EP4182706A1 - SENSOR ZUR ERFASSUNG EINES DURCH EINEN LEITER FLIEßENDEN ELEKTRISCHEN STROMS - Google Patents

SENSOR ZUR ERFASSUNG EINES DURCH EINEN LEITER FLIEßENDEN ELEKTRISCHEN STROMS

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Publication number
EP4182706A1
EP4182706A1 EP21743066.9A EP21743066A EP4182706A1 EP 4182706 A1 EP4182706 A1 EP 4182706A1 EP 21743066 A EP21743066 A EP 21743066A EP 4182706 A1 EP4182706 A1 EP 4182706A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic field
sensor
signal
conductor
field sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP21743066.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lukas Lamprecht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4182706A1 publication Critical patent/EP4182706A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/146—Measuring arrangements for current not covered by other subgroups of G01R15/14, e.g. using current dividers, shunts, or measuring a voltage drop
    • G01R15/148—Measuring arrangements for current not covered by other subgroups of G01R15/14, e.g. using current dividers, shunts, or measuring a voltage drop involving the measuring of a magnetic field or electric field

Definitions

  • the present invention will be described in the context of, but not limited to, a sensor for detecting an electric current flowing through a conductor in the automotive field.
  • electric energy storage devices are used in order to store the electric energy for the electric motor, which supports the drive or serves as a drive.
  • So-called lithium-ion batteries are used in the latest generation of vehicles.
  • the present invention is independent of the design of the electrochemical energy store.
  • Current sensors for electrified drive trains are used for energy balancing or for monitoring performance.
  • This invention is particularly suitable, but not exclusively, for high-voltage battery current sensors that primarily monitor the state of charge (state of charge, SOC) of the traction battery in electrified vehicles.
  • SOC state of charge
  • Overcurrent detection is also relevant to safety and the main task of the current sensor.
  • Applications of the invention in other areas, such as measuring the inverter current or currents in the DC/DC converters are also conceivable.
  • the invention outside of the electrified Drive train for example, in other sectors such as industrial sensors, aerospace or medical technology.
  • such a sensor is usually constructed using exactly one measuring principle that is (cost-)optimal for the respective application.
  • DE 102011 088 893 A1 describes a current measuring circuit for the redundant measurement of electrical current with a measuring resistor, a magnetic field sensor and an evaluation circuit on an evaluation circuit board, the evaluation circuit for determining the electric current with the help of the measuring resistor is used.
  • the second magnetic field sensor is arranged on the evaluation circuit board and the evaluation circuit board in the immediate vicinity of the measuring resistor, so that the second magnetic field sensor can detect the magnetic field of the current-carrying measuring resistor.
  • the second - indirect - method thus serves to check the plausibility of the first - direct - method.
  • a sensor for detecting an electric current flowing through a conductor is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known sensors and which, in particular, allows a sensor-internal plausibility check of a magnetic-field-based sensor for current measurement by means of a second, but different, magnetic-field-based sensor signal.
  • This plausibility check takes place within the sensor, for example by comparing the absolute or relative deviation of both signals within certain tolerance limits.
  • a relevant deviation leads to the detection of a sensor error and the output of a signal that leads to the assumption of a safe state in the higher-level system (e.g. control unit).
  • a sensor for detecting an electric current flowing through a conductor comprises a first magnetic field sensor, which is designed to detect a magnetic field generated by the conductor, wherein the first magnetic field sensor is designed to output a first signal based on the detected magnetic field, which Conductor indicating current flowing, a second magnetic field sensor, which is designed to detect the magnetic field generated by the conductor, wherein the second magnetic field sensor is designed to output a second signal based on the detected magnetic field, and an evaluation circuit on a
  • Evaluation circuit board the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor being connected to the evaluation circuit, the first signal and the second signal being detectable by the evaluation circuit, the evaluation circuit being designed to validate the first signal using the second signal.
  • the electric current flowing through the conductor is correspondingly indirectly detected both by the first magnetic field sensor and by the second magnetic field sensor.
  • the first magnetic field sensor thus measures or detects a magnetic field of the conductor, which is superimposed on the magnetic field of the first magnetic field sensor. Thanks to the superimposed alternating field, the primary magnetic field of the conductor, which can also be referred to as the primary conductor, and thus the primary current through the conductor can be inferred.
  • a voltage drop generated by the superimposed magnetic field which drops across a measuring resistor, for example, can be converted into a current which, taking into account the number of windings, is proportional to the primary conductor current to be measured.
  • the magnetic field of the conductor generated by the primary current to be measured can be recorded simultaneously by a second, independent magnetic field sensor.
  • This secondary sensor can work according to the Hall or xMR principle, for example. Lower accuracies or higher susceptibility to interference can serve the purpose of cost optimization are tolerated. This makes it possible to detect the magnetic field of the conductor, which is proportional to the current to be measured, on two physically independent paths.
  • the first magnetic field sensor for example in the form of a Förster probe, can have a magnetic core and a coil surrounding the magnetic core, the coil being designed to generate an alternating magnetic field, the first signal being a superimposition of induced voltage and applied voltage.
  • the coil generates an alternating magnetic field that is superimposed on the magnetic field of the primary conductor to be measured. Thanks to the superimposed alternating field, the primary field and thus the primary current can be inferred from the non-linear magnetization curves of the core and the changing inductance in saturation. If, for example, a Förster probe is used as the primary measuring principle, then this generates fields superimposed on the field of the primary conductor to be measured.
  • the field generated by the primary sensor can then be monitored as an overlay by the secondary sensor. In addition to the actual signal plausibility check, the function monitoring of the field-generating primary Förster probe is thus already fundamentally possible.
