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Technisches Gebiet
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Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen Stromsensor zum Erfassen eines Leckstroms von einem Ladegerät für Elektrofahrzeuge.
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Hintergrund
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Im Zuge der Entwicklung und Akzeptanz der Technologie von Elektrofahrzeugen auf den wichtigsten Automobilmärkten der Welt können Sicherheitsanforderungen an ein Elektrofahrzeug-Ladegerät, einschließlich integrierter Ladegeräte (on-board chargers) und kabelloser Ladegeräte, durch Implementierung der Norm 62752 der IEC (International Electrotechnical Commission) für IC-CPD (In-Cable Control and Protection Devices) zum Laden von Elektrofahrzeugen erfüllt werden. Die Norm IEC 62752 erfordert die Erfassung eines Leckstrom-Wertes von 6 mA bei Gleichstrom und eines Leckstrom-Wertes von 15 bis 30 mA bei Wechselstrom.
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Derzeit sind die wichtigsten Technologien für Sensoren zur Erfassung von Leckstrom bei Elektrofahrzeugen Stromerfassung mittels Fluxgate und Magnetmodulation. Bei beiden Technologien werden eine externe Schaltung sowie Magnetkernwicklungen benötigt, um den Magnetkern in den erwarteten Zustand, der Erfassen eines Leckstroms mit dem Sensor ermöglicht. Normalerweise müssen Magnetkernwicklungen eine hohe Anzahl von Windungen aufweisen, damit der Magnetkern die erwartete Bedingung erfüllt. Diese Anforderungen machen jedoch das gesamte Sensor-Erfassungssystem komplizierter und teurer.
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Eine weitere potenzielle Technologie für Erfassung von Leckstrom, die aktuell in der Automobilindustrie eingesetzt wird, ist ein Hall-Stromsensor. Der entscheidende Nachteil der Hall-Sensortechnologie besteht darin, dass der Wert des zu erfassenden Magnetflusses nicht unter 100 Gauss (oder 10 milliTesla) liegen sollte. Diese Anforderung bedeutet, dass ein Hall-Sensor nur für Erfassung hoher Ströme geeignet ist. Dazu ist anzumerken, dass der Magnetfluss für einen Sensor zum Erfassen eines Leckstroms mit einem Wert von 6 mA, wie er nach der Norm IEC 62752 erforderlich ist, bei einem Wert unter 1 Gauss liegt. Ein solcher Magnetfluss-Wert liegt außerhalb des Erfassungsbereiches eines Hall-Sensors.
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Benötigt wird daher ein verbesserter Stromsensor zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät. Ein solcher verbesserter Leckstrom-Sensor würde niedrigere Leckstrom-Werte bei geringeren Kosten erfassen.
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Zusammenfassung
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Gemäß einer im Folgenden beschriebenen, nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform wird ein Stromsensor zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät offenbart. Der Stromsensor umfasst einen Magnetkern mit einem darin ausgebildeten Spalt, einen ersten Leiter, der um den Magnetkern herum gewickelt ist und eine erste Spule bildet, einen zweiten Leiter, der um den Magnetkern herum gewickelt ist und eine zweite Spule bildet, sowie ein tunnelmagnetoresistives Sensorelement (TMR sensor element), das in dem Spalt des Magnetkerns angeordnet ist. Eine Differenz zwischen Stromfluss in dem ersten und in dem zweiten Leiter bewirkt ein Magnetfeld in dem Spalt des Magnetkerns, das proportional zu einem Leckstrom ist, und das Magnetfeld erzeugt eine Spannung in dem tunnelmagnetoresistiven Sensorelement, die einen Wert des Leckstroms anzeigt.
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Gemäß einer Weiteren im Folgenden beschriebenen, nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform wird ein Stromsensor zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät offenbart. Der Stromsensor umfasst einen Magnetkern mit einem darin ausgebildeten Spalt, wobei der Magnetkern eine Permeabilität von wenigstens 800 H/m (Henry pro Meter) hat, einen ersten Leiter, der um den Magnetkern herum gewickelt ist und eine erste Spule bildet, einen zweiten Leiter, der um den Magnetkern herum gewickelt ist und eine zweite Spule bildet, sowie ein tunnelmagnetoresistives Sensorelement, das in dem Spalt des Magnetkerns angeordnet ist. Der Stromsensor umfasst des Weiteren eine Signalaufbereitungs-Schaltung, die in elektrischer Verbindung mit dem tunnelmagnetoresistiven Sensorelement steht, sowie ein Gehäuse für die Signalaufbereitungs-Schaltung, das tunnelmagnetoresistive Sensorelement und wenigstens einen Abschnitt des Magnetkerns, in dem der Spalt ausgebildet ist. Eine Differenz zwischen Stromfluss in dem ersten und in dem zweiten Leiter bewirkt ein Magnetfeld in dem Spalt des Magnetkerns, das proportional zu einem Leckstrom ist, das Magnetfeld erzeugt eine Spannung in dem tunnelmagnetoresistiven Sensorelement, die einen Wert des Leckstroms anzeigt, und die Spannung in dem tunnelmagnetoresistiven Sensorelement kann an stromführenden Zuleitungen für die Signalaufbereitungs-Schaltung gemessen werden, die sich von dem Gehäuse aus erstrecken.
