WO2023138935A1 - Current sensor module for an electrical energy store - Google Patents

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WO2023138935A1
WO2023138935A1 PCT/EP2023/050317 EP2023050317W WO2023138935A1 WO 2023138935 A1 WO2023138935 A1 WO 2023138935A1 EP 2023050317 W EP2023050317 W EP 2023050317W WO 2023138935 A1 WO2023138935 A1 WO 2023138935A1
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WO
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sensor
magnetic field
current
busbar
sensor element
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Application number
PCT/EP2023/050317
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German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Peter Uhlig
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Publication of WO2023138935A1 publication Critical patent/WO2023138935A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20Adaptations 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
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0092Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only

Definitions

  • the invention relates to a current sensor module for an electrical energy store.
  • the invention also relates to a method for operating a current sensor module for an electrical energy store.
  • a classic approach uses a measuring shunt, for example, to measure an electrical current flowing across a suitable conductor section based on an electrical voltage drop.
  • non-contact systems that use the magnetic field, for example, to evaluate the current flowing as the cause of the field, with different approaches being known for non-contact current measurement.
  • AMR, GMR and, more recently, TMR sensors anisotropic MR effect, giant magneto-resistance, tunneling magneto-resistance
  • the sensors mentioned are mostly used in measuring bridge arrangements for linear applications.
  • a current sensor module for an electrical energy store having: - At least one first sensor having two sensor elements, wherein a first sensor element of the first sensor is embodied in a first magnetic field measurement technology and a second sensor element of the first sensor is embodied in a second magnetic field measurement technology;
  • At least one second sensor having two sensor elements, wherein a first sensor element of the second sensor is formed in a first magnetic field measurement technology and a second sensor element of the second sensor is formed in a second magnetic field measurement technology, wherein sensing directions of the first and second sensor elements are arranged perpendicular to one another;
  • the printed circuit board being able to be attached to a busbar (200) of the electrical energy storage device in such a way that, when the current sensor module is installed as intended on the busbar of the electrical energy storage device, one sensor is arranged in each case in an edge section of the busbar.
  • a current sensor module is provided with which an electric current flowing in the busbar can be measured between the electrical energy store (e.g. battery) and a further element (e.g. inverter).
  • the electrical energy store e.g. battery
  • a further element e.g. inverter
  • a magnetic field measurement is made possible in up to three spatial directions. Based on the direct current measurement, a precise statement can be made about the state of charge of the battery.
  • the magnetic field sensors with their sensor elements implemented in different sensing technologies can cover high dynamics, whereby, for example, an emergency shutdown and a high-precision current measurement can be implemented.
  • an indirect measurement of the electric current in the conductor is carried out with the two sensors.
  • the object is achieved with a method for operating a current sensor module for an electrical energy store, having the steps: - determining a magnetic field with a first sensor with a first sensor element of a first magnetic field measurement technology;
  • a preferred development of the current sensor module is characterized in that it also has a plug connector arranged on the printed circuit board for connecting the current sensor module to a superordinate module.
  • the first magnetic field measurement technology of a first sensor element is one of the following: TMR, AMR, GMR.
  • TMR magnetic field measurement technology
  • AMR magnetic field measurement technology
  • GMR GMR
  • the second magnetic field measurement technology of the second sensor element is based on the Hall effect, in particular using graphs.
  • other so-called 2D materials can also be considered for use.
  • 2D materials are materials that mainly expand in one plane and only expand a few atomic layers perpendicular to it. Due to the desired position relative to the current-carrying conductor, the sensor element with this technology has a low-pass character, ie rapid changes in the current do not have as strong an effect on the sensor signal as slow changes. This technology is used to measure magnetic fields out-of-plane, ie from the plane of the power supply.
  • Another preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that a sensor signal of the first sensor element of a first and a second sensor can be evaluated against a first threshold value of an amplitude of the magnetic field component, which is related to the electric current actually flowing in the busbar.
  • a further preferred embodiment of the current sensor is characterized in that the current sensor module also has at least one shielding element against an external electromagnetic field.
  • the shielding mentioned for example with ferromagnetic material in the form of a metal sheet, a U-shaped metal sheet, a sandwich of at least two metal sheets or a complete frame, etc., can advantageously be used to implement further improvements in terms of the current sensor module’s susceptibility to interference from magnetic fields that occur in the environment in addition to the magnetic field caused by the current to be measured.
  • a further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that the current sensors can be separated from the busbar by means of at least one dielectric spacer. In this way, an "air gap" between the busbar and the current sensors remains constant, because the dielectric hardly expands.
  • the dielectric preferably has a high permittivity in order to ensure galvanic isolation even in the case of high voltage differences between the voltage level of the current conductor and that of the current sensors. Examples of suitable materials are glass, FR2, FR4, epoxy resin or ceramics.
  • a further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that the sensors and their sensor elements are each arranged approximately in the outer third of the busbar.
  • the sensors and their sensor elements are each arranged approximately in the outer third of the busbar.
  • a further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that it also has a signal processing device which an emergency shutdown and a high-precision measurement of the current can be carried out.
  • a further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that the signal pre-processing can be carried out at least partially by means of the sensors.
  • the sensors advantageously assume signal preprocessing.
  • a further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that the signal processing can be carried out entirely by means of the evaluation device. This is how “dumb current sensors” are provided with electrical connections.
  • a further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that sensors each having a first sensor element of the first magnetic field measurement technology for the emergency shutdown and a second sensor element of the second magnetic field measurement technology can be used for a current measurement.
  • Device features disclosed result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and versions relating to the current sensor result from corresponding versions, features and technical advantages relating to the method for operating a current sensor for an electrical energy store and vice versa.
  • Fig. 1 shows a definition of a coordinate system
  • Fig. 2 is a plan view of an embodiment of a proposed
  • FIG. 4 shows a block diagram of a signal processing chain of the proposed current sensor module.
  • a current sensor module for an electrical energy store is proposed, with which the following two functions can be implemented in a sensor housing:
  • a magnetic detection of a rapidly increasing current in the event of a fault which can be a short circuit, for example, and the triggering of a e.g. semiconductor-based circuit breaker to safely isolate the battery from the rest of the circuit
  • Fig. 1 shows a coordinate system used in connection with the proposed current sensor module 100, in which the x and y axes are located on the surface of an electrical busbar 200 whose current is to be measured, with the y axis pointing in or against the direction of the current flowing.
  • Fig. 2 shows a top view of an embodiment of a proposed current sensor module 100.
  • Two sensors 1, 2 (2D magnetic sensors) can be seen, which are used both for the highly precise current measurement and for the emergency shutdown, which are placed on a printed circuit board 3 to the left and right of the center M at positions with all-pass character of the magnetic field component parallel to the x-direction.
  • the two sensors 1, 2 are each designed to measure a magnetic field using a first measurement technology and using a different second measurement technology.
  • one sensor element of the two sensors detects the same or at least essentially the same magnetic field component.
  • an integrated evaluation device 4 e.g. ASIC
  • ASIC integrated circuit
  • a high-precision current measurement by means of the current sensor module 100 takes place in a fully differential measuring operation, which can significantly reduce the influence of external magnetic fields or negate it compared to homogeneous magnetic fields.
  • the detected magnetic fields are verified with the respective other sensor 1, 2, so that, for example, an incorrect triggering of an emergency shutdown can be prevented and the sensor function is ensured at all times and can be monitored. Placing the sensors 1 , 2 with the evaluation circuit 4 in a row perpendicular to the direction of the electric current flow can increase robustness against irradiation and thus against measurement errors and lower the requirements for the wiring on the printed circuit board 3 .
  • Fig. 3 shows a cross-sectional view of the proposed current sensor module 100.
  • An area TP indicates arrangement positions of the sensors 1, 2 on the printed circuit board 3 with low-pass behavior for field components in the x-direction.
  • Areas AP indicate positions of the sensors 1, 2 on the printed circuit board 3 with all-pass behavior for field components in the x-direction.
  • HP indicates positions of the sensors 1, 2 on the printed circuit board 3 with high-pass behavior for field components in the x-direction.
  • the two sensors 1, 2 with sensitive axes in the x and z directions are placed outside the center M of the busbar 200 above the busbar 200, which can be designed, for example, as a connecting line between an electrical energy store (not shown) and an inverter (not shown).
  • the distance to the center M is determined by the dynamic behavior of the magnetic field, which can be described using known filter behavior.
  • An area should be selected for the emergency shutdown where the field component in the x-direction shows all-pass behavior in order not to burden the measurement process with a delay in detecting an overcurrent.
  • a TMR bridge that is sensitive in the x direction and has a high bandwidth is used to detect the instantaneous field component in the x direction.
  • the redundancy affects not only a single functional component, but both.
  • the possibility of using a differential is particularly advantageous Measuring principle of precise current measurement.
  • the magnetic field component perpendicular to the current direction and busbar surface (in the z-direction) has a different sign on both sides of the busbar 200 but the same amplitude as long as there are no high-frequency interferers in the area of influence of the conductor. If both magnetic field signals are subtracted in a central signal evaluation unit, the magnetic field signal is obtained with double the amplitude and external homogeneous magnetic fields are compensated to zero and fields with gradients are reduced to such an extent that only the gradient over the distance between the two sensors under consideration remains as a measurement error, i.e.
  • a second sensor element 1b or 2b preferably a graph-based Hall sensor, is used in the sensor 1, 2 for the precise detection of the electrical current in the busbar 200, which is installed in the same housing as the first sensor element 1a or 2a in the form of a TMR sensor. Due to the technology, the graphene Hall sensor is sensitive in the z-axis. The x-component of the magnetic field, which acts as a possible measurement error, is not recorded thanks to the almost non-existent cross-field sensitivity of the graph Hall sensor.
  • An exemplary implementation of a 3D magnetic sensor can include two sensors 1, 2, each with two sensor elements 1a, 1b or 2a, 2b, with the first sensor elements 1, 2a being sensitive parallel to the surface of the substrate, and the second sensor elements 1b, 2b being sensitive to magnetic fields perpendicular to the surface of the substrate.
  • the first sensor 1 is arranged to the left of the center M and the second sensor 2 to the right of the center M.
  • the two first sensor elements 1a, 2a differ in their wiring, with one of the two first sensor elements 1a, 2a being sensitive in a first direction and the other of the two first sensor elements 1a, 2a being sensitive in a second direction, which is perpendicular to the first direction, and at the same time lies parallel to the plane of the main extensions of the first sensor elements 1a, 2a.
  • An integrated circuit can lie underneath the functional sensor layers on the surface of a substrate, which is separated from the sensor layers with a passivation layer.
  • Shielding with ferromagnetic material in the form of a sheet, a U-shaped sheet, a sandwich consisting of two or more sheets, or a complete frame (not shown) can further improve susceptibility to interference from external fields.
  • a specific design, a suitable choice of material and a suitable geometric dimensioning are determined by means of an optimization process.
  • the specific positioning of the sensors 1, 2 to the left and right of the center M of the busbar is preferably such that the emergency shutdown has an all-pass behavior, as a result of which an effect of magnetic diffusion can be counteracted.
  • the current density initially increases at the edge of the busbar 200.
  • This effect is caused by electric current in the center of the conductor being impeded by electric eddy currents generated by the rapid increase in electric current.
  • a sensor above the center of the busbar 200 only receives the magnetic field that has arisen and only the magnetic field component parallel to the surface of the busbar with a delay compared to the electric current actually flowing.
  • this delay is referred to as a low-pass filter or, in special cases, as an integrator. The delay can be so great that a timely emergency shutdown of the affected circuits cannot be guaranteed.
  • An optimal position for the sensor element 1, 2 can preferably be determined using FEM (Finite Element Method) and depends on the distance of the measuring point from the busbar surface, the busbar geometry and the environmental conditions such as any shielding. At this optimal point, the sensors 1, 2 are placed in such a way that their sensor elements 1a, 2a are more likely to tend towards high-pass behavior in order to measure a rapid rise in current without delay, possibly somewhat overestimated.
  • FEM Finite Element Method
  • the sensors 1, 2 can already have part of the evaluation device 4, so that the emergency shutdown signals and also the measured magnetic field are transmitted on site in a machine-readable format. This is done, for example, on an integrated circuit that is part of the sensor 1, 2. Short supply lines advantageously help to keep measurement errors, e.g. caused by exposure to electromagnetic fields, to a minimum. Compensation for non-linearities and environmental conditions such as temperature can also be carried out very efficiently in this way.
  • Fig. 4 shows a block diagram of an exemplary signal processing chain of the current sensor module 100.
  • a block diagram of a sensor 1 can be seen with a first sensor element 1a for the emergency shutdown and integrated analog signal evaluation and the precise battery current sensor operated in regulated operation with the sensor element 1b based on graphene Hall.
  • the inputs and outputs of the chip packaged in a package can be purely analog or digital, depending on the specific implementation.
  • the first sensor element 1a is operated in an unregulated manner (open-loop arrangement).
  • An output of the first sensor element 1a is connected to an amplification element 6 (e.g. an instrument amplifier ker) out, the output of which is connected to a band limiter 7.
  • An output of the band limiter 7 is connected to a parallel circuit of absolute threshold value detection 8a and differential threshold value detection 8b, whose outputs are routed to a logical OR element 9.
  • a digital one-bit storage element 10 eg RS flip-flop
  • An output 20b represents a status indicator with at least two statuses, which provides status information regarding the occurrence of an error (error flag).
  • An output 20c represents a debugging output that can be used for troubleshooting.
  • the second sensor element 1b is used in regulated operation (closed-loop arrangement), with an output of the second sensor element 1b being routed to an amplification element 11 (instrument amplifier), the output of which is connected to a band-limiting element 12.
  • the output of the band limiting element 12 is fed to an analog/digital converter (ADC) 13 which is connected to a controller 14 .
  • ADC analog/digital converter
  • An input 20d can be used to configure the controller 14.
  • the output of the regulator 14 is connected to a measuring device 15 which is connected to a digital-to-analog converter (DAC) 16 .
  • An output of the DAC 16 is connected to an amplifier 17 whose output is connected to a magnetic field generator 18 .
  • a highly accurate measured value of the current measured by the current sensor module 100 can be provided at an output 20e.
  • the two technologically diversified sensors 1, 2 each have a TMR sensor in the sensor elements 1a, 2a and a graph sensor in the sensor elements 1b, 2b as well as a magnetic field generator, which ensures both the regulated operation of the high-precision battery current sensors and can be used for a built-in self-test (BIST).
