DE102006032762A1

DE102006032762A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stromes

Info

Publication number: DE102006032762A1
Application number: DE102006032762A
Authority: DE
Inventors: Christian Hausperger; Edgar Kindler
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-07-15
Also published as: EP1879037B1; DE102006032762B4; EP1879037A1; ATE429647T1; DE602007000946D1; US7579825B2; EP1879037B8; US20080054898A1; DE102006032762B8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter (1) fließenden Stroms, mit einem einen Luftspalt (20) aufweisenden Magnetkreis (2) zur Kopplung mit dem elektrischen Leiter, wobei in dem Luftspalt des Magnetkreises ein magnetfeldsensitives Bauteil (5) zur Messung des vom elektrischen Leiter erzeugten Magnetfelds angeordnet ist. In dem Luftspalt des Magnetkreises ist mindestens ein Steuerkern (3a, 3b) angeordnet, der eine Steuerwicklung (4a, 4b) zur magnetischen Sättigung des jeweiligen Steuerkerns zur Steuerung der effektiven Länge des Luftspalts aufweist, wobei der Magnetkreis eine Kompensationsspule (7) zur Magnetisierung des Magnetkreises trägt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Messen eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Im Bereich der Fahrzeugtechnik führt die steigende Anzahl von elektrischen Verbrauchern in den Kraftfahrzeugen zu einem stetig steigenden Energiebedarf im Bordnetz. Hierdurch wird insbesondere die Bordbatterie immer stärker belastet, die während des Betriebs des Fahrzeugmotors als Puffer dient und im abgeschalteten Zustand des Motors die Spannungsversorgung des Fahrzeuges aufrechterhält. Insbesondere bei vermehrtem Einsatz des Fahrzeugs im Kurzstreckenbetrieb kann dies dazu führen, dass die Batterie während des Betriebs des Motors nicht mehr vollständig geladen wird. Dies kann darin resultieren, dass das Fahrzeug mit entladener Batterie liegen bleibt oder sich aufgrund zu niedriger Batteriespannung nicht mehr starten lässt.
Um dies zu vermeiden, wird in Fahrzeugen zunehmend ein Energiemanagement eingesetzt. Ein solches Energiemanagement soll dafür sorgen, dass der Ladezustand der Batterie keinen kritischen Zustand erreicht, und dass die Ladungsbilanz der Batterie positiv ist. Grundlage für ein derartiges System bildet die Analyse des Batteriezustandes, der sich aus den Messgrößen Batteriestrom, Batteriespannung und Batterietemperatur ergibt. Hierbei ist vor allem die Erfassung des Lade- bzw. Entladestroms von entscheidender Bedeutung, um die Batterie auf einem unkritischen Ladeniveau zu halten und die Startfähigkeit des Fahrzeugs zu sichern.
Die Herausforderung bei der Erfassung des Lade- bzw. Entladestroms liegt darin, dass die zu messenden Ströme sich über einen sehr großen Bereich erstrecken, beispielsweise von –200 A bis 1500 A. Darüber hinaus müssen auch relativ kleine Ströme im Bereich von einigen Ampere oder gar Milliampere messbar sein, die beispielsweise als Restladeströme bei einer fast vollständig geladenen Batterie auftreten. Ein geeigneter Sensor für das Energiemanagement in Fahrzeugen muss entsprechend diesen weiten Bereich abdecken, also eine hohe Dynamik aufweisen.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist der in den 3 und 4 gezeigte Sensor zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug zur Überwachung der fließenden Ströme bekannt. Zur Erfassung des Batteriestroms wird ein Messwiderstand 202 in die Masseleitung 201 eingefügt. Eine geeignete Auswerteelektronik 203 misst direkt den Spannungsabfall am Messwiderstand und berechnet hieraus den fließenden Strom. Der Messwiderstand kann dabei beispielsweise aus Manganin bestehen.