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Eine ausführliche Beschreibung dieser und anderer nicht einschränkender beispielhafter Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät wird im Folgenden zusammen mit beigefügten Zeichnungen dargestellt.
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Figurenliste
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- 1A und 1B sind vereinfachte elektrische Schaltbilder beispielhafter Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 zeigt Seitenansichten beispielhafter Ringkerne zum Einsatz in beispielhaften Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Ringkerns und von Wicklungen zum Einsatz in einer beispielhaften Ausführungsform eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 4A - 4C sind Seitenansichten beispielhafter alternativer Kerne zum Einsatz in einer beispielhaften Ausführungsform eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 5A - 5D sind verschiedene Ansichten einer beispielhaften Ausführungsform eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 6 - 9 sind Parameter-Diagramme beispielhafter Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 10A und 10B sind Spannungsmessungen für beispielhafte Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 11 ist ein vereinfachtes Schaltbild einer Signalaufbereitungs-Schaltung zum Einsatz bei beispielhaften Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 12A und 12B sind Spannungsmessungen und Ausgänge der Signalaufbereitungs-Schaltung für beispielhafte Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
- 13A und 13B sind Spannungsmessungen und Ausgänge der Signalaufbereitungs-Schaltung für beispielhafte Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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Ausführliche Beschreibung
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Im Folgenden werden, wie erforderlich, detaillierte, nicht einschränkende Ausführungsformen offengelegt. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und verschiedene alternative Formen annehmen können. Die Darstellungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht und Strukturen können vergrößert oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten, Merkmale, Einheiten, Elemente, Teile, Abschnitte oder dergleichen zu zeigen. Daher sind hier offenbarte strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als eine veranschaulichende Basis zur Vermittlung für einen Fachmann.
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Es folgt eine detailliertere Beschreibung nicht einschränkender beispielhafter Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät unter Bezugnahme auf die Figuren. Lediglich um die Darstellung zu vereinfachen und das Verständnis zu erleichtern, werden in den Darstellungen durchgehend gleiche Bezugszeichen für gleiche Komponenten und Merkmale verwendet.
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Benötigt wird, wie bereits erwähnt, ein verbesserter Stromsensor zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät. Ein solcher verbesserter Leckstrom-Sensor würde niedrigere Leckstrom-Werte bei geringeren Kosten erfassen.
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Diesbezüglich schafft, wie im Folgenden beschrieben, die vorliegende Offenbarung einen derartigen verbesserten Leckstrom-Sensor unter Berücksichtigung sowohl der Kosten als auch der zu erfassenden Leckstrom-Werte und betreffenden Magnetfluss-Werte. Im Allgemeinen kann der Leckstrom-Sensor der vorliegenden Offenbarung einen toroidförmigen Kern mit Material sehr hoher Permeabilität und einer bestimmten Durchmesser-Abmessung umfassen. Der Leckstrom-Sensor der vorliegenden Offenbarung kann auch einen tunnelmagnetoresistiven Magnet-Sensor sehr hoher Empfindlichkeit umfassen, der in einem in einem derartigen Ringkern vorhandenen Spalt angeordnet ist. Durch das Hinzufügen von Windungen auf dem Ringkern für Eingangs- und Neutral-Leiter kann der Leckstrom-Sensor der vorliegenden Offenbarung Leckströme von bis zu 30 mA bei Wechsel- und bei Gleichstrom zu geringeren Kosten erfassen.
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In 1A und 1B sind vereinfachte elektrische Schaltbilder beispielhafter Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das heißt, 1A zeigt einen Stromsensor 20 für einen Einphasen-Einsatz. Der Sensor 20 kann einen Magnetkern umfassen, der toroidförmig, E-förmig oder C-förmig sein kann. Der Sensor 20 kann auch eine Wicklung aus elektrischen Leitern in Form von Drähten, beispielsweise massiven magnetischen Drähten, mit Polypropylen-Ethylen (PPE) ummantelten Drähten, mit thermoplastischem Elastomer (TPE) ummantelten Drähten oder mit Polyvinylchlorid (PVC) ummantelten Drähten, umfassen, die verschiedene Windungszahlen haben können (nicht dargestellt). Die Drähte können einen Leitungs-Eingang 22a und einen Leitungs-Ausgang 22b sowie einen Neutral-Eingang 24a und einen Neutral-Ausgang 24b umfassen. Dabei können der Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b sowie der Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b so ausgeführt sein, dass sie einen Gleichstrom oder einen Einphasen-Wechselstrom übertragen oder leiten.