  • the first magnetic field sensor can also have a measuring resistor, in particular a shunt resistor, wherein the first signal can be converted into a first electric current by means of the measuring resistor, the first electric current being proportional to the electric current flowing through the conductor.
  • the voltage drop across the measuring resistor of the first magnetic field sensor or Förster probe can thus be converted into a current which, taking into account the number of turns of the coil of the first magnetic field sensor, is proportional to the primary conductor current to be measured.
  • This measuring resistor is preferably a shunt resistor.
  • the shunt resistance in the first magnetic field sensor should not be confused with the direct current measurement principle using shunt resistances.
  • the latter are in the mOhm range, while the shunt in the first magnetic field sensor can be 1 Ohm, for example, since it only has to handle much smaller currents.
  • the first magnetic field sensor can be designed to at least partially surround the conductor.
  • the second magnetic field sensor can be arranged on the evaluation circuit board. A compact design of the sensor can thus be implemented. Both magnetic field sensors can, for example, be integrated in a common housing to save space.
  • the evaluation circuit can be designed to detect the first signal and the second signal continuously and in parallel. Alternatively, the evaluation circuit can be designed to detect the first signal and the second signal intermittently and sequentially.
  • the sensor thus allows different operating modes. In this way, the first and second magnetic field sensors can work at the same time and be constantly available without having to be synchronized with one another. This has the advantage that there is no need to manage the sensor measurement intervals. In addition, there is no need to store the signals for subsequent use, but they can be "calculated" directly, e.g. through differential arrangement. Alternatively, the first and second magnetic field sensors are activated or read out one after the other. The change intervals are selected in such a way that the active coil of the first magnetic field sensor achieves an optimum in terms of measurement accuracy, sampling rate and immunity to interference. This has the advantage that the excitation field of the first magnetic field sensor does not disturb the second magnetic field sensor.
  • the second magnetic field sensor can be of planar design. This means that it can be arranged flat on the evaluation circuit board.
  • the second magnetic field sensor can be arranged perpendicular to the evaluation circuit board. This allows a further orientation for the measurement of the magnetic field of the conductor.
  • the second magnetic field sensor can be a Hall sensor or a magnetometer. Accordingly, the second magnetic field sensor can be an inexpensive sensor for indirectly measuring the current flowing through the conductor.
  • the first magnetic field sensor can be a Förster probe.
  • a Förster probe has the advantage that it detects the current flowing through the conductor without contact and can capture indirectly. It is still very sensitive over wide measuring ranges.
  • the evaluation circuit can be designed to check the first signal for plausibility using the second signal by detecting an absolute or relative deviation from one another. In this way, the functionality of the first magnetic field sensor can be checked precisely. Taking into account specified tolerance limits, a faulty sensor signal can therefore be determined, which is reported to the higher-level system via the communication interface of the sensor. In this way, attention can be drawn to the present error at the system level and a safe state can be assumed.
  • the motor vehicle or the electrical device has a battery and a sensor according to the invention as described above.
  • a magnetic field sensor is generally understood to be a sensor for detecting magnetic fields.
  • the magnetic field sensor can be designed in particular for measuring magnetic flux densities. Magnetic flux densities are measured in units of tesla (T), and typical measurement ranges of magnetometers range from approximately IO 15 T to 10 T.
  • a plausibility check is to be understood as a method in the context of which a value or, in general, a result is checked to determine whether it can be plausible at all, that is to say acceptable, plausible and comprehensible or not. Accordingly, smaller deviations, about ⁇ 1%, between the two measurement results are tolerable.
  • a Förster probe or Förster probe which is also known as a fluxgate magnetometer or also a saturation core magnetometer, is to be understood within the scope of the present invention as a magnetometer for vectorial determination of the magnetic field.
  • the magnetometer works with a ring core (toroid), which is excited by means of an attached coil.
  • the receiver coil surrounds the entire core, which is driven into saturation. In the absence of an external field, the induced voltage will result in symmetrical currents in the coil winding.
  • two soft-magnetic coil cores are periodically driven into saturation. The cores are wound by two opposing receiver coils, so that in the absence of a field, the induced voltages in both coils cancel.
  • An external magnetic field component acts in parallel or antiparallel on the fields of the two coils.
  • the saturation of the core is sooner reached in the one-half cycle in this coil.
  • the external field is antiparallel during this half period, so the saturation of the core sets in there later.
  • the induced voltage has twice the frequency of the excitation AC voltage.
  • the current is then proportional to the external field and cancels it out.
  • the direct current is generated with negative feedback and is therefore also the output signal of the sensor. This is how current sensors are built, for example. If fluxgate magnetometers are constructed with a compensation coil, this makes them measurable at higher frequencies up to the kHz range, for example. However, this can be dispensed with within the scope of the present invention for reasons of cost. Direct current measurements (both positive and negative) are particularly relevant anyway, since battery currents are to be measured here.
  • a Hall sensor is to be understood as meaning a sensor that uses the Hall effect to measure magnetic fields.
  • Hall sensors consist of the thinnest possible crystalline, doped semiconductor Layers that usually have four electrodes on the sides. A current is fed in through the two opposite electrodes, the two orthogonal electrodes are used to pick up the Hall voltage. If such a Hall sensor is traversed by a magnetic field perpendicular to the layer, it supplies an output voltage that is proportional to the (signed) magnitude of the vector product of magnetic flux density and current. The cause is the Lorentz force on the moving majority charge carriers in the layer.
