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Die Erfindung betrifft einen Stromsensor mit hoher Dynamik, d. h. mit einem großen Messbereich, mit einem stromdurchflossenen Leiter und mit einem magnetfeldsensitiven Bauelement sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb.
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Oft besteht das Problem, einen Gleichstrom über einen weiten Bereich mit hoher Genauigkeit zu messen. Ein Beispiel ist das Powermanagement einer Batterie in der Automobiltechnik. Die Batterie muss immer zuverlässig Leistung bereitstellen, wenn diese benötigt wird. Der Ladezustand einer Batterie wird wesentlich durch die Größen Batteriestrom, Batteriespannung und Temperatur beeinflusst. Insbesondere die Erfassung des Lade- bzw. Entladestroms ist wichtig, um die Batterie auf einem sicheren Ladezustand halten zu können. Der Entladestrom kann dabei einen Bereich von mehreren Dekaden überdecken, z. B. von 10 mA bis 2000 A, während der Ladestrom betragsmäßig unter dem hohen Wert bleibt, aber in umgekehrter Richtung fließt.
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Bekannt ist die Messung von Strömen mittels eines Shunts, d. h. eines speziellen Messwiderstands, der vom zu messenden Strom durchflossen wird und meistens in der Masseleitung zwischen dem Verbraucher- oder Nutzschaltkreis und dem Masseanschluss angeordnet ist. Ein Shunt erlaubt jedoch keine rückwirkungsfreie Messung und erfordert konstruktiven Aufwand, um bei hohen Strömen einwirkende Kräfte zu kompensieren.
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Will man Problemen aufgrund von Störungen auf der angezapften Leitung umgehen, können stromkompensierte Stromsensoren eingesetzt werden, die den Vorteil einer potentialfreien Messung aufweisen, sich jedoch nur für beschränkte Anwendungen eignen.
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Die Druckschrift
DE 4229065 zeigt eine Strommesszange, die eine Trennstelle mit vorgegebener Luftspaltlänge zur Anpassung des Messbereichs an größere Ströme aufweist.
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Die Druckschrift
DE 4229948 zeigt einen Stromsensor für hysteresefreie Messungen.
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Die Druckschrift
DE 10105186 zeigt einen Stromsensor, bei dem mit einem magnetfeldsensitiven Bauelement ein Magnetfeld gemessen wird.
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Die Druckschrift
1590119 zeigt steuerbare, magnetfeldabhängige Widerstände.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2005 024 075 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Stromsensor mit großem Dynamikbereich sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren anzugeben.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Ausgestaltungen der Erfindung sind in abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Der Stromsensor mit hoher Dynamik weist einen stromdurchflossenen Primärleiter auf und hat eine weichmagnetische Kernanordnung, die einen ersten Kernteil mit hoher Sättigung und einen zweiten Kernteil mit niedriger Sättigung enthält. Der erste Kernteil umschließt den stromdurchflossenen Leiter wenigstens teilweise und der zweite Kernteil weist eine Magnetisierungsvorrichtung zur Sättigung des zweiten Kernteils auf. In dem Bereich der weichmagnetischen Kernanordnung ist ein magnetfeldsensitives Bauelement, z. B. ein Magnetfeldsensor, insbesondere ein Hallsensor angeordnet. Mit dieser Anordnung lassen sich unterschiedliche Messkennlinien erzeugen, die bei einer entsprechenden Umschaltung einen großen Messbereich abdecken und somit eine hohe Dynamik haben.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Kernteil des Stromsensors aus einem Kernblech mit hoher Sättigung, einem amorphen Kernmaterial oder eine nanokristallinen Kernmaterial gebildet. Dies gibt Designfreiheit.
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Vorteilhaft ist der erste Kernteil des Stromsensors U-förmig ausgebildet, so dass zwischen den Schenkeln ein Luftspalt besteht.
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Der Stromsensor kann einen ersten zweistückig ausgebildeten Kernteil, insbesondere mit zwei symmetrischen Stücken aufweisen oder einen einstückigen ersten Kernteil haben, wodurch sich eine gute Designflexibiltät ergibt.