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Der Sensor 20 kann auch ein tunnelmagnetoresistives Element umfassen, das in einem Spalt angeordnet sein kann, der in dem Magnetkern ausgebildet ist (nicht dargestellt). Der Sensor 20 kann auf Basis des Stroms in dem Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b im Vergleich zu dem Strom in dem Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b eine Differenzspannung Vpositiv und Vnegativ ausgeben. Die Differenzspannung (Vpos, Vneg) kann zu einer Signalaufbereitungs-Schaltung 26 übertragen werden, die so ausgeführt sein kann, dass sie ein Differenzausgangs-Spannungssignal 28 erzeugt, das zu einer Mikrocontroller-Einheit (MCU) übertragen werden kann.
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1B zeigt einen Stromsensor 20' für einen Dreiphasen-Einsatz. Wie zu sehen ist, kann der Sensor 20' wiederum einen Magnetkern umfassen, der toroidförmig, E-förmig oder C-förmig sein kann. Der Sensor 20' kann wiederum auch eine Wicklung aus elektrischen Leitern in Form von Drähten, beispielsweise massiven magnetischen Drähten, mit PPE ummantelten Drähten, mit TPE ummantelten Drähten oder mit PVC ummantelten Drähten, umfassen, die verschiedene Windungszahlen haben können. Die Drähte können Eingang 30a von Leitung 1, Eingang 32a von Leitung 2 und Eingang 34a von Leitung 3 sowie Ausgang 30b von Leitung 1, Ausgang 32b von Leitung 2 und Ausgang 34b von Leitung 3 umfassen. Die Drähte können ebenfalls einen neutralen Eingang 36a sowie einen neutralen Ausgang 36b umfassen. Dabei können der Eingang/Ausgang 30a, 30b von Leitung 1, der Eingang/Ausgang 32a, 32b von Leitung 2, der Eingang/Ausgang 34a, 34b von Leitung 3 sowie der Eingang/Ausgang 36a, 35b der Neutral-Leitung so ausgeführt sein, dass sie einen Gleichstrom oder einen Dreiphasen-Wechselstrom übertragen oder leiten.
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Der Sensor 20' kann ebenfalls ein tunnelmagnetoresistives Sensorelement umfassen, das in einem in dem Magnetkern ausgebildeten Spalt angeordnet sein kann (nicht dargestellt). Der Sensor 20' kann auf Basis des Stroms in dem Eingang/Ausgang 30a, 30b von Leitung 1 im Vergleich zu dem Strom in dem Eingang/Ausgang 36a, 36b der Neutral-Leitung oder auf Basis des Stroms in dem Eingang/Ausgang 32a, 32b von Leitung 2 im Vergleich zu dem Strom in dem Eingang/Ausgang 36a, 36b der Neutral-Leitung oder auf Basis des Stroms in dem Eingang/Ausgang 34a, 34b von Leitung 3 im Vergleich zu dem Strom in dem Eingang/Ausgang 36a, 36b der Neutral-Leitung eine Differenzspannung Vpositiv und Vnegativ ausgeben. Die Differenzspannung (Vpos, Vneg) kann zu einer Signalaufbereitungs-Schaltung 26 übertragen werden, die so ausgeführt sein kann, dass sie ein Differenzausgangs-Spannungssignal 28 erzeugt, das zu einer Mikrocontroller-Einheit (MCU) übertragen werden kann.
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2 zeigt als nächstes Seitenansichten beispielhafter Ringkerne 40a, 40b, 40c, 40d, 40e zum Einsatz in beispielhaften Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung. Dabei können die dargestellten beispielhaften Ringkerne 40a, 40b, 40c, 40d, 40e Außendurchmesser (AD) von 15, 20, 25, 30 bzw. 35 mm haben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Ringkerne für den Einsatz in beispielhaften Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung mit Außendurchmessern von 10 bis 50 mm und vorzugsweise 25 bis 40 mm versehen sein können. Es sollte auch beachtet werden, dass die Ringkerne magnetisch sind, aus einem na-nokristallinen Material, Siliziumstahl- oder Ferritmaterial bestehen können und eine Permeabilität von 800 bis 50.000 H/m, vorzugsweise 3.200 bis 10.000 H/m, haben können. Darüber hinaus kann, wie in 2 zu sehen ist, jeder der beispielhaften Ringkerne 40a, 40b, 40c, 40d, 40e einen darin ausgebildeten Spalt 44 aufweisen, der eine Breite von 3,0 (+/- 0,5) mm, vorzugsweise 3,0 mm, haben kann.