  • BIST built-in self-test
  • the two sensors 1, 2 each have a TMR sensor in the sensor elements 1a, 2a and a graph sensor in the sensor elements 1b, 2b as well as a magnetic field generator as well as analog evaluation circuits and a control circuit that ensures both the regulated operation of the high-precision battery current sensors and can be used for the built-in self-test.
  • the distributed sensors are controlled via a central control unit, which can be implemented as an ASIC.
  • the emergency shutdown is preferably implemented with analogue, i.e. unclocked and continuous electronic circuits, the output signal being used according to a binary distinction according to its amplitude to distinguish the operating state.
  • the requirements for precise current measurement with regard to the bandwidth to be implemented are significantly lower than with emergency shutdown. Since the focus here is on the precision of the measurement, the measurement signal can be converted into a digital signal as early as possible in the signal path in the integrated circuit. The transmission of such a signal is essentially less error-prone, but there is a time delay compared to analog signals due to the conversion effort and clocking.
  • the noise is again reduced by approximately one order of magnitude, which is what makes precise current measurement with the required accuracy possible.
  • the magnetic field component perpendicular to the busbar surface basically has a low-pass behavior, which further reduces the noise due to an inherent bandwidth limitation.
  • a magnetic sensor is proposed with magnetoresistance technology, in particular in TMR technology (TMR, tunnel magnetoresistance).
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • Such TM R sensors are constructed using the thin-film process.
  • the production is usually located in the so-called back-end to the ASIC production and can be understood as an add-on process for the production of electrical, integrated circuits, in which additional functional layers are deposited on the ASIC, which together form a sensor.
  • TMR sensors consist of two magnetic and electrically conductive layers that are separated from one another by an electrically non-conductive layer that is only a few atomic layers thick.
  • the reference layer which essentially forms the magnetic reference layer of a sensor element, is called the fixed layer or reference layer.
  • the magnetic alignment of this reference layer is fixed. If this reference layer is permanently influenced by an external magnetic field, this will destroy the TMR sensor.
  • the magnetically active layer is called the "free layer", whereby the orientation of the free layer is essentially determined by the external magnetic field.
  • the magnetic tunnel effect describes the probability that electrons will cross the non-conductive tunnel barrier that separates the reference layer and the free layer from one another.
  • the tunneling probability changes depending on the magnetic orientation of the two layers to one another and thus on the respective electron spins. Macroscopically, there is a change in the ohmic resistance of such a TMR resistance element.
  • the Wheatstone bridge resistors consist of several TMR sensors connected in parallel and in series, all of which have the same initial magnetic orientation within the respective bridge resistor.
  • orientations of the reference layers can be adjusted using strong magnetic fields with the aid of local heating. This can be carried out using methods known per se (e.g. in an oven, by means of a laser).
  • TMR sensors that are constructed using geometric anisotropy usually have more than one stable operating point.
  • the preferred working point can be left under the influence of high external magnetic fields, so that the sensor finds itself in a less preferred working point.
  • the operating point can be reset to the preferred operating point using a magnetic field generated in the sensor, which is generated, for example, via energized dedicated reset lines.
  • the fixed layer can be made up of a nickel-iron layer which, when executed in the correct aspect ratio, forms magnetic vortices (also referred to as vortex).
  • vortex When exposed to an external magnetic field, the center of gravity of the vortex and thus the proportion of parallel to antiparallel electron spins shifts in relation to the reference layer. If the external magnetic field is very large, the magnetic vortex dissolves and forms again by itself when the external field falls below a certain value.
  • TMR sensors are characterized by a large measuring range and low noise, especially in the vortex implementation.
  • TMR sensors have a large measurement bandwidth, regardless of the specific design of the free position, ie they are sensitive to a large frequency range and react very quickly to changes in the magnetic field, which is advantageous for the proposed application in emergency shutdown.
  • the graphene is transferred in a manner known per se to a suitable substrate that is connected to the passivation layer of the ASIC (e.g. using a deposition process or using a transfer process).
  • graphene is understood to be a 2D material made up of regularly arranged carbon atoms.
  • a 2D material is a material that is only a few atomic layers thick, in particular only a single atomic layer, a so-called monolayer.
  • the material graphene is characterized by a very high electron mobility. This fact particularly contributes to the suitability of graphene as a sensor material using the Hall effect.
  • the electrons moved by an impressed current are deflected by the Lorentz force created by an external magnetic field acting perpendicularly through the electrically conductive material. This deflection generates a voltage that can be measured at two electrodes or electrical contacts across the applied current and is a measure of the level of the external magnetic field. Due to the high electron mobility, only a small impressed current is necessary to achieve the necessary sensitivity. In particular, the sensitivity can be adjusted to the application by means of the impressed current depending on the current carrying capacity of the sensor. In relation to the external magnetic field, graphene Hall sensors can be adjusted via the size of the active area in the measuring range.
  • the combination of a TMR sensor and a graphene sensor in a semiconductor component in the form of the sensor 1, 2 enables the representation of a magnetic field sensor that is sensitive in all three spatial directions without having to use a technology to redirect the magnetic field lines.
  • the use of a two-dimensional sensor is advantageous in order on the one hand to measure the magnetic field component perpendicular to the current direction and parallel to the surface of the busbar and on the other hand to measure the magnetic field component perpendicular to the direction of the current and perpendicular to the surface of the busbar.
  • the solderable or press-fit semiconductor component which has both a TMR sensor and a graphene Hall sensor as well as an integrated evaluation circuit, is placed both to the left and to the right of the middle of the busbar, such that the TMR sensor is placed in an area where the magnetic field component perpendicular to the current direction and parallel to the surface of the busbar is not delayed compared to the time-dependent current curve, which is e.g. for a configuration without shielding and a distance of the magnetic sensor to the busbar of approx. 5.5 mm is about 75% of half the busbar width.
  • the integrated signal evaluation uses an instrumentation amplifier to increase the TMR sensor signal, limits the bandwidth of the TMR sensor signal and evaluates whether a first threshold has been exceeded.
  • the first threshold relates to the amplitude of the magnetic field component, which is related to the electric current actually flowing in the bus bar 200 .
  • the first threshold is adjusted when the sensor system is started up and corrected during runtime according to the temperature prevailing at the measurement location.
  • the integrated signal evaluation also carries out an evaluation with regard to falling below a second threshold.
  • the second threshold relates to the amplitude of the magnetic field component, which is related to the electric current actually flowing in the bus bar 200 .
  • the second threshold is adjusted when the current sensor module 100 is put into operation and is corrected during the runtime in accordance with the temperature prevailing at the measurement location.
  • a real differentiator is used to generate a signal proportional to the slope of the TMR sensor signal, which is compared to a third and fourth threshold.
  • this third and fourth Thresholds are adjusted when the sensor system is commissioned and corrected during runtime according to the temperature prevailing at the measurement location.
  • the threshold values can be set digitally or generated analogously via voltage dividers. Regardless of which threshold value was exceeded or not reached, a one-bit memory component is set, which can be a bipolar multivibrator, an R-S flip-flop or similar, which can only be reset using an external control signal.
  • the band-limited sensor signal is made available at an output of the sensor module.
  • the graphene Hall sensor output signal is amplified by an instrumentation amplifier 11 before being band limited by a band limiter 12 .
  • the graphene Hall sensor can be operated both in a regulated and in an unregulated manner.
  • the band-limited signal is corrected for non-linearity and temperature dependency. This correction preferably takes place in a digital signal processing path.
  • the signal obtained in this way which is proportional to the magnetic field, can either be output in analog form again or, in order to avoid measurement errors, made available at the output using a digital transmission protocol such as SPI, l 2 C or the like.
  • the sensor module In controlled operation, the sensor module also has lines with which a magnetic field can be generated perpendicular to the current direction and perpendicular to the busbar surface.
  • the band-limited and digitally converted signal is regulated around its zero point via a correspondingly parameterized control device.
  • the current that is driven through the additional lines serves as the manipulated variable.
  • a measure of the applied external magnetic field is the manipulated variable, which must be recorded and corrected for non-linearity and temperature.
  • the corrected manipulated variable is either output again in analog form or, better to avoid measurement errors, made available at the output using a digital transmission protocol such as SPI, l 2 C or the like.
  • the current sensor module 100 has further current lines which are able to generate a magnetic field in both the direction in which the first sensor element 1a, 2a is sensitive and the direction in which the second sensor element 1b, 2b is sensitive. These lines are used to check the functionality.
  • a second sensor 2 of identical construction is placed with the same orientation at the same distance from the center of the busbar 200 . As a result, a fully redundant system is obtained with regard to the TMR sensors. If there is a need for technology diversity in terms of functional safety, AMR or GMR sensor elements can also be used, which differ from TMR sensors in that they have a slightly modified layer structure, but can also be integrated into the same semiconductor component.
  • both TMR sensors have essentially the same sensor signals within the scope of the differences that result from installation tolerances and differences in components.
  • the graphene Hall sensor signals are also essentially the same in terms of amplitude, but opposite in sign.
  • a fully differential evaluation of the signals of the graphene Hall sensor signals in a central integrated circuit can lead to the doubling of the amplitude and simultaneous cancellation of any external magnetic fields that may have an effect when the two signals are subtracted.
  • known shielding measures can be taken.
  • Shielding measures can include a single metal sheet that is attached above the sensor modules and protrudes beyond busbar 200 .
  • Other embodiments of shielding measures are two metal sheets that are mounted above the sensor modules and below the busbar 200, but also the use of a comprehensive U-profile, which is closed below the busbar 200 and open above the sensor modules, or a comprehensive, closed frame that encloses both the busbar 200 and the sensors 1, 2.
  • Known embodiments of Shielding measures use laminated cores instead of solid components to minimize losses due to eddy currents and the influence of the shielding on the measurement signal.
  • the central evaluation device 4 which is placed centrally above the conductor rail 200, verifies and validates the sensor signals and processes them, such as the subtraction described above. Other functions of the central evaluation unit are communication with the higher-level system using a digital communication protocol.
  • the central evaluation device 4 can also parameterize the sensors 1 , 2 and the evaluation algorithms.
  • An essential function of the central evaluation device 4 is the determination of the maximum electric current that has flowed in the event of a fault. Since the triggering of a threshold via the change in the output of the bipolar multivibrator is made available directly to the higher-level system, the detection of the electrical current must track this event. The change in the electrical output voltage of the sensor module is detected at an input of the central evaluation device 4, which can release algorithms under hardware control via a trigger, and reading out of the running buffer memory is initiated.
  • the maximum current e.g. twenty values of the buffer memory can be recorded after the error detection has been triggered and the maximum amount of the sensor signal can be stored in a RAM, which can then be read out at a later point in time.
  • the readout takes place according to a specified time cycle, so that the values read out represent a period of time tailored to the application.
  • the central evaluation device 4 can have the functionality to initiate a built-in self-test and to change its parameterization on command from the higher-level system.
  • the central evaluation unit can be expanded to include the functionality of controlling the graph Hall sensor.
  • the proposed current sensor module 100 advantageously provides a highly accurate and fast battery current sensor measuring instrument that can measure the electric current supplied to and drawn from the battery, which means that a very precise display of the battery's state of charge can be implemented as a result.

Abstract

The invention relates to a current sensor module (100) for an electrical energy store, comprising: - at least one first sensor (10) having two sensor elements (1a, 1b), a first sensor element (1a) of the first sensor (1) being of a first magnetic field measurement technology, and a second sensor element (1b) of the first sensor (1) being of a second magnetic field measurement technology; - at least one second sensor (2) having two sensor elements (2a, 2b), a first sensor element (2a) of the second sensor (2) being of a first magnetic field measurement technology, and a second sensor element (2b) of the second sensor (2) being of a second magnetic field measurement technology, wherein sensing directions of the first and of the second sensor elements (1a, 1b, 2a, 2b) are arranged so as to be normal with respect to one another; - a printed circuit board (3) on which the two sensors (1, 2) are arranged so as to be galvanically conductive; and - an evaluation device (4) by means of which measured values of the two sensors (1, 2) can be evaluated separately from one another, wherein indirect measurement of the current can be performed using magnetic field measurements of the two sensors (1, 2), wherein the printed circuit board (3) can be attached to a bus bar (200) of the electrical energy store such that, when the current sensor module (100) is in the intended attachment position on the bus bar (200) of the electrical energy store, one sensor (1, 2) is arranged in each edge portion of the bus bar.

Description

Beschreibung Description
Titel title
Stromsensormodul für einen elektrischen
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Current sensor module for an electric
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Die Erfindung betrifft ein Stromsensormodul für einen elektrischen Energiespeicher. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Stromsensormoduls für einen elektrischen Energiespeicher. The invention relates to a current sensor module for an electrical energy store. The invention also relates to a method for operating a current sensor module for an electrical energy store.
Stand der Technik State of the art
Mit zunehmender Elektrifizierung kommt der Strommessung im Fahrzeug eine immer höhere Bedeutung zu, wobei zu diesem Zweck mehrere unterschiedliche Messverfahren bekannt sind. Ein klassischer Ansatz verwendet z.B. einen Mess- Shunt, um anhand eines elektrischen Spannungsabfalles über einem geeigneten Leiterabschnitt einen fließenden elektrischen Strom zu messen. With increasing electrification, current measurement in the vehicle is becoming increasingly important, with several different measurement methods being known for this purpose. A classic approach uses a measuring shunt, for example, to measure an electrical current flowing across a suitable conductor section based on an electrical voltage drop.