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Vorteilhaft besteht der zweite niedrig sättigende Kernteil des Stromsensors aus Ferrit und ein geschlossenes Teil. Damit ist der zweite Kernteil kostengünstig und variabel herstellbar.
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Bevorzugt wird der zweite Kernteil des Stromsensors durch eine entsprechend gesteuerte Magnetisierungsvorrichtung mit wenigstens einer auf den zweiten Kernteil aufgebrachten Steuerwicklung in die Sättigung gebracht, indem ein Steuerstrom die Steuerwicklung durchfließt. Dabei kann der zweite Kernteil eine zweigeteilte, auf gegenüberliegenden Schenkeln des zweiten Kernteils angeordnete Steuerwicklung enthalten.
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Nach einer bevorzugten Variante wird die Steuerwicklung des zweiten Kernteils des Stromsensors von einer H-Brücke oder zwei Schaltern, die jeweils von einer Steuereinheit gesteuert werden, elektrisch versorgt wird. So wird eine einfache und sichere Umschaltung der Messbereiche realisiert.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der zweite Kernteil des Stromsensors innerhalb des ersten Kernteils angeordnet ist oder umschließt diesen. Der erste Kernteil enthält vorteilhaft einen Luftspalt, was Freiheit bei der Dimensionierung der Empfindlichkeit des Stromsensors gibt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Stromsensors wird das magnetfeldsensitive Bauelement zwischen dem ersten und dem zweiten Kernteil angeordnet. Insbesondere ist das magnetfeldsensitive Bauelement in einem Luftspalt des ersten Kernteils angeordnet. Dadurch wird das zu messende Magnetfeld besonders exakt erfasst.
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In einer anderen vorteilhaften Variante des Stromsensors ist das magnetfeldsensitive Bauelement entfernt von dem stromdurchflossenen Leiter angeordnet ist, wodurch eine einfache konstruktive Gestaltung der Elemente des Stromsensors möglich ist.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Stromsensors wird bei kleinen zu messenden Strömen des stromdurchflossenen Primärleiters der zweite Kernteil ungesättigt betrieben und bei großen zu messenden Strömen der zweite Kernteil gesättigt. Dadurch werden die wirksamen Magnetfelder insbesondere mit Hilfe virtueller Luftspalte so beeinflusst, dass diese sich gegenseitig wenigstens teilweise kompensieren können und der Magnetfeldsensor bei hohen Strömen nicht entsprechend proportional hohe Magnetfelder erfasst. Dies ermöglicht durch eine entsprechende Messbereichsumschaltung die Abdeckung eines großen Messbereichs.
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Es ist bevorzugt bei dem Verfahren vorgesehen, dass die Richtung des Magnetfelds des zweiten Kernteils umkehrbar gesteuert werden kann, wodurch sich unterschiedliche Kennlinien des Stromsensors erzeugen lassen und eine Kalibrierung bzw. Rekalibrierung in einfacher Weise möglich werden.
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In einer anderen Variante des Verfahrens wird eine auf zwei Schenkeln des zweiten Kernteils aufgebrachte Steuerwicklung so betrieben, dass sich die Streuflüsse aufheben und deren Einfluss eliminiert wird.
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Bevorzugt wird bei dem Verfahren bei niedrigen zu messenden Strömen eine steile Messkennlinie erzeugt und bei hohen zu messenden Strömen eine flache Messkennlinie erzeugt, wobei die Steilheiten der Kennlinien unter anderem durch unterschiedliche Parameter wie die Materialien des ersten und zweiten Kernteils, die Anordnung des Magnetfeldsensors, den Luftspalt des ersten Kernteils und die Betriebsparameter der Magnetisierungsvorrichtung für den zweiten Kernteil einstellbar sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in den Figuren der Zeichnung dargestellter bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Für gleiche Elemente werden dabei gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigen:
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1 eine schematisch dargestellte erste Ausführungsform eines Stromsensors,
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2 eine schematisch dargestellte zweite Ausführungsform eines Stromsensors,
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3 eine schematisch dargestellte dritte Ausführungsform eines Stromsensors,
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4 eine schematische Ansicht von Kennlinien für unterschiedliche Messbereiche
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5 eine schematisch dargestellte vierte Ausführungsform eines Stromsensors,
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6 eine schematisch dargestellte fünfte Ausführungsform eines Stromsensors,
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7 eine schematisch dargestellte sechste Ausführungsform eines Stromsensors,
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8 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Speisung der Steuerspule und
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9 eine schematische Darstellung einer weiteren Schaltung zur Speisung der Steuerspule.
