DE102017214142A1

DE102017214142A1 - Messanordnung und Verfahren zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Messanordnung

Info

Publication number: DE102017214142A1
Application number: DE102017214142.5A
Authority: DE
Inventors: Werner Schiemann; Cyrille Brando
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-02-14
Also published as: WO2019034390A1

Abstract

Es wird eine Messanordnung zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms beschrieben, welche eine Leiterplatte (10) und einen elektrischen Leiter (20) umfasst, welcher in der Leiterplatte (10) integriert ist und sich in eine y-Richtung (22) erstreckt. Weiterhin umfasst die Messanordnung (1) einen ersten Sensor (30), welcher dazu ausgebildet ist, in einem innerhalb des Leitermagnetfelds (24) befindlichen ersten Messpunkt (32) eine z-Komponente eines resultierenden Magnetfeldes, welches sich aus Überlagerung des Leitermagnetfelds (24) mit dem Störmagnetfeld ergibt, zu messen. Weiterhin umfasst die Messanordnung (1) einen zweiten Sensor (40), welcher dazu ausgebildet ist, in einem innerhalb des erzeugten Leitermagnetfelds befindlichen zweiten Messpunkt (42), welcher räumlich vom ersten Messpunkt (32) getrennt ist, eine z-Komponente des resultierenden Magnetfeldes zu messen.
Es wird ferner ein Verfahren zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Verfahren zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes. Ferner umfasst die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Messanordnung.
Stand der Technik
Elektrisch betriebene Fahrzeuge benötigen mehr noch als klassische Verbrenner eine Vielzahl von Messmöglichkeiten für auftretende elektrische Ströme. Speziell im Bereich der Antriebstechnik können Ströme sehr groß werden (beispielsweise bis in den kA-Bereich vordringend) und gleichzeitig sehr hohen Störungen unterworfen sein. Die Art der Störung, in der Regel hohes dU/dt und/oder hohes dl/dt, hängt sehr stark vom jeweiligen Messpunkt ab. Solche Störungen machen unter anderem den Einsatz von sogenannten Shunts zur direkten Strommessung messtechnisch äußerst aufwendig.
Eine der möglichen Alternativen zur Messung von Strömen sind magnetische Sonden, welche in jüngerer Zeit verstärkt Einsatz finden, üblicherweise Hall- oder Fluxgate-Sonden. Diese können direkt oder in einer Kompensationsanordnung eingesetzt werden. Meistens kommt dabei ein Flusskonzentrator, ein magnetisch gut leitendes Material, zum Einsatz, um das vom elektrischen Leiter erzeugte Leitermagnetfeld möglichst gut abzubilden. Insbesondere aber werden durch den Flusskonzentrator Störmagnetfelder von dem Messbereich ferngehalten, sodass das Leitermagnetfeld unmittelbar durch eine Messung mittels Sonden bestimmt werden kann.
In jüngster Zeit kommen jedoch auch auf ASIC basierende Messanordnungen zum Einsatz, welche auf einen derartigen Flusskonzentrator in Gänze verzichten. Dabei entsteht dann jedoch das messtechnische Problem, dass das vom elektrischen Leiter erzeugte Leitermagnetfeld von einem Störmagnetfeld überlagert werden kann. Dieses Leitermagnetfeld und das Störmagnetfeld addieren sich zu einem resultierenden Magnetfeld, welches sich vom Wert her von dem eigentlich zu bestimmenden Leitermagnetfeld unterscheidet. Ein auf Basis des resultierenden Magnetfeldes ermittelter elektrischer Strom entspricht dann jedoch nicht mehr dem eigentlichen Wert des elektrischen Stroms und es entsteht somit je nach Stärke des Störmagnetfeldes nachteilig ein Bestimmungsfehler beziehungsweise Messfehler. Als Störmagnetfeld kommt dabei insbesondere das Erdmagnetfeld in Betracht. Beispielsweise kommen aber auch Störmagnetfelder von anderen elektrischen Leitern in Betracht, welche sich im lokalen Umfeld des zu messenden elektrischen Leiters befinden.
Um den Einfluss des Störmagnetfeldes zu minimieren kann an zweiverschiedenen Messpunkten das Magnetfeld bestimmt werden. Ein Messpunkt liegt in einem großen Abstand, in dem das Leitermagnetfeld quasi auf 0 abgefallen ist, sodass nur Störmagnetfeld an diesem Messpunkt gemessen wird. An dem anderen Messpunkt wird das maximale Feld am elektrischen Leiter gemessen. Bildet man nun die Differenz aus beiden Messergebnissen, so wird der Beitrag des Störmagnetfeldes eliminiert und man erhält den Betrag des reinen Leitermagnetfeldes, aus dem dann der elektrische Strom ermittelt werden kann. Nachteilig an dieser Anordnung ist jedoch, dass das Störmagnetfeld auf solch großen Abständen sich verändern kann und die Differenzbildung das Störmagnetfeld nicht korrekt eliminiert.
