DE102020100443B4

DE102020100443B4 - Stromsensor zum Messen eines einzuspeisenden Stroms mit asymmetrisch magnetfelddurchdrungenen Magnetflusssensoren

Info

Publication number: DE102020100443B4
Application number: DE102020100443.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Bauer; Xavier Papió Vidal
Original assignee: Wuerth Elektronik ICS GmbH and Co KG
Current assignee: Wuerth Elektronik ICS GmbH and Co KG
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2022-03-10
Anticipated expiration: 2040-01-11
Also published as: DE102020100443A1

Abstract

Stromsensor (100) zum Messen eines Stroms, aufweisend:eine Trägerstruktur (102); undzwei Magnetflusssensoren (104), die derart an der Trägerstruktur (102) angebracht sind, dass sie eine asymmetrische magnetische Felddurchdringung infolge eines von einem zu messenden Strom erzeugten Magnetfelds erfahren und ein für den zu messenden Strom indikatives Signal kontaktlos erzeugen, wobei die zwei Magnetflusssensoren (104) auf einander gegenüberliegenden Hauptflächen (112, 114) der Trägerstruktur (102) angebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor zum Messen eines Stroms, eine Vorrichtung zum Messen und Einspeisen eines Stroms, eine Anordnung, ein Verfahren zum Messen eines Stroms und eine Verwendung.
Für vielerlei elektronische Anwendungen ist es erforderlich, einen elektrischen Strom zu messen. Allerdings bereitet es immer noch Schwierigkeiten, einen solchen Strom präzise und einfach zu erfassen und den Strom im Wesentlichen ohne das Beaufschlagen mit Artefakten in einen Zielstrompfad einzuspeisen.
DE 10 2015 219 364 A1 offenbart einen Stromsensor, der drei Anschlussflächen und z.B. Magnetfeldsensoren umfasst. Die drei Anschlussflächen treffen sich in einem Mittelpunkt. Die Magnetfeldsensoren sind in einem definierten Abstand vom Mittelpunkt angeordnet, bevorzugt in einem gleichen Abstand zu Mittelpunkt. Die symmetrische Anordnung der drei Magnetfeldsensoren erhöhen die Genauigkeit der Strommessergebnisse. Mit dem Sensor werden insbesondere Ströme gemessen, die in die entsprechenden Anschlussflächen eingeleitet werden.
DE 10 2015 009 603 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes durch eine Stromschiene. Die Stromschiene weist ein Durchgangsloch auf, sodass Strom in zwei Teilströmen am Loch vorbeifließen und entsprechend ein linkes und rechtes Magnetfeld erzeugen. Die Messvorrichtung weist einen vorstehenden Teil auf, auf welchem ein Magnetfeldsensor angeordnet ist. Eine Erregerspule ist um den Magnetfeldsensor gewickelt. Der Magnetfeldsensor kann an einer vorgegebenen Stelle in dem Durchgangsloch der Stromschiene positioniert werden. Dabei weist der äußere Rand des Spulenkörpers vorzugsweise dieselbe Form auf wie das Durchgangsloch, sodass der äußere Rand des Spulenkörpers passgenau mit der Innenwand des Durchgangsloch abschließt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Strom präzise und einfach zu erfassen, und insbesondere den Strom im Wesentlichen ohne Beaufschlagung mit Artefakten in einen Zielstrompfad einzuspeisen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Stromsensor zum Messen eines Stroms geschaffen, aufweisend eine Trägerstruktur und mindestens zwei Magnetflusssensoren, die derart an der Trägerstruktur angebracht sind, dass sie eine (insbesondere asymmetrische) magnetische Felddurchdringung infolge eines von einem zu messenden Strom erzeugten Magnetfelds erfahren und gemeinsam ein für den zu messenden Strom indikatives Signal kontaktlos erzeugen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Einspeisen und Messen eines Stroms bereitgestellt, aufweisend einen Stromsensor mit den oben beschriebenen Merkmalen und ein elektrisch leitfähiges Stromeinspeisungselement, das von dem einzuspeisenden Strom durchflossen wird und eine Messöffnung aufweist, in die der Stromsensor zum kontaktlosen Messen des Stroms zumindest teilweise eingebracht oder einbringbar ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung bereitgestellt, die eine Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen und eine Montagebasis aufweist, an der zumindest ein Teil der Vorrichtung angebracht oder anbringbar ist, um zwischen der Montagebasis und dem Stromeinspeisungselement einen Strom einzuspeisen und diesen Strom mittels des Stromsensors zu messen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen eines durch ein Stromeinspeisungselement fließenden Stroms bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Anordnen von zwei Magnetflusssensoren derart, dass sie eine asymmetrische magnetische Felddurchdringung infolge eines von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfelds erfahren, ein kontaktloses Erzeugen eines für den zu messenden Strom indikativen Signals mittels der Magnetflusssensoren, und ein Einspeisen des kontaktlos gemessenen Stroms in einen vorgegebenen Strompfad aufweist (insbesondere in eine Montagebasis oder in das Stromeinspeisungselement oder von dort aus in ein mit dem Stromeinspeisungselement gekoppeltes elektrisch leitfähiges Element, beispielsweise einen Stromschuh).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Einspeisen und Messen eines Stroms unter Verwendung von ein und demselben Stromeinspeisungselement verwendet.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Magnetflusssensor“ insbesondere eine elektronische Komponente verstanden werden, die das Vorliegen und die Quantität eines magnetischen Flusses detektiert, das heißt des Produkts bzw. das Integral aus einem Magnetfeld und einer hiervon durchdrungenen Fläche. Da ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld generiert, führt das Durchfließen eines elektrischen Leiters mit einem elektrischen Strom zum Ausbilden eines Magnetfelds und somit eines magnetischen Flusses, der von einem jeweiligen der Magnetflusssensoren detektiert werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „asymmetrische magnetische Felddurchdringung“ insbesondere der Umstand verstanden werden, dass die Magnetflusssensoren des Stromsensors im Verhältnis zueinander derart angeordnet sind, dass diese von einem Magnetfeld, das von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, in ungleicher bzw. asymmetrischer Weise beeinflusst werden. Dann kann mit besonders hoher Genauigkeit aus den Einzelsignalen der einzelnen Magnetflusssensoren die Größe des erzeugten Magnetfelds und damit mittelbar der zu messende elektrische Strom hochgenau erfasst werden. Anschaulich kann durch eine Verstimmung der Magnetflusssensoren zueinander als Folge der asymmetrischen magnetischen Felddurchdringung eine höhere Empfindlichkeit erreicht werden als bei einer - auf das Magnetfeld bezogen - symmetrischen Anordnung der Magnetflusssensoren.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Stromeinspeisungselement“ (das auch als Powerelement bezeichnet werden kann) insbesondere ein massiver elektrischer Leiterkörper verstanden werden, der wesentlich größere Dimensionen haben kann als ein stromdurchflossenes Kabel. Ein Stromeinspeisungselement kann insbesondere ein massiver Hochstromkontakt sein, der beispielsweise zum Übertragen von Strömen von mehr als 100 Ampere, insbesondere bis zu 1000 Ampere und mehr, ausgebildet sein kann. Solche Stromeinspeisungselemente können mit einer hohen Stromtragfähigkeit als robuste Stromversorgungselemente für Leiterplatten eingesetzt werden. Insbesondere können Stromeinspeisungselemente mittels Einpressens, SMT- („surface mounted technology“) Bestückung oder THT-(„through hole technology“) Bestückung montiert werden, insbesondere an einer Leiterplatte oder an einer anderen Montagebasis. Bei Durchfließen des Stromeinspeisungselements, das als elektronisches Leistungselement ausgebildet sein kann, durchfließt ein elektrischer Strom niederohmig das Stromeinspeisungselement und kann währenddessen elektrisch detektiert werden. Beispiele für Stromeinspeisungselemente sind die Produkte PowerOne, PowerTwo, PowerPlus, PowerOne SMD oder PowerRadSoc der Anmelderin Würth Elektronik.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Montagebasis“ insbesondere ein elektronischer Körper verstanden werden, beispielsweise eine Platine, wie zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte (printed circuit board, PCB), auf dem eine Mehrzahl elektronischer Bauteile montiert werden kann. Beispielsweise können auf einer solchen Montagebasis auch ein Stromeinspeisungselement mittels Steckkontakten und ein Stromsensor mittels weiterer Steckkontakte montiert werden. Auf diese Weise kann auf einer Montagebasis eine benutzerdefinierte elektronische Aufgabe selbst hoher Komplexität in fehlerrobuster Weise realisiert werden. Eine solche Montagebasis kann eine Anordnung elektrisch leitfähiger und elektrisch isolierender Bereiche enthalten, mit denen vorbestimmte Strompfade definiert werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Messöffnung in dem Stromeinspeisungselement“ insbesondere jede Aussparung oder Ausnehmung bzw. jeder Hohlraum eines Stromeinspeisungselements verstanden werden, in dem zumindest ein Teil eines Stromsensors untergebracht bzw. aufgenommen werden kann. Beispielsweise kann diese Messöffnung ein Durchgangsloch oder ein Sackloch sein. Die Öffnung kann zum Beispiel als flächiger Schlitz oder als runde Öffnung mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sein.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Stromsensor geschaffen, der auf dem zueinander magnetisch asymmetrischen Anordnen von beispielsweise zwei oder mehr Magnetflusssensoren beruht. Indem diese Magnetflussdetektoren zum Detektieren eines magnetischen Flusses (Produkt oder Integral aus Magnetfeld und hiervon durchdrungener Fläche) ausgebildet sind, kann mit besonders hoher Empfindlichkeit ein magnetisches Feld detektiert werden. Wird ein solches Paar von Magnetflusssensoren zueinander magnetisch asymmetrisch im Umgebungsbereich eines Stromeinspeisungselements angeordnet, durch das ein zu messender elektrischer Strom fließt, so erzeugt dieser Strom im Bereich der zueinander magnetisch asymmetrisch angeordneten Magnetflusssensoren Signale in einer Weise, dass die Signale der beiden Magnetflusssensoren Kombination einen präzisen Rückschluss auf den durch das Stromeinspeisungselement fließenden elektrischen Strom erlauben. Dadurch kann besagter elektrischer Strom hochgenau und berührungsfrei gemessen werden, d.h. ohne den Stromfluss in nennenswerter Weise unerwünscht zu beeinflussen. Somit ist ein solcher Stromsensor vollkommen kompatibel mit der von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geleisteten Funktion, einen Strom während seines Einspeisens in einen Zielpfad gleichzeitig kontaktlos zu messen. Dadurch können die beiden genannten elektronischen Funktionen simultan geleistet werden, wobei durch die kontaktlose Strommessung der einzuspeisende elektrische Strom mit Vorteil weitestgehend unbeeinflusst bleibt. Artefakte in der Charakteristik des einzuspeisenden Stroms sowie durch ohmsche Verluste bedingte Leistungsverluste können durch die beschriebene kontaktlose Messung mittels einer asymmetrischen magnetischen Anordnung mehrerer Magnetflusssensoren daher mit Vorteil wirksam unterdrückt werden. Somit ist eine verlustarme und hochpräzise Messung des Stroms und simultan ein Einspeisen des Stroms in einen Zielpfad ermöglicht. Insbesondere kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein von dem zu messenden Strom durchflossenes Stromeinspeisungselement selbst dazu verwendet werden, aufgrund seines Magnetfelds das von dem Stromsensor zu messende Signal zu generieren.
Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele des Stromsensors, der Vorrichtung, der Anordnung, des Verfahrens und der Verwendung beschrieben.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Trägerstruktur eine Trägerplatte, insbesondere eine gedruckte Leiterplatte, weiter insbesondere eine im Wesentlichen T-förmige gedruckte Leiterplatte, sein. Wenn der Trägerkörper als flächige Trägerplatte ausgebildet ist, die vorzugsweise eben ist, können die Magnetflusssensoren platzsparend auf einer solchen Trägerplatte, vorzugsweise auf deren einander gegenüberliegenden Hauptflächen, montiert werden, um die oben beschriebene asymmetrische Magnetfelddurchdringung zu bewerkstelligen. Besonders vorteilhaft kann das Ausbilden der Trägerstruktur als kleine gedruckte Leiterplatte erfolgen, da diese platzsparend in eine beispielsweise schlitzartige oder kreisförmige Öffnung des Stromeinspeisungselements eingeführt werden kann, um kontaktlos und störungsfrei einen durch das Stromeinspeisungselement fließenden elektrischen Strom zu messen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Stromsensor mindestens ein an der Trägerstruktur angebrachtes und mit den Magnetflusssensoren elektrisch gekoppeltes Kontaktelement aufweisen. Dieses kann insbesondere zum Einstecken in eine korrespondierende Kontaktöffnung einer Montagebasis, weiter insbesondere einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet sein. Beispielsweise kann als ein oder vorzugsweise mehrere Kontaktelemente des Stromsensors eine Anordnung von hervorstehenden elektrisch leitfähigen Pins verwendet werden, die bequem in vorzugsweise metallisierte Aufnahmeöffnungen einer beispielsweise als durchkontaktierte Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis einer erfindungsgemäßen Anordnung eingesteckt werden können. Dann kann das Einspeisen eines Stroms auf eine solche Montagebasis oder von einer solchen Montagebasis an einen Empfänger, der mit dem Stromeinspeisungselement elektrisch gekoppelt sein kann, erfolgen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die Magnetflusssensoren Förster-Sonden bzw. Fluxgate-Sensoren sein. Bei Ausbilden der Magnetflusssensoren als Förster-Sonden, die magnetisch asymmetrisch zueinander angeordnet werden, ist eine besonders präzise Strommessung dadurch ermöglicht, dass sich bei den in der beschriebenen Weise angebrachten Förster-Sonden Offsetbeiträge zum Messsignal herausheben. Folglich ist ein erfindungsgemäßer Stromsensor, der als Magnetflusssensoren Förster-Sonden einsetzt, mit besonders hoher Empfindlichkeit und wirksamer Offsetunterdrückung betreibbar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die zwei Magnetflusssensoren an einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Trägerstruktur angebracht sein. Auf diese Weise können beide einander gegenüberliegenden Hauptflächen einer Trägerplatte zur Montage der Magnetflusssensoren verwendet werden, wodurch nicht nur vorteilhaft eine asymmetrische Felddurchdringung erreicht werden kann, sondern gleichzeitig auch eine beidseitige elektronische Verwendung der Leiterplatte ermöglicht ist. Dadurch ist es möglich, eine große Anzahl weiterer Bauelemente auf der Trägerplatte oder Trägerplatine zu montieren, wodurch selbst komplexe Schaltungsaufgaben in kompakter Weise realisiert werden können.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die zwei Magnetflusssensoren auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Trägerstruktur seitlich zueinander versetzt angebracht sein. Durch das zueinander versetzte Anbringen der Magnetflusssensoren auf einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Trägerplatte kann in einfacher und platzsparender Weise die oben beschriebene asymmetrische Felddurchdringung bewerkstelligt werden. Anschaulich kann bei senkrechter Blickrichtung auf eine der ebenen parallelen Hauptflächen der Trägerplatte das Paar von Magnetflusssensoren so angeordnet sein, dass diese in der beschriebenen senkrechten Blickrichtung nicht deckungsgleich sind. Vielmehr können diese in der beschriebenen senkrechten Blickrichtung teilweise überlappend und teilweise überlappungsfrei ausgebildet sein, oder vollständig überlappungsfrei.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die zwei Magnetflusssensoren auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Trägerstruktur mit zueinander unterschiedlichen, insbesondere mit zueinander antiparallelen, sensorempfindlichen Achsen angebracht sind. Auch durch die Anordnung der Magnetflusssensoren mit unterschiedlich orientierten oder ausgerichteten Sensorachsen kann eine magnetische Asymmetrie generiert werden, die zu einer besonders empfindlichen Strommessung durch die Magnetflusssensoren führen kann.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann jeder der Magnetflusssensoren zwei periodisch in Sättigung betriebene Empfängerspulen mit Spulenkern aufweisen. Unter einer Spule kann in diesem Zusammenhang eine Anordnung mit mehreren Windungen eines elektrisch leitfähigen Drahts verstanden werden, die eine helikale Struktur bilden können, die von dem durch den zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld durchdrungen sein kann. Sind die Empfängerspulen der Magnetflusssensoren zueinander entgegengesetzt ausgerichtet, so kann in Abwesenheit eines Messstroms idealerweise ein Nullsignal erreicht werden. Jede der genannten Empfängerspulen kann von einem beispielsweise weichmagnetischen Kern ausgefüllt sein, der von mit einem elektrischen Wechselspannungssignal beaufschlagten Quellspulen periodisch in Sättigung getrieben werden kann. Durch ein externes Zusatzmagnetfeld, das durch den zu messenden Strom generiert werden kann, kann die Charakteristik der Empfängerspulen gezielt beeinflusst werden. Befinden sich die Spulen mit ihren Kernen periodisch in Sättigung, wird dies in charakteristischer Weise durch ein Messmagnetfeld gestört, was eine hochempfindliche Erfassung des Messmagnetfeldes und infolgedessen des hierfür ursächlichen zu messenden Stroms erlaubt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die Empfängerspulen eines jeweiligen Magnetflusssensors zueinander gegensinnig orientiert sein, so dass sich deren Signale in Abwesenheit eines von dem zu messenden Strom generierten Magnetfelds aufheben und in Anwesenheit eines von dem zu messenden Strom generierten Magnetfelds ein für den zu messenden Strom indikatives Signal generieren. Wenn die Empfängerspulen eines Magnetflusssensors zueinander gegensinnig orientiert sind, so dass sie Einflüsse des zu messenden elektrischen Stroms infolge der durch diese generierten Magnetfelder in entgegengesetzter Richtung spüren, können sich deren Signalbeiträge aufaddieren, wodurch eine wirksame Offsetunterdrückung und eine hohe Nachweisempfindlichkeit erreicht werden kann.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Stromsensor mindestens einen weiteren Magnetflusssensor aufweisen, insbesondere mindestens zwei weitere Magnetflusssensoren. Beispielsweise können statt zwei Magnetflusssensoren auch vier Magnetflusssensoren eingesetzt werden, etc. Besonders vorteilhaft ist eine geradzahlige Anzahl implementierter Magnetflusssensoren, von der jeweils zwei magnetisch asymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Stromsensor einen Temperatursensor zum Messen einer Temperatur des Stromsensors aufweisen, insbesondere angeordnet auf der Trägerstruktur. Mit Vorteil kann eine Temperatursonde an der Trägerstruktur des Stromsensors befestigt werden, um die Temperatur der ansonsten für einen Benutzer schwer zugänglichen Sonde zu erfassen. Dadurch kann beispielsweise eine Übertemperatur schnell und fehlerrobust erkannt werden und eine entsprechende Maßnahme ausgelöst werden. Beispielsweise kann diese Maßnahme eine Alarmierung eines Benutzers darstellen oder einen Notstopp, wenn die gemessene Temperatur so hoch wird, dass eine Brandgefahr, eine Zerstörung des Stromsensors oder eine sonstige negative Auswirkung droht. Es ist auch möglich, bei Detektion einer Übertemperatur eine Temperatursenkung einzuregeln, beispielsweise durch Verringerung des gemessenen und eingespeisten Stroms. Zum Beispiel kann der Temperatursensor als temperaturabhängiger ohmscher Widerstand realisiert sein, der als oberflächenmontiertes Bauelement auf der Oberfläche einer als Trägerplatine ausgebildeten Trägerstruktur des Stromsensors in einfacher Weise angeordnet werden kann.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Messöffnung in dem Stromeinspeisungselement derart ausgebildet sein, dass der Strom an der Messöffnung vorbei in im Wesentlichen gleich große Teilströme aufgeteilt wird, die sich hinter der Messöffnung wieder vereinigen. Mit Vorteil kann die Messöffnung in dem Stromeinspeisungselement derart symmetrisch an dem Stromeinspeisungselement vorgesehen sein, dass sich der zu messende Strom vorzugsweise zu gleichen Teilen an der Messöffnung (die anschaulich einen Bereich eines annähernd unendlich hohen Widerstands darstellt) vorbeibewegen kann. Anders ausgedrückt kann die Messöffnung angeordnet sein, um eine symmetrische Stromaufteilung herbeizuführen. Dadurch wird der zu messende Strom besonders schwach durch die magnetische Strommessung beeinflusst und kann daher im Wesentlichen ungeschwächt in einen elektronischen Zielpfad eingespeist werden. Auch werden Messartefakte bei der Messung des Stroms durch eine derartige symmetrische Stromaufteilung wirksam unterdrückt. Besonders bevorzugt ist es, wenn Stromeinspeisungselement, Stromsensor und Messöffnung derart symmetrisch zueinander angeordnet sind, dass ein Stromfluss durch das Stromeinspeisungselement vorbei an der Messöffnung linksseitig und rechtsseitig der Messöffnung achsensymmetrisch oder rotationssymmetrisch erfolgt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein (zum Beispiel lokal verschmälerter) Abschnitt der Trägerstruktur in die Messöffnung eingeführt sein. Ein anderer (zum Beispiel breiterer) Abschnitt der Trägerstruktur kann aus der Messöffnung hervorstehen. Beispielsweise kann die Trägerstruktur als im Wesentlichen T-förmige Leiterplatte ausgebildet sein, deren Längsstrebe zumindest teilweise in die Messöffnung eingeführt ist, wohingegen deren Querstrebe aus der Messöffnung herausragt. Durch diese Konfiguration ist es möglich, die stromempfindlichen Komponenten in dem abschnittsweise verschmälerten Bereich der Trägerplatine anzuordnen, d.h. in der Messöffnung und folglich nahe dem zu detektierenden Strom. Ein breiterer Bereich einer solchen Trägerplatine kann dann außerhalb der Öffnung mit ausreichend großer Fläche vorgesehen sein, um darauf die gewünschten weiteren elektronischen Bauelemente montieren zu können. Allerdings kann in anderen Ausführungsbeispielen die Trägerstruktur eine andere geometrische Gestalt aufweisen. Der Abschnitt innerhalb des Stromeinspeisungselements muss insbesondere nicht zwingend schmaler sein als der Bereich außerhalb. So ist es beispielsweise auch möglich, eine Starrflex-Platine als Trägerstruktur einzusetzen, bei der mindestens ein Teil der Leiterplatte starr und mindestens ein anderer Teil flexibel ist.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Stromeinspeisungselement mindestens ein Kontaktelement (insbesondere eine vorzugsweise zweidimensionale Anordnung von Kontaktelementen), insbesondere zum Durchführen des Stroms, aufweisen. Das mindestens eine Kontaktelement kann bevorzugt zum Einstecken in eine korrespondierende Kontaktöffnung einer Montagebasis, zum Beispiel einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet sein. Vorteilhaft kann das Stromeinspeisungselement als komplex geformter Körper ausgebildet sein, der ein oder vorzugsweise mehrere hervorstehende Kontaktelemente (zum Beispiel elektrisch leitfähige Pins) haben kann, die in entsprechende Durchgangsbohrungen (die metallisiert sein können) der Montagebasis (vorzugsweise einer Leiterplatte) eingesteckt werden können. Mit Vorteil kann das Stromeinspeisungselement an seiner Unterseite Steckkontakte zum Einstecken des Stromeinspeisungselements in metallisierte Durchgangsöffnungen einer als Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis aufweisen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Stromeinspeisungselement einen Basiskörper (zum Beispiel einen im Wesentlichen quaderförmigen Basiskörper) und einen sich an den Basiskörper anschließenden (und insbesondere gegenüber dem Basiskörper verjüngten) Anschlusskörper aufweisen. An eine Oberseite des Basiskörpers kann also ein zum Beispiel verjüngter Anschlusskörper, vorzugsweise einstückig, angestückt sein. Der Anschlusskörper kann zum elektronischen Verbinden des Stromeinspeisungselements mit einer elektronischen Peripherie ausgebildet sein. Beispielsweise kann auf den Anschlusskörper ein Kabelschuh aufgesteckt und daran befestigt sein, um den zu messenden und einzuspeisenden Strom von der Montagebasis an besagten Kabelschuh zu übertragen, oder in entgegengesetzter Richtung.