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Der erfindungsgemäße Stromsensor gemäß 1 ist ein direkt abbildender Sensor. Der Stromsensor weist eine Primärwicklung WP, einen weichmagnetischen Kern K und einen Magnetfeldsensor MS auf. Die Primärwicklung WP, in die ein zu von der Spannungsquelle UP bereit gestellter Primärstrom IP eingespeist wird, und der Magnetfeldsensor MS sind elektrisch voneinander isoliert und magnetisch durch den Kern K miteinander gekoppelt. Der Magnetfeldsensor MS dient zur Erfassung des auf den Magnetfeldsensor wirkenden Magnetfeldes und erzeugt eine elektrische Messgröße.
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Der Magnetfeldsensor MS ist im Ausführungsbeispiel der 1 ein Hallsensor, der vom Hallstrom IH durchflossen wird und eine magnetfeldabhängige Hallspannung UH abgibt.
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Der weichmagnetische Kern K enthält im ersten Ausführungsbeispiel drei Teile KS1, KS2 und KF, die verbunden sind, um den Primärleiter zu umschließen. Der Kern K umfasst einen ersten Kernteil KS1 und einen zweiten Kernteil KS2, die aus einem Material mit hoher Sättigung gefertigt sind, und den Kernteil KF aus einem Material mit niedriger Sättigung, z. B. aus Ferrit. Die Kernteile mit hoher Sättigung haben bevorzugt keine oder nur eine geringe Remanenz. Mindestens eine zusätzliche Wicklung WS ist auf dem Kernteil KF mit niedriger Sättigung vorgesehen. Der Magnetsensor MS ist in dem Spalt zwischen den Kernteilen KS1 und KS2 angeordnet und bevorzugt mit diesen Teilen verbunden.
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Durch die zusätzliche Steuerwicklung WS kann ein von der Spannung UK erzeugter Kompensationsstrom IK eingespeist werden, der die Magnetisierung bzw. Sättigung des Kernteils KF bewirkt.
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Bei kleinen Primärströmen zeigt der Stromsensor eine hohe Empfindlichkeit bzw. Sensitivität. Hierzu wird der Kernteil KF ungesättigt betrieben und kein Strom in die Steuerwicklung WS eingespeist. Der magnetische Kreis wird dann durch die Teile KS1, KS2 und KF gebildet. Nur der kleine Luftspalt, in dem der Magnetsensor MS angeordnet ist, ist wirksam. Auf diese Weise können geringe Stromstärken mit kleinen magnetischen Feldern gemessen werden.
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Zur Messung hoher Ströme wird der Strom IK in die Steuerwicklung WS eingespeist, der den Kernteil KF in die Sättigung treibt. Dadurch ist der Kernteil KF für den Magnetkreis nicht mehr wirksam und ein virtueller Luftspalt gebildet. Der virtuelle Luftspalt des Magnetkreises wird daher um die Länge des Kernteils KF zwischen den Schenkeln von KS1 und KS2 vergrößert. Das magnetische Feld wird durch den nun großen Luftspalt abgeschwächt, so dass die Empfindlichkeit des Stromsensors verringert wird. Dadurch können mit dem Stromsensor bzw. dem Magnetsensor MS große Ströme erfasst werden.