In 3 ist der mit diesem Sensor zu realisierende Messaufbau gezeigt. Eine Autobatterie 205 ist über eine Masseleitung 201 mit der Fahrzeugmasse verbunden. Der Sensor bestehend aus dem Messwiderstand 202 und der Auswerteelektronik 203 ist in die Masseleitung 201 integriert. Elektrische Verbraucher 206 des Kraftfahrzeuges sind mit dem Pluspol der Batterie 205 über eine Leitung 207 verbunden.
Nachteilig an dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist, dass der Messwiderstand in den stromführenden Leiter integriert werden muss, was einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand verursacht, da sicherzustellen ist, dass Scher- und Zugkräfte vom Messwiderstand ferngehalten werden. Eine Verformung des Messwiderstandes kann das Messergebnis beeinflussen und führt im Extremfall zum Defekt des Sensors. Ein weiterer Nachteil ist, dass über dem Messwiderstand notwendig eine Verlustleistung abfällt. Auch bei Verwendung kleiner Widerstände, beispielsweise eines 100 mW Messwiderstandes fällt dennoch Verlustwärme ab, die abgeleitet werden muss.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik verringern und eine zuverlässige Messung eines Stromes in einem elektrischen Leiter über einen weiten Messbereich ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stromes gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stromes gemäß Anspruch 14 gelöst.
Die Vorrichtung weist einen mit einem Luftspalt versehenen Magnetkreis zur Kopplung mit dem elektrischen Leiter und ein in dem Luftspalt des Magnetkreises angeordnetes magnetfeldsensitives Bauteil zur Messung des vom elektrischen Leiter erzeugten Magnetfeldes auf. Erfindungsgemäß ist in dem Luftspalt des Magnetkreises mindestens ein Steuerkern zur Steuerung des Luftspaltes angeordnet, wobei der Steuerkern eine Steuerwicklung zur magnetischen Sättigung des Steuerkerns zur Steuerung der effektiven Länge des Luftspalts trägt. Weiterhin ist an dem Magnetkreis eine Kompensationsspule zur Magnetisierung des Magnetkreises vorgesehen.
Wenn der zu messende Strom durch den zu messenden Leiter seine Flussrichtung wechselt, also beispielsweise von einem positiven Strom (Entladestrom) zu einem negativen Strom (Ladestrom) wechselt, kann in dem Magnetkreis, der üblicherweise ein Material mit hoher Sättigung umfasst, ein Remanenzeffekt auftreten. Mit anderen Worten bleibt innerhalb des Magnetkreises eine Magnetisierung bestehen, nachdem Ströme in der einen Richtung gemessen wurden und der Strom nun abgeschaltet ist. Dieser Remanenzeffekt ist üblicher Weise umso höher, je stärker vorher der maximale Stromfluss durch den Leiter war. Die Remanenz hängt also sowohl von der Stärke des zuvor durch den Magnetkreis hindurch geflossenen Stromes, als auch vom Material des Magnetkreises ab. Im Extremfall liegt eine Magnetkreissättigungsmagnetisierung vor, bei der ein besonders hoher Strom zur Sättigung des Magnetkreises geführt hatte und die Remanenz zu dieser Sättigung korrespondiert, also den maximalen Wert der Remanenz einnimmt. Dieser maximale Wert der Remanenz ist üblicher Weise niedriger als die maximal mögliche Magnetisierung des Magnetkreises.
Die Remanenz verursacht üblicher Weise einen Offsetfehler bei der Messung, insbesondere bei der folgenden Messung. Der Fehler ist dabei auch abhängig von der Stromrichtung durch den Leiter, die Remanenz verschiebt also den Messwert in die positive oder die negative Richtung.
