DE102008033957A1 - High current sensor for use in converter for e.g. battery monitoring, for hybrid drive in motor vehicle, has magnetic field sensors whose plane is azimuthally rotated at opposite common plane between conductor and p-type conductor - Google Patents

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Abstract

The sensor has a predetermined number of magnetic field sensors arranged radially symmetrical at a current carrying conductor (1) with the same sensitivity, and a set of evaluation devices (5-7). The plane of the sensors is azimuthally rotated at a predetermined angle (alpha 0) at an axis of the current carrying conductor. The rotation takes place opposite a common plane between the current carrying conductor and a p-type conductor (3). The current carrying conductor and the p-type conductor run parallel to each other. The sensor is operated according to a flow meter measuring principle.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochstromsensor nach dem Durchflutungsgesetz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a high-current sensor according to the law of flooding according to the generic term of claim 1.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit AZ 10 2008 030 334.8 und der Bezeichnung „Verfahren zur störarmen berührungslosen Messung hoher Ströme und zugehöriger Hochstromsensor” wird eine Sensoranordnung mit zugehörigem Auswerteverfahren beschrieben, welche eine energieeffiziente Messung von Strömen zwischen 400 A und 10 kA ohne Flusskonzentrator ermöglicht. Prinzipiell ist dabei sowohl ein „open loop”- als auch ein „close loop”-Betrieb möglich.In the older, not pre-published Patent application of the applicant with AZ 10 2008 030 334.8 and the Name "Procedure to the sturgeon contactless Measurement of high currents and associated high current sensor "becomes a Sensor arrangement with associated Evaluation method described which an energy-efficient measurement of streams between 400 A and 10 kA without flux concentrator. In principle, both an "open loop" and a "close loop "operation possible.

Hauptfokus ist bei letzterer Patentanmeldung jedoch der „open loop”-Betrieb. Eine solche Anordnung enthält vorteilhafterweise Spinvalve-Magnetfeldsensoren, um eine hohe Genauigkeit und Robustheit zu gewährleisten. Solche Stromsensoren können beispielsweise in Umrichtern für Mittelspannung oder aber zur Batterieüberwachung für Hybridantriebe oder Elektroantriebe in Kraftfahrzeugen Anwendung finden. Auch Umrichter für Schiffs-Bahn-Antriebe oder Windkraftanlagen sind potentielle Anwendungsfelder, da die Ströme im angegebenen Bereich liegen.main focus However, in the latter patent application is the "open loop" operation. Such an arrangement advantageously contains Spinvalve magnetic field sensors for high accuracy and robustness to ensure. Such current sensors can for example in converters for Medium voltage or for battery monitoring for hybrid drives or electric drives in motor vehicles application. Also inverter for ship train drives or wind turbines are potential fields of application since the Currents in the specified range lie.

Zur galvanisch getrennten DC-Strommessung sind insbesondere zwei Grundprinzipien bekannt. Das eine Messprinzip verwendet einen Flusskonzentrator, der den stromdurchflossenen Leiter umgibt, und einen Hallsensor, der sich in einem Luftspalt des Flusskreises befindet. Derartige Sensoren werden als LEM-Wandler bezeichnet. Das andere Messprinzip beinhaltet einen MR-Sensor für das Magnetfeld eines Stromes, der über ein so genanntes U-Turn fließt und die Signale insbesondere über eine Vollbrücke auswertet.to galvanically isolated DC current measurement are in particular two basic principles known. The one measuring principle uses a flux concentrator, surrounding the current-carrying conductor, and a Hall sensor, which is located in an air gap of the circle. such Sensors are called LEM converters. The other measuring principle includes an MR sensor for the magnetic field a stream that over one so-called U-turn flows and the signals in particular over a full bridge evaluates.

Das erstgenannte Prinzip erfordert einen großen Materialauf wand für den Flusskreis und ist insbesondere im „open loop”-Betrieb ungenau, da insbesondere ein Hystereseeffekt zu beachten ist. Der „closed loop”-Betrieb ist vor allem bei Strömen über 500 A mit großer Verlustleistung auf der DC-Seite, welche die Signalseite darstellt, von bis zu 50 W bei 10 kA Primärstrom verbunden.The The former principle requires a large material on the wall for the flow circle and is especially in the "open loop "operation inaccurate, since in particular a hysteresis effect is to be considered. The "closed loop" operation is above 500 especially at currents A with big Power loss on the DC side, which represents the signal side, of up to 50 W at 10 kA primary current connected.