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Da bei hohen zu messenden Strömen zunächst der Teilkern KF sättigt, der aus dem Material mit niedriger Sättigung hergestellt ist, und sich der virtuelle Luftspalt bildet, wird eine Sättigung der Kernteile KS1 und KS2, welche aus dem hochsättigenden Material gefertigt sind, vermieden. Durch den bei hohen zu messenden Strömen virtuell vergrößerten Luftspalt und die verringerte Empfindlichkeit des direkt abbildenden Stromsensors ist es möglich, kleine und hohe Strome mit hoher Genauigkeit zu messen.
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Nur der Kernteil mit niedriger Sättigung wird bei hohen Strömen in Sättigung betrieben. Die Remanenz verbleibt nahezu ausschließlich in dem Kernteil KF aus dem Material mit niedriger Sättigung. Diese Remanenz kann mittels eines geeigneten Stromes IK, welcher die Zusatzwicklung WS mit steigender Frequenz oder durch eine abklingende Schwingung magnetisiert, entfernt werden (Entmagnetisierung). Dies ist für eine Rekalibrierung des Stromsensors bedeutsam.
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Insbesondere ist durch die naturbedingte Symmetriekurve der Remanenz eine Rekalibrierung des direktabbildenden Stromsensors auch bei Stromfluss durch die Primarwicklung möglich, indem eine externe nicht dargestellte Steuerungseinheit die Zusatzwicklung gezielt in eine negative oder positive Sättigung aussteuert und die mittels des Magnetfeldsensors ermittelten Messwerte erfasst, berechnet und zueinander in Bezug setzt.
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Es ist jederzeit möglich, Messbereiche gezielt zu verschieben, indem ein entsprechender Gleich- oder Wechselstrom an die Zusatzwicklung WS angelegt wird.
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Die Zusatzwicklung erlaubt überdies, wenn sie als Teil einer nicht dargestellten Regelschleife arbeit, den Einsatz des beschriebenen Stromsensors in einer Stromsensoranordnung, die nach dem Kompensationsprinzip arbeitet bzw. ausgeregelt wird. Dazu wird ein Kompensationsstrom IK in die Wicklung WS eingespeist, bis ein Regelkriterium erfüllt ist.
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Der Einsatz von Materialien mit unterschiedlicher Sättigung und das Aufbringen einer Steuerwicklung WS auf den niedrig sättigenden Kernteil KF dient dem Zweck einer automatischen bzw. einer vom Kompensationsstrom IK abhängigen Messbereichsumschaltung, dem Schutz der hoch sättigenden Kernteile vor Sättigung (geringste Remanenz), einer einfachen Entmagnetisierung des niedrig sättigenden Kernteils KF und einer steuerbaren Empfindlichkeit, wobei die Steuerung mittels der Beaufschlagung eines Stroms IK in der Steuerwicklung WS erfolgt.
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Die Kernteile KS1 und KS2 mit hoher Sättigung können aus Kernblechen aufgebaut sein. Die Kernbleche mit hoher Sättigung können z. B. aus Ni80Fe15Mo5 (Sättigungsflussdichte Bs = 0,8 T) gefertigt sein. Auch amorphe oder nanokristalline Kerne (Bs = 1,2 T) sind vorteilhaft verwendbar. Die Kernbleche können sehr dünn sein, wodurch der Materialbedarf ebenfalls gering ist. Der Vorteil sehr dünner Bleche besteht darin, dass das Feld weniger stark konzentriert wird. Damit wird die Empfindlichkeit designspezifisch einstellbar. Zudem sinken die Kosten, wenn nur geringe Mengen dieser vergleichsweise teuren Materialien verwendet werden.
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Für den Kern KF mit niedriger Sättigung ist jedes Material mit geringerer Sättigung als bei den Kernteilen mit hoher Sättigung bzw. den Kernblechen verwendbar. Dies kann z. B. Ferrit sein. Die Auswahl von Ferrit bietet sich an, weil Ferrit preisgünstig ist, in komplizierte Formen pressbar und mit nur geringer Sättigung verfügbar ist.
