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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerfassungsvorrichtung, und insbesondere eine Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines in einem Leiter fließenden Stroms durch Erfassen des den Leiter umgebenden Magnetfelds.
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Die Erfassung eines in einem Leiter fließenden Stroms kann in bekannter Weise mittels entsprechender Messeinrichtungen durchgeführt werden, wobei ein sogenannter Nebenschlusswiderstand (englisch: shunt) verwendet wird und die an diesem Widerstand infolge des Stroms anliegende Spannung als Maß für den Strom bei einem bekannten Widerstandswert herangezogen wird. Eine derartige Strommessung weist jedoch den Nachteil auf, dass in den Stromkreis des zu messenden Stroms für eine angemessene Genauigkeit ein zusätzlicher sehr genauer Widerstand eingesetzt werden muss, sodass der Leitungswiderstand insgesamt vergrößert wird. Ein an diesem Widerstand angeschlossenes Messgerät zur Erfassung der anliegenden Spannung befindet sich des Weiteren auf dem Potential der Leitung, deren Strom zu messen ist, sodass eine potentialfreie Messung auf diese Weise nicht verwirklicht werden kann. Des Weiteren treten an den Kontaktstellen des Nebenschlusswiderstands Übergangswiderstände auf, die zur Vermeidung einer Verfälschung des Messergebnisses besondere Maßnahmen erforderlich machen.
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Eine Verbesserung der Strommessung kann erreicht werden, indem eine berührungslose und potentialfreie Messung mittels für ein Magnetfeld empfindlicher Sensoren, beispielsweise Hall-Sensoren, durchgeführt wird. Gemäß dem Hall-Effekt tritt nach Anlegen einer Spannung in einem elektrischen Leiter ein Strom auf, wenn dieser sich in einem Magnetfeld befindet. Der Strom stellt ein Maß für die Stärke des Magnetfelds dar, sodass mittels der Hall-Sensoren Magnetfelder direkt und mit dem Magnetfeld in Verbindung stehende Ströme indirekt gemessen werden können.
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Die Druckschrift
DE 102 43 645 A1 offenbart eine galvanisch getrennte und damit potentialfreie Strommessung, wobei ein Hauptleiter in im Wesentlichen parallel angeordnete Leiterzweige aufgeteilt ist und in die Nähe der Leiterzweige ein oder mehrere Hall-Sensoren gebracht werden. Die Hall-Sensoren sind dem Magnetfeld ausgesetzt, das durch die Ströme in den Leiterzweigen hervorgerufen wird, und es kann nach Auswertung der Ausgangssignale der Hall-Sensoren der in den Leiterzweigen und damit auch im Hauptleiter fließende Strom bestimmt werden. Der Hall-Sensor (magnetfeldempfindlicher Sensor) ist somit im Fernfeld außerhalb der Leiterzweige oberhalb oder unterhalb der parallelen Leiter angeordnet.
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Des Weiteren offenbart die Druckschrift
DE 197 41 417 ein Strommessgerät mit Hall-Sensoren, wobei in einer für mehrere Phasen eines Leistungsversorgungssystems in einer kompakten Anordnung die jeweiligen im Wesentlichen bandförmigen Leiter jeder Phase an einer vorbestimmten Stelle U-förmig gebogen sind und in diesem Bereich in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Auf einer separaten Platine sind Hall-Sensoren für jede der Phasen derart angeordnet, dass bei dem Aufsetzen der Platine auf das Gehäuse mit den Leitern der jeweiligen Phasen der Bereich der Hall-Elemente in den Bereich der U-förmigen Schleife der jeweiligen Leiter eingesetzt wird. Die Hall-Sensoren können somit das den jeweiligen Leiter umgebende Magnetfeld und somit den in dem jeweiligen Leiter fließenden Strom nach einer entsprechenden Auswertung erfassen.
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Die Druckschrift
DE 100 51 160 A1 offenbart eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms, wobei zwei einzelne Stromleiter oder zwei Teile desselben Stromleiters parallel zueinander mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind. In dem Zwischenraum zwischen den beiden Leitern oder Leiterteilen ist ein Träger eingesetzt, auf dem zwei Sensoreinrichtungen angeordnet sind, die jeweils zur Erfassung eines Magnetfelds geeignet sind. Jeweils ein Sensor ist auf einer der Seiten der beiden Leiter oder Leiterteile angeordnet. Das durch die Leiter oder Leiterteile erzeugte Magnetfeld durchdringt die jeweilige Sensoreinrichtung, wobei ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfelds und somit auch in Abhängigkeit von der Stärke des durch die Leiter oder Leiterteile fließenden Stroms abgegriffen und in entsprechender Weise ausgewertet werden kann. Die Anordnung der Sensoreinrichtungen bildet eine berührungslose oder kontaktlose Messung des Stroms in den Leitern oder Leiterteilen, und es besteht keine galvanische Verbindung zwischen den Sensoren und den Leitern.
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In diesen Fällen ist jedoch eine einfache und präzise Anordnung der Hall-Sensoren im Bereich der stromdurchflossenen Leiter nicht gewährleistet, sodass einerseits ein größerer Aufwand zur Anordnung der Hall-Sensoren aufgebracht werden muss, und andererseits Meßungenauigkeiten insbesondere bei kleinen zu messenden Strömen durch Lagetoleranzen der Sensoren kaum vermieden werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromerfassungsvorrichtung derart auszugestalten, dass zumindest ein magnetfeldempfindlicher Sensor auf einfache Weise an einem stromdurchflossenen Leiter in einem geeigneten Bereich des Magnetfelds angeordnet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Stromerfassungsvorrichtung mit den in den beigefügten Patentansprüchen angegebenen Merkmalen.
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Die erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden Stroms durch Erfassen eines den Leiter umgebenden Magnetfelds, umfasst gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 zumindest ein auf einem Trägerteil vorgesehenes Sensorelement zur Erfassung des Magnetfelds, und einen vorbestimmten Bereich des Leiters, an dem das zumindest eine Sensorelement angeordnet ist, wobei der Leiter in dem vorbestimmten Bereich mehrere Leiterteile aufweist, die gleichsinnig von dem zu messenden Strom durchflossen sind und um einen vorbestimmten Abstand zueinander beabstandet sind und einen Zwischenraum bilden, und das Trägerteil derart in den Zwischenraum eingesetzt ist, dass das zumindest eine Sensorelement außerhalb des Zwischenraums benachbart zu diesem in dem Magnetfeld des Leiters angeordnet ist.