  • the Hall voltage is also temperature dependent and can have an offset. Due to the proportionality of the Hall voltage to the charge carrier mobility and the concentration of the majority charge carriers, the Hall effect is an established method of determining these parameters in semiconductor technology.
  • a Hall sensor also supplies a signal when the magnetic field in which it is located is constant. This is the advantage compared to a simple coil as a magnetic field sensor (e.g.
  • Hall sensors Another important advantage of Hall sensors is that no ferromagnetic or ferrimagnetic materials (such as nickel or iron) are required for their implementation. This means that the magnetic field to be measured is not changed just by bringing the sensor inside. Magnetoresistive sensors or fluxgate magnetometers do not have this property.
  • the umbrella term is xMR sensor; Thin-film sensors that change their resistance directly under the influence of the magnetic flux and are therefore called "X-Magneto Resistive".
  • the xMR stands for all sensors that work according to all known magnetoresistive methods, such as GMR sensors (giant, dt. "huge, huge", GMR effect), AMR sensors (anisotropic, dt. “anisotropic” AMR effect) or CMR sensors (Colossal, dt.
  • XMR and Hall sensors are not as sensitive as the above, they are used in large numbers for simpler tasks due to their simple structure (semiconductor technology) and the associated low-cost production. These include current sensors.
  • the senor according to the invention offers a large number of advantages. These are explained below by way of example and not conclusively.
  • the sensor according to the invention is based on a purely non-contact measuring method, so that due to the principle it can already be realized with galvanic isolation from the high-voltage primary conductor. This means that no special efforts are required for high-voltage insulation. Expensive precision resistors (shunts) are not necessary, and there is no power loss from these resistors, which can amount to several tens of watts. Complete encapsulation of the first and second magnetic field sensors is possible, e.g. by means of overmoulding within one component. It is possible to integrate the measurement methods together on one circuit board.
  • the sensor can be implemented as an assembly option if certain applications do not require a plausibility check, which means that costs can be saved when the number of units is increased.
  • the sensor allows the cost-effective use of sensors with lower accuracy to obtain the plausibility signal, since only similar (not identical) results have to be achieved. Drifts between the sensors can be detected. There can be no need for separate sensors for plausibility checking and thus no wiring of the otherwise separate sensors to each other is necessary, elimination of efforts on the part of the system, since the sensor can diagnose itself, increase in security through faster reaction times (short signal paths/running times), increase in the Safety through subsystems or measuring principles that are compatible with each other at the factory, since the compatibility of the two independently used magnetic field sensors does not first have to be ensured at great expense.
  • the primary measuring principle is preferably a fluxgate magnetometer, which is characterized by its high measuring accuracy.
  • the fluxgate magnetometer is constructed without a compensation coil, so that a cost-effective construction is possible.
  • the restriction that higher-frequency components (e.g. from 100 Hz) cannot be fully measured is acceptable, since these are primarily direct current measurements.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a front view of the sensor.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a sensor 10 according to the invention.
  • the sensor 10 is designed to detect an electric current 14 flowing through a conductor 12 .
  • the conductor 12 is, for example, a copper cable or a busbar that is used for the transmission of the current 14 to be measured.
  • the sensor 10 has a first magnetic field sensor 16 .
  • the first magnetic field sensor 16 is designed to detect a magnetic field generated by the conductor 12 .
  • the first magnetic field sensor 16 is also designed to output a first signal based on the detected magnetic field, which indicates the current 14 flowing through the conductor 12 .
  • the first magnetic field sensor 16 has a magnetic core 18 .
  • the magnetic core 18 is made of, for example, a soft magnetic material.
  • the first magnetic field sensor 16 also has a coil 20 .
  • the Coil 20 surrounds magnetic core 18.
  • coil 20 is wound around magnetic core 18.
  • the coil 20 is designed to generate an alternating magnetic field.
  • the first signal is a superimposition of the induced voltage and the applied voltage.
  • the first magnetic field sensor 16 also has a measuring resistor, not shown in detail, such as a shunt resistor.
  • the first signal can be converted into a first electric current by means of the measuring resistor.
  • the first electric current is proportional to the electric current 14 flowing through the conductor 12, in particular taking into account the number of windings of the coil 20.
  • the first magnetic field sensor 16 is designed to enclose the conductor 12 at least partially.
  • the magnetic core 18 surrounds the conductor 12 concentrically or coaxially.
  • the magnetic core 18 is designed in the shape of a toroidal shape.
  • the magnetic core 18 does not touch the conductor 12 in this case.
  • the first magnetic field sensor 16 is designed as a Förster probe in the exemplary embodiment.
  • FIG. 2 shows a front view of sensor 10.
  • the second magnetic field sensor 22 is designed to detect the magnetic field generated by the conductor 12 .
  • the second magnetic field sensor 22 is designed to output a second signal based on the detected magnetic field.
  • the sensor 10 also has an evaluation circuit 24 .
  • the evaluation circuit 24 is arranged on an evaluation circuit board 26 .
  • the evaluation circuit 24 is an ASIC, for example.
  • the second magnetic field sensor 22 is of planar design.
  • the second magnetic field sensor 22 is arranged on the evaluation circuit board 26 .
  • the second magnetic field sensor 22 can be arranged perpendicular to the evaluation circuit board 26 .
  • the position of the second magnetic field sensor 22 can be selected in such a way that it is influenced as little as possible by the coil 20 of the first magnetic field sensor 16 . In particular, an optimum between the distance from the conductor 12 and the distance from the coil 20 of the first magnetic field sensor 16 is to be determined.
  • the main measuring direction of the second magnetic field sensor 22 is chosen so that it is tangential to the conductor 12 enclosing field lines and thus achieves maximum sensitivity.