Vom Stand der Technik können MR-Sensoren mit U-Turn zur Felderzeugung, die mit hinreichender Genauigkeit, d. h. ±1% bei Raumtemperatur, Ströme bis maximal 150 A messen. Eine technisch sinnvolle Obergrenze für das U-Turn-Prinzip liegt bei ca. 400 A, was sich durch eine FeN-Simulation belegen lässt. Eine hohe Genauigkeit kann auch hier nur mit den Mitteln der so genannten „closed loop”-Schaltung erreicht werden. Insbesondere bei Sensoren für Ströme > 1 kA ist die Versorgung der Signalseite aufwändig und teuer.from State of the art can MR sensors with U-turn for field generation, with sufficient accuracy, d. H. ± 1% at room temperature, currents measure up to 150 amps. A technically sensible upper limit for the U-turn principle is about 400 A, which is evidenced by a FeN simulation leaves. A high accuracy can also be achieved only with the means of sun called "closed loop "circuit be achieved. Especially with sensors for currents> 1 kA, the supply of the signal side costly and expensive.

Beim Stand der Technik werden die hohen Kosten für die Erzeugung der DC-Leistung und der Erwärmung hingenommen.At the Prior art will be the high cost of generating DC power and the warming tolerated.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Hochstromsensor zu schaffen, der insbesondere tolerant gegen Magnetfelder ist, die durch parallele Störleiter erzeugt werden. Diese Leiter können beispielsweise die weiteren Leiter einer Mehrphasenleitung sein.task In contrast, it is the object of the invention To provide a high current sensor, in particular tolerant of Magnetic fields is generated by parallel Störleiter. These Head can For example, be the other leaders of a multi-phase line.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die abhängigen Ansprüche.The Task is inventively by the entirety of the features of claim 1 solved. further developments The invention will become apparent from the dependent claims.

Gegenstand der Erfindung ist ein solcher Hochstromsensor, bei dem eine Anordnung von rotationssymmetrisch um den stromführenden Leiter verteilten Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren sowie eine zugehörige Auswerteschaltung vorhanden ist und eine azimutale Verdrehung der Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren in einem vorgegebenen Winkel vorliegt. Dadurch ist ein Symmetriebruch in der Sensoranordnung gegeben. Es wurde erkannt, dass insbesondere bei einer Parallelführung von stromführendem Leiter und Leiter durch einen solchen Symmetriebruch für das Störsignal eine solche Drehung das Störfeld in geeigneter Weise bei der Messung ausspart.object The invention is such a high current sensor, wherein an arrangement of spin-symmetry distributed around the current-carrying conductor of rotationally symmetrical Magnetic field sensors and an associated evaluation circuit available and an azimuthal rotation of the spinvalve-based magnetic field sensors is present at a predetermined angle. This is a break in symmetry given in the sensor arrangement. It was recognized that in particular in a parallel guide from energized Ladder and conductor by such a break in symmetry for the interference signal such a rotation is the interference field suitably omitted in the measurement.

Vorteilhafterweise ist die rotationssymmetrische Anordnung der Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren so verdreht, dass die durch den Leiter verlaufende Leiterebene die Längsachse des Störleiters nicht schneidet. Unter der Voraussetzung, dass der Abstand des Störleiters von dem Hochstromsensor gegenüber der Ausbildung des Stromsensors ist, gilt für den Winkel der Verdrehung der rotationssymmetrischen Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren die Beziehung (1)

Figure 00030001
wobei N die Zahl der Magnetfeldsensoren bzw. der Brücke darstellt.Advantageously, the rotationally symmetrical arrangement of the spinvalve-based magnetic field sensors is so twisted that the conductor plane passing through the conductor does not intersect the longitudinal axis of the interfering conductor. Assuming that the distance of the spurious conductor from the high current sensor is opposite to that of the current sensor, the angle of rotation of the rotationally symmetric spinvalve-based magnetic field sensors is governed by the relationship of (1)
Figure 00030001
where N represents the number of magnetic field sensors or the bridge.