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Des Weiteren können die mehreren Leiterteile in dem vorbestimmten Bereich zwei U-förmige Ausbildungen aufweisen mit drei im Wesentlichen parallelen Leiterteilstücken mit einem mittleren gemeinsamen Leiterteilstück, durch welche zumindest zwei Feldbereiche zwischen den Leiterteilstücken gebildet werden, deren offene Seiten jeweils in entgegengesetzter Richtung entlang einer Längsausdehnung des Leiters ausgerichtet sind. Auf diese Weise könne Bereiche mit einem verstärkten Magnetfeld gebildet werden, so dass die Genauigkeit gesteigert und die Möglichkeiten der Messung auch kleine Ströme verbessert werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit der Leiter, dessen Strom zu erfassen ist, in zumindest zwei Teile des gesamten Leiterquerschnitts aufgeteilt, sodass sich der Gesamtstrom des Leiters auf die beiden Leiterteile aufteilt. Zwischen zwei vorbestimmte Leiterteile werden entsprechende Sensorelemente (d. h. zumindest ein Sensorelement) eingesetzt, wobei die Sensorelemente ein gemeinsames Trägerteil zur vereinfachten Handhabung und zur präzisen Positionierung aufweisen. Die Sensorelemente können durch diese Anordnung sehr nahe an dem Leiter, und insbesondere an den einzelnen Leiterteilen angeordnet werden, sodass das unmittelbar um die Leiterteile durch den zu messenden Strom entstehende Magnetfeld die Sensorelemente durchdringt und durch den vorstehend angegebenen Hall-Effekt mittels der Sensorelemente aus der Stärke des Magnetfelds auf den in dem Leiter fließenden Strom geschlossen werden kann. Auf diese Weise wird das den stromdurchflossenen Leiter oder die stromdurchflossenen Leiterteile umgebene Magnetfeld genau erfasst, wobei die Sensorelemente in einem Bereich eines starken Magnetfelds und sehr nahe bei den Leiterteilen angeordnet sind, sodass sich durch diese Anordnung eine verbesserte Genauigkeit und die Möglichkeit der Messung kleiner Ströme ergibt. Mit der Messung kleiner Ströme kann die Empfindlichkeit der gesamten Anordnung verbessert werden.
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Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Unteransprüchen angegeben.
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Auf dem Trägerteil kann eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Sensorelementen angeordnet sein, wobei in der eingesetzten Position des Trägerteils in den Zwischenraum jeweils zumindest ein Sensorelement bezüglich des Zwischenraums auf verschiedenen Seiten des mehrteiligen Leiters angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Stärke des Ausgangssignals (Messsignal) der Anordnung Vergrößert werden, wodurch eine Steigerung der Genauigkeit erreicht wird.
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Zur Vermeidung einer Erhöhung des Widerstands der Leiterteile können die mehreren Leiterteile eine Querschnittsfläche aufweisen, die derjenigen des Leiters entspricht, wobei die Summe von Strömen in den Leiterteilen gleich dem zu erfassenden Strom ist.
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Der Zwischenraum kann sich über sämtliche Leiterteilstücke der mehreren Leiterteile innerhalb des vorbestimmten Bereichs erstrecken, und es kann sich insbesondere der Zwischenraum aber sämtliche Leiterteilstücke der mehreren Leiterteile mit der vorbestimmten Höhe gleichförmig innerhalb des vorbestimmten Bereichs erstrecken.
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Das Trägerteil kann derart in den Zwischenraum eingesetzt werden, dass das zumindest eine Sensorelement in einem der Feldbereiche zwischen den Leiterteilstücken angeordnet ist. Die Feldbereiche zwischen den Leiterteilstücken weist ein stärkeres Magnetfeld auf, wobei ein in den jeweiligen Feldbereichen vorliegendes Magnetfeld durch die Ströme in den jeweils den betreffenden Feldbereichen benachbarten Teilstücken gebildet wird.
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Das Trägerteil kann derart in den Zwischenraum eingesetzt werden, dass in jedem der Feldbereiche zwischen den Leiterteilstücken zumindest ein Sensorelement angeordnet ist. Auch kann das Trägerteil kann den vorbestimmten Zwischenraum in dem vorbestimmten Bereich zumindest teilweise ausfüllen.
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Die Querschnittsfläche der Leiterteilstücke kann im Wesentlichen gleich ausgeführt sein, so dass etwa gleiche Ströme in den Leiterteilstücken fließen.
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Die mehreren Sensorelemente können auf dem Trägerteil an vorbestimmten Stellen angeordnet sein, und es kann das Trägerteil in den Zwischenraum derart eingesetzt werden, dass eine Längskante des Trägerteils mit einer Längsrichtung des Leiters einen vorbestimmten Winkel bildet und in jedem Feldbereich zumindest ein Sensorelement angeordnet ist.
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Des Weiteren können die mehreren Leiterteile durch Einzelleiter gebildet werden, wobei die Gesamtheit der Einzelleiter den Leiter bildet.
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Es können zumindest zwei Sensorelemente vorgesehen sein, und nach dem Einsetzen des Trägerteils in den Zwischenraum kann zumindest ein Sensorelement in jedem der Feldbereiche angeordnet sein.
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Es können ferner die mehreren Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden.
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Die mehreren Leiterteile können durch Einzelleiter gebildet werden, die in ein gemeinsames Halteelement eingesetzt sind, und wobei sich der Zwischenraum zumindest teilweise in dem Halteelement erstreckt.
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Es kann der Leiter in dem vorbestimmten Bereich von einem Gehäuse umgeben sein, und das Innere des Gehäuses kann mit einem isolierenden Material gefüllt sein.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1a eine perspektivische Darstellung eines Teilstücks einer Leiteranordnung mit zugehörigen Sensorelementen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 1b die Schnittansicht dieser Leiteranordnung entlang einer Schnittlinie A-A,
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2a eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Leiteranordnung mit zugehörigen Sensorelementen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 2b eine Vorderansicht und teilweise Schnittansicht der Leiteranordnung von 2a,
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3 eine perspektivische Ansicht auf eine Leiteranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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4 eine schräge Ansicht der Leiteranordnung gemäß 3 von der gegenüber liegenden Seite aus gesehen,
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5 eine Draufsicht auf die Leiteranordnung der 3 und 4 mit einem eingesetzten Trägerteil und Sensoren, und
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6a eine Schnittansicht einer Leiteranordnung aus zwei Einzelleitern gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 6b eine Draufsicht auf die Leiteranordnung aus zwei Einzelleitern gemäß 6a.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Nachstehend wird im Einzelnen eine Leiteranordnung der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Im Einzelnen zeigt 1a einen Leiter 1, in welchem entsprechend der Figur von rechts nach links ein Strom Ig fließt. Der Strom Ig ist der zu erfassende Strom und stellt den Gesamtstrom der Leiteranordnung dar.