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Stromsensor zumindest teilweise in der Messöffnung in dem Basiskörper angeordnet sein. Aufgrund seiner lokal verbreiterten Geometrie kann der Basiskörper prädestiniert sein, die Messöffnung zum zumindest teilweisen Aufnehmen des Stromsensors aufzuweisen. Dadurch kann der Anschlusskörper frei bleiben, um eine Stromeinspeisung oder Stromübertragung zu bewerkstelligen bzw. um einen Anschluss zu der elektronischen Peripherie herzustellen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Basiskörper zum Verbinden mit einer Montagebasis ausgebildet sein, insbesondere zum Steckverbinden mit Kontaktöffnungen einer als gedruckte Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis. Zu diesem Zweck kann beispielsweise an einer Unterseite des Basiskörpers eine vorzugsweise zweidimensionale Anordnung von (insbesondere stromtragenden) Kontaktelementen zum Einstecken in durchkontaktierte Bohrungen einer als Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis vorgesehen sein.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Anschlusskörper zum Anschließen an einen Kabelschuh ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein Ringkabelschuh um einen beispielsweise im Wesentlichen kreiszylindrischen Anschlusskörper übergestülpt und daran festgeschraubt oder festgeklemmt werden. Es ist auch möglich, den Anschlusskörper zum Beispiel mit einem Außengewinde zum Anschrauben an einen elektrischen Leiter mit einem korrespondierenden Innengewinde auszubilden.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Stromeinspeisungselement als insbesondere im Wesentlichen quaderförmiges Busbarelement ausgebildet sein (siehe zum Beispiel 1). Im Zusammenhang mit einer elektrischen Stromverteilung kann unter einem Busbar insbesondere ein metallischer Streifen oder Balken für eine lokale Hochstrom-Stromverteilung verstanden werden. Ein Busbar kann ohne elektrische Isolation vorgesehen sein und kann als steifer Körper ausgebildet werden. Ein Busbar kann daher aus einem metallischen Material bestehen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann eine als Trägerplatte ausgebildete Trägerstruktur zwei zueinander parallele und gegenüberliegende Hauptflächen aufweisen, die parallel oder senkrecht zu dem einfließenden Strom orientiert sind. Anschaulich kann der Stromsensor als flächiges Plättchen eines geeigneten Umrisses (zum Beispiel im Wesentlichen T-förmiger Art) ausgebildet sein und kann mit seinen ebenen Hauptflächen parallel oder senkrecht zu der Fließrichtung des zu messenden und einzuspeisenden Stroms angeordnet werden. Da in beiden Konfigurationen eine hohe Nachweisgenauigkeit erreicht werden kann (siehe die in den Figuren dargestellten Kennlinien), kann ein Benutzer abhängig von den Besonderheiten einer jeweiligen Anwendung zwischen der parallelen und der senkrechten Geometrie flexibel auswählen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können das Stromeinspeisungselement und der Stromsensor einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Stromsensor in die Messöffnung des Stromeinspeisungselements eingegossen sein, wobei eine elektrisch isolierende und unmagnetische Gussmasse zum Einsatz kommen kann. Ein Benutzer braucht dann lediglich eine einstückige Vorrichtung zu handhaben, mit der ein Einspeisen eines hohen Stroms im Amperebereich und darüber bei gleichzeitiger Messung des Stroms in kontaktloser Weise ermöglicht ist. Dann ist die Anzahl der von einem Benutzer zum Aufbau der Anordnung zu handhabenden elektronischen Komponenten besonders klein.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Montagebasis eine gedruckte Leiterplatte sein. Zum Beispiel kann die Montagebasis eine erste Leiterplatte und kann der Stromsensor eine zweite Leiterplatte aufweisen. Die Leiterplatte des Stromsensors, welche die Trägerstruktur bilden kann, kann wesentlich kleinere Dimensionen haben als die größere Leiterplatte der Montagebasis. Auf diese Weise kann die Anordnung in einfacher Weise durch Leiterplattentechnologie in Verbindung mit Magnetflusssensoren und einem Stromeinspeisungselement realisiert werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können der Stromsensor und/oder das Stromeinspeisungselement mit der Montagebasis elektrisch gekoppelt sein, insbesondere in die Montagebasis eingesteckt sein. Anschaulich können sowohl das Stromeinspeisungselement als auch der Stromsensor auf die Montagebasis aufgesteckt sein, wodurch eine besonders kompakte Anordnung mit kurzen elektrischen Verbindungen geschaffen wird. Die Montagebasis kann dann beispielsweise alle nötigen Anschlüsse zum Betrieb der Anordnung liefern, die Bereitstellung von Signalen und elektrischer Energie sowie die elektronische Verschaltung der Anordnung. Stromsensor und Stromeinspeisungselement können dann spezifisch auf die ihnen zukommenden elektronischen Aufgaben hin optimiert werden. Auf diese Weise ist nicht nur eine kompakte Anordnung herstellbar, sondern sind auch die Strompfade zwischen Stromeinspeisungselement, Stromsensor und Montagebasis kurz, so dass ein verlustarmer und hinsichtlich der Strommessung genauer Betrieb möglich ist. Insbesondere ist es möglich, dass durch eine elektrische Kopplung zwischen Stromsensor und Montagebasis Versorgungssignale von der Montagebasis an den Stromsensor übermittelt werden und/oder in umgekehrter Richtung Sensorsignale von dem Stromsensor an die Montagebasis. Ist das Stromeinspeisungselement auf die Montagebasis aufgesteckt, kann der zu messende und einzuspeisende Strom von der Montagebasis an das Stromeinspeisungselement oder in umgekehrter Richtung geleitet werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können der Stromsensor und/oder das Stromeinspeisungselement mittels Direktstecktechnik, insbesondere buchsenfrei, mit der Montagebasis elektrisch gekoppelt sein. Bei einer solchen Direktstecktechnik ist es unter Verwendung flexibler Kontaktelemente und eines Entfernschutzes möglich, eine Hochstromverbindung zwischen metallisierten Durchgangslöchern einer Leiterplatte (als Montagebasis) einerseits und dem Stromeinspeisungselement bzw. dem Stromsensor andererseits zu bewerkstelligen, ohne dass hierfür aufwendige Buchsen erforderlich sind. In anderen Ausführungsbeispielen können jedoch solche Buchsen zum Einstecken des Stromsensors oder des Stromeinspeisungselements vorgesehen sein.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zum elektrischen Koppeln mittels Direktstecktechnik der Stromsensor und/oder das Stromeinspeisungselement ein Steckelement aufweisen, das eine Mehrzahl von steckbaren hochstromfähigen Kontaktelementen aufweist. Die Montagebasis kann als Leiterplatte mit durchkontaktierten Bohrungen ausgebildet sein. Die Bohrungen können in einer der Anordnung der Kontaktelemente des Steckelements entsprechenden Anordnung angeordnet sein. Die Bohrungen und die in sie einsteckbaren Kontaktelemente können derart aufeinander abgestimmt sein, dass sich das Steckelement von Hand durch Einstecken der Kontaktelemente in die Bohrungen mit der Leiterplatte verbinden und von Hand entfernen lässt. Eine vibrationsrobuste mechanische Sicherung kann gegen ein unbeabsichtigtes Abziehen des Steckelements von der Leiterplatte vorgesehen sein. Somit kann ein Steckelement mit hochstromfähigen Kontaktelementen bereitgestellt werden, das selbst die hohen elektrischen Anforderungen aus dem Automotive-Bereich problemlos erfüllen kann. Das Steckelement kann durch einen menschlichen Benutzer händisch direkt in die entsprechenden Bohrlöcher der Leiterplatte eingesteckt werden, ohne dass zwischen Steckelement und Leiterplatte ein separater Stecksockel erforderlich wäre. Gleichzeitig kann trotz des einfachen und intuitiven Einsteckens des Steckelements direkt in die Leiterplatte eine hohe Vibrationsrobustheit dadurch gewährleistet werden, dass eine rigide mechanische Sicherung vorgesehen wird, die im eingesteckten Zustand ein unbeabsichtigtes Abziehen des Steckelements von der Leiterplatte, zum Beispiel hervorgerufen durch hohe Vibrationskräfte, zuverlässig verhindert. Somit kann eine hochstromfähige Direktstecktechnik zum unmittelbaren Anbringen von Leiterplatten an einem Steckelement ohne das Vorsehen von Stecksockeln oder dergleichen erreicht werden. Simultan kann eine hohe elektrische Stromtragfähigkeit mit einer hohen mechanischen Festigkeit und damit einer hohen Haltekraft kombiniert werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Verfahren in einem Fahrzeug durchgeführt werden. Aufgrund der besonders fehlerrobusten und hochgenauen Ausbildung des Stromsensors sowie des damit zusammenwirkenden Stromeinspeisungselements ist das erfindungsgemäße System besonders vorteilhaft für Automotive-Anwendungen geeignet. Zum Beispiel kann eine erfindungsgemäße Anordnung zur Überwachung des Ladezustands einer (zum beispielsweise Lithium-) Batterie oder eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Elektrokraftfahrzeug, eingesetzt werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein Strom von mindestens 10 Ampere gemessen werden, insbesondere ein Strom von mindestens 100 Ampere gemessen werden. Die erfindungsgemäße Anordnung ist dazu ausgelegt, mit hohen und höchsten Stromstärken umzugehen, diese zu erfassen und einzuspeisen. Beispielsweise können Stromstärken über 10 Ampere, insbesondere von einigen 100 Ampere, bis zu 1000 Ampere und höher, insbesondere bei Automobilanwendungen, zum Einsatz kommen. Beispielsweise können solche Ströme während eines Anlassvorganges eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, derart hohe Ströme gleichzeitig verlustfrei einzuspeisen und zu messen, was zu Steuer- und/oder Regelungszwecken vorteilhaft sein kann.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Verfahren in einem Bussystem durchgeführt werden. Ein solches Bussystem kann zum Beispiel ein CAN-Bussystem sein. Die erfindungsgemäße Architektur von Stromsensor und Stromeinspeisungselement ist mit den Anforderungen eines solchen Bussystems vollständig kompatibel.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann bei dem Verfahren zusätzlich eine an dem Stromeinspeisungselement anliegende elektrische Spannung gemessen werden und aus dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung eine Leistung ermittelt werden. Mit Vorteil kann zusätzlich zu der Messung des elektrischen Stroms auch die damit zusammenhängende elektrische Spannung gemessen werden. Aufgrund des bekannten Zusammenhangs zwischen Strom und Spannung sowie Leistung kann durch Produktbildung von Messstrom und Messspannung die abgenommene Leistung ermittelt werden. Dies kann zur Antriebssteuerung von Kraftfahrzeugen vorteilhaft sein.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.

1 zeigt unterschiedliche Ansichten einer Vorrichtung zum Einspeisen und Messen eines Stroms mit einem Stromsensor gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt unterschiedliche Ansichten von erfindungsgemäß implementierbaren Stromeinspeisungselementen.
3 zeigt unterschiedliche Ansichten des Stromeinspeisungselements gemäß 1 mit einer Messöffnung in einem stromdurchflossenen Zustand.
4 zeigt zwei Abschnitte eines Stromeinspeisungselements gemäß 3 in einem stromdurchflossenen Zustand.
5 zeigt eine andere Ansicht des Stromeinspeisungselements gemäß 3.
6 zeigt eine Förster-Sonde eines Stromsensors gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 bis 9 zeigen Magnetfelder im Umfeld von zwei Magnetflusssensoren gemäß 1 in einem stromdurchflossenen Zustand.
10 und 11 zeigen dreidimensionale Ansichten eines Stromsensors, der gemäß 11 teilweise in einem Stromeinspeisungselement angeordnet ist, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
12 zeigt eine Draufsicht des Stromsensors gemäß 10 und 11 in dem Stromeinspeisungselement.
13 zeigt den Stromsensor in dem Stromeinspeisungselement von 12 mit schematisch dargestellten Strompfaden.
14 zeigt eine Anordnung mit einer Vorrichtung zum Einspeisen und Messen eines Stroms gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
15 zeigt eine Kennlinie der Anordnung gemäß 14.
16 und 17 zeigen Stromeinspeisungselemente gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung mit einer jeweiligen Messöffnung in einem stromdurchflossenen Zustand.
