DE102015223088A1 - Einrichtung zur Messung hoher und mittlerer Hochspannungsströme - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung (3) zum Messen eines elektrischen Stroms, die Folgendes umfasst: eine Platine (21), eine Sensorkomponente (13) zum Detektieren eines Stroms, insbesondere durch Detektieren von Magnetfeldern, wobei die Sensorkomponente (13) auf einer Oberfläche der Platine (21) angeordnet ist und wenigstens einen ersten Kontakt (15) und einen zweiten Kontakt (17) zum Eingeben und Ausgeben des elektrischen, zu messenden Stroms (Itot) umfasst, wobei die Einrichtung (3) weiterhin ein erstes leitendes Element (23a) zum Leiten des Stroms (Itot) zur Sensorkomponente (13) und ein zweites leitendes Element (23b) zum Leiten des Stroms (Itot) weg von der Sensorkomponente (13) umfasst, wobei ein drittes leitendes Element (23c) bereitgestellt wird, um das erste leitende Element (23a) mit dem zweiten leitenden Element (23b) elektrisch zu verbinden, so dass nur ein vorbestimmter Bruchteil des elektrischen Stroms (Itot) durch die Sensorkomponente (13) fließen kann.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen eines elektrischen Stromflusses, die Folgendes umfasst: eine Platine, eine Sensorkomponente zum Detektieren von Stromfluss, insbesondere durch Detektieren von Magnetfeldern, wobei die Sensorkomponente auf einer Oberfläche der Platine angeordnet ist und wenigstens einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt zum Eingeben und Ausgeben des elektrischen, zu messenden Stroms umfasst, wobei die Einrichtung weiterhin ein erstes leitendes Element zum Leiten des Stroms zur Sensorkomponente und ein zweites leitendes Element zum Leiten des Stroms weg von der Sensorkomponente umfasst.
  • Solche Einrichtungen können zum Beispiel zum Messen des Energieverbrauchs oder der Energieübertragungen von Energieversorgern zu Energieabnehmern verwendet werden. Zum Beispiel können solche Einrichtungen verwendet werden, um Stromflüsse in fotovoltaischen Kraftwerksanlagen oder in Ladestationen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge zu überwachen. In einigen Anwendungen können solche Einrichtungen auch verwendet werden, um den Stromfluss zu messen, um gewisse Prozesse zu optimieren, wie zum Beispiel das Aufladen einer Batterie.
  • In den deutschen Patentanmeldungen DE102011005994A1 und DE19928399A1 werden Beispiele für Einrichtungen zum Messen von Stromfluss auf Basis des Magnetfelds beschrieben. In der deutschen Patentanmeldung DE19928399A1 wird zum Beispiel eine Anordnung eines Magnetfeldsensors auf der Oberfläche einer Platine offenbart, wobei sich ein laminarer Stromleiter unterhalb des Sensors auf der Oberfläche der Platine befindet, so dass der Leiter zwischen den Kontaktstiften des Sensors hindurchfließt. Solche Stromsensoren enthalten eine Reihe von innenliegenden Schichten, wie zum Beispiel spezielle Magnetschichten an der Oberseite eines Silicium-Dies im Sensor, was ihre Komplexität und Kosten erhöht. Weiterhin können solche Sensoren gegenüber Störfeldern empfindlich sein und können unter Nachteilen leiden, die in Beziehung zur Positionierung des laminaren Stromleiters in Bezug auf die integrierte Schaltung stehen.
  • Im Dokument DE102011005994A1 wird eine Baugruppe eines Stromsensors auf Magnetfeldbasis offenbart, die Folgendes umfasst: einen Die mit wenigstens einem Magnetfeld erfassenden Element, mehrere Kontakte, die in einer ersten Ebene angeordnet und mit dem Die gekoppelt sind, einen Leiter, der einen ersten und zweiten Kontaktabschnitt umfasst, wobei der erste und zweite Kontakt elektrisch gekoppelt sind und in einer zweiten Ebene angeordnet sind, die sich von der ersten Ebene unterscheidet, und einen Vergusskorpus, der den Die, die mehreren Kontakte und den ersten und zweiten Kontaktabschnitt kapselt. Der zu messende Strom kann daher direkt durch die Sensorbaugruppe selbst geleitet werden, was für ein zuverlässiges und preisgünstiges Mittel zum Messen von Strom sorgt.
  • Allerdings können sich bei Anwendungen für Hochspannung und/oder mittlere bis große Ströme solche Sensorbaugruppen erhitzen und sogar funktionsunfähig werden, wobei in Verbindung mit der Erfindung Hochspannung als größer als 150 Volt definiert wird, wohingegen mittlere und große Ströme als größer als 10 Ampere bzw. 40 Ampere definiert werden. Herkömmlich sind Wärmesenken und/oder Kühlsysteme verwendet worden, um Temperaturprobleme dieser Art zu lösen.