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In einem vorbestimmten Bereich (vorbestimmter Abschnitt) S des Leiters 1 ist der Leiter 1 mehrteilig, und im vorliegenden Fall beispielsweise zweiteilig ausgeführt, sodass ein erster Leiterteil 11 und ein zweiter Leiterteil 12 gebildet werden, die zueinander im Wesentlichen parallel geführt sind und des Weiteren im Wesentlichen zusammen den selben Querschnitt aufweisen wie der Leiter 1. In dem vorbestimmten Bereich S der mehrteiligen Ausführung des Leiters 1 sind der erste Leiterteil 11 und der zweite Leiterteil 12 um einen vorbestimmten Abstand d zueinander beabstandet. In dem mehrteilig ausgeführten vorbestimmten Bereich S ist somit das äußere Profit des aus den beiden Leiterteilen 11 und 12 bestehenden Leiters 1 erweitert, sodass die gleiche Querschnittsfläche (Stromdurchtrittsfläche) des Leiters 1 aufrechterhalten werden kann.
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Der Abstand d zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterteil 11 und 12 bildet somit einen Spalt oder Zwischenraum 2, der vorzugsweise in Längsrichtung des Leiters 1 verläuft und mit gleichförmigem Abstand oder einer Höhe d ausgeführt ist.
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Der erste und der zweite Leiterteil 11 und 12 nehmen jeweils Teilströme des gesamten Strom Ig des Leiters 1 auf. Da die stromdurchflossene Querschnittsfläche in beiden Leiterteilen 11 und 12 etwa gleich ist, teilt sich der Gesamtstrom Ig in zwei etwa gleiche Teilströme I1 und I2 auf. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf diese bevorzugte Ausführungsform nicht festgelegt, und es können die Querschnittsflächen (Stromdurchtrittsflächen) der beiden Leiterteile 11 und 12 auch in vorbestimmter Weise unterschiedlich sein, sodass dies auch zu einer unterschiedlichen Stromverteilung führt. Die Wirkungswiese der erfindungsgemäßen Anordnung wird dadurch nicht beeinflusst. In jedem Fall ist vorzugsweise die Summe der Querschnittsflächen der Leiterteile 11 und 12 etwa gleich der Querschnittsfläche des Leiters 1.
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Gemäß der Darstellung in 1b, die eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie X-X darstellt, fließt der erste Teilstrom I1 im ersten Leiterteil 11 und der zweite Teilstrom I2 im zweiten Leiterteil 12 gleichsinnig und in der Darstellung in 1b aus der Papierebene heraus.
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Das durch jeden der Ströme hervorgerufene Magnetfeld ist durch den Teil einer Feldlinie der Induktion B (Vektor) 1b angedeutet.
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Zur Erfassung des Magnetfelds der beiden gleichsinnig vom Strom durchflossenen Leiterteile 11 und 12 sind magnetfeldempfindliche Sensoren, beispielsweise Hall-Sensoren vorgesehen, die nachstehend als Sensorelemente 3 bezeichnet werden. Gemäß 1b sind zwei Sensorelemente 3 gezeigt, wobei auf jeder Seite der Leiteranordnung mit dem ersten und dem zweiten Leiterteil 11 und 12 vorzugsweise zumindest jeweils ein Sensorelement 3 angeordnet ist. Grundsätzlich besteht jedoch die Möglichkeit, lediglich mittels eines Sensorelements 3 auf einer Seite eine Magnetfelderfassung und eine Bestimmung des in dem Leiter 1 fließenden Stroms durchzuführen.
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Das durch die jeweiligen Teilströme I1 und I2 des ersten und zweiten Leiterteils 11 und 12 hervorgerufene Magnetfeld B durchdringt die im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Sensorelemente 3, sodass von diesem Magnetfeld abhängig ein Ausgangssignal den Sensorelementen 3 entnommen werden kann. Mach einer entsprechenden Auswertung der Sensorsignale kann der Gesamtstrom Ig, der aus den Teilströmen I1 und I2 besteht, bestimmt werden.
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Das zumindest eine Sensorelement 3 oder die mehreren Sensorelemente 3 sind auf einem Trägerteil 4 angeordnet. Das Trägerteil 4 dient einerseits zum Tragen und Handhaben der Sensorelemente 3, und andererseits zum exakten Positionieren der Sensorelemente 3 in unmittelbarer Nähe zu den Leiterteilen 11 und 12. Hierbei wird vorzugsweise das Trägerteil 4, auf oder in welchem die Sensorelemente 3 an vorbestimmten Stellen angeordnet sind, in den Zwischenraum 2 (Spalt) zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterteil 11 und 12 eingesetzt bzw. eingeschoben. Der Zwischenraum 2 mit dem Abstand (Höhe) d zwischen den Leiterteilen 11 und 12 ist vorzugsweise nur geringfügig größer als die Dicke des Trägerteils 4 in der Richtung der Achse X-X.
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Somit kann das Trägerteil 4 mit den bevorzugt mehreren Sensorelementen 3 derart in den Zwischenraum 2 zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 eingesetzt werden, dass ein sicherer Sitz des Trägerteils 4 gewährleistet ist und die an dem Trägerteil 4 angeordneten Sensorelemente 3 unmittelbar benachbart zu den jeweiligen Leiterteilen 11 und 12 jedoch außerhalb des Zwischenraums zwischen den Leiterteilen 11 und 12 angeordnet sind.
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Gemäß dem zu erwartenden Feldverlauf der magnetischen Induktion B (Vektor) der Teilströme I1 und I2 in den Leiterteilen 11 und 12 sind die Sensorelemente 3 in einem starken Bereich des Magnetfelds angeordnet, sodass auch bei einem kleinen Gesamtstrom Ig in dem Leiter 1 eine ausreichende und sichere Erfassung dieses Stroms durch die hohe Messempfindlichkeit der Anordnung gewährleistet ist. Aus dem gesamten Leiterquerschnitt des Leiters 1, der wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise als eine Schiene ausgebildet sein kann, wurden somit zwei vorzugsweise aber nicht zwingend gleich große Leiterteile gebildet, sodass einerseits eine Aufteilung des Gesamtstroms Ig erreicht wird, und andererseits zwischen die mit einem Zwischenraum 2 im Abstand d beabstandeten Leiterteile 11 und 12 das Trägerteil 4 mit zumindest einem Sensorelement 3 und vorzugsweise zumindest zwei Sensorelementen 3 sicher eingesetzt werden kann, wobei gleichzeitig eine genaue und optimierte Positionierung der Sensorelemente 3 in dem Gesamtmagnetfeld der Teilströme I1 und I2 gewährleistet ist.