18 zeigt unterschiedliche Ansichten einer Vorrichtung zum Einspeisen und Messen eines Stroms mit einem Stromsensor gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
19 zeigt Magnetfelder im Umfeld von zwei Magnetflusssensoren an einer Trägerplatine gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
20 zeigt eine Kennlinie der Vorrichtung gemäß 18.
21 zeigt eine Vorrichtung zum Einspeisen und Messen eines Stroms mit einem Stromsensor gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung und mit einem als Busbar ausgebildeten Stromeinspeisungselement.
22 zeigt ein Steckelement eines Stromsensors oder eines Stromeinspeisungselements zum Direktsteckverbinden des Stromsensors oder des Stromeinspeisungselements mit durchkontaktierten Bohrungen oder Kontaktöffnungen einer Montagebasis gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, sollen noch einige allgemeine Aspekte der Erfindung erläutert werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein Stromsensor, eine Vorrichtung, eine Anordnung und ein Verfahren geschaffen, mit denen Strommessung und Stromeinspeisung in ein elektronisches Bauteil simultan ermöglicht werden können. Hierfür können Magnetflusssensoren (die auch als Fluxgate-Sensoren bezeichnet werden können) zum Einsatz kommen. Bei derartigen Magnetflusssensoren können zwei in Sättigung betriebene Spulen eingesetzt werden, deren Signalbeiträge sich in Abwesenheit eines externen Magnetfelds bzw. eines zu messenden Stroms aufheben. Wird von außen eine Signalkomponente beaufschlagt, zum Beispiel ein von einem zu messenden Strom generiertes Magnetfeld, so fungiert dieses bezüglich der in Sättigung betriebenen Spulen als gewünschtes magnetisches Störfeld, so dass bei einem bekannten Zusammenhang zwischen Magnetfeld und Strom des Störfelds eine Strommessung in kontaktloser Weise ermöglicht ist. Somit können Stromeinspeisung und Strommessung in einer äußerst kompakten, fehlerrobusten und genauen Anordnung kombiniert werden. Diese Vorteile sind insbesondere durch eine magnetisch asymmetrische Anordnung eines Paars von Magnetflusssensoren erreichbar, die ein kontaktloses Messen des Stroms ermöglichen. Anschaulich wird eine Asymmetrie im induzierten Magnetfeld der Magnetflusssensoren ausgenutzt, um das Magnetfeld und mittelbar den Strom messen zu können.
Insbesondere wird ein Stromsensor zum Messen eines Stroms mit einer Trägerstruktur und zwei Fluxgate-Sensoren geschaffen, die so an der Trägerstruktur angebracht sind, dass sie eine asymmetrische magnetische Felddurchdringung infolge eines von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfelds erfahren und gemeinsam ein für den zu messenden Strom indikatives Signal in kontaktloser Weise erzeugen. Eine entsprechende Vorrichtung zum Messen und Einspeisen eines Stroms weist einen solchen Stromsensor und ein elektrisch leitfähiges Stromeinspeisungselement auf, das von dem einzuspeisenden Strom durchflossen ist und eine Aussparung hat, in die der Stromsensor zum kontaktlosen Messen des Stroms eingebracht ist oder einbringbar ist. Eine erfindungsgemäße Anordnung kann eine solche Vorrichtung und eine Montagebasis aufweisen, an der die Vorrichtung anbringbar oder angebracht ist, um zwischen der Montagebasis und der Vorrichtung einen Strom einzuspeisen bzw. diesen Strom zu messen.
Es gibt insbesondere die drei im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen des strommessenden Stromeinspeisungselements:

In einer ersten Ausführungsform kann der gemessene Strom durch eine äquivalente Spannungsausgabe herausgeführt werden, welcher durch einen Mikrocontroller (integrierter ADC Eingang oder externer Analog-Digital-Converter (ADC) Baustein, welcher per SPI (Serial Peripherie Bus = Kommunikationsschnittstelle) angeschlossen werden kann) gemessen und interpretiert werden kann.
In einer zweiten Ausführungsform kann der zuvor beschriebene Mikrocontroller in dieses strommessende Stromeinspeisungselement integriert werden. Auch in einer solchen Ausführungsform kann der integrierte ADC oder ein externer ADC Baustein verwendet werden, um die stromäquivalente Spannung der Fluxgate-Sensoren zu messen. Der dadurch gemessene Stromwert (sowie optional Temperatur und/oder Spannung) kann dann über einen Kommunikationsbus (zum Beispiel CAN) an ein übergeordnetes System weitergegeben werden. Es ist auch möglich, entsprechende Steuerungsaufgaben, welche in diesem Mikrocontroller programmiert sein können, angewandt und/oder per CAN anzuweisen bzw. durchzuführen (was als Standalone-Ausführungsform bezeichnet werden kann).
In einer dritten Ausführungsform kann das im vorangehenden Absatz beschriebene System jedoch ohne integrierten Mikrocontroller, aber mit integriertem ADC Baustein, implementiert werden. Letzterer kann von einem übergeordneten System (zum Beispiel Mikrocontroller auf der Trägerleiterplatte) über einen geeigneten Kommunikationsbus (vorzugsweise SPI) ausgelesen und parametrisiert werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Stromschnittstelle vorgesehen werden, welche ein Signal (zum Beispiel eine dem zu messenden Strom äquivalente Spannung) in einen Bereich von 4 bis 20 mA umwandelt und somit überträgt. Beispielsweise kann 4 mA den Wert 0 und 20 mA den maximal messbaren Wert darstellen. Diese Übertragung ist besonders robust gegen elektromagnetische Einflüsse und kann vorteilhaft eingesetzt werden, um Spannungsmessungen über längere Strecken hinweg sicher zu übertragen. Mit anderen Worten kann eine 4-20mA Schnittstelle eingesetzt werden.
Es ist insbesondere im Hinblick auf eine Auswertung von Sensorsignalen bzw. der Kommunikation einer Vorrichtung oder Anordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer elektronischen Peripherie auch möglich, eine Vorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung in Kombination mit einer Steuereinrichtung (insbesondere mit einem integrierten Mikrocontroller) mit Kommunikationsschnittstelle an ein übergeordnetes System auszustatten. Eine solche Kommunikation kann zum Beispiel mittels CAN, LIN, UART, R232, SPI, ISOSPI, I²C/TWI, RS485, SENT, Ethernet, BroadR Reach und/oder einer parallelen Schnittstelle erfolgen. Insbesondere kann eine solche Steuereinrichtung mit einem Bussystem betrieben werden, das zum Beispiel ein CAN-, LIN- und/oder RS485-Bussystem sein kann.
Es ist allerdings gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung auch möglich, die Vorrichtung oder Anordnung als Slave-Gerät ohne eigene Steuereinrichtung (insbesondere ohne integrierten Mikrocontroller), aber mit Kommunikationsschnittstelle zum Kommunizieren mit oder an ein übergeordnetes System auszubilden. Beispielsweise kann eine solche Kommunikation mittels UART, R232, SPI, ISOSPI, I²C/TWI, RS485, SENT, einer parallelen Schnittstelle und/oder mit einer Analogwertausgabe betrieben werden.
Gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen kann der Stromsensor, die Vorrichtung oder Anordnung zur Messung von Strom durch ein Busbar- oder Stromeinspeisungselement ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, eine elektrische Spannung, anliegend an einem Busbar- oder Stromeinspeisungselement, bezüglich einem anderem Potential über eine Trägerleiterplatte zu messen. Dies ermöglicht dann auch eine Bestimmung der Leistung als Produkt von Spannung und Stromstärke und/oder eine Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie oder eine Leistungsbegrenzung im Wege einer Steuerung oder Regelung. Ferner ist es alternativ oder ergänzend möglich, eine Temperatur innerhalb des Busbar- oder Stromeinspeisungselements oder an dem Stromsensor selbst zu erfassen. Falls notwendig oder wünschenswert kann auf Basis einer solchen ermittelten Temperatur eine Temperaturkompensation und/oder eine Überlasterkennung durchgeführt werden.
Ein Stromsensor, eine Vorrichtung bzw. eine Anordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann insbesondere eine, mehrere oder alle der im weiteren genannten Komponenten aufweisen: insbesondere kann eine Förster-Sonde bzw. ein Fluxgate Sensor als elektronische Komponente bereitgestellt sein, insbesondere mindestens zwei solche Sonden bzw. Sensoren. Optional kann ein Operationsverstärker bereitgestellt sein, der im Falle einer Einzelauswertung von Sensorsignalen beider Fluxgate-Sensoren entbehrlich sein kann. Es ist optional auch möglich, eine Spannungsmessung durchzuführen, zum Beispiel zum Ermöglichen einer Leistungserfassung. Darüber hinaus ist die Durchführung einer Temperaturmessung (zum Beispiel mittels eines NTC) gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel möglich. Zur Verbesserung der Signalgüte ist eine Signalfilterung möglich, die optional in Hardware ausgeführt sein kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auch ein Spannungsregler implementiert werden, der bei ausreichender externer Spannungsversorgung auch weggelassen werden kann. Ferner kann optional ein Mikrocontroller und/oder ein Analog/Digital-Wandler (ADC), insbesondere ausgebildet als integrierter Schaltkreis, vorgesehen sein. Ein Mikrocontroller kann mit einem integrierten ADC Wandler bereitgestellt werden, der genutzt werden kann. Bei besonderen Anforderungen (zum Beispiel hinsichtlich Auflösung, Genauigkeit, etc.) kann ein externer ADC Wandler Baustein eingesetzt werden. Ein Mikrocontroller kann zum Beispiel im Falle einer Analogwertausgabe, also einer direkten Ausgabe des Messignals der Fluxgate Sensor ICs, auch weggelassen werden. Optional kann ein elektronischer Speicher (insbesondere ein FRAM/EEPROM Speicher) vorgesehen werden, beispielsweise für eine optionale Kalibrierung. Ferner ist es möglich, optional dem Schaltkreis eine Referenzspannung vorzugeben. Auch ist an dem Stromsensor, der Vorrichtung oder der Anordnung das Vorsehen einer Kommunikationsschnittstelle, insbesondere für eine Buskommunikation (beispielsweise gemäß CAN oder LIN) möglich. Optional, aber vorteilhaft kann eine galvanische Trennung bzw. Isolation zwischen elektrisch voneinander zu trennenden Komponenten des Stromsensors, der Vorrichtung bzw. der Anordnung vorgesehen sein. Dies kann insbesondere bei Hochvolt-Anwendungen vorteilhaft sein. Auch eine Schutzbeschaltung ist optional möglich.
Hinsichtlich der elektrischen und mechanischen Kontaktierung des Stromsensors bzw. des Stromeinspeisungselements an der Montagebasis (insbesondere einer Trägerleiterplatte) kann dies mittels einer Direktsteckung, insbesondere mittels der SKEDD-Technologie der Anmelderin Würth Elektronik, erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass damit keine mechanische Belastung der Leiterplatte einhergeht. Alternativ ist die Kontaktierung auch mittels einer Stiftleiste möglich, die mittels Lötens (beispielsweise in SMT- oder THT-Technologie) befestigt werden kann. Die Kontaktierung kann alternativ auch unter Verwendung eines Flachbandkabels durchgeführt werden. Ferner kann ein Flexleiter (zum Beispiel eine Starrflex-Leiterplatte) zur Ausbildung einer Verbindung eingesetzt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktierung unter Verwendung einer Einpresstechnik möglich. Weiter alternativ ist es möglich, die Kontaktierung unter Verwendung eines Kabels mit Stecker (beispielsweise Kabel mit Stecker am Ende, der direkt mit der Leiterplatte verbunden wird) durchzuführen. Auch ist es möglich, einen Stecker auf der Leiterplatte vorzusehen (beispielsweise unter Einsatz einer Wire-to-Board-Verbindungstechnologie oder mittels eines Steckers auf der Leiterplatte, der über Kabel mit der Trägerleiterplatte oder einem Kabelbaum verbunden wird). Möglich ist allerdings auch ein Board-to-Board Steckverbinder, bei dem geeignete Stecker (idealerweise zwei identische Stecker, die durch ihre Geometrie gegenseitig steckbar sind) auf der Trägerplatine und der Leiterplatte im strommessenden Stromeinspeisungselement aufgelötet sind.
