WO2024074305A1 - SENSOR ZUR ERFASSUNG EINES DURCH EINEN LEITER FLIEßENDEN ELEKTRISCHEN STROMS - Google Patents

SENSOR ZUR ERFASSUNG EINES DURCH EINEN LEITER FLIEßENDEN ELEKTRISCHEN STROMS Download PDF

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WO2024074305A1
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signal
sensor
conductor
measuring
current flowing
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PCT/EP2023/075893
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Hartmut Stetter
Juergen Wendt
Andre Yashan
Lukas Lamprecht
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L3/0092—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption with use of redundant elements for safety purposes
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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G01R15/183—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using transformers with a magnetic core
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC

Definitions

  • the present invention is described, without limitation, in connection with a sensor for detecting an electric current flowing through a conductor in the automotive field.
  • electrical energy storage devices are used to store the electrical energy for the electric motor, which supports the drive or serves as a drive.
  • so-called lithium-ion batteries are used for this purpose.
  • the present invention is, however, independent of the design of the electrochemical energy storage device. Current measurement in a fuel cell system would also be conceivable.
  • SOC state of charge
  • Overcurrent detection is also safety-relevant and a key task of the current sensor.
  • the invention can also be used outside of the electrified drive train, for example, in other industries such as industrial sensors, aerospace or medical technology.
  • Hall sensors which indirectly measure the magnetic field of the current-carrying conductor, are also very common.
  • Hall sensors There are also high-precision magnetic field sensors based on the fluxgate principle. Compared to Hall sensors, this principle offers the advantage of greater accuracy and a wide current measuring range at the same time. In particular, 0.5% to 0.3% accuracy is possible with measuring ranges from -500A to +500A with large-scale products suitable for automotive use. The measuring range can be extended to up to +/'2000 A.
  • such a sensor is usually constructed using exactly one (cost-)optimal measuring principle for the respective application.
  • the higher-level system e.g. control unit
  • error detection from the perspective of functional safety (cf. ISO26262).
  • Such detection is possible, for example, via signal plausibility.
  • This in turn requires Safety level (especially ASIL-D) at least two independent signals that must match within specified tolerances.
  • ASIL-D Safety level
  • DE 10 2011 088 893 A1 describes a current measuring circuit for redundant measurement of electrical current with a measuring resistor, a magnetic field sensor and an evaluation circuit on an evaluation circuit board, whereby the evaluation circuit is used to determine the electrical current with the aid of the measuring resistor.
  • the second magnetic field sensor is arranged on the evaluation circuit board and the evaluation circuit board is arranged in the immediate vicinity of the measuring resistor so that the second magnetic field sensor can detect the magnetic field of the measuring resistor through which current flows.
  • the second - indirect - method thus serves to verify the plausibility of the first - direct - method.
  • a sensor for detecting an electric current flowing through a conductor is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known sensors and sensor systems and which offers a high level of functional safety with high measurement accuracy.
  • a sensor according to the invention for detecting an electric current flowing through a conductor comprises a first measuring core which is designed to detect a current flowing through the conductor and to output a first signal which indicates the current flowing through the conductor, wherein the first measuring core is classified according to a first safety requirement level.
  • the sensor further comprises a second measuring core configured to detect a current flowing through the conductor and to output a second signal indicating the current flowing through the conductor, wherein the second measuring core is classified according to a second safety requirement level.
  • the sensor further comprises an evaluation circuit which is designed to detect the first signal and the second signal, wherein the evaluation circuit is designed to check the plausibility of the second signal by means of the first signal.
  • a current sensor that has two independent measuring cores.
  • the overall sensor can use an available ASIL-classified measuring core that does not achieve sufficient accuracy for the required current sensor. Instead, this measuring core is used to check the plausibility of the measured values of the second sensor core. By combining two measuring cores, redundant measurement of the electrical current is possible.
  • the second safety requirement level can differ from the first safety requirement level.
  • this second core is only QM-classified.
  • At least the first safety requirement level can be defined, specified or classified according to ISO 26262. At least one measurement core thus meets a higher safety level (in particular ASIL-C or ASIL-D) in the sense of ISO26262.
  • the first safety integrity level can be higher than the second safety integrity level.
  • the first safety integrity level can meet ASIL-A or higher according to ISO 26262.
  • the second measuring core can have a higher measurement accuracy than the first measuring core.
  • the overall sensor can use an available ASIL-classified measuring core that does not achieve sufficient accuracy for the required current sensor. Instead, this measuring core is used to check the plausibility of the measured values of the second sensor core.
  • This second core offers very high measurement accuracies, for example, but may only be QM-classified, for example. By combining both measuring cores, a current measurement with high accuracy can be provided in regular measuring operation on the one hand, and an incorrect current measurement with slightly lower accuracy in the event of an error, but with ASIL classification, on the other.
  • the evaluation circuit can be designed to check the plausibility of the second signal by comparing the second signal with the first signal. If there is a discrepancy between the two signals, it can be assumed that one of the two sensors is malfunctioning, so that a safe state can be assumed and an error message can be issued.
  • the first signal may be an analog signal and the second signal may be an analog signal.
  • the evaluation circuit may be configured to process the first signal and the second signal and to convert the first signal into a digital signal and the second signal into a digital signal.
  • the evaluation circuit can include an analog front end. This allows the analog signals to be prepared and made available in digital form for further processing.
  • the conductor can be a high-voltage current conductor.
  • This means that the sensor can also be used in electric vehicles.
  • a motor vehicle or an electrical device is proposed.
  • the motor vehicle or the electrical device has a battery and a sensor according to the invention in accordance with the above or following embodiments.
  • a sensor is generally understood to be a technical component that is designed to detect an electrical current flowing through a conductor.
  • a conductor is generally understood to be an object or system for transporting electrical energy.
  • the conductor is part of an electrical circuit or power grid and thus connects the power source and consumer in particular. Electrons flow as conductor current for transport.
  • the conductive material should have high electrical conductivity, for which some metals are particularly well suited.
  • the cross-sectional area of the conductor must take the permissible current density into account.
  • the technical design of cables is based on the findings of line theory. Conductors are usually in the form of wires or strands, but also of strips or rails made of copper, aluminum, silver or steel and can have an insulating sheath. If several conductors (cores) that are insulated from one another are combined, they are referred to as a line or cable.