In einer anderen Ausführung des Standes der Technik wird eine Leiterschleife ausgebildet, bei welcher neben dem zu bestimmenden Stroms des elektrischen Leiters ein elektrischer Leiter mit dem gleichen Strom in Gegenrichtung geführt ist. Dann wird jeweils das resultierende Magnetfeld über beiden Leitern im Bereich der maximalen Feldstärke bestimmt, wobei dabei durch die gegenläufige Stromrichtung die jeweils erzeugten Leitermagnetfelder ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen. Auch in diesem Fall kann dann das Störmagnetfeld mittels Differenzbildung eliminiert werden. Ein gravierender Nachteil ist in dieser Ausführung des Standes der Technik die erhebliche Erhöhung der Leiterinduktivität. Dies ist in modernen Anwendungen mit höheren Frequenzen aber ein Ausschlusskriterium.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Messanordnung zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes zur Verfügung gestellt, welches eine Leiterplatte umfasst, welche sich in eine x-y-Ebene erstreckt. Weiterhin umfasst die Messanordnung einen elektrischen Leiter, welcher in der Leiterplatte integriert ist und sich in eine y-Richtung erstreckt, wobei durch den elektrischen Leiter ein Strom fließt, welcher ein Leitermagnetfeld um den elektrischen Leiter erzeugt. Weiterhin umfasst die Messanordnung einen ersten Sensor, welcher dazu ausgebildet ist, in einem innerhalb des Leitermagnetfelds befindlichen ersten Messpunkt eine z-Komponente eines resultierenden Magnetfeldes, welches sich aus Überlagerung des Leitermagnetfeldes mit dem Störmagnetfeld ergibt, zu messen. Weiterhin umfasst die Messanordnung einen zweiten Sensor, welcher dazu ausgebildet ist, in einem innerhalb des erzeugten Leitermagnetfelds befindlichen zweiten Messpunkt, welcher räumlich vom ersten Messpunkt getrennt ist, eine z-Komponente des resultierenden Magnetfeldes zu messen.
Hierbei wird ferner auf die Unterscheidung zwischen dem Magnetfeld und dem Leitermagnetfeld hingewiesen. Das Leitermagnetfeld ist das vom elektrischen Leiter erzeugte Feld. Das resultierende Magnetfeld, welches an den Messpunkten gemessen wird, entspricht der Überlagerung des Leitermagnetfelds mit dem Störmagnetfeld. Diese Unterscheidung wird in der weiteren Beschreibung beibehalten. Ein Messpunkt ist dabei nicht streng als ein Punkt im Raum aufzufassen, sondern vielmehr als ein räumlich lokalisierter Messbereich um einen Punkt. Kleine Abweichungen von den Messpunkten sind somit von der Erfindung umfasst. Durch die Forderung der unterschiedlichen räumlichen Position der Messpunkte der beiden Sensoren ist ferner sichergestellt, dass die vom elektrischen Strom erzeugten Leitermagnetfelds Messung am zweiten Messpunkt einen unterschiedlichen Wert aufweist als derjenige vom ersten Messpunkt.
Die erfindungsgemäße Messanordnung hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Messanordnung gegenüber dem Stand der Technik ohne Leiterschleife auskommt, da direkt an nur einem Leiter an zwei Messpunkten gemessen wird, und somit auch für moderne Anwendungen mit hohen Frequenzen Einsatz finden kann. Vorteilhaft liegen die Messpunkte innerhalb des Leitermagnetfeldes und nicht außerhalb, sodass beide Messpunkte hinreichend nah zueinander positioniert sind, sodass auch sich räumlich verändernde Störmagnetfelder korrekt eliminiert werden können, siehe Einleitung.
Bevorzugt ist der erste Sensor derart positioniert, dass die z-Komponente des Leitermagnetfeldes in dem ersten Messpunkt minimal wird. In anderen Worten bedeutet minimal werden, dass die z-Komponente des Leitermagnetfelds dort verschwindet. Dass die z-Komponente des Leitermagnetfeldes minimal wird beziehungsweise verschwindet, ist dabei ebenfalls nicht streng aufzufassen, sondern damit wird auch umfasst, dass aufgrund von Positionierungsungenauigkeit auch gewisse Abweichungen von dem Nullwert vorliegen können, welche im Bereich der typischen Toleranzen einer Messanordnung liegen. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass das erzeugte Leitermagnetfeld in dem ersten Messpunkt keine z-Komponente aufweist, sodass in diesem Bereich nur das Störmagnetfeld gemessen wird. Somit ist der Beitrag des Störmagnetfeldes bekannt.