Bekannt sind ferner auch berührungslose Systeme, die z.B. anhand des Magnetfeldes den als Feldursache fließenden Strom bewerten, wobei für die berührungslose Strommessung unterschiedliche Ansätze bekannt sind. Zur berührungslosen Strommessung kommen heute vorwiegend AMR-, GMR- und neuerdings TMR-Sensoren (Anisotroper MR-Effekt, Giant-Magneto-Resistance, Tunneling-Magneto-Resistance) zum Einsatz. Die genannten Sensoren werden für lineare Anwendungen meistens in Messbrückenanordnungen verwendet. Also known are non-contact systems that use the magnetic field, for example, to evaluate the current flowing as the cause of the field, with different approaches being known for non-contact current measurement. AMR, GMR and, more recently, TMR sensors (anisotropic MR effect, giant magneto-resistance, tunneling magneto-resistance) are primarily used for non-contact current measurement. The sensors mentioned are mostly used in measuring bridge arrangements for linear applications.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Messen von elektrischem Strom eines elektrischen Energiespeichers bereitzustellen. It is an object of the present invention to provide an improved device for measuring electrical current of an electrical energy storage device.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Stromsensormodul für einen elektrischen Energiespeicher, aufweisend: - wenigstens einen ersten Sensor aufweisend zwei Sensorelemente, wobei ein erstes Sensorelement des ersten Sensors in einer ersten Magnetfeldmesstechnologie und ein zweites Sensorelement des ersten Sensors in einer zweiten Magnetfeldmesstechnologie ausgebildet ist; The object is achieved according to a first aspect with a current sensor module for an electrical energy store, having: - At least one first sensor having two sensor elements, wherein a first sensor element of the first sensor is embodied in a first magnetic field measurement technology and a second sensor element of the first sensor is embodied in a second magnetic field measurement technology;
- wenigstens einen zweiten Sensor aufweisend zwei Sensorelemente, wobei ein erstes Sensorelement des zweiten Sensors in einer ersten Magnetfeldmesstechnologie und ein zweites Sensorelement des zweiten Sensors in einer zweiten Magnetfeldmesstechnologie ausgebildet ist, wobei Sensier- Richtungen der ersten und der zweiten Sensorelemente normal zueinander angeordnet sind; - At least one second sensor having two sensor elements, wherein a first sensor element of the second sensor is formed in a first magnetic field measurement technology and a second sensor element of the second sensor is formed in a second magnetic field measurement technology, wherein sensing directions of the first and second sensor elements are arranged perpendicular to one another;
- eine Leiterplatte, auf der die beiden Sensoren galvanisch leitend angeordnet sind; und - A printed circuit board on which the two sensors are arranged in a galvanically conductive manner; and
- eine Auswerteeinrichtung, mit der Messwerte der beiden Sensoren getrennt voneinander auswertbar sind, wobei aus Magnetfeldmessungen der beiden Sensoren eine indirekte Messung des Stroms durchführbar ist, wobei die Leiterplatte derart auf einer Stromschiene (200) des elektrischen Energiespeichers anbringbar ist, dass in bestimmungsgemäßer Anbringlage des Stromsensormoduls auf der Stromschiene des elektrischen Energiespeichers jeweils ein Sensor in jeweils einem Randabschnitt der Stromschiene angeordnet ist. - an evaluation device with which the measured values of the two sensors can be evaluated separately from one another, in which case an indirect measurement of the current can be carried out from magnetic field measurements of the two sensors, the printed circuit board being able to be attached to a busbar (200) of the electrical energy storage device in such a way that, when the current sensor module is installed as intended on the busbar of the electrical energy storage device, one sensor is arranged in each case in an edge section of the busbar.
Auf diese Weise wird ein Stromsensormodul bereitgestellt, mit dem ein in der Stromschiene fließender elektrischer Strom zwischen dem elektrischen Energiespeicher (z.B. Batterie) und einem weiteren Element (z.B. Inverter) gemessen werden kann. Ermöglicht wird auf diese Weise eine Magnetfeldmessung in bis zu drei Raumrichtungen. Aufgrund der Gleichstrommessung kann eine präzise Aussage über einen Ladezustand der Batterie getroffen werden. Vorteilhaft kann mit den Magnetfeldsensoren mit ihren Sensorelementen ausgeführt in unterschiedlichen Sensiertechnologien eine hohe Dynamik abgedeckt werden, wodurch z.B. eine Notabschaltung und eine hochpräzise Strommessung realisiert werden können. Im Ergebnis wird mit den beiden Sensoren eine indirekte Messung des elektrischen Stroms im Leiter durchgeführt. In this way, a current sensor module is provided with which an electric current flowing in the busbar can be measured between the electrical energy store (e.g. battery) and a further element (e.g. inverter). In this way, a magnetic field measurement is made possible in up to three spatial directions. Based on the direct current measurement, a precise statement can be made about the state of charge of the battery. Advantageously, the magnetic field sensors with their sensor elements implemented in different sensing technologies can cover high dynamics, whereby, for example, an emergency shutdown and a high-precision current measurement can be implemented. As a result, an indirect measurement of the electric current in the conductor is carried out with the two sensors.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Stromsensormoduls für einen elektrischen Energiespeicher, aufweisend die Schritte: - Ermitteln eines Magnetfelds mit einem ersten Sensor mit einem ersten Sensorelement einer ersten Magnetfeldmesstechnologie; According to a second aspect, the object is achieved with a method for operating a current sensor module for an electrical energy store, having the steps: - determining a magnetic field with a first sensor with a first sensor element of a first magnetic field measurement technology;
- Ermitteln eines Magnetfelds mit einem zweiten Sensor mit einem ersten Sensorelement der ersten oder einer zweiten Magnetfeldmesstechnologie, wobei die Messungen beider Sensoren getrennt voneinander ausgewertet werden; und - determining a magnetic field with a second sensor with a first sensor element of the first or a second magnetic field measurement technology, the measurements of both sensors being evaluated separately from one another; and
- Ermitteln eines Stromflusses für einen elektrischen Energiespeicher aus den ermittelten Magnetfeldern. - Determining a current flow for an electrical energy store from the determined magnetic fields.
Bevorzugte Ausführungsformen des Stromsensormoduls sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen. Preferred embodiments of the current sensor module are subject of dependent claims.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Stromsensormoduls ist dadurch gekennzeichnet, dass er ferner einen auf der Leiterplatte angeordneten Steckverbinder zur Anbindung des Stromsensormoduls an ein übergeordnetes Modul aufweist. A preferred development of the current sensor module is characterized in that it also has a plug connector arranged on the printed circuit board for connecting the current sensor module to a superordinate module.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Stromsensormoduls ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetfeldmesstechnologie eines ersten Sensorelements eines aus Folgendem ist: TMR, AMR, GMR. Mit dieser Technologie (auch xMR-Technologie genannt) kann vorteilhaft ein Magnetfeld in-plane, d.h. innerhalb der Ebene der Stromführung, gemessen werden. TMR hat dabei vorteilhaft ein sehr geringes Rauschen und kann daher für eine Magnetfeldmessung mit hoher Auflösung verwendet werden. A further preferred development of the current sensor module is characterized in that the first magnetic field measurement technology of a first sensor element is one of the following: TMR, AMR, GMR. With this technology (also called xMR technology), a magnetic field can advantageously be measured in-plane, i.e. within the plane of the current conduction. In this case, TMR advantageously has very low noise and can therefore be used for a magnetic field measurement with high resolution.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Stromsensormoduls sieht vor, dass die zweite Magnetfeldmesstechnologie des zweiten Sensorelements auf dem Hall-Effekt basiert, insbesondere unter Verwendung von Graphen. Alternativ können auch andere sogenannte 2D-Materialien für die Anwendung in Frage kommen. Unter 2D-Materialien versteht man Materialien, die hauptsächlich über eine Ausdehnung in einer Ebene verfügen und senkrecht dazu lediglich einige wenige Atomlagen Ausdehnung aufweisen. Aufgrund der angestrebten Lage relativ zum stromführenden Leiter weist das Sensorelement mit dieser Technologie einen Tiefpass-Charakter auf, d.h. dass schnelle Änderungen des Stroms nicht so starke Auswirkungen auf das Sensorsignal haben wie langsame Änderungen. Diese Technologie wird zur Magnetfeldmessung out-of-plane, d.h. aus der Ebene der Stromführung heraus, verwendet. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass ein Sensorsignal des ersten Sensorelements eines ersten und eines zweiten Sensors gegenüber einem ersten Schwellwert einer Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation zum tatsächlich in der Stromschiene fließenden elektrischen Strom steht, auswertbar ist. A further preferred development of the current sensor module provides that the second magnetic field measurement technology of the second sensor element is based on the Hall effect, in particular using graphs. Alternatively, other so-called 2D materials can also be considered for use. 2D materials are materials that mainly expand in one plane and only expand a few atomic layers perpendicular to it. Due to the desired position relative to the current-carrying conductor, the sensor element with this technology has a low-pass character, ie rapid changes in the current do not have as strong an effect on the sensor signal as slow changes. This technology is used to measure magnetic fields out-of-plane, ie from the plane of the power supply. Another preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that a sensor signal of the first sensor element of a first and a second sensor can be evaluated against a first threshold value of an amplitude of the magnetic field component, which is related to the electric current actually flowing in the busbar.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Stromsensormodul ferner wenigstens ein Abschirmelement gegenüber einem externen elektromagnetischen Feld aufweist. Durch die genannte Abschirmung, beispielsweise mit ferromagnetischem Material in Form eines Bleches, eines U-geformten Bleches, eines Sandwichs aus mindestens zwei Blechen oder auch einem kompletten Rahmen, usw. lassen sich vorteilhaft weitere Verbesserungen hinsichtlich der Störanfälligkeit des Stromsensormoduls gegenüber Magnetfeldern realisieren, die zusätzlich zu dem vom zu messenden Strom verursachten Magnetfeld in der Umgebung auftreten. A further preferred embodiment of the current sensor is characterized in that the current sensor module also has at least one shielding element against an external electromagnetic field. The shielding mentioned, for example with ferromagnetic material in the form of a metal sheet, a U-shaped metal sheet, a sandwich of at least two metal sheets or a complete frame, etc., can advantageously be used to implement further improvements in terms of the current sensor module’s susceptibility to interference from magnetic fields that occur in the environment in addition to the magnetic field caused by the current to be measured.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromsensoren mittels wenigstens eines dielektrischen Abstandshalters von der Stromschiene trennbar sind. Vorteilhaft bleibt auf diese Weise ein „Luftspalt“ zwischen Stromschiene und Stromsensoren konstant, weil sich das Dielektrikum kaum ausdehnt. Das Dielektrikum weist vorzugsweise eine hohe Permittivität auf, um eine galvanische Trennung auch bei hohen Spannungsunterschieden zwischen der Spannungsebene des Stromleiters und der der Stromsensoren zu gewährleisten. Als Materialien eignen sich z.B. Glas, FR2, FR4, Epoxidharz oder Keramiken. A further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that the current sensors can be separated from the busbar by means of at least one dielectric spacer. In this way, an "air gap" between the busbar and the current sensors remains constant, because the dielectric hardly expands. The dielectric preferably has a high permittivity in order to ensure galvanic isolation even in the case of high voltage differences between the voltage level of the current conductor and that of the current sensors. Examples of suitable materials are glass, FR2, FR4, epoxy resin or ceramics.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoren und ihre Sensorelemente jeweils in etwa im äußeren Drittel der Stromschiene angeordnet sind. Vorteilhaft kann an den genannten Positionen eine hohe Sensibilität und Reaktionsgeschwindigkeit auf Änderungen des zu messenden Stroms für die Stromsensoren erreicht werden, um auf diese Weise eine Notabschaltung bereitstellen zu können. A further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that the sensors and their sensor elements are each arranged approximately in the outer third of the busbar. Advantageously, a high level of sensitivity and reaction speed to changes in the current to be measured can be achieved for the current sensors at the positions mentioned, in order in this way to be able to provide an emergency shutdown.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass es ferner eine Signalverarbeitungseinrichtung aufweist, mit der eine Notabschaltung und eine hochgenaue Messung des Stroms durchführbar sind. A further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that it also has a signal processing device which an emergency shutdown and a high-precision measurement of the current can be carried out.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die Signalvorverarbeitung wenigstens teilweise mittels der Sensoren durchführbar ist. Vorteilhaft übernehmen die Sensoren auf diese Weise eine Signalvorverarbeitung. A further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that the signal pre-processing can be carried out at least partially by means of the sensors. In this way, the sensors advantageously assume signal preprocessing.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die Signalverarbeitung vollständig mittels der Auswerteeinrichtung durchführbar ist. Auf diese Weise werden „dumme Stromsensoren“ mit elektrischen Anschlüssen bereitgestellt. A further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that the signal processing can be carried out entirely by means of the evaluation device. This is how “dumb current sensors” are provided with electrical connections.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stromsensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass Sensoren mit je einem ersten Sensorelement der ersten Magnetfeldmesstechnologie für die Notabschaltung und je einem zweiten Sensorelement der zweiten Magnetfeldmesstechnologie für eine Strommessung verwendbar sind. A further preferred embodiment of the current sensor module is characterized in that sensors each having a first sensor element of the first magnetic field measurement technology for the emergency shutdown and a second sensor element of the second magnetic field measurement technology can be used for a current measurement.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen. The invention is described in detail below with further features and advantages on the basis of several figures. Elements that are the same or have the same function have the same reference numbers therein. The figures are intended in particular to clarify the principles that are essential to the invention.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den Stromsensor aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Betreiben eines Stromsensors für einen elektrischen Energiespeicher ergeben und umgekehrt. Device features disclosed result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and versions relating to the current sensor result from corresponding versions, features and technical advantages relating to the method for operating a current sensor for an electrical energy store and vice versa.
In den Figuren zeigt: In the figures shows:
Fig. 1 eine Definition eines Koordinatensystems; Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen1 shows a definition of a coordinate system; Fig. 2 is a plan view of an embodiment of a proposed
Stromsensormoduls; current sensor module;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines vorgeschlagenen3 is a cross-sectional view of a proposed one
Stromsensormoduls; und current sensor module; and
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungskette des vorgeschlagenen Stromsensormoduls. 4 shows a block diagram of a signal processing chain of the proposed current sensor module.
Beschreibung von Ausführungsformen Description of Embodiments
Vorgeschlagen wird ein Stromsensormodul für einen elektrischen Energiespeicher, mit dem sich folgende zwei Funktionen in einem Sensorgehäuse realisieren lassen: A current sensor module for an electrical energy store is proposed, with which the following two functions can be implemented in a sensor housing:
- eine hochgenaue Strommessung zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs - A highly accurate current measurement to determine the state of charge of a battery of an electrically powered motor vehicle
- eine magnetische Erfassung eines schnell ansteigenden Stroms im Fehlerfall, der zum Beispiel ein Kurzschluss sein kann, und die Auslösung eines z.B. halbleiterbasierten Leistungsschalters zur sicheren Trennung der Batterie vom Rest des Stromkreises - a magnetic detection of a rapidly increasing current in the event of a fault, which can be a short circuit, for example, and the triggering of a e.g. semiconductor-based circuit breaker to safely isolate the battery from the rest of the circuit
Insbesondere können mittels des vorgeschlagenen Stromsensormoduls eine funktionale Sicherheit durch Redundanz und Verifikation der Messsignale erhöht, eine Immunität gegen gleichgerichtete Störfelder, die insbesondere die hochgenaue Strommessung beeinflussen, sowie eine sehr kurze Ansprechzeit der Fehlerstromerkennung bereitgestellt werden. In particular, using the proposed current sensor module, functional safety can be increased through redundancy and verification of the measurement signals, immunity to rectified interference fields that particularly affect the high-precision current measurement, and a very short response time for fault current detection can be provided.