  • a high-voltage current conductor is generally understood to mean an object or system for transporting electrical energy that is designed to be operated with alternating voltages of over 30 V to 1 kV or with direct voltages of over 60 V to 1.5 kV. Such conductors are used in particular in vehicle technology. Cables and connection components of the high-voltage system are marked in orange (colloquially "high-voltage orange”) in accordance with ISO 6469-3 and ECE-R 100.
  • a measuring core is generally understood to mean a component that generates an easily processable electrical signal as a measure of an electrical current that is difficult to measure.
  • the first measuring core and the second measuring core can basically be a sensor element or measuring core of a Hall sensor, a shunt sensor or a magnetic field sensor, in particular a fluxgate sensor.
  • an evaluation circuit can generally be understood as an electronic or electrical circuit which is set up to evaluate signals generated by the current sensors.
  • the evaluation circuit can communicate with an evaluation unit.
  • the evaluation unit can be integrated in a higher-level system, such as a control unit.
  • the evaluation unit can, for example, comprise at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller.
  • the data processing device can have one or more volatile and/or non-volatile data memories, wherein the data processing device can, for example, be set up in terms of programming to control the current sensors.
  • the evaluation unit can, for example, be set up centrally or decentrally. Other designs are also conceivable.
  • the signal evaluation in the evaluation unit can take place in such a way that the evaluation unit evaluates all signals received from the current sensors and converts them into two output signals.
  • the first and second signals can both be analog, both digital, or one analog and one digital.
  • the evaluation circuit can be designed to record the first signal and the second signal continuously and in parallel. Alternatively, the evaluation circuit can be designed to record the first signal and the second signal intermittently and sequentially.
  • the sensor system thus allows various operating modes.
  • the first and second current sensors can work simultaneously and be constantly available without having to be synchronized with each other. This has the advantage that no management of the sensor measurement intervals is necessary.
  • the signals do not need to be stored for subsequent use; they can be "calculated” directly, e.g. by differential arrangement.
  • the first and second current sensors are activated or read out one after the other. The changeover intervals are selected so that an optimum of measurement accuracy, sampling rate and noise immunity is achieved.
  • an analog front end is generally an integrated circuit for converting and processing analog signals.
  • AFEs are primarily used for digital processing of data received from sensors.
  • An AFE circuit can contain different elements for amplifying, processing, filtering and preparing data from various signal sources as well as one or more analog-to-digital converters.
  • a magnetic field sensor is generally understood to mean a sensor for detecting magnetic fields.
  • the magnetic field sensor can be designed in particular to measure magnetic flux densities. Magnetic flux densities are measured in the unit Tesla (T), and the usual measuring ranges of magnetometers are in a size range of approximately 10" 15 T to 10 T.
  • the magnetic field sensor is preferably a fluxgate sensor or Förster probe.
  • a fluxgate sensor or Förster probe also known as a fluxgate magnetometer or saturation core magnetometer, is understood in the context of the present invention to be a magnetometer for vectorial determination of the magnetic field.
  • the magnetometer works with a toroidal core that is excited by means of an attached coil.
  • the receiver coil surrounds the entire core, which is driven into saturation. In the absence of an external field, the induced voltage will lead to symmetrical current profiles in the coil winding.
  • two soft magnetic coil cores are periodically driven into saturation. The cores are wound by two opposing receiver coils, so that in the absence of a field the induced voltages in both coils cancel each other out.
  • An external magnetic field component acts parallel or antiparallel on the fields of the two coils. This means that if the external field is parallel to the field of a coil, the core saturation is reached earlier in this coil during one half period. In the other coil, the external field is antiparallel during this half period, so the core saturation sets in later. This asymmetry causes a resulting signal in the receiver coils that is proportional to the applied field.
  • the induced voltage has twice the frequency of the excitation alternating voltage. By determining the phase and magnitude of the voltage induced in all four coils, the magnitude and direction of the horizontal component of the external field can be determined. Orthogonally arranged cores and measuring coils can also be used to determine the field vector in three-dimensional space.
  • compensation coils located around the entire structure can be supplied with a regulated direct current so that the voltage induced in the sensor coil becomes zero. The current is then proportional to the external field and cancels it out. The direct current is generated with negative feedback and is therefore also the output signal of the sensor.
  • Current sensors for example, are built in this way. If fluxgate magnetometers are built with a compensation coil, this makes them capable of measuring at higher frequencies up to the kHz range, for example. However, this can be dispensed with in the context of the present invention for cost reasons. Direct current measurements (both positive and negative) are particularly relevant anyway, since battery currents are to be measured here.
  • Such a fluxgate sensor is based on purely contactless measuring methods, so that it can be implemented in principle with galvanic isolation from the high-voltage primary conductor. This means that no special efforts are required for high-voltage insulation. No expensive precision resistors (shunts) are required, and the power loss of these resistors, which can amount to several dozen watts, is also eliminated.
  • One or more magnetic field sensors can be completely encapsulated within a component, e.g. by overmolding. The measuring methods can be integrated together on a circuit board.
  • plausibility check is understood to mean a method within the framework of which a value or generally a result is checked for It is checked whether it can be plausible, i.e. acceptable, plausible and comprehensible or not. Accordingly, small deviations, around ⁇ 1%, between the two measurement results are tolerable.
  • a Hall sensor is understood to be a sensor that uses the Hall effect to measure magnetic fields.
  • Hall sensors consist of crystalline doped semiconductor layers that are as thin as possible and usually have four electrodes on the sides. A current is fed through the two opposite electrodes, and the two orthogonal electrodes are used to measure the Hall voltage. If a magnetic field running perpendicular to the layer flows through such a Hall sensor, it delivers an output voltage that is proportional to the (signed) value of the vector product of magnetic flux density and current. The cause is the Lorentz force on the moving majority charge carriers in the layer. It is proportional to the current, to the charge carrier mobility and inversely proportional to the layer thickness (the thinner the layer, the greater the charge carrier speed and the greater the Lorentz force). The electric field that forms between the measuring electrodes is in equilibrium with the Hall voltage and prevents further charge carrier separation.