Beispielsweise ergibt sich für N = 6 eine Verdrehung um 15° Winkelmaß, bei N = 12 eine Verdrehung um 7,5° Winkelmaß und bei N = 16 eine Verdrehung um 5,5° Winkelmaß. Derartige Verdrehungen lassen sich bei einer vollautomatischen Messung durch entsprechende Vorgabe der Lage des erfindungsgemäßen Hochstromsensors leicht einstellen.For example arises for N = 6 a rotation by 15 ° angle, at N = 12 a rotation by 7.5 ° angle and at N = 16 a rotation by 5.5 ° angle. such Twists can be carried out in a fully automatic measurement appropriate specification of the position of the high current sensor according to the invention easily to adjust.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen in schematischer DarstellungFurther Details and advantages of the invention will become apparent from the following Description of the figures of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims. It show in a schematic representation

1 die Ebene einer Anordnung eines Hochstromsensors mit Magnetfeldsensoren um einen konzentrischen Leiter, dem im Abstand ein Störleiter zugeordnet ist und die 1 the level of an arrangement of a high current sensor with magnetic field sensors to a concentric conductor, which is assigned at a distance an interference conductor and the

2 eine um den Winkel α0 verdrehte Anordnung gemäß 1 zur Ausschaltung des Störfeldes des Störleiters sowie 2 a twisted by the angle α0 arrangement according to 1 to eliminate the interference field of the Störleiters and

3 eine seitliche Ansicht der Anordnung gemäß 1. 3 a side view of the arrangement according to 1 ,

In der eingangs zitierten Patentanmeldung AZ 10 2008 030 334.8 sind ein Verfahren zur Messung von hohen Strömen nach Durchflutungsprinzip und ein zugehöriger Hochstromsensor beschrieben. Bei dem zugehörigen Sensoraufbau bilden jeweils vier insbesondere Spinvalve-basierte Magnetfeldsensoren eine Vollmessbrücke, wobei beispielsweise speziell zwölf Messbrücken auf dem Umfang des Aufbaus konzentrisch um den stromführenden Leiter angeordnet sind. Zugeordnet sind dem Messaufbau Einheiten zur Auswertung.In the initially cited patent application AZ 10 2008 030 334.8 a method for measuring high currents according to the principle of flooding and an associated one High current sensor described. At the associated sensor structure form respectively four in particular Spinvalve-based magnetic field sensors a Vollmessbrücke, wherein for example, specifically twelve measuring bridges concentric around the current-carrying on the circumference of the body Ladder are arranged. Assigned to the measurement setup are units to the results.

Bei paralleler Leiterführung, wie sie an vielen Stellen in Umrichtern mit drei Phasen vorkommt, ist die Ebene, die abgesehen von Toleranzen alle drei Leiter bzw. deren Längsachse beinhaltet, von besonderer Bedeutung. Das Magnetfeld der Einzelleiter, welches bei Stromfluss durch nur diesen einen Leiter hervorgerufen wird, ist zylindersymmetrisch zur Längsachse des Einzelleiters. Die Überlagerung der zu einzelnen Längsachsen zylindersymmetrischen Teilleiter führt zu einer besonderen Abbildungsvorschrift bezüglich der Ebene, die alle Längsachsen beinhaltet. Dabei muss die Spiegelsymmetrie mit Richtungsumkehr des Feldsektors beachtet werden.at parallel conductor guidance, as it occurs in many places in converters with three phases, is the plane that apart from tolerances all three conductors or its longitudinal axis includes, of particular importance. The magnetic field of the individual conductors, which is caused by current flow through only this one conductor, is cylindrically symmetrical to the longitudinal axis of the single member. The overlay to individual longitudinal axes cylindrically symmetrical conductor leads to a special mapping rule in terms of the plane, all the longitudinal axes includes. Here, the mirror symmetry with direction reversal of the field sector.

Sofern auch die geschlossene Kurve, längs der das Linienintegral nach dem Durchflutungsgesetz gebildet werden soll, der gleichen Abbildungsvorschrift mit Spiegelsymmetrie und Richtungsumkehr des Tangentenvektors folgt, so kann aus der zweiten Hälfte des Linienintegrals keine zusätzliche Information gezogen werden. Bei einer auf einzelnen Stützstellen basierenden Messung für eine diskrete Ermittlung des Linienintegrals – wie es bei der Anordnung nach 1 gezeigt ist – bietet es sich aber an, einen Symmetriebruch bei der Anordnung der Einzelsensoren vorzusehen, um Zusatzinformationen zu gewinnen. Besonders einfach kann ein Symmetriebruch durch ein Verdrehen der Symmetrieachse der Einzelsensoranordnung gegenüber derjenigen Ebene, die die stromführenden Leiter beinhaltet, erreicht werden.If the closed curve, along which the line integral is to be formed according to the law of flux, follows the same mapping rule with mirror symmetry and direction reversal of the tangent vector, no additional information can be drawn from the second half of the line integral. In a measurement based on individual support points for a discrete determination of the line integral - as in the arrangement according to 1 is shown - but it is advisable to provide a break in the symmetry in the arrangement of the individual sensors in order to gain additional information. A symmetry break can be achieved particularly easily by rotating the axis of symmetry of the individual sensor arrangement relative to the plane containing the current-carrying conductors.