Hinsichtlich des mechanischen Aufbaus des Stromsensors, der Vorrichtung bzw. der Anordnung gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist beispielsweise ein Verguss der Platine innerhalb des Busbar- bzw. Stromeinspeisungselements möglich. Hierdurch kann insbesondere eine Isolation und Fixierung der Leiterplatte erreicht werden. Was die Geometrie der Messöffnung bzw. Aussparung im Busbar- bzw. Stromeinspeisungselement angeht, so kann diese zum Beispiel als rundes Loch oder langgestreckter Schlitz ausgebildet sein. Möglich ist auch eine Kombination dieser beiden Geometrie einer Messöffnung (d.h. eine Kombination eines runden Lochs mit einem langgestreckten Schlitz), wobei der oder die Schlitze als Führung und gegebenenfalls Kontaktierung zur Temperatur- und/oder Spannungsmessung eingesetzt werden kann. Ein rundes Loch führt zu einem homogenen Magnetfeld und einem starken Signal. Vorteile eines Schlitzes sind eine besonders einfache Montage und Ausrichtung der Leiterplatte durch einen gegebenen Führungsschlitz und ein etwas geringerer Einfluss auf Eigenschaften des Busbar- bzw. Stromeinspeisungselements (insbesondere im Hinblick auf Steifigkeit, Torsion bei Nenndrehmoment, etc.). Optional ist es möglich, ein Gehäuse um das Busbar- bzw. Stromeinspeisungselement samt der Sensorleiterplatte herum anzubringen. Mit Vorteil ist es möglich, einen mechanischen Verdrehschutz bzw. eine Montagevorgabe für einen Kabelschuh am Busbar- bzw. Stromeinspeisungselement vorzusehen, um eine Reduktion oder Definition von Streufeldern durch das anliegende Kabel samt Kabelschuh zu erreichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die Fluxgate-Sensoren auf der Leiterplatte zu nutzen, um die optimale Platzierung innerhalb des Stromeinspeisungselements festzulegen.
Eine solche Vorrichtung kann als Montagebasis einen PCB mit Micro-Vias, BGA-Lotstruktur und einem LDO-Spannungsregler betrieben werden. Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz einer Platine ohne BGA Bauteile oder Feinstleiter-Technik (Micro-Vias, Laserbohrungen, HDI, Stacked-Vias, etc.). Anstatt eines LDO (Low Drop Out Spannungsregler, auch Längsregler genannt) kann beispielsweise ein Schaltregler genutzt werden. LDO Regler haben den Vorteil einer kompakteren Bauweise und benötigen weniger Peripheriebauteile. Schaltregler hingegen arbeiten bei höheren Eingangsspannungen oder Ausgangsströmen effizienter und erlauben höhere Werte. Insbesondere ist es möglich, die Trägerstruktur und/oder die Montagebasis mit einem Temperatursensor und/oder mit einer Spannungsmesseinrichtung zu versehen. Mit einem Temperatursensor kann beispielsweise die Temperatur des Stromsensors und/oder des Stromeinspeisungselements (sowie optional bzw. indirekt des Kabelschuhs und des Kabels) überwacht werden. Eine Spannungsmesseinrichtung in Kombination mit dem Stromsensor ermöglicht eine Erfassung der Leistung, die mit dem eingespeisten Strom einhergeht (Leistung P gleich Spannung U multipliziert mit Strom I). Möglich ist allerdings auch die Erfassung der Frequenz bei AC Netzen (Wechselspannung) und die Erfassung von Phasenverschiebungen bei mehrphasigen Netzen (beispielsweise Drehstromnetz). Ebenso die Bestimmung des Leistungsfaktors (cos φ) ist in Ausführungsformen der Erfindung möglich. Jegliche Komponente der Anordnung kann auf einer gedruckten Leiterplatte oberflächenmontiert werden oder darin eingebettet werden („Embedded PCB“).
Hinsichtlich der Kontaktierung des Stromsensors bzw. des Stromeinspeisungselements ist es möglich, Kontaktelemente (beispielsweise elektrisch leitfähige Pins) von Stromsensor bzw. Stromeinspeisungselement in durchkontaktierte elektrisch leitfähige Durchgangslöcher in einer als gedruckten Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis anzuordnen. Dies kann beispielsweise mittels Direktstecktechnik (insbesondere der von der Anmelderin Würth Elektronik entwickelten SKEDD-Direktstecktechnik), mit FPC, mit Press-Fit oder mit THT/SMT erfolgen.
Hinsichtlich des mechanischen und elektrischen Aufbaus sind diverse unterschiedliche Geometrien gegenüber den explizit beschriebenen Beispielen realisierbar, ohne von den Grundprinzipien der Erfindung abzugehen.
Beispielsweise ist eine 90°-Orientierung eines PCBs des Stromsensors relativ zum Stromeinspeisungselement möglich. Ferner ist es möglich, eine Kabelschuhmontage an einem erhabenen Abschnitt des Stromeinspeisungselements vorzunehmen. Optional können der Stromsensor, die Vorrichtung bzw. die Anordnung mit einem Gehäuse umgeben werden und/oder vergossen werden. Stromsensoren gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung können für unterschiedliche Strombereiche konfiguriert werden. Es können Maßnahmen getroffen werden, Streufeldeinflüsse zu unterdrücken. Ferner können exemplarische Ausführungsbeispiele besonders vorteilhaft im Bereich der Leistungselektronik eingesetzt werden.
1 zeigt unterschiedliche Ansichten einer Vorrichtung 120 zum Einspeisen und Messen eines elektrischen Stroms mit einem Stromsensor 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die dargestellte Vorrichtung 120 weist neben dem Stromsensor 100 ein elektrisch leitfähiges Stromeinspeisungselement 122 auf, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Busbar ausgebildet ist. Letzteres wird von dem einzuspeisenden Strom I durchflossen und enthält eine Messöffnung 108, in die der Stromsensor 100 zum kontaktlosen Messen des elektrischen Stroms I teilweise eingebracht wird.
Besagter Stromsensor 100 dient zum eigentlichen Messen des elektrischen Stroms I, beispielsweise in einer Automotive-Umgebung. Der Stromsensor 100 weist eine Trägerstruktur 102 und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel genau zwei Magnetflusssensoren 104 auf. Die Trägerstruktur 102 kann als ebene Trägerplatte des PCB-Typs ausgebildet sein. Die Magnetflusssensoren 104 sind derart an der Trägerstruktur 102 angebracht, dass sie eine asymmetrische magnetische Felddurchdringung infolge eines von einem zu messenden Strom I erzeugten Magnetfelds erfahren und gemeinsam ein für den zu messenden Strom indikatives Signal kontaktlos erzeugen. Die asymmetrische Felddurchdringung kann gemäß 1 insbesondere durch ein seitlich zueinander versetztes Anbringen der Magnetflusssensoren 104 an den einander gegenüberliegenden ebenen Hauptflächen 112, 114 der Trägerstruktur 102 erreicht werden. Vorteilhaft können die Magnetflusssensoren 104 Förster-Sonden sein, womit ein besonders geringer Signaloffset erzielt werden kann. Bevorzugt sind die zwei Magnetflusssensoren 104 auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen 112, 114 der Trägerstruktur 102 angebracht. Genauer gesagt sind die zwei Magnetflusssensoren 104 auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen 112, 114 der Trägerstruktur 102 seitlich zueinander versetzt angebracht, d.h. auch räumlich asymmetrisch bezüglich der plattenförmigen Trägerstruktur 102. Die als ebene Trägerplatte ausgebildete Trägerstruktur 102 hat ihre Hauptflächen 112, 114 gemäß 1 senkrecht (oder alternativ gemäß 18 parallel) zu dem einfließenden Strom I orientiert.
Die in 1 zu erkennende Messöffnung 108 in dem Stromeinspeisungselement 122 ist ausgebildet, dass der Strom I an der Messöffnung 108 vorbei in zwei im Wesentlichen gleich große Teilströme 1/2 aufgeteilt wird. Besagte Teilströme vereinigen sich hinter der Öffnung 108 wieder zu einem Gesamtstrom der Größe I. Der Stromsensor 100 ist teilweise direkt in der Messöffnung 108 in dem Stromeinspeisungselement 122 angeordnet, wodurch eine besonders hohe Messgenauigkeit erreichbar ist.
Im Betrieb kann die Vorrichtung 120 zum Messen das elektrischen Stroms I eingesetzt werden. Hierfür werden die zwei Magnetflusssensoren 104 in der in 1 dargestellten Weise montiert, so dass sie eine asymmetrische magnetische Felddurchdringung infolge eines von einem zu messenden Strom I erzeugten Magnetfelds erfahren. In der Folge kommt es zu einem gemeinsamen kontaktlosen Erzeugen eines ein für den zu messenden Strom I indikativen Signals. Simultan erfolgt ein Einspeisen des gemessenen Stroms I in einen vorgegebenen Strompfad, beispielsweise in eine Montagebasis 110 (vergleiche 14) oder in das Stromeinspeisungselement 122. Zum Beispiel kann das Verfahren in einem Bussystem eines Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Insbesondere kann ein großer Strom I von mehreren 100 Ampere gemessen und simultan eingespeist werden. Mit Vorteil kann es möglich sein, bei dem Verfahren zusätzlich eine an dem Stromeinspeisungselement 122 anliegende elektrische Spannung U zu messen. Aus dem gemessenen Strom I und der gemessenen Spannung kann dann eine elektrische Leistung P=U*I ermittelt werden. Dies kann zum Beispiel für die Überwachung eines Ladezustands einer Batterie in einem Kraftfahrzeug vorteilhaft sein.
1 zeigt somit eine Vorrichtung 120 zum Einspeisen und Messen eines elektrischen Stroms I. Der elektrische Strom I wird durch das Stromeinspeisungselement 122, das hier durch einen quaderförmigen elektrischen Leiter ausgebildet ist, geleitet und in ein in 1 nicht dargestelltes Zielbauelement eingekoppelt. Um während dieses Einspeisens die Größe des elektrischen Stroms I zu messen, ist in die Messöffnung 108, die an zentraler symmetrischer Position des in Draufsicht rechteckförmigen Stromeinspeisungselements 122 als kreisförmiges Durchgangsloch ausgebildet ist, der flächige Stromsensor 100 zum Messen des besagten elektrischen Stroms I in kontaktloser Weise und daher verlustarm und ohne Beeinflussung des Stroms I eingeführt. 1 ist zu entnehmen, dass der Stromsensor 100 nur teilweise in die Öffnung 108 eingeführt ist und zu einem anderen Teil aus der Öffnung 108 herausragt. Der in die Öffnung 108 eingeführte Teil des Stromsensors 100 beinhaltet auch Teile der beiden Magnetflusssensoren 104, die hier als Förster-Sonden ausgebildet sind, und in räumlich sowie magnetisch asymmetrischer Weise auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen 112, 114 der als Leiterplatte ausgebildeten Trägerstruktur 102 des Stromsensors 100 angebracht sind.
Fließt der Strom I durch das Stromeinspeisungselement 122, teilt sich der Strom in zwei ideal gleich große Hälften 1/2 auf, wenn er um die Messöffnung 108 in dem Stromeinspeisungselement 122 herum fließt. Dadurch bilden sich, wie mit Bezugszeichen 170 dargestellt, kreisförmig geschlossene Magnetfeldlinien aus, die teils in einem Außenbereich des Stromeinspeisungselements 122 und teils durch die Messöffnung 108 hindurch verlaufen. Dieses magnetische Feld, das durch den zu messenden Strom I nach den Gesetzen der Elektrodynamik erzeugt wird, wird von den Magnetflusssensoren 104, ausgebildet als Fluxgate-Sensoren, sensorisch erfasst. Aus den Signalen der Magnetflusssensoren 104 lässt sich daher die Größe des Stroms I erfassen, ohne dass das Einspeisen des Stroms I durch das Stromeinspeisungselement 122 dadurch merklich gestört wird. Besonders vorteilhaft ist die kontaktlos durchgeführte Strommessung mittels des Stromsensors 100, der mit dem zu messenden Strom I nicht in Berührung kommt. Wie bereits ausgeführt, kann die Trägerstruktur 102 als gedruckte Leiterplatte (PCB) ausgebildet sein, auf deren gegenüberliegenden Hauptflächen 112, 114 jeweils einer der Magnetflusssensoren 104 oberflächenmontiert ist. Wie am besten in der Darstellung unten rechts in 1 erkannt werden kann, sind die Magnetflusssensoren 104 auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen 112, 114 zueinander versetzt und somit asymmetrisch angeordnet, wodurch eine besonders genaue Erfassung des Stroms I aus den Messsignalen der beiden asymmetrisch positionierten Magnetflusssensoren 104 ermöglicht ist. Eine sensorempfindliche Achse der Magnetflusssensoren 104 ist in 1 mit Bezugszeichen 184 dargestellt.