  • Daher ist es das Ziel der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zum Messen von Strömen bei Anwendungen für Hochspannung, mittlere bis große Ströme vorzuschlagen.
  • Dieses Ziel wird durch eine Einrichtung nach Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Einrichtung.
  • Das Ziel wird daher mit einer Einrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms erreicht, die Folgendes umfasst: eine Platine, eine Sensorkomponente zum Detektieren von Strom, insbesondere durch Detektieren von Magnetfeldern, wobei die Sensorkomponente auf einer Oberfläche der Platine angeordnet ist und wenigstens einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt zum Eingeben und Ausgeben des elektrischen, zu messenden Stroms umfasst, wobei die Einrichtung weiterhin ein erstes leitendes Element zum Leiten des Stroms zur Sensorkomponente und ein zweites leitendes Element zum Leiten des Stroms weg von der Sensorkomponente umfasst, wobei ein drittes leitendes Element bereitgestellt wird, um das erste leitende Element mit dem zweiten leitenden Element elektrisch zu verbinden, so dass nur ein vorbestimmter Bruchteil des elektrischen Stroms durch die Sensorkomponente fließen kann. Die Sensorkomponente wird daher nur einem Teil des gesamten, durch die Einrichtung fließenden Stroms ausgesetzt, wobei die Beziehung zwischen der Strommenge, die durch die Sensorkomponente fließt, und der Strommenge, die die Sensorkomponente umgeht, bekannt bleibt. Der Gesamtstrom, der durch die Einrichtung fließt, kann daher auf der Basis dieser bekannten Beziehung hergeleitet werden. Gleichzeitig kann die Strommenge, die durch die Sensorkomponente fließt, auf einen Pegel beschränkt werden, bei dem Temperaturprobleme ausgeschlossen sind. Es ist ebenfalls möglich, eine Sensorkomponente zu verwenden, die dazu ausgelegt ist, kleine Ströme von zum Beispiel weniger als 10 Ampere zu messen, um viel größere Ströme von 50 Ampere oder mehr zu messen. Die Kosten einer Einrichtung zum Messen von Strom können daher reduziert werden, weil die Kosten einer Sensorkomponente im Allgemeinen mit den Anforderungen des Strombereichs zunehmen.
  • Weiterhin verringert sich bei vielen Sensorkomponenten dieser Art die Genauigkeit mit der Zunahme der zu messenden Strommenge. Die Einrichtung ermöglicht daher eine Verbesserung der Genauigkeit zusätzlich zum vergrößerten Messbereich. Zudem werden auch der Lebensdauer-Erwartungswert und die Zuverlässigkeit der Sensorkomponente erhöht werden, weil das Ausgesetzsein der Sensorkomponente gegenüber Strom reduziert wird, wodurch die Wärmebelastung über die Lebensdauer der Einrichtung reduziert wird.
  • Zusätzlich dient das dritte leitende Element für den Fall, dass die Einrichtung einer Fehlerstromspitze von zum Beispiel 1500 Ampere für 1,8 Millisekunden ausgesetzt wird, dazu, Strom vom Sensor weg abzuleiten. Dies kann verhindern, dass die Sensorkomponente explodiert oder zu brennen beginnt. Die Kurzschlussstrombelastbarkeit der Einrichtung wird daher verbessert.
  • Die Sensorkomponente kann zum Beispiel eine auf einem Hall-Sensor basierende, integrierte Stromerfassungsschaltung sein und ist im Allgemeinen mit der Platine mit einer Reihe von Kontakten, zum Beispiel acht, verbunden. Das erste und zweite leitende Element können zum Beispiel laminare Leiter auf der Platine sein. Insbesondere kann in Hochspannungsanwendungen ein laminarer Kupferleiter verwendet werden. Die leitenden Elemente können mit den Kontakten der Sensorkomponente auf der Oberfläche der Platine elektrisch verbunden werden, indem sie gelötet werden. Das dritte leitende Element dient im Wesentlichen dazu, einen Kurzschluss um die Sensorkomponente zu bilden, wobei das erste mit dem zweiten leitenden Element direkt, d. h. ohne es mit irgendeiner anderen Komponente zu verbinden, in Reihe verbunden wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Bruchteil des elektrischen Stroms durch ein Verhältnis eines elektrischen Widerstands, der vom dritten leitenden Element umfasst ist, zu einem elektrischen Innenwiderstand zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt der Sensorkomponente vorbestimmt, wobei das Verhältnis kleiner oder gleich 1/3, bevorzugt 1/4 ist. Die Sensorkomponente weist einen elektrischen Innenwiderstand zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt auf, der im Allgemeinen von den Herstellern solcher Sensorkomponenten spezifiziert wird. Der Innenwiderstand hängt wenigstens zum Teil von den physischen Abmaßen des leitenden Materials in der Sensorkomponente ab. Das physische Material kann zum Beispiel eine Kupferleitschiene umfassen. Das Verhältnis des Widerstands des dritten leitenden Elements, d. h. des Umgehungsleiters, zum Widerstand der Sensorkomponente bestimmt in Übereinstimmung mit den physikalischen Gesetzen, die Stromflüsse durch Schaltungen beschreiben, den Bruchteil des Stroms, der durch die Sensorkomponente fließen wird. Es ist daher möglich, den Widerstand des dritten leitenden Elements (d. h. des Umgehungsleiters) anzupassen, um die Strommenge, die durch die Sensorkomponente fließt, vorauszubestimmen.
