WO2020254017A1 - Strommessvorrichtung und verfahren zum herstellen einer strommessvorrichtung - Google Patents

Strommessvorrichtung und verfahren zum herstellen einer strommessvorrichtung Download PDF

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WO2020254017A1
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Thomas Rapolder
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Lisa Draexlmaier GmbH
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    • 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
    • G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/04—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device and a method for producing a measuring device.
  • the present invention is described below mainly in connection with the measurement of currents in vehicles, in particular electric vehicles. It goes without saying that the present invention can also be used in other applications.
  • an electric motor can support the internal combustion engine, for example in hybrid vehicles, or replace it, for example in electric vehicles, to reduce emissions.
  • the energy source for example the battery, power electronics and electric motor, at all times.
  • the current flowing in the system at different points is an important variable.
  • the current flowing in the system at different points is an important variable.
  • it can be measured, for example, with the aid of shunt resistors or sensors that work on a magnetic basis.
  • Contactless current measurement is particularly useful in applications with high currents, for example in the busbars of an electric vehicle.
  • sensors can be used that work on the fluxgate principle.
  • An object of the invention is therefore to enable a current measurement with high accuracy using means that are as simple as possible in terms of construction.
  • a measuring device for measuring an electrical current has: a planar support structure with at least two levels, for example an upper side and a lower side, a number, ie one or more, of line structures, each of the line structures having a power input connection and a power output connection and wherein each of the line structures has an opening, wherein the line structures on the carrier structure are arranged one above the other, i.e. based on the area of the flat carrier structure, in such a way that the openings at least partially overlap, and a differentially measuring current sensor which has two measuring elements, wherein the measuring elements are each arranged in different planes of the support structure at the position of the at least partially overlapping openings.
  • a method according to the invention for producing a measuring device for measuring an electrical current has the following steps: providing a two-dimensional support structure with at least two levels, forming a number of line structures each with a power input connection and a power output connection, forming an opening in each of the line structures, arranging the line structures on the carrier structure one above the other in such a way that the openings at least partially overlap, and arranging two measuring elements of a differentially measuring current sensor in different planes of the carrier structure at the position of the at least partially overlapping openings.
  • the present invention is based on the knowledge that previous sensors for current measurement, for example in busbars, are mechanically very complex to manufacture or have only a low, reproducible accuracy due to the mechanical tolerances.
  • the lower accuracy due to manufacturing tolerances can under certain circumstances be compensated for by a calibration process.
  • this is an additional, complex refinement step that should be avoided.
  • the present invention therefore provides a very simple structure for a measuring device which can be used, for example, in electric vehicles in order to measure electrical currents.
  • a flat carrier structure on which two measuring elements of a differentially measuring current sensor are arranged.
  • the carrier structure can, for example, have an upper side and a lower side, on each of which one of the measuring elements is arranged.
  • the carrier structure consequently has at least two levels.
  • the planes can also be viewed as those areas on which the line structures and / or sensor elements can be arranged.
  • Line structures are also arranged on the carrier structure.
  • the line structures carry the current to be measured in the measuring device.
  • the number and dimensioning of the line structures can be adapted to the current to be measured.
  • a line structure can be arranged on the top and a line structure on the underside of the carrier structure.
  • the line structures can be designed, for example, as copper conductor tracks or conductor tracks made of any other electrically conductive material.
  • the power input connections can be electrically connected to one another.
  • the power output terminals can be electrically connected to one another.
  • the individual line structures are consequently arranged electrically in parallel.
  • Each of the line structures has an opening.
  • the openings are parallel to the surface of the support structure. In a plan view of the support structure, the openings are therefore parallel to the image plane.
  • the openings can have a round or circular, rectangular, oval outer contour or the like.
  • the line structures are arranged on the carrier structure in such a way that the openings of the individual line structures at least partially or completely overlap. It goes without saying that manufacturing-related tolerances and component tolerances can be included in a complete superposition.
  • the line structures can be designed to be exactly uniform and run the same in the respective plane on the
  • Be arranged support structure Be arranged support structure.
  • the line structures can be integrated in a busbar, for example in an electric vehicle or a control device of such an electric vehicle.
  • the busbar can be interrupted at the corresponding point and one end of the busbar can be connected to the power input connections of the line structures. The other end of the power rail can be connected to the
  • the differentially measuring current sensor with the two measuring elements that are arranged in the openings or in the respective plane at the position of the openings, consequently measure the difference between the two magnetic fields at the respective position. This measurement is very robust and largely independent of external interference.
  • a high current for example in an electric vehicle, can be detected very easily and precisely.
  • the planar support structure can be designed as a double-sided printed circuit board with a top and a bottom.
  • a line structure can be arranged on the top of the printed circuit board and a further line structure can be arranged on the underside of the printed circuit board.
  • a double-sided circuit board can be made with very simple means.
  • the line structures can be attached very easily to the top and bottom of the circuit board using circuit board production means.
  • any material suitable for the respective application such as FR4 or ceramic, can be used as the material for the circuit board.
  • one line structure can be produced on the top and one on the bottom.
  • the line structures can be designed as conductor tracks. It goes without saying that the material thickness of the conductor tracks can be selected depending on the current to be carried or measured. It is also understood that the line structures can alternatively or additionally have electrically conductive elements which can additionally be applied to the circuit board. For example, solid copper or aluminum wires or the like can be applied to the circuit board.
  • the planar support structure can be designed as a multilayer printed circuit board, also called a multilayer printed circuit board.
  • the line structures can be arranged distributed in particular symmetrically in the layers of the multilayer printed circuit board. If the carrier structure is designed as a multilayer circuit board, corresponding line structures can be arranged in the individual layers of the circuit board. This means that the current-carrying capacity of the measuring device can be flexibly adapted to the respective application. The current carrying capacity of the measuring device results from the current carrying capacity of an individual line structure multiplied by the number of line structures.
  • the symmetrical arrangement of the individual line structures in the planes of the support structure leads to a symmetrical magnetic field distribution within the openings.
  • the measurement can thus be simplified, since the individual measuring elements do not have to be adapted to an asymmetrical magnetic field.
  • one of the layers can be designed as an information transmission layer.
  • the information transmission layer can, for example, have conductor tracks for contacting the measuring elements.
  • the information transmission layer can simplify the electrical contacting of the measuring elements. It goes without saying that, for example, wired contacting of the measuring elements is possible in any case. However, due to the information transfer layer, the contacting of the measuring elements can be shifted into the interior of the carrier structure. There are consequently no exposed wires in the measuring device. This makes the measuring device more robust and less prone to errors.
  • the measuring elements can be designed at least partially as conductor structures in the carrier structure.