2 zeigt unterschiedliche Ausführungsformen von Stromeinspeisungselementen 122, die in einer Vorrichtung 120 gemäß 1 implementiert werden können.
Eine diesbezügliche Ausführungsform ist ein quaderförmiges bzw. streifenförmiges Busbarelement, das eine besonders einfache Ausgestaltung eines Stromeinspeisungselements 122 darstellt.
Besonders vorteilhaft ist eine ebenfalls dargestellte Ausgestaltung mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Basiskörper 126 und einem im Wesentlichen kreiszylindrischen Anschlusskörper 128, der gemäß 2 ein Außengewinde aufweisen kann. Dadurch ist ein schraubendes Montieren eines Kontaktschuhs oder dergleichen zum Übertragen des Stroms von dem Stromeinspeisungselement 122 auf das anzuschließende elektronische Bauteil oder in umgekehrter Richtung ermöglicht. Das mit Basiskörper 126 und Anschlusskörper 128 einstückig ausgebildete und aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Stromeinspeisungselement 122 zeigt eine gute elektrische Leitfähigkeit für hohe elektrische Ströme, insbesondere oberhalb von 10 Ampere, weiter insbesondere oberhalb von 100 Ampere. An der Unterseite des Basiskörpers 126 ist zudem eine matrixartige Anordnung elektrisch leitfähiger Kontaktelemente 136 zum Einstecken in durchkontaktierte Bohrungen einer als Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis 110 vorgesehen.
Darüber hinaus zeigt 2 weitere mögliche Ausführungsformen von Stromeinspeisungselementen 122.
3 zeigt unterschiedliche Ansichten des Stromeinspeisungselements 122 gemäß 1 mit einer Messöffnung 108 in einem stromdurchflossenen Zustand.
3 zeigt unterschiedliche Darstellungen des Stromeinspeisungselements 122 und des Magnetfelds 170, das sich in dessen Umgebungsbereich und durch die Ampere 108 hindurch ausbildet, wenn der zu messende und einzuspeisende Strom I durch das Stromeinspeisungselement 122 fließt. Das magnetische Feld B wird gemäß den Gesetzen der Elektrodynamik erzeugt, wenn der Strom I fließt. Aufgrund des zentralen Ausbildens der als Durchgangsloch ausgebildeten Messöffnung 108 bilden sich ein linksseitiges Magnetfeld B_L und ein rechtsseitiges Magnetfeld B_R.
4 zeigt zwei Abschnitte des Stromeinspeisungselements 122 gemäß 3 in einem stromdurchflossenen Zustand. 5 zeigt eine andere Ansicht des Stromeinspeisungselements 122 gemäß 4. Insbesondere zeigt 4 nochmals die Magnetfelder B_L und B_R. 5 zeigt nochmals, wie sich der zu messende und einzuspeisende Strom I an dem als kreisförmiges Durchgangsloch mit Durchmesser D ausgebildeten Messöffnung 108 aufteilt und nach Umlaufen der dielektrischen Messöffnung 108 wieder zu dem gesamten Messstrom I vereinigt.
6 zeigt eine Fluxgate- oder Förster-Sonde, die einen Magnetflusssensor 104 eines Stromsensors 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung bilden kann.
Gemäß 6 weist der dargestellte Magnetflusssensor 104 zwei Empfängerspulen 116 auf, die zueinander antiparallel bzw. gegensinnig orientiert sind. Eine jeweilige Spulenöffnung der Empfängerspulen 116 kann mit einem weichmagnetischen Kern 172 gefüllt sein, beispielsweise aus Ferrit. Mit Vorteil kann der Magnetflusssensor 104 also zwei in Sättigung betriebene Empfängerspulen 116 aufweisen. Die beiden Empfängerspulen 116 des Magnetflusssensors 104 können vorteilhaft zueinander gegensinnig orientiert sein, so dass deren Signale in Abwesenheit eines von dem zu messenden Strom I generierten externen Magnetfelds sich aufheben und in Anwesenheit eines von dem zu messenden Strom I generierten externen Magnetfelds ein für den zu messenden Strom indikatives Signal generieren.
Eine Wechselspannungsquelle 174 legt an zwei Quellspulen 117 eine Wechselspannung an und treibt daher die weichmagnetischen Kerne 172, die auch in den Öffnungen der Quellspulen 117 angeordnet sind, periodisch in Sättigung. Dadurch werden zueinander antiparallel orientierte Magnetfelder B im Bereich der weichmagnetischen Kerne 172 erzeugt, die auch in die Empfängerspulen 116 eingekoppelt werden. Aufgrund der gegenseitigen Orientierung der Empfängerspulen 116 heben sich durch die antiparallel orientierten Magnetfelder B erzeugte Induktionsspannungen auf, wenn kein externes Magnetfeld B_ext angelegt ist. Eine Spannungsmesseinrichtung 176 (zum Beispiel ein Voltmeter) misst dann kein Signal. Wird allerdings ein durch einen zu messenden Strom I erzeugtes externes Magnetfeld B_ext in den Magnetflusssensor 104 eingekoppelt, verstimmt dieses das System der sich aufhebenden Induktionsspannungen, sodass in der Spannungsmesseinrichtung 176 ein für das externe Magnetfeld B_ext und somit für den zu messenden Strom I indikatives Spannungssignal gemessen werden kann. Die dargestellte Förster-Sonde hat also einen erregenden Primärkreis 178 und einen messenden Sekundärkreis 180. Wird dem durch die Quellspulen 117 erzeugten Magnetfeld B das Magnetfeld B_ext (das den oben angesprochenen Magnetfeldern B_L bzw. B_R entspricht) aufgrund des zu messenden Stroms I überlagert, wirken diese magnetischen Störfelder B_L, B_R in unterschiedlicher Weise auf die beiden gegensinnig verschalteten Empfängerspulen 116 des Magnetflusssensors 104 gemäß 6. Dies kann in Form eines resultierenden Spannungssignals gemessen werden und erlaubt einen Rückschluss auf den Strom I.
Gemäß 6 werden also zwei weichmagnetische Spulen-Kerne 172 periodisch in Sättigung getrieben. Die Kerne 172 sind von den zwei gegensinnigen Empfängerspulen 116 umwickelt, sodass in beiden Empfängerspulen 116 in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes B_ext sich die induzierten Spannungen aufheben. Eine äußere Magnetfeldkomponente B_ext wirkt parallel bzw. antiparallel auf die Magnetfelder B, die von den Quellspulen 117 erzeugt werden. Dadurch wird, wenn das äußere Magnetfeld B_ext parallel zum Magnetfeld B einer jeweiligen Quellspule 117 ist, in der einen Halbperiode in dieser Quellspule 117 die Sättigung des Kerns 172 eher erreicht. In der anderen Quellspule 117 ist während dieser Halbperiode das äußere Feld B antiparallel, somit setzt dort die Sättigung des Kerns 172 später ein. Diese Asymmetrie verursacht ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen 116, das proportional zum angelegten Magnetfeld B_ext ist. Die induzierte Spannung besitzt die doppelte Frequenz der Erreger-Wechselspannung. Die Wechselspannungsquelle 174 magnetisiert also mittels eines Wechselstroms die Kerne 172 bis zur Sättigung. Die in der Spannungsmesseinrichtung 176 induzierte elektrische Spannung hebt sich nur dann auf, wenn keine externe Magnetfeldkomponente B_ext die Symmetrie stört.
Um die Linearität zu verbessern und den Messbereich zu vergrößern, können um den gesamten Aufbau herum angebrachte Kompensationsspulen mit einem geregelten Gleichstrom beaufschlagt werden (nicht gezeigt), so dass die in einer Sensorspule induzierte Spannung Null wird. Der Strom ist dann proportional zum externen Feld und hebt dieses auf. Der Gleichstrom wird mit einer Gegenkopplung erzeugt und ist somit zugleich das Ausgangssignal des Sensors. Auch auf diese Weise können hochsensitive Stromsensoren gebaut werden. Ein mittels einer Förster-Sonde realisierter Stromsensor hat einen besonders geringen Offsetfehler.
7, 8 und 9 zeigt Magnetfelder im Umfeld von zwei Magnetflusssensoren 104 in einem stromdurchflossenen Zustand eines nicht dargestellten Stromeinspeisungselements 122.
7 und 8 zeigen, wie auf die beiden Magnetflusssensoren 104 die durch den aufgeteilten Messstrom I erzeugten Magnetfelder B_L bzw. B_R einwirken. Hierbei können die x-Komponenten (horizontale Richtung gemäß 7 und 8) und die y-Komponenten (vertikale Richtung gemäß 7 und 8) dieser Felder betrachtet werden. Das in dem ersten Magnetflusssensor 104 erzeugte Magnetfeld B₁ ist gemäß 7 und bezogen auf die x-Richtung die Summe von B_L1x und B_R1x. 8 zeigt, dass das in dem zweiten Magnetflusssensor 104 wirkende Magnetfeld B₂ sich, bezogen auf die x-Richtung, durch die Summe von B_R1x und B_L1x zusammensetzt. Durch die Verwendung zweier identischer Magnetflusssensoren 104, die asymmetrisch montiert sind, lässt sich also eine Asymmetrie bezüglich des x-Anteils des magnetischen Feldes generieren, das durch den zu messenden Strom I erzeugt wird. Ein resultierendes Magnetfeld B₀ ergibt sich, vgl. 9, als die Summe der Einzelmagnetfelder B₁ und B₂, das heißt ergibt sich als Summe von B_L1x + B_R1x + B_R1x + B_L1X. Eine sensorempfindliche Achse ist in 7 bis 9 mit Bezugszeichen 184 dargestellt. Nochmals Bezug nehmend auf 7 und 8 sowie 9 ist mit Bezugszeichen 186 die magnetische Feldstärke auf der linken Seite der Messöffnung 108 dargestellt. Mit Bezugszeichen 188 ist entsprechend die magnetische Feldstärke auf der rechten Seite der Messöffnung 108 dargestellt. Die Verwendung zweier identischer Fluxgate-Sensoren als Magnetflusssensoren 104 in Kombination mit zwei symmetrisch an der Messöffnung 108 vorbeilaufenden Strompfaden in dem Stromeinspeisungselement 122 sorgt bei einer asymmetrischen Anordnung der Fluxgate-Sensoren für eine präzise Messbarkeit des elektrischen Stroms I. Anschaulich weisen die x-Komponenten der Felder unterschiedliche Größen auf.
Die Konfiguration des Stromeinspeisungselements 122 sowie der Messöffnung 108 erlaubt die Einstellung der Eigenschaften des Stromsensors 100. Ein breiteres Stromeinspeisungselement 122 führt zu einem größeren Messbereich. In ähnlicher Weise führt ein größerer Lochdurchmesser der Messöffnung 108 zu einem größeren Messbereich. Der Abstand zwischen den beiden Magnetflusssensoren 104 erlaubt eine höhere Auflösung, wenn der Abstand kleiner gewählt wird.
10 und 11 zeigen dreidimensionale Ansichten eines Stromsensors 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 11 ist der Stromsensor 100 gemeinsam mit einem Stromeinspeisungselement 122 dargestellt. 12 zeigt eine Draufsicht des Stromsensors 100 gemäß 10 und 11, der teilweise in dem Stromeinspeisungselement 122 aufgenommen ist. 13 zeigt den Stromsensor 100 in dem Stromeinspeisungselement 122 von 12 mit schematisch dargestellten Strompfaden.
Mit Vorteil kann die Trägerstruktur 102 eine im Wesentlichen T-förmige Gestalt haben. Ferner können an der Trägerstruktur 102 elektrisch leitfähige Kontaktelemente 106, zum Beispiel zum Bereitstellen von Messsignalen und/oder zum Zuführen von Steuersignalen, angebracht sein. Die Kontaktelemente 106 können zum Einstecken in eine korrespondierende Kontaktöffnung (siehe Bezugszeichen 196 in 14) einer als gedruckte Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis 110 eingerichtet sein.