Fig. 1 zeigt ein im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Stromsensormodul 100 verwendetes Koordinatensystem, bei dem sich die x- und y-Achse auf der Oberfläche einer elektrischen Stromschiene 200, deren Strom gemessen werden soll, befinden, wobei die y-Achse in oder entgegen der Richtung des fließenden Stroms zeigt. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen Stromsensormoduls 100. Erkennbar sind zwei Sensoren 1 , 2 (2D-Magnet- sensoren), die sowohl für die hochgenaue Strommessung als auch die Notabschaltung genutzt werden, die auf einer Leiterplatte 3 links und rechts von der Mitte M platziert an Positionen mit Allpass-Charakter der Magnetfeldkompenente parallel zur x-Richtung angeordnet sind. Die beiden Sensoren 1, 2 sind jeweils dazu ausgebildet, ein Magnetfeld mittels einer ersten Messtechnologie und mittels einer davon verschiedenen zweiten Messtechnologie zu messen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass jeweils ein Sensorelement der beiden Sensoren die gleiche oder zumindest im Wesentlichen gleiche Magnetfeldkomponente erfasst. Ferner erkennt man zum Zwecke einer Signalauswertung eine integrierte Auswerteeinrichtung 4 (z.B. ASIC), die mittig über der Stromschiene 200 angeordnet ist, externe Beschaltungselemente 6a...6n und ein Verbindungselement 5 (z.B. Steckverbinder) zu einem übergeordneten System (z.B. Batteriemanagementsystem, nicht dargestellt). Fig. 1 shows a coordinate system used in connection with the proposed current sensor module 100, in which the x and y axes are located on the surface of an electrical busbar 200 whose current is to be measured, with the y axis pointing in or against the direction of the current flowing. Fig. 2 shows a top view of an embodiment of a proposed current sensor module 100. Two sensors 1, 2 (2D magnetic sensors) can be seen, which are used both for the highly precise current measurement and for the emergency shutdown, which are placed on a printed circuit board 3 to the left and right of the center M at positions with all-pass character of the magnetic field component parallel to the x-direction. The two sensors 1, 2 are each designed to measure a magnetic field using a first measurement technology and using a different second measurement technology. It is provided in particular that one sensor element of the two sensors detects the same or at least essentially the same magnetic field component. For the purpose of signal evaluation, one can also see an integrated evaluation device 4 (e.g. ASIC), which is arranged centrally above busbar 200, external wiring elements 6a...6n and a connecting element 5 (e.g. plug connector) to a higher-level system (e.g. battery management system, not shown).
Eine hochgenaue Strommessung mittels des Stromsensormoduls 100 erfolgt in einem volldifferentiellen Messbetrieb, was den Einfluss von externen Magnetfeldern deutlich senken bzw. gegenüber homogenen Magnetfeldern negieren kann. Außerdem werden die erfassten Magnetfelder mit dem jeweils anderen Sensor 1 , 2 verifiziert, so dass z.B. eine Fehlauslösung einer Notabschaltung verhindert werden kann und die Sensorfunktion zu jedem Zeitpunkt sichergestellt bleibt und überwacht werden kann. Durch die Platzierung der Sensoren 1 , 2 mit der Auswerteschaltung 4 in einer Reihe quer zur Richtung des elektrischen Stromflusses kann eine Robustheit gegenüber Einstrahlung und somit gegenüber Messfehlern erhöht und die Anforderungen an die Leitungsführung auf der Leiterplatte 3 gesenkt sein. A high-precision current measurement by means of the current sensor module 100 takes place in a fully differential measuring operation, which can significantly reduce the influence of external magnetic fields or negate it compared to homogeneous magnetic fields. In addition, the detected magnetic fields are verified with the respective other sensor 1, 2, so that, for example, an incorrect triggering of an emergency shutdown can be prevented and the sensor function is ensured at all times and can be monitored. Placing the sensors 1 , 2 with the evaluation circuit 4 in a row perpendicular to the direction of the electric current flow can increase robustness against irradiation and thus against measurement errors and lower the requirements for the wiring on the printed circuit board 3 .
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht des vorgeschlagenen Stromsensormoduls 100. Man erkennt eine Stromschiene 200, einen auf der Stromschiene 200 angeordneten Abstandshalter 210 mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und hoher Dielektrizitätskonstante (z.B. Glas, Epoxidharz, Keramik, usw.), eine Leiterplatte 3 (z.B. FR4), sowie zwei Sensoren 1 , 2 mit sensitiven Achsen in x- und z-Richtung. Ein Bereich TP deutet Anordnungspositionen der Sensoren 1 , 2 auf der Leiterplatte 3 mit Tiefpassverhalten für Feldkomponente in x-Richtung an. Bereiche AP deuten Positionen der Sensoren 1 , 2 auf der Leiterplatte 3 mit Allpass-Verhalten für Feldkomponente in x-Richtung an. HP deutet Positionen der Sensoren 1 , 2 auf der Leiterplatte 3 mit Hochpassverhalten für Feldkomponente in x-Richtung an. Fig. 3 shows a cross-sectional view of the proposed current sensor module 100. You can see a busbar 200, a spacer 210 arranged on the busbar 200 with a low thermal expansion coefficient and high dielectric constant (e.g. glass, epoxy resin, ceramic, etc.), a printed circuit board 3 (e.g. FR4), and two sensors 1, 2 with sensitive axes in the x and z directions. An area TP indicates arrangement positions of the sensors 1, 2 on the printed circuit board 3 with low-pass behavior for field components in the x-direction. Areas AP indicate positions of the sensors 1, 2 on the printed circuit board 3 with all-pass behavior for field components in the x-direction. HP indicates positions of the sensors 1, 2 on the printed circuit board 3 with high-pass behavior for field components in the x-direction.
Die beiden Sensoren 1 , 2 mit sensitiven Achsen in x- und z-Richtung sind außerhalb der Mitte M der Stromschiene 200 über der Stromschiene 200 platziert, die beispielsweise als eine Verbindungsleitung zwischen einem elektrischen Energiespeicher (nicht dargestellt) und einem Inverter (nicht dargestellt) ausgebildet sein kann. The two sensors 1, 2 with sensitive axes in the x and z directions are placed outside the center M of the busbar 200 above the busbar 200, which can be designed, for example, as a connecting line between an electrical energy store (not shown) and an inverter (not shown).
Der Abstand zur Mitte M wird durch das dynamische Verhalten des Magnetfeldes bestimmt, welches mittels bekannter Filterverhalten beschrieben werden kann. Für die Notabschaltung sollte ein Bereich gewählt werden, wo die Feldkomponente in x-Richtung Allpassverhalten zeigt, um dem Messverfahren keine Verzögerung in der Erkennung eines Überstroms aufzubürden. Für die Erfassung der verzögerungsfreien Feldkomponente in x-Richtung wird beispielsweise eine in x-Richtung sensitive TMR-Brücke eingesetzt, die über eine hohe Bandbreite verfügt. The distance to the center M is determined by the dynamic behavior of the magnetic field, which can be described using known filter behavior. An area should be selected for the emergency shutdown where the field component in the x-direction shows all-pass behavior in order not to burden the measurement process with a delay in detecting an overcurrent. For example, a TMR bridge that is sensitive in the x direction and has a high bandwidth is used to detect the instantaneous field component in the x direction.
Erkennbar ist in der Querschnittsansicht des vorgeschlagenen Stromsensormoduls 100 eine Anordnung zweier Sensoren 1 , 2, welche Sensorelemente 1a und 1 b bzw. 2a und 2b aufweisen (nicht dargestellt), die in jeweils unterschiedlichen Magnetfeldmesstechnologien ausgebildet sind, deren Positionierung auf beiden Seiten der Stromschiene 200 vorgeschlagen wird, wobei die Sensoren 1 , 2 vorzugsweise jeweils in äußeren Randabschnitten angeordnet sind weitestgehend symmetrisch zur Mitte M, wodurch vorteilhaft eine Redundanz erreicht wird. Das ist insbesondere vom Gesichtspunkt der funktionalen Sicherheit wünschenswert, da der Versorgungskreis eines Elektrofahrzeugs mit höchster Einstufung vor Fehlfunktionen geschützt werden soll. In the cross-sectional view of the proposed current sensor module 100, an arrangement of two sensors 1, 2 can be seen, which have sensor elements 1a and 1b or 2a and 2b (not shown), which are designed in different magnetic field measurement technologies, the positioning of which on both sides of the busbar 200 is proposed, with the sensors 1, 2 preferably being arranged in outer edge sections largely symmetrically to the center M, which advantageously achieves redundancy. This is particularly desirable from the point of view of functional safety, since the supply circuit of an electric vehicle with the highest classification is to be protected from malfunctions.
Durch die Verteilung der präzisen Strommessung und der Notabschaltung betrifft die Redundanz nicht nur eine einzelne Funktionskomponente, sondern beide. Besonders vorteilhaft ist die Ermöglichung der Nutzung eines differentiellen Messprinzips der präzisen Strommessung. Die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung und Stromschienenoberfläche (in z-Richtung) besitzt auf beiden Seiten der Stromschiene 200 ein unterschiedliches Vorzeichen aber die gleiche Amplitude, solange sich keine hochfrequenten Störer im Einflussbereich des Leiters befinden. Subtrahiert man in einer zentralen Signalauswerteeinheit beide Magnetfeldsignale, erhält man das Magnetfeldsignal mit doppelter Amplitude und kompensiert externe homogene Magnetfelder zu Null und Gradienten-behaftete Felder werden soweit reduziert, dass nur der Gradient über den Abstand der beiden betrachteten Sensoren als Messfehler verbleibt, also maximal die Breite der Stromschiene 200, im konkreten Anwendungsfall eher weniger. Ein Unterschied in den Amplituden, der sich durch Aufbau- und Lagetoleranzen ergibt, kann mithilfe einer geeigneten Kompensation in der Auswerteeinrichtung 4 ausgeglichen werden (nicht dargestellt), wobei ein solches Kompensationsverfahren an sich bekannt ist. By distributing the precise current measurement and the emergency shutdown, the redundancy affects not only a single functional component, but both. The possibility of using a differential is particularly advantageous Measuring principle of precise current measurement. The magnetic field component perpendicular to the current direction and busbar surface (in the z-direction) has a different sign on both sides of the busbar 200 but the same amplitude as long as there are no high-frequency interferers in the area of influence of the conductor. If both magnetic field signals are subtracted in a central signal evaluation unit, the magnetic field signal is obtained with double the amplitude and external homogeneous magnetic fields are compensated to zero and fields with gradients are reduced to such an extent that only the gradient over the distance between the two sensors under consideration remains as a measurement error, i.e. a maximum of the width of the conductor rail 200, in the specific application rather less. A difference in the amplitudes that results from structural and positional tolerances can be compensated for using a suitable compensation in the evaluation device 4 (not shown), with such a compensation method being known per se.
Für die präzise Erfassung des elektrischen Stromes in der Stromschiene 200 wird im Sensor 1 ,2 ein zweites Sensorelement 1b bzw. 2b vorzugsweise ein Graphen-basierter Hall-Sensor eingesetzt, der im gleichen Gehäuse verbaut ist wie das erste Sensorelement 1a bzw. 2a in Form eines TMR-Sensors. Technologiebedingt ist der Graphen-Hall-Sensor in der z-Achse empfindlich. Die als möglicher Messfehler wirkende x-Komponente des Magnetfeldes wird dank der nahezu nicht vorhandenen Querfeldempfindlichkeit des Graphen-Hall-Sensors nicht erfasst. A second sensor element 1b or 2b, preferably a graph-based Hall sensor, is used in the sensor 1, 2 for the precise detection of the electrical current in the busbar 200, which is installed in the same housing as the first sensor element 1a or 2a in the form of a TMR sensor. Due to the technology, the graphene Hall sensor is sensitive in the z-axis. The x-component of the magnetic field, which acts as a possible measurement error, is not recorded thanks to the almost non-existent cross-field sensitivity of the graph Hall sensor.
Eine beispielhafte Realisierung eines 3D-Magnetsensors kann zwei Sensoren 1, 2 mit jeweils zwei Sensorelementen 1a, 1b bzw. 2a, 2b umfassen, wobei die ersten Sensorelemente 1 , 2a parallel zur Oberfläche des Substrats sensitiv sind, und wobei die zweiten Sensorelemente 1b, 2b auf Magnetfelder senkrecht zur Oberfläche des Substrats sensitiv ist. Wie in Fig. 2 erkennbar, ist der erste Sensor 1 links der Mitte M und der zweite Sensor 2 rechts der Mitte M angeordnet. An exemplary implementation of a 3D magnetic sensor can include two sensors 1, 2, each with two sensor elements 1a, 1b or 2a, 2b, with the first sensor elements 1, 2a being sensitive parallel to the surface of the substrate, and the second sensor elements 1b, 2b being sensitive to magnetic fields perpendicular to the surface of the substrate. As can be seen in FIG. 2, the first sensor 1 is arranged to the left of the center M and the second sensor 2 to the right of the center M.
Die beiden ersten Sensorelemente 1a, 2a unterscheiden sich in ihrer Verschaltung, wobei eines der beiden ersten Sensorelemente 1a, 2a in einer ersten Richtung sensitiv ist und das andere der beiden ersten Sensorelemente 1a, 2a in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, sensitiv ist und gleichzeitig parallel zur Ebene der Hauptausdehnungen der ersten Sensorelemente 1a, 2a liegt. Unterhalb der funktionalen Sensorschichten kann eine integrierte Schaltung auf der Oberfläche eines Substrats liegen, die gegenüber den Sensorschichten mit einer Passivierungsschicht abgetrennt ist. The two first sensor elements 1a, 2a differ in their wiring, with one of the two first sensor elements 1a, 2a being sensitive in a first direction and the other of the two first sensor elements 1a, 2a being sensitive in a second direction, which is perpendicular to the first direction, and at the same time lies parallel to the plane of the main extensions of the first sensor elements 1a, 2a. An integrated circuit can lie underneath the functional sensor layers on the surface of a substrate, which is separated from the sensor layers with a passivation layer.