  • the Hall voltage is also temperature-dependent and can have an offset. Due to the proportionality of the Hall voltage to the charge carrier mobility and the concentration of the majority charge carriers, the Hall effect is an established method of determining these parameters in semiconductor technology.
  • a Hall sensor also delivers a signal when the magnetic field in which it is located is constant. This is the advantage compared to a simple coil as a magnetic field sensor (e.g.
  • Induction loop Rogowski coil
  • Hall sensors Another important advantage of Hall sensors is that no ferro- or ferrimagnetic materials (such as nickel or iron) are required to implement them. This means that the magnetic field to be measured is not changed simply by placing the sensor in it. Magnetoresistive sensors or fluxgate magnetometers do not have this property. There are also other sensors for magnetic flux densities. They are not as sensitive and low-noise as those mentioned above. In the context of the present invention, the following sensors can basically be used as a second magnetic field sensor. The general term is xMR sensor; thin-film sensors that change their resistance directly under the influence of the magnetic flux and are therefore called "X-MagnetoResistive".
  • the xMR stands for all sensors that work according to all known magnetoresistive methods, such as GMR sensors (giant, huge, GMR effect), AMR sensors (anisotropic, AMR effect) or CMR sensors (colossal, oversized), field plate, tunnel magnetoresistance (TMR).
  • GMR sensors giant, huge, GMR effect
  • AMR sensors anisotropic, AMR effect
  • CMR sensors colossal, oversized
  • field plate field plate
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • XMR and Hall sensors are not as sensitive as the ones mentioned above, they are used in large quantities for simpler tasks due to their simple structure (semiconductor technology) and the associated low-cost production. These include current sensors, among others.
  • first”, “second”, and the like as well as their grammatical equivalents in the context of the present invention serve only to conceptually distinguish the respective components and features and are not intended to indicate any particular order or weighting. Furthermore, these expressions are not intended to exclude the presence of further corresponding components and features. For example, more than one first measuring core or second measuring core can be provided.
  • Figure 1 is a perspective view of an arrangement of a sensor according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows a block diagram of the sensor.
  • Figure 1 shows a perspective view of a sensor 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the sensor 10 is designed to detect an electric current flowing through a conductor 12.
  • the conductor 12 is, for example, a copper cable or a busbar that is used to transmit the current to be measured.
  • the conductor 12 is a high-voltage current conductor.
  • the conductor 12 connects an energy source 14 to a consumer 16.
  • the energy source 14 can be a battery 18.
  • the consumer 16 can be an electrified drive train 20 of a motor vehicle (not shown in more detail).
  • Figure 2 shows a block diagram of the sensor 10.
  • the sensor 10 has a first measuring core 22.
  • the first measuring core 22 is designed to detect a current flowing through the conductor 12 and to output a first signal that indicates the current flowing through the conductor 12.
  • the first measuring core 22 is classified according to a first safety requirement level. At least the first safety requirement level is defined according to ISO 26262. The first safety requirement level meets ASIL-A or higher according to ISO 26262.
  • the sensor 10 further comprises a second measuring core 24.
  • the second measuring core 24 is designed to detect a current flowing through the conductor 12 and to output a second signal that indicates the current flowing through the conductor 12.
  • the second measuring core 24 is classified according to a second safety requirement level.
  • the second measuring core 24 optionally has a higher measurement accuracy than the first measuring core 22.
  • the second safety requirement level differs from the first safety requirement level.
  • the first safety requirement level is higher than the second safety requirement level.
  • the first measuring core 22 is classified according to safety requirement level ASIL-A, ASIL-B, ASIL-C or ASIL-D and the second measurement core 24 is only classified according to conventional quality management methods (QM).
  • QM quality management methods
  • QM refers to product development according to normal quality management methods and represents the simplest level in the sense of ISO26262, in which classification is not based on ASIL, because the development at the time did not provide for this standard, or it was not observed or may not be met.
  • the combinations in the following tables are based on the addition of these values and result in a maximum level of "ASIL-D".
  • the first column shows the classification of the safety requirement level for the first measuring core 22
  • the second column shows the classification of the safety requirement level for the second measuring core 26
  • the third column shows the classification of the safety requirement level for the sensor 10.
  • the sensor 10 also has an evaluation circuit 26.
  • the evaluation circuit 26 is designed to detect the first signal and the second signal.
  • the evaluation circuit is connected to the first measuring core 22 by means of a first line 28 and is connected to the second measuring core 24 by means of a second line 30.
  • the evaluation circuit 26 is also designed to check the plausibility of the second signal by means of the first signal.
  • the evaluation circuit 26 is thus designed to check the plausibility of the second signal by comparing the second signal with the first signal.
  • the first signal is an analog signal.
  • the second signal is also an analog signal.
  • the evaluation circuit 26 is designed to process the first signal and the second signal and to convert the first signal into a digital signal and to convert the second signal into a digital signal.
  • the evaluation circuit 26 comprises an analog front end 32.
  • the sensor 10 can be modified as follows.
  • the first measuring core 22 and the second measuring core 24 can be classified in the same safety requirement level, whereby this safety requirement level is ASIL-A or higher.
  • the second measuring core 24 can be classified in a higher safety requirement level than the first measuring core 22.
  • the first measuring core 22 is still classified at least according to ASIL-A.
  • the first column shows the classification of the safety requirement level for the first measuring core 22
  • the second column shows the classification of the safety requirement level for the second measuring core 26
  • the third column shows the classification of the safety requirement level for the sensor 10.

Abstract

Es wird ein Sensor (10) zur Erfassung eines durch einen Leiter (12) fließenden elektrischen Stroms vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst einen ersten Messkern (22), der ausgebildet ist zum Erfassen eines durch den Leiter (12) fließenden Stroms und zum Ausgeben eines ersten Signals, das den durch den Leiter (12) fließenden Strom anzeigt, wobei der erste Messkern (22) gemäß einer ersten Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert ist, einen zweiten Messkern (24), der ausgebildet ist zum Erfassen eines durch den Leiter (12) fließenden Stroms und zum Ausgeben eines zweiten Signals, das den durch den Leiter (12) fließenden Strom anzeigt, wobei der zweite Messkern (24) gemäß einer zweiten Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert ist, und eine Auswerteschaltung (26), die zum Erfassen des ersten Signals und des zweiten Signals ausgebildet ist, wobei die Auswerteschaltung (26) zum Plausibilisieren des zweiten Signals mittels des ersten Signals ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensor zur
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eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms
Stand der Technik
In vielen technischen Bereichen kommen Stromsensoren zum Einsatz. Derartige Sensoren erfassen einen durch einen Leiter fließenden elektrischen Strom.