  • the second magnetic field sensor 22 is a Hall sensor.
  • the second magnetic field sensor 22 can be a magnetometer or any magnetic field-based sensor element.
  • the first magnetic field sensor 16 and the second magnetic field sensor 22 are each connected to the evaluation circuit 24 .
  • the first magnetic field sensor 16 can be present as a discrete structure or as a chip-integrated structure in connection with the evaluation circuit 24.
  • the evaluation circuit 24 is also electrically contacted by means of connecting lines 28.
  • the connection lines 28 are used for communication with, for example, a bus system and the power supply.
  • the first signal and the second signal can be detected by the evaluation circuit 24 .
  • the evaluation circuit 24 is designed to check the first signal for plausibility using the second signal.
  • the evaluation circuit is designed in particular to check the first signal for plausibility using the second signal by detecting an absolute or relative deviation from one another.
  • the evaluation circuit 24 is designed to detect the first signal and the second signal continuously and in parallel. Alternatively, the evaluation circuit 24 is designed to detect the first signal and the second signal intermittently and sequentially.
  • the operation of the sensor 10 is described in more detail below. If a current 14 flows through the conductor 12, a magnetic field is created around the conductor 12.
  • the first magnetic field sensor 16 is controlled so that the coil 20 generates an alternating magnetic field that is superimposed on the magnetic field of the conductor 12 to be measured. Thanks to the superimposed alternating field, the magnetic field of the conductor 12 and thus the current 14 through the conductor 12 can be inferred by means of the non-linear magnetization curves of the magnetic core 18 and the changing inductance in the saturation.
  • the voltage drop across the measuring resistor of the first magnetic field sensor 16 can be converted as a first signal into a current which, taking into account the number of windings of the coil 20, is proportional to the current 14 to be measured through the conductor 12.
  • the magnetic field generated by the current 14 to be measured can be simultaneously detected by the second, independent magnetic field sensor 22 and output as a second signal.
  • This second magnetic field sensor 22 can work according to the Hall or xMR principle, for example. Less accuracy or higher susceptibility to interference can be tolerated for the purpose of cost optimization.
  • This makes it possible to detect the magnetic field of the conductor 12, which is proportional to the current 14 to be measured, on two physically independent paths.
  • the two independently obtained measured variables, ie current strengths, are then checked for plausibility by the evaluation circuit 24, which is achieved, for example, by determining the absolute or relative deviations of the first signal and the second signal from one another.
  • a faulty sensor signal can be determined, which is reported to the higher-level system via the communication interface of the sensor 10 .
  • attention can be drawn to the present error at the system level and a safe state can be assumed.
  • this plausibility check takes place within the sensor 10.
  • a relevant deviation ie a deviation that exceeds a threshold value, leads to the detection of a sensor error and to the output of a signal which leads to the assumption of a safe state in the higher-level system, for example the control unit.
  • the sensor 10 can be used in particular in the field of motor vehicles.
  • the sensor 10 is suitable in particular but not exclusively as a high-voltage battery current sensor that primarily monitors the state of charge (state of charge) of the traction battery in electrified vehicles. It is explicitly emphasized that the sensor 10 can also be used outside of the electrified drive train, such as in industrial sensors, aerospace or medical technology.
  • the present invention is verifiable because the use of a second magnetic field sensor can be verified by analyzing the board or printed circuit board and the components installed there.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Abstract

Es wird ein Sensor (10) zur Erfassung eines durch einen Leiter (12) fließenden elektrischen Stroms (14) vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst einen ersten Magnetfeldsensor (16), der zum Erfassen eines von dem Leiter (12) erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist, wobei der erste Magnetfeldsensor (16) zum Ausgeben eines ersten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld ausgebildet ist, das den durch den Leiter (12) fließenden Strom anzeigt, einen zweiten Magnetfeldsensor (22), der zum Erfassen des von dem Leiter (12) erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist, wobei der zweite Magnetfeldsensor (22) zum Ausgeben eines zweiten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld ausgebildet ist, und eine Auswerteschaltung (24) auf einer Auswerteschaltungsplatine (26), wobei der erste Magnetfeldsensor (16) und der zweite Magnetfeldsensor (22) mit der Auswerteschaltung (24) verbunden sind, wobei das erste Signal und das zweite Signal von der Auswerteschaltung (24) erfassbar sind, wobei die Auswerteschaltung (24) zum Plausibilisieren des ersten Signals mittels des zweiten Signals ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensor zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms
Stand der Technik
In vielen technischen Bereichen kommen Stromsensoren zum Einsatz. Derartige Sensoren erfassen einen durch einen Leiter fließenden elektrischen Strom.
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.
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.
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.
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.