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In Fällen, in denen eine Sättigung des Kernteils KF bzw. eine Kompensation des Magnetfeldes des Primärkreises mit einer zusätzlichen Wicklung WS (Steuerspule) nicht ohne Weiteres möglich ist, sind zwei Steuerspulen vorgesehen, wobei die nicht gezeigte zweite Steuerwicklung auf dem Schenkel des Kernteils KF liegt, der dem WS tragenden Schenkel gegenüberliegt. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Magnetisierung des Primärstromes die Sättigung durch den Kompensationsstrom der Steuerspule aufhebt.
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Die Ansteuerung der Steuerspule kann sowohl über eine H-Brücke als auch über zwei Low-side Schalter (Transistoren) erfolgen, siehe 8 bzw. 9. Low-side Elemente sind Elemente, die im Zweig des Bezugs- oder Massepotentials angeordnet sind.
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Gemäß 8 ist die Steuerwicklung WS am Verbindungspunkt der Ausgangskreise je zweier in Reihe geschalteter Transistoren TP1 und TN1 einerseits sowie TP2 und TN2 andererseits angeordnet. Die Transistor-Reihenschaltungen sind an zwei Versorgungspotentialen VDD bzw. VSS angeschlossen, zwischen denen die Betriebsspannung liegt. Die Transistoren werden von einer Steuereinheit μC, insbesondere einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller, gesteuert. Über der Steuerwicklung WS fällt die Spannung UK ab. Die Steuereinheit kann dabei die möglichen Betriebszustände des Stromsensors, insbesondere Messbereichsauswahl, Messbereichsanpassung und (Re-)Kalibrierung, steuern, vorzugsweise auch automatisiert.
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In der Schaltung gemäß 9 ist die Steuerwicklung WS vorzugsweise durch zwei parallel gewickelte Wicklungen W1 und W2 und einer Mittelanzapfung ausgebildet. Die Mittelanzapfung wird mit der Spannungsversorgung VDD, VSS verbunden und die zwei Low-side Schalter T1 und T2 schalten abwechselnd die Steuerwicklungen gegen Masse, wodurch der Ferritkern in beide Richtungen magnetisierbar ist. Die Transistoren werden dabei, wie oben beschrieben, von der Steuereinheit μC gesteuert.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der nur ein Kernteil KS mit hoher Sättigung vorgesehen ist, der U-förmig ausgebildet ist und den Primärleiter WP teilweise umfasst. Am offenen Ende von KS ist wie in 1 in Verbindung mit 8 und 9 der Kernteil KF mit Steuerwicklung WS angeordnet. Der Magnetfeldsensor MS, der die Messspannung UM abgibt, ist in dem Spalt zwischen den Kernteilen KF und KS angeordnet.
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Auch in diesem Fall kann, wie anhand von 1 beschrieben, eine zweite Steuerwicklung für KF vorgesehen sein.
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Gemäß 3, die ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, ist ein Aufbau mit einem Ferritkern KF mit zwei Wicklungen WS1 und WS2 und einem einstückigen hoch sättigenden amorphen oder nanokristallinen Kern KA vorgesehen. Der Kern KA umschließt bis auf einen Luftspalt L den in diesem Ausführungsbeispiel flächenförmigen Primärleiter WP. An dem Ferritkern KF mit Steuerspulen WS1 und WS2 ist stirnseitig und dem Kern KA zugewandt der Magnetfeldsensor MS angeordnet, dessen Messabgriff der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. Die Streufelder der beiden Wicklungen WS1 und WS2 der Steuerspulen kompensieren sich und eine Sättigung des Ferritkerns ist möglich. Diese Anordnung erlaubt eine nochmals bessere Anpassung der Messbereichsempfindlichkeiten, weil als weiterer Parameter der Luftspalt L dimensionierbar ist. Außerdem erlaubt die Anordnung größere Fertigungstoleranzen der Kernteile KA und KF.