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Zur besseren Handhabung der Sensorelemente 3 können diese gemeinsam auf einem Chip oder Substrat angeordnet sein, welche ihrerseits in dem Trägerteil 4 angeordnet sein können, wobei auf einem derartigen gemeinsamen Chip oder Substrat neben den Sensorelemente 3 auch weitere elektronische Bauelemente und Schaltungsteile angeordnet werden können, mittels denen zumindest eine Vorbearbeitung der Ausgangssignale der Sensorelemente 3 erfolgen kann. Die Sensorelemente und die weiteren elektronischen Bauelemente und Schaltungsteile sind dabei auf dem Substrat integriert angeordnet. Die Mehrzahl der Sensorelemente 3 und die weiteren elektronischen Bauelemente und Schaltungsteile können hierbei auf dem gemeinsamen Substrat mittels eines gemeinsamen Fertigungsvorgangs gebildet werden. Das Trägerteil 4 kann in den Zwischenraum 2 derart eingesetzt werden, dass beispielsweise eine Längskante des Trägerteils mit einer Richtung der Längsausdehnung des Leiters 1 einen vorbestimmten Winkel bildet.
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Es kann bei einer Vielzahl von Sensorelementen 3 jedes der Sensorelemente 3 auch auf einem eigenen Chip oder Substrat mit eigener zugehöriger Auswertungselektronik angeordnet sein, wobei in dem Trägerteil 4 die bei den Halbleiterchips miteinander entsprechend den Erfordernissen verbunden werden. Das Trägerteil 4 umfasst ebenfalls entsprechende Anschlussleitungen zum Abgeben der Erfassungssignale der Sensoreinrichtungen 3 oder zum Abgeben bereits vorbearbeiteter Signale an eine weitere (im Allgemeinen zentralen) Auswertungs- oder Steuerungseinrichtung. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in den Figuren die Anschlussleitungen nicht gezeigt.
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Die Anordnung des zumindest einen Sensorelements 3 oder einer Mehrzahl von Sensorelementen 3 in der vorstehend beschriebenen Weise mittels des Trägerteils 4 führt zu einer Sensoranordnung, bei der die Sensoren gegenüber dem Potential des Leiters 1, in das das Trägerteil 4 eingesetzt ist, isoliert sind. Zusätzliche Isolationsmaßnahmen sind nicht erforderlich, da im Bereich des Zwischenraums 2 zwischen den Leiterteilen 11 und 12 ein allenfalls tatsächlich vernachlässigbarer Potentialunterschied auftritt. Es besteht ferner keine galvanische Verbindung zu dem Leiter 1, sodass eine einerseits potentialfreie und andererseits berührungslose Erfassung des in dem Leiter 1 fließenden Stroms Ig gewährleistet ist.
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Die Leiteranordnung des Leiters 1 mit den über den Zwischenraum 2 (Abstand oder Höhe d) beabstandeten ersten und zweiten Leiterteilen 11 und 12 ist, wie es vorstehend bereits angegeben ist, durch die im Wesentlichen Beibehaltung des erforderlichen Leitungsquerschnitts (Stromdurchtrittsfläche) hinsichtlich der Stromtragfähigkeit optimiert. Durch diese Optimierung tritt an der Stelle der Anordnung der Sensorelemente 3, d. h. im vorbestimmten Bereich S der mehrteiligen Anordnung des Leiters 1 kein erhöhter Widerstand auf, sodass an dieser Stelle keine erhöhte Wärmeentwicklung stattfindet und somit ein Wärmepol in diesem Bereich vermieden wird.
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Des Weiteren befinden sich auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat angeordnete weitere Schaltungsteile auf dem Substrat in einem Bereich zwischen den Sensorelementen 3 und damit in einem feldarmen Bereich, da sich in dem Zwischenraum zwischen den Leiterteilen 11 und 12 jeweilige Teilfelder der in den Leiterteilen 11 und 12 fließenden Ströme I1 und I2 zumindest zum Teil infolge verschiedener Feldrichtungen aufheben.
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In 1a nimmt das Trägerteil 4 zur Aufnahme der Sensorelemente 3 nicht den gesamten durch den Zwischenraum 2 gebildeten Raum ein. Das Trägerteil 4 kann sich jedoch auch über den gesamten Zwischenraum 2 im vorbestimmten Bereich S erstrecken.
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Es ist in diesem Zusammenhang zu beachten, dass die Darstellung in den 1 und 2 lediglich schematisch ist und dass die vorliegende Erfindung auf die dargestellten Abmessungen und Proportionen nicht beschränkt ist. Vielmehr wird die Länge des Zwischenraums 2 (in der Erstreckungsrichtung des Leiters 1 gemäß der gestrichelten Linie R in 2a) in dem vorbestimmten Bereich S und damit der Bereich der mehrteiligen Ausführung des Leiters 1 in Abhängigkeit von den Dimensionen des Trägerteils 4 und der Positionierung der jeweiligen Sensorelemente 3 unmittelbar in dem starken Feld benachbart zu den Leiterteilen 11 und 12 bestimmt.
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Unter Bezugnahme auf die 2a und 2b wird nachstehend die Stromerfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Gemäß der Darstellung in 2a, die eine Draufsicht auf die Leiteranordnung zeigt, wird ebenfalls von einem stabförmigen Leiter mit einer zur Vereinfachung der Darstellung rechteckigen Querschnittsfläche (Stromdurchtrittsfläche) ausgegangen.
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In den 2a und 2b werden für dieselben oder gleichartige Komponenten der Stromerfassungsvorrichtung dieselben Bezugszeichen wie in den 1a und 1b verwendet.
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2b zeigt eine Vorderansicht der Leiteranordnung der Stromerfassungsvorrichtung, wobei gemäß der teilweisen Schnittdarstellung auf der linken Seite der 2b der Leiter 1 mit einer rechteckigen Querschnittsfläche (Stromdurchtrittsfläche) dargestellt ist.
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Gemäß 2a wird der im vorliegenden Ausführungsbeispiel stabförmig ausgeführte Leiter 1 mehrfach gebogen, sodass zwei U-förmige Teilstücke mit einem gemeinsamen Leiterabschnitt entstehen und deren offene Seiten jeweils in entgegengesetzter Richtung entlang einer Längsausdehnung des Leiters (gestrichelte Linie R in 2a) ausgerichtet sind. 2a zeigt im Wesentlichen den Bereich der durch die Doppelbiegung oder eine entsprechende Herstellung des Leiters 1 entstandenen Schleife, wobei dieser Abschnitt des Leiters 1 als ein vorbestimmter Bereich S bezeichnet wird und dem vorbestimmten Bereich S des ersten Ausführungsbeispiels entspricht (1). Der (beispielsweise stabförmige) Leiter 1 kann neben der Möglichkeit des mechanischen Biegens auch in entsprechender Weise bei der Herstellung mit den beiden U-förmigen Verläufen hergestellt werden. Dies ist in den 2a und 2b gezeigt. Die Leiteranordnung gemäß 2a ist somit vorzugsweise punktsymmetrisch zu einem Punkt auf der gestrichelten Linie R in 2a und der Mitte des vorbestimmten Bereichs S.