Die DE 102011 088 893 Al 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.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Nach dem Stand der Technik erfolgt eine solche Plausibilisierung -- wenn überhaupt vorhanden -- über separate Stromsensoren, was kostenintensiv ist. Auch die im vorigen Absatz beschriebene Kombination mit einem direkten (widerstandsbasierten)
Messprinzip ist bekannt, jedoch mit diversen Nachteilen behaftet. Viele derzeitig am Markt befindliche Fahrzeugmodelle besitzen jedoch keinerlei Plausibilisierung des Stromsensorsignals auf physikalischer Ebene des Sensors. Möglicherweise sind die Absicherungen auf Systemebene gelöst. Allerdings ist zu erwarten, dass künftig von den Sensoren selbst höhere Anforderungen aus Sicht der Funktionalen Sicherheit nach IS026262 gestellt werden. Damit sind sensorinterne Plausibilisierungen ein wichtiger Aspekt. Bei dem zuletzt genannten Stand der Technik ist das Vorsehen des Messwiderstands aufwändig, da dieser in den elektrischen Leiter integriert werden muss und das Erfassen des Magnetfelds des Messwiderstands ist störungsanfällig. Die Hochvoltsicherheit bei direkten Verfahren ist ebenfalls aufgrund der vorzusehenden galvanischen Trennung aufwändiger, als bei den indirekten, berührungslosen magnetischen Prinzipien.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensor zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und der insbesondere eine sensorinterne Plausibilisierung eines magnetfeldbasierten Sensors zur Strommessung mittels eines zweiten, jedoch unterschiedlichen, magnetfeldbasierten Sensorsignals erlaubt. Diese Plausibilisierung erfolgt innerhalb des Sensors beispielsweise durch Vergleich der absoluten oder relativen Abweichung beider Signale innerhalb gewisser Toleranzgrenzen. Eine relevante Abweichung führt zur Erkennung eines Sensorfehlers und zur Ausgabe eines Signals, das im übergeordneten System (z.B. Steuergerät) zur Annahme eines sicheren Zustands führt.
Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms umfasst einen ersten Magnetfeldsensor, der zum Erfassen eines von dem Leiter erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist, wobei der erste Magnetfeldsensor zum Ausgeben eines ersten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld ausgebildet ist, das den durch den Leiter fließenden Strom anzeigt, einen zweiten Magnetfeldsensor, der zum Erfassen des von dem Leiter erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist, wobei der zweite Magnetfeldsensor zum Ausgeben eines zweiten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld ausgebildet ist, und eine Auswerteschaltung auf einer
Auswerteschaltungsplatine, wobei der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor mit der Auswerteschaltung verbunden sind, wobei das erste Signal und das zweite Signal von der Auswerteschaltung erfassbar sind, wobei die Auswerteschaltung zum Plausibilisieren des ersten Signals mittels des zweiten Signals ausgebildet ist.
Der durch den Leiter fließende elektrische Strom wird entsprechend indirekt sowohl von dem ersten Magnetfeldsensor als auch dem zweiten Magnetfeldsensor erfasst. So misst bzw. erfasst der erste Magnetfeldsensor ein Magnetfeld des Leiters, das dem Magnetfeld des ersten Magnetfeldsensors überlagert wird. Dank des überlagerten Wechselfelds kann auf das Primärmagnetfeld des Leiters, der auch als Primärleiter bezeichnet werden kann, und somit den Primärstrom durch den Leiter geschlossen werden. Ein durch das überlagerte Magnetfeld erzeugter Spannungsabfall, der beispielsweise an einem Messwiderstand abfällt, lässt sich in einen Strom überführen, der unter Einbezug der Wicklungszahl proportional zum zu messenden Primärleiterstrom ist. Das vom zu messenden Primärstrom erzeugte Magnetfeld des Leiters kann gleichzeitig von einem zweiten, unabhängigen Magnetfeldsensor erfasst werden. Dieser sekundäre Sensor kann z.B. nach dem Hall- oder xMR-Prinzip arbeiten. Geringere Genauigkeiten bzw. höhere Störempfindlichkeiten können zum Zweck der Kostenoptimierung toleriert werden. Damit ist es möglich auf zwei physikalisch unabhängigen Pfaden das Magnetfeld des Leiters zu detektieren, welches proportional zu dem zu messenden Strom ist.
Der erste Magnetfeldsensor beispielsweise in Form einer Förster-Sonde kann einen Magnetkern und eine den Magnetkern umgebende Spule aufweisen, wobei die Spule zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds ausgebildet ist, wobei das erste Signal eine Überlagerung aus induzierter Spannung und angelegter Spannung ist. Die Spule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das dem zu messenden Magnetfeld des Primärleiters überlagert wird. Mittels der nichtlinearen Magnetisierungsverläufe des Kerns und der sich ändernden Induktivität in der Sättigung kann dank des überlagerten Wechselfelds auf das Primärfeld und somit den Primärstrom geschlossen werden. Kommt als primäres Messprinzip bspw. eine Förster-Sonde zum Einsatz, so bildet dieser überlagerte Felder zum zu messenden Feld des Primärleiters aus. Das primärsensorbedingt erzeugte Feld kann dann als Überlagerung vom sekundären Sensor überwacht werden. Damit ist neben der eigentlichen Signalplausibilisierung bereits grundlegend die Funktionsüberwachung der felderzeugenden primären Förster- Sonde möglich.
Der erste Magnetfeldsensor kann weiterhin einen Messwiderstand, insbesondere Shunt-Widerstand, aufweisen, wobei das erste Signal mittels des Messwiderstands in einen ersten elektrischen Strom überführbar ist, wobei der erste elektrische Strom proportional zu dem durch den Leiter fließenden elektrischen Strom ist. Die über den Messwiderstand des ersten Magnetfeldsensors bzw. Förster-Sonde abfallende Spannung lässt sich somit in einen Strom überführen, der unter Einbezug der Wicklungszahl der Spule des ersten Magnetfeldsensors proportional zum zu messenden Primärleiterstrom ist. Dieser Messwiderstand ist bevorzugt ein Shunt-Widerstand. Der Shunt- Widerstand im ersten Magnetfeldsensor ist nicht zu verwechseln mit dem direkten Strommessprinzip über Shunt-Widerstände. Letztere liegen im mOhm- Bereich, während der Shunt im ersten Magnetfeldsensor bspw. 1 Ohm betragen kann, da er nur wesentlich kleinere Ströme handhaben muss. Der erste Magnetfeldsensor kann ausgebildet sein, den Leiter zumindest teilweise zu umgeben. Der zweite Magnetfeldsensor kann auf der Auswerteschaltungsplatine angeordnet sein. Damit lässt sich eine kompakte Gestaltung des Sensors realisieren. Beide Magnetfeldsensoren können beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse platzsparend integriert sein.