Die vorliegende Erfindung wird ohne Beschränkung darauf in Zusammenhang mit einem Sensor zum Erfassen eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms im kraftfahrzeugtechnischen Bereich beschrieben. In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen elektrische Energiespeicher zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt bzw. als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batterien Verwendung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch unabhängig von der Bauweise des elektrochemischen Energiespeichers. Denkbar wäre ebenfalls die Strommessung in einem Brennstoffzellensystem.
Stromsensoren für elektrifizierte Antriebsstränge dienen der Energiebilanzierung, bzw. der Überwachung von Leistungen. Diese Erfindung eignet sich insbesondere aber nicht ausschließlich für hochvolttaugliche Batteriestromsensoren, die vorrangig den Ladezustand (State of Charge, SOC) der Traktionsbatterie in elektrifizierten Fahrzeugen überwacht. Die korrekte Berechnung des SOC ist sicherheitsrelevant. Ebenfalls ist eine Überstromerkennung sicherheitsrelevant und maßgebliche Aufgabe des Stromsensors. Anwendungen der Erfindung in anderen Bereichen, wie z.B. Messung des Inverterstroms oder Ströme in den DC/DC-Wandlern sind ebenfalls denkbar. Gleichfalls kann die Erfindung außerhalb des elektrifizierten Antriebsstrangs bspw. in anderen Branchen wie Industriesensoren, Luft-& Raumfahrt oder Medizintechnik eingesetzt werden.
Zumeist wird mittels Präzisionswiderstand (Shunt) direkt der Spannungsabfall und damit errechenbar der Strom erfasst. Ebenfalls sehr häufig sind Hall- Sensoren, die das Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters indirekt messen. Weiterhin gibt es hochpräzise Magnetfeldsensoren basierend auf dem Fluxgate- Prinzip. Dieses Prinzip bietet gegenüber Hallsensoren den Vorteil einer höheren Genauigkeit und eines gleichzeitig weiten Strommessbereichs. Hier sind insbesondere 0,5% bis 0,3% Genauigkeit bei Messbereichen von -500A bis +500A mit automotivetauglichen Großserienprodukten möglich. Erweiterungen des Messbereichs auf bis zu +/'2000 A sind möglich.
In der Regel wird innerhalb der Sensoren keine Signalplausibilisierung durch unabhängige Signale durchgeführt. Jedoch gehören interne, redundante Signalauswertungen zum Stand der Technik. Hierbei wir das Signal mit genau einem physikalischen (Mess-)Wandler redundant ausgewertet. Zumeist kommen für die Messung von Gleichströmen widerstandsbasierte Verfahren (Shunt) oder Magnetfeldsensoren wie Hall oder xMR zum Einsatz. Der Überbegriff xMR umfasst alle bekannten magnetoresistiven Verfahren. Weiterhin stellen sogenannte Förster-Sonden, die auch als Fluxgate-Sensoren bekannt sind, ein Messprinzip dar, das sich zur Strommessung in Serienanwendungen etabliert hat. Alle genannten Verfahren eignen sich ebenfalls zur Messung von Wechselfeldern eines Gleichstromleiters bzw. der zugehörigen Magnetfelder. Alle genannten Verfahren außer der widerstandsbasierten Messung sind magnetfeldbasierte Verfahren, die berührungslos arbeiten.
Aus Kostengründen erfolgt der Aufbau eines solchen Sensors meist mit genau einem für den jeweiligen Anwendungsfall (kosten-)optimalen Messprinzip. Jedoch kann im Fehlerfall des Sensors nicht garantiert werden, dass das fehlerhaft ausgegebene Sensorsignal vom übergeordneten System (z.B. Steuergerät) erkannt wird. Je nach Gesamtsystemaufbau kann es aus Sicht der funktionalen Sicherheit (vgl. ISO26262) erforderlich sein, eine Fehlererkennung zu implementieren. Eine derartige Erkennung ist beispielsweise über Signalplausibilisierung möglich. Diese wiederum benötigt für höhere Absicherungslevel (insb. ASIL-D) mindestens zwei unabhängige Signale, die innerhalb vorzugebender Toleranzen übereinstimmen müssen. Bei größeren Abweichungen wird ein fehlerhaftes Signal diagnostiziert und an das übergeordnete System gemeldet, sodass ein sicherer Zustand eingenommen werden kann.
Die DE 10 2011 088 893 Al beschreibt eine Strommessschaltung zur redundanten Messung elektrischen Stroms mit einem Messwiderstand, einem Magnetfeldsensor und einer Auswerteschaltung auf einer Auswerteschaltungsplatine, wobei die Auswerteschaltung zur Bestimmung des elektrischen Stroms mit Hilfe des Messwiderstands dient. Dabei sind der zweite Magnetfeldsensor auf der Auswerteschaltungsplatine und die Auswerteschaltungsplatine in unmittelbarer Nähe des Messwiderstands angeordnet, so dass der zweite Magnetfeldsensor das Magnetfeld des stromdurchflossenen Messwiderstands erfassen kann. Das zweite - indirekte - Verfahren dient somit zur Plausibilisierung des ersten - direkten - Verfahrens.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungsbedarf. So werden zunehmend für die Stromsensoren hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit nach ISO26262 vom Markt gefordert. ASIL-A bis hin zu ASIL-D sind gängige Kundenanforderungen, die jedoch häufig nicht bedient werden können, da die Sensorentwicklung sich in der Vergangenheit weniger auf mobile Anwendungen konzentriert hat, da der Markt in der Vergangenheit eher klein war und somit Automotive-Sicherheitsanforderungen weniger wichtig waren. Mit der rasanten Entwicklung der alternativen Antriebe von Hybrid über rein elektrisch bis hin zu Brennstoffzellen-Antriebssträngen ergibt sich künftig großer Bedarf an speziellen Automotive-Lösungen zur Strommessung.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensor zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren und Sensorsysteme zumindest weitgehend vermeidet und der eine hohe funktionale Sicherheit bei hoher Messgenauigkeit bietet. Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms umfasst einen ersten Messkern, der ausgebildet ist zum Erfassen eines durch den Leiter fließenden Stroms und zum Ausgeben eines ersten Signals, das den durch den Leiter fließenden Strom anzeigt, wobei der erste Messkern gemäß einer ersten Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert ist.