  • the measuring elements can be designed as discrete components, for example as SMD components. Such measuring elements can, for example, be placed and soldered very precisely on the carrier structure as part of the production of printed circuit boards. Alternatively, for example, individual components of the measuring elements, for example the measuring sensors in the form of measuring coils or measuring lines or the like, can be designed as conductor structures.
  • a measuring line of a measuring element can be designed as a conductor track in one of the inner layers of a multi-layer printed circuit board.
  • An excitation coil can be formed around the measuring line, for example, with the help of a combination of plated-through holes, also called vias, and corresponding conductor tracks.
  • further components of the measuring elements such as (differential) amplifiers, filters and the like, can be attached to the top or bottom of the carrier structure.
  • the measuring elements can each be designed to measure a current according to the principle of a fluxgate magnetometer.
  • Such measuring elements can also be called saturation core magnetometers or Förster probes.
  • the measurement of currents according to the principle of a fluxgate magnetometer is very resistant to external interference. If two such measuring elements are combined to form a differentially measuring current sensor, a very robust and exact measurement of the current can be carried out in the measuring device.
  • the measuring elements can each have a measuring axis.
  • the measuring elements can be arranged in such a way that the measuring axis is each at a predetermined angle to the direction of the current flow through the line structures, in particular at an angle of 0 ° or 90 °.
  • the individual measuring elements can be arranged in different ways in relation to the direction of the current flow and thus the direction of the magnetic fields generated.
  • the measuring axis denotes the axis of the highest sensitivity of the respective measuring element.
  • the structure of the current sensor in one axis can be susceptible to interference fields, for example if another busbar runs in the vicinity of the measuring device. Accordingly, the measuring elements can be arranged in such a way that this external influence is eliminated or minimized.
  • a further pair of measuring elements can also be provided, the measuring axes of which can be arranged, for example, orthogonally to the measuring axes of the first two measuring elements. This means that two current measurements can be carried out and compared with one another in order to identify external interference.
  • the measuring elements can be arranged offset from one another at a predetermined distance in relation to the surface of the carrier structure.
  • the measuring elements are thus offset from one another when viewed from above on the surface of the carrier structure.
  • the offset determines the distance between the measuring equipment and the point at which the magnetic fields cancel each other. The greater the distance, the greater the magnetic field to be measured in the respective measuring element. This also increases the difference to be measured and makes the measurement more robust. However, the system saturates earlier and this limits the measuring range.
  • the power input connections of the line structures can be coupled to a first external connection of the measuring device.
  • the power output connections of the line structures can be coupled to a second external connection of the measuring device.
  • the measuring device can, for example, be integrated directly into a control unit or another circuit within the respective application.
  • the measuring device can be integrated on the circuit board of an inverter or a safety device in an electric vehicle.
  • the measuring device can be provided with corresponding external connections.
  • the shape and nature of these external connections can be adapted to the respective application.
  • the external connections can be designed as soldering lugs or contact sheets that can be welded or contacted by clinching. The measuring device can thus be used very flexibly in different applications.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of a measuring device according to the present invention in a top view and a sectional view;
  • FIG. 2 shows a block diagram of a further exemplary embodiment of a measuring device according to the present invention in a side view
  • FIG. 3 shows a detail of an embodiment of a measuring device according to the present invention in a plan view
  • FIG. 4 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a measuring device 100 in a top view (left) and a sectional view (right) through the middle of the top view (shown by a dashed line).
  • the measuring device 100 has a carrier structure 101.
  • the carrier structure 101 is designed as a two-sided printed circuit board and thus has two planes 102, 103 in or on which further elements of the measuring device 100 can be arranged.
  • a line structure 104, 105 is arranged in each level.
  • a line structure 104 is therefore arranged on the top of the board and a line structure 105 is arranged on the underside of the board.
  • the line structures 104, 105 have a power input connection 106 and a power output connection 107 (only shown for the upper line structure 104).
  • the individual line structures 104, 105 are on the
  • Power input connections and the power output connections are electrically coupled to one another and thus arranged electrically in parallel.
  • the line structures 104, 105 have a widened section between the power input connection 106 and the power output connection 107, in the center of which an opening 108, 109 is arranged.
  • the surface of the carrier structure 101 is accessible through the opening.
  • the line structures 104, 105 are arranged in such a way that the openings 108, 109 overlap in plan view.
  • a measuring element 110, 111 of a differentially measuring current sensor is arranged in the openings on each plane 102, 103.
  • the current 150 to be measured flows past the openings 108, 109 on two sides.
  • Each of the sides thus forms a conductor section through which current flows, around which a magnetic field is formed.
  • the magnetic fields are superimposed within the openings 108, 109 and partially or completely cancel each other out in the center.
  • the center of the construction of the measuring device 100 lies in the middle of the carrier structure 101.
  • the measuring elements 110, 111 cannot therefore be positioned exactly in this center. Consequently, the measuring elements 110, 111 are each located in areas in which a magnetic field can be measured. This arrangement consequently enables the differential measuring system to be used in the current sensor.
  • the measuring elements 110, 111 can be contacted, for example, by means of wires or lines. As shown in FIG. 2, in the case of a multilayer printed circuit board, the measuring elements can also be contacted via an information transmission layer. It is further understood that the measuring elements 110, 111 can be coupled to a corresponding energy source and can have an evaluation or computing device or can be coupled to such a device.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a further measuring device 200.
  • the measuring device 200 likewise has a carrier structure 201.
  • the carrier structure 201 is designed as a multilayer printed circuit board and has four prepregs 215, 216, 217, 218. It goes without saying that the term prepregs was chosen here only as an example and that any technology can be used for the production of multilayer printed circuit boards.
  • the four prepregs 215, 216, 217, 218 result in the carrier structure 201 having five levels, the top side, the bottom side and three levels lying between the upper prepreg 215 and the lower prepreg 218. For the sake of clarity, the individual levels are not provided with reference symbols.
  • the measuring device 200 has three line structures 204, 205, 219.
  • the line structure 204 is arranged on the upper side of the carrier structure 201.
  • the line structure 205 is arranged on the underside of the carrier structure 201.
  • the third line structure is arranged between the inner prepregs 216, 217. It goes without saying that each of the line structures 204, 205, 219 has a corresponding opening for the formation of the magnetic fields.
  • the non-visible measuring elements can be arranged within the openings on the top and the bottom of the carrier structure 201. For contacting the measuring elements, two information transmission layers or planes between prepregs 215 and 216 or prepregs 217 and 218, in which conductor tracks 220, 221, 222, 223 are arranged, are shown as an example.