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. Der Sensor erlaubt somit verschiedene Betriebsmodi. So können der erste und zweite Magnetfeldsensor 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 Magnetfeldsensor nacheinander aktiviert bzw. ausgelesen. Die Wechselintervalle werden so gewählt, dass ein Optimum aus Messgenauigkeit, Abtastrate und Störunempfindlichkeit durch die aktive Spule des ersten Magnetfeldsensors erzielt wird. Dies hat den Vorteil, dass das Anregungsfeld des ersten Magnetfeldsensors nicht den zweiten Magnetfeldsensor stört.
Der zweite Magnetfeldsensor kann planar ausgebildet sein. Damit kann dieser flach auf der Auswerteschaltungsplatine angeordnet werden.
Der zweite Magnetfeldsensor kann senkrecht zu der Auswerteschaltungsplatine angeordnet sein. Dies erlaubt eine weitere Orientierung für die Messung des Magnetfelds des Leiters.
Der zweite Magnetfeldsensor kann ein Hall-Sensor oder ein Magnetometer sein. Entsprechend kann der zweite Magnetfeldsensor ein kostengünstiger Sensor zur indirekten Messung des durch den Leiter fließenden Stroms sein.
Der erste Magnetfeldsensor kann eine Förster-Sonde sein. Eine solche Sonde hat den Vorteil, dass sie den durch den Leiter fließenden Strom berührungslos und indirekt erfassen kann. Sie ist weiterhin sehr empfindlich über weite Messbereiche.
Die Auswerteschaltung kann zum Plausibilisieren des ersten Signals mittels des zweiten Signals durch Erfassen einer absoluten oder relativen Abweichung voneinander ausgebildet sein. Damit kann eine genaue Überprüfung der Funktionsfähigkeit des ersten Magnetfeldsensors erfolgen. Unter Berücksichtigung vorgegebener Toleranzgrenzen kann daher die Feststellung eines fehlerhaften Sensorsignals erfolgen, was über die Kommunikationsschnittstelle des Sensors an das übergeordnete System gemeldet wird. Somit kann auf Systemebene auf den vorliegenden Fehler aufmerksam gemacht werden und ein sicherer Zustand eingenommen werden.
Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug oder ein elektrisches Gerät vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug oder das elektrische Gerät weist eine Batterie und einen erfindungsgemäßen Sensor gemäß den vorstehenden Ausführungen auf.
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 IO 15 T bis 10 T.
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.
Unter einer Förster-Sonde oder 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.
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.
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.
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- Magneto Resistiv“ 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.
Zusammenfassend bietet der erfindungsgemäße Sensor eine Vielzahl von Vorteilen. Diese sind beispielsweise und nicht abschließend nachstehend erläutert.
Der erfindungsgemäße 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 des ersten und zweiten Magnetfeldsensors z.B. mittels Umspritzen innerhalb eines Bauteils möglich. Es ist eine gemeinsame Integration der Messverfahren auf einer Platine möglich.
Es ist eine Realisierung als Bestückoption möglich, falls gewisse Anwendungen keine Plausibilisierung erfordern, wodurch eine Kosteneinsparung bei Stückzahlerhöhung möglich ist. Der Sensor erlaubt die kostengünstige Verwendung von Sensoren mit niedrigerer Genauigkeit zur Gewinnung des Plausibilisierungssignals, da nur ähnliche (nicht identische) Ergebnisse erzielt werden müssen. Es können Drifts der Sensoren untereinander erkannt werden. Es kann ein Entfall von separaten Sensoren zur Plausibilisierung erfolgen und damit ist keine Verkabelung der sonst separaten Sensoren zueinander nötig, Entfall von systemseitigen Anstrengungen, da der Sensor sich selbst diagnostizieren kann, Erhöhung der Sicherheit durch schnellere Reaktionszeiten (kurze Signalstrecken / Laufzeiten), Erhöhung der Sicherheit durch werkseitig zueinander kompatiblen Subsystemen bzw. Messprinzipien, da die Kompatibilität der beiden unabhängig verwendeten Magnetfeldsensoren nicht zunächst aufwändig sichergestellt muss werden. Das primäre Messprinzip ist bevorzugt ein Fluxgate- Magnetometer, der sich durch seine hohe Messgenauigkeit auszeichnet. Das Fluxgate-Magnetometer ist ohne Kompensationsspule aufgebaut, so dass ein kostengünstiger Aufbau möglich ist. Die Einschränkung, dass höherfrequente Anteile (z.B. ab 100 Hz) nicht vollständig messbar sind, ist hinnehmbar, da es sich primär um Gleichstrommessungen handelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weiter optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensors und Figur 2 eine Vorderansicht des Sensors.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensors 10. Der Sensor 10 ist zum Erfassen eines durch einen Leiter 12 fließenden elektrischen Stroms 14 ausgebildet. Der Leiter 12 ist beispielsweise ein Kupferkabel oder eine Stromschiene, die für die Übertragung des zu messenden Stroms 14 verwendet wird. Der Sensor 10 weist einen ersten Magnetfeldsensor 16 auf. Der erste Magnetfeldsensor 16 ist zum Erfassen eines von dem Leiter 12 erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist. Der erste Magnetfeldsensor 16 ist weiterhin zum Ausgeben eines ersten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld ausgebildet ist, das den durch den Leiter 12 fließenden Strom 14 anzeigt. Der erste Magnetfeldsensor 16 weist einen Magnetkern 18 auf. Der Magnetkern 18 ist aus beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt. Der erste Magnetfeldsensor 16 weist weiterhin eine Spule 20 auf. Die Spule 20 umgibt den Magnetkern 18. Beispielsweise ist die Spule 20 um den Magnetkern 18 gewickelt. Die Spule 20 ist zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds ausgebildet ist. Das erste Signal ist dabei eine Überlagerung aus induzierter Spannung und angelegter Spannung. Der erste Magnetfeldsensor 16 weist weiterhin einen nicht näher gezeigten Messwiderstand auf, wie beispielsweise einen Shunt-Widerstand. Das erste Signal ist mittels des Messwiderstands in einen ersten elektrischen Strom überführbar. Der erste elektrische Strom ist proportional zu dem durch den Leiter 12 fließenden elektrischen Strom 14, insbesondere unter Berücksichtigung der Wicklungszahl der Spule 20. Der erste Magnetfeldsensor 16 ist ausgebildet, den Leiter 12 zumindest teilweise zu umgeben. Beispielsweise umgibt der Magnetkern 18 den Leiter 12 konzentrisch bzw. koaxial. So ist der Magnetkern 18 beispielsweise toroidförmig ausgebildet. Dabei berührt der Magnetkern 18 den Leiter 12 nicht. Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt, ist der erste Magnetfeldsensor 16 bei dem Ausführungsbeispiel als Förster-Sonde ausgebildet.