Durch eine Abschirmung mit ferromagnetischem Material in Form eines Bleches, eines U-geformten Bleches, eines Sandwichs bestehend aus zwei oder mehr Blechen oder auch einem kompletten Rahmen (nicht dargestellt) lassen sich weitere Verbesserungen hinsichtlich der Störanfälligkeit gegenüber externen Feldern erzielen. Eine konkrete Ausgestaltung, eine geeignete Materialauswahl und eine geeignete geometrische Dimensionierung werden mittels eines Optimierungsverfahrens ermittelt. Die konkrete Positionierung der Sensoren 1 , 2 links und rechts der Stromschienenmitte M ist vorzugsweise derart, dass die Notabschaltung ein Allpass-Verhalten aufweist, wodurch einem Effekt der magnetischen Diffusion entgegengewirkt werden kann. Shielding with ferromagnetic material in the form of a sheet, a U-shaped sheet, a sandwich consisting of two or more sheets, or a complete frame (not shown) can further improve susceptibility to interference from external fields. A specific design, a suitable choice of material and a suitable geometric dimensioning are determined by means of an optimization process. The specific positioning of the sensors 1, 2 to the left and right of the center M of the busbar is preferably such that the emergency shutdown has an all-pass behavior, as a result of which an effect of magnetic diffusion can be counteracted.
Steigt der elektrische Strom in der Stromschiene 200 sprunghaft an, wie z.B. im Falle eines Kurzschlusses, nimmt die Stromdichte zunächst am Rand der Stromschiene 200 zu. Dieser Effekt wird dadurch verursacht, dass elektrischer Strom in der Mitte des Leiters durch elektrische Wirbelströme behindert wird, die durch die schnelle Zunahme des elektrischen Stroms erzeugt werden. Bevor sich der Strom in der gesamten Stromschiene 200 ausgebreitet hat, vergeht eine signifikante Zeit und ein Sensor oberhalb der Mitte der Stromschiene 200 bekommt das so entstandene Magnetfeld und hierbei nur die Magnetfeldkomponente parallel zur Oberfläche der Stromschiene nur mit Verzögerung gegenüber dem tatsächlich fließenden elektrischen Strom mit. Diese Verzögerung wird systemtheoretisch als Tiefpass oder im Sonderfall auch als Integrierer bezeichnet. Die Verzögerung kann derart hoch sein, dass eine rechtzeitige Notabschaltung der betroffenen Stromkreise nicht gewährleistet werden kann. If the electrical current in the busbar 200 suddenly increases, e.g. in the case of a short circuit, the current density initially increases at the edge of the busbar 200. This effect is caused by electric current in the center of the conductor being impeded by electric eddy currents generated by the rapid increase in electric current. Before the current has spread throughout the busbar 200, a significant amount of time elapses and a sensor above the center of the busbar 200 only receives the magnetic field that has arisen and only the magnetic field component parallel to the surface of the busbar with a delay compared to the electric current actually flowing. In system theory, this delay is referred to as a low-pass filter or, in special cases, as an integrator. The delay can be so great that a timely emergency shutdown of the affected circuits cannot be guaranteed.
Am Rand der Stromschiene 200 ist die Situation genau umgekehrt. Die Magnetfeldkomponente parallel zur Oberfläche der Stromschiene 200 nimmt aufgrund der Stromverteilung, die sich am Rand des Leiters konzentriert, zunächst einen höheren Wert an, als sie im stationären Fall und einer homogenen Stromdichteverteilung im Leiter annehmen würde. Dieses Übersprechen bei schnellen Änderungen wird systemtheoretisch Hochpass oder im Sonderfall auch Differenzierer genannt. Wenn also das Magnetfeld in der Mitte oberhalb der Stromschiene 200 verzögert ist und am Rand des Leiters eher überspricht, muss es eine Stelle geben, die auf einer gedachten Linie liegt, die parallel zur Stromschienenoberfläche liegt, an der das Magnetfeldsignal weder dem Strom vorauseilt noch verzögert ist. Dieses Verhalten wird systemtheoretisch als Allpass bezeichnet. At the edge of the busbar 200, the situation is exactly the opposite. Due to the current distribution, which is concentrated at the edge of the conductor, the magnetic field component parallel to the surface of the busbar 200 initially assumes a higher value than it would assume in the stationary case and a homogeneous current density distribution in the conductor. This crosstalk in the case of rapid changes becomes a system-theoretical high-pass filter or, in special cases, also a differentiator called. Thus, if the magnetic field is delayed in the center above bus bar 200 and tends to crosstalk at the edge of the conductor, there must be a point, lying on an imaginary line parallel to the bus bar surface, where the magnetic field signal neither leads nor lags the current. In system theory, this behavior is referred to as an all-pass.
Eine optimale Stelle für das Sensorelement 1 , 2 kann vorzugsweise mittels FEM (Finite Elemente Methode) ermittelt werden und ist abhängig vom Abstand des Messpunktes von der Stromschienenoberfläche, der Stromschienengeometrie und den Umgebungsbedingungen wie z.B. einer eventuellen Abschirmung. An dieser optimalen Stelle werden die Sensoren 1 , 2 derart platziert, dass ihre Sensorelemente 1a, 2a sicher eher zu Hochpassverhalten neigen, um einen schnellen Stromanstieg unverzögert, gegebenenfalls etwas überbewertet, zu messen. An optimal position for the sensor element 1, 2 can preferably be determined using FEM (Finite Element Method) and depends on the distance of the measuring point from the busbar surface, the busbar geometry and the environmental conditions such as any shielding. At this optimal point, the sensors 1, 2 are placed in such a way that their sensor elements 1a, 2a are more likely to tend towards high-pass behavior in order to measure a rapid rise in current without delay, possibly somewhat overestimated.
Die Sensoren 1 , 2 können in einer Variante bereits einen Teil der Auswerteeinrichtung 4 aufweisen, so dass die Notabschaltsignale und auch das gemessene Magnetfeld an Ort und Stelle in ein maschinenlesbares Format übertragen werden. Dies geschieht z.B. auf einer integrierten Schaltung, die Teil des Sensors 1 , 2 ist. Kurz ausgebildete Zuleitungen unterstützen vorteilhaft, dass Messfehler, die z.B. durch Einstrahlung von elektromagnetischen Feldern entstehen, klein gehalten werden können. Auch lässt sich derart sehr effizient eine Kompensation von Nichtlinearitäten und Umweltbedingungen wie z.B. Temperatur vornehmen. In one variant, the sensors 1, 2 can already have part of the evaluation device 4, so that the emergency shutdown signals and also the measured magnetic field are transmitted on site in a machine-readable format. This is done, for example, on an integrated circuit that is part of the sensor 1, 2. Short supply lines advantageously help to keep measurement errors, e.g. caused by exposure to electromagnetic fields, to a minimum. Compensation for non-linearities and environmental conditions such as temperature can also be carried out very efficiently in this way.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Signalverarbeitungskette des Stromsensormoduls 100. Man erkennt ein Blockdiagramm eines Sensors 1 mit einem ersten Sensorelement 1a für die Notabschaltung und integrierter analoger Signalauswertung sowie dem im geregelten Betrieb betriebenen präzisen Batteriestromsensor mit dem Sensorelement 1 b auf Graphen-Hall-Basis. Die Ein- bzw. Ausgänge des in einem Gehäuse verpackten Chips können sowohl rein analog oder digital sein, abhängig von der konkreten Implementierung. Fig. 4 shows a block diagram of an exemplary signal processing chain of the current sensor module 100. A block diagram of a sensor 1 can be seen with a first sensor element 1a for the emergency shutdown and integrated analog signal evaluation and the precise battery current sensor operated in regulated operation with the sensor element 1b based on graphene Hall. The inputs and outputs of the chip packaged in a package can be purely analog or digital, depending on the specific implementation.
Im oberen Abschnitt von Fig. 4 erkennt man, dass das erste Sensorelement 1a ungeregelt betrieben wird (Open-Ioop-Anordnung). Ein Ausgang des ersten Sensorelements 1a ist auf ein Verstärkungselement 6 (z.B. ein Instrumentenverstär- ker) geführt, dessen Ausgang mit einem Bandbegrenzer 7 verschaltet ist. Ein Ausgang des Bandbegrenzers 7 ist mit einer Parallelschaltung aus absoluter Schwellwerterkennung 8a und differentieller Schwellwerterkennung 8b verschaltet, deren Ausgänge auf ein logisches ODER-Glied 9 geführt sind. Ein digitales Ein-Bit-Speicherelement 10 (z.B. RS-Flip Flop) speichert den Ausgangswert der Schwellwerterkennungen 8a, 8b und ist über einen Eingang 20a rücksetzbar. Ein Ausgang 20b repräsentiert einen Statusindikator mit mindestens zwei Zuständen, der eine Zustandsaussage bzgl. des Eintritts eines Fehlerfalles bereitstellt (Fehler-Flag). Ein Ausgang 20c stellt einen Debugging-Ausgang dar, der zur Fehlersuche verwendet werden kann. In the upper section of FIG. 4 it can be seen that the first sensor element 1a is operated in an unregulated manner (open-loop arrangement). An output of the first sensor element 1a is connected to an amplification element 6 (e.g. an instrument amplifier ker) out, the output of which is connected to a band limiter 7. An output of the band limiter 7 is connected to a parallel circuit of absolute threshold value detection 8a and differential threshold value detection 8b, whose outputs are routed to a logical OR element 9. A digital one-bit storage element 10 (eg RS flip-flop) stores the output value of the threshold detections 8a, 8b and can be reset via an input 20a. An output 20b represents a status indicator with at least two statuses, which provides status information regarding the occurrence of an error (error flag). An output 20c represents a debugging output that can be used for troubleshooting.
Man erkennt im unteren Abschnitt von Fig. 4, dass das zweite Sensorelement 1b in einem geregelten Betrieb eingesetzt wird (Closed-Loop-Anordnung), wobei ein Ausgang des zweiten Sensorelements 1b an ein Verstärkungselement 11 (Instrumentenverstärker) geführt ist, dessen Ausgang auf ein Bandbegrenzungselement 12 verschaltet ist. Der Ausgang des Bandbegrenzungselements 12 ist einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 13 zugeführt, der mit einem Regler 14 verschaltet ist. Ein Eingang 20d kann zum Konfigurieren des Reglers 14 genutzt werden. Der Ausgang des Reglers 14 ist mit einer Messeinrichtung 15 verschaltet, die mit einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 16 verschaltet ist. Ein Ausgang des DAC 16 ist mit einem Verstärker 17 verschaltet, dessen Ausgang mit einem Magnetfeldgenerator 18 verschaltet ist. An einem Ausgang 20e kann ein hochgenauer Messwert des mittels des Stromsensormoduls 100 gemessenen Stroms bereitgestellt werden. It can be seen in the lower section of Fig. 4 that the second sensor element 1b is used in regulated operation (closed-loop arrangement), with an output of the second sensor element 1b being routed to an amplification element 11 (instrument amplifier), the output of which is connected to a band-limiting element 12. The output of the band limiting element 12 is fed to an analog/digital converter (ADC) 13 which is connected to a controller 14 . An input 20d can be used to configure the controller 14. The output of the regulator 14 is connected to a measuring device 15 which is connected to a digital-to-analog converter (DAC) 16 . An output of the DAC 16 is connected to an amplifier 17 whose output is connected to a magnetic field generator 18 . A highly accurate measured value of the current measured by the current sensor module 100 can be provided at an output 20e.
In einer nicht in Figuren dargestellten Signalverarbeitung verfügen die beiden technologisch diversifizierten Sensoren 1 , 2 über je einen TMR-Sensor in den Sensorelementen 1a, 2a und einen Graphen-Sensor in den Sensorelementen 1b, 2b sowie einen Magnetfeldgenerator, der sowohl für den geregelten Betrieb der hochgenauen Batteriestromsensoren sorgt als auch für einen eingebauten Selbsttest (BIST) genutzt werden kann. In a signal processing not shown in the figures, the two technologically diversified sensors 1, 2 each have a TMR sensor in the sensor elements 1a, 2a and a graph sensor in the sensor elements 1b, 2b as well as a magnetic field generator, which ensures both the regulated operation of the high-precision battery current sensors and can be used for a built-in self-test (BIST).
In einer nicht dargestellten Variante der Signalverarbeitung verfügen die zwei Sensoren 1 , 2 über je einen TMR-Sensor in den Sensorelementen 1a, 2a und einen Graphen- Sensor in den Sensorelementen 1b, 2b sowie einen Magnetfeldgenerator als auch analoge Auswerteschaltungen und einen Regelkreis, der sowohl für den geregelten Betrieb der hochgenauen Batteriestromsensoren sorgt als auch für den eingebauten Selbsttest genutzt werden kann. Gesteuert werden die verteilten Sensoren über eine zentrale Steuereinheit, die als ASIC realisiert sein kann. In a variant of the signal processing that is not shown, the two sensors 1, 2 each have a TMR sensor in the sensor elements 1a, 2a and a graph sensor in the sensor elements 1b, 2b as well as a magnetic field generator as well as analog evaluation circuits and a control circuit that ensures both the regulated operation of the high-precision battery current sensors and can be used for the built-in self-test. The distributed sensors are controlled via a central control unit, which can be implemented as an ASIC.
Um Signalverarbeitungszeiten so gering wie möglich halten zu können, wird die Notabschaltung vorzugsweise mit analogen, d.h. ungetakteten und kontinuierlichen elektronischen Schaltungen realisiert, wobei das Ausgangssignal entsprechend einer binären Unterscheidung entsprechend seiner Amplitude zur Unterscheidung des Betriebszustandes herangezogen wird. Die Anforderungen an die präzise Strommessung hinsichtlich der zu realisierenden Bandbreite sind deutlich geringer als bei der Notabschaltung. Da hier die Präzision der Messung im Vordergrund steht, kann in der integrierten Schaltung das Messsignal bereits so früh wie möglich im Signalpfad in ein digitales Signal gewandelt werden. Die Übertragung eines solchen Signals ist im Wesentlichen weniger fehleranfällig, allerdings gegenüber analogen Signalen aufgrund des Wandlungsaufwands und der Taktung zeitverzögert. In order to be able to keep signal processing times as short as possible, the emergency shutdown is preferably implemented with analogue, i.e. unclocked and continuous electronic circuits, the output signal being used according to a binary distinction according to its amplitude to distinguish the operating state. The requirements for precise current measurement with regard to the bandwidth to be implemented are significantly lower than with emergency shutdown. Since the focus here is on the precision of the measurement, the measurement signal can be converted into a digital signal as early as possible in the signal path in the integrated circuit. The transmission of such a signal is essentially less error-prone, but there is a time delay compared to analog signals due to the conversion effort and clocking.