Bevorzugt ist der erste Sensor derart positioniert, dass der erste Messpunkt sich bezüglich einer z-Richtung mittig oberhalb des elektrischen Leiters befindet. Hier ist die z-Komponente des Leitermagnetfeldes bei typischen elektrischen Leitern gerade null. Mit anderen Worten schließt das Leitermagnetfeld in diesem ersten Messpunkt mit der z-Richtung einen rechten Winkel ein. Das Störmagnetfeld wird unmittelbar gemessen und ist somit bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Sensor derart positioniert, dass sich der zweite Messpunkt bezüglich einer z-Richtung oberhalb eines Randbereichs des elektrischen Leiters befindet. Hierbei ist typischerweise der Beitrag des Leitermagnetfeldes in z-Richtung maximal, sodass sich eine hohe Empfindlichkeit der Messanordnung ergibt, sodass eine präzise Stromermittlung erfolgen kann.
Der zweite Sensor kann derart positioniert sein, dass das Leitermagnetfeld im zweiten Messpunkt weitestgehend parallel zur z-Richtung orientiert ist. Dadurch liegt ein maximaler Wert für die z-Komponente vor. Entsprechend hohe Empfindlichkeit ist die Folge.
Der zweite Sensor kann auch derart positioniert sein, dass der zweite Messpunkt zwischen dem ersten Messpunkt des ersten Sensors und einem Punkt, in welchem die z-Komponente des Leitermagnetfeldes weitestgehend parallel zur z-Richtung orientiert ist, positioniert ist. Mit anderen Worten ist der zweite Messpunkt zwischen einem Messpunkt maximaler Leiterfeldstärke und einem Messpunkt minimaler Leiterfeldstärke positioniert. Dadurch rücken die Sensoren räumlich näher zusammen, wodurch auch räumlich sich stärker verändernde Störmagnetfelder korrekt eliminiert werden können. Zudem können Sensoren mit geringerer maximaler Flussdichte verwendet werden.
Der elektrische Leiter kann ein Durchloch umfassen, welches sich in Richtung der z-Richtung erstreckt und den elektrischen Leiter in zwei Leiterhälften aufteilt, wobei der erste Sensor derart positioniert ist, dass der erste Messpunkt und/oder der erste Sensor sich zumindest teilweise innerhalb des Durchlochs befindet. Durch die beiden Leiterhälften heben sich im Bereich des Durchlochs die erzeugten Leitermagnetfelder auf, das heißt, auch hier wird die z-Komponente des Leitermagnetfelds minimal. Somit kann vorteilhaft nur das Störmagnetfeld gemessen werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine Positionierung des ersten Sensors einfacher erfolgen kann.
Der elektrische Leiter kann auch ein Durchloch umfassen, welches sich in Richtung der z-Richtung erstreckt und den elektrischen Leiter in zwei Leiterhälften aufteilt, wobei der erste Sensor derart positioniert ist, dass der erste Messpunkt sich bezüglich einer z-Richtung mittig oberhalb des Durchlochs befindet. Auch hierbei heben sich die Leitermagnetfelder auf, sodass das Störmagnetfeld direkt gemessen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der erste Sensor derart positioniert sein, dass sich der erste Messpunkt bezüglich einer z-Richtung oberhalb eines Randbereichs des elektrischen Leiters befindet, und der zweite Sensor derart positioniert ist, dass sich der zweite Messpunkt bezüglich einer z-Richtung oberhalb eines bezüglich des ersten Messpunktes unterschiedlichen Randbereich des elektrischen Leiters befindet. Mit anderen Worten sind die Messpunkte an gegenüberliegenden Randbereichen des elektrischen Leiters positioniert. Dabei ergeben sich maximale Stärken der Messgrößen, da in den Bereichen die Leitermagnetfelder maximal sind mit unterschiedlichem Vorzeichen. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Messanordnung.
Der erste Sensor kann derart positioniert sein, dass das Leitermagnetfeld im ersten Messpunkt weitestgehend parallel zur z-Richtung orientiert ist, und der zweite Sensor derart positioniert ist, dass das Leitermagnetfeld im zweiten Messpunkt mit entgegengesetzter Richtung als im ersten Messpunkt weitestgehend parallel zur z-Richtung orientiert ist. Dadurch ergibt sich ebenfalls eine maximale Stärke der gemessenen Größe. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Messanordnung.