  • the conductor tracks 220, 221, 222, 223 are each connected to a corresponding connection 224, 225, 226, 227 on the upper side or the lower side of the carrier structure 201 by means of a through-connection.
  • the measuring elements can consequently be contacted or supplied with electrical energy via the connections 224, 225, 226, 227.
  • FIG. 3 shows a section of a measuring device 300.
  • a section of a line structure 304 of the measuring device 300 is shown.
  • the line structure 304 has an opening 308 in which a measuring element 310 is arranged.
  • the corresponding measuring sensor 330 is shown as an arrow.
  • the measuring sensor 331 of the second measuring element is shown as a dashed arrow. It can be seen that the measuring sensors 330, 331 are arranged at the same distance from the central axis in each case on opposite sides in the opening.
  • the symmetrical arrangement of the measuring sensors 330, 331 enables a very simple implementation of the differential measuring principle. It goes without saying that the measuring sensors 330, 331 can alternatively also be arranged asymmetrically. A corresponding offset correction can be provided in such an embodiment.
  • FIG. 4 shows a flow chart of an exemplary embodiment of a method for producing a measuring device (100, 200, 300) for measuring an electrical current (150).
  • a measuring device 100, 200, 300
  • an electrical current 150
  • a planar support structure (101, 201) with at least two levels (102, 103) is provided.
  • this can be a printed circuit board made of FR4 material, ceramic or the like.
  • a number of line structures (104, 105, 204, 205, 219, 304) each having a power input connection (106) and a power output connection (107) are formed.
  • an opening (108, 109, 308) is formed in each of the line structures (104, 105, 204, 205, 219, 304).
  • a fourth step S4 of the arrangement the line structures (104, 105, 204, 205, 219, 304) are arranged one above the other on the carrier structure (101, 201) in such a way that the openings (108, 109, 308) at least partially overlap.
  • a fifth step S5 two measuring elements (110, 111, 310) of a differentially measuring current sensor are placed in different planes (102, 103) of the support structure (101, 201) at the position of the at least partially overlapping openings (108, 109, 308) arranged.
  • steps S2, S3 and S4 can be carried out in a single step in the course of a circuit board production.
  • the two-dimensional carrier structure (101, 201) can be configured, for example, as a double-sided printed circuit board with an upper side and a lower side.
  • a line structure (104, 105, 204, 205, 219, 304) can be arranged on the top of the circuit board and a further line structure (104, 105, 204, 205, 219, 304) can be arranged on the underside of the circuit board.
  • the planar support structure (101, 201) can alternatively also be designed as a multilayer printed circuit board.
  • the line structures (104, 105, 204, 205, 219, 304) can in particular be distributed symmetrically in the layers of the multilayer printed circuit board.
  • One of the layers in the multilayer circuit board can also be designed as an information transmission layer.
  • At least conductor tracks (220, 221, 222, 223) for making contact with the measuring elements (110, 111, 310) can be arranged in the information transmission layer. Further conductor tracks, for example for supplying energy to the measuring elements (110, 111, 310) are also possible.
  • the measuring elements (110, 111, 310) can be designed as discrete elements. However, the measuring elements can at least partially be designed as conductor structures in the carrier structure (101, 201). This is especially the case for the measuring lines or excitation coils if the measuring elements (110, 111, 310) are each designed to measure a current (150) according to the principle of a fluxgate magnetometer.
  • the measuring elements (110, 111, 310) can each have a measuring axis and can be arranged in such a way that the measuring axis lies at a predetermined angle to the direction of the current flow through the line structures (104, 105, 204, 205, 219, 304). Such an angle can be, for example, an angle 0 ° or 90 °. Furthermore, the measuring elements (110, 111, 310) can be arranged offset from one another at a predetermined distance relative to the surface of the carrier structure (101, 201).
  • the power input connections of the line structures can be coupled to a first external connection of the measuring device (100, 200, 300).
  • the power output connections of the line structures (104, 105, 204, 205, 219, 304) can be coupled to a second external connection of the measuring device (100, 200, 300). Since the devices and methods described in detail above are exemplary embodiments, they can be modified in the usual way by a person skilled in the art to a wide extent without departing from the scope of the invention. In particular, the mechanical arrangements and the proportions of the individual elements to one another are merely exemplary.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Messvorrichtung (100, 200, 300) zum Messen eines elektrischen Stroms (150), aufweisend eine flächig ausgebildete Trägerstruktur (101, 201) mit mindestens zwei Ebenen (102, 103), eine Anzahl von Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304), wobei jede der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) einen Leistungseingangsanschluss (106) und einen Leistungsausgangsanschluss (107) aufweist und wobei jede der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) eine Öffnung (108, 109, 308) aufweist, wobei die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) auf der Trägerstruktur (101, 201) übereinander derart angeordnet sind, dass die Öffnungen (108, 109, 308) sich zumindest teilweise überlappen, und einen differenziell messenden Stromsensor, welcher zwei Messelemente (110, 111, 310) aufweist, wobei die Messelemente (110, 111, 310) jeweils in unterschiedlichen Ebenen (102, 103) der Trägerstruktur (101, 201) an der Position der sich zumindest teilweise überlappenden Öffnungen (108, 109, 308) angeordnet sind. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Messvorrichtung (100, 200, 300).

Description

STROMMESSVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER
STROMMESSVORRICHTUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Messvorrichtung.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit der Messung von Strömen in Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch in anderen Anwendungen genutzt werden kann.
In modernen Fahrzeugen kann zur Reduktion der Emissionen ein Elektromotor den Verbrennungsmotor unterstützen, beispielsweise in Hybridfahrzeugen, beziehungsweise diesen ersetzen, beispielsweise in Elektrofahrzeugen. Für den Betrieb eines solchen Fahrzeugs mit Elektromotor ist es nötig, in jedem Moment den Betriebszustand des Gesamtsystems aus Energiequelle, also beispielsweise Batterie, Leistungselektronik und Elektromotor zu kennen.
Dazu können unterschiedliche Größen in dem System erfasst und/oder gemessen werden. Eine wichtige Größe ist insbesondere der in dem System an unterschiedlichen Stellen fließende Strom. Je nach Betrag des Stroms kann dieser beispielsweise mit Hilfe von Shunt- Widerständen oder auf magnetischer Basis arbeitenden Sensoren gemessen werden. Insbesondere in Anwendungen mit hohen Strömen, also beispielsweise in Stromschienen eines Elektrofahrzeugs, bietet sich die kontaktlose Strommessung an. Beispielsweise können Sensoren benutzt werden, die nach dem Fluxgate-Prinzip arbeiten.