  • Es ist vorteilhaft, das Verhältnis zwischen dem Widerstand des dritten leitenden Elements und dem Widerstand der Sensorkomponente so anzupassen, dass das Verhältnis kleiner als 1 zu 3 ist, weil gemäß den Schaltungen bestimmenden physikalischen Gesetzen die durch die Sensorkomponente fließende Strommenge höchstens 1/3 der durch das dritte leitende Element fließenden Strommenge sein wird. Bevorzugt wird das Verhältnis auf 1 zu 4 gesetzt, so dass in Anwendungen, bei denen erwartet wird, dass ein Gesamtstrom von 50 Ampere vom ersten leitenden Element zum zweiten leitenden Element durchfließt, ein Maximum von 10 Ampere durch die Sensorkomponente fließen wird. Weil das Verhältnis zwischen den Widerständen vorbestimmt werden kann, kann die Gesamtmenge des Stromflusses hergeleitet werden, indem einfach die von der Sensorkomponente ausgeführte Strommessung aufgezeichnet wird. Das genaue Verhältnis der Widerstände kann weiterhin in einem Kalibrierungsprozess bestimmt werden, wobei die der Sensorkomponente zugeführte Gesamtstrommenge gesteuert wird, und die von der Sensorkomponente durchgeführte Strommessung überwacht wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Bruchteil des elektrischen Stroms, von dem vorbestimmt ist, dass er durch die Sensorkomponente fließt, so begrenzt, dass eine erwartete Messgenauigkeit der Sensorkomponente einen Fehler von weniger als 1 % umfasst, bevorzugt weniger als 0,4 % und sehr bevorzugt einen Fehler von weniger als oder gleich 0,2 %. Die erwartete Messgenauigkeit wird im Allgemeinen durch einen Hersteller der Sensorkomponenten bereitgestellt und ist auf einem Datenblatt der Sensorkomponente zu finden. Weil sich die Genauigkeit solcher Sensorkomponenten mit zunehmendem Strom verringern kann, dient das Begrenzen der Strommenge, die durch den Sensor fließen kann, auch dazu, den Gesamtmessfehler zu begrenzen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind das erste, zweite und/oder dritte leitende Element durch eine laminare leitende Schicht auf der Platine gebildet. Zum Beispiel könnten das erste und zweite leitende Element als eine laminare leitende Schicht auf der Platine gebildet sein, und das dritte leitende Element kann als ein Draht gebildet sein, der elektrisch mit dem ersten und zweiten leitenden Element durch die Verwendung von Durchkontaktierungen, d. h. Einpresskontakten, verbunden ist. Dieses dritte leitende Element könnte alternativ mit dem ersten und zweiten leitenden Element durch einen Lötprozess verbunden werden. Wenn das dritte leitende Element auf diese Weise als ein Draht ausgeführt wird, kann der Draht in einem gewissen Minimalabstand von den Niederspannungskontakten der Sensorkomponente angeordnet werden, um die Messung von Strom in solchen Anwendungen zu ermöglichen, wobei die Risiken, wie zum Beispiel Funkenbildung, bei hohen Potentialen effektiv reduziert und/oder ausgeschlossen werden können. Durch die Verwendung von elektrischem Isoliermaterial auf solch einem Draht kann der Abstand zwischen der Sensorkomponente und dem ersten Abschnitt des leitenden Elements bis zu dem Punkt verringert werden, dass nur das Isoliermaterial die Sensorkomponente vom dritten leitenden Element trennt. Das Isoliermaterial schließt die Möglichkeit von Funkenbildung im Spalt zwischen dem leitenden Element und den freiliegenden Niederspannungskontakten der Sensorkomponente aus.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das dritte leitende Element in einem gewissen Abstand von der Sensorkomponente angeordnet, wobei der gewisse Abstand groß genug ist, dass ein Einfluss eines Magnetfelds, das durch den im dritten leitenden Element fließenden Strom produziert wird, auf die Sensorkomponente im Wesentlichen zu vernachlässigen ist. Das dritte leitende Element erzeugt ein Magnetfeld, wenn Strom durch es hindurchfließt. Um eine genaue Messung des durch den Sensor fließenden Stroms vorzunehmen, muss das Magnetfeld, das von dem durch die Sensorkomponente fließenden Strom produziert wird, genau detektiert