Ein solcher durch den Remanenzeffekt hervorgerufener Offsetfehler kann durch die erfindungsgemäße Kompensationsspule zur Magnetisierung des Magnetkreises kompensiert werden. Dies wird insbesondere in dem weiter unten beschriebenen Verfahren zur Messung eines Stromes klar werden. Durch die Kompensationsspule kann nämlich der Magnetkreis vormagnetisiert bzw. gesättigt werden bevor eine Messung durchgeführt wird. Hierdurch kann beispielsweise ein Remanenzeffekt kontrolliert und gezielt erzeugt werden. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der elektrische Leiter in zwei unterschiedlichen Richtungen von Strom durchflossen wird, beispielsweise einem Lade- und einem Entladestrom einer Batterie. Wird hier absichtlich ein Remanenzeffekt erzeugt, der sowohl in die eine als auch in die andere Richtung zielt, und danach jeweils eine Messung durchgeführt, kann durch Mittelwertbildung der beiden Messwerte der Remanenzeinfluss rechnerisch kompensiert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Magnetkreis eine Magnetkreissättigungsmagnetisierung auf und die Kompensationsspule ist so dimensioniert, dass die Magnetkreissättigungsmagnetisierung unterschritten wird. So wird verhindert, dass die Kompensationsspule den Magnetkreis vollständig sättigt. Durch das Aufbringen einer Remanenz mittels der Kompensationsspule unterhalb des maximal möglichen Werts, aber mit unterschiedlichen Polaritäten, kann hier durch Mittelwertbildung die Remanenz herausgerechnet werden. Insbesondere kann durch dieses Ausführungsbeispiel verhindert werden, dass durch eine vollständige Sättigung des Magnetkreises bei einem bestimmten Magnetkreismaterial eine Messung unmöglich wird.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Kompensationsspule jedoch so dimensioniert, dass die Magnetkreissättigungsmagnetisierung erreicht wird. Hierdurch kann eine vollständige Sättigung des Magnetkreises erreicht werden, wodurch eine Remanenz im Material des Magnetkreises zuverlässig erzeugt werden kann, da sie nach dem Abschalten der Kompensationsspule eine Größe aufweist, die ausschließlich von den Materialeigenschaften des Magnetkreises abhängt. Mit anderen Worten ist der jeweilige Magnetisierungsbetrag nach dem Abschalten der Kompensationsspule immer gleich hoch.
Vorteilhaft ist eine Umschaltvorrichtung zum Umschalten der Polarisierung der Kompensationsspule vorgesehen, um eine Remanenz sowohl mit einer positiven als auch mit einer negativen Polarität erzeugen zu können, um in nachfolgenden Messungen den Remanenzeffekt herausrechnen zu können.
Um eine zuverlässige Messung erreichen zu können, kann die Umschaltvorrichtung mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung des Umschaltens und des Messens gekoppelt sein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass zum Zeitpunkt der Sättigung des Magnetkreises keine Messung durchgeführt wird, sondern der Betrieb der Kompensationsspule und der Messeinrichtung abwechselnd/alternierend stattfindet.
Vorteilhaft ist eine Auswertungsvorrichtung vorgesehen, die zumindest mit dem magnetfeldsensitiven Bauteil und der Kompensationsspule gekoppelt ist und die Steuermittel zur Anregung der Steuerwicklungen aufweist. Die Auswertungsvorrichtung ist vorteilhaft in dem magnetfeldsensitiven Bauteil integriert. Die Auswertungsvorrichtung kann durch das Steuern der Steuerwicklungen die Messbereichsumschaltung steuern und dementsprechend zuverlässige Messungen durchführen.
Vorteilhaft umgreift der Magnetkreis den elektrischen Leiter im Wesentlichen und die Kompensationsspule ist in einem bezüglich des elektrischen Leiters dem magnetfeldsensitiven Bauteil gegenüberliegenden Abschnitt des Magnetkreises angeordnet. Hierdurch lässt sich eine kompakte Anordnung der aktiven Komponenten erhalten. Bevorzugt hat der Magnetkreis dabei im Wesentlichen eine U-Form und die Kompensationsspule ist an dem mittleren Schenkel des Magnetkreises angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind im Luftspalt zwei separate Steuerkerne angeordnet und das magnetfeldsensitive Bauteil ist zwischen den Steuerkernen angeordnet. Durch den Aufbau mit zwei separaten Steuerkernen und der Anordnung des magnetfeldsensitiven Bauteils zwischen diesen ist das magnetfeldsensitive Bauteil, z.B. ein Hallsensor, im mittleren Bereich des Luftspalts angeordnet. Werden diese beiden Kerne durch ein Bestromen der Steuerwicklung gezielt gesättigt, so befindet sich der Hallsensor in der Mitte des dann resultierenden effektiven Luftspalts. An dieser Stelle ist das gebundene Magnetfeld am geringsten, wodurch höchstmögliche Ströme gemessen werden können.