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In gleicher Weise wie es in 1a dargestellt ist, umfasst in dem vorbestimmten Bereich S der Leiter 1 eine mehrteilige, und im vorliegenden Fall vorzugsweise eine Zweiteilige Anordnung, wobei ein in 2b gezeigter Zwischenraum 2 (Spalt) ausgebildet ist. Der Zwischenraum 2 erstreckt sich durch den gesamten Leiter 1 innerhalb des Bereichs S, und es werden somit im oberen Teil der 2b der erste Leiterteil 11 und im unteren Teil der 2b der zweite Leiterteil 12 mit dem dazwischen angeordneten Zwischenraum 2 gebildet. Innerhalb des Bereichs S der Schleife des Leiters 1 ist der Zwischenraum 2 derart angeordnet, dass die Öffnung des Zwischenraums 2 in Breite und Höhe d durch sämtliche Leiterteile der beiden U-förmigen Ausformung erstreckt. Dies ist in 2b gezeigt.
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Somit werden durch die zweimalige U-förmige und in dem vorbestimmten Bereich S zweiteilige Ausbildung jeweils in der Draufsicht gemäß 2a ein erstes Leiterteilstück 5 auf der linken Seite dieser Figur, ein zweites Leiterteilstück 6 in der Mitte der Figur und ein drittes Leiterteilstück 7 auf der rechten Seite der Figur aus dem ersten Leiterteil 11 des Leiters 1 gebildet. Erste, zweite und dritte Leiterteilstück 5 bis 7 werden ebenfalls in gleichartiger Weise durch die Anordnung des zweiten Leiterteils 12 gebildet, wobei die jeweiligen ersten, zweiten und dritten Leiterteilstücke 5 bis 7 des jeweiligen ersten und zweiten Leiterteils 11 und 12 in der Draufsicht der 2a miteinander fluchten, da sie gleichartig zweifach U-förmig ausgestaltet sind.
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Der gesamte Leiter 1 besteht somit in dem vorbestimmten Bereich S aus den beiden Leiterteilen 11 und 12, die gleichartig zweifach U-förmig ausgestaltet sind, und die Leiterteile 11 und 12 bestehen jeweils aus den Leiterteilstücken 5 bis 7.
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Die Stromerfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst des Weiteren in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel ein Trägerteil 4, das in der Draufsicht in 2a im Wesentlichen rechteckig zur Vereinfachung der Darstellung gezeigt ist, wobei die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Das Trägerteil 4 weist eine Dicke auf, die kleiner ist als der Abstand d des Zwischenraums 2, sodass das Trägerteil 4 in den Zwischenraum 2 eingeschoben werden kann und somit im Bereich der jeweiligen ersten bis dritten Leiterteilstücke 5 bis 7 des Leiters 1 angeordnet werden kann. Das Trägerteil 4 ist in 2b nicht dargestellt.
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Zur Erfassung des die jeweiligen Leiterteile 11 und 12 umgebenden Magnetfelds sind in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel Sensorelemente 3 angeordnet, die in 2a jeweils zwischen dem ersten und zweiten Leiterteilstück 5 und 6 und dem zweiten und dritten Leiterteilstück 6 und 7 des ersten Leiterteils 11 angedeutet sind.
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Die Sensorelemente 3 sind ebenfalls als magnetfeldempfindliche Sensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren, ausgebildet und erfassen das zwischen den jeweiligen Leiterteilstücken 5 bis 7 oder Leiterteilen 11 und 12 ausgebildete Magnetfeld.
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Hierbei können die Sensorelemente ebenfalls auf einem Substrat, d. h. auf einem Chip, und in Abhängigkeit von dem Bedarf teilweise zusammen mit weiteren elektronischen Schaltungen angeordnet sein, wobei die zur weiteren Auswertung der Sensorsignale erforderlichen Anschlussleitungen nach außen zu einer zentralen Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt sind.
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Entsprechend der in 2a gezeigten Leiteranordnung wird ein erster Feldbereich 8 zwischen dem ersten und zweiten Leiterteilstück 5 und 6 der jeweiligen ersten und zweiten Leiterteile 11 und 12 gebildet, dessen Magnetfeld durch das erste der Sensorelemente 3 erfasst wird. Zwischen dem zweiten und dem dritten Leiterteilstück 6 und 7 der Leiterteile 11 und 12 wird ein zweiter Feldbereich 9 gebildet, dessen Magnetfeld durch das weitere Sensorelemente 3 erfasst wird. Beide Sensorelemente 3 gemäß der Darstellung in 2a erfassen somit jeweils das Gesamtfeld in einem der Feldbereiche 8 oder 9, und stellen in Abhängigkeit von der erfassten Intensität des Felds (magnetische Induktion B, Vektor) entsprechende Ausgangssignale oder Erfassungssignale bereit, die zusätzlich zu einer möglichen Vorverarbeitung mittels der auf dem gemeinsamen Substrat angeordneten Schaltungen zu der nicht dargestellten zentralen Steuerungs- und Auswertungseinrichtung zur weiteren Verarbeitung übermittelt werden.
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Mit der Anordnung der Sensorelemente 3, wobei grundsätzlich auch lediglich ein Sensorelement in einem der Feldbereiche 8 oder 9 vorgesehen sein kann, liegen die Sensorelemente 3 in den Feldbereichen 8 und 9 in einem Bereich eines stärkeren Magnetfelds (mit größerer Induktion B), da in Abhängigkeit von dem in dem jeweiligen Leiterteilstück 5 bis 7 auftretenden Stromverlauf und insbesondere der Stromrichtung eine Feldverstärkung in den Feldbereichen 8 und 9 auftritt. In der bildlichen Darstellung von 2 ist der Stromverlauf in dem ersten und dritten Leiterteilstück 5 und 7 nach unten gerichtet, während er in dem zweiten Leiterteilstück 6 der jeweiligen ersten und zweiten Leiterteile 11 und 12 nach oben gerichtet ist. Auf diese Weise wird in den Feldbereichen 8 und 9 eine Verstärkung des Magnetfelds erreicht, wobei die Richtung des Magnetfelds (magnetische Induktion B, Vektor) in den Feldbereichen 8 und 9 unterschiedlich ist. In jedem der Feldbereiche 8 und 9 überlagern sich die Felder der Ströme in den jeweiligen Leiterteilstücken 5 bis 7 in ihrer Richtung gleichsinnig, sodass die Sensorelemente 3 in den jeweiligen Feldbereichen 8 und 9 in der Lage sind, infolge des verstärkten Felds dieser Bereiche auch schwächere Magnetfelder und damit kleine Ströme zu erfassen.