Bei solchen Sensoren ist die exakte und dauerhafte Positionierung der Stromsensoren ausschlaggebend für die Genauigkeit der Strommessung über die gesamte Lebensdauer der Sensoren.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Strommessung mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms weist auf: eine flächig ausgebildete Trägerstruktur mit mindestens zwei Ebenen, also beispielsweise einer Oberseite und einer Unterseite, eine Anzahl, also eine oder mehrere, von Leitungsstrukturen, wobei jede der Leitungsstrukturen einen Leistungseingangsanschluss und einen Leistungsausgangsanschluss aufweist und wobei jede der Leitungsstrukturen eine Öffnung aufweist, wobei die Leitungsstrukturen auf der Trägerstruktur übereinander, also bezogen auf die Fläche der flächig ausgebildeten Trägerstruktur, derart angeordnet sind, dass die Öffnungen sich zumindest teilweise überlappen, und einen differenziell messenden Stromsensor, welcher zwei Messelemente aufweist, wobei die Messelemente jeweils in unterschiedlichen Ebenen der Trägerstruktur an der Position der sich zumindest teilweise überlappenden Öffnungen angeordnet sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer flächig ausgebildeten Trägerstruktur mit mindestens zwei Ebenen, Ausbilden einer Anzahl von Leitungsstrukturen mit jeweils einem Leistungseingangsanschluss und einem Leistungsausgangsanschluss, Ausbilden einer Öffnung in jeder der Leitungsstrukturen, Anordnen der Leitungsstrukturen auf der Trägerstruktur derart übereinander, dass die Öffnungen sich zumindest teilweise überlappen, und Anordnen zweier Messelemente eines differentiell messenden Stromsensors in unterschiedlichen Ebenen der Trägerstruktur an der Position der sich zumindest teilweise überlappenden Öffnungen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bisherige Sensoren zur Strommessung beispielsweise in Stromschienen mechanisch sehr aufwändig in der Herstellung sind oder auf Grund der mechanischen Toleranzen lediglich eine geringe, reproduzierbare Genauigkeit aufweisen. Die geringere Genauigkeit auf Grund von Fertigungstoleranzen kann unter Umständen durch einen Abgleichsprozess ausgeglichen werden. Dies ist allerdings ein zusätzlich notwendiger, aufwändiger Veredelungsschritt, den es zu vermeiden gilt.
Die vorliegende Erfindung stellt deshalb einen sehr einfachen Aufbau für eine Messvorrichtung bereit, die beispielsweise in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann, um elektrische Ströme zu messen.
Dazu wird eine flächig ausgebildete Trägerstruktur bereitgestellt, auf der zwei Messelemente eines differentiell messenden Stromsensors angeordnet sind. Die Trägerstruktur kann beispielsweise eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen, auf welchen jeweils eines der Messelemente angeordnet ist. Die Trägerstruktur weist folglich mindestens zwei Ebenen auf. Die Ebenen können auch als diejenigen Flächen angesehen werden, auf welchen die Leitungsstrukturen und/oder Sensorelemente angeordnet werden können.
Auf der Trägerstruktur sind ferner Leitungsstrukturen angeordnet. Die Leitungsstrukturen tragen in der Messvorrichtung den zu messenden Strom. Dabei kann die Anzahl und die Dimensionierung der Leitungsstrukturen dem jeweils zu messenden Strom angepasst werden. Beispielsweise kann eine Leitungsstruktur auf der Oberseite und eine Leitungsstruktur auf der Unterseite der Trägerstruktur angeordnet werden. Die Leitungsstrukturen können dabei beispielsweise als Kupfer-Leiterbahnen oder Leiterbahnen aus jedem anderen elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein. Die Leistungseingangsanschlüsse können elektrisch miteinander verbunden sein. Ebenso können die Leistungsausgangsanschlüsse elektrisch miteinander verbunden sein. Die einzelnen Leitungsstrukturen sine folglich elektrisch parallel angeordnet.
Jede der Leitungsstrukturen weist eine Öffnung auf. Die Öffnungen liegen parallel zu der Fläche der Trägerstruktur. In einer Aufsicht auf die Trägerstruktur liegen die Öffnungen also parallel zur Bildebene. Die Öffnungen können eine runde beziehungsweise kreisförmige, rechteckige, ovale Außenkontur oder dergleichen aufweisen.
Auf der Trägerstruktur werden die Leitungsstrukturen derart angeordnet, dass die Öffnungen der einzelnen Leitungsstrukturen sich zumindest teilweise oder auch vollständig überlagern. Es versteht sich, dass bei einer vollständigen Überlagerung fertigungsbedingte Toleranzen und Bauteiltoleranzen inbegriffen sein können.
Liegt also eine Leitungsstruktur auf der Oberseite der Trägerstruktur und eine
Leitungsstruktur auf der Unterseite der Trägerstruktur, können die Leitungsstrukturen exakt gleichförmig ausgebildet sein und in der jeweiligen Ebene gleichverlaufend auf der
Trägerstruktur angeordnet sein.
Die Leitungsstrukturen können zur Strommessung in eine Stromschiene beispielsweise in einem Elektrofahrzeug oder einem Steuergerät eines solchen Elektrofahrzeugs integriert sein. Dazu kann die Stromschiene an der entsprechenden Stelle unterbrochen werden und ein Ende der Stromschiene mit den Leistungseingangsanschlüssen der Leitungsstrukturen verbunden werden. Das andere Ende der Stromschiene kann mit den
Leistungsausgangsanschlüssen der Leitungsstrukturen verbunden werden. Der gesamte in der Stromschiene fließende Strom fließt folglich auch über die Messvorrichtung.
Fließt ein Strom durch die Leitungsstrukturen bildet sich um die Leitungsstrukturen ein Magnetfeld aus. Innerhalb der Öffnung wirken die entstehenden Magnetfelder gegeneinander und heben sich exakt in der Mitte der Öffnung - zumindest bei einem symmetrischen Aufbau - vollständig auf.
Der differenziell messende Stromsensor mit den zwei Messelementen, die in den Öffnungen beziehungsweise in der jeweiligen Ebene an der Position der Öffnungen angeordnet sind, messen folglich jeweils die Differenz der zwei Magnetfelder an der jeweiligen Position. Diese Messung ist sehr robust und weitgehend unabhängig von äußeren Störeinflüssen.
Folglich kann mit Hilfe der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein hoher Strom beispielsweise in einem Elektrofahrzeug sehr einfach und genau erfasst werden.
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform kann die flächig ausgebildete Trägerstruktur als doppelseitige Leiterplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite ausgebildet sein. Dabei kann auf der Oberseite der Leiterplatte eine Leitungsstruktur angeordnet sein und auf der Unterseite der Leiterplatte kann eine weitere Leitungsstruktur angeordnet sein.