Darüber hinaus lässt sich durch das Vorsehen zweier separater Steuerkerne eine dreistufige Umschaltung realisieren, nämlich eine Umschaltung zwischen einem Zustand, in dem kein einziger Steuerkern gesättigt ist, einem Zustand in dem ein einziger Steuerkern gesättigt ist und einem Zustand in dem beide Steuerkerne gesättigt sind.
Wird der Sensor mit hoher Empfindlichkeit betrieben, sind also die Steuerwicklungen abgeschaltet, misst das magnetfeldsensitive Bauteil das im gesamten Magnetkreis geführte Magnetfeld. Der gesamte Magnetkreis besteht dann aus dem Magnetkreis plus der Steuerkerne. Bei eingeschalteten Steuerwicklungen befindet sich das magnetfeldsensitive Bauelement genau an der Position in dem nun effektiven Luftspalt, an der das Magnetfeld am schwächsten ist, nämlich in der Mitte des Luftspalts. Es wird dadurch die maximal erreichbare Messbereichsumschaltung erzielt. Der Messbereich wird entsprechend maximiert.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, mit dem ein in einem elektrischen Leiter fließender Strom mittels der oben beschriebenen Vorrichtung ermittelt werden kann, weist erfindungsgemäß die Merkmale auf, dass mindestens eine erste Messung bei einer durch die Kompensationsspule erzeugten Magnetisierung des Magnetkreises einer ersten Polarität, und mindestens eine zweite Messung bei einer durch die Kompensationsspule erzeugten Magnetisierung des Magnetkreises einer zweiten Polarität durchgeführt wird.
Insbesondere wird die Magnetisierung des Magnetkreises in der ersten bzw. der zweiten Polarität durch die Kompensationsspule so erzeugt, dass die Kompensationsspule den Magnetkreis in einer ersten Polarität vollständig sättigt und dann abgeschaltet wird, dann die Messung ausgeführt wird, dann die Kompensationsspule in einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität gegenüber liegt, den Magnetkreis vollständig sättigt und dann abgeschaltet wird, wonach die zweite Messung ausgeführt wird. Auf diese Weise kann die Remanenz des Magnetkreises kompensiert werden, selbst wenn der elektrische Leiter von Strömen in unterschiedlichen Richtungen durchflossen wird. Der Offset-Fehler, der durch die Remanenz erzeugt wird, kann dadurch insbesondere durch Mittelwertbildung herausgerechnet werden.
Bevorzugt sind die Magnetisierung der ersten Polarität und die Magnetisierung der zweiten Polarität gleich hoch und weisen insbesondere den gleichen Magnetisierungsbetrag auf. Dies kann, wie oben beschrieben, auch dadurch erreicht werden, dass der Magnetkreis sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Polarisierung vollständig gesättigt wird und danach die Kompensationsspule abgeschaltet wird.
Selbstverständlich kann auch durch das Aufbringen einer definierten Magnetisierung durch einen bestimmten Kompensationsspulenstrom eine Magnetisierung eines gleichen Magnetisierungsbetrages erreicht werden, der niedriger ist als die Sättigungsremanenz.