Die Messanordnung kann eine Auswerteeinheit umfassen, welche dazu ausgebildet ist, mittels einer Differenz aus der vom ersten Sensor gemessenen z-Komponente des resultierenden Magnetfelds und der vom zweiten Sensor gemessenen z-Komponente des resultierenden Magnetfelds den durch den elektrischen Leiter fließenden elektrischen Strom zu ermitteln. Hierdurch wird das Störmagnetfeld herausgerechnet und mittels des resultierenden Wertes der elektrische Strom ermittelt. In den bevorzugten Fällen, in dem das Leitermagnetfeld an einem Messpunkt verschwindet, wird dabei durch Differenzbildung sofort das Leitermagnetfeld erhalten. In dem Fall, in dem die Leitermagnetfelder unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, wird durch Differenzbildung das zweifache Magnetfeld ohne Störmagnetfeld erhalten, so dass auch unmittelbar aus diesem Wert der elektrische Strom direkt erhalten werden kann.
Der erste Sensor und der zweite Sensor können auf einem Chip integriert werden. Dies ist die bevorzugte Realisierung einer derartigen Messanordnung. Auch die Auswerteeinheit kann auf dem Chip integriert sein. Auch kommen dabei ASIC-basierte Anwendungen zum Einsatz.
Des Weiteren wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, welches eine Messanordnung zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit von Störmagnetfeldern umfasst. Insbesondere ist das Fahrzeug ein Hybrid-Fahrzeug oder ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Für solche Fahrzeuge sind die Messanordnungen besonders nützlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes umfasst dabei grundsätzlich die folgenden Schritte. Zunächst wird eine Leiterplatte bereitgestellt, welche sich in einer x-y-Ebene erstreckt. Ferner wird ein elektrischer Leiter bereitgestellt, welcher in der Leiterplatte integriert ist und sich in eine y-Richtung erstreckt, wobei durch den elektrischen Leiter ein Strom fließt, welcher ein Leitermagnetfeld um den elektrischen Leiter erzeugt. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Messen einer z-Komponente eines resultierenden Magnetfeldes mittels eines ersten Sensors in einem innerhalb des Leitermagnetfelds befindlichen ersten Messpunkt. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Messen einer z-Komponente eines resultierenden Magnetfeldes mittels eines zweiten Sensors in einem innerhalb des Leitermagnetfelds befindlichen zweiten Messpunkt, welcher räumlich vom ersten Messpunkt getrennt ist. In einem weiteren Schritt wird der erste Sensor derart positioniert, dass die z-Komponente des Leitermagnetfelds in dem ersten Messpunkt minimal ist. Die Vorteile sind den Ausführungen zur Messanordnung zu entnehmen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Messanordnung zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes nach einer ersten Ausführungsform,
2 eine Messanordnung zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes nach einer zweiten Ausführungsform,
3 eine Messanordnung zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes nach einer dritten Ausführungsform,
4 eine Messanordnung zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes nach einer vierten Ausführungsform,
5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Messanordnung zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes als Querschnitt.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine Messanordnung 1 zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters 20 in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes nach einer ersten Ausführungsform gezeigt. Die Messanordnung 1 umfasst dabei eine Leiterplatte 10, welche sich in eine x-y-Ebene erstreckt. Ferner umfasst die Messanordnung 1 einen elektrischen Leiter 20. Dieser elektrische Leiter 20 ist in der Leiterplatte 10 integriert und erstreckt sich in eine y-Richtung 22. Durch den elektrischen Leiter 20 fließt dabei ein elektrischer Strom, welcher ein Leitermagnetfeld 24 um den elektrischen Leiter 20 erzeugt. Des Weiteren ist von der Messanordnung 1 ein erster Sensor 30 umfasst, welcher dazu ausgebildet ist, in einem innerhalb des Leitermagnetfelds 24 befindlichen ersten Messpunkt 32 eine z-Komponente eines resultierenden Magnetfeldes zu messen. Ferner umfasst die Messanordnung 1 einen zweiten Sensor 40, welcher dazu ausgebildet ist, in einem innerhalb des erzeugten Leitermagnetfelds 24 befindlichen zweiten Messpunkt 42 eine z-Komponente des resultierenden Magnetfeldes zu messen. Dabei ist der zweite Messpunkt 42 räumlich vom ersten Messpunkt 32 getrennt. Der erste Sensor 30 ist ferner derart positioniert, dass die z-Komponente des Leitermagnetfeldes 24 an dem ersten Messpunkt 32 verschwindet.