In den Figuren sind dazu die einzelnen Vollbrücken mit 10i , die jeweils aus vier, nicht im Einzelnen dargestellten Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren bestehen, bezeichnet. Beispielsweise sind gemäß 1 zwölf Vollbrücken 10' bis 1012' vorhanden, die im Abstand R zylindersymmetrisch um den Primärleiter 1 angeordnet sind. Die feldempfindliche Richtung jedes Spinvalve-basierten Elementes, das Teil der Vollbrücken ist, ist senkrecht zur Radialkomponente des Zylinderkoordinatensystems. Einzelne Auswerteeinheiten zur softwaregestützten Auswertung sind mit 5 bis 7 bzw. 5' bis 7 bezeichnet.In the figures, the individual full bridges with 10 i , each consisting of four, not shown in detail Spinvalve-based magnetic field sensors called. For example, according to 1 twelve full bridges 10 ' to 10 12 ' present at the distance R cylindrically symmetric about the primary conductor 1 are arranged. The field-sensitive direction of each spinvalve-based element that is part of the full bridges is perpendicular to the radial component of the cylindrical coordinate system. Individual evaluation units for software-supported evaluation are provided with 5 to 7 respectively. 5 ' to 7 designated.

In 2 ist der Primärleiter 1 mit einer Sensoranordnung prinzipiell entsprechend 1 dargestellt, bei der die Ebene der Vollbrücken gegenüber 1 um einen Winkel α0 verdreht ist. Der Störleiter 3 ist im Abstand a dargestellt und weiterhin die Ebene E der Leiteranordnung, die beide Längsachsen der Leiter vollständig beinhaltet.In 2 is the primary conductor 1 in principle corresponding to a sensor arrangement 1 shown at the level of the full bridges opposite 1 is rotated by an angle α 0 . The sturgeon conductor 3 is shown at a distance a and further the plane E of the conductor arrangement which completely includes both longitudinal axes of the conductors.

Man erkennt, dass die Ebene E der verdrehten Sensoren nicht mehr durch den Störleiter 3 verläuft. Damit kann dessen störender Einfluss auf die Strommessung ausgeschaltet werden.It can be seen that the plane E of the twisted sensors is no longer through the interfering conductor 3 runs. This can be turned off its disturbing influence on the current measurement.

In der Seitenansicht gemäß 3 ergibt sich im Prinzip der gleiche Sachverhalt mit konzentrisch im Messaufbau verlaufende Primärleiter 1 und dem im Abstand a davon verlaufenden Störleiter 3. Ersichtlich ist hier weiterhin, dass die feldempfindliche Richtung jedes MR-Elementes senkrecht zur Radialkomponente des Zylinderkoordinatensystems verläuft. Unter der Voraussetzung, dass der Abstand a zwischen Primärleiter 1 und Störleiter 3 deutlich größer ist als der Durchmesser R der Sensoranordnung, gilt für den Verdrehwinkel in 1 näherungsweise die Beziehung

Figure 00050001
wobei N die Anzahl der Sensoren, d. h. Vollbrücken, bedeuten. Daraus ergibt sich, dass beispielsweise für N = 6 ein Verdreh winkel α von 15° Winkelmaß, für N = 12 ein Verdrehwinkel von 7,5°C Winkelmaß und bei N = 16 ein Verdrehwinkel von 5,5° Winkelmaß notwendig ist.In the side view according to 3 In principle, the same situation arises with the primary conductor running concentrically in the measurement setup 1 and the interfering conductor extending at a distance a therefrom 3 , It can be seen further here that the field-sensitive direction of each MR element perpendicular to the radial component of Cylinder coordinate system runs. Provided that the distance a between the primary conductor 1 and Störleiter 3 is significantly larger than the diameter R of the sensor arrangement, applies to the angle of rotation in 1 approximately the relationship
Figure 00050001
where N is the number of sensors, ie full bridges. It follows that, for example, for N = 6, a twist angle α of 15 ° angular extent, for N = 12, a twist angle of 7.5 ° C angle and N = 16, a twist angle of 5.5 ° angle is necessary.