werden. Der Begriff „genau“ wird in Verbindung mit dieser Erfindung mit einer Fehlerspanne von unter 1 % definiert, bevorzugt unter 0,5 % und sehr bevorzugt unter 0,2 %. In Anwendungen, bei denen Energie zwischen einem Energielieferanten und einem Konsumenten übertragen wird, zum Beispiel an einer Ladestation für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb, kann die Fehlerspanne bei der Strommessung einen nicht zu vernachlässigenden wirtschaftlichen Einfluss auf die Transaktion haben. Das vom Strom in der Sensorkomponente produzierte Magnetfeld ist allerdings im Allgemeinen so klein, dass das Erdmagnetfeld oder andere Magnetfelder, die zum Beispiel von anderen Komponenten in einem Kraftfahrzeug erzeugt werden, die Messung verzerren können. Weil die Stärke des vom dritten leitenden Element erzeugten Magnetfelds mit einem zunehmenden Abstand vom leitenden Element abnimmt, ist es vorteilhaft, das dritte leitende Element in einem gewissen Abstand von der Sensorkomponente zu positionieren, um den Störeinfluss des erzeugten Magnetfelds zu negieren und die Genauigkeit der Strommessung zu erhöhen.
  • Der Abstand zwischen dem dritten leitenden Element und der Sensorkomponente kann daher so vorbestimmt sein, dass die Größe des Magnetfelds, das vom im dritten leitenden Element fließenden Strom in der Sensorkomponente produziert wird, einen Fehler in die Strommessung einbringt, der kleiner als die erwartete Messgenauigkeit der Sensorkomponente ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste, zweite und/oder dritte leitende Element als ein laminarer Mehrschichtleiter ausgeführt. Weil der Innenwiderstand der Sensorkomponente im Allgemeinen ein Wert ist, der mit der Auswahl einer spezifischen Sensorkomponente zur Umsetzung in der Einrichtung festgelegt ist, kann das Verhältnis zwischen dem Widerstand der Sensorkomponente und dem dritten leitenden Element durch Anpassen der Abmaße des dritten leitenden Elements angepasst werden. Bei einigen Anwendungen ist ein begrenzter Raum im Gehäuse der Einrichtung vorhanden, so dass ein laminarer Leiter mit nur einer Schicht nicht mehr auf die Platine passen würde, wenn er einen erforderlichen und/oder vorbestimmten Widerstandswert umfasst. In diesem Fall ist es von Vorteil, das dritte leitende Element als einen laminaren Mehrschichtleiter auszuführen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das erste, zweite und/oder dritte leitende Element wenigstens zu 99 % aus Kupfer. Die Verwendung von Kupfer im leitenden Element weist eine Reihe von Vorteilen auf. In Bezug auf die Genauigkeit der Einrichtung kann die Einrichtung nur eine genaue Messung des Gesamtstroms vornehmen, falls das Verhältnis zwischen dem Widerstand des dritten leitenden Elements und der Sensorkomponente präzise bestimmt ist. Allerdings sind die Widerstandseigenschaften der meisten Materialien temperaturabhängig. Sensorkomponenten, die zur Verwendung in solch einer Einrichtung verfügbar sind, funktionieren häufig mit einer bekannten Temperaturabhängigkeit, die wenigstens zum Teil darauf zurückzuführen ist. Herkömmlich ist häufig ein zusätzlicher Temperatursensor erforderlich, um die temperaturabhängigen Verschiebungen in der Messgenauigkeit zu kompensieren. Durch die Verwendung von Kupfer als das dritte leitende Element kann das Verhältnis zwischen den Widerständen festgelegt werden, weil das innenliegende leitende Material solch einer Sensorkomponente normalerweise Kupfer ist. Wenn die Einrichtung große Ströme bei hohen Spannungen leitet, kann sich die Temperatur innerhalb eines Gehäuses der Einrichtung, das zum Beispiel aus Nylon 6 bestehen kann, erhöhen. Allerdings wird eine laminare leitende Kupferschicht auf der Platine bewirken, dass die Temperaturerhöhung im Inneren des Gehäuses im Wesentlichen durchweg gleichförmig ist, so dass die Widerstandsänderungen, die in der Sensorkomponente stattfinden, und die Widerstandsänderungen im leitenden Kupferelement einander aufheben, wodurch ein stabiles Verhältnis aufrechterhalten wird.