Eine analoge Weiterleitung des Signals nach einer Kompensation der Temperatur und von Nichtlinearitäten wird allerdings nicht ausgeschlossen. Die Nutzung eines 2D-Materials, z.B. Graphen, zum Aufbau des zweiten Sensorelements 1b, 2b für die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Oberfläche der Stromschiene 200 entkoppelt die präzise Strommessung nahezu vollständig vom ersten Sensorelement 1a, 2a zur Notabschaltung. Durch die nahezu nicht vorhandene Ausdehnung des 2D-Materials in Richtung der zu messenden Magnetfeldkomponente ist die Querfeldempfindlichkeit nahezu nicht vorhanden. Diese niedrige Querfeldempfindlichkeit in Verbindung mit der hohen Elektronenmobilität tragen zu einem empfindlichen und rauscharmen Sensor bei. However, analog transmission of the signal after compensation for temperature and non-linearities is not ruled out. The use of a 2D material, e.g. graphene, to construct the second sensor element 1b, 2b for the magnetic field component perpendicular to the surface of the busbar 200 almost completely decouples the precise current measurement from the first sensor element 1a, 2a for emergency shutdown. Due to the almost non-existent expansion of the 2D material in the direction of the magnetic field component to be measured, the cross-field sensitivity is almost non-existent. This low cross-field sensitivity combined with the high electron mobility contribute to a sensitive and low-noise sensor.
Das Rauschen ist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten TMR- Sensoren nochmals um ca. eine Größenordnung verringert, was erst eine präzise Strommessung mit der benötigten Genauigkeit ermöglicht. Dazu trägt außerdem noch bei, dass die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromschienenoberfläche grundsätzlich ein Tiefpassverhalten aufweist, was das Rauschen durch eine inhärente Bandbreitenbeschränkung weiter reduziert. Durch die Verteilung der Sensoren 1 , 2 auf beide Seiten der Stromschiene 200 kann der entstehende Platz in der Mitte zwischen den Sensoren 1, 2 für die zentrale Signalauswertung genutzt werden. Dadurch kann vorteilhaft Bauraum eingespart werden und die Leitungsführung ist vorteilhaft, da keine magnetisch aktiven Flächen aufgespannt werden müssen, die zu einem Fehler beitragen können. Compared to the TMR sensors known from the prior art, the noise is again reduced by approximately one order of magnitude, which is what makes precise current measurement with the required accuracy possible. Another contributing factor is that the magnetic field component perpendicular to the busbar surface basically has a low-pass behavior, which further reduces the noise due to an inherent bandwidth limitation. By distributing the sensors 1, 2 on both sides of the busbar 200, the resulting Space in the middle between the sensors 1, 2 can be used for the central signal evaluation. As a result, installation space can advantageously be saved and the line routing is advantageous since no magnetically active surfaces that can contribute to an error need to be spanned.
Vorgeschlagen wird ein Magnetsensor mit einer Magnetwiderstandstechnologie, insbesondere in TMR-Technologie (TMR, Tunnelmagnetwiderstand, engl. tunnel magnetoresistance). Der Aufbau solcher TM R-Sensoren wird im Dünnschichtverfahren realisiert. Üblicherweise befindet sich die Fertigung im sogenannten Back-End zur ASIC-Fertigung und kann als Add-On-Prozess zur Fertigung elektrischer, integrierter Schaltungen verstanden werden, bei dem auf dem ASIC zusätzliche funktionale Schichten abgeschieden werden, die im Zusammenspiel einen Sensor bilden. A magnetic sensor is proposed with magnetoresistance technology, in particular in TMR technology (TMR, tunnel magnetoresistance). Such TM R sensors are constructed using the thin-film process. The production is usually located in the so-called back-end to the ASIC production and can be understood as an add-on process for the production of electrical, integrated circuits, in which additional functional layers are deposited on the ASIC, which together form a sensor.
TMR-Sensoren bestehen unter Anderem aus zwei magnetischen und elektrisch leitfähigen Schichten, die von einer nur einige Atomlagen dicken elektrisch nicht leitfähigen Schicht voneinander getrennt sind. Die Referenzlage, die im Wesentlichen die magnetische Referenzlage eines Sensorelements bildet, wird fixe Schicht (engl. fixed layer) oder Referenzschicht (engl. reference layer) genannt. Die magnetische Ausrichtung dieser Referenzschicht ist fest vorgegeben. Wird diese Referenzschicht durch ein externes Magnetfeld nachhaltig beeinflusst, führt dies zur Zerstörung des TMR-Sensors. Die magnetisch aktive Schicht wird „freie Schicht“ genannt, wobei die Orientierung der freien Schicht im Wesentlichen durch das von außen einwirkende Magnetfeld bestimmt wird. Among other things, TMR sensors consist of two magnetic and electrically conductive layers that are separated from one another by an electrically non-conductive layer that is only a few atomic layers thick. The reference layer, which essentially forms the magnetic reference layer of a sensor element, is called the fixed layer or reference layer. The magnetic alignment of this reference layer is fixed. If this reference layer is permanently influenced by an external magnetic field, this will destroy the TMR sensor. The magnetically active layer is called the "free layer", whereby the orientation of the free layer is essentially determined by the external magnetic field.
Der magnetische Tunneleffekt beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen die nichtleitfähige Tunnelbarriere durchqueren, die Referenzschicht und freie Schicht voneinander trennen. Abhängig von der magnetischen Orientierung der beiden Lagen zueinander und somit von den jeweiligen Elektronenspins ändert sich die Tunnelwahrscheinlichkeit. Makroskopisch ergibt sich eine Änderung des ohmschen Widerstands eines solchen TMR-Widerstandselements. The magnetic tunnel effect describes the probability that electrons will cross the non-conductive tunnel barrier that separates the reference layer and the free layer from one another. The tunneling probability changes depending on the magnetic orientation of the two layers to one another and thus on the respective electron spins. Macroscopically, there is a change in the ohmic resistance of such a TMR resistance element.
Baut man Wheatstone 'sehe Messbrücken aus derartigen TMR-Elementen auf, können abhängig von der magnetischen Orientierung der Referenzschicht und der Nulllage der freien Schicht komponentenabhängige Anordnungen realisiert werden, die ohne zusätzliche Maßnahmen lediglich in der Ebene der Sensoraus- dehnung sensitiv sind. Insbesondere durch die Nutzung der geometrischen Anisotropie der freien Schicht kann eine vorteilhafte Nulllage für die einzelnen TMR- Sensorelemente erzeugt werden. Die Wheatstone-Brückenwiderstände bestehen aus mehreren parallel und in Reihe geschalteten TMR-Sensoren, die alle innerhalb des jeweiligen Brückenwiderstands die gleiche magnetische Ausgangsorientierung besitzen. If one builds Wheatstone's measuring bridges from such TMR elements, component-dependent arrangements can be implemented depending on the magnetic orientation of the reference layer and the zero position of the free layer, which without additional measures only in the plane of the sensor are strain sensitive. In particular, by using the geometric anisotropy of the free layer, an advantageous zero position can be generated for the individual TMR sensor elements. The Wheatstone bridge resistors consist of several TMR sensors connected in parallel and in series, all of which have the same initial magnetic orientation within the respective bridge resistor.
Abhängig von der eingesetzten Technologie ist es möglich, entweder nur zwei oder aber auch vier Orientierungen der Referenzschichten einzustellen. Das Einstellen der Orientierungen der Referenzschichten kann mithilfe starker Magnetfelder unter Zuhilfenahme von lokaler Erwärmung erfolgen. Dies kann mit an sich bekannten Verfahren durchgeführt werden (z.B. in einem Ofen, mittels Laser). TMR-Sensoren, die unter Anwendung der geometrischen Anisotropie aufgebaut werden, besitzen meist mehr als einen stabilen Arbeitspunkt. Der bevorzugte Arbeitspunkt kann unter Einwirkung hoher äußerer Magnetfelder verlassen werden, so dass sich der Sensor in einem weniger bevorzugten Arbeitspunkt wiederfindet. Ein Zurücksetzen des Arbeitspunktes in den bevorzugten Arbeitspunkt kann mithilfe eines im Sensor generierten Magnetfelds, das z.B. über bestromte dedizierte Rückstellleitungen erzeugt wird, erfolgen. Depending on the technology used, it is possible to set either just two or four orientations of the reference layers. The orientations of the reference layers can be adjusted using strong magnetic fields with the aid of local heating. This can be carried out using methods known per se (e.g. in an oven, by means of a laser). TMR sensors that are constructed using geometric anisotropy usually have more than one stable operating point. The preferred working point can be left under the influence of high external magnetic fields, so that the sensor finds itself in a less preferred working point. The operating point can be reset to the preferred operating point using a magnetic field generated in the sensor, which is generated, for example, via energized dedicated reset lines.
Um das Verlassen des bevorzugten Arbeitspunktes bei Einwirkung von hohen Feldern zu vermeiden, kann die fixe Schicht aus einer Nickel-Eisen-Schicht aufgebaut werden, die im richtigen Aspektverhältnis ausgeführt, magnetische Wirbel (auch als Vortex bezeichnet) ausbildet. Bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes verschiebt sich der Schwerpunkt des Wirbels und somit der Anteil paralleler zu antiparalleler Elektronenspins in Bezug auf die Referenzschicht. Ist das äußere Magnetfeld sehr groß, löst sich der magnetische Wirbel auf und bildet sich von selbst wieder, wenn das externe Feld einen bestimmten Wert unterschreitet. TMR-Sensoren zeichnen sich insbesondere in der Vortex-Realisierung durch einen großen Messbereich und kleines Rauschen aus. Ferner besitzen TMR-Sensoren unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der freien Lage eine große Messbandbreite, d.h. sie sind für einen großen Frequenzbereich empfindlich und reagieren sehr schnell auf Änderungen im Magnetfeld, was für die vorgeschlagene Anwendung in der Notabschaltung vorteilhaft ist. In einem zweiten Back-End-Prozess zur ASIC-Fertigung wird das Graphen in an sich bekannter Weise auf ein geeignetes Substrat, das eine Verbindung mit der Passivierungsschicht des ASICs eingegangen ist, übertragen (z.B. mithilfe eines Abscheideprozesses oder auch mithilfe eines Transferprozesses). In order to avoid leaving the preferred operating point when exposed to high fields, the fixed layer can be made up of a nickel-iron layer which, when executed in the correct aspect ratio, forms magnetic vortices (also referred to as vortex). When exposed to an external magnetic field, the center of gravity of the vortex and thus the proportion of parallel to antiparallel electron spins shifts in relation to the reference layer. If the external magnetic field is very large, the magnetic vortex dissolves and forms again by itself when the external field falls below a certain value. TMR sensors are characterized by a large measuring range and low noise, especially in the vortex implementation. Furthermore, TMR sensors have a large measurement bandwidth, regardless of the specific design of the free position, ie they are sensitive to a large frequency range and react very quickly to changes in the magnetic field, which is advantageous for the proposed application in emergency shutdown. In a second back-end process for ASIC production, the graphene is transferred in a manner known per se to a suitable substrate that is connected to the passivation layer of the ASIC (e.g. using a deposition process or using a transfer process).
Unter Graphen wird in diesem Zusammenhang ein 2D- Mate rial aus regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen verstanden. Als 2D-Material bezeichnet man Materialien, die eine Dicke von nur einigen wenigen Atomlagen aufweisen insbesondere nur einer einzigen Atomlage, einer sogenannten Monolage (engl.: Monolayer). Das Material Graphen zeichnet sich durch eine sehr hohe Elektronenmobilität aus. Diese Tatsache trägt besonders zur Eignung von Graphen als Sensormaterial unter Nutzung des Hall-Effekts bei. In this context, graphene is understood to be a 2D material made up of regularly arranged carbon atoms. A 2D material is a material that is only a few atomic layers thick, in particular only a single atomic layer, a so-called monolayer. The material graphene is characterized by a very high electron mobility. This fact particularly contributes to the suitability of graphene as a sensor material using the Hall effect.
Die über einen eingeprägten Strom bewegten Elektronen werden durch die von einem senkrecht durch das elektrisch leitfähige Material wirkende äußere Magnetfeld durch die entstehende Lorentzkraft abgelenkt. Diese Ablenkung erzeugt eine Spannung, die an zwei Elektroden bzw. elektrischen Kontakten quer zum eingeprägten Strom messbar und ein Maß für die Höhe des äußeren Magnetfelds ist. Durch die hohe Elektronenmobilität ist nur ein geringer eingeprägter Strom notwendig, um die notwendige Empfindlichkeit zu erreichen. Insbesondere kann mittels des eingeprägten Stroms abhängig von der Stromtragfähigkeit des Sensors die Empfindlichkeit auf die Anwendung eingestellt werden. Bezogen auf das äußere Magnetfeld lassen sich Graphen-Hall-Sensoren über die Größe der aktiven Fläche im Messbereich anpassen. The electrons moved by an impressed current are deflected by the Lorentz force created by an external magnetic field acting perpendicularly through the electrically conductive material. This deflection generates a voltage that can be measured at two electrodes or electrical contacts across the applied current and is a measure of the level of the external magnetic field. Due to the high electron mobility, only a small impressed current is necessary to achieve the necessary sensitivity. In particular, the sensitivity can be adjusted to the application by means of the impressed current depending on the current carrying capacity of the sensor. In relation to the external magnetic field, graphene Hall sensors can be adjusted via the size of the active area in the measuring range.
Die Kombination eines TMR-Sensors und eines Graphen-Sensors in einem Halbleiterbauelement in Form des Sensors 1, 2 ermöglicht die Darstellung eines Magnetfeldsensors, der in allen drei Raumrichtungen empfindlich ist, ohne dass eine Technologie zur Umleitung der magnetischen Feldlinien eingesetzt werden müsste. The combination of a TMR sensor and a graphene sensor in a semiconductor component in the form of the sensor 1, 2 enables the representation of a magnetic field sensor that is sensitive in all three spatial directions without having to use a technology to redirect the magnetic field lines.
In der dem vorgeschlagenen Stromsensormodul 100 zugrundeliegenden Anwendung ist der Einsatz eines zweidimensionalen Sensors vorteilhaft, um einerseits die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung und parallel zur Oberfläche der Stromschiene zu messen und andererseits die Magnetfeld- komponente senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zur Oberfläche der Stromschiene. In the application on which the proposed current sensor module 100 is based, the use of a two-dimensional sensor is advantageous in order on the one hand to measure the magnetic field component perpendicular to the current direction and parallel to the surface of the busbar and on the other hand to measure the magnetic field component perpendicular to the direction of the current and perpendicular to the surface of the busbar.
In der vorgesehenen Anwendungsweise wird das lötbare oder einpressbare Halbleiterbauelement, welches sowohl einen TMR-Sensor als auch einen Graphen-Hall-Sensor sowie eine integrierte Auswerteschaltung aufweist, sowohl links als auch rechts der Mitte der Stromschiene platziert, derart dass der TMR- Sensor in einem Bereich platziert ist, wo die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung und parallel zur Oberfläche der Stromschiene gegenüber dem zeitabhängigen Stromverlauf nicht verzögert ist, was z.B. für eine Konfiguration ohne Abschirmung und einer Entfernung des Magnetsensors zur Stromschiene von ca. 5.5 mm etwa bei 75% der halben Stromschienenbreite ist. In the intended application, the solderable or press-fit semiconductor component, which has both a TMR sensor and a graphene Hall sensor as well as an integrated evaluation circuit, is placed both to the left and to the right of the middle of the busbar, such that the TMR sensor is placed in an area where the magnetic field component perpendicular to the current direction and parallel to the surface of the busbar is not delayed compared to the time-dependent current curve, which is e.g. for a configuration without shielding and a distance of the magnetic sensor to the busbar of approx. 5.5 mm is about 75% of half the busbar width.
Um eine Verschiebung des Sensors durch Temperatureinfluss im Raum zu reduzieren und eine ausreichende galvanische Trennung zwischen der Leiterkarte, auf der der Magnetsensor montiert ist, und der Stromschiene 200 zu erreichen, kommen für die Schichten 3, 210 Materialien mit niedriger Dielektrizitätszahl zum Einsatz, wie z.B. Glas, Epoxidharz oder FR2/FR4. Die integrierte Signalauswertung erhöht mithilfe eines Instrumentenverstärkers das TMR- Sensorsignal, begrenzt die Bandbreite des TMR-Sensorsignals und führt eine Auswertung hinsichtlich des Übertretens einer ersten Schwelle aus. Die erste Schwelle betrifft die Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation steht zum tatsächlich in der Stromschiene 200 fließenden elektrischen Strom. Die erste Schwelle wird bei Inbetriebnahme des Sensorsystems abgeglichen und entsprechend der am Messort vorherrschenden Temperatur zur Laufzeit korrigiert. In order to reduce displacement of the sensor due to the influence of temperature in the room and to achieve sufficient galvanic isolation between the printed circuit board on which the magnetic sensor is mounted and the busbar 200, materials with a low dielectric constant are used for the layers 3, 210, such as glass, epoxy resin or FR2/FR4. The integrated signal evaluation uses an instrumentation amplifier to increase the TMR sensor signal, limits the bandwidth of the TMR sensor signal and evaluates whether a first threshold has been exceeded. The first threshold relates to the amplitude of the magnetic field component, which is related to the electric current actually flowing in the bus bar 200 . The first threshold is adjusted when the sensor system is started up and corrected during runtime according to the temperature prevailing at the measurement location.
Die integrierte Signalauswertung führt des Weiteren eine Auswertung hinsichtlich des Unterschreitens einer zweiten Schwelle aus. Die zweite Schwelle betrifft die Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation steht zum tatsächlich in der Stromschiene 200 fließenden elektrischen Strom. Die zweite Schwelle wird bei Inbetriebnahme des Stromsensormoduls 100 abgeglichen und entsprechend der am Messort vorherrschenden Temperatur zur Laufzeit korrigiert. Parallel zum Auswerten der ersten beiden Schwellen wird mithilfe eines realen Differenzierers ein der Steigung des TMR-Sensorsignals proportionales Signal erzeugt, das gegen eine dritte und vierte Schwelle verglichen wird. Auch diese dritte und vierte Schwelle werden bei Inbetriebnahme des Sensorsystems abgeglichen und entsprechend der am Messort vorherrschenden Temperatur zur Laufzeit korrigiert. The integrated signal evaluation also carries out an evaluation with regard to falling below a second threshold. The second threshold relates to the amplitude of the magnetic field component, which is related to the electric current actually flowing in the bus bar 200 . The second threshold is adjusted when the current sensor module 100 is put into operation and is corrected during the runtime in accordance with the temperature prevailing at the measurement location. Parallel to evaluating the first two thresholds, a real differentiator is used to generate a signal proportional to the slope of the TMR sensor signal, which is compared to a third and fourth threshold. Also this third and fourth Thresholds are adjusted when the sensor system is commissioned and corrected during runtime according to the temperature prevailing at the measurement location.
Die Schwellwerte können je nach Realisierung sowohl digital eingestellt werden oder über Spannungsteiler analog erzeugt werden. Unabhängig davon welcher Schwellwert über- oder unterschritten wurde, wird ein ein-Bit-Speicherbaustein gesetzt, der z.B. eine bipolare Kippstufe, ein R-S-Flipflop oder ähnliches sein kann, welcher lediglich über ein externes Steuersignal rücksetzbar ist. Depending on the implementation, the threshold values can be set digitally or generated analogously via voltage dividers. Regardless of which threshold value was exceeded or not reached, a one-bit memory component is set, which can be a bipolar multivibrator, an R-S flip-flop or similar, which can only be reset using an external control signal.
Neben dem Ausgang des Ein-Bit-Speicherelements wird das bandbegrenzte Sensorsignal an einem Ausgang des Sensormoduls zur Verfügung gestellt. Das Ausgangssignal des Graphen-Hall-Sensors wird mithilfe eines Instrumentenverstärkers 11 verstärkt, bevor es mittels eines Bandbegrenzers 12 bandbegrenzt wird. Abhängig von der tatsächlichen Realisierung kann der Graphen-Hall-Sensor sowohl geregelt als auch ungeregelt betrieben werden. In addition to the output of the one-bit memory element, the band-limited sensor signal is made available at an output of the sensor module. The graphene Hall sensor output signal is amplified by an instrumentation amplifier 11 before being band limited by a band limiter 12 . Depending on the actual implementation, the graphene Hall sensor can be operated both in a regulated and in an unregulated manner.
Im ungeregelten Betrieb wird das bandbegrenzte Signal hinsichtlich Nichtlinearität und Temperaturabhängigkeit korrigiert. Vorzugsweise findet diese Korrektur in einem digitalen Signalverarbeitungspfad statt. Das so erhaltene dem Magnetfeld proportionale Signal kann entweder wieder analog ausgegeben werden oder, im Sinne der Messfehlervermeidung, mithilfe eines digitalen Übertragungsprotokolls, wie z.B. SPI, l2C oder dergleichen, am Ausgang zur Verfügung gestellt werden. In uncontrolled operation, the band-limited signal is corrected for non-linearity and temperature dependency. This correction preferably takes place in a digital signal processing path. The signal obtained in this way, which is proportional to the magnetic field, can either be output in analog form again or, in order to avoid measurement errors, made available at the output using a digital transmission protocol such as SPI, l 2 C or the like.
Im geregelten Betrieb weist das Sensormodul zusätzlich Leitungen auf, mit denen ein Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zur Stromschienenoberfläche erzeugt werden kann. Das bandbegrenzte und digital gewandelte Signal wird über eine entsprechend parametrierte Regeleinrichtung um seinen Nullpunkt geregelt. Als Stellgröße dient der Strom, der durch die zusätzlichen Leitungen getrieben wird. Ein Maß für das anliegende äußere Magnetfeld ist die Stellgröße, die entsprechend erfasst und hinsichtlich Nichtlinearität und Temperatur korrigiert werden muss. Die korrigierte Stellgröße wird entweder wieder analog ausgegeben oder, besser im Sinne der Messfehlervermeidung, mithilfe eines digitalen Übertragungsprotokolls, wie z.B. SPI, l2C oder dergleichen, am Ausgang zur Verfügung gestellt. Das Stromsensormodul 100 weist in seiner vorzugsweisen Ausführungsform weitere Stromleitungen auf, die in der Lage sind, ein Magnetfeld in sowohl der Richtung zu erzeugen, in der das erste Sensorelement 1a, 2a empfindlich ist, als auch der Richtung, in der das zweite Sensorelement 1b, 2b empfindlich ist. Diese Leitungen werden für die Überprüfung der Funktionalität genutzt. Ein zweiter baugleicher Sensor 2 wird mit gleicher Orientierung in gleicher Entfernung zur Mitte der Stromschiene 200 platziert. Dadurch erhält man hinsichtlich der TMR- Sensoren ein vollredundantes System. Für den Fall der Notwendigkeit einer Technologiediversität im Sinne der funktionalen Sicherheit können auch AMR- oder GMR-Sensorelemente verwendet werden, die sich durch einen leicht modifizierten Schichtaufbau gegenüber den TMR-Sensoren unterscheiden, aber ebenso in das gleiche Halbleiterbauteil integriert werden können. In controlled operation, the sensor module also has lines with which a magnetic field can be generated perpendicular to the current direction and perpendicular to the busbar surface. The band-limited and digitally converted signal is regulated around its zero point via a correspondingly parameterized control device. The current that is driven through the additional lines serves as the manipulated variable. A measure of the applied external magnetic field is the manipulated variable, which must be recorded and corrected for non-linearity and temperature. The corrected manipulated variable is either output again in analog form or, better to avoid measurement errors, made available at the output using a digital transmission protocol such as SPI, l 2 C or the like. In its preferred embodiment, the current sensor module 100 has further current lines which are able to generate a magnetic field in both the direction in which the first sensor element 1a, 2a is sensitive and the direction in which the second sensor element 1b, 2b is sensitive. These lines are used to check the functionality. A second sensor 2 of identical construction is placed with the same orientation at the same distance from the center of the busbar 200 . As a result, a fully redundant system is obtained with regard to the TMR sensors. If there is a need for technology diversity in terms of functional safety, AMR or GMR sensor elements can also be used, which differ from TMR sensors in that they have a slightly modified layer structure, but can also be integrated into the same semiconductor component.
Wirkt kein äußeres Feld mit höherer Frequenz derart auf die Stromschiene 200 ein, dass sich elektrische Wirbelströme bilden, die die Stromdichteverteilung innerhalb der Stromschiene 200 asymmetrisch werden lassen, weisen beide TMR-Sensoren im Wesentlichen gleiche Sensorsignale auf im Rahmen der Unterschiede, die durch Einbautoleranzen und Bauteilunterschiede zustande kommen. Die Graphen-Hall-Sensorsignale sind von der Amplitude ebenfalls im Wesentlichen gleich hoch, aber im Vorzeichen gegensätzlich. Eine volldifferentielle Auswertung der Signale der Graphen-Hall-Sensorsignale in einer zentralen integrierten Schaltung kann bei Subtraktion beider Signale zur Verdopplung der Amplitude und gleichzeitigen Auslöschung eventuell einwirkender äußerer Magnetfelder führen. Um eine weitere Verbesserung der Robustheit des Sensorsignals gegenüber äußeren Magnetfeldern, auch solchen, die Gradientenbehaftet sind, zu erreichen, können an sich bekannte Abschirmmaßnahmen getroffen werden. If no external field with a higher frequency acts on the busbar 200 in such a way that electrical eddy currents form, which make the current density distribution within the busbar 200 asymmetrical, both TMR sensors have essentially the same sensor signals within the scope of the differences that result from installation tolerances and differences in components. The graphene Hall sensor signals are also essentially the same in terms of amplitude, but opposite in sign. A fully differential evaluation of the signals of the graphene Hall sensor signals in a central integrated circuit can lead to the doubling of the amplitude and simultaneous cancellation of any external magnetic fields that may have an effect when the two signals are subtracted. In order to achieve a further improvement in the robustness of the sensor signal with respect to external magnetic fields, including those which have gradients, known shielding measures can be taken.
Abschirmmaßnahmen können ein einzelnes Blech umfassen, welches oberhalb der Sensormodule angebracht wird und über die Stromschiene 200 hinausragt. Andere Ausführungsformen von Abschirmmaßnahmen sind zwei Bleche, die oberhalb der Sensormodule und unterhalb der Stromschiene 200 montiert sind, aber auch der Einsatz eines umfassenden U-Profils, welches unterhalb der Stromschiene 200 geschlossen ist und über den Sensormodulen geöffnet, oder einem umfassenden geschlossenen Rahmen, der sowohl die Stromschiene 200 als auch die Sensoren 1, 2 umschließt. Bekannte Ausführungsformen von Abschirmmaßnahmen nutzen Blechpakete statt massiver Bauteile, um Verluste durch Wirbelströme und den Einfluss der Schirmung auf das Messsignal zu minimieren. Shielding measures can include a single metal sheet that is attached above the sensor modules and protrudes beyond busbar 200 . Other embodiments of shielding measures are two metal sheets that are mounted above the sensor modules and below the busbar 200, but also the use of a comprehensive U-profile, which is closed below the busbar 200 and open above the sensor modules, or a comprehensive, closed frame that encloses both the busbar 200 and the sensors 1, 2. Known embodiments of Shielding measures use laminated cores instead of solid components to minimize losses due to eddy currents and the influence of the shielding on the measurement signal.
Die zentrale Auswerteeinrichtung 4, die mittig über der Stromschiene 200 platziert wird, übernimmt die Verifizierung und Validierung der Sensorsignale sowie deren Verarbeitung wie z.B. die oben beschriebene Subtraktion. Weitere Funktionen der zentralen Auswerteeinheit sind die Kommunikation mit dem übergeordneten System unter Zuhilfenahme eines digitalen Kommunikationsprotokolls. The central evaluation device 4, which is placed centrally above the conductor rail 200, verifies and validates the sensor signals and processes them, such as the subtraction described above. Other functions of the central evaluation unit are communication with the higher-level system using a digital communication protocol.
Auch die Parametrierung der Sensoren 1 , 2 und der Auswertealgorithmen kann von der zentralen Auswerteeinrichtung 4 übernommen werden. Eine wesentliche Funktion der zentralen Auswerteeinrichtung 4 ist die Ermittlung des maximal geflossenen elektrischen Stroms im Fehlerfalle. Da das Auslösen einer Schwelle über die Änderung des Ausgangs der bipolaren Kippstufe dem übergeordneten System direkt zur Verfügung gestellt wird, muss die Erfassung des elektrischen Stroms diesem Ereignis nachlaufen. Die Änderung der elektrischen Ausgangsspannung des Sensormoduls wird an einem Eingang der zentralen Auswerteeinrichtung 4 erkannt, welcher Algorithmen über einen Trigger hardwaregesteuert loslösen kann, und das Auslesen des mitlaufenden Pufferspeichers angestoßen. The central evaluation device 4 can also parameterize the sensors 1 , 2 and the evaluation algorithms. An essential function of the central evaluation device 4 is the determination of the maximum electric current that has flowed in the event of a fault. Since the triggering of a threshold via the change in the output of the bipolar multivibrator is made available directly to the higher-level system, the detection of the electrical current must track this event. The change in the electrical output voltage of the sensor module is detected at an input of the central evaluation device 4, which can release algorithms under hardware control via a trigger, and reading out of the running buffer memory is initiated.
Um den maximalen Strom zu erfassen, können z.B. zwanzig Werte des Pufferspeichers nach Auslösen der Fehlererkennung erfasst werden und der maximale Betrag des Sensorsignals in einem RAM abgespeichert werden, der dann zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden kann. Das Auslesen findet entsprechend einem vorgegeben Zeittakt statt, so dass die ausgelesenen Werte eine auf die Anwendung zugeschnittene Zeitdauer abbilden. In order to record the maximum current, e.g. twenty values of the buffer memory can be recorded after the error detection has been triggered and the maximum amount of the sensor signal can be stored in a RAM, which can then be read out at a later point in time. The readout takes place according to a specified time cycle, so that the values read out represent a period of time tailored to the application.
Ferner kann die zentrale Auswerteeinrichtung 4 über die Funktionalität verfügen, einen eingebauten Selbsttest zu initiieren und dessen Parametrierung auf Befehl durch das übergeordnete System zu verändern. Furthermore, the central evaluation device 4 can have the functionality to initiate a built-in self-test and to change its parameterization on command from the higher-level system.
In einer zentralisierten Ausführungsform des vorgeschlagenen Stromsensormoduls 100 der Erfindung kann die zentrale Auswerteeinheit um die Funktionalität der Regelung des Graphen-Hall-Sensors erweitert sein. Vorteilhaft wird mit dem vorgeschlagenen Stromsensormodul 100 ein hochgenaues und schnelles Batteriestromsensorik-Messinstrument bereitgestellt, das an die Batterie zugeführten und der Batterie entnommenen elektrischen Strom messen kann, wodurch im Ergebnis eine sehr genaue Ladezustandsanzeige der Batterie realisierbar ist. In a centralized embodiment of the proposed current sensor module 100 of the invention, the central evaluation unit can be expanded to include the functionality of controlling the graph Hall sensor. The proposed current sensor module 100 advantageously provides a highly accurate and fast battery current sensor measuring instrument that can measure the electric current supplied to and drawn from the battery, which means that a very precise display of the battery's state of charge can be implemented as a result.
Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. The person skilled in the art can also implement embodiments of the invention that are not disclosed or only partially disclosed without departing from the core of the invention.

Claims

Ansprüche . Stromsensormodul (100) für einen elektrischen Energiespeicher, aufweisend: Expectations . Current sensor module (100) for an electrical energy store, comprising:
- wenigstens einen ersten Sensor (1) aufweisend zwei Sensorelemente (1a, 1b), wobei ein erstes Sensorelement (1a) des ersten Sensors (1) in einer ersten Magnetfeldmesstechnologie und ein zweites Sensorelement (1b) des ersten Sensors (1) in einer zweiten Magnetfeldmesstechnologie ausgebildet ist; - at least one first sensor (1) having two sensor elements (1a, 1b), wherein a first sensor element (1a) of the first sensor (1) is formed using a first magnetic field measurement technology and a second sensor element (1b) of the first sensor (1) is formed using a second magnetic field measurement technology;
- wenigstens einen zweiten Sensor (2) aufweisend zwei Sensorelemente (2a, 2b), wobei ein erstes Sensorelement (2a) des zweiten Sensors (2) in einer ersten Magnetfeldmesstechnologie und ein zweites Sensorelement (2b) des zweiten Sensors (2) in einer zweiten Magnetfeldmesstechnologie ausgebildet ist, wobei Sensier-Richtungen der ersten und der zweiten Sensorelemente (1a, 1b, 2a, 2b) normal zueinander angeordnet sind; - At least one second sensor (2) having two sensor elements (2a, 2b), wherein a first sensor element (2a) of the second sensor (2) is formed using a first magnetic field measurement technology and a second sensor element (2b) of the second sensor (2) is formed using a second magnetic field measurement technology, wherein sensing directions of the first and second sensor elements (1a, 1b, 2a, 2b) are arranged perpendicular to one another;
- eine Leiterplatte (3) auf der die beiden Sensoren (1, 2) galvanisch leitend angeordnet sind; und - A printed circuit board (3) on which the two sensors (1, 2) are arranged in a galvanically conductive manner; and
- eine Auswerteeinrichtung (4), mit der Messwerte der beiden Sensoren (1, 2) getrennt voneinander auswertbar sind, wobei aus Magnetfeldmessungen der beiden Sensoren (1 , 2) eine indirekte Messung des Stroms durchführbar ist, wobei die Leiterplatte (3) derart auf einer Stromschiene (200) des elektrischen Energiespeichers angebracht ist, dass in bestimmungsgemäßer Anbringlage des Stromsensormoduls (100) auf der Stromschiene (200) des elektrischen Energiespeichers jeweils ein Sensor (1 , 2) in jeweils einem Randabschnitt der Stromschiene angeordnet ist. . Stromsensormodul (100) nach Anspruch 1 , ferner aufweisend einen auf der Leiterplatte (3) angeordneten Steckverbinder (5) zur Anbindung des Stromsensormoduls (100) an ein übergeordnetes System. . Stromsensormodul (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetfeldmesstechnologie der ersten Sensorelemente (1a, 2a) eines aus Folgendem ist: TMR, AMR, GMR. Stromsensormodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Magnetfeldmesstechnologie der zweiten Sensorelemente (1b, 2b) auf dem Hall-Effekt basiert, insbesondere unter Verwendung von Graphen. Stromsensormodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorsignal des ersten Sensorelements (1a) gegenüber einem ersten oberen Schwellwert einer Amplitude einer Magnetfeldkomponente, die in Relation zu einem in der Stromschiene (200) fließenden elektrischen Strom steht, ausgewertet wird, dass ein Sensorsignal des ersten Sensorelements (1a) gegenüber einem zweiten unteren Schwellwert der Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation zu einem in der Stromschiene 200 fließenden elektrischen Strom steht, ausgewertet wird, dass eine Änderungsge- schwindigkeit eines Sensorsignal des ersten Sensorelements (1a) gegenüber einem dritten oberen Schwellwert einer Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation zu einem in der Stromschiene 200 fließenden elektrischen Strom steht, und dass die Änderungsgeschwindigkeit des Sensorsignals des ersten Sensorelements (1a) gegenüber einem vierten unteren Schwellwert einer Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation zu einem in der Stromschiene 200 fließenden elektrischen Strom steht, ausgewertet wird. Stromsensormodul (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der aufgrund des in der elektrischen Stromschiene (200) fließenden elektrischen Stroms resultierenden Magnetfeldkomponente für das zweite Sensorelement (2a) ein Sensorsignal in derselben Art und Weise ausgewertet wird wie für das erste Sensorelement (1a). Stromsensormodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufweisend wenigstens ein Abschirmelement gegenüber einem externen elektromagnetischen Feld. Stromsensormodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromsensormodul (100) mittels wenigstens eines dielektrischen Abstandshalters (210) von der Stromschiene (200) galvanisch trennbar ist. Stromsensormodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1 , 2) in etwa in den äußeren Drittel der Stromschiene (200) angeordnet sind. Stromsensormodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Signalverarbeitungseinrichtung, mit der eine Notabschaltung und eine Messung des Stroms durchgeführt wird. Stromsensormodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Signalvorverarbeitung mittels der Sensoren (1 , 2) durchgeführt wird. Stromsensormodul (100) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung vollständig mittels einer Auswerteeinrichtung (4) durc durchgeführt wird. Stromsensormodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Sensorelement (1a, 2a) der ersten Magnetfeldmesstechnologie für die Notabschaltung und ein zweites Sensorelement (1b, 2b) der zweiten Magnetfeldmesstechnologie für die hochpräzise Strommessung verwendet wird. Verfahren zum Betreiben eines Stromsensormoduls (100) für einen elektrischen Energiespeicher, aufweisend die Schritte: - an evaluation device (4) with which the measured values of the two sensors (1, 2) can be evaluated separately from one another, in which case an indirect measurement of the current can be carried out from magnetic field measurements of the two sensors (1, 2), the printed circuit board (3) being mounted on a busbar (200) of the electrical energy store in such a way that when the current sensor module (100) is installed in the intended position on the busbar (200) of the electrical energy store, one sensor (1, 2nd ) is arranged in an edge section of the busbar. . Current sensor module (100) according to Claim 1, further comprising a connector (5) arranged on the printed circuit board (3) for connecting the current sensor module (100) to a higher-level system. . Current sensor module (100) according to claim 1 or 2, characterized in that the first magnetic field measurement technology of the first sensor elements (1a, 2a) is one of: TMR, AMR, GMR. Current sensor module (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second magnetic field measurement technology of the second sensor elements (1b, 2b) is based on the Hall effect, in particular using graphs. Current sensor module (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a sensor signal of the first sensor element (1a) is evaluated in relation to a first upper threshold value of an amplitude of a magnetic field component which is related to an electric current flowing in the busbar (200), that a sensor signal of the first sensor element (1a) is evaluated in relation to a second lower threshold value of the amplitude of the magnetic field component which is related to an electric current flowing in the busbar 200, that a change speed of a sensor signal of the first sensor element (1a) compared to a third upper threshold value of an amplitude of the magnetic field component, which is related to an electric current flowing in busbar 200, and that the rate of change of the sensor signal of the first sensor element (1a) is evaluated compared to a fourth lower threshold value of an amplitude of the magnetic field component, which is related to an electric current flowing in busbar 200. Current sensor module (100) according to Claim 5, characterized in that a sensor signal is evaluated in the same way for the second sensor element (2a) as for the first sensor element (1a) from the magnetic field component resulting from the electric current flowing in the electric busbar (200). Current sensor module (100) according to one of the preceding claims, further comprising at least one shielding element against an external electromagnetic field. Current sensor module (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the current sensor module (100) can be electrically isolated from the busbar (200) by means of at least one dielectric spacer (210). Current sensor module (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensors (1, 2) are arranged approximately in the outer third of the busbar (200). Current sensor module (100) according to one of the preceding claims, further comprising a signal processing device, with which an emergency shutdown and a measurement of the current are carried out. Current sensor module (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one signal pre-processing by means of the sensors (1, 2) is carried out. Current sensor module (100) according to claim 11, characterized in that the signal processing is carried out entirely by means of an evaluation device (4) throughc. Current sensor module (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a first sensor element (1a, 2a) of the first magnetic field measurement technology for the emergency shutdown and a second sensor element (1b, 2b) of the second magnetic field measurement technology for the high-precision current measurement is used. Method for operating a current sensor module (100) for an electrical energy store, comprising the steps:
- Ermitteln eines Magnetfelds mit einem ersten Sensor (1) mit einem ersten Sensorelement (1b) einer ersten Magnetfeldmesstechnologie; - Determining a magnetic field with a first sensor (1) with a first sensor element (1b) of a first magnetic field measurement technology;
- Ermitteln eines Magnetfelds mit einem zweiten Sensor (2) mit einem ersten Sensorelement (2b) der ersten oder einer zweiten Magnetfeldmesstechnologie, wobei die Messungen beider Sensoren (1 , 2) getrennt voneinander ausgewertet werden; und - Determining a magnetic field with a second sensor (2) with a first sensor element (2b) of the first or a second magnetic field measurement technology, the measurements of the two sensors (1, 2) being evaluated separately from one another; and
- Ermitteln eines Stromflusses für einen elektrischen Energiespeicher aus den ermittelten Magnetfeldern. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste Sensor (1) mit dem ersten Sensorelement (1a) eine Messung einer Magnetfeldkomponente durchführt, wobei ein Sensorsignal des ersten Sensorelements (1a) gegenüber einem ersten oberen Schwellwert einer Amplitude einer Magnetfeldkomponente, die in Relation zu einem in der Stromschiene (200) fließenden elektrischen Strom steht, ausgewertet wird, wobei ein Sensorsignal des ersten Sensorelements (1a) gegenüber einem zweiten unteren Schwellwert der Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation zu einem in der Stromschiene 200 fließenden elektrischen Strom steht, ausgewertet wird, wobei eine Änderungsgeschwindigkeit eines Sensorsignals des ersten Sensorelements (1a) gegenüber einem dritten oberen Schwellwert einer Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation zu einem in der Stromschiene 200 fließenden elektrischen Strom steht ausgewertet wird, wobei die Änderungsgeschwindigkeit des Sensorsignals des ersten Sensorelements (1a) gegenüber einem vierten unteren Schwellwert einer Amplitude der Magnetfeldkomponente, die in Relation zu einem in der Stromschiene 200 fließenden elektrischen Strom steht, ausgewertet wird, wobei aus der aufgrund des in der elektrischen Stromschiene (200) fließenden elektrischen Stroms resultierenden Magnetfeldkomponente für das zweite Sensorelement (2a) ein Sensorsignal in derselben Art und Weise ausgewertet wird wie für das erste Sensorelement (1a), wobei im Falle, dass die Messwerte beider Sensorelemente (1a, 2a) wenigstens einen der Schwellwerte verletzen und der ermittelte Stromfluss einen definierten Wert hat, eine Notabschaltung ausgelöst wird. - Determining a current flow for an electrical energy store from the determined magnetic fields. The method of claim 14, wherein the first sensor (1) with the first sensor element (1a) performs a measurement of a magnetic field component, wherein a sensor signal of the first sensor element (1a) compared to a first upper threshold value of an amplitude of a magnetic field component, which is related to an electric current flowing in the busbar (200), is evaluated, a sensor signal of the first sensor element (1a) being evaluated compared to a second lower threshold value of the amplitude of the magnetic field component, which is related to an electric current flowing in the busbar 200, wherein a rate of change of a sensor signal of the first sensor element (1a) is compared to a third upper threshold value of an amplitude of the magnetic field component, which is related to a current in the busbar 200 flowing electric current is evaluated, wherein the rate of change of the sensor signal of the first sensor element (1a) is evaluated against a fourth lower threshold value of an amplitude of the magnetic field component, which is in relation to an electric current flowing in the busbar 200, whereby a sensor signal is evaluated for the second sensor element (2a) in the same way as for the first sensor element (1a) from the magnetic field component resulting from the electric current flowing in the electric busbar (200), whereby in the case that the measured values of both sensor elements (1a, 2a) violate at least one of the threshold values and the current flow determined has a defined value, an emergency shutdown is triggered.
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