Bei einem gleichen Magnetisierungsbetrag ist es besonders vorteilhaft, den Mittelwert aus jeweils einer ersten und jeweils einer zweiten Messung als Messwert zu berechnen. Hierdurch kompensieren sich die Offsetwerte, die durch die Remanenz erzeugt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens können sich jedoch die Magnetisierung der ersten Polarität und Magnetisierung der zweiten Polarität voneinander unterscheiden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Magnetkreis mittels unterschiedlicher Kompensationsspulenströme magnetisiert wird. Dies kann aber auch dann der Fall sein, wenn ein inhomogenes Material für den Magnetkreis verwendet wird, das unterschiedlich hohe Sättigungsremanenzen in einer ersten und einer zweiten Polarisierung aufweist. Eine solche Ausrichtung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn ein bekanntes starkes Magnetfeld, das in einer definierten Richtung wirkt, kompensiert werden soll.
Im Falle, dass die Magnetisierungsbeträge der ersten und zweiten Polarisierung unterschiedlich sind, wird der Mittelwert der jeweiligen Messwerte jeweils mit den jeweiligen Magnetisierungsbeträgen gewichtet, um den Messwert zu bestimmen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung im Bereich eines Masseleiters oder eines Plusleiters einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie angeordnet. Die Vorrichtung ist mit Vorteil im Bereich eines elektrischen Verbrauchers oder einer Gruppe elektrischer Verbraucher eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Hierdurch lässt sich zum einen eine Leckstromüberwachung und eine Lade- bzw. Entladestromüberwachung einfach realisieren, zum anderen kann die Stromaufnahme einzelner Verbraucher bzw. einzelner Verbrauchergruppen in einem Fahrzeug überwacht werden.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Verwendung der Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug zur Überwachung von Strömen im Bordnetz des Kraftfahrzeuges und weiterhin auf eine Verwendung des beschriebenen Verfahrens in dem Kraftfahrzeug zur Überwachung von Strömen im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Die beschriebene Vorrichtung bzw. das beschriebene Verfahren kann aber auch in anderen Anwendungsbereichen als Stromsensor zum Einsatz kommen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Für gleiche Bauteile werden dabei einheitliche Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform mit der Kompensationsspule;
2 eine schematische Ansicht eines Stromsensors in einer zweiten Ausführungsform mit einer Kompensationsspule;
3 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Batteriestrommessung gemäß dem Stand der Technik; und
4 eine Schnittdarstellung des Messwiderstandes und der Auswertelektronik aus der 3 gemäß dem Stand der Technik.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stromes.
Die Vorrichtung dient zur Messung eines einen elektrischen Leiter 1 durchfließenden Stromes. Die Vorrichtung umfasst einen Magnetkreis 2, der einen Luftspalt 20 aufweist. In dem Luftspalt 20 sind zwei Steuerkerne 3a und 3b angeordnet. In einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann aber auch nur ein einziger Steuerkern in dem Luftspalt 20 angeordnet sein.
Die gezeigten Steuerkerne 3a und 3b schließen an ihren jeweiligen, dem Magnetkreis 2 zugewendeten Seiten direkt an den Magnetkreis 2 an. Die Steuerkerne 3a, 3b sind in der gezeigten Ausführungsform als Ferritkerne ausgebildet, die einen im Wesentlichen rechteckigen Rahmen bilden. Auf den beiden langen Seiten des im Wesentlichen rechteckigen Ferritkernrahmens 3a, 3b sind jeweils Steuerspulen 4a und 4b aufgebracht. Zwischen den beiden Steuerkernen 3a, 3b ist ein Spalt 50 ausgebildet, in dem ein magnetfeldsensitives Bauelement 5 angeordnet ist. Das magnetfeldsensitive Bauelement 5 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Hallsensor. Die beiden Steuerkerne 3a, 3b und das magnetfeldsensitive Bauelement 5 füllen den Luftspalt 20 des Magnetkreises 2 vollständig aus. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Luftspalt 20 des Magnetkreises 2 allerdings nicht vollständig ausgefüllt, sondern beispielsweise zwischen den Steuerkernen und dem magnetfeldsensitiven Bauteil ein Luftspalt vorgesehen.
Zur Messung des den elektrischen Leiter 1 umgebenden Magnetfeldes und damit zur Messung des den elektrischen Leiter durchfließenden Stromes wird das in den Magnetkreis 2 eingekoppelte Magnetfeld im magnetfeldsensitiven Bauteil 5 gemessen.