Der elektrische Leiter 20 ist hierbei beispielhaft als Zylinder mit rundem Querschnitt ausgeführt, wobei die Erfindung auch andere geometrische Querschnitte wie zum Beispiel flächig ausgebildete elektrische Leiter 20 umfasst. Das Leitermagnetfeld 24 ist beispielhaft als kreisrunde geschlossen Feldlinie skizziert, wobei je nach Geometrie des elektrischen Leiters auch andersgeformte geschlossen Feldlinien von der Erfindung umfasst sind.
Das Leitermagnetfeld 24 ist dabei definiert als das ausschließlich vom elektrischen Leiter 20 erzeugte Feld. Das als resultierendes Magnetfeld bezeichnete Feld entspricht dabei dem aus Leitermagnetfeld 24 und einem Störmagnetfeld durch Überlagerung erzeugten Feld. Von dem ersten Sensor 30 und dem zweiten Sensor 40 wird dabei stets das resultierende Magnetfeld, also das überlagerte Feld, an den unterschiedlichen Messpunkten 32, 42 erfasst. Die Messpunkte 32, 42 sind nicht streng als Punkte aufzufassen, sondern umfassen auch einen räumlich lokalisierten Messbereich um den jeweiligen Messpunkt 32, 42 herum. Das Verschwinden der z-Komponente an dem ersten Messpunkt 32 ist dabei ebenfalls nicht streng aufzufassen, sondern damit wird auch umfasst, dass aufgrund von Positionierungsungenauigkeit auch kleine Abweichungen von dem Nullwert umfasst sind. Durch die Forderung der unterschiedlichen räumlichen Messpunkte 32, 42 der beiden Sensoren 30, 40 ist sichergestellt, dass die Messung der z-Komponente im zweiten Messpunkt 42 einen unterschiedlichen Wert aufweist als derjenige vom ersten Messpunkt 32.
Die erfindungsgemäße Messanordnung 1 hat den Vorteil, dass das erzeugte Leitermagnetfeld 24 an dem ersten Messpunkt 32 keine z-Komponente aufweist, sodass dort nur das Störmagnetfeld gemessen wird. Zudem liegen die Messpunkte 32, 42 innerhalb des Leitermagnetfeldes 24 und nicht außerhalb, sodass auch sich räumlich verändernde Störmagnetfelder hinreichend gut mittels der Messanordnung herausgerechnet werden können, da die Messpunkte 32, 42 nicht weit voneinander entfernt sind.
Der erste Messpunkt 32 des ersten Sensors 30 kann dabei bevorzugt bezüglich einer z-Richtung 23 mittig oberhalb des elektrischen Leiters 20 positioniert sein. Dann weist in dem ersten Messpunkt 32 das Leitermagnetfeld 24 mit der z-Richtung einen rechten Winkel auf. Dadurch ist im ersten Messpunkt 32 die z-Komponente vom Leitermagnetfeld 24 null, beziehungsweise diese wird minimal. Damit kann vorteilhaft in diesem ersten Messpunkt 32 das reine Störmagnetfeld erfasst werden.
Der zweite Sensor 40 kann bevorzugt derart positioniert sein, dass sich der zweite Messpunkt 32 bezüglich einer z-Richtung oberhalb eines Randbereichs des elektrischen Leiters 30 befindet. In diesem Randbereich ist aufgrund der Krümmung der Feldlinien die z-Komponente des Leitermagnetfelds 24 hoch beziehungsweise maximal, sodass hierbei eine möglichst große Differenz zwischen gemessenem Magnetfeld am ersten Messpunkt 32 und gemessenem Magnetfeld an dem zweiten Messpunkt 42 erfolgt. Das ist für die Empfindlichkeit der Messanordnung von Vorteil. Der zweite Sensor 40 kann insbesondere derart positioniert sein, dass das Leitermagnetfeld 24 im zweiten Messpunkt 32 weitestgehend parallel zur z-Richtung 23 orientiert ist.
Die Messanordnung kann ferner eine Auswerteeinheit 50 umfassen. Diese Auswerteeinheit 50 kann dazu ausgebildet sein, aus den von den Sensoren 30, 40 gemessenen z-Komponenten des resultierenden Magnetfelds den elektrischen Strom zu bestimmen. Beispielsweise kann diese Auswerteeinheit 50 vorteilhaft dazu ausgebildet sein, mittels einer Differenz aus der vom ersten Sensor 30 gemessenen z-Komponente des resultierenden Magnetfelds und der vom zweiten Sensor 40 gemessenen z-Komponente des resultierenden Magnetfelds den durch den elektrischen Leiter 20 fließenden elektrischen Strom zu ermitteln.