Eine doppelseitige Leiterplatte kann mit sehr einfachen Mitteln hergestellt werden. Insbesondere können die Leitungsstrukturen sehr einfach mit Mitteln der Leiterplattenherstellung auf Ober- und Unterseite der Leiterplatte angebracht werden.
Es versteht sich, dass als Material für die Leiterplatte jedes für die jeweilige Anwendung geeignete Material, wie beispielsweise FR4 oder Keramik, genutzt werden kann.
Bei der Herstellung einer solchen Leiterplatte kann jeweils eine Leitungsstruktur auf der Oberseite und eine auf der Unterseite hergestellt werden. Die Leitungsstrukturen können, wie bereits erläutert, als Leiterbahnen ausgebildet sein. Es versteht sich, dass die Materialstärke der Leiterbahnen abhängig von dem zu tragenden beziehungsweise messenden Strom gewählt werden kann. Es versteht sich ferner, dass die Leitungsstrukturen alternativ oder zusätzlich elektrisch leitende Elemente aufweisen können, die zusätzlich auf die Leiterplatte aufgebracht werden können. Beispielsweise können massive Kupfer- oder Aluminiumdrähte oder dergleichen auf der Leiterplatte aufgebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die flächig ausgebildete Trägerstruktur als mehrlagige Leiterplatte, auch Multilayer-Leiterplatte genannt, ausgebildet sein. Dabei können die Leitungsstrukturen insbesondere symmetrisch in den Lagen der mehrlagigen Leiterplatte verteilt angeordnet sein. Wird die Trägerstruktur als mehrlagige Leiterplatte ausgeführt, können in den einzelnen Lagen der Leiterplatte entsprechende Leitungsstrukturen angeordnet werden. Damit kann die Stromtragfähigkeit der Messvorrichtung flexibel an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Die Stromtragfähigkeit der Messvorrichtung ergibt sich aus der Stromtragfähigkeit einer einzelnen Leitungsstruktur multipliziert mit der Anzahl der Leitungsstrukturen.
Die symmetrische Anordnung der einzelnen Leitungsstrukturen in den Ebenen der Trägerstruktur führt zu einer symmetrischen Magnetfeldverteilung innerhalb der Öffnungen. Damit kann die Messung vereinfacht werden, da die einzelnen Messelemente nicht an ein asymmetrisches Magnetfeld angepasst werden müssen.
In noch einer Ausführungsform kann eine der Lagen als Informationsübertragungslage ausgebildet sein. Die Informationsübertragungslage kann beispielsweise Leiterbahnen zur Kontaktierung der Messelemente aufweisen.
Insbesondere, wenn auf der Oberseite und der Unterseite der Trägerstruktur Leitungsstrukturen angeordnet sind, kann die Informationsübertragungslage die elektrische Kontaktierung der Messelemente vereinfachen. Es versteht sich, dass beispielsweise eine bedrahtete Kontaktierung der Messelemente in jedem Fall möglich ist. Durch die Informationsübertragungslage kann die Kontaktierung der Messelemente aber in das Innere der Trägerstruktur verlagert werden. Es sind folglich keine freiliegenden Drähte in der Messvorrichtung vorhanden. Dadurch wird die Messvorrichtung robuster und weniger fehleranfällig.
In noch einer weiteren Ausführungsform können die Messelemente zumindest teilweise als Leiterstrukturen in der Trägerstruktur ausgebildet sein.
Es versteht sich, dass die Messelemente als diskrete Bauteile, beispielsweise als SMD Bauteile, ausgebildet sein können. Solche Messelemente können beispielsweise im Rahmen der Leiterplattenherstellung sehr exakt auf der Trägerstruktur platziert und verlötet werden. Alternativ können aber beispielsweise einzelne Bestandteile der Messelemente, beispielsweise die Messaufnehmer in Form von Messspulen oder Messleitungen oder dergleichen als Leiterstrukturen ausgebildet sein.
Beispielsweise kann eine Messleitung eines Messelements als Leiterbahn in einer der inneren Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet sein. Eine Anregungsspule kann beispielsweise mit Hilfe einer Kombination aus Durchkontaktierungen, auch Vias genannt, und entsprechenden Leiterbahnen um die Messleitung gebildet werden. Es versteht sich, dass weitere Bauteile der Messelemente, wie beispielsweise (Differenz-)Verstärker, Filter und dergleichen als auf der Oberseite beziehungsweise Unterseite der Trägerstruktur angebracht werden können.
In einer Ausführungsform können die Messelemente jeweils ausgebildet sein, einen Strom nach dem Prinzip eines Fluxgate-Magnetometers zu messen. Solche Messelemente können auch Saturationskern-Magnetometer oder Förster-Sonde genannt werden.
Die Messung von Strömen nach dem Prinzip eines Fluxgate-Magnetometers ist sehr resistent gegen äußere Störeinflüsse. Werden zwei solche Messelemente zu einem differentiell messenden Stromsensor kombiniert, kann eine sehr robuste und exakte Messung des Stroms in der Messvorrichtung durchgeführt werden.
In noch einer Ausführungsform können die Messelemente jeweils eine Messachse aufweisen. Die Messelemente können derart angeordnet sein, dass die Messachse jeweils in einem vorgegebenen Winkel zur Richtung des Stromflusses durch die Leitungsstrukturen liegt, insbesondere in einem Winkel von 0° oder 90°.
In der Messvorrichtung können die einzelnen Messelemente gegenüber der Richtung des Stromflusses und damit der Richtung der entstehenden Magnetfelder auf unterschiedliche Art angeordnet werden.
Die Messachse bezeichnet dabei jeweils die Achse der höchsten Empfindlichkeit des jeweiligen Messelements. Je nach Anordnung der Messachsen kann der Aufbau des Stromsensors in einer Achse empfänglich für Störfelder sein, beispielsweise wenn eine weitere Stromschiene in der Nähe der Messvorrichtung verläuft. Entsprechend können die Messelemente derart angeordnet werden, dass dieser externe Einfluss eliminiert beziehungsweise minimiert wird.
Es versteht sich, dass auch ein weiteres Paar aus Messelementen vorgesehen werden kann, dessen Messachsen zu den Messachsen der ersten zwei Messelemente beispielsweise orthogonal angeordnet sein können. Somit können zwei Strommessung durchgeführt und miteinander abgeglichen werden, um externe Störeinflüsse zu identifizieren.
