiter­ blech LB2 erzeugt (siehe Fig. 1 und 2).

Zwischen den verdickten Abschnitten A des ersten Leiterblechs LB1 wird der erste Leiter L1 gelegt (siehe Fig. 1 und 2). Der erste Leiter L1 ist bandförmig, weist eine Dicke von ca. 2 mm und eine Breite von ca. 10 mm auf.

Ein erster Hallsensor H1 und ein zweiter Hallsensor H2 werden mit Leitungen L verbunden (siehe Fig. 2) und derart auf End­ flächen E der Abschnitte A des ersten Leiterblechs LB1 ange­ ordnet, daß der erste Leiter L1 mittig zwischen dem ersten Hallsensor H₁ und dem zweiten Hallsensor H2 angeordnet ist (siehe Fig. 1). Die Endflächen E sind wesentlich größer als die zu den Endflächen E parallelen Querschnitte durch den ersten Hallsensor H1 und den zweiten Hallsensor H2 (siehe Fig. 1).

Anschließend wird das zweite Leiterblech L2 auf den ersten Leiter L1 und den ersten Hallsensor H1 und dem zweiten Hall­ sensor H2 derart angeordnet, daß das erste Leiterblech LB1 und das zweite Leiterblech LB2 eine symmetrische Anordnung bilden, bei der die Endflächen E der Abschnitte A des ersten Leiterblechs L1 und des zweiten Leiterblechs L2 parallel zueinander verlaufen und sich derart gegenüberliegen, daß der erste Hallsensor H1 und der zweite Hallsensor H2 jeweils zwi­ schen zwei der Endflächen E angeordnet sind.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Strom­ sensor vorgesehen, der ähnlich wie der erste Stromsensor mit einem ersten Hallsensor H1' und einem zweiten Hallsensor H2' aufgebaut ist mit dem Unterschied, daß das erste Leiterblech LB1' und das zweite Leiterblech LB2' die Form von halben Rin­ gen aufweisen. Ferner weist der zweite Leiter L2, der von der durch das erste Leiterblech LB1' und das zweite Leiterblech LB2' gebildete Anordnung umgeben wird, einen runden Quer­ schnitt auf (siehe Fig. 3).

Bezugszeichenliste

A Abschnitt
E Endfläche
H1, H2, H1', H2' Hallsensor
L Leitung
L1, L2 Leiter
LB1, LB2, LB1', LB2' Leiterblech

Claims (7)

1. Stromsensor
mit mindestens einem Magnetfeldsensor (H1) zur Messung ei­ nes Stroms eines Leiters (L1) durch Bestimmung der Stärke des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes,
mit einer Anordnung zum Bündeln und Leiten des Magnetfeldes zum Magnetfeldsensor (H1) hin,
bei dem die Anordnung mindestens zwei sich gegenüberliegen­ de Abschnitte (A) aufweist, zwischen denen der Magnetfeld­ sensor (H1) angeordnet ist,
bei dem die Anordnung aus einem magnetischen Material be­ steht, das eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 10 kA/cm aufweist.

2. Stromsensor nach Anspruch 1,
bei dem die beiden Abschnitte der Anordnung jeweils eine Endfläche (E) aufweisen,
bei dem die Endflächen (E) der Abschnitte (A) im wesentli­ chen parallel zueinander verlaufen,
bei dem die Endflächen (E) abhängig vom Abstand zwischen den Abschnitten (A) derart größer ist als ein zu den End­ flächen paralleler Querschnitt des Magnetfeldsensors (H1), daß das Magnetfeld im Bereich des Magnetfeldsensors (H1) im wesentlichen homogen ist.

3. Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Anordnung zwei weitere sich gegenüberliegende Abschnitte (A) aufweist, zwischen denen ein weiterer Mag­ netfeldsensor (H2) angeordnet ist,
bei dem die Anordnung derart aufgebaut ist, daß bei der Messung eines Stroms eines Leiters (L1) die Richtung des Magnetfeldes im Bereich des Magnetfeldsensors (H1) im we­ sentlichen entgegengesetzt zur Richtung des Magnetfeldes im Bereich des weiteren Magnetfeldsensors (H2) ist.

4. Stromsensor nach Anspruch 3, bei dem die Anordnung im wesentlichen aus zwei parallel zu­ einander angeordneten Streifen besteht.

5. Stromsensor nach Anspruch 3, bei dem die Anordnung im wesentlichen aus einem zweifach geschlitzten Ring besteht.

6. Verwendung eines Stromsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei der der Stromsensor über einen Zeitraum im Bereich ei­ nes Leiters (L1) verbleibt,
bei der in diesem Zeitraum sowohl niedrige Ströme unter 100 mA als auch sehr hohe Ströme über 1000 A durch den Leiter (L1) fließen,
bei der die niedrigen Ströme mit Hilfe des Stromsensors ge­ messen werden.

7. Verwendung nach Anspruch 6,
bei der der Leiter (L1) mit einer Batterie oder einem Gene­ rator eines Automobils verbunden ist,
bei der mit Hilfe des Stromsensors die Ströme aus der Bat­ terie im nichtfahrenden Zustand des Automobils gemessen werden.