Figur 2 zeigt eine Vorderansicht des Sensors 10. Wie in Figur 2 zu erkennen ist, weist der Sensor 10 weiterhin einen zweiten Magnetfeldsensor 22 auf. Der zweite Magnetfeldsensor 22 ist zum Erfassen des von dem Leiter 12 erzeugten Magnetfelds ausgebildet. Der zweite Magnetfeldsensor 22 ist zum Ausgeben eines zweiten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld ausgebildet.
Der Sensor 10 weist weiterhin eine Auswerteschaltung 24 auf. Die Auswerteschaltung 24 ist auf einer Auswerteschaltungsplatine 26 angeordnet. Die Auswerteschaltung 24 ist beispielsweise eine ASIC. Der zweite Magnetfeldsensor 22 ist planar ausgebildet. Der zweite Magnetfeldsensor 22 ist auf der Auswerteschaltungsplatine 26 angeordnet. Der zweite Magnetfeldsensor 22 kann alternativ senkrecht zu der Auswerteschaltungsplatine 26 angeordnet sein. Die Position des zweiten Magnetfeldsensors 22 kann dabei so gewählt werden, dass sie möglichst wenig von der Spule 20 des ersten Magnetfeldsensors 16 beeinflusst wird. Dabei ist insbesondere ein Optimum zwischen Abstand zu Leiter 12 und Abstand zur Spule 20 des ersten Magnetfeldsensors 16 zu ermitteln. Die Hauptmessrichtung des zweiten Magnetfeldsensors 22 ist so gewählt, dass sie tangential zu den den Leiter 12 umschließenden Feldlinien liegt und damit maximale Sensitivität erzielt. Der zweite Magnetfeldsensor 22 ist ein Hall-Sensor. Alternativ kann der zweite Magnetfeldsensor 22 ein Magnetometer bzw. beliebiges magnetfeldbasiertes Sensorelement sein. Der erste Magnetfeldsensor 16 und der zweite Magnetfeldsensor 22 sind jeweils mit der Auswerteschaltung 24 verbunden. Der erste Magnetfeldsensor 16 kann dabei als diskreter Aufbau vorliegen oder als chipintegrierter Aufbau in Verbindung mit der Auswerteschaltung 24. Die Auswerteschaltung 24 ist weiterhin mittels Anschlussleitungen 28 elektrisch kontaktiert. Die Anschlussleitungen 28 dienen der Kommunikation mit beispielsweise einem Bussystem und der Energieversorgung. Das erste Signal und das zweite Signal sind von der Auswerteschaltung 24 erfassbar. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, ist die Auswerteschaltung 24 zum Plausibilisieren des ersten Signals mittels des zweiten Signals ausgebildet. Die Auswerteschaltung ist insbesondere zum Plausibilisieren des ersten Signals mittels des zweiten Signals durch Erfassen einer absoluten oder relativen Abweichung voneinander ausgebildet. Die Auswerteschaltung 24 ist ausgebildet, das erste Signal und das zweite Signal kontinuierlich und parallel zu erfassen. Alternativ ist die Auswerteschaltung 24 ausgebildet ist, das erste Signal und das zweite Signal intermittierend und sequentiell zu erfassen.