Der Sensor umfasst weiterhin einen zweiten Messkern, der ausgebildet ist zum Erfassen eines durch den Leiter fließenden Stroms und zum Ausgeben eines zweiten Signals, das den durch den Leiter fließenden Strom anzeigt, wobei der zweite Messkern gemäß einer zweiten Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert ist.
Der Sensor umfasst weiterhin eine Auswerteschaltung, die zum Erfassen des ersten Signals und des zweiten Signals ausgebildet ist, wobei die Auswerteschaltung zum Plausibilisieren des zweiten Signals mittels des ersten Signals ausgebildet ist.
Entsprechend wird ein Stromsensor vorgeschlagen, der zwei unabhängige Messkerne aufweist. So kann der Gesamtsensor beispielsweise einen verfügbaren ASIL-klassifizierten Messkern einsetzen, der z.B. keine ausreichende Genauigkeit für den geforderten Stromsensor erreicht. Stattdessen dient dieser Messkern zur Plausibilisierung der Messwerte des zweiten Sensorkerns. Durch die Kombination von zwei Messkernen ist eine redundante Messung des elektrischen Stroms möglich.
Die zweite Sicherheitsanforderungsstufe kann sich von der ersten Sicherheitsanforderungsstufe unterscheiden. Dieser zweite Kern ist beispielsweise nur QM-klassifiziert.
Zumindest die erste Sicherheitsanforderungsstufe kann gemäß ISO 26262 definiert, spezifiziert oder klassifiziert sein. Zumindest ein Messkern erfüllt somit ein höheres Sicherheitslevel (insb. ASIL-C oder ASIL-D) im Sinne der ISO26262. Die erste Sicherheitsanforderungsstufe kann höher als die zweite Sicherheitsanforderungsstufe sein.
Die erste Sicherheitsanforderungsstufe kann ASIL-A oder höher gemäß ISO 26262 erfüllen.
Der zweite Messkern kann eine höhere Messgenauigkeit als der erste Messkern aufweisen. So kann der Gesamtsensor beispielsweise einen verfügbaren ASIL- klassifizierten Messkern einsetzen, der z.B. keine ausreichende Genauigkeit für den geforderten Stromsensor erreicht. Stattdessen dient dieser Messkern zur Plausibilisierung der Messwerte des zweiten Sensorkerns. Dieser zweite Kern bietet bspw. sehr hohe Messgenauigkeiten, ist jedoch beispielsweise womöglich nur QM-klassifiziert. Durch die Kombination beider Messkerne kann nun einerseits im regulären Messbetrieb eine Strommessung mit hoher Genauigkeit, andererseits im Fehlerfall eine fehlerhafte Strommessung mit etwas geringerer Genauigkeit, jedoch mit ASIL-Klassifikation bereitgestellt werden.
Die Auswerteschaltung kann zum Plausibilisieren des zweiten Signals mittels Vergleichens des zweiten Signals mit dem ersten Signal ausgebildet sein. Bei Abweichung beider Signale ist von einer Fehlfunktion einer der beiden Sensoren auszugehen, sodass ein sicherer Zustand eingenommen werden kann sowie eine Fehlermeldung ausgegeben werden kann.
Das erste Signal kann ein analoges Signal sein und das zweite Signal kann ein analoges Signal sein. Die Auswerteschaltung kann zum Bearbeiten des ersten Signals und des zweiten Signals und zum Wandeln des ersten Signals in ein digitales Signal und des zweiten Signals in ein digitales Signal ausgebildet sein.
Die Auswerteschaltung kann ein Analog- Front- End umfassen. Dadurch können die analogen Signale aufbereitet und in digitaler Form zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
Der Leiter kann ein Hochvoltstromleiter sein. Somit ist der Sensor im Fahrzeugbereich auch bei Elektrofahrzeugen einsetzbar. Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug oder ein elektrisches Gerät vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug oder das elektrische Gerät weist eine Batterie und einen erfindungsgemäßen Sensor gemäß den vorstehenden oder nachstehenden Ausführungsformen auf.
Unter einem Sensor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein technisches Bauteil zu verstehen, das eingerichtet ist, einen durch einen Leiter fließenden elektrischen Strom zu erfassen.
Unter einem Leiter ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Gegenstand oder System zum Transport elektrischer Energie zu verstehen. Der Leiter ist Teil eines elektrischen Stromkreises oder Stromnetzes und verbindet so insbesondere Stromquelle und Verbraucher. Für den Transport fließen Elektronen als Leiterstrom. Für geringen Spannungsabfall beziehungsweise geringe Transportverluste soll das leitende Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wozu sich einige Metalle besonders gut eignen. Die Querschnittsfläche des Leiters muss die zulässige Stromdichte berücksichtigen. Die technische Ausführung von Leitungen orientiert sich an den Erkenntnissen der Leitungstheorie. Leiter sind in der in der Regel in Form von Drähten oder Litzen, aber auch von Bändern bzw. Schienen aus Kupfer, Aluminium, Silber oder aus Stahl ausgebildet und können eine isolierende Umhüllung aufweisen. Sind mehrere gegeneinander isolierte Leiter (Adern) zusammengefasst, werden sie als Leitung oder Kabel bezeichnet.
Unter einem Hochvoltstromleiter ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Gegenstand oder System zum Transport elektrischer Energie zu verstehen, der eingerichtet ist mit Wechselspannungen über 30 V bis 1 kV oder mit Gleichspannungen über 60 V bis 1,5 kV betrieben zu werden. Derartige Leiter kommen insbesondere in der Fahrzeugtechnik zum Einsatz. Leitungen und Verbindungskomponenten des Hochvolt-Systems werden nach ISO 6469-3 und ECE-R 100 in orange gekennzeichnet (umgangssprachlich „Hochvolt-Orange“).