  • Weil weiterhin die Widerstandseigenschaften von Kupfer allgemein bekannt sind, ist es möglich, den Widerstand des dritten leitenden Elements allein auf Basis der Abmaße vorauszubestimmen.
  • In einer weiteren Entwicklung der Erfindung wird eine zusätzliche Sensorkomponente bereitgestellt, wobei die zusätzliche Sensorkomponente in einem gewissen zweiten Abstand von den leitenden Elementen angeordnet ist und wobei die Größe des gewissen zweiten Abstands eine solche ist, dass eine Stärke des Magnetfelds, das durch den in den leitenden Elementen fließenden Strom erzeugt wird, höchstens 5 %, bevorzugt höchstens 1 % und sehr bevorzugt höchstens 0,01 % einer Stärke des Erdmagnetfelds an der Position der zusätzlichen Sensorkomponente beträgt. Die zusätzliche Sensorkomponente kann dazu dienen, das Umgebungsmagnetfeld in der Nähe der Einrichtung zu messen, wie zum Beispiel das Magnetfeld der Erde, und das Ergebnis dieser Messung kann von der Messung des durch den Strom in der Sensorkomponente erzeugten Magnetfelds subtrahiert werden. Der Beitrag der verzerrenden Magnetfelder, die nicht durch das leitende Element erzeugt werden, kann dadurch ausgeschlossen werden. Die zusätzliche Sensorkomponente kann alternativ in einem Abstand vom dritten leitenden Element angeordnet werden, der im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen der Sensorkomponente und dem dritten leitenden Element ist, um den Störeinfluss zu berücksichtigen, der durch das durch das dritte leitende Element erzeugte Magnetfeld bewirkt wird, zusätzlich zu anderen Umgebungsmagnetfeldwirkungen.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Sensorkomponente einen dritten Kontakt, und ein Spalt wird in der Platine bereitgestellt, so dass eine gerade Linie, die vom ersten oder zweiten Kontakt zum dritten Kontakt verläuft, den Spalt überspannt. Vorschriften, die sogenannte Mindest-Funkenstrecken betreffen, die eingehalten werden müssen, um die Sicherheit solcher Einrichtungen sicherzustellen, werden entwickelt und von verschiedenen staatlichen und nichtstaatlichen Zertifizierungsstellen veröffentlicht. Weil bei Hochspannungsanwendungen das leitende Element eine Spannung von wenigstens 150 Volt in Bezug auf Masse aufweist und die Sensorkomponente bei einer beträchtlich niedrigeren Spannung in Bezug auf Masse arbeitet, zum Beispiel 3 Volt, kann ein großes elektrisches Potential zwischen dem leitenden Element und den freiliegenden Kontakten der Sensorkomponente vorhanden sein, die nicht zur Eingabe oder Ausgabe von Hochspannungsströmen dienen. Im Allgemeinen sind die Funkenstrecken, die durch Luft aufrechterhalten werden müssen, größer als die Funkenstrecken, die entlang einer Oberfläche aufrechterhalten werden müssen. Zum Beispiel verlangt die Norm UL1059 aus dem Jahr 2015, veröffentlicht von Underwriter Laboratory Inc., Illinois, Vereinigte Staaten von Amerika, dass der Abstand durch die Luft (auch als Mindestabstand bekannt) zwischen freiliegenden Leitern mit einem Potential von wenigstens 301 Volt wenigstens 9,5 mm zu betragen hat und dass der Mindestabstand entlang einer Oberfläche (Mindest-Kriechstrecke) wenigstens 12,7 mm beträgt. Der in der Platine bereitgestellte Spalt dient dazu, eine Kriechstrecke in einen Abstand zu wandeln, wodurch die Sicherheit der Einrichtung für Anwendungen von wenigstens 250 V erhöht wird.
  • Die Erfindung wird als Nächstes ausführlich unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Diese zeigen:
  • 1: eine schematische Ansicht einer Ladestation für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug mit einer Einrichtung zum Messen von Strom;
  • 2: eine perspektivische Ansicht einer Unterseite einer Sensorkomponente, die zur Verwendung in einer Ausführungsform der Einrichtung zum Messen von Strom geeignet ist;
  • 3: eine schematische perspektivische Ansicht eines Platinen-Layouts einer Einrichtung zum Messen von Strom nach dem Stand der Technik;
  • 4: eine schematische perspektivische Ansicht eines Platinen-Layouts in einem Gehäuse, das zur Verwendung in einer Ausführungsform der Erfindung geeignet ist;
  • 5a, b: eine schematische Draufsicht auf die Platinen-Layouts, die zur Verwendung in einer Ausführungsform der Erfindung geeignet sind;
  • 6: eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des maximalen Gesamtfehlers einer stromerfassenden integrierten Hall-Schaltung zur Menge an Strom, die gemessen wird; und
  • 7: eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ladestation 1 für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug mit einer Einrichtung 3 zum Messen von Strom. Die Einrichtung 3 weist ein Gehäuse 5 auf, das aus Polyamid 6, auch als Nylon 6 bekannt, besteht. Die Einrichtung 3 dient zum Überwachen der Energieübertragung von der Ladestation zu einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, wie zum Beispiel einem Auto, einem Lastwagen, einem Flugzeug oder einem Elektrofahrrad. Die Station weist ein Leistungsversorgungskabel 7 auf. Es wird auch ein Ladekabel 9 mit einem Standardladesteckverbinder 11 gezeigt.