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3 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Ringkerns 40 und von Wicklungen 52, die Spulen zum Einsatz in einer beispielhaften Ausführungsform eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung bilden. Dabei hat der dargestellte Ringkern 40 einen Außendurchmesser von 25 mm, und die Spulen 54 umfassen Windungen aus mit PPE ummantelten Drähten, mit TPE ummantelten Drähten oder mit PVC ummantelten Drähten, die als ein Leitungs-Eingang 22a und ein Leitungs-Ausgang 22b sowie als ein Neutral-Eingang 24a und ein Neutral-Ausgang 24b ausgeführt sind. Wie hier zu sehen ist, kann der Ringkern 40 einen darin ausgebildeten Spalt 44 aufweisen, und ein tunnelmagnetoresistives Sensorelement (nicht dargestellt) kann in dem Spalt 44 angeordnet sein. Wiederum kann der Spalt 44 eine Breite von 3,0 (+/- 0,5) mm, und vorzugsweise 3,0 mm, haben. Es sollte auch beachtet werden, dass die Wicklungen 52 und/oder Spulen 54 bis zu fünfzig Windungen der mit PPE, TPE oder PVC ummantelten Drähte haben oder damit versehen sein können.
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Bei weiterer Bezugnahme auf 3 und mit fortgesetztem Bezug auf 1A und 1B ist anzumerken, dass Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b einen Wechselstrom übertragen kann, der zum Laden der EV-Batterien (nicht dargestellt) genutzt wird, und der Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b einen Rück-Wechselstrom nach dem Laden der EV-Batterien übertragen kann. Eine Differenz oder Ungleichheit zwischen dem von dem Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b und dem Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b übertragenen Strom kann auf einen Wechsel- oder Gleich-Leckstrom zurückzuführen sein. Jede derartige Differenz oder Ungleichheit zwischen dem von dem Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b und dem Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b übertragenen Strom bewirkt ein Magnetfeld in dem Spalt 44 des Kerns 40, wobei dieses Magnetfeld einen Wechsel-oder Gleich-Leckstrom widerspiegelt, anzeigt oder darstellt. Wie in 3 zu sehen ist, können der Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b und der Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b jeweils mit PPE ummantelte Drähte, mit TPE ummantelte Drähte oder mit PVC ummantelte Drähte umfassen. Als Alternative dazu können der Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b und der Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b jeweils massive magnetische Drähte umfassen.
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4A - 4C zeigen als nächstes Seitenansichten beispielhafter alternativer Kerne zum Einsatz in einer beispielhaften Ausführungsform eines Stromsensors zum Erfassen eines Leck-stroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das heißt, 4A stellt einen E-förmigen nanokristallinen Schnitt-Magnetkern 60 (z. B. Siliziumstahl oder Ferrit) dar. Der Kern 60 kann mit einer Höhe von 40 (+/- 1) mm, einer Breite von 16 (+/- 0,5) mm und einer Dicke von 5 (+/- 0,3) mm versehen sein. Die oberen und unteren (oder äußersten) Schenkel 60a, 60b des Kerns 60 können mit einer Breite von 14,5 (+/- 0,5) mm versehen sein. Außerdem kann jeder der Schenkel 60a, 60b, 60c des Kerns 60 mit einer Höhe von 2,5 (+/- 0,3) mm versehen sein. Der Kern 60 kann auch eine magnetische Induktion von 1,5 Gauss haben.
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4B und 4C stellen C-förmige nanokristalline Schnitt-Magnetkerne 62 und 64 dar. Der Kern 64 kann, wie in 4B zu sehen ist, mit einer Höhe von 22 (+/- 1) mm, einer Breite von 16 (+/- 0,5) mm und einer Dicke von 5 (+/- 0,3) mm versehen sein. Der obere Schenkel 62a des Kerns 62 kann mit einer Breite von 14,5 (+/- 0,5) mm versehen sein. Darüber hinaus kann jeder der Schenkel 62a, 62b des Kerns 62 mit einer Höhe von 2,5 (+/- 0,3) mm versehen sein, und ein Abstand von 17 (+/- 0,3) mm kann zwischen ihnen vorhanden sein. Der Kern 64 kann, wie in 4C zu sehen ist, mit einer Höhe von 25 (+/- 1) mm, einer Breite von 16 (+/- 0,5) mm und einer Dicke von 5 (+/- 0,3) mm versehen sein. Der obere Schenkel 64a des Kerns 64 kann mit einer Breite von 14,5 (+/- 0,5) mm versehen sein. Jeder der Schenkel 64a, 64b des Kerns 64 kann auch mit einer Höhe von 2,5 (+/- 0,3) mm versehen sein, und ein Abstand von 20 (+/- 0,3) mm kann zwischen ihnen vorhanden sein. Jeder der Kerne 62 und 64 kann auch eine magnetische Induktion von 1,5 Gauss haben.