Unter einem Messkern ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Bauteil zu verstehen, das als Maß für einen schwer messbar elektrischen Strom ein leicht verarbeitbares elektrisches Signal erzeugt. Der erste Messkern und der zweite Messkern können grundsätzlich ein Sensorelement bzw. Messkern eines Hall-Sensors, ein Shunt-Sensors oder eines Magnetfeldsensors sein, insbesondere eines Fluxgate-Sensors.
Unter einer Auswerteschaltung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine elektronische oder elektrische Schaltung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um von den Stromsensoren erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen den Stromsensoren und der Auswerteschaltung vorgesehen sein. Die Auswerteschaltung kann mit einer Auswerteeinheit kommunizieren. Die Auswerteeinheit kann in einem übergeordneten System integriert sein, wie beispielsweise einem Steuergerät. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die Stromsensoren anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Signalauswertung in der Auswerteeinheit kann derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit alle von den Stromsensoren empfangenen Signale auswertet und in zwei Ausgangssignale wandelt. Das erste und das zweite Signal können beide analog, beide digital oder eines analog und eines digital sein.
Die Auswerteschaltung kann ausgebildet sein, das erste Signal und das zweite Signal kontinuierlich und parallel zu erfassen. Alternativ kann die Auswerteschaltung ausgebildet sein, das erste Signal und das zweite Signal intermittierend und sequentiell zu erfassen. Das Sensorsystem erlaubt somit verschiedene Betriebsmodi. So können der erste und zweite Stromsensor zeitgleich arbeiten und ständig verfügbar sein, ohne miteinander synchronisiert werden zu müssen. Dies hat den Vorteil, dass keine Verwaltung der Sensor- Messintervalle nötig ist. Außerdem ist keine Speicherung der Signale zur anschließenden Verwertung nötig, sondern diese sind direkt „verrechenbar“, z.B. durch differentielle Anordnung. Alternativ werden der erste und zweite Stromsensor nacheinander aktiviert bzw. ausgelesen. Die Wechselintervalle werden so gewählt, dass ein Optimum aus Messgenauigkeit, Abtastrate und Störunempfindlichkeit erzielt wird.
Unter einem Analog- Front- End (AFE) ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein integrierter Schaltkreis zur Wandlung und Bearbeitung analoger Signale. AFEs werden vorwiegend zur digitalen Aufbereitung der von Sensoren empfangenen Daten eingesetzt. Eine AFE-Schaltung kann dabei unterschiedliche Elemente zum Verstärken, Bearbeiten, Filtern und Aufbereiten von Daten aus verschiedenartigen Signalquellen sowie einen oder mehrere Analog-Digital-Umsetzer enthalten.
Magnetfeldsensor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Sensor zur Erfassung von Magnetfeldern zu verstehen. Dabei kann der Magnetfeldsensor insbesondere zur Messung magnetischer Flussdichten ausgebildet sein. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen, und übliche Messbereiche von Magnetometern bewegen sich in einem Größenbereich von circa 10“15 T bis 10 T.
Bei dem Magnetfeldsensor handelt es sich bevorzugt um einen Fluxgate-Sensor oder Förster-Sonde. Unter einem Fluxgate-Sensor oder einer Förster-Sonde, die auch als ein Fluxgate- Magnetometer oder auch Saturationskern- Magnetometer bekannt ist, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Magnetometer zur vektoriellen Bestimmung des Magnetfeldes zu verstehen. Dabei arbeitet das Magnetometer mit einem Ringkern (Toroid), der mittels einer aufgebrachten Spule erregt wird. Die Empfängerspule umgibt den gesamten Kern, der in Sättigung getrieben wird. Beim Fehlen eines externen Feldes wird die induzierte Spannung zu symmetrischen Stromverläufen in der Spulenwicklung führen. Bei einem alternativen Aufbau werden periodisch zwei weichmagnetische Spulenkerne in die Sättigung getrieben. Die Kerne sind von zwei gegensinnigen Empfängerspulen umwickelt, sodass in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes sich die induzierten Spannungen aufheben. Eine äußere Magnetfeldkomponente wirkt parallel bzw. antiparallel auf die Felder der beiden Spulen. Dadurch wird, wenn das äußere Feld parallel zum Feld einer Spule ist, in der einen Halbperiode in dieser Spule die Sättigung des Kerns eher erreicht. In der anderen Spule ist während dieser Halbperiode das äußere Feld antiparallel, somit setzt dort die Sättigung des Kerns später ein. Diese Asymmetrie verursacht ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen, das proportional zum angelegten Feld ist. Die induzierte Spannung besitzt die doppelte Frequenz der Erreger-Wechselspannung. Indem Phase und Betrag der in allen vier Spulen induzierten Spannung bestimmt wird, kann Betrag und Richtungssinn der waagerechten Komponente des externen Feldes bestimmt werden. Es können auch orthogonal angeordnete Kerne und Messspulen verwendet werden, um den Feldvektor im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Um die Linearität zu verbessern und den Messbereich zu vergrößern, kann man um dem gesamten Aufbau befindliche Kompensationsspulen mit einem geregelten Gleichstrom beaufschlagen, sodass die in der Sensorspule induzierte Spannung Null wird. Der Strom ist dann proportional zum externen Feld und hebt dieses auf. Der Gleichstrom wird mit einer Gegenkopplung erzeugt und ist somit zugleich das Ausgangssignal des Sensors. Auf diese Weise werden beispielsweise Stromsensoren gebaut. Werden Fluxgate- Magnetometer mit Kompensationsspule aufgebaut, macht sie dies z.B. bei höheren Frequenzen bis in den kHz-Bereich messfähig. Darauf kann jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus Kostengründen verzichtet werden. Insbesondere relevant sind ohnehin Gleichstrommessungen (positiv wie negativ), da hier Batterieströme gemessen werden sollen.