  • 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Unterseite einer Sensorkomponente 13, die zur Verwendung in einer Ausführungsform der Einrichtung zum Messen von Strom geeignet ist. Die Sensorkomponente 13 ist eine integrierte Hall-Sensorschaltung mit acht Kontakten. Ein erster Kontakt 15 und ein zweiter Kontakt 17 dienen zur Eingabe und zur Ausgabe des zu messenden Stroms. Die anderen Kontakte 19 dienen unter anderem zur Kommunikation. Die anderen Kontakte 19 werden im Allgemeinen bei 0–3 Volt betrieben, wohingegen die Betriebsspannung der ersten und zweiten Kontakte 15, 17 von der Anwendung bestimmt wird und sogar 250 Volt oder mehr sein kann.
  • 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Platine 21 mit einem Layout für eine Einrichtung 3 zum Messen von Strom nach dem Stand der Technik. Die Einrichtung 3 ist in einem Gehäuse 5 auf Nylon 6 gekapselt, die in 1 beschrieben wird. Ein Hall-Sensor-IC 13 befindet sich in der Mitte der Platine 21, so dass seine Unterseite verborgen ist, die der Platine 21 zugewandt ist. Der erste und zweite Kontakt 15, 17 sind elektrisch mit einem laminaren Kupferleiter 23 auf der Oberfläche der Platine 21 verbunden. Es gibt eine Unterbrechung 25 im laminaren Kupferleiter 23, die den Leiter 23 in ein erstes leitendes Element 23a und ein zweites leitendes Element 23b trennt. Die anderen Kontakte 19 des Hall-Sensor-ICs 13 sind gleichermaßen elektrisch mit leitfähigen Bahnen 27 auf der Platine 21 verbunden.
  • Herkömmlich würde der zu messende Strom über einen Eingangskontakt 29 in die Platine 21 eingespeist werden und über den laminaren Leiter 23a zur Sensorkomponente 13 geleitet werden. Gleichermaßen würde der Strom über den Leiter 23b und einen Ausgangskontakt 31 ausgegeben werden. Datenaustausch und Versorgungsspannung können mit dem Hall-Sensor-IC 13 über die anderen Kontakte 19 und die entsprechenden leitfähigen Bahnen 27 ausgetauscht bzw. ihm bereitgestellt werden.
  • 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Layouts der Platine 21 in einem Gehäuse 5, das zur Verwendung in einer Ausführungsform der Erfindung geeignet ist. Im Gegensatz zum Layout nach dem Stand der Technik, wie es in 3 gezeigt wird, gibt es keine Unterbrechung im laminaren Leiter 23. Daher wird der Strom, der den Leiter 23 entlang zur Sensorkomponente 13 fließt, so aufgeteilt, dass ein Teil des Stroms den verlängerten Leiter 23 entlang fließt und ein Teil des Stroms durch die Sensorkomponente 13 fließt. Die Sensorkomponente 13 überwacht den Strom, der durch sie fließt. Auf Basis dieser Überwachung kann der Gesamtstrom, der durch die Einrichtung 3 fließt, auf Basis des bekannten Verhältnisses zwischen dem Widerstand des Leiters 23 zwischen dem ersten und zweiten Kontakt 15, 17 des Hall-Sensor-ICs 13 und dem Innenwiderstand des Hall-Sensor-ICs 13 selbst hergeleitet werden.
  • Im Allgemeinen können die vom Hall-Sensor-IC 13 vorgenommenen Messungen an eine Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt) mittels der anderen Kontakte 19 geschickt werden. Die Verarbeitungseinheit kann im Speicher gespeicherte Bewertungsprogramme ausführen, um Strommesswerte zu erzeugen, die gespeichert und/oder an einer Anzeige ausgegeben werden können, zum Beispiel an einer an einer Ladestation bereitgestellten Anzeige, wie zum Beispiel der in 1 gezeigten.