In noch einer weiteren Ausführungsform können die Messelemente bezogen auf die Fläche der Trägerstruktur mit einem vorgegebenen Abstand gegeneinander versetzt angeordnet sein.
Die Messelemente weisen also bei einer Aufsicht auf die Fläche der Trägerstruktur einen Versatz zueinander auf. Durch diesen Versatz kann der Abstand der Messachsen beziehungsweise Messmittel innerhalb der Messelemente exakt eingestellt werden. Der Versatz bestimmt dabei den Abstand der Messmittel von dem Punkt, an welchem sich die Magnetfelder aufheben. Je größer der Abstand ist, desto größer ist das in dem jeweiligen Messelement zu messende Magnetfeld. Die zu messende Differenz wird dadurch ebenfalls größer und die Messung robuster. Allerdings gerät das System früher in die Sättigung und der Messbereich wird dadurch eingeschränkt.
In einer weiteren Ausführungsform können die Leistungseingangsanschlüsse der Leitungsstrukturen mit einem ersten externen Anschluss der Messvorrichtung gekoppelt sein. Die Leistungsausgangsanschlüsse der Leitungsstrukturen können mit einem zweiten externen Anschluss der Messvorrichtung gekoppelt sein.
Die Messvorrichtung kann beispielsweise direkt in ein Steuergerät oder eine andere Schaltung innerhalb der jeweiligen Anwendung integriert werden. Beispielsweise kann die Messvorrichtung auf der Leiterplatte eines Wechselrichters oder einer Sicherungsvorrichtung in einem Elektrofahrzeug integriert werden. Alternativ kann die Messvorrichtung mit entsprechenden externen Anschlüssen versehen werden. Diese externen Anschlüsse können in Ihrer Form und Beschaffenheit an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Beispielsweise können die externen Anschlüsse als Lötfahnen oder Kontaktbleche ausgebildet sein, die verschweißt oder mittels Durchsetzfügen kontaktiert werden können. Damit kann die Messvorrichtung sehr flexibel in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden.
Kurze Figurenbeschreibung
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht und einer Schnittansicht;
Figur 2 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Seitenansicht;
Figur 3 einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht; und
Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung
Figur 1 zeigt ein eine Messvorrichtung 100 in einer Aufsicht (links) und einer Schnittansicht (rechts) durch die Mitte der Aufsicht (durch eine gestrichelte Linie dargestellt). Die Messvorrichtung 100 weist eine Trägerstruktur 101 auf. Die Trägerstruktur 101 ist als zweiseitige Leiterplatte ausgebildet und weist damit zwei Ebenen 102, 103 auf, in beziehungsweise auf welchen weitere Elemente der Messvorrichtung 100 angeordnet werden können. Bei der Messvorrichtung 100 ist in jeder Ebene eine Leitungsstruktur 104, 105 angeordnet. Es ist also eine Leitungsstruktur 104 auf der Oberseite der Platine und eine Leitungsstruktur 105 auf der Unterseite der Platine angeordnet. In der Aufsicht ist zu erkennen, dass die Leitungsstrukturen 104, 105 einen Leistungseingangsanschluss 106 und einen Leistungsausgangsanschluss 107 aufweisen (nur für die obere Leitungsstruktur 104 dargestellt). Die einzelnen Leitungsstrukturen 104, 105 sind über die
Leistungseingangsanschlüsse und die Leistungsausgangsanschlüsse elektrisch miteinander gekoppelt und damit elektrisch parallel angeordnet.
Die Leitungsstrukturen 104, 105 weisen zwischen dem Leistungseingangsanschluss 106 und dem Leistungsausgangsanschluss 107 einen verbreiterten Abschnitt auf, in dessen Mitte eine Öffnung 108, 109 angeordnet ist. Durch die Öffnung ist jeweils die Oberfläche der Trägerstruktur 101 zugänglich. Die Leitungsstrukturen 104, 105 sind dabei derart angeordnet, dass sich die Öffnungen 108, 109 in der Aufsicht überdecken. In den Öffnungen ist auf jeder Ebene 102, 103 ein Messelement 110, 111 eines differentiell messenden Stromsensors angeordnet.
Bei dem Aufbau der Trägerstruktur 101 als zweiseitige Platine fließt der zu messende Strom 150 an den Öffnungen 108, 109 an zwei Seiten vorbei. Damit bildet jede der Seiten einen stromdurchflossenen Leiterabschnitt, um den sich ein Magnetfeld ausbildet. Innerhalb der Öffnungen 108, 109 überlagern sich die Magnetfelder und heben sich teilweise beziehungsweise im Zentrum vollständig auf.
Das Zentrum des Aufbaus der Messvorrichtung 100 liegt in der Mitte der Trägerstruktur 101. Damit können die Messelemente 110, 111 nicht exakt in diesem Zentrum positioniert werden. Folglich liegen die Messelemente 110, 111 jeweils in Bereiche, in welchen ein Magnetfeld messbar ist. Diese Anordnung ermöglicht folglich die Anwendung des differentiellen Messsystems in dem Stromsensor.
Obwohl nicht separat dargestellt, versteht sich, dass die Messelemente 110, 111 beispielsweise mittels Drähten oder Leitungen kontaktiert werden können. Wie in Figur 2 dargestellt, können die Messelemente bei einer mehrlagigen Leiterplatte auch über eine Informationsübertragungslage kontaktiert werden. Ferner versteht sich, dass die Messelemente 110, 111 mit einer entsprechenden Energiequelle gekoppelt werden können und eine Auswerte- oder Recheneinrichtung aufweisen können beziehungsweise mit einer solchen gekoppelt sein können.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Messvorrichtung 200. Die Messvorrichtung 200 weist ebenfalls eine Trägerstruktur 201 auf. Die Trägerstruktur 201 ist als mehrlagige Leiterplatte ausgebildet und weist vier Prepregs 215, 216, 217, 218 auf. Es versteht sich, dass der Begriff Prepregs hier lediglich beispielhaft gewählt wurde und dass jede Technologie zur Herstellung mehrlagiger Leiterplatten genutzt werden kann. Die vier Prepregs 215, 216, 217, 218 führen dazu, dass die Trägerstruktur 201 fünf Ebenen aufweist, die Oberseite, die Unterseite und drei zwischen dem oberen Prepreg 215 und dem unteren Prepreg 218 liegende Ebenen. Die einzelnen Ebenen sind der Übersichtlichkeit halber nicht mit Bezugszeichen versehen.