Mit der beschriebenen Anordnung ergeben sich insbesondere folgende Vorteile: Es ist eine hohe Genauigkeit bei hohen Strömen möglich. Der Kostenaufwand ist dabei vergleichsweise gering. Die Anzahl der Einzelsensoren kann entsprechend den Anforderungen vorgegeben werden, wobei gegebenenfalls eine geringere Anzahl von Einzelsensoren als beim Stand der Technik möglich sind.With The described arrangement results in particular the following advantages: It is possible to achieve high accuracy at high currents. The cost is while comparatively low. The number of individual sensors can be specified according to the requirements, where appropriate a smaller number of individual sensors than in the prior art possible are.

Durch Variation der Randbedingungen kann auch ein geringerer Abstand zwischen Störleiter und Primärleiter möglich sein.By Variation of the boundary conditions can also be a lesser distance between interfering conductors and primary conductors possible be.

Insgesamt ergibt sich ein breites Einsatzspektrum des beschriebenen Hochstromsensors.All in all results in a wide range of uses of the described high current sensor.

Claims (6)

Hochstromsensor nach dem Durchflussmessprinzip, bei dem eine vorgegebene Anzahl von Magnetfeldsensoren radialsymmetrisch um den stromführenden Leiter angeordnet ist, welche jeweils die gleiche Empfindlichkeit aufweisen, und eine Auswerteeinrichtung vorhanden ist, gekennzeichnet durch eine azimutale Verdrehung der Ebene der Magnetfeldsensoren um einen vorgegebenen Winkel (α0) um die Achse (I) des stromführenden Leiters (1), wobei die Verdrehung gegenüber der gemeinsamen Ebene (E) zwischen Stromleiter (1) und Störleiter (3) erfolgt.High-current sensor according to the flow measuring principle, in which a predetermined number of magnetic field sensors is arranged radially symmetrically around the current-carrying conductor, which each have the same sensitivity, and an evaluation device is present, characterized by an azimuthal rotation of the plane of the magnetic field sensors by a predetermined angle (α 0 ) about the axis (I) of the current-carrying conductor ( 1 ), wherein the rotation relative to the common plane (E) between conductors ( 1 ) and Störleiter ( 3 ) he follows. Hochstromsensor nach Anspruch 1, wobei stromführende Leiter und der Störleiter parallel verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der Magnetfeldsensoren so verdreht ist, dass die Leiterebene die Längsachse (I) des Störleiters (3) nicht trifft.High-current sensor according to claim 1, wherein current-carrying conductors and the interfering conductor run parallel, characterized in that the plane of the magnetic field sensors is rotated so that the conductor plane the longitudinal axis (I) of the interfering conductor ( 3 ) does not apply. Hochstromsensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für Abstände a > 2R der Verdrehwinkel (αo) unabhängig vom Abstand (a) ist.High-current sensor according to claim 1 or claim 2, characterized in that for distances a> 2R, the angle of rotation (α o ) is independent of the distance (a). Hochstromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehwinkel
Figure 00070001
ist, wobei N die Anzahl der magnetfelderfassenden Elemente ist.High-current sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the angle of rotation
Figure 00070001
where N is the number of magnetic field detecting elements. Hochstromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei N = 6 der Verdrehwinkel α1 = 15° (Winkelmaß), bei N = 12 der Verdrehwinkel α2 = 7,5° (Winkelmaß) und bei N = 16 der Verdrehwinkel α3 = 5,5° (Winkelmaß) ist.High-current sensor according to claim 4, characterized in that at N = 6, the angle of rotation α 1 = 15 ° (angle), at N = 12, the angle of rotation α 2 = 7.5 ° (angle) and N = 16, the angle of rotation α 3 = 5.5 ° (angle) is. Hochstromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren Vollbrücken aus jeweils vier einzelnen Spinvalve-basierten Magnetfeldelementen beinhalten.High-current sensor according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the magnetic field sensors from full bridges each include four individual spinvalve-based magnetic field elements.
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