  • 5a und 5b zeigen schematische Draufsichten auf die Layouts der Platine 21, die zur Verwendung in einer Ausführungsform der Erfindung geeignet sind. In 5a entspricht das Layout dem in 4 gezeigten Layout. Der Widerstand Rc des leitenden Elements 23, das hier ein laminarer Kupferleiter ist, zwischen dem ersten und zweiten Kontakt 15, 17 des Hall-Sensor-ICs 13 wird auf Basis der Abmaße des laminaren Leiters 23 bestimmt. Der laminare Leiter 23 kann auch mehr als eine Schicht aufweisen. Der Innenwiderstand Rs des Hall-Sensor-ICs 13 wird im Datenblatt des ICs angegeben, jedoch kann dieser Wert mit einem Multimeter oder einer anderen Messeinrichtung zum Messen von Widerständen verifiziert werden. Der Gesamtstrom Itot, der durch die Einrichtung fließt, entspricht der Summe des Stroms Ic, der durch die Sensorkomponente 13 fließt, und des Stroms Is, der durch das leitende Element 23 fließt. Weil das Verhältnis der Menge an Strom, der durch das leitende Element 23 und die Sensorkomponente 13 fließt, durch das Verhältnis der Widerstände Rc, Rs des leitenden Elements 23 und der Sensorkomponente 13 bestimmt wird, kann ein K-Faktor für die Einrichtung gemäß der folgenden Gleichungen definiert werden: Itot = Is + Ic Is·Rs = Ic·Rc K = (Rs/Rc) = ((Itot/Is) – 1).
  • Der K-Faktor kann auch in einem Kalibrierungsprozess bestimmt werden, weil der Strom Is, der durch die Sensorkomponente 13 fließt, von der Sensorkomponente selbst überwacht werden kann, und der Gesamtstrom Itot, der durch die Einrichtung 3 fließt, kann gesteuert und/oder überwacht werden.
  • Wenn die Einrichtung in Betrieb ist, dann kann der insgesamt gemessene Strom Im auf der Basis der vom Hall-Sensor-IC 13 ausgeführten Strommessung mit der folgenden Gleichung hergeleitet werden: Im = (K + 1)·Is.
  • Der K-Faktor ist im Allgemeinen temperaturunabhängig, insbesondere, wenn der laminare Leiter 23 Kupfer ist.
  • 5b zeigt ein alternatives Layout, bei dem das leitende Element 23 weiter von den anderen Kontakten 19 des Hall-Sensor-ICs 13 entfernt ist. Weil am leitenden Element 23 eine hohe Spannung vorhanden sein kann und die anderen Kontakte 19 des Hall-Sensor-ICs 13 eine niedrige Spannung aufweisen können, dient diese Trennung als eine Funkenstrecke, um eine Entladung zwischen dem leitenden Element 23 und den Niederspannungskontakten 19 über die Oberfläche der Platine 21 zu verhindern.
  • 6 zeigt eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des maximalen Gesamtfehlers einer stromerfassenden integrierten Hall-Schaltung 13 zur Menge an Strom, die gemessen wird. Der maximal mögliche Fehler kann auf den Bereich begrenzt werden, der auf der Fehlerachse zwischen +0,2 % und –0,2 % definiert ist, indem der Strom, der durch das Hall-Sensor-IC 13 fließen kann, auf ein Maximum von +/– 8 Ampere begrenzt wird. Dies wird durch Anpassen der Widerstände Rs, Rc erreicht, wie in Verbindung mit den 1 bis 5 erklärt worden ist, so dass ein Maximum von 8 Ampere in die Sensorkomponente 13 abgeleitet wird, wenn 50 Ampere durch die Einrichtung fließen.