Wie in 10 dargestellt, können weitere elektronische Bauelemente 190 an der als gedruckte Leiterplatte ausgebildeten Trägerstruktur 102 montiert sein. Beispielsweise kann ein solches elektronisches Bauelement 190 einen Temperatursensor zum Messen einer Temperatur des Stromsensors 100 während des Betriebs aufweisen. Die Bauelemente 190 können beispielsweise einen Spannungsregler, einen Mikrocontroller, einen ADC Baustein, einen Galvanische-Trennungs-/Isolationsbaustein, einen Speicher, eine Einrichtung zur Spannungsmessung, ein Kommunikationsinterface und/oder eine Schutzbeschaltung aufweisen.
Wie in 11 und 12 dargestellt ist, kann ein lokal dünnerer Abschnitt 124 der Trägerstruktur 102 in die Messöffnung 108 eingeführt sein. Genauer gesagt ist ein verschmälerter Abschnitt 124 der Trägerstruktur 102 in die Messöffnung 108 eingeführt, wohingegen ein anderer breiterer Abschnitt 125 der Trägerstruktur 102 außerhalb der Messöffnung 108 befindlich ist.
Ebenfalls in 11 dargestellt ist, dass das Stromeinspeisungselement 122 elektrisch leitfähige Kontaktelemente 136 - zum Beispiel zum Durchführen des elektrischen Stroms I - aufweist, die zum Einstecken in eine korrespondierende Kontaktöffnung 196 einer als gedruckte Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis 110 ausgebildet sein kann (vergleiche 14). Mit Vorteil kann das Stromeinspeisungselement 122 einen im Wesentlichen quaderförmigen Basiskörper 126 aufweisen. An den Basiskörper 126 kann sich ein gegenüber dem Basiskörper 126 verjüngter Anschlusskörper 128 anschließen. Möglich sind allerdings auch andere Geometrien, beispielsweise eine rechtwinklige Montage eines Anschraubelements.
Beispielsweise können das Stromeinspeisungselement 122 und der Stromsensor 100 einstückig ausgebildet sein, zum Beispiel miteinander vergossen oder verklebt sein. Dies vereinfacht die Handhabung für einen Benutzer.
Gut zu erkennen sind in 10 die räumlich asymmetrischen Montagepositionen der beiden Magnetflusssensoren 104 auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen 112, 114 der als PCB ausgebildeten Trägerstruktur 102 des Stromsensors 100. Weitere elektronische Komponenten 190, zum Beispiel ein Temperatursensor, ein Speicherbaustein, etc. können ebenfalls auf einer der beiden Hauptflächen 112, 114 montiert sein. Ferner ist eine Direktsteckvorrichtung 192 vorgesehen, von der ausgehend sich nach unten hin die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente 106 erstrecken, die in korrespondierende Aussparungen einer Montagebasis 110 (siehe beispielsweise 14) eingesteckt werden können. Dies vereinfacht die Montage des Stromsensors 100 an der Montagebasis 110, führt zu kurzen elektrischen Pfaden und daher einer hohen Signalgüte und erlaubt eine kompakte Ausgestaltung einer Anordnung 150 mit Stromsensor 100, Stromeinspeisungselement 122 und Montagebasis 110. Über die Kontaktelemente 106 können elektrische Signale transportiert werden, die von dem Stromsensor 100 im Rahmen der Strommessung und gegebenenfalls im Rahmen der Temperaturmessung erzeugt werden. Es ist auch möglich, Signale von den Steck- oder Kontaktelementen 106 zu den funktionalen Komponenten 104, 190, etc. des Stromsensors 100 zu übertragen. Die Ausgestaltung gemäß 10 kann als Stromeinspeisungselement-Inlay-Platine bezeichnet werden.
11 zeigt eine Vorrichtung 120 mit einem wie oben beschriebenen Stromeinspeisungselement 122 mit Aussparung oder Messöffnung 108, in die der als im Wesentlichen T-förmige Leiterplatte ausgebildete Stromsensor 100 mit seinem Schmalabschnitt eingeführt ist. Wird ein Strom durch das Stromeinspeisungselement 122 geführt, kann dieses von dem Stromsensor 100 kontaktfrei gemessen werden.
In 13 ist zu erkennen, wie der zu messende Strom I an der Messöffnung 108, in die ein Teil des Stromsensors 100 eingeführt ist, symmetrisch vorbeigeführt wird, das heißt in zwei in etwa gleich große Stromhälften 1/2 aufgeteilt wird. Diese Stromhälften erzeugen die oben beschriebenen Magnetfelder, die von den Magnetflusssensoren 104 erfasst werden können, um den eingespeisten Strom I zu messen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel fließt der Strom I von einer Montagebasis 110 (siehe 14) zu dem Anschlusskörper 128 des Stromeinspeisungselements 122. Von dem Anschlusskörper 128 aus kann dieser Strom an einen Abnehmer übertragen werden, zum Beispiel über einen Stromschuh oder Kabelschuh 177 der Vorrichtung 120 oder der Anordnung 150. Möglich sind allerdings auch andere Komponenten, wie Relais (beispielsweise Hochvolt-Relais) oder Sicherungen (zum Beispiel MaxiFuse) oder dergleichen. Der Kabelschuh 177 kann über dem Anschlusskörper 128 elektrisch leitfähig montiert werden, wie mit Bezugszeichen 179 angedeutet. Es ist möglich, dass der Stromfluss in einer inversen Richtung erfolgt als in 13 dargestellt.
14 zeigt eine Anordnung 150 mit einer Vorrichtung 120 zum Einspeisen und Messen eines Stroms sowie mit einer Montagebasis 110 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Den 14 dargestellte Anordnung 150 weist eine Vorrichtung 120 aus Stromsensoren 100 und zugehörigen Stromeinspeisungselementen 122 auf, die beispielsweise in der oben beschriebenen Weise ausgebildet sein können. Darüber hinaus enthält die Anordnung 150 eine vorteilhaft als gedruckte Leiterplatte ausgebildete Montagebasis 110, an der die Vorrichtung 120 angesteckt ist. Durch Ausbilden einer solchen mechanischen und gleichzeitig elektrischen Kopplung kann zwischen der Montagebasis 110 und der Vorrichtung 120 ein Strom eingespeist werden und kann dieser Strom mittels der Stromsensoren 100 gemessen werden. Insbesondere können sowohl der Stromsensor 100 als auch das Stromeinspeisungselement 122 mit der Montagebasis 110 elektrisch gekoppelt sein, genauer gesagt in die Montagebasis 110 eingesteckt sein. Hierfür können die Kontaktelemente 106, 136 in die metallisierten Kontaktöffnungen 196 der Montagebasis 110 eingesteckt werden. Der Stromsensor 100 und das Stromeinspeisungselement 122 können besonders vorteilhaft mittels Direktstecktechnik und somit buchsenfrei mit der Montagebasis 110 elektrisch gekoppelt sein, vergleiche 22.
Die in 14 dargestellte Anordnung 100 enthält zwei Stromsensoren 100 und zwei Stromeinspeisungselemente 122. Die Kontaktelemente 106, 136 der Stromsensoren 100 bzw. der Stromeinspeisungselemente 122 sind in metallisierte Durchgangslöcher oder Kontaktöffnungen 196 der als Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis 110 eingesteckt, insbesondere mittels Direktstecktechnik. Mit der in 14 dargestellten Konfiguration ist es möglich, über die Stromeinspeisungselemente 122 einen jeweiligen Strom einzuspeisen und diesen kontaktfrei mittels der Stromsensoren 100 zu messen. Mit Vorteil können Signale und Strom von der Montagebasis 110 bereitgestellt und/oder verarbeitet werden. Die in 14 dargestellte Konfiguration ist sehr kompakt und hochstromfest.
15 zeigt eine Kennlinie der Anordnung 150 gemäß 14.
Genauer gesagt zeigt 15 ein Diagramm 200 mit einer Abszisse 202, entlang der ein zu messender Strom I aufgetragen ist. Entlang einer ersten Ordinate 204 ist ein Digitalwert eines von einem jeweiligen Stromsensor 100 erfassten Sensorsignals zu erkennen. Eine zugehörige Spannung ist an einer zweiten Ordinate 206 aufgetragen. Eine erste lineare Kennlinie 208 bezieht sich auf den Digitalwert gemäß der ersten Ordinate 204. Eine zweite lineare Kennlinie 210 bezieht sich auf die Spannung gemäß der zweiten Ordinate 206. Wie 15 zu entnehmen ist, ist die Korrelation zwischen dem von dem Stromsensor 100 erfassten Messsignal und dem zu messenden Strom I mit hoher Genauigkeit linear.
16 und 17 zeigen Stromeinspeisungselemente 122 gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung mit einer jeweiligen Messöffnung 108 in einem stromdurchflossenen Zustand.
16 und 17 zeigen ein jeweiliges Stromeinspeisungselement 122 von oben, wobei gemäß 16 die Messöffnung 108 einen kreisförmigen Querschnitt mit Durchmesser D hat. Gemäß 17 ist die Messöffnung 108 als langgestreckter Schlitz der Länge L und der Breite W dargestellt, wobei L>W.
16 und 17 ist also zu entnehmen, dass die Messöffnung 108 mit sehr unterschiedlichen Geometrien ausgestaltet werden kann.
18 zeigt unterschiedliche Ansichten einer Vorrichtung 120 zum Einspeisen und Messen eines Stroms mit einem Stromsensor 100 gemäß einem gegenüber 1 anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Asymmetrie der Magnetfelddurchdringung wird gemäß 18 erreicht, indem die beiden Magnetflusssensoren 104 zwar baugleich bzw. identisch, aber antiparallel an der jeweiligen Hauptfläche 112 bzw. 114 montiert werden. Eine zugehörige sensorempfindliche Achse ist in 18 mit Bezugszeichen 184 dargestellt. 18 zeigt eine Ausführungsform, die ähnlich wie in 1 ausgebildet ist, allerdings eine vertikale Orientierung des plattenartigen Stromsensors 100 in der Messöffnung 108 parallel zu dem Messstrom I verwirklicht.
19 zeigt Magnetfelder im Umfeld von zwei Stromeinspeisungselementen 122 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. 19 stellt die Magnetfeldverhältnisse für das Ausführungsbeispiel gemäß 18 in einer 9 entsprechenden Weise dar.
20 zeigt eine Kennlinie der Vorrichtung 120 gemäß 18. 20 zeigt ein Diagramm 220, das dem Diagramm 200 gemäß 15 entspricht und dem Ausführungsbeispiel gemäß 18 und 19 zugehörig ist.
21 zeigt eine Vorrichtung 120 zum Einspeisen und Messen eines Stroms mit einem Stromsensor 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie anhand des Beispiels eines Busbars als Stromeinspeisungselement 122 gemäß 21 veranschaulicht, wird der Charakter eines stromdurchflossenen Stromeinspeisungselements 122 für eine Strommessung mittels eines Stromsensors 100 genutzt. Hierbei werden Konnektivität und Sensibilität synergistisch verbunden.
22 zeigt ein Steckelement eines Stromsensors 100 oder eines Stromeinspeisungselements 122 zum Direktsteckverbinden mit durchkontaktierten Bohrungen oder Kontaktöffnungen 196 einer Montagebasis 110. Die in der obigen Beschreibung mit Bezugszeichen 106 bzw. 136 bezeichneten Kontaktelemente des Stromsensors 100 bzw. des Stromeinspeisungselements 122 entsprechen den in 22 mit Bezugszeichen 5 dargestellten Kontaktelementen.