Nachstehend wird die Funktionsweise des Sensors 10 ausführlicher beschrieben. Fließt durch den Leiter 12 ein Strom 14, entsteht ein Magnetfeld um den Leiter 12. Der erste Magnetfeldsensor 16 wird angesteuert, dass die Spule 20 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das dem zu messenden Magnetfeld des Leiters 12 überlagert wird. Mittels der nichtlinearen Magnetisierungsverläufe des Magnetkerns 18 und der sich ändernden Induktivität in der Sättigung kann dank des überlagerten Wechselfelds auf das Magnetfeld des Leiters 12 und somit den Strom 14 durch den Leiter 12 geschlossen werden. Die über den Messwiderstand des ersten Magnetfeldsensors 16 abfallende Spannung lässt sich als erstes Signal in einen Strom überführen, der unter Einbezug der Wicklungszahl der Spule 20 proportional zum zu messenden Strom 14 durch den Leiter 12 ist. Das vom zu messenden Strom 14 erzeugte Magnetfeld kann gleichzeitig von dem zweiten, unabhängigen Magnetfeldsensor 22 erfasst und als zweites Signal ausgegeben werden. Dieser zweite Magnetfeldsensor 22 kann z.B. nach dem Hall- oder xMR-Prinzip arbeiten. Geringere Genauigkeiten bzw. höhere Störempfindlichkeiten können zum Zweck der Kostenoptimierung toleriert werden. Damit ist es möglich auf zwei physikalisch unabhängigen Pfaden das Magnetfeld des Leiters 12 zu detektieren, welches proportional zu dem zu messenden Strom 14 ist. Die beiden unabhängig gewonnenen Messgrößen, also Stromstärken, werden dann von der Auswerteschaltung 24 plausibilisiert, was z.B. durch Ermittlung der absoluten bzw. relativen Abweichungen des ersten Signals und des zweiten Signals voneinander gelingt. Unter Berücksichtigung vorgegebener Toleranzgrenzen kann die Feststellung eines fehlerhaften Sensorsignals erfolgen, was über die Kommunikationsschnittstelle des Sensors 10 an das übergeordnete System gemeldet wird. Somit kann auf Systemebene auf den vorliegenden Fehler aufmerksam gemacht werden und ein sicherer Zustand eingenommen werden. Mit anderen Worten erfolgt diese Plausibilisierung innerhalb des Sensors 10. Durch Vergleich der absoluten oder relativen Abweichung beider Signale innerhalb gewisser Toleranzgrenzen. Eine relevante Abweichung, d.h. eine einen Schwellwert überschreitende Abweichung, führt zur Erkennung eines Sensorfehlers und zur Ausgabe eines Signals, das im übergeordneten System z.B. Steuergerät zur Annahme eines sicheren Zustands führt.
Der Sensor 10 ist insbesondere im kraftfahrzeugtechnischen Bereich einsetzbar. Der Sensor 10 eignet sich insbesondere aber nicht ausschließlich als hochvolttauglicher Batteriestromsensor, der vorrangig den Ladezustand (State of Charge) der Traktionsbatterie in elektrifizierten Fahrzeugen überwacht. Es wird explizit betont, dass der Sensor 10 auch außerhalb des elektrifizierten Antriebsstrangs einsetzbar ist, wie beispielsweise in Industriesensoren, Luft-& Raumfahrt oder Medizintechnik. Die vorliegende Erfindung ist nachweisbar, da die Verwendung eines zweiten Magnetfeldsensors durch Analyse der Platine bzw. Leiterplatte und der dort verbauten Bauelemente nachgewiesen werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Sensor (10) zur Erfassung eines durch einen Leiter (12) fließenden elektrischen Stroms (14), umfassend einen ersten Magnetfeldsensor (16), der zum Erfassen eines von dem Leiter (12) erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist, wobei der erste Magnetfeldsensor (16) zum Ausgeben eines ersten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld ausgebildet ist, das den durch den Leiter (12) fließenden Strom anzeigt, einen zweiten Magnetfeldsensor (22), der zum Erfassen des von dem Leiter (12) erzeugten Magnetfelds ausgebildet ist, wobei der zweite Magnetfeldsensor (22) zum Ausgeben eines zweiten Signals basierend auf dem erfassten Magnetfeld ausgebildet ist, und eine Auswerteschaltung (24) auf einer Auswerteschaltungsplatine (26), wobei der erste Magnetfeldsensor (16) und der zweite Magnetfeldsensor (22) mit der Auswerteschaltung (24) verbunden sind, wobei das erste Signal und das zweite Signal von der Auswerteschaltung (24) erfassbar sind, wobei die Auswerteschaltung (24) zum Plausibilisieren des ersten Signals mittels des zweiten Signals ausgebildet ist.
2. Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Magnetfeldsensor (16) einen Magnetkern (18) und eine den Magnetkern (18) umgebende Spule (20) aufweist, wobei die Spule (20) zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds ausgebildet ist, wobei das erste Signal eine Überlagerung aus induzierter Spannung und angelegter Spannung ist.
3. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Magnetfeldsensor (16) weiterhin einen Messwiderstand, insbesondere Shunt- Widerstand, aufweist, wobei das erste Signal mittels des Messwiderstands in einen ersten elektrischen Strom überführbar ist, wobei der erste elektrische Strom proportional zu dem durch den Leiter (12) fließenden elektrischen Strom ist.
4. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Magnetfeldsensor (16) ausgebildet ist, den Leiter (12) zumindest teilweise zu umgeben, wobei der zweite Magnetfeldsensor (22) auf der Auswerteschaltungsplatine (26) angeordnet ist.
5. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (24) ausgebildet ist, das erste Signal und das zweite Signal kontinuierlich und parallel zu erfassen, oder wobei die Auswerteschaltung (24) ausgebildet ist, das erste Signal und das zweite Signal intermittierend und sequentiell zu erfassen.
6. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Magnetfeldsensor (22) planar ausgebildet ist.
7. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Magnetfeldsensor (22) senkrecht zu der Auswerteschaltungsplatine (26) angeordnet ist.
8. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Magnetfeldsensor (22) ein Hall-Sensor oder ein xMR- Magnetometer ist.
9. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Magnetfeldsensor (16) eine Förster-Sonde ist.
10. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (24) zum Plausibilisieren des ersten Signals mittels des zweiten Signals durch Erfassen einer absoluten oder relativen Abweichung voneinander ausgebildet ist.
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