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Die Anordnung zumindest eines Sensorelements und insbesondere gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zweier oder paarweise angeordneter Sensorelemente 3 in den Feldbereichen 8 und 9 mit dem verstärkten (überlagerten) Magnetfeld führt zu einer erheblichen Steigerung der Empfindlichkeit der gesamten Anordnung bei der Stromerfassung, sodass auch kleine Ströme sicher erfasst werden können. Bei entsprechender Auswertung der Ausgangssignale oder Erfassungssignale der Sensoreinrichtungen 3 unter Beachtung des jeweiligen Vorzeichens der Sensorelemente 3 in den jeweiligen Feldbereichen 8 und 9 kann ebenfalls die Stromrichtung ermittelt werden.
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Die gesamte Anordnung gemäß der Darstellung in den 2a und 2b ist somit hinsichtlich einer Verbessung der Empfindlichkeit und einer verbesserten Ausnutzung des Magnetfelds optimiert. Hinsichtlich der Stromtragfähigkeit der einzelnen Leiterteile 11 und 12 zur Vermeidung eines erhöhten Widerstands und eines damit in Verbindung stehenden Wärmepols im vorbestimmten Bereich S der Schleife (U-förmige Ausgestaltung) des Leiters 1 kann ebenfalls eine Optimierung in gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel (1a) durchgeführt werden, sodass im Wesentlichen für die Leiterteilstücke 5 bis 7 der einzelnen Leiterteile 11 und 12 jeweils eine annähernd gleiche Stromdichte erzielt wird.
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Die auf einem möglichen gemeinsamen Substrat der Sensorelemente 3 des Weiteren angeordneten Schaltungen können in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel im Bereich der Leiterteilstück 5 bis 7 der Leiterteile 11 und 12 angeordnet werden, da sie dort einem vernachlässigbaren Potential ausgesetzt sind und sich in einem feldarmen Bereich befinden. Somit sind weitere Isolationsmaßnahmen gegenüber Spannungen oder Abschirmungen gegenüber magnetischen Feldern nicht erforderlich.
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Die Verarbeitung der Ausgangssignale der Sensoren 3 in den jeweiligen Feldbereichen 8 und 9 können mittels eines Differenzverfahrens durchgeführt werden, wobei durch die unterschiedlichen Feldrichtungen die Nutzanteile des gesamten entstehenden Ausgangssignals vergrößert werden können, während von außen auf die gesamte Anordnung gleichartig einwirkende Störungen im Wesentlichen vermindert oder völlig beseitigt werden können. Auch diese Maßnahme dient zur Verbessung der Empfindlichkeit der Stromerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, sodass auch kleinere Ströme sicher und genau gemessen werden können.
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Die Leiteranordnung gemäß der Darstellung in den 2a und 2b kann bei jeder Art einer Stromschiene verwendet werden, sofern die Möglichkeit besteht, die Stromschiene (d. h. den im Allgemeinen stabförmigen Leiter) mit den beiden U-förmigen Leitungsverläufen auszubilden. Ebenso ist der in allen Leiterteilen fluchtende Zwischenraum 2 vorzusehen.
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Die erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung kann somit in Leistungsversorgungsanlangen und beispielsweise auch in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Bei der Anwendung in dem Kraftfahrzeug können die Ströme von und zu einer normalen Kraftfahrzeugbatterie und auch einer in einem Hybridfahrzeug für dessen Betrieb erforderlichen Hochleistungsbatterie erfasst werden. Die gesteigerte Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung ermöglicht unter Erkennung der Stromrichtung die Erfassung auch kleinster Ströme. Es ist auf diese Weise möglich, in Verbindung mit weiteren Eigenschaften der Batterie, wie der Klemmenspannung, der Temperatur und eines Anfangsladezustands den allgemeinen Ladezustand der Batterie (engl.: state of charge, SOC) kontinuierlich und als Basis für einen effektiven Betrieb eines allgemeinen Kraftfahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs zu erfassen.
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Unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 wird nachstehend ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den 3 bis 5 bezeichnen gleiche oder gleichartige Teile, wie sie in den anderen 1a, 1b und 2a und 2b angegeben sind.
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Die 3 bis 5 zeigen in verschiedenen Darstellungen und aus verschiedenen Blickwinkeln in perspektivischer Ansicht (3 und 4) und einer Draufsicht (5) eine Leiteranordnung eines im Wesentlichen stabförmigen Leiters, der in einem vorbestimmten Bereich S mehrteilig ausgeführt ist. Diese Anordnung entspricht prinzipiell der in den 2a und 2b gezeigten Anordnung mit zwei im Wesentlichen U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 und der entsprechenden Bildung von zwei Feldbereichen 8 und 9. Hierbei ist der Feldbereich 8 zwischen dem ersten und zweiten Leiterteilstück 5 und 6, und der Feldbereich 9 zwischen dem zweiten und dritten Leiterteilstück 6 und 7 angeordnet. Der Zwischenraum 2 erstreckt sich in dem vorbestimmten Bereich S in gleicher Höhe oder Dicke d durch die gesamte Leiteranordnung. In dem vorbestimmten Bereich S ist der Leiter 1 mehrteilig und im vorliegenden Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgeführt, wobei der erste Leiterteil 11 und der zweite Leiterteil 12 mit den jeweiligen ersten bis dritten Leiterteilstücken 5 bis 7 ausgebildet wird, die in dem vorliegenden dritten Ausführungsbeispiel symmetrisch zueinander ausgeführt sind.
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Die Anordnung gemäß der Darstellung in 3 ist optimiert im Hinblick auf die Feldkonzentration und Feldverstärkung des Magnetfelds in den Feldbereichen 8 und 9, und ferner im Hinblick auf die Stromtragfähigkeit der gesamten Anordnung, insbesondere im zweiten (d. h. dem mittleren und bezüglich der zweifachen U-förmigen Ausgestaltung gemeinsamen) Leiterteilstück 6 der jeweiligen ersten und zweiten Leiterteile 11 und 12. Das zweite Leiterteilstück 6 ist zur im Wesentlichen Aufrechterhaltung der ursprünglichen Stromdichte der ersten und dritten Leiterteilstücke 5 und 7 in seiner Querschnittsfläche vergrößert, sodass die Stromtragfähigkeit verbessert und der Einfluss einer Widerstandserhöhung vermindert wird. Die Ausbildung eines Wärmepols im vorbestimmten Bereich S infolge einer auch geringfügigen Erhöhung des Widerstands der Leiterteile 11 und 12 wird vermieden.
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4 zeigt ebenfalls in perspektivischer Ansicht die Leiteranordnung gemäß 3, jedoch von der gegenüberliegenden Seite. Es ist erkennbar, dass sich der Zwischenraum 2 mit einer gleichförmigen Höhe oder Dicke d in dem gesamten Bereich S (siehe 3) erstreckt. Ebenfalls erkennbar in 4 ist die Optimierung der Ausbildung des mittleren Leiterteilstücks 6 des ersten und zweiten Leiterteils 11 und 12 zur Verbesserung der Stromtragfähigkeit.