Wenn der Strom durch den Leiter 1 in einer ersten Richtung fließt, magnetisiert er den Magnetkreis 2 in einer bestimmten Polarisierung vor und bei Umkehr der Stromrichtung durch den Leiter 1 verfälscht diese Vormagnetisierung bzw. Remanenz im Magnetkreis 2 die Messung.
An dem Magnetkreis 2 ist daher eine Kompensationsspule 7 vorgesehen, über die eine Magnetisierung des Magnetkreises 2 in einer ersten oder zweiten Polarisierung vorgenommen werden kann. Eine Umkehrung der Polarisierung der Magnetisierung kann einfach durch Umkehr der Stromrichtung des die Kompensationsspule 7 durchfließenden Stromes erreicht werden. Durch die Kompensationsspule 7 kann der Magnetkreis 2 dabei entweder vollständig mit einer Magnetkreissättigungsmagnetisierung gesättigt werden und dadurch eine maximale Remanenz in dem Magnetkreis 2 erzeugt werden, oder es kann eine Magnetisierung auf den Magnetkreis 2 aufgebracht werden, die geringer ist, als die Magnetkreissättigungsmagnetisierung, wodurch eine Remanenz aufgebracht wird, die geringer als die maximale Remanenz ist.
Durch die Kompensationsspule 7 können so zwei aufeinander folgende Messungen durchgeführt werden. Dazu wird der Magnetkreis 2 durch die Kompensationsspule 7 beispielsweise einmal in einer ersten Polarität vollständig gesättigt. Dann wird die Kompensationsspule 7 abgeschaltet und eine erste Messung wird ausgeführt. Danach wird die Kompensationsspule 7 in einer zweiten Polarität betrieben, wodurch der Magnetkreis 2 zum Beispiel vollständig in der Gegenrichtung gesättigt wird und nach Abschalten der Kompensationsspule 7 eine Remanenz in der entgegengesetzten Richtung übrig bleibt.
Danach wird eine weitere Messung ausgeführt. Dadurch, dass eine Messung mit einer Sättigungsremanenz in einer ersten Polarität und eine zweite Messung mit einer Sättigungsremanenz einer zweiten Polarität gemessen wird, kann mit einer einfachen Mittelwertbildung die Remanenz herausgerechnet werden. Da es sich bei der jeweils aufgebrachten Remanenz um die Sättigungsremanenz handelt, kann auch ein noch so starker Strom durch den Leiter 1 hindurch diese Remanenz nicht verstärken. Hierdurch wird eine zuverlässige Messung erreicht. Natürlich können durch die Kompensationsspule 7 auch Magnetisierungen des Magnetkreises erreicht werden, die geringer als die Sättigungsmagnetisierung sind. Auch solche Magnetisierungen sind kontrollierbar und definiert und können daher durch Mittelwertbildung herausgerechnet werden. Wird jedoch eine solche Messung mit niedrigeren Vormagnetisierungen vorgenommen, so ist darauf zu achten, dass die Vormagnetisierung höher ist, als die Magnetisierung, die durch den maximal auf dem Leiter 1 fließenden Strom in dem Magnetkreis 2 erzeugt wird.
Sind die Ströme, die den elektrischen Leiter 1 durchfließen, klein, so wird, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung hoch einzustellen, keinerlei Strom an die Steuerwicklungen 4a, 4b angelegt. Der Luftspalt des effektiven Magnetkreises ist dann nur in der Größenordnung des Luftspaltes zwischen den beiden Steuerkernen 3a, 3b, der der Breite des Bauteils 5 entspricht. Das im Magnetkreis 2 gebundene Magnetfeld wird daher bis zum magnetfeldsensitiven Bauteil transportiert.