An dem dargestellten Steckelement sind steckbare und jeweils hochstromfähige federnde Kontaktelemente 5 vorgesehen. Diese sind an einer in 22 nicht gezeigten Leiterplatte mit durchkontaktierten Bohrungen oder Kontaktöffnungen 196 einer Montagebasis 110 anbringbar. Diese Bohrungen sind in einer geometrischen Anordnung angebracht, die einer Anordnung der Kontaktelemente 5 des Steckelements gemäß 22 entspricht. Somit sind die Bohrungen und die in sie einsteckbaren Kontaktelemente 5 aufeinander abgestimmt. Aufgrund der Dimensionen gemäß 22 (die in Millimeter angegeben sind) und aufgrund des Ausbildens dieser leitfähigen Strukturen aus niederohmigem Kupfermaterial sind die Kontaktelemente 5 hochstromfähig, das heißt sind zum Leiten eines Stroms von mindestens 10 Ampere eingerichtet. Das Steckelement kann von Hand durch Einstecken der Kontaktelemente 5 in die Bohrungen der Leiterplatte verbunden und von Hand entfernt werden. Hierfür ist eine Kraft von maximal 10 Newton pro Kontaktelement 5 ausreichend.
Aufgrund der Dimensionierung, der materiellen Ausgestaltung und der mechanischen Robustheit von mechanischen Sicherungselementen 7 ist das Steckelement gemäß 22 vibrationsrobust und erfüllt insbesondere die Anforderungen der Industrienorm ISO 16750-3 (in der zum Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung existierenden neuesten Fassung). Die mechanischen Sicherungselemente 7 verhindern ein unbeabsichtigtes Abziehen des Steckelements 5 von der Leiterplatte und schützen auch vor einem unerwünschten Lösen der elektrischen Kontaktierung zwischen den Kontaktelementen 5 und den Kontaktierungen in den Bohrungen der Leiterplatte, selbst wenn das Steckelement gemäß 22 und die zugehörige Leiterplatte in einem Fahrzeug implementiert sind, das Vibrationen des Motors und Vibrationen aufgrund der Bewegung dieses Fahrzeugs in einem unebenen Gelände auszuhalten hat.
Gemäß 22 sind die mechanischen Sicherungselemente 7 als gegenüber den Kontaktelementen 5 separate mechanische Komponenten vorgesehen, was ein kraftarmes händisches Einstecken und gleichzeitig ein vibrationsfestes Befestigen ermöglicht. Die Anordnung der Sicherungselemente 7 dient ebenfalls als Positionierhilfe zum korrekten Ausrichten des Steckelements gegenüber der Leiterplatte vor dem Einstecken der Kontaktelemente 5 in die Bohrungen, so dass ein falsches Einstecken vermieden werden kann.
Anschläge 6, die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel separat von den Kontaktelementen 5 und den mechanischen Sicherungselementen 7 vorgesehen sind, begrenzen das Einschieben der Kontaktelemente 5 in die Leiterplatte. Alle Komponenten des Steckelements gemäß 22 sind einstückig aus einem Blech durch Stanzen und Biegen hergestellt, wobei das Blech eine Dicke von mindestens 2 mm, vorzugsweise von mindestens 3 mm aufweist.
Der Blechzuschnitt gemäß 22 enthält eine Oberkante 1 und eine gegenüberliegend angeordnete Unterkante 2. Beide Kanten 1, 2 sind parallel zueinander ausgebildet. Rechts und links ist das Steckelement durch eine Seitenkante 3, 4 begrenzt. An der der Leiterplatte zugeordneten Unterkante 2 sind die Kontaktelemente 5 ausgebildet, die sich über die Unterkante 2 nach unten erstrecken und parallel zueinander verlaufen. Die Sicherungselemente 7 haben an ihren Außenseiten Widerhaken 14. Parallel zu den Seitenkanten 3, 4 weist der Blechzuschnitt Biegelinien 9 auf, in deren Verlängerung schmale Schlitze 10 angeordnet sind. Schlitze 10 sollen die Biegung erleichtern. In dem Mittelteil sind zwei von der Oberkante 1 ausgehende Schlitze 11 ausgebildet. Dadurch wird zwischen den beiden Schlitzen 11 eine Zunge 12 gebildet, die geringfügig nach innen, das heißt in Richtung zwischen die zwei äußeren Flügel, gebogen wird.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Stromsensor (100) zum Messen eines Stroms, aufweisend: eine Trägerstruktur (102); und zwei Magnetflusssensoren (104), die derart an der Trägerstruktur (102) angebracht sind, dass sie eine asymmetrische magnetische Felddurchdringung infolge eines von einem zu messenden Strom erzeugten Magnetfelds erfahren und ein für den zu messenden Strom indikatives Signal kontaktlos erzeugen, wobei die zwei Magnetflusssensoren (104) auf einander gegenüberliegenden Hauptflächen (112, 114) der Trägerstruktur (102) angebracht sind.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Trägerstruktur (102) eine Trägerplatte, insbesondere eine gedruckte Leiterplatte, ist.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, aufweisend mindestens ein an der Trägerstruktur (102) angebrachtes und mit den Magnetflusssensoren (104) elektrisch gekoppeltes Kontaktelement (106), insbesondere ausgebildet zum Einstecken in eine korrespondierende Kontaktöffnung (196) einer Montagebasis (110), weiter insbesondere einer gedruckten Leiterplatte.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zwei Magnetflusssensoren (104) zwei Förster-Sonden sind.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zwei Magnetflusssensoren (104) zum Ausbilden der asymmetrischen magnetischen Felddurchdringung auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen (112, 114) der Trägerstruktur (102) seitlich zueinander versetzt angebracht sind.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zwei Magnetflusssensoren (104) zum Ausbilden der asymmetrischen magnetischen Felddurchdringung auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen (112, 114) der Trägerstruktur (102) mit zueinander unterschiedlichen, insbesondere mit zueinander antiparallelen, sensorempfindlichen Achsen (184) angebracht sind.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jeder der Magnetflusssensoren (104) zwei periodisch in Sättigung betriebene Empfängerspulen (116) mit Spulenkern (172) aufweist.
Stromsensor (100) gemäß Anspruch 7, wobei die zwei Empfängerspulen (116) eines jeweiligen Magnetflusssensors (104) zueinander gegensinnig orientiert sind, so dass deren Signale in Abwesenheit eines von dem zu messenden Strom generierten Magnetfelds sich aufheben und in Anwesenheit eines von dem zu messenden Strom generierten Magnetfelds ein für den zu messenden Strom indikatives Signal generieren.
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend mindestens einen weiteren Magnetflusssensor (104), insbesondere mindestens zwei weitere Magnetflusssensoren (104).
Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend einen Temperatursensor (190) zum Messen einer Temperatur des Stromsensors (100), insbesondere angeordnet auf der Trägerstruktur (102).
Vorrichtung (120) zum Einspeisen und Messen eines Stroms, aufweisend: einen Stromsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10; und ein elektrisch leitfähiges Stromeinspeisungselement (122), das von dem einzuspeisenden Strom durchflossen ist und eine Messöffnung (108) aufweist, in die der Stromsensor (100) zum kontaktlosen Messen des Stroms zumindest teilweise eingebracht oder einbringbar ist.
Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 11, wobei die Messöffnung (108) in dem Stromeinspeisungselement (122) derart ausgebildet ist, dass der Strom an der Messöffnung (108) vorbei in im Wesentlichen gleich große Teilströme aufgeteilt wird, die sich hinter der Messöffnung (108) wieder vereinigen.
Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei ein Abschnitt (124) der Trägerstruktur (102) in die Messöffnung (108) eingeführt ist und ein anderer Abschnitt (125) der Trägerstruktur (102) außerhalb der Messöffnung (108) befindlich ist.
Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Stromeinspeisungselement (122) mindestens ein Kontaktelement (136), insbesondere eine vorzugsweise zweidimensionale Anordnung von Kontaktelementen (136), insbesondere zum Durchführen des Stroms, aufweist, insbesondere ausgebildet zum Einstecken in eine korrespondierende Kontaktöffnung (196) einer Montagebasis (110), weiter insbesondere einer gedruckten Leiterplatte.
Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Stromeinspeisungselement (122) einen Basiskörper (126), insbesondere einen im wesentlichen quaderförmigen Basiskörper (126), und einen sich an den Basiskörper (126) anschließenden, insbesondere gegenüber dem Basiskörper (126) verjüngten, Anschlusskörper (128) aufweist.
Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 15, wobei der Stromsensor (100) zumindest teilweise in der Messöffnung (108) in dem Basiskörper (126) angeordnet ist.
Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei der Basiskörper (126) zum Verbinden mit einer Montagebasis (110) ausgebildet ist, insbesondere zum Steckverbinden mit Kontaktöffnungen (196) einer als gedruckte Leiterplatte ausgebildeten Montagebasis (110) ausgebildet ist.
Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Anschlusskörper (128) zum Anschließen an einen Kabelschuh (177) und/oder zum Anschrauben an einen elektrischen Leiter mit Außengewinde ausgebildet ist.
Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Stromeinspeisungselement (122) als insbesondere im Wesentlichen quaderförmiges oder streifenförmiges Busbarelement ausgebildet ist.
Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei eine als Trägerplatte ausgebildete Trägerstruktur (102) zwei zueinander parallele und gegenüberliegende Hauptflächen (112, 114) aufweist, die parallel oder senkrecht zu dem einfließenden Strom orientiert sind.
Anordnung (150), aufweisend: eine Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 20; und eine Montagebasis (110), an der zumindest ein Teil der Vorrichtung (120) angebracht oder anbringbar ist, um zwischen der Montagebasis (110) und dem Stromeinspeisungselement (122) einen Strom einzuspeisen und diesen Strom mittels des Stromsensors (100) zu messen.
Anordnung (150) gemäß Anspruch 21, wobei die Montagebasis (110) eine gedruckte Leiterplatte ist.
Anordnung (150) gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei der Stromsensor (100) und/oder das Stromeinspeisungselement (122) mit der Montagebasis (110) elektrisch gekoppelt ist oder sind, insbesondere in die Montagebasis (110) eingesteckt ist oder sind.
Anordnung (150) gemäß Anspruch 23, wobei der Stromsensor (100) und/oder das Stromeinspeisungselement (122) mittels Direktstecktechnik, insbesondere buchsenfrei, mit der Montagebasis (110) elektrisch gekoppelt ist oder sind.
Anordnung (150) gemäß Anspruch 24, wobei zum elektrischen Koppeln mittels Direktstecktechnik: der Stromsensor (100) und/oder das Stromeinspeisungselement (122) ein Steckelement aufweist, das eine Mehrzahl von steckbaren hochstromfähigen Kontaktelementen (5) aufweist; und die Montagebasis (110) als Leiterplatte mit durchkontaktierten Bohrungen (196) ausgebildet ist; wobei die Bohrungen (196) in einer der Anordnung der Kontaktelemente (5) des Steckelements entsprechenden Anordnung angeordnet sind und die Bohrungen (196) und die in sie einsteckbaren Kontaktelemente (5) derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich das Steckelement von Hand durch Einstecken der Kontaktelemente (5) in die Bohrungen (196) mit der Leiterplatte verbinden und von Hand entfernen lässt, und wobei eine vibrationsrobuste mechanische Sicherung (7) gegen ein unbeabsichtigtes Abziehen des Steckelements von der Leiterplatte vorgesehen ist.
Verfahren zum Messen eines durch ein Stromeinspeisungselement (122) fließenden Stroms, aufweisend: Anordnen von zwei Magnetflusssensoren (104) derart, dass sie eine asymmetrische magnetische Felddurchdringung infolge eines von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfelds erfahren; kontaktloses Erzeugen eines für den zu messenden Strom indikativen Signals durch die Magnetflusssensoren (104); und Einspeisen des kontaktlos gemessenen Stroms in einen vorgegebenen Strompfad, insbesondere in eine Montagebasis (110) oder in das Stromeinspeisungselement (122), wobei die zwei Magnetflusssensoren (104) auf einander gegenüberliegenden Hauptflächen (112, 114) der Trägerstruktur (102) angebracht sind.
Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei das Verfahren in einem Fahrzeug durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 26 oder 27, wobei ein Strom von mindestens 10 Ampere gemessen wird, insbesondere ein Strom von mindestens 100 Ampere gemessen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Verfahren in einem Bussystem durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei bei dem Verfahren zusätzlich eine an dem Stromeinspeisungselement (122) anliegende elektrische Spannung gemessen wird und aus dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung eine Leistung ermittelt wird.
Verwendung einer Vorrichtung (120) nach einem der Ansprüche 11 bis 20 zum Einspeisen und Messen eines Stroms unter Verwendung von ein und demselben Stromeinspeisungselement (122).