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In 5A - 5D sind nunmehr eine Explosions- sowie eine Unteransicht und Perspektivansichten einer beispielhaften Ausführungsform eines Stromsensors 20 zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Der Sensor 20 kann, wie dabei zu sehen ist, einen magnetischen Ringkern 40 mit einem darin ausgebildeten Spalt 44 umfassen. Der Sensor kann des Weiteren ein tunnelmagnetoresistives Sensorelement 58 sowie eine Signalaufbereitungs-Schaltung 26 umfassen, die jeweils auf einer Leiterplatte 70 montiert sein und in elektrischer Verbindung miteinander stehen können.
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Der Sensor 20 kann auch ein Gehäuse 72 umfassen, das einen Boden 74 und eine Abdeckung 76 (in Röntgendarstellung gezeigt) umfassen kann. Das Gehäuse 72 kann so ausgeführt sein, dass es die Leiterplatte 70 einschließlich des tunnelmagnetoresistiven Sensorelementes 58 und der darauf montierten Signalaufbereitungs-Schaltung 26, sowie wenigstens einen Abschnitt des Kerns 40 mit dem darin ausgebildeten Spalt 44 aufnimmt. Das Gehäuse 72 einschließlich des Bodens 74 und der Abdeckung 76 kann auch ein Material umfassen, das geeignet ist, magnetische Abschirmung an dem tunnelmagnetoresistiven Sensorelement 58 oder für dieses zu bilden.
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Der Sensor 20 kann, wie weiterhin unter Bezugnahme auf 5A - 5D zu sehen ist, Spulen-Zuleitungen 80 umfassen, die Zuleitung 82a des Leitungs-Eingangs, Zuleitung 82b des Leitungs-Ausgangs, Zuleitung 84a des Neutral-Eingangs sowie Zuleitung 84b des Neutral-Ausgangs einschließen, die in Gehäuse 72 montiert sein und sich durch dieses erstrecken können. Wie bereits in Verbindung mit 3 beschrieben, können Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b und Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b um Kern 40 herum gewickelt werden. Dabei kann Leitungs-Eingang 22a mit einem ersten Ende von Zuleitung 82a des Leitungs-Eingangs verbunden sein und kann Leitungs-Ausgang 22b mit einem ersten Ende von Zuleitung 82b des Leitungs-Ausgangs verbunden werden. Desgleichen kann Neutral-Eingang 24a mit einem ersten Ende von Zuleitung 84a des Neutral-Eingangs verbunden werden, und kann Neutral-Ausgang 24b mit einem ersten Ende von Zuleitung 84b des Neutral-Ausgangs verbunden werden. Jedes der zweiten Enden der Zuleitung 82a des Leitungs-Eingangs, der Zuleitung 82b des Leitungs-Ausgangs, der Zuleitung 84a des Neutral-Eingangs sowie der Zuleitung 84b des Neutral-Ausgangs kann mit Leitern des Leitungs-Eingangs, des Leitungs-Ausgangs, des Neutral-Eingangs bzw. des Neutral-Ausgangs von dem Elektrofahrzeug (nicht dargestellt) verbunden werden.
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Der Stromsensor 20 zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät, wie er hier beschrieben wird, kann daher einen Magnetkern 40 mit einem darin ausgebildeten Spalt 44, einen ersten Leiter 22a, 22b, der um den Magnetkern 40 herum gewickelt ist und eine erste Spule bildet, einen zweiten Leiter 24a, 24b, der um den Magnetkern 40 herum gewickelt ist und eine zweite Spule bildet, sowie ein tunnelmagnetoresistives Sensorelement 58 umfassen, das in dem Spalt 44 des Magnetkerns 40 angeordnet ist. Eine Differenz zwischen Stromfluss in dem ersten Leiter 22a, 22b und dem zweiten Leiter 24a, 24b bewirkt ein Magnetfeld in dem Spalt 44 des Magnetkerns 40, das proportional zu einem Leckstrom ist, und das Magnetfeld erzeugt eine Spannung in dem tunnelmagnetoresistiven Sensorelement 58, die einen Wert des Leckstroms widerspiegelt, darstellt oder anzeigt. Der erfasste Leckstrom kann ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom mit einem Wert von bis zu 30 mA sein.
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Die Signalaufbereitungs-Schaltung 26 kann auch mit stromführenden Zuleitungen 86 versehen sein. Die stromführenden Zuleitungen 86 können so ausgeführt sein, dass sie die Signalaufbereitungs-Schaltung 26 mit Strom versorgen und Ausgangssignale von der Signalaufbereitungs-Schaltung 26 übertragen, die den Wert eines durch den Stromsensor 20 er-fassten Leckstroms widerspiegeln, anzeigen oder darstellen. Die stromführenden Zuleitungen 86 der Signalaufbereitungs-Schaltung 86 können, wie in 5A und 5D am besten zu sehen ist, so ausgeführt sein, dass sie durch die Leiterplatte 70 und den Boden 74 des Gehäuses 72 hindurch verlaufen. Dabei kann die Signalaufbereitungs-Schaltung 26 auf Basis der Spannung, die in dem tunnelmagnetoresistiven Sensorelement 58 durch das Magnetfeld erzeugt wird, das in dem Spalt 44 des Kerns 40 durch die Differenz zwischen Stromfluss in dem ersten Leiter 22a, 22b und dem zweiten Leiter 24a, 24b bewirkt wird, ein Differenzausgangs-Spannungssignal 28 erzeugen, das den Wert des Leckstroms widerspiegelt, anzeigt oder darstellt. Das Differenzausgangs-Spannungssignal 28 kann seinerseits an stromführenden Zuleitungen 86 für die Signalaufbereitungs-Schaltung 26 gemessen werden, die von dem Boden 74 des Gehäuses 72 ausgehen.
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In 6 - 9 sind Parameter-Diagramme beispielhafter Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass der in 2, 3 sowie 5A - 5D gezeigte und im Zusammenhang damit beschriebene Magnetkern 40 groß genug sein sollte, um Wickeln der massiven magnetischen Drähte, der mit PPE ummantelten Drähte, der mit TPE ummantelten Drähte oder der mit PVC ummantelten Drähte um den Kern 40 herum zu ermöglichen, jedoch klein genug, um zu verhindern, dass die Magnetfelder (die durch eine Strom-Differenz oder -Ungleichheit aufgrund eines Leckstroms erzeugt werden) auf Werte abfallen, die nicht gemessen oder erfasst werden können.
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In diesem Zusammenhang stellt 6 Ausgangsspannungen des Leckstrom-Sensors für Ringkerne mit verschiedenen Durchmessern, d. h. für einen Kern mit einem Außendurchmesser von 25 mm (untere Kurve) und einen Kern mit einem Außendurchmesser von 40 mm (obere Kurve), dar. Wie hier zu sehen ist, hat ein Sensorkern mit einem Außen-durchmesser von 25 mm bei einem Leckstrom von ungefähr 6 mA Gleichstrom eine Ausgangsspannung des Leckstrom-Sensors von ungefähr 19 kV, und hat ein Sensorkern mit einem Außendurchmesser von 40 mm eine Ausgangsspannung des Leckstrom-Sensors von ungefähr 59 mV. Das heißt, bei einem Leckstrom von ungefähr 6 mA Gleichstrom ist bei potentiellen Sensorkern-Durchmessern von 25 bis 40 mm eine Ausgangsspannung des Leckstrom-Sensors im Bereich von 19 bis 59 Millivolt zu erwarten. Derartige Werte der Ausgangsspannung sind ausreichend hoch, um von einer Operationsverstärker-Signalaufbereitungs-Schaltung erfasst werden zu können.
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Theoretisch ist ein Ringkern auch die beste Form zum Verstärken des Magnetfeldes. 7 veranschaulicht Änderung des Magnetflusses in Ringkernen in Abhängigkeit vom Radius des Kerns. Dabei sind drei Paare von Ringkern-Konfigurationen grafisch dargestellt. Bei jedem Paar hat ein Kern keinen Spalt und hat der andere Kern einen Spalt von 3 mm. Andere Eigenschaften sind für beide Kerne bei jedem Paar gleich, beispielsweise die Anzahl der Spulenwindungen (d. h. 10) und die Permeabilität (z. B. 3200, 8000, 10000 H/m). Wie zu sehen ist, fällt der Wert des Magnetflusses sehr schnell ab, wenn der Kernradius für alle Kerne ohne Spalt von 10 auf 35 Millimeter vergrößert wird. Bei allen Ringkernen mit Spalt ändert sich dieses Verhalten jedoch, und Änderung des Magnetflusses ist relativ stabil, wenn der Kernradius von 10 auf 35 Millimeter vergrößert wird. Das heißt, bei einem Spalt von 3 mm in den Ringkernen wird der Magnetfluss im Inneren des Kerns nur um (a) 1,6 % reduziert, wenn die Permeabilität 3200 H/m beträgt und sich der Kernradius von 10 auf 35 mm ändert; um (b) 0,65 % reduziert, wenn die Permeabilität 8000 H/m beträgt und sich der Kernradius von 10 auf 35 mm ändert; und um (c) 0,52 % reduziert, wenn die Permeabilität 10.000 H/m beträgt und sich der Kernradius von 10 auf 35 mm ändert. Diese Ergebnisse ermöglichen es, den Magnetfluss im Inneren eines Ringkerns mit Spalt durch Vergrößerung des Ringkern-Durchmessers unverändert oder konstant zu halten.
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Der Durchmesser des Ringkerns kann auch vergrößert werden, um den Magnetfluss im Inneren des Ringkerns zu verstärken. Dieser Effekt macht es möglich, Einphasen- und Dreiphasen-Leckstrom-Sensoren für hohe Leistung auszulegen. 8 veranschaulicht in diesem Zusammenhang Änderung des Magnetflusses bei einer erhöhten Anzahl von Windungen in einer Spule und Ringkernen mit größerem Durchmesser. Wie zu sehen ist, nimmt bei Ringkernen mit einem darin ausgebildeten Spalt von 3 mm Änderung des Magnetflusses erheblich zu, wenn der Außendurchmesser des Kerns von 10 auf 35 Millimeter vergrößert wird. Diese Zunahmen gleichen sich für Ringkerne mit Permeabilitäten von 3200, 8000 und 10000 H/m.
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9 veranschaulicht Änderungen des Spalt-Magnetflusses für Ringkerne, in denen Spalte von 3 mm einer Toleranz zwischen 2,5 und 3,5 mm ausgebildet sind. Wie zu sehen ist, bleiben bei Ringkernen mit Permeabilitäten von 900, 3200, 8000 und 10000 H/m und Spalten von 2,5 bis 3,0 mm Änderungen des Spalt-Magnetflusses relativ konstant zwischen etwa 18% und 20%, wenn der Außendurchmesser des Kerns von 10 auf 35 Millimeter vergrößert wird. Desgleichen bleiben bei Ringkernen mit Permeabilitäten von 900, 3200, 8000 und 10000 H/m und Spalten von 3,0 bis 3,5 mm Änderungen des Spalt-Magnetflusses relativ konstant zwischen etwa -13% und -14%, wenn der Außendurchmesser des Kerns von 10 auf 35 Millimeter vergrößert wird.
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Im Folgenden wird auf 10A und 10B Bezug genommen, in denen Spannungsmessungen für beispielhafte Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt sind. Das heißt, 10A zeigt Kurven der Ausgangsspannung des Leckstrom-Sensors für einen Gleich-Leckstrom von 5,9 mA, erfasst mit einem Sensor, der einen Ringkern mit einem Außendurchmesser von 25 mm aufweist. 10B zeigt Kurven der Ausgangsspannung des Leckstrom-Sensors für einen Wechsel-Leckstrom von 10 mA (bei 50 Hz), erfasst mit einem Sensor, der einen Ringkern mit einem Außendurchmesser von 25 mm aufweist.
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11 ist ein vereinfachtes Schaltbild einer Signalaufbereitungs-Schaltung 26 zum Ein-satz bei beispielhaften Ausführungsformen eines Stromsensors 20 zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung. 12A, 12B, 13A und 13B sind Spannungsmessungen und Ausgänge von Signalaufbereitungs-Schaltungen für beispielhafte Ausführungsformen eines Stromsensors 20 zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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Dabei kann die in 11 gezeigte Signalaufbereitungs-Schaltung 26 einen von Texas Instruments hergestellten Doppel-Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Eingang und -Ausgang vom Typ TLV9052 umfassen. Ein Leckstrom in einem Elektrofahrzeug-Ladegerät von 2,73 mA Gleichstrom kann bewirken, dass Sensor 20 einen in 12A gezeigten Differenzausgang 102 erzeugt. Die Signalaufbereitungs-Schaltung 26 in 11 kann unter Einsatz von Operationsverstärkern 100 so ausgeführt werden, dass sie einen in 12A gezeigten Ausgang 104 erzeugt, der diesen Leckstrom von 2,73 mA Gleichstrom widerspiegelt, darstellt oder anzeigt. Desgleichen kann ein Leckstrom in einem Elektrofahrzeug-Ladegerät von 5,5 mA Gleichstrom bewirken, dass Sensor 20 einen in 12B gezeigten Differenzausgang 106 erzeugt. Die Signalaufbereitungs-Schaltung 26 in 11 kann unter Einsatz von Operationsverstärkern 100 so ausgeführt werden, dass sie einen in 12B gezeigten Ausgang 108 erzeugt, der diesen Leckstrom von 5,5 mA Gleichstrom widerspiegelt, darstellt oder anzeigt. Dabei können die Differenzausgänge 102, 106 eine Differenz oder Ungleichheit zwischen dem von Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b und dem von Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b geleiteten Strom widerspiegeln, darstellen oder anzeigen, wobei die Differenz oder Ungleichheit aus einem Gleich-Leckstrom resultieren kann. (siehe 1A). Wiederum erzeugt jede derartige Differenz oder Ungleichheit zwischen dem von dem Leitungs-Eingang/Ausgang 22a, 22b und dem Neutral-Eingang/Ausgang 24a, 24b geleiteten Strom ein Magnetfeld in dem Spalt 44 des Kerns 40, wobei dieses Magnetfeld einen Gleich-Leckstrom widerspiegelt, anzeigt oder darstellt. (siehe 1A, 3)
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Ein Leckstrom in einem EV-Ladegerät von 9,1 mA Wechselstrom (bei 50 Hz) kann, wie in 13A gezeigt, bewirken, dass Sensor 20 einen Differenzausgang 110 erzeugt. Die Signalaufbereitungs-Schaltung 26 in 11 kann unter Einsatz von Operationsverstärkern 100 so ausgeführt werden, dass sie einen in 13A gezeigten Ausgang 112 erzeugt, der diesen Leckstrom von 2,73 mA Gleichstrom widerspiegelt, darstellt oder anzeigt. Desgleichen kann ein Leckstrom in einem Elektrofahrzeug-Ladegerät von 2,73 mA Gleichstrom plus 3,64 mA Wechselstrom bewirken, dass Sensor 20 einen in 13B gezeigten Differenzausgang 114 erzeugt. Die Signalaufbereitungs-Schaltung 26 in 11 kann unter Einsatz von Operationsverstärkern 100 so ausgeführt werden, dass sie einen in 13B gezeigten Ausgang 116 erzeugt, der diesen Leckstrom von 2,73 mA Gleichstrom plus 3,64 mA Wechselstrom widerspiegelt, darstellt oder anzeigt. Dabei können die Differenzausgänge 110, 114 eine Differenz oder Ungleichheit zwischen den Strömen, die von Leitungs-Eingang/Ausgang 30a, 30b (und/oder Leitungs-Eingang/Ausgang 32a, 32b und/oder Leitungs-Eingang/Ausgang 34a, 34b) und von dem Neutral-Eingang/Ausgang 36a, 36b geleitet werden, widerspiegeln, darstellen oder anzeigen, wobei diese Differenz/en oder Ungleichheit/en aus einem Wechsel- und/oder Gleich-Leckstrom resultieren kann/können. (Siehe 1B) Wiederum erzeugt/erzeugen eine derartige/derartige Differenz/en oder Ungleichheit/en zwischen den Strömen, die von Leitungs-Eingang/Ausgang 30a, 30b (und/oder Leitungs-Eingang/Ausgang 32a, 32b und/oder Leitungs-Eingang/Ausgang 34a, 34b) und dem Neutral-Eingang/Ausgang 36a, 36b geleitet werden, ein Magnetfeld in dem Spalt 44 des Kerns 40, wobei dieses Magnetfeld einen Wechsel- und/oder Gleich-Leckstrom widerspiegelt, anzeigt oder darstellt. (Siehe 1B, 3)
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Wie aus dem Obenstehenden leicht ersichtlich ist, sind verschiedene nicht einschränkende Ausführungsformen eines Stromsensors zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät beschrieben worden. Mit diesen Ausführungsformen wird ein verbesserter Stromsensor zum Erfassen eines Leckstroms von einem Elektrofahrzeug-Ladegerät geschaffen, der so ausgeführt ist, dass er niedrigere Leckstrom-Werte bei geringeren Kosten erfasst.
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Obwohl hier verschiedene Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, stellen diese lediglich Beispiele dar, und mit diesen sollen nicht alle Ausführungsformen dargestellt und beschrieben sein, die möglich sind. Vielmehr sind die hier verwendeten Formulierungen beschreibende und keine beschränkenden Formulierungen, und es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der folgenden Ansprüche abzuweichen.