Sollen jedoch große Ströme gemessen werden, so wird ein Steuerstrom auf die Steuerspulen 4a, 4b aufgebracht, so dass die Steuerkerne 3a, 3b gesättigt werden. Der Luftspalt des Magnetkreises 2 entspricht daher effektiv dem Luftspalt 20, da die gesättigten Steuerkerne nichts mehr zum Magnetkreis beitragen. Das magnetfeldsensitive Bauteil 5 liegt dann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Mitte des Luftspalts 20 des Magnetkreises 2. An dieser Stelle ist das Magnetfeld des Magnetkreises 2 am schwächsten. Daher kann in dieser Anordnung ein besonders großer Strom des elektrischen Leiters 1 gemessen werden, ohne die Dynamik des magnetfeldsensitiven Bauteils zu überschreiten.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten durch die Anordnung des zweiten Steuerkerns 3b bezüglich des ersten Steuerkerns 3a. Die Ebene, die im Rahmen des Steuerkerns 3b liegt, ist hier um 90 Grad gegenüber der Ebene, die im Steuerkern 3a liegt, gedreht. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Fläche des Luftspalts minimiert wird und dadurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung für geringe Ströme weiter verbessert wird. Die Fläche des Luftspalts entspricht dabei einer quadratischen Fläche mit einer Kantenlänge, die der Breite des Ferritkernrahmens 3a bzw. 3b entspricht. Hierdurch kann eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit der Vorrichtung bei geringen Strömen erreicht werden.
Weiterhin ist eine Kompensationsspule 7 vorhanden, die im Wesentlichen wie die oben zur 1 beschriebene funktioniert.
In einer bevorzugten Betriebsweise ist das magnetfeldsensitive Bauteil 5 mit einer Auswertungsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die Steuermittel (nicht gezeigt) zur separaten Anregung der Steuerwicklungen 4a, 4b aufweist. Durch separate Anregung der Steuerwicklungen 4a, 4b kann ein Messvorgang zur Messung der Ströme erreicht werden, bei dem in einem ersten Messbereich keinerlei Anregung auf die Steuerwicklungen 4a, 4b aufgebracht wird, in einem zweiten Messbereich eine der Steuerwicklungen 4a oder 4b mit einem Anregungsstrom belegt wird, so dass der jeweilige Steuerkern 3a, 3b gesättigt wird und dann zur Einstellung eines dritten Messbereichs zur Messung von hohen Strömen beide Steuerkerne 3a, 3b durch Aufbringen von entsprechenden Steuerströmen auf die Steuerwicklungen 4a, 4b gesättigt werden. Das magnetfeldsensitive Bauteil 5 befindet sich dann in der Mitte des dadurch entstehenden fiktiven Luftspaltes.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist weiterhin denkbar, dass mehr als nur zwei Steuerkerne in dem Luftspalt angeordnet sind und durch Kombination der jeweiligen Sättigungsströme bzw. durch Kombination der jeweiligen Sättigungen der Steuerkerne unterschiedliche Luftspaltlängen bezüglich des magnetfeldsensitiven Bauteils 5 erzeugt werden können. Hierdurch kann unter Umständen eine weitere Anpassung der Messbereichsumschaltung an die jeweils geforderten Messbereiche realisiert werden.
Die so aufgebaute Vorrichtung eignet sich aufgrund der großen Messbereichsumschaltung besonders zur Überwachung von Strömen in Kraftfahrzeugen.