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Für die Empfindlichkeitskennlinie der Sensoranordnung spielt das Streufeld des primären Leiters WP eine wesentliche Rolle. Im Diagramm gemäß 4, das sich grundsätzlich auf alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen bezieht, ist auf der Abszisse der Strom IP und auf der Ordinate die Ausgangsspannung UM des Magnetfeldsensors aufgetragen. Die steilste Kennlinie 1, d. h. die größte Empfindlichkeit, ergibt sich bei einem ungesättigten weichmagnetischen Kern KF. Bei einem gesättigten Kernteil KF wird die Kennlinie flacher, siehe Kennlinien 2 und 3. Die Ferritspule erzeugt dabei einen Nebenschluss des Magnetfeldes des Primärleiters. Das Streufeld des Primärleiters kann die Kennlinie so beeinflussen, dass sich sogar negative Ausgangsspannungen ergeben, Kennlinie 4. Dies kann insbesondere dann auftreten, wenn das Streufeld des Primärleiters größer als andere magnetische Teilfelder ist. Die vorgesehene Kennlinie des Stromsensors kann mit Hilfe dieser Regeln gezielt beeinflusst werden.
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Wenn der Kernteil KF nicht in Sättigung ist, das heißt, wenn kein Spulenstrom IK fließt, erfasst der Hallsensor einen Großteil des Magnetfeldes der Primärwicklung WP. Ein Teil der Feldlinien der Primärwicklung WP wird im Luftspalt L des amorphen Kerns KA geschlossen.
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Der Vorteil dieser Kennlinienanpassung liegt darin, dass der in Sättigung getriebene Ferrit nur einen Bruchteil des Magnetfeldes des Primärstroms durch den Magnetsensor MS erlaubt. Der Ferritkern geht in Sättigung, wenn ein Strom durch die Wicklungen WS1 und WS2 auf beiden Schenkeln des Ferriten KF fließt.
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Über den Luftspalt L des Kerns KA kann das Empfindlichkeitsverhältnis des Sensors ebenfalls eingestellt werden. Der Luftspalt ist weiterhin so einstellbar, dass keine Streufelder in den Hallsensor eindringen.
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Der Ferrit kann mit dem weichmagnetischen Kern KA verklebt werden, wobei die auf den Ferrit aufgebrachte Spulenlänge in erster Linie keine maßgebende Größe für die Empfindlichkeit des Sensors ist.
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So weit die Kennlinie durch Temperatureffekte beeinflusst wird oder Nichtlinearitäten in der Kennlinie auftreten, können diese gezielt durch Erzeugung von Streufeldern eingestellt bzw. kompensiert werden. Dabei ist eine Kompensation bzw. Linearisierung der Kennlinie möglich.
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Der Magnetsensor MS bzw. der Hallsensor kann auch weit entfernt vom Primärleiter positioniert werden.
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5 bis 7 zeigen ein viertes bis sechstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der einzelnen, oben beschriebenen Komponenten des Stromsensors, die grundsätzlich ähnlich wie die Anordnung gemäß 3 aufgebaut sind. Unterschiedlich ist, dass der Magnetfeldsensor MS ist in allen drei Ausführungsformen entfernt vom Primärleiter WP positioniert ist. Der niedrig sättigende Kernteil KF erstreckt sich als geschlossener Kernteil in Richtung des Primärleiters WP bzw. der Zeichenebene und ist mit einer (6, 7) oder zwei Steuerwicklungen (5B) versehen. Der Kernteil KF mit Steuerwicklung(en) kann liegend oder stehend innerhalb KA angeordnet sein oder KA umfassen. Der Magnetfeldsensor MS ist in allen Fällen in dem Luftspalt zwischen den Kernteilen KA und KF angeordnet.
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Der Stromsensor ermöglicht eine potentialfreie Messung und deshalb auch eine Messung bei hohen Spannungen des zu messenden primären Kreises. Die Verwendung des Stromsensors erfolgt insbesondere in einem Auto. Eine vorteilhafte Möglichkeit ist der Einsatz in einer Schaltung zum Power Management. Hierbei wird der Sensor bevorzugt in der Nähe des Minuspols (low-side) oder des Pluspols (high-side) der Batterie angeordnet. Der Stromsensor kann jedoch auch direkt an einem elektrischen Verbraucher oder einer Verbrauchergruppe angeordnet sein.