Die Messvorrichtung 200 weist drei Leitungsstrukturen 204, 205, 219 auf. Die Leitungsstruktur 204 ist auf der Oberseite der Trägerstruktur 201 angeordnet. Die Leitungsstruktur 205 ist auf der Unterseite der Trägerstruktur 201 angeordnet. Die dritte Leitungsstruktur ist zwischen den inneren Prepregs 216, 217 angeordnet. Es versteht sich, dass für die Ausbildung der Magnetfelder jede der Leitungsstrukturen 204, 205, 219 eine entsprechende Öffnung aufweist. Die nicht sichtbaren Messelemente können innerhalb der Öffnungen auf der Oberseite und der Unterseite der Trägerstruktur 201 angeordnet sein. Zur Kontaktierung der Messelemente sind beispielhaft zwei Informationsübertragungslagen oder -Ebenen zwischen Prepregs 215 und 216 beziehungsweise Prepregs 217 und 218 dargestellt, in welchen Leiterbahnen 220, 221 , 222, 223 angeordnet sind. Die Leiterbahnen 220, 221 , 222, 223 sind jeweils mittels einer Durchkontierung mit einem entsprechenden Anschluss 224, 225, 226, 227 auf der Oberseite beziehungsweise der Unterseite der Trägerstruktur 201 verbunden. Über die Anschlüsse 224, 225, 226, 227 können folglich die Messelemente kontaktiert beziehungsweise mit elektrischer Energie versorgt werden.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer Messvorrichtung 300. In Figur 3 ist lediglich ein Abschnitt einer Leitungsstruktur 304 der Messvorrichtung 300 dargestellt. Die Leitungsstruktur 304 weist eine Öffnung 308 auf, in welcher ein Messelement 310 angeordnet ist. In dem Messelement 310 ist der entsprechende Messaufnehmer 330 als Pfeil dargestellt. Der Messaufnehmer 331 des zweiten Messelements ist als gestrichelter Pfeil dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Messaufnehmer 330, 331 in gleichem Abstand von der Mittelachse jeweils auf gegenüberliegenden Seiten in der Öffnung angeordnet sind. Die symmetrische Anordnung der Messaufnehmer 330, 331 ermöglicht eine sehr einfache Implementierung des differentiellen Messprinzips. Es versteht sich, dass die Messaufnehmer 330, 331 alternativ auch asymmetrisch angeordnet werden können. In solch einer Ausführung kann eine entsprechende Offsetkorrektur vorgesehen werden.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Messvorrichtung (100, 200, 300) zum Messen eines elektrischen Stroms (150). Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den Figuren 1-3 als Referenz beibehalten.
In einem ersten Schritt S1 des Bereitstellens wird eine flächig ausgebildete Trägerstruktur (101 , 201) mit mindestens zwei Ebenen (102, 103) bereitgestellt. Beispielsweise kann dies eine Leiterplatte aus FR4 Material, Keramik oder dergleichen sein. In einem zweiten Schritt S2 des Ausbildens wird eine Anzahl von Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) mit jeweils einem Leistungseingangsanschluss (106) und einem Leistungsausgangsanschluss (107) ausgebildet. In einem dritten Schritt S3 des Ausbildens wird eine Öffnung (108, 109, 308) in jeder der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) ausgebildet. In einem vierten Schritt S4 des Anordnens werden die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) auf der Trägerstruktur (101 , 201) derart übereinander angeordnet, dass die Öffnungen (108, 109, 308) sich zumindest teilweise überlappen. In einem fünften Schritt S5 werden zwei Messelemente (110, 111 , 310) eines differentiell messenden Stromsensors in unterschiedlichen Ebenen (102, 103) der Trägerstruktur (101 , 201) an der Position der sich zumindest teilweise überlappenden Öffnungen (108, 109, 308) angeordnet.
Es versteht sich, dass einzelne Schritte des beschriebenen Verfahrens kombiniert werden können. Beispielsweise können die Schritte S2, S3 und S4 im Rahmen einer Leiterplattenfertigung in einem einzelnen Schritt durchgeführt werden.
Die flächig ausgebildete Trägerstruktur (101 , 201) kann beispielsweise als doppelseitige Leiterplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite ausgebildet werden. Dabei kann auf der Oberseite der Leiterplatte eine Leitungsstruktur (104, 105, 204, 205, 219, 304) angeordnet werden und wobei auf der Unterseite der Leiterplatte kann eine weitere Leitungsstruktur (104, 105, 204, 205, 219, 304) angeordnet werden.
Die flächig ausgebildete Trägerstruktur (101 , 201) kann alternativ auch als mehrlagige Leiterplatte ausgebildet werden. Die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) können dabei insbesondere symmetrisch in den Lagen der mehrlagigen Leiterplatte verteilt angeordnet werden.
Eine der Lagen in der mehrlagigen Leiterplatte kann auch als Informationsübertragungslage ausgebildet werden. In der Informationsübertragungslage können zumindest Leiterbahnen (220, 221 , 222, 223) zur Kontaktierung der Messelemente (110, 111 , 310) angeordnet werden. Weitere Leiterbahnen beispielsweise zur Energieversorgung der Messelemente (110, 111 , 310) sind ebenfalls möglich.
Die Messelemente (110, 111 , 310) können als diskrete Elemente ausgebildet sein. Die Messelemente können aber zumindest teilweise als Leiterstrukturen in der Trägerstruktur (101 , 201) ausgebildet werden. Dies ist insbesondere für die Messleitungen beziehungsweise Anregungsspulen der Fall, wenn die Messelemente (110, 111 , 310) jeweils ausgebildet werden, einen Strom (150) nach dem Prinzip eines Fluxgate-Magnetometers zu messen.
Die Messelemente (110, 111 , 310) können jeweils eine Messachse aufweisen und derart angeordnet werden, dass die Messachse jeweils in einem vorgegebenen Winkel zur Richtung des Stromflusses durch die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) liegt. Ein solcher Winkel kann beispielsweise ein Winkel 0° oder 90° sein. Ferner können die Messelemente (110, 111 , 310) bezogen auf die Fläche der Trägerstruktur (101 , 201) mit einem vorgegebenen Abstand gegeneinander versetzt angeordnet werden.
Um die Messvorrichtung als dedizierten Sensor einsetzen zu können, können die Leistungseingangsanschlüsse der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) mit einem ersten externen Anschluss der Messvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt werden. Die Leistungsausgangsanschlüsse der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) können mit einem zweiten externen Anschluss der Messvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt werden. Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft.