Die Sensoren 30, 40 und beziehungsweise oder die Auswerteeinheit 50 müssen dabei nicht auf der Leiterplatte 10 integriert sein, sondern sind bevorzugt nach extern verdrahtet oder auf einem Chip integriert, siehe dazu rein beispielhaft 5. Als Sensoren 30, 40 kommen beispielsweise Hall-Sonden oder Gate-Flux-Sonden in Betracht, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
In der 2 ist eine Messanordnung 1 zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes nach einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zu 1 ist dabei der zweite Sensor 40 derart positioniert, dass der zweite Messpunkt 42 zwischen dem ersten Messpunkt 32 des ersten Sensors 30 und einem Punkt, in welchem die z-Komponente des Leitermagnetfeldes 24 weitestgehend parallel zur z-Richtung orientiert ist, positioniert ist.
In anderen Worten ist der zweite Messpunkt 42 und damit auch der zweite Sensor 40 näher an den ersten Messpunkt 32 beziehungsweise ersten Sensor herangerückt bezüglich eines Messpunktes, an dem eine maximale Feldstärke in z-Richtung gemessen werden kann, siehe dazu vergleichsweise 1. Dadurch können Störmagnetfelder, welche auf kürzeren räumlichen Skalen variieren, besser herausgerechnet werden. Zudem können Sensoren 30, 40 mit geringerer maximaler Flussdichte verwendet werden.
In der 3 ist eine Messanordnung 1 zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters 20 in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes nach einer dritten Ausführungsform gezeigt. Im Vergleich zu den Ausführungsformen nach 1 oder 2 umfasst der elektrische Leiter 20 ein Durchloch 25, welches sich in Richtung der z-Richtung 23 erstreckt und den elektrischen Leiter 20 in zwei Leiterhälften aufteilt. Der elektrische Strom teilt sich somit in im Bereich des Durchlochs 25 ungefähr in zwei gleich große in y-Richtung 22 verlaufende Stromanteile auf. Jeder dieser Stromanteile erzeugt ein Leitermagnetfeld, wobei sich diese Leitermagnetfelder gerade im Bereich des Durchlochs 25 gegenseitig aufheben, sodass hierbei ein leitermagnetfeldfreier Raum erzeugt wird. Dadurch wird vorteilhaft auch die z-Komponente des Leitermagnetfeldes 24 innerhalb und oberhalb des Durchlochs 25 minimal beziehungsweise verschwindet. Der erste Sensor 30 kann daher derart positioniert sein, dass der erste Messpunkt 32 und/oder der erste Sensor 30 sich zumindest teilweise innerhalb des Durchlochs 25 befindet. Dadurch kann entsprechend vorteilhaft eine Messung des Störmagnetfeldes an diesem ersten Messpunkt 32 erfolgen.
Der erste Sensor 30 kann auch derart positioniert ist, dass der erste Messpunkt 32 sich bezüglich einer z-Richtung 23 mittig oberhalb des Durchlochs 25 befindet. Auch in diesem Raumbereich wird das Leitermagnetfeld 24 minimal, sodass das Störmagnetfeld erfasst werden kann.
In der 4 ist eine Messanordnung 1 zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters 20 in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes nach einer vierten Ausführungsform gezeigt. Im Vergleich zu 1 ist der erste Sensor 30 beispielhaft derart positioniert, dass sich der erste Messpunkt 32 bezüglich einer z-Richtung 23 oberhalb eines Randbereichs des elektrischen Leiters 20 befindet. Wie in 1 ist der zweite Sensor 40 in dieser Ausführungsform derart positioniert, dass sich der zweite Messpunkt 42 bezüglich einer z-Richtung 23 ebenfalls oberhalb eines Randbereichs des elektrischen Leiters 20 befindet. Hierbei unterscheiden sich jedoch die beiden Randbereiche. In anderen Worten befinden sich die beiden Messpunkte 32, 42 an gegenüberliegenden Randbereichen des elektrischen Leiters 20. In den Bereichen sind die Leitermagnetfelder in z-Richtung maximal, das heißt jeweils positiv maximal als auch negativ maximal je nach Randbereich und Stromrichtung. Die Empfindlichkeit der Messanordnung 1 wird entsprechend erhöht.
Insbesondere kann dabei der erste Sensor 30 derart positioniert sein, dass das Leitermagnetfeld 24 im ersten Messpunkt 32 weitestgehend parallel zur z-Richtung 23 orientiert ist, und der zweite Sensor 40 derart positioniert sein, dass das Leitermagnetfeld 24 im zweiten Messpunkt 42 weitestgehend parallel zur z-Richtung 23 orientiert ist, wobei das Leitermagnetfeld im zweiten Messpunkt 42 mit entgegengesetzter Richtung als im ersten Messpunkt 32 orientiert ist. In beiden Fällen ergibt sich entsprechend ein maximaler Messwert mit unterschiedlichem Vorzeichen.