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In der Darstellung in den 3 und 4 sind die in den 1 und 2 gezeigten Sensorelemente 3 und das die Sensorelemente 3 tragende Trägerteil 4 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt.
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5 zeigt eine Draufsicht auf die Leiteranordnung gemäß den 3 und 4, wobei zusätzlich das Trägerteil 4 dargestellt ist, das in den Zwischenraum (Spalt) 2 eingesetzt wird und mittels dessen die Sensorelemente 3 in den jeweiligen Feldbereichen 8 und 9 gehalten und angeordnet (positioniert) werden.
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Während in den 1a und 2a das Trägerteil 4 mit dem zumindest einen Sensorelement 3 oder den mehreren Sensorelementen 3 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Längsausdehnung des Leiters (1a) oder der Leiterteilstück 5 bis 7 (2a) des ersten und zweiten Leiterteils 11 und 12 eingesetzt wurde, kann in Abhängigkeit von der Anordnung des zumindest einen Sensorelements 3 oder einer Mehrzahl von Sensorelementen 3 auf dem Trägerteil 4 dieses auch in einem beliebigen Winkel in den Zwischenraum 2 eingesetzt werden. Es ist hierbei erforderlich, dass das Sensorelement 3 oder die Sensorelemente 3 in dem jeweiligen diesen Sensorelementen zur Messung zugeordneten Feldbereich 8 oder 9 angeordnet ist bzw. sind. In einem sich in der 5 schräg nach rechts oben erstreckenden Teil 10 des Trägerteils 4 können beispielsweise die Zuleitungen zu den Sensorelementen 3 und den zusätzlich auf dem möglichen gemeinsamen Substrat der Sensorelemente 3 angeordneten Schaltungen vorgesehen sein.
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Bei der Anordnung gemäß 5 liegen die zusätzlichen Schaltungen auf dem gemeinsemen Substrat der Sensorelemente 3 und angeordnet in dem Trägerteil 4 ebenfalls in dem Bereich des ersten und zweiten Leiterteils 11 und 12, und insbesondere des zweiten (mittleren) Leiterteilstücks 6 in einem Bereich eines schwächeren Magnetfelds und ebenfalls eines vernachlässigbaren Potentials, sodass keine zusätzlichen Maßnahmen für eine elektrische Isolation oder magnetische Abschirmung der gesamten Anordnung auf dem gemeinsamen Substrat erforderlich ist.
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In gleicher Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 3 auf dem Trägerteil 4 in dem Bereich des verstärkten Magnetfelds (Feldbereiche 8 und 9) angeordnet, sodass ebenfalls eine hohe Empfindlichkeit der Stromerfassungsvorrichtung auch bei kleinen Strömen gewährleistet ist.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird nachstehend eine viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Das vierte Ausführungsbeispiel beruht in seiner Funktion auf dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel, wobei jedoch beliebige Leiter mit vorzugsweise Kreisquerschnitt Verwendung finden können.
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Gemäß der Darstellung in 6, die eine Schnittdarstellung ist, ist ein oberer Leiter La, der als Einzelleiter ausgeführt ist, in gleicher Weise, wie es in 2a dargestellt ist, entsprechend zweier U-förmiger Teile gebogen, sodass derselbe Leiter, d. h. der erste Leiter La in dem Schnittbild senkrecht zur Längsausdehnung des Leiters geschnitten wird. 6b zeigt in der Draufsicht einen Einzelleiter in Form des ersten Leiters La und die zugehörige Schnittlinie. Ein zweiter Leiter Lb ist in gleicher Weise und fluchtend mit dem ersten Leiter La in der Draufsicht der 6b unterhalb des ersten Leiters La und damit nicht erkennbar angeordnet und weist dieselbe Ausgestaltung in Form der zweimaligen U-förmigen Biegung auf. Der erste Leiter La und der zweite Leiter Lb werden gleichsinnig vom Strom durchflossen, wobei in 6a die Richtung eines Stroms Ia des ersten Leiters La und die Richtung eines Stroms Ib des zweiten Leiters Lb angegeben ist.
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Die beiden getrennten Einzelleiter La und Lb, die zusammen den Leiter (Hauptleiter) 1 bilden, sind in einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet, und werden mittels des gemeinsamen Gehäuses 13 einerseits mechanisch gehalten und andererseits in entsprechender Weise fluchtend übereinander angeordnet, sodass eine Anordnung gebildet wird, die der mehrteiligen Anordnung des jeweiligen Leiter 1 in den 2a und 3 bis 5 entspricht.
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Das gemeinsame Gehäuse 13 besteht beispielsweise aus einem isolierenden und nicht magnetischen Material, sodass die beiden Einzelleiter La und Lb ohne eigene Isolation und nach der entsprechenden zweimaligen U-förmigen Biegung eingesetzt werden können. Vorzugsweise besteht das Gehäuse aus einem Kunststoffmaterial und ist einstückig oder mehrteilig ausgeführt. Das Gehäuse 13 umfasst ferner in dem Bereich der zweimaligen U-förmigen Schleife (der dem vorbestimmten Bereich S in 2a entspricht) einen der Anordnung in 2a und den 3 und 4 vergleichbaren Zwischenraum (Spalt) 2, der durchgehend unter sämtlichen Leiterteilen der Leiter La und Lb vorgesehen ist, und einen gleichförmigen vorbestimmten Abstand oder eine Höhe d aufweist. In den Zwischenraum 2 kann wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen das Trägerteil 4 mit zumindest einem Sensorelement 3 und vorzugsweise einer Mehrzahl von Sensorelementen 3 eingesetzt werden, wobei die Sensorelemente 3 jeweils innerhalb der Feldbereiche 8 und 9 (6b) der Einzelleiter La und Lb entsprechend ihrer Anordnung auf dem Trägerteil 4 und der Position des Trägerteils 4 in dem Zwischenraum 2 angeordnet werden.
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In den Feldbereichen 8 und 9 der Einzelleiter La und Lb tritt mit den in den Einzelleitern La und Lb fließenden Strömen ein verstärktes Magnetfeld auf, sodass dieses Magnetfeld mittels des zumindest einen Sensorelements 3 oder den mehreren Sensorelementen 3 erfasst werden kann. Auch hierbei können die mehreren Sensorelemente 3 auf einem gemeinsamen Substrat in Form eines gemeinsamen Chips ausgebildet sein, wobei wieder im Bereich unterhalb der Einzelleiter La und Lb mit einem schwächeren Magnetfeld zusätzliche zumindest zu einer Vorauswertung dienende elektronische Schaltungen angeordnet sein können. Anschlüsse zu einer zentralen Verarbeitungs- und Steuerungseinrichtung sind zur Vereinfachung der Darstellung in den Figuren nicht gezeigt.