BEZUGSZEICHENLISTE
100, 200, 300 Messvorrichtung
101 , 201 Trägerstruktur
102, 103 Ebene
104, 105, 204, 205, 219, 304 Leitungsstruktur
106 Leistungseingangsanschluss
107 Leistungsausgangsanschluss
108, 109, 308 Öffnung
110, 111 , 310 Messelement
215, 216, 217, 218 Prepreg
220, 221 , 222, 223 Leiterbahn
224, 225, 226, 227 Anschluss
330, 331 Position des Messaufnehmers 332 Abstand
150 Strom
S1 - S5 Verfahrensschritt

Claims

ANSPRÜCHE
1. Messvorrichtung (100, 200, 300) zum Messen eines elektrischen Stroms (150), aufweisend: eine flächig ausgebildete Trägerstruktur (101 , 201) mit mindestens zwei Ebenen (102, 103), eine Anzahl von Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304), wobei jede der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) einen Leistungseingangsanschluss (106) und einen Leistungsausgangsanschluss (107) aufweist und wobei jede der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) eine Öffnung (108, 109, 308) aufweist, wobei die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) auf der Trägerstruktur (101 , 201) übereinander derart angeordnet sind, dass die Öffnungen (108, 109, 308) sich zumindest teilweise überlappen, und einen differenziell messenden Stromsensor, welcher zwei Messelemente (110, 111 , 310) aufweist, wobei die Messelemente (110, 111 , 310) jeweils in unterschiedlichen Ebenen (102, 103) der Trägerstruktur (101 , 201) an der Position der sich zumindest teilweise überlappenden Öffnungen (108, 109, 308) angeordnet sind.
2. Messvorrichtung (100, 200, 300) nach Anspruch 1 , wobei die flächig ausgebildete Trägerstruktur (101 , 201) als doppelseitige Leiterplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite ausgebildet ist und wobei auf der Oberseite der Leiterplatte eine Leitungsstruktur (104, 105, 204, 205, 219, 304) angeordnet ist und wobei auf der Unterseite der Leiterplatte eine weitere Leitungsstruktur (104, 105, 204, 205, 219, 304) angeordnet ist.
3. Messvorrichtung (100, 200, 300) nach Anspruch 1 , wobei die flächig ausgebildete Trägerstruktur (101 , 201) als mehrlagige Leiterplatte ausgebildet ist, wobei die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) insbesondere symmetrisch in den Lagen der mehrlagigem Leiterplatte verteilt angeordnet sind.
4. Messvorrichtung (100, 200, 300) nach Anspruch 3, wobei eine der Lagen als Informationsübertragungslage ausgebildet ist und zumindest Leiterbahnen (220, 221 , 222, 223) zur Kontaktierung der Messelemente (110, 111 , 310) aufweist.
5. Messvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messelemente (110, 111 , 310) zumindest teilweise als Leiterstrukturen in der Trägerstruktur (101 , 201) ausgebildet sind.
6. Messvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messelemente (110, 111 , 310) jeweils ausgebildet sind, einen Strom (150) nach dem Prinzip eines Fluxgate-Magnetometers zu messen.
7. Messvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messelemente (110, 111 , 310) jeweils eine Messachse aufweisen und wobei Messelemente (110, 111 , 310) derart angeordnet sind, dass die Messachse jeweils in einem vorgegebenen Winkel zur Richtung des Stromflusses durch die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) liegt, insbesondere in einem Wnkel von 0° oder 90°.
8. Messvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messelemente (110, 111 , 310) bezogen auf die Fläche der Trägerstruktur (101 , 201) mit einem vorgegebenen Abstand gegeneinander versetzt angeordnet sind.
9. Messvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leistungseingangsanschlüsse der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) mit einem ersten externen Anschluss der Messvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt sind und die Leistungsausgangsanschlüsse der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) mit einem zweiten externen Anschluss der Messvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt sind.
10. Verfahren zum Herstellen einer Messvorrichtung (100, 200, 300) zum Messen eines elektrischen Stroms (150), aufweisend die Schritte:
Bereitstellen (S1) einer flächig ausgebildeten Trägerstruktur (101 , 201) mit mindestens zwei Ebenen (102, 103),
Ausbilden (S2) einer Anzahl von Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) mit jeweils einem Leistungseingangsanschluss (106) und einem Leistungsausgangsanschluss (107), Ausbilden (S3) einer Öffnung (108, 109, 308) in jeder der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304),
Anordnen (S4) der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) auf der Trägerstruktur (101 , 201) derart übereinander, dass die Öffnungen (108, 109, 308) sich zumindest teilweise überlappen, und
Anordnen (S5) zweier Messelemente (110, 111 , 310) eines differentiell messenden Stromsensors in unterschiedlichen Ebenen (102, 103) der Trägerstruktur (101 , 201) an der Position der sich zumindest teilweise überlappenden Öffnungen (108, 109, 308).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die flächig ausgebildete Trägerstruktur (101 , 201) als doppelseitige Leiterplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite ausgebildet wird und wobei auf der Oberseite der Leiterplatte eine Leitungsstruktur (104, 105, 204, 205, 219, 304) angeordnet wird und wobei auf der Unterseite der Leiterplatte eine weitere Leitungsstruktur (104, 105, 204, 205, 219, 304) angeordnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die flächig ausgebildete Trägerstruktur (101 ,
201) als mehrlagige Leiterplatte ausgebildet wird, wobei die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) insbesondere symmetrisch in den Lagen der mehrlagigen Leiterplatte verteilt angeordnet werden, und insbesondere wobei eine der Lagen als
Informationsübertragungslage ausgebildet wird und zumindest Leiterbahnen (220, 221 , 222, 223) zur Kontaktierung der Messelemente (110, 111 , 310) in der
Informationsübertragungslage angeordnet werden.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 12, wobei die Messelemente (110, 111 , 310) zumindest teilweise als Leiterstrukturen in der Trägerstruktur (101 , 201) ausgebildet werden, und/oder wobei die Messelemente (110, 111 , 310) jeweils ausgebildet werden, einen Strom (150) nach dem Prinzip eines Fluxgate-Magnetometers zu messen, und/oder wobei die Messelemente (110, 111 , 310) jeweils eine Messachse aufweisen und wobei die Messelemente (110, 111 , 310) derart angeordnet werden, dass die Messachse jeweils in einem vorgegebenen Winkel zur Richtung des Stromflusses durch die Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) liegt, insbesondere in einem Wnkel von 0° oder 90°.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 13, wobei die Messelemente (110, 111 , 310) bezogen auf die Fläche der Trägerstruktur (101 , 201) mit einem vorgegebenen Abstand gegeneinander versetzt angeordnet werden.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 14, wobei die
Leistungseingangsanschlüsse der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) mit einem ersten externen Anschluss der Messvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt werden und die Leistungsausgangsanschlüsse der Leitungsstrukturen (104, 105, 204, 205, 219, 304) mit einem zweiten externen Anschluss der Messvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt werden.
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