Claims

Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter (1) fließenden Stroms, mit einem einen Luftspalt (20) aufweisenden Magnetkreis (2) zur Kopplung mit dem elektrischen Leiter, wobei in dem Luftspalt des Magnetkreises ein magnetfeldsensitives Bauteil (5) zur Messung des vom elektrischen Leiter erzeugten Magnetfelds angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftspalt des Magnetkreises mindestens ein Steuerkern (3a, 3b) angeordnet ist, der eine Steuerwicklung (4a, 4b) zur magnetischen Sättigung des jeweiligen Steuerkerns zur Steuerung der effektiven Länge des Luftspalts aufweist, wobei der Magnetkreis eine Kompensationsspule (7) zur Magnetisierung des Magnetkreises trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkreis eine Magnetkreissättigungsmagnetisierung aufweist und die Kompensationsspule so dimensioniert ist, dass die Magnetkreissättigungsmagnetisierung unterschritten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkreis eine Magnetkreissättigungsmagnetisierung aufweist und die Kompensationsspule so dimensioniert ist, dass die Magnetkreissättigungsmagnetisierung erreicht wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Umschaltvorrichtung zum Umschalten der Polarisierung der Kompensationsspule vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Umschaltvorrichtung mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung des Umschaltens und des Messens gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Auswertungsvorrichtung vorgesehen ist, die zumindest mit dem magnetfeldsensitiven Bauteil und der Kompensationsspule gekoppelt ist und die Steuermittel zur Anregung der Steuerwicklungen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswertungsvorrichtung in dem magnetfeldsensitiven Bauteil integriert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Magnetkreis den elektrischen Leiter im Wesentlichen umgreift und die Kompensationsspule in einem bezüglich des elektrischen Leiters dem magnetfeldsensitiven Bauteil gegenüberliegenden Abschnitt des Magnetkreises angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der Magnetkreis im Wesentlichen eine U-Form hat und die Kompensationsspule an dem mittleren Schenkel des Magnetkreises angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwei Steuerkerne in dem Luftspalt angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das magnetfeldsensitive Bauteil zwischen den Steuerkernen angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung im Bereich eines Masseleiters oder eines Plusleiters einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie, angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung im Bereich eines elektrischen Verbrauchers oder einer Gruppe elektrischer Verbraucher eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, angeordnet ist.
Verfahren zum Messen eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms mittels einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Messung bei einer durch die Kompensationsspule erzeugten Magnetisierung des Magnetkreises einer ersten Polarität, und mindestens eine zweite Messung bei einer durch die Kompensationsspule erzeugten Magnetisierung des Magnetkreises einer zweiten Polarität durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, umfassend die Schritte: a. Aufbringen einer Magnetisierung einer ersten Polarität auf den Magnetkreis mittels der Kompensationsspule; b. Abschalten der Kompensationsspule; c. Durchführen einer ersten Strommessung; d. Aufbringen einer Magnetisierung einer zweiten Polarität auf den Magnetkreis mittels der Kompensationsspule; e. Durchführung einer zweiten Strommessung; f. Mittelwertbildung aus der ersten und der zweiten Strommessung.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die Magnetisierung der ersten Polarität und die Magnetisierung der zweiten Polarität jeweils der Sättigungsmagnetisierung des Magnetkreises entspricht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Magnetisierung der ersten Polarität und die Magnetisierung der zweiten Polarität den gleichen Magnetisierungsbetrag aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Mittelwert aus jeweils einer ersten und einer zweiten Messung als der Strommesswert bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Magnetisierung der ersten Polarität und die Magnetisierung der zweiten Polarität unterschiedlich sind.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Mittelwert der mit den jeweiligen Magnetisierungsbeträgen gewichteten Messwerte jeweils einer ersten Messung und einer zweiten Messung als der Strommesswert bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei der Magnetkreis zwischen einzelnen Messungen durch die Kompensationsspule vollständig gesättigt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei mindestens eine Messung des Magnetfeldes in dem Magnetkreis ohne Anregung des Steuerkerns, und eine Messung des Magnetfeldes in dem Magnetkreis bei gesättigtem Steuerkern durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei zwei Steuerkerne in dem Luftspalt vorhanden sind und eine weitere Messung bei Sättigung nur eines einzigen Steuerkreises vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei eine Messung zunächst bei Sättigung des ersten Steuerkerns und dann bei Sättigung des zweiten Steuerkerns vorgenommen wird.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Kraftfahrzeug zur Überwachung von Strömen im Bordnetz des Kraftfahrzeugs.
Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 14 bis 24 in einem Kraftfahrzeug zur Überwachung von Strömen im Bordnetz des Kraftfahrzeugs.