Ein solcher Fluxgate-Sensor basiert auf rein berührungslosen Messverfahren, sodass dieser prinzipbedingt bereits mit galvanischer Trennung zum Hochvolt- Primärleiter realisierbar ist. Somit sind keine gesonderten Anstrengungen zur Hochvoltisolation nötig. Es sind keine kostspieligen Präzisionswiderstände (Shunts) notwendig, ebenso entfällt die Verlustleistung dieser Widerstände, die mehrere dutzend Watt betragen kann. Es ist eine vollständige Kapselung eines oder mehrerer Magnetfeldsensoren z.B. mittels Umspritzen innerhalb eines Bauteils möglich. Es ist eine gemeinsame Integration der Messverfahren auf einer Platine möglich.
Unter Plausibilisierung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Methode zu verstehen, in deren Rahmen ein Wert oder allgemein ein Ergebnis daraufhin überprüft wird, ob es überhaupt plausibel, also annehmbar, einleuchtend und nachvollziehbar sein kann oder nicht. Demgemäß sind kleinere Abweichungen, etwa <1%, zwischen beiden Messergebnissen tolerierbar.
Unter einem Hall-Sensor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensor zu verstehen, der den Hall- Effekt zur Messung von Magnetfeldern nutzt. Hall- Sensoren bestehen aus möglichst dünnen kristallinen dotierten Halbleiter- Schichten, die seitlich zumeist vier Elektroden besitzen. Durch die zwei gegenüberliegenden Elektroden wird ein Strom eingespeist, die beiden orthogonal dazu liegenden Elektroden dienen der Abnahme der Hall-Spannung. Wird ein solcher Hall-Sensor von einem senkrecht zur Schicht verlaufenden Magnetfeld durchströmt, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum (vorzeichenbehafteten) Betrag des Vektorproduktes aus magnetischer Flussdichte und Strom ist. Die Ursache ist die Lorentz- Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in der Schicht. Es ist proportional zum Strom, zur Ladungsträgerbeweglichkeit und umgekehrt proportional zur Schichtdicke (je dünner die Schicht, desto größer die Ladungsträger- Geschwindigkeit und desto größer ist die Lorentz- Kraft). Das sich zwischen den Messelektroden einstellende Elektrische Feld befindet sich im Gleichgewicht zur Hallspannung und verhindert eine weitere Ladungsträger-Separation.
Die Hallspannung ist außerdem auch temperaturabhängig und kann einen Offset haben. Aufgrund der Proportionalität der Hallspannung zur Ladungsträgerbeweglichkeit und der Konzentration der Majoritätsladungsträger ist der Halleffekt eine eingeführte Methode der Bestimmung dieser Kenngrößen in der Halbleitertechnologie. Ein Hall-Sensor liefert auch dann ein Signal, wenn das Magnetfeld, in dem er sich befindet, konstant ist. Dies ist der Vorteil im Vergleich zu einer einfachen Spule als Magnetfeldsensor (z. B.
Induktionsschleife, Rogowski-Spule), die nur die Ableitung des Magnetfeldes nach der Zeit feststellen kann. Ein weiterer wichtiger Vorteil von Hall-Sensoren ist, dass zu ihrer Realisierung keine ferro- oder ferrimagnetischen Materialien (wie z. B. Nickel oder Eisen) benötigt werden. Damit wird das zu messende Magnetfeld nicht schon dadurch verändert, dass man den Sensor hinein bringt. Magnetoresistive Sensoren oder Fluxgate- Magnetometer besitzen diese Eigenschaft nicht. Darüber hinaus gibt es noch weitere Sensoren für magnetische Flussdichten. Sie sind nicht so empfindlich und rauscharm wie die bisher genannten. So können im Rahmen der vorliegenden Erfindung als zweiter Magnetfeldsensor die folgenden Sensoren grundsätzlich eingesetzt werden. Der Überbegriff ist xMR-Sensor; Dünnschicht-Sensoren, die unter Einfluss des magnetischen Flusses direkt ihren Widerstand ändern und daher „X-MagnetoResistiv“ heißen. Das xMR steht für alle Sensoren, die nach allen bekannten magnetoresistiven Verfahren arbeiten, wie GMR-Sensor (giant, dt. „gewaltig, riesig“, GMR-Effekt), AMR-Sensor (anisotropic, dt. „anisotrop“ AMR-Effekt) oder CMR-Sensoren (colossal, dt. „überdimensional“), Feldplatte, magnetischer Tunnelwiderstand (tunnel magnetoresistance, TMR). Obwohl XMR- und Hall-Sensoren nicht so empfindlich wie die vorgenannten sind, finden sie durch ihren einfachen Aufbau (Halbleitertechnik) und die damit verbundene günstige Herstellung bei einfacheren Aufgaben massenweise Verwendung. Dazu gehören unter anderem Stromsensoren.
Es wird explizit betont, dass die Ausdrücke „erster“, „zweiter“, und dergleichen sowie deren grammatikalischen Äquivalente im Rahmen der vorliegenden Erfindung lediglich zur begrifflichen Unterscheidung der jeweiligen Bauteile und Merkmale dienen und keine besondere Reihenfolge oder Gewichtung angeben sollen. Außerdem sollen diese Ausdrücke nicht das Vorhandensein weiterer entsprechender Bauteile und Merkmale ausschließen. Beispielsweise können mehr als ein erster Messkern oder zweiter Messkern vorgesehen sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weiter optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eine Anordnung eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Figur 2 ein Blockschaltbild des Sensors.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Sensor 10 ist zum Erfassen eines durch einen Leiter 12 fließenden elektrischen Stroms ausgebildet. Der Leiter 12 ist beispielsweise ein Kupferkabel oder eine Stromschiene, die für die Übertragung des zu messenden Stroms verwendet wird. Der Leiter 12 ist ein Hochvoltstromleiter. Lediglich beispielhaft verbindet der Leiter 12 eine Energiequelle 14 mit einem Verbraucher 16. Bei der Energiequelle 14 kann es sich um eine Batterie 18 handeln. Bei dem Verbraucher 16 kann es sich um einen elektrifizierten Antriebsstrang 20 eines Kraftfahrzeugs (nicht näher dargestellt) handeln.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild des Sensors 10. Der Sensor 10 weist einen ersten Messkern 22 auf. Der erste Messkern 22 ist ausgebildet zum Erfassen eines durch den Leiter 12 fließenden Stroms und zum Ausgeben eines ersten Signals, das den durch den Leiter 12 fließenden Strom anzeigt. Der erste Messkern 22 ist gemäß einer ersten Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert. Zumindest die erste Sicherheitsanforderungsstufe ist gemäß ISO 26262 definiert. Die erste Sicherheitsanforderungsstufe erfüllt ASIL-A oder höher gemäß ISO 26262.
