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Stand der Technik
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In vielen technischen Bereichen kommen Stromsensoren zum Einsatz. Derartige Sensoren erfassen einen durch einen Leiter fließenden elektrischen Strom.
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Die vorliegende Erfindung wird ohne Beschränkung darauf in Zusammenhang mit einem Sensor zum Erfassen eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms im kraftfahrzeugtechnischen Bereich beschrieben. In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen elektrische Energiespeicher zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt bzw. als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batterien Verwendung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch unabhängig von der Bauweise des elektrochemischen Energiespeichers. Denkbar wäre ebenfalls die Strommessung in einem Brennstoffzellensystem.
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Stromsensoren für elektrifizierte Antriebsstränge dienen der Energiebilanzierung, bzw. der Überwachung von Leistungen. Diese Erfindung eignet sich insbesondere aber nicht ausschließlich für hochvolttaugliche Batteriestromsensoren, die vorrangig den Ladezustand (State of Charge, SOC) der Traktionsbatterie in elektrifizierten Fahrzeugen überwacht. Die korrekte Berechnung des SOC ist sicherheitsrelevant. Ebenfalls ist eine Überstromerkennung sicherheitsrelevant und maßgebliche Aufgabe des Stromsensors. Anwendungen der Erfindung in anderen Bereichen, wie z.B. Messung des Inverterstroms oder Ströme in den DC/DC-Wandlern sind ebenfalls denkbar. Gleichfalls kann die Erfindung außerhalb des elektrifizierten Antriebsstrangs bspw. in anderen Branchen wie Industriesensoren, Luft-& Raumfahrt oder Medizintechnik eingesetzt werden.
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Zumeist wird mittels Präzisionswiderstand (Shunt) direkt der Spannungsabfall und damit errechenbar der Strom erfasst. Ebenfalls sehr häufig sind Hall-Sensoren, die das Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters indirekt messen. Weiterhin gibt es hochpräzise Magnetfeldsensoren basierend auf dem Fluxgate-Prinzip. Dieses Prinzip bietet gegenüber Hallsensoren den Vorteil einer höheren Genauigkeit und eines gleichzeitig weiten Strommessbereichs. Hier sind insbesondere 0,5% bis 0,3% Genauigkeit bei Messbereichen von -500A bis +500A mit automotivetauglichen Großserienprodukten möglich. Erweiterungen des Messbereichs auf bis zu +/-2000 A sind möglich.
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In der Regel wird innerhalb der Sensoren keine Signalplausibilisierung durch unabhängige Signale durchgeführt. Jedoch gehören interne, redundante Signalauswertungen zum Stand der Technik. Hierbei wir das Signal mit genau einem physikalischen (Mess-)Wandler redundant ausgewertet. Zumeist kommen für die Messung von Gleichströmen widerstandsbasierte Verfahren (Shunt) oder Magnetfeldsensoren wie Hall oder xMR zum Einsatz. Der Überbegriff xMR umfasst alle bekannten magnetoresistiven Verfahren. Weiterhin stellen sogenannte Förster-Sonden, die auch als Fluxgate-Sensoren bekannt sind, ein Messprinzip dar, das sich zur Strommessung in Serienanwendungen etabliert hat. Alle genannten Verfahren eignen sich ebenfalls zur Messung von Wechselfeldern eines Gleichstromleiters bzw. der zugehörigen Magnetfelder. Alle genannten Verfahren außer der widerstandsbasierten Messung sind magnetfeldbasierte Verfahren, die berührungslos arbeiten.
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Aus Kostengründen erfolgt der Aufbau eines solchen Sensors meist mit genau einem für den jeweiligen Anwendungsfall (kosten-)optimalen Messprinzip. Jedoch kann im Fehlerfall des Sensors nicht garantiert werden, dass das fehlerhaft ausgegebene Sensorsignal vom übergeordneten System (z.B. Steuergerät) erkannt wird. Je nach Gesamtsystemaufbau kann es aus Sicht der Funktionalen Sicherheit (vgl. IS026262) erforderlich sein, eine Fehlererkennung zu implementieren. Eine derartige Erkennung ist beispielsweise über Signalplausibilisierung möglich. Diese wiederum benötigt für höhere Absicherungslevel (insb. ASIL-D) mindestens zwei unabhängige Signale, die innerhalb vorzugebender Toleranzen übereinstimmen müssen. Bei größeren Abweichungen wird ein fehlerhaftes Signal diagnostiziert und an das übergeordnete System gemeldet, sodass ein sicherer Zustand eingenommen werden kann.
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Die
DE 10 2011 088 893 A1 beschreibt eine Strommessschaltung zur redundanten Messung elektrischen Stroms mit einem Messwiderstand, einem Magnetfeldsensor und einer Auswerteschaltung auf einer Auswerteschaltungsplatine, wobei die Auswerteschaltung zur Bestimmung des elektrischen Stroms mit Hilfe des Messwiderstands dient. Dabei sind der zweite Magnetfeldsensor auf der Auswerteschaltungsplatine und die Auswerteschaltungsplatine in unmittelbarer Nähe des Messwiderstands angeordnet, so dass der zweite Magnetfeldsensor das Magnetfeld des stromdurchflossenen Messwiderstands erfassen kann. Das zweite - indirekte - Verfahren dient somit zur Plausibilisierung des ersten - direkten - Verfahrens.
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Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungsbedarf. So werden zunehmend für die Stromsensoren hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit nach ISO26262 vom Markt gefordert. ASIL-A bis hin zu ASIL-D sind gängige Kundenanforderungen, die jedoch häufig nicht bedient werden können, da die Sensorentwicklung sich in der Vergangenheit weniger auf mobile Anwendungen konzentriert hat, da der Markt in der Vergangenheit eher klein war und somit Automotive-Sicherheitsanforderungen weniger wichtig waren. Mit der rasanten Entwicklung der alternativen Antriebe von Hybrid über rein elektrisch bis hin zu Brennstoffzellen-Antriebssträngen ergibt sich künftig großer Bedarf an speziellen Automotive-Lösungen zur Strommessung.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Sensorsystem zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensoren und Sensorsysteme zumindest weitgehend vermeidet und eine homogene Redundanz bildet und somit für die funktionale Sicherheit eine unabhängige Strommessung ermöglicht.
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Ein erfindungsgemäßes Sensorsystem zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms umfasst mindestens einen Stromteiler, der zum Teilen des Leiters in mindestens einen ersten Leitungspfad und einen zweiten Leitungspfad ausgebildet ist. Das Sensorsystem umfasst weiterhin einen ersten Stromsensor, der zum Anordnen an einer ersten Messstelle in dem ersten Leitungspfad ausgebildet ist, wobei der erste Stromsensor ausgebildet ist zum Erfassen eines durch den ersten Leitungspfad fließenden ersten Anteil des Stroms und zum Ausgeben eines ersten Signals, das den durch den ersten Leitungspfad fließenden ersten Anteil des Stroms anzeigt. Das Sensorsystem umfasst weiterhin einen zweiten Stromsensor, der zum Anordnen an einer zweiten Messstelle in dem zweiten Leitungspfad ausgebildet ist, wobei der zweite Stromsensor ausgebildet ist zum Erfassen eines durch den zweiten Leitungspfad fließenden zweiten Anteil des Stroms und zum Ausgeben eines zweiten Signals, das den durch den zweiten Leitungspfad fließenden zweiten Anteil des Stroms anzeigt. Das Sensorsystem umfasst weiterhin eine Auswerteschaltung, die zum Erfassen des ersten Signals und des zweiten Signals ausgebildet ist, wobei die Auswerteschaltung zum Ermitteln des durch den Leiter fließenden Stroms basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal ausgebildet ist.
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Somit wird eine Anordnung von mindestens zwei in Serie gefertigten Sensoren vorgeschlagen, die aufgrund der neuartigen Anordnung nach einem Stromteiler eine homogene Redundanz bildet und somit für die funktionale Sicherheit eine unabhängige Strommessung ermöglichen. Die beiden unabhängig gewonnenen Signale erfassen dabei Ströme, die kleiner sind als der durch den Leiter fließende Gesamtstrom. Durch die robuste und in der Praxis unveränderlichen Querschnittsverhältnisse dieser Hochvoltstromleitungen ergibt sich eine Reduzierung des maximal zu messenden Stromes. Aufgrund dieser Aufteilung des Messbereichs auf zwei Messstellen mit verringerter Stromstärke ergibt sich die Möglichkeit bestehende Sensoren für leistungsstärkere Anwendungen einzusetzen, ohne den Strommessbereich des Sensors erweitern zu müssen. Gleichzeitig bietet sich der Vorteil der redundanten Messung mit unabhängiger Signalauswertung innerhalb der beiden Sensoren, womit höhere Sicherheitsziele erreicht werden können. Es können Sensoren eingesetzt werden, die eigentlich nur für einen kleineren Messbereich von Interesse wären. Z.B. können bestehende +/-500A Sensoren nun bis zu +/-1000A (vor Stromteiler) eingesetzt werden. Insb. sind Sensoren mit kleineren Messbereichen bereits kostengünstiger, da etablierter und weiter verbreitet, am Markt verfügbar. Somit kann die kostenintensive Weiterentwicklung des Sensors für bspw. +/-1000A umgangen werden. Der wirtschaftliche Nachteil der Sensorredundanz wird dadurch gemindert oder ggf. überkompensiert, dass ohnehin eine unabhängige Auswertung zwecks Plausibilisierung insb. für ASIL-D notwendig wäre.
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Die Auswerteschaltung kann zum Ermitteln des durch den Leiter fließenden Stroms mittels Addition des ersten Anteils des Stroms und des zweiten Anteils des Stroms ausgebildet sein. Durch beide Teilpfade fließt dabei ein Strom im Verhältnis zum Gesamtquerschnitt. Die Summe der Ströme durch alle Teilpfade entspricht dem Gesamtstrom vor dem Stromteiler. Somit lässt sich der Gesamtstrom durch einfache Addition ermitteln.
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Der erste Leitungspfad und der zweite Leitungspfad können sich hinsichtlich ihrer Orientierung voneinander unterscheiden. Entsprechend kann es sich bei den Leitungspfaden um physisch unterschiedliche Leitungsabschnitte und nicht um dieselbe Leitung handeln.
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Die Auswerteschaltung kann zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit des erstens Stromsensors und des zweiten Stromsensors mittels Vergleichens des ersten Signals und des zweiten Signals ausgebildet ist. Das übergeordnete System beispielsweise eines Fahrzeugs, i.d.R. Steuergerät, erfasst beide Stromgrößen und addiert diese, womit der benötigte Gesamtstrom erfasst wird. Bei Abweichung beider Signale ist von einer Fehlfunktion einer der beiden Sensoren auszugehen, sodass ein sicherer Zustand eingenommen werden kann sowie eine Fehlermeldung ausgegeben werden kann.
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Bevorzugt weisen der erste Leitungspfad und der zweite Leitungspfad identische Innenwiderstände auf. Vorteilhaft sind gleiche Querschnitte der Teilpfade, da durch diese gleich große Ströme fließen. Die beiden unabhängig gewonnenen Signale erfassen dabei insbesondere gleiche Ströme, wenn der Stromteiler mit gleichem Innenwiderstand, also insbesondere gleichem Querschnitt aufgebaut wird. Aufgrund dieser Aufteilung des Messbereichs auf zwei Messstellen mit halber Stromstärke ergibt sich die Möglichkeit bestehende Sensoren für leistungsstärkere Anwendungen einzusetzen, ohne den Strommessbereich des Sensors erweitern zu müssen.
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Der erste Stromsensor und der zweite Stromsensor können grundsätzlich ein Hall-Sensor, ein Shunt-Sensor oder ein Magnetfeldsensor sein. Bevorzugt ist der Magnetfeldsensor ein Fluxgate-Sensor. Man beachte jedoch, dass eine Aufbauform des Sensorsystems mit Shunt-Sensor das Risiko birgt, dass bei Versagen des Sensorelements sich das Widerstandsverhältnis ändert. Dies kann ggf. nicht erkannt werden. Bei magnetfeldbasierten Sensoren ist hingegen eine ungewollte Beeinflussung des Leiters praktisch nicht gegeben.
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Der erste Stromsensor und der zweite Stromsensor Stromsensoren können von identischer Bauart sein. Alternativ können der erste Stromsensor und der zweite Stromsensor Stromsensoren von unterschiedlicher Bauart sein. Somit sind verschiedene Redundanz-Kombinationen für die Stromsensoren möglich. Diese sind beispielsweise Stromteiler mit homogener Redundanz zweier Hall-Sensoren, Stromteiler mit homogener Redundanz zweier Shunt-Sensoren, Stromteiler mit inhomogener Redundanz durch Verwendung von Hall- und Fluxgate-Sensor oder Stromteiler mit inhomogener Redundanz durch Verwendung von Shunt- und Fluxgate-Sensor.
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Der erste Stromsensor und der zweite Stromsensor können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Damit wird eine kompakte Anordnung der Stromsensoren realisiert. Außerdem kann eine integrierte Plausibilisierung der Signale vorgenommen werden.
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Der Stromteiler kann zum Teilen des Leiters in den ersten Leitungspfad, in den zweiten Leitungspfad und in mindestens einen dritten Leitungspfad ausgebildet sein. Der Leiter kann somit in zwei oder mehr Pfade geteilt werden. So kann beispielsweise dreigeteilter Stromleiter mit zwei Stromsensoren an beliebigen zwei der drei Leiter realisiert werden. Der Gesamtstrom ist berechenbar aus bekannten Innenwiderständen der drei Leiter in Form eines Summenstroms. Auch ist eine funktionale Sicherheit gegeben durch zwei Signale, die gegenseitig plausibilisiert werden. Abweichungen der Signale voneinander deuten auf Sensorfehlfunktion hin, da die Widerstandsverhältnisse im Leiter in der Praxis konstant bleiben.
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Das Sensorsystem kann weiterhin einen dritten Stromsensor umfassen, der zum Anordnen an einer dritten Messstelle in dem dritten Leitungspfad ausgebildet ist, wobei der dritte Stromsensor ausgebildet sein kann zum Erfassen eines durch den dritten Leitungspfad fließenden dritten Anteil des Stroms und zum Ausgeben eines dritten Signals, das den durch den dritten Leitungspfad fließenden dritten Anteil des Stroms anzeigt. Die Auswerteschaltung kann weiterhin zum Erfassen des dritten Signals ausgebildet sein, wobei die Auswerteschaltung zum Ermitteln des durch den Leiter fließenden Stroms basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal ausgebildet sein kann. Beispielsweise können drei Sensoren in Nischenanwendungen sinnvoll sein, wo geringe Stückzahlen keine Weiterentwicklung des Sensormessbereichs nicht wirtschaftlich erscheinen lassen. Bspw. könnte eine Bahnanwendung +/-1500A erfordern und auf einen dreigeteilten Leiter mit drei +/-500A Sensoren zurückgreifen. Die dreigeteilte Leiteranordnung kann dennoch mit nur zwei +/-500A Sensoren den Summenstrom von bis zu +/-1500A erfassen.
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Der Leiter kann ein Hochvoltstromleiter sein. Derartige Leiter benötigen normalerweise Stromsensoren mit einem großen Messbereich, die vergleichsweise teuer sind. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Stromsensoren können Sensoren eingesetzt werden, die eigentlich nur für einen kleineren Messbereich von Interesse wären. Z.B. können bestehende +/-500A Sensoren nun bis zu +/-1000A (vor Stromteiler) eingesetzt werden. Insb. sind Sensoren mit kleineren Messbereichen bereits kostengünstiger, da etablierter und weiter verbreitet, am Markt verfügbar. Somit kann die kostenintensive Weiterentwicklung des Sensors für bspw. +/-1000A umgangen werden.
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Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug oder ein elektrisches Gerät vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug oder das elektrische Gerät weist eine Batterie und ein erfindungsgemäßes Sensorsystem gemäß den vorstehenden oder nachstehenden Ausführungen auf.
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Unter einem Sensorsystem ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Anordnung zu verstehen, die zwei oder mehr Stromsensoren aufweist. Zusätzlich weist das Sensorsystem eine Auswerteschaltung auf.
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Unter einem Stromteiler ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Parallelschaltung aus passiven elektrischen oder magnetischen Zweipolen zu verstehen, durch die ein elektrischer Strom bzw. ein magnetischer Fluss in mehrere Teilströme/-flüsse aufgeteilt wird. Zur einfachen Berechnung der Teilströme bietet sich die Stromteilerregel an. Diese Regel gilt nur, wenn alle Zweige, auf die sich der Gesamtstrom aufteilt, passiv sind. Bei Gleichstrom sind dies ohmsche Widerstände. Bei Wechselstrom wären zusätzlich Kondensatoren (kapazitiver Stromteiler) und Spulen (induktiver Stromteiler) möglich. In magnetischen Schaltungen gibt es nur magnetische Widerstände. Sobald aktive Bauelemente wie Quellen vorkommen, muss auf das Maschenstromverfahren zurückgegriffen werden. Stromteiler werden insbesondere zur Messung hoher Ströme verwendet.
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Unter einem Leitungspfad ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt oder Teilbereich eines Stromleiters zu verstehen.
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Unter einer Auswerteschaltung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine elektronische oder elektrische Schaltung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um von den Stromsensoren erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen den Stromsensoren und der Auswerteschaltung vorgesehen sein. Die Auswerteschaltung kann mit einer Auswerteeinheit kommunizieren. Die Auswerteeinheit kann in einem übergeordneten System integriert sein, wie beispielsweise einem Steuergerät. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den induktiven Positionssensor anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Signalauswertung in der Auswerteeinheit kann derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit alle von den Stromsensoren empfangenen Signale auswertet und in zwei Ausgangssignale wandelt. Das erste und das zweite Signal können beide analog, beide digital oder eines analog und eines digital sein.
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Die Auswerteschaltung kann ausgebildet sein, das erste Signal und das zweite Signal kontinuierlich und parallel zu erfassen. Alternativ kann die Auswerteschaltung ausgebildet sein, das erste Signal und das zweite Signal intermittierend und sequentiell zu erfassen. Das Sensorsystem erlaubt somit verschiedene Betriebsmodi. So können der erste und zweite Stromsensor zeitgleich arbeiten und ständig verfügbar sein, ohne miteinander synchronisiert werden zu müssen. Dies hat den Vorteil, dass keine Verwaltung der Sensor-Messintervalle nötig ist. außerdem ist keine Speicherung der Signale zur anschließenden Verwertung nötig, sondern diese sind direkt „verrechenbar“, z.B. durch differentielle Anordnung. Alternativ werden der erste und zweite Stromsensor nacheinander aktiviert bzw. ausgelesen. Die Wechselintervalle werden so gewählt, dass ein Optimum aus Messgenauigkeit, Abtastrate und Störunempfindlichkeit erzielt wird.
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Unter einem Magnetfeldsensor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Sensor zur Erfassung von Magnetfeldern zu verstehen. Dabei kann der Magnetfeldsensor insbesondere zur Messung magnetischer Flussdichten ausgebildet sein. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen, und übliche Messbereiche von Magnetometern bewegen sich in einem Größenbereich von circa 10-15 T bis 10 T.
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Bei dem Magnetfeldsensor handelt es sich bevorzugt um einen Fluxgate-Sensor oder Förster-Sonde. Unter einem Fluxgate-Sensor oder einer Förster-Sonde, die auch als ein Fluxgate-Magnetometer oder auch Saturationskern-Magnetometer bekannt ist, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Magnetometer zur vektoriellen Bestimmung des Magnetfeldes zu verstehen. Dabei arbeitet das Magnetometer mit einem Ringkern (Toroid), der mittels einer aufgebrachten Spule erregt wird. Die Empfängerspule umgibt den gesamten Kern, der in Sättigung getrieben wird. Beim Fehlen eines externen Feldes wird die induzierte Spannung zu symmetrischen Stromverläufen in der Spulenwicklung führen. Bei einem alternativen Aufbau werden periodisch zwei weichmagnetische Spulenkerne in die Sättigung getrieben. Die Kerne sind von zwei gegensinnigen Empfängerspulen umwickelt, sodass in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes sich die induzierten Spannungen aufheben. Eine äußere Magnetfeldkomponente wirkt parallel bzw. antiparallel auf die Felder der beiden Spulen. Dadurch wird, wenn das äußere Feld parallel zum Feld einer Spule ist, in der einen Halbperiode in dieser Spule die Sättigung des Kerns eher erreicht. In der anderen Spule ist während dieser Halbperiode das äußere Feld antiparallel, somit setzt dort die Sättigung des Kerns später ein. Diese Asymmetrie verursacht ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen, das proportional zum angelegten Feld ist. Die induzierte Spannung besitzt die doppelte Frequenz der Erreger-Wechselspannung. Indem Phase und Betrag der in allen vier Spulen induzierten Spannung bestimmt wird, kann Betrag und Richtungssinn der waagerechten Komponente des externen Feldes bestimmt werden. Es können auch orthogonal angeordnete Kerne und Messspulen verwendet werden, um den Feldvektor im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Um die Linearität zu verbessern und den Messbereich zu vergrößern, kann man um dem gesamten Aufbau befindliche Kompensationsspulen mit einem geregelten Gleichstrom beaufschlagen, sodass die in der 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. Auf diese Weise werden beispielsweise Stromsensoren gebaut. Werden Fluxgate-Magnetometer mit Kompensationsspule aufgebaut, macht sie dies z.B. bei höheren Frequenzen bis in den kHz-Bereich messfähig. Darauf kann jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus Kostengründen verzichtet werden. Insbesondere relevant sind ohnehin Gleichstrommessungen (positiv wie negativ), da hier Batterieströme gemessen werden sollen.
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Ein solcher Fluxgate-Sensor basiert auf rein berührungslose Messverfahren, sodass dieser prinzipbedingt bereits mit galvanischer Trennung zum Hochvolt-Primärleiter realisierbar ist. Somit sind keine gesonderten Anstrengungen zur Hochvoltisolation nötig. Es sind keine kostspieligen Präzisionswiderstände (Shunts) notwendig, ebenso entfällt die Verlustleistung dieser Widerstände, die mehrere dutzend Watt betragen kann. Es ist eine vollständige Kapselung eines oder mehrerer Magnetfeldsensoren z.B. mittels Umspritzen innerhalb eines Bauteils möglich. Es ist eine gemeinsame Integration der Messverfahren auf einer Platine möglich.
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Unter Plausibilisierung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Methode zu verstehen, in deren Rahmen ein Wert oder allgemein ein Ergebnis daraufhin überprüft wird, ob es überhaupt plausibel, also annehmbar, einleuchtend und nachvollziehbar sein kann oder nicht. Demgemäß sind kleinere Abweichungen, etwa <1%, zwischen beiden Messergebnissen tolerierbar.
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Unter einem Hall-Sensor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensor zu verstehen, der den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern nutzt. Hall-Sensoren bestehen aus möglichst dünnen kristallinen dotierten Halbleiter-Schichten, die seitlich zumeist vier Elektroden besitzen. Durch die zwei gegenüberliegenden Elektroden wird ein Strom eingespeist, die beiden orthogonal dazu liegenden Elektroden dienen der Abnahme der Hall-Spannung. Wird ein solcher Hall-Sensor von einem senkrecht zur Schicht verlaufenden Magnetfeld durchströmt, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum (vorzeichenbehafteten) Betrag des Vektorproduktes aus magnetischer Flussdichte und Strom ist. Die Ursache ist die Lorentz-Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in der Schicht. Es ist proportional zum Strom, zur Ladungsträgerbeweglichkeit und umgekehrt proportional zur Schichtdicke (je dünner die Schicht, desto größer die Ladungsträger-Geschwindigkeit und desto größer ist die Lorentz-Kraft). Das sich zwischen den Messelektroden einstellende Elektrische Feld befindet sich im Gleichgewicht zur Hallspannung und verhindert eine weitere Ladungsträger-Separation.
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Die Hallspannung ist außerdem auch temperaturabhängig und kann einen Offset haben. Aufgrund der Proportionalität der Hallspannung zur Ladungsträgerbeweglichkeit und der Konzentration der Majoritätsladungsträger ist der Halleffekt eine eingeführte Methode der Bestimmung dieser Kenngrößen in der Halbleitertechnologie. Ein Hall-Sensor liefert auch dann ein Signal, wenn das Magnetfeld, in dem er sich befindet, konstant ist. Dies ist der Vorteil im Vergleich zu einer einfachen Spule als Magnetfeldsensor (z. B. Induktionsschleife, Rogowski-Spule), die nur die Ableitung des Magnetfeldes nach der Zeit feststellen kann. Ein weiterer wichtiger Vorteil von Hall-Sensoren ist, dass zu ihrer Realisierung keine ferro- oder ferrimagnetischen Materialien (wie z. B. Nickel oder Eisen) benötigt werden. Damit wird das zu messende Magnetfeld nicht schon dadurch verändert, dass man den Sensor hinein bringt. Magnetoresistive Sensoren oder Fluxgate-Magnetometer besitzen diese Eigenschaft nicht.
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Darüber hinaus gibt es noch weitere Sensoren für magnetische Flussdichten. Sie sind nicht so empfindlich und rauscharm wie die bisher genannten. So können im Rahmen der vorliegenden Erfindung als zweiter Magnetfeldsensor die folgenden Sensoren grundsätzlich eingesetzt werden. Der Überbegriff ist xMR-Sensor; Dünnschicht-Sensoren, die unter Einfluss des magnetischen Flusses direkt ihren Widerstand ändern und daher „X-MagnetoResistiv“ heißen. Das xMR steht für alle Sensoren, die nach allen bekannten magnetoresistiven Verfahren arbeiten, wie GMR-Sensor (giant, dt. „gewaltig, riesig“, GMR-Effekt), AMR-Sensor (anisotropic, dt. „anisotrop“ AMR-Effekt) oder CMR-Sensoren (colossal, dt. „überdimensional“), Feldplatte, magnetischer Tunnelwiderstand (tunnel magnetoresistance, TMR). Obwohl XMR- und Hall-Sensoren nicht so empfindlich wie die vorgenannten sind, finden sie durch ihren einfachen Aufbau (Halbleitertechnik) und die damit verbundene günstige Herstellung bei einfacheren Aufgaben massenweise Verwendung. Dazu gehören unter anderem Stromsensoren.
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Es wird explizit betont, dass die Ausdrücke „erster“, „zweiter“, „dritter“ und dergleichen sowie deren grammatikalischen Äquivalente im Rahmen der vorliegenden Erfindung lediglich zur begrifflichen Unterscheidung der jeweiligen Bauteile und Merkmale dienen und keine besondere Reihenfolge oder Gewichtung angeben sollen. Außerdem sollen diese Ausdrücke nicht das Vorhandensein weiterer entsprechender Bauteile und Merkmale ausschließen. Beispielsweise können mehr als ein erster Stromsensor oder zweiter Stromsensor vorgesehen sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weiter optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3 ein Prinzipschaltbild des Sensorsystems gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Sensorsystem 10 ist zum Erfassen eines durch einen Leiter 12 fließenden elektrischen Stroms ausgebildet. Der Leiter 12 ist beispielsweise ein Kupferkabel oder eine Stromschiene, die für die Übertragung des zu messenden Stroms verwendet wird. Der Leiter 12 ist ein Hochvoltstromleiter. Lediglich beispielhaft verbindet der Leiter 12 eine Energiequelle 14 mit einem Verbraucher 16. Bei der Energiequelle 14 kann es sich um eine Batterie 18 handeln. Bei dem Verbraucher 16 kann es sich um einen elektrifizierten Antriebsstrang 20 eines Kraftfahrzeugs (nicht näher dargestellt) handeln.
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Das Sensorsystem 10 umfasst mindestens einen Stromteiler 22. Der Stromteiler 22 ist zum Teilen des Leiters 12 in mindestens einen ersten Leitungspfad 24 und einen zweiten Leitungspfad 26 ausgebildet. Der erste Leitungspfad 24 und der zweite Leitungspfad 26 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Orientierung voneinander. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem ersten Leitungspfad 24 und dem zweiten Leitungspfad 26 nicht um denselben Leitungsabschnitt, sondern um parallel geschaltete Leitungsabschnitte. Bevorzugt weisen der erste Leitungspfad 24 und der zweite Leitungspfad 26 identische Innenwiderstände auf. Dies kann dadurch realisiert sein, dass der erste Leitungspfad 24 und der zweite Leitungspfad 26 identische Leitungsquerschnitte aufweisen.
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Das Sensorsystem 10 umfasst weiterhin einen ersten Stromsensor 28. Der erste Stromsensor 28 ist zum Anordnen an einer ersten Messstelle 30 in dem ersten Leitungspfad 24 ausgebildet. 1 zeigt den ersten Stromsensor 28 an der ersten Messstelle 30 angeordnet. Der erste Stromsensor 28 ist ausgebildet zum Erfassen eines durch den ersten Leitungspfad 24 fließenden ersten Anteil des Stroms und zum Ausgeben eines ersten Signals, das den durch den ersten Leitungspfad 24 fließenden ersten Anteil des Stroms anzeigt. Der erste Stromsensor 28 kann ein Hall-Sensor, ein Shunt-Sensor oder ein Magnetfeldsensor 32 sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der erste Stromsensor 28 ein Magnetfeldsensor 32. Der erste Stromsensor 28 ist dabei zum Erfassen eines von dem ersten Leitungspfad 24 erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist. Der erste Stromsensor 28 ist weiterhin ausgebildet zum Ausgeben eines ersten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld, das den durch den ersten Leitungspfad 24 fließenden Strom anzeigt. Der erste Stromsensor 28 weist einen nicht näher gezeigten Magnetkern auf. Der Magnetkern ist aus beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt. Der erste Stromsensor weist weiterhin eine nicht näher gezeigte Spule auf. Die Spule umgibt den Magnetkern. Beispielsweise ist die Spule um den Magnetkern gewickelt. Die Spule ist zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds ausgebildet ist. Das erste Signal ist dabei eine Überlagerung aus induzierter Spannung und angelegter Spannung. Das erste Signal ist mittels eines Messwiderstands in einen ersten elektrischen Strom überführbar. Der erste elektrische Strom ist proportional zu dem durch den ersten Leitungspfad 24 fließenden elektrischen Strom insbesondere unter Berücksichtigung der Wicklungszahl der Spule. Der erste Stromsensor 28 ist ausgebildet, den ersten Leitungspfad 24 zumindest teilweise zu umgeben. Beispielsweise umgibt der Magnetkern den ersten Leitungspfad 24 konzentrisch bzw. koaxial. So ist der Magnetkern beispielsweise toroidförmig ausgebildet. Dabei berührt der Magnetkern den ersten Leitungspfad 24 nicht. Bei dem Magnetfeldsensor 32 kann es sich beispielsweise um einen Fluxgate-Sensor oder eine Förster-Sonde handeln.
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Das Sensorsystem 10 umfasst weiterhin einen zweiten Stromsensor 34. Der zweite Stromsensor 34 ist zum Anordnen an einer zweiten Messstelle 36 in dem zweiten Leitungspfad 24 ausgebildet. 1 zeigt den zweiten Stromsensor 34 an der zweiten Messstelle 36 angeordnet. Der zweite Stromsensor 34 ist ausgebildet zum Erfassen eines durch den zweiten Leitungspfad 26 fließenden zweiten Anteil des Stroms und zum Ausgeben eines zweiten Signals, das den durch den zweiten Leitungspfad 26 fließenden zweiten Anteil des Stroms anzeigt. Der zweite Stromsensor 34 kann ein Hall-Sensor, ein Shunt-Sensor oder ein Magnetfeldsensor 32 sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der zweite Stromsensor 34 ein Magnetfeldsensor 38. Der zweite Stromsensor 34 ist dabei zum Erfassen eines von dem zweiten Leitungspfad 26 erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist. Der zweite Stromsensor 34 ist weiterhin ausgebildet zum Ausgeben eines zweiten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld, das den durch den zweiten Leitungspfad 26 fließenden Strom anzeigt. Der zweite Stromsensor 34 weist einen nicht näher gezeigten Magnetkern auf. Der Magnetkern ist aus beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt. Der zweite Stromsensor 34 weist weiterhin eine nicht näher gezeigte Spule auf. Die Spule umgibt den Magnetkern. Beispielsweise ist die Spule um den Magnetkern gewickelt. Die Spule ist zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds ausgebildet ist. Das zweite Signal ist dabei eine Überlagerung aus induzierter Spannung und angelegter Spannung. Das zweite Signal ist mittels eines Messwiderstands in einen zweiten elektrischen Strom überführbar. Der zweite elektrische Strom ist proportional zu dem durch den zweiten Leitungspfad 26 fließenden elektrischen Strom insbesondere unter Berücksichtigung der Wicklungszahl der Spule. Der zweite Stromsensor 34 ist ausgebildet, den zweiten Leitungspfad 26 zumindest teilweise zu umgeben. Beispielsweise umgibt der Magnetkern den zweiten Leitungspfad 26 konzentrisch bzw. koaxial. So ist der Magnetkern beispielsweise toroidförmig ausgebildet. Dabei berührt der Magnetkern den zweiten Leitungspfad 26 nicht. Bei dem Magnetfeldsensor 38 kann es sich beispielsweise um einen Fluxgate-Sensor oder eine Förster-Sonde handeln. Entsprechend sind der erste Stromsensor 28 und der zweite Stromsensor 34 Stromsensoren von identischer Bauart.
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Das Sensorsystem 10 umfasst weiterhin eine Auswerteschaltung 40. Die Auswerteschaltung 40 ist zum Erfassen bzw. Empfangen des ersten Signals und des zweiten Signals ausgebildet. Die Auswerteschaltung 40 ist weiterhin zum Ermitteln des durch den Leiter 12 fließenden Stroms basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal ausgebildet. Die Auswerteschaltung 40 kann in ein übergeordnetes System des Fahrzeugs integriert sein, wie beispielsweise in ein Steuergerät des Fahrzeugs. Die Auswerteschaltung 40 ist zum Ermitteln des durch den Leiter 12 fließenden Stroms mittels Addition des ersten Anteils des Stroms und des zweiten Anteils des Stroms ausgebildet. So erfasst die Auswerteschaltung 40 beide Stromgrößen und addiert diese, womit der benötigte Gesamtstrom erfasst wird. Die Auswerteschaltung 40 ist weiterhin zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit des erstens Stromsensors 28 und des zweiten Stromsensors 34 mittels Vergleichens des ersten Signals und des zweiten Signals ausgebildet. Da der erste Leitungspfad 24 und der zweite Leitungspfad 26 identische Innenwiderstände aufweisen, müssen die durch den ersten Leitungspfad 24 und den zweiten Leitungspfad 26 gemessenen Ströme bei funktionierenden Stromsensoren 28, 34 gleich groß sein. Entsprechend ist bei Abweichung beider Signale von einer Fehlfunktion einer der beiden Stromsensoren 28, 34 auszugehen, so dass ein sicherer Zustand eingenommen werden kann sowie eine Fehlermeldung ausgegeben werden kann.
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Es wird explizit betont, dass der erste Stromsensor 28 und der zweite Stromsensor 34 Stromsensoren von unterschiedlicher Bauart sein können. Beispielsweise kann der erste Stromsensor 28 ein Hall-Sensor und der zweite Stromsensor 34 ein Fluxgate-Sensor oder umgekehrt sein. Auch kann der erste Stromsensor 28 ein Shunt-Sensor und der zweite Stromsensor 34 ein Fluxgate-Sensor oder umgekehrt sein. Im letzteren Fall ist zu beachten, dass der Shunt den Widerstand im betreffenden Zweig des Stromteilers 22 beeinflusst. Außerdem bildet der Eingriff in den Leiterpfad gegenüber der berührungslosen Magnetfeldmessung den Nachteil, dass im Falle eines Defekts sich die Innenwiderstandsverhältnisse ändern und somit das Plausibilisierungsprinzip nicht mehr auf der Annahme der konstanten Innenwiderstände basieren kann.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorsystem 10 der zweiten Ausführungsform ist der Stromteiler 22 zum Teilen des Leiters 12 in den ersten Leitungspfad 24, in den zweiten Leitungspfad 26 und in mindestens einen dritten Leitungspfad 42 ausgebildet. Bei einem solchen dreigeteilten Leiter 12 können die zwei Stromsensoren 28, 34 an beliebigen zwei der drei Leitungspfade 24, 26, 42 angeordnet sein. Lediglich beispielhaft befinden sich der erste Stromsensor 28 an dem ersten Leitungspfad und der zweite Stromsensor 34 an dem zweiten Leitungspfad 26. Der Gesamtstrom ist auch bei dieser Ausführungsform als Summenstrom aus bekannten Innenwiderständen der drei Leitungspfade 24, 26, 42 berechenbar. Auch hier ist die funktionale Sicherheit durch zwei Signale wie oben beschrieben gegeben, die gegenseitig plausibilisiert werden. Abweichungen der Signale deuten auf eine Sensorfehlfunktion hin, da die Widerstandsverhältnisse im Leiter 12 in der Praxis konstant bleiben.
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3 zeigt ein Prinzipschaltbild des Sensorsystems 10 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist die Energiequelle 14 als Batterie 44 dargestellt. Der Verbraucher 16 ist beispielhaft als Glühlampe 46 dargestellt. Der erste Stromsensor 28 ist als erster Amperemeter 48 dargestellt. Der zweite Stromsensor 34 ist als zweiter Amperemeter 50 dargestellt. In 3 ist die parallele Schaltung der drei Leitungspfade 24, 26, 42 mit der Anordnung der Stromsensoren 28, 34 gut zu erkennen.
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Optional kann das Sensorsystem 10 der zweiten Ausführungsform weiterhin einen dritten Stromsensor aufweisen, der zum Anordnen an einer dritten Messstelle in dem dritten Leitungspfad 42 ausgebildet ist. Dabei ist der dritte Stromsensor ausgebildet zum Erfassen eines durch den dritten Leitungspfad 42 fließenden dritten Anteil des Stroms und zum Ausgeben eines dritten Signals, das den durch den dritten Leitungspfad 42 fließenden dritten Anteil des Stroms anzeigt. In diesem Fall ist die Auswerteschaltung 40 weiterhin zum Erfassen oder Empfangen des dritten Signals und zum Ermitteln des durch den Leiter 12 fließenden Stroms basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal ausgebildet.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorsystem 10 der dritten Ausführungsform sind der erste Stromsensor 28 und der zweite Stromsensor 34 in einem gemeinsamen Gehäuse 52 angeordnet. Wie weiter zu erkennen sind bei dem Sensorsystem 10 der erste Stromsensor 28 und der zweite Stromsensor 34 als Fluxgate-Sensor ausgebildet. Damit eignen sich der erste Stromsensor 28 und der zweite Stromsensor 34 zur berührungslosen Magnetfeldmessung. Entsprechend weist der erste Stromsensor 28 eine erste Öffnung 54 in seinem Messkern auf, durch die sich der erste Leitungspfad 24 erstrecken kann, und der zweite Stromsensor 34 weist eine zweite Öffnung 56 in seinem Messkern auf, durch die sich der zweite Leitungspfad 26 erstrecken kann. Damit stellt das Sensorsystem 10 der dritten Ausführungsform eine Kombination zweier Messkerne in einem Gehäuse mit integrierter Plausibilisierung dar.
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Die beschriebenen Sensorsysteme können wie folgt modifiziert werden. Neben der Auswertung der Ausgabegrößen „Strom“ im Steuergerät kann das Sensorsystem selbst die Plausibilisierungseinheit mitbringen. Das gemeinsame Gehäuse enthält dann weiterhin unabhängige Signalauswertungen, jedoch nachgelagert eine integrierte Plausibilisierung. Die Plausibilisierung bei einem gemeinsamen Gehäuse kann erfolgen durch Vergleich von: Den Ausgabegrößen „Strom“, dem Stromverbrauch der Messkerne, der Temperaturüberwachung von Subkomponenten wie bspw. Spule, Messwiderstand, die ohnehin Teil der Fluxgate-Auswertung sind, in Lineare und Low-Dropout-Reglern (LDOs), Operationsverstärkern (OPAs), im Gehäuse, und/oder einer Induktivitätsüberwachung.
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Die vorliegende Erfindung ist nachweisbar durch visuelle Inspektion der Stromsensoren bzw. des Batterie-Management-Systems.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011088893 A1 [0007]