  • 7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der das dritte leitende Element 23c als ein Draht umgesetzt ist, der mit dem laminaren Leiter 23a, 23b über Durchkontaktierungen 33, d. h. Einpresskontakte 33 in der Platine 21, verbunden ist. Wie zu erkennen ist, wird ein Spalt 35 oder Graben 35 in der Platine 21 zwischen den Hochspannungskontakten 15, 17 der Sensorkomponente 13 und den Niederspannungskontakten 19 bereitgestellt. Das dritte leitende Element ist zum Teil in einem Isoliermaterial 37 gekapselt, um weiter gegen elektrische Entladungen zu schützen, die verursacht werden, wenn Hochspannungen an die leitenden Elemente 23a, b, c angelegt werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Ladestation
    3
    Einrichtung
    5
    Gehäuse
    7
    Leistungsversorgung
    9
    Ladekabel
    11
    Steckverbinder
    13
    Sensorkomponente / Hall-Sensor-IC
    15
    erster Kontakt
    17
    zweiter Kontakt
    19
    andere Niederspannungskontakte
    21
    Platine
    23
    leitendes Element
    25
    Unterbrechung im leitenden Element
    27
    leitende Bahnen
    29
    Eingangskontakt
    31
    Ausgangskontakt
    33
    Durchkontaktierungs-/Einpresskontakt
    35
    Spalt/Graben
    37
    Isoliermaterial
    Rs
    Widerstand der Sensorkomponente
    Rc
    Widerstand des leitenden Elements
    Itot
    Gesamtstrom
    Is
    Strom durch den Sensor
    Ic
    Strom durch das dritte leitende Element
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011005994 A1 [0003, 0004]
    • DE 19928399 A1 [0003, 0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Norm UL1059 aus dem Jahr 2015 [0022]

Claims (11)

  1. Einrichtung (3) zum Messen eines elektrischen Stroms, die Folgendes umfasst: eine Platine (21), eine Sensorkomponente (13) zum Detektieren eines Stroms, insbesondere durch Detektieren von Magnetfeldern, wobei die Sensorkomponente (13) auf einer Oberfläche der Platine (21) angeordnet ist und wenigstens einen ersten Kontakt (15) und einen zweiten Kontakt (17) zum Eingeben und Ausgeben des elektrischen, zu messenden Stroms (Itot) umfasst, wobei die Einrichtung (3) weiterhin ein erstes leitendes Element (23a) zum Leiten des Stroms (Itot) zur Sensorkomponente (13) und ein zweites leitendes Element (23b) zum Leiten des Stroms (Itot) weg von der Sensorkomponente (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes leitendes Element (23c) bereitgestellt ist, um das erste leitende Element (23a) mit dem zweiten leitenden Element (23b) elektrisch zu verbinden, so dass nur ein vorbestimmter Bruchteil des elektrischen Stroms (Itot) durch die Sensorkomponente (13) fließen kann.
  2. Einrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil des elektrischen Stroms (Itot) durch ein Verhältnis eines elektrischen Widerstands (Rc), der vom dritten leitenden Element (23c) umfasst ist, zu einem elektrischen Innenwiderstand (Rs) zwischen dem ersten Kontakt (15) und dem zweiten Kontakt (17) der Sensorkomponente (13) vorbestimmt ist, wobei das Verhältnis kleiner als 1/3 ist.
  3. Einrichtung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil des elektrischen Stroms (Is), von dem vorbestimmt ist, dass er durch die Sensorkomponente (13) fließt, so begrenzt ist, dass eine erwartete Messgenauigkeit der Sensorkomponente (13) einen Fehler von weniger als 1 % umfasst, bevorzugt weniger als 0,4 % und sehr bevorzugt einen Fehler von weniger als oder gleich 0,2 %.
  4. Einrichtung (3) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und/oder dritte leitende Element (23a, 23b, 23c) durch eine laminare leitende Schicht auf der Platine (21) gebildet sind.
  5. Einrichtung (3) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte leitende Element (23c) in einem gewissen Abstand von der Sensorkomponente (13) angeordnet ist, wobei der gewisse Abstand groß genug ist, dass ein Einfluss eines Magnetfelds, das durch den im dritten leitenden Element (23c) fließenden Strom (Ic) produziert wird, auf die Sensorkomponente (13) im Wesentlichen zu vernachlässigen ist.
  6. Einrichtung (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand so vorbestimmt ist, dass die Größe des Magnetfelds, das vom im dritten leitenden Element (23c) fließenden Strom (Ic) an der Sensorkomponente (13) produziert wird, einen Fehler in die Strommessung einbringt, der kleiner als die erwartete Messgenauigkeit der Sensorkomponente (13) ist.
  7. Einrichtung (3) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und/oder dritte leitende Element (23a, 23b, 23c) als ein laminarer Mehrschichtleiter ausgeführt sind.
  8. Einrichtung (3) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und/oder dritte leitende Element (23a, 23b, 23c) wenigstens zu 99 % aus Kupfer bestehen.
  9. Einrichtung (3) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Sensorkomponente bereitgestellt ist, wobei die zusätzliche Sensorkomponente in einem gewissen zweiten Abstand von den leitenden Elementen (23a, 23b, 23c) angeordnet ist, wobei die Größe des gewissen zweiten Abstands eine solche ist, dass eine Stärke des Magnetfelds, das durch den in den leitenden Elementen (23a, 23b, 23c) fließenden Strom (Ic, Itot) erzeugt wird, höchstens 5 %, bevorzugt höchstens 1 % und sehr bevorzugt höchstens 0,01 % einer Stärke des Erdmagnetfelds an der Position der zusätzlichen Sensorkomponente beträgt.
  10. Einrichtung (3) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkomponente (13) einen dritten Kontakt (19) umfasst und dass ein Spalt (35) in der Platine (21) bereitgestellt ist, so dass eine gerade Linie, die vom ersten oder zweiten Kontakt (15, 17) zum dritten Kontakt (19) verläuft, den Spalt (35) überspannt.
  11. Ladestation (1) zum Aufladen elektrisch betriebener Fahrzeuge mit einer Einrichtung (3) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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