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Die Anordnung der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung des vierten Ausführungsbeispiels bietet somit die Möglichkeit, eine Strommessung auf der Basis des in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel beschriebenen Messprinzips durchzuführen, wobei ein Gesamtstrom auf zwei Teilströme Ia und Ib des jeweiligen Einzelleiters La und Lb aufgeteilt wird, und wobei die Einzelleiter La und Lb in entsprechender Weise vorgebogen in das gemeinsame Gehäuse 13 zur Bildung der bevorzugten Leiteranordnung (d. h. des Leiters 1) eingesetzt werden können. Wird das Trägerteil 4 mit den zugehörigen Sensorelementen 3 in den Zwischenraum 2 des Gehäuses 13 eingesetzt, dann wird die dem dargestellten Messprinzip folgende Anordnung von Stromleitern und Sensorelementen erreicht. Es ist auf diese Weise möglich, auch bei Einzelleitern die vorteilhafte Strommessung gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
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Es ergeben sich bei dem vierten Ausführungsbeispiel die gleichen Vorteile wie bei den zweiten und dritten Ausführungsbeispielen, wobei insbesondere die Empfindlichkeit durch die Anordnung des zumindest einen Sensorelements 3 oder der mehreren Sensorelemente 3 in einem Bereich eines stärkeren Magnetfelds gesteigert werden kann, sodass auch kleinste Ströme in der Leiteranordnung sicher und genau gemessen werden können.
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Die 6a stellt somit eine Schnittansicht entsprechend der Schnittlinie Y-Y von 6b dar, wobei auch dünnere Stromschienen in gleichartiger Weise gebogen werden können, sofern zwei parallele und gleichsinnig vom Strom durchflossene Stromschienen vorliegen.
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In den beiden teilweise offenen Innenräumen der Feldbereiche 8 und 9 befindet sich gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel und der Darstellung in 6a ein nicht magnetisches Material (des Material des gemeinsamen Gehäuses 13), während sich in dem entsprechenden Feldbereich der vorherigen Ausführungsbeispiele gemäß der Darstellung in den Figuren auch kein Material befinden kann.
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Gemeinsam für sämtliche Ausführungsbeispiele besteht die Möglichkeit, um die Leiteranordnung und insbesondere oder zumindest um den vorbestimmten Bereich S der mehrteiligen Ausführung des betreffenden Leiters 1 ein die gesamte Leiteranordnung umgebendes Gehäuse vorzusehen, das innen mit einem elektrisch isolierenden und nicht magnetischen Material ausgegossen werden kann, nachdem das Trägerteil 4 mit den zugehörigen Sensorelementen 3 eingesetzt und angeschlossen wurde. In diesem Fall kann durch des Vergießen und damit durch vollständiges Verschließen der Leiteranordnung das Eindringen von Schmutz und unerwünschten Fremdstoffen auch bei einem Betrieb in einer belasteten Umgebung verhindert werden.
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Wird lediglich zum Schutz der gesamten Leiteranordnung der Stromerfassungsvorrichtung gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ein äußeres Gehäuse (in den Figuren nicht gezeigt) zumindest im vorbestimmten Bereich S ohne ein Vergießen mit einer isolierenden und nichtmagnetischen Vergussmasse vorgesehen, dann kann bei Bedarf auf einfache Weise das Trägerteil 4 mit den zugehörigen Sensorelementen 3 ausgetauscht werden, da lediglich ein Einsetzen des entsprechenden Trägerteils 4 in den Zwischenraum 2, das Ausrichten der Sensorelemente 3 bezüglich der beiden Feldbereiche 8 und 9 und ein entsprechendes Befestigen erforderlich ist.
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Wird demgegenüber ein Vergießen mittels einer entsprechenden Vergussmasse im Innern eines um die gesamte Anordnung (zumindest im vorbestimmten Bereich S) angebrachten Gehäuses bevorzugt, dann kann durch das Vergießen die Anordnung des Trägerteils 4 in dem Zwischenraum 2 nach einem entsprechenden Ausrichten dauerhaft mit dieser Ausrichtung befestigt werden. Ein unerwünschtes Verschieben des Trägerteils 4, bei dem die zugehörigen Sensorelemente 3 nicht oder nicht mehr exakt den bevorzugten Feldbereichen 8 und 9 zugeordnet sind, wird damit vermieden. Auch könne durch die Anordnung der Sensorelemente 3 auf den Trägerteil 4 die Sensorelemente 3 auf einfachere Weise ausgerichtet und festgehalten werden.
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Für sämtliche der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele geltend ist es mit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung möglich, die Vorteile einer sehr nahen Position der einzelnen Sensorelemente an dem Leiter in einem Bereich eines starken Magnetfelds zur Messung kleinster Ströme mit dem Vorteil einer einfachen Anordnung und einer erleichterten Handhabung zu verbinden. Die erleichterte Handhabung wird im Wesentlichen durch die Anordnung zumindest eines Sensorelements 3 oder einer Mehrzahl von Sensorelementen 3 auf dem gemeinsamen Trägerteil 4 und vorzugsweise auch auf einem gemeinsamen Substrat (Chip) unterstützt.
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Die Sensorelemente liegen in einem Bereich des starken Magnetfelds (Feldbereiche 8 und 9), sodass weitere Maßnahmen und Komponenten oder Elemente zur Verstärkung des Magnetfelds, wie beispielsweise Eisenmetalle oder Ferrite entbehrlich sind. Es ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung kostengünstigere und in den Abmessungen kleinere Anordnungen bei gleichzeitig hoher Messempfindlichkeit. Mittels einer Differenzverarbeitung der Ausgangssignale der jeweiligen Sensorelemente 3 bei paarweiser Anordnung derselben können gleichartig auf die Sensorelemente 3 einwirkende Störungen leicht beseitigt oder in ihren Auswirkungen beschränkt werden. Dies verbessert die Messgenauigkeit und Empfindlichkeit.
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Die erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung kann bei jeglicher Art von Leistungsversorgungseinrichtungen und zugehörigen Stromschienen oder Stromleitern angewendet werden. Dies betrifft insbesondere die vorstehend beschriebene Anwendung in Kraftfahrzeugen im Hinblick auf die Stromversorgung (Ladung) von Batterien im Kraftfahrzeug. Dies ist besonders für Hybridfahrzeuge, die eine Hochleistungsbatterie aufweisen, und Elektrofahrzeuge wichtig. Der Ladezustand der jeweiligen Batterien kann über die Erfassung der Ladeströme und der Entladeströme sowie der Klemmenspannung und der Batterietemperatur verlässlich und kontinuierlich bestimmt werden.