Bei Differenzbildung durch eine Auswerteeinheit 50 ergibt sich somit ein maximaler Wert, wobei auch hier das Störmagnetfeld durch Differenzbildung unmittelbar herausgerechnet werden kann und man aufgrund des Vorzeichenunterschieds ein entsprechend doppeltes Leitermagnetfeld erhält, sodass daraus unmittelbar auf den elektrischen Strom von der Auswerteeinheit 50 umgerechnet werden kann. Durch die hierbei beschriebene beispielhaft gewählte Positionierung der Messpunkte 32, 42 wird entsprechend die Empfindlichkeit der Messanordnung 1 erhöht.
In der 5 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Messanordnung 1 zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters 20 in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes als Querschnitt gezeigt. Die Messanordnung 1 zeigt dabei die Leiterplatte 10 als Querschnitt mit einem integrierten elektrischen Leiter 20. Beispielhaft ist der elektrische Leiter 20 auf einer ersten Außenseite 12 der Leiterplatte 10, welche einer zweiten Außenseite 14 gegenüberliegt, integriert. Der erste Sensor 30 und der zweite Sensor 40 sind dabei beispielhaft der ersten Außenseite 12 der Leiterplatte 10 zugewandt. Die Erfindung ist dabei jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der elektrische Leiter 20 auch auf der zweiten Außenseite 14 der Leiterplatte 10 integriert sein oder auch zwischen der ersten Außenseite 12 und der zweiten Außenseite 14 integriert sein, beispielsweise mittig.
Der elektrische Leiter 20 ist hierbei beispielhaft flächig ausgebildet, das heißt, der Querschnitt des elektrischen Leiters 20 entspricht einem Rechteck. Aber auch andere Querschnitte wie beispielsweise runde Querschnitte oder senkrechte Querschnitte sind von der Erfindung umfasst.
Die beiden Sensoren 30, 40 können ferner auf einem Chip 60 integriert sein. Der Chip 60 kann sich dabei ebenfalls wie die Leiterplatte 10 in eine x-y-Ebene erstrecken mit einem geringen Abstand in z-Richtung 23 zur Leiterplatte 10. Auch die Auswerteeinheit 50 kann auf dem Chip 60 integriert sein.
Obwohl in den gezeigten Ausführungsformen stets zwei Messpunkte 32, 42 und zwei Sensoren 30, 40 gezeigt sind, so ist die Erfindung nicht auf zwei Messpunkte 32, 42 und zwei Sensoren 30, 40 beschränkt. Beispielsweise können auch drei oder mehr Messpunkte oder drei oder mehr Sensoren verwendet werden. Dann kann eine Auswerteeinheit 50 mittels komplexeren Formelzusammenhängen den elektrischen Strom bestimmen. Dadurch kann beispielsweise eine vereinfachte Eliminierung des Störmagnetfeldes beziehungsweise Störsignals erfolgen.
Ferner wird durch die Erfindung auch ein Fahrzeug 100 beschrieben, welches eine Messanordnung 1 zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters 20 in Anwesenheit von Störmagnetfeldern umfasst. Insbesondere ist das Fahrzeug 100 ein Hybrid-Fahrzeug oder ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Für solche Fahrzeuge 100, bei denen eine Vielzahl von stromtragenden elektrischen Leitern 20 benötigt wird, ist eine solche Messanordnung 1 besonders nützlich.

Claims

Messanordnung (1) zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfelds, umfassend: - eine Leiterplatte (10), welche sich in eine x-y-Ebene erstreckt; - einen elektrischen Leiter (20), welcher in der Leiterplatte (10) integriert ist und sich in eine y-Richtung (22) erstreckt, wobei durch den elektrischer Leiter (20) ein Strom fließt, welcher ein Leitermagnetfeld (24) um den elektrischen Leiter (20) erzeugt; - einen ersten Sensor (30), welcher dazu ausgebildet ist, in einem innerhalb des Leitermagnetfelds (24) befindlichen ersten Messpunkt (32) eine z-Komponente eines resultierenden Magnetfeldes, welches sich aus Überlagerung des Leitermagnetfelds (24) mit dem Störmagnetfeld ergibt, zu messen; - einen zweiten Sensor (40), welcher dazu ausgebildet ist, in einem innerhalb des erzeugten Leitermagnetfelds (24) befindlichen zweiten Messpunkt (42), welcher räumlich vom ersten Messpunkt (32) getrennt ist, eine z-Komponente des resultierenden Magnetfeldes zu messen.
Messanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor (30) derart positioniert ist, dass die z-Komponente des Leitermagnetfeldes (24) in dem ersten Messpunkt (32) minimal wird.
Messanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Sensor (30) derart positioniert ist, dass der erste Messpunkt (32) sich bezüglich einer z-Richtung (13) mittig oberhalb des elektrischen Leiters (20) befindet.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite Sensor (40) derart positioniert ist, dass sich der zweite Messpunkt (42) bezüglich einer z-Richtung oberhalb eines Randbereichs des elektrischen Leiters (20) befindet.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite Sensor (40) derart positioniert ist, dass das Leitermagnetfeld (24) im zweiten Messpunkt (42) weitestgehend parallel zur z-Richtung (23) orientiert ist.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zweite Sensor (40) derart positioniert ist, dass der zweite Messpunkt (42) zwischen dem ersten Messpunkt (32) des ersten Sensors (30) und einem Punkt, in welchem die z-Komponente des Leitermagnetfeldes (24) weitestgehend parallel zur z-Richtung orientiert ist, positioniert ist.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der elektrische Leiter (20) ein Durchloch (25) umfasst, welches sich in Richtung der z-Richtung (23) erstreckt und den elektrischen Leiter (20) in zwei Leiterhälften aufteilt, wobei der erste Sensor (30) derart positioniert ist, dass der erste Messpunkt (32) und/oder der erste Sensor (30) sich zumindest teilweise innerhalb des Durchlochs (25) befindet.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei der elektrische Leiter (20) ein Durchloch (25) umfasst, welches sich in Richtung der z-Richtung (23) erstreckt und den elektrischen Leiter (20) in zwei Leiterhälften aufteilt, wobei der erste Sensor (30) derart positioniert ist, dass der erste Messpunkt (32) sich bezüglich einer z-Richtung (23) mittig oberhalb des Durchlochs (25) befindet.
Messanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor (30) derart positioniert ist, dass sich der erste Messpunkt (32) bezüglich einer z-Richtung (23) oberhalb eines Randbereichs des elektrischen Leiters (20) befindet, und der zweite Sensor (40) derart positioniert ist, dass sich der zweite Messpunkt (42) bezüglich einer z-Richtung (23) oberhalb eines bezüglich des ersten Messpunktes (32) unterschiedlichen Randbereichs des elektrischen Leiters (20) befindet.
Messanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor (30) derart positioniert ist, dass das Leitermagnetfeld (24) im ersten Messpunkt (32) weitestgehend parallel zur z-Richtung (23) orientiert ist, und der zweite Sensor (40) derart positioniert ist, dass das Leitermagnetfeld (24) im zweiten Messpunkt (42) mit entgegengesetzter Richtung als im ersten Messpunkt (32) weitestgehend parallel zur z-Richtung (23) orientiert ist.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Sensor (30) und der zweite Sensor (40) auf einem Chip (60) integriert sind.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messanordnung (1) eine Auswerteeinheit (50) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, mittels einer Differenz aus der vom ersten Sensor (30) gemessenen z-Komponente des resultierenden Magnetfelds und der vom zweiten Sensor (40) gemessenen z-Komponente des resultierenden Magnetfelds den durch den elektrischen Leiter (20) fließenden elektrischen Strom zu ermitteln.
Fahrzeug (100), welches eine Messanordnung (1) zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters (20) in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes umfasst.
Verfahren zum magnetischen Sensieren eines elektrischen Stroms eines elektrischen Leiters in Anwesenheit eines Störmagnetfeldes, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Leiterplatte (10), welche sich in eine x-y-Ebene erstreckt; - Bereitstellen eines elektrischen Leiters (20), welcher in der Leiterplatte (10) integriert ist und sich in eine y-Richtung (22) erstreckt, wobei durch den elektrischer Leiter (20) ein Strom fließt, welcher ein Leitermagnetfeld (24) um den elektrischen Leiter (20) erzeugt; - Messen einer z-Komponente eines resultierenden Magnetfeldes, welches sich aus Überlagerung des Leitermagnetfeld (24) mit dem Störmagnetfeld ergibt, mittels eines ersten Sensors (30) in einem innerhalb des Leitermagnetfelds (24) befindlichen ersten Messpunkt (32); - Messen einer z-Komponente des resultierenden Magnetfeldes mittels eines zweiten Sensors (40) in einem innerhalb des Leitermagnetfelds (24) befindlichen zweiten Messpunkt (42), welcher räumlich vom ersten Messpunkt (32) getrennt ist.