Der Sensor 10 weist weiterhin einen zweiten Messkern 24 auf. Der zweite Messkern 24 ist ausgebildet zum Erfassen eines durch den Leiter 12 fließenden Stroms und zum Ausgeben eines zweiten Signals, das den durch den Leiter 12 fließenden Strom anzeigt. Der zweite Messkern 24 ist gemäß einer zweiten Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert. Der zweite Messkern 24 weist optional eine höhere Messgenauigkeit als der erste Messkern 22 auf. Bei der gezeigten Ausführungsform unterscheidet sich die zweite Sicherheitsanforderungsstufe von der ersten Sicherheitsanforderungsstufe. So ist die erste Sicherheitsanforderungsstufe höher als die zweite Sicherheitsanforderungsstufe. Beispielsweise ist der erste Messkern 22 gemäß Sicherheitsanforderungsstufe ASIL-A, ASIL-B, ASIL-C oder ASIL-D klassifiziert und der zweite Messkern 24 ist lediglich nach herkömmlichen Qualitätsmanagement-Methoden (QM) klassifiziert. QM bezeichnet dabei eine Produktentwicklung nach gewöhnlichen Qualitätsmanagement-Methoden und stellt quasi im Sinne der ISO26262 die einfachste Ebene dar, in der nicht nach ASIL klassifiziert wird, da die damalige Entwicklung diesen Standard nicht vorsah, bzw. dieser nicht beachtet wurde oder ggf. nicht erfüllt werden kann. QM kann quasi mit dem Wert „0“ gezählt werden, während ASILA=1; ASIL-B=2; ASIL-C=3 und ASIL-D dem Wert 4 entspricht. Die Kombinationen in den folgenden Tabellen basieren auf der Addition dieser Wertigkeiten und ergeben maximal Stufe „ASIL-D“.
Mögliche Kombinationen für die Messkerne 22, 24 und der daraus folgenden (Gesamt-) Klassifikation des Sensors 10 in eine Sicherheitsanforderungsstufe sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt. Dabei sind in der ersten Spalte die Klassifikation der Sicherheitsanforderungsstufe für den ersten Messkern 22, in der zweiten Spalte die Klassifikation der Sicherheitsanforderungsstufe für den zweiten Messkern 26 und in der dritten Spalte die Klassifikation der Sicherheitsanforderungsstufe für den Sensor 10 angegeben.
Tabelle 1
Figure imgf000015_0001
Der Sensor 10 weist weiterhin eine Auswerteschaltung 26 auf. Die Auswerteschaltung 26 ist zum Erfassen des ersten Signals und des zweiten Signals ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Auswerteschaltung mittels einer ersten Leitung 28 mit dem ersten Messkern 22 verbunden und ist mittels einer zweiten Leitung 30 mit dem zweiten Messkern 24 verbunden. Die Auswerteschaltung 26 ist weiterhin zum Plausibilisieren des zweiten Signals mittels des ersten Signals ausgebildet. So ist die Auswerteschaltung 26 zum Plausibilisieren des zweiten Signals mittels Vergleichens des zweiten Signals mit dem ersten Signal ausgebildet. Das erste Signal ist ein analoges Signal. Das zweite Signal ist ebenfalls ein analoges Signal. Die Auswerteschaltung 26 ist zum Bearbeiten des ersten Signals und des zweiten Signals und zum Wandeln des ersten Signals in ein digitales Signal und zum Wandeln des zweiten Signals in ein digitales Signal ausgebildet. Zu diesem Zweck umfasst die Auswerteschaltung 26 ein Analog- Front-End 32.
Durch die Kombination beider Messkerne kann nun einerseits im regulären Messbetrieb eine Strommessung mit hoher Genauigkeit, andererseits im Fehlerfall eine fehlerhafte Strommessung mit etwas geringerer Genauigkeit, jedoch mit ASIL-Klassifikation bereitgestellt werden.
Der Sensor 10 kann wie folgt modifiziert werden. Der erste Messkern 22 und der zweite Messkern 24 können in der gleichen Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert sein, wobei diese Sicherheitsanforderungsstufe ASIL-A oder höher ist. Der zweit Messkern 24 kann in einer höheren Sicherheitsanforderungsstufe als der erste Messkern 22 klassifiziert sein. Dabei ist der erste Messkern 22 weiterhin mindestens gemäß ASIL-A klassifiziert.
Lediglich beispielhaft sind einige mögliche alternativen Kombinationen für die Messkerne 22, 24 in der nachstehen Tabelle 2 aufgeführt. Dabei sind in der ersten Spalte die Klassifikation der Sicherheitsanforderungsstufe für den ersten Messkern 22, in der zweiten Spalte die Klassifikation der Sicherheitsanforderungsstufe für den zweiten Messkern 26 und in der dritten Spalte die Klassifikation der Sicherheitsanforderungsstufe für den Sensor 10 angegeben.
Tabelle 2
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000017_0001
Diese Reihe lässt sich fortsetzen durch die weiteren Kombinationen mit „zweiter Messkern 24 = ASIL C“ sowie „zweiter Messkern 24 = ASIL D“. Die vorliegende Erfindung ist nachweisbar durch visuelle Inspektion der
Stromsensoren bzw. des Batterie- Management-Systems, ggf. mit Analyse der Signal- Kommunikation beispielsweise im Steuergerät.

Claims

Ansprüche
1. Sensor (10) zur Erfassung eines durch einen Leiter (12) fließenden elektrischen Stroms, umfassend einen ersten Messkern (22), der ausgebildet ist zum Erfassen eines durch den Leiter (12) fließenden Stroms und zum Ausgeben eines ersten Signals, das den durch den Leiter (12) fließenden Strom anzeigt, wobei der erste Messkern (22) gemäß einer ersten Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert ist, einen zweiten Messkern (24), der ausgebildet ist zum Erfassen eines durch den Leiter (12) fließenden Stroms und zum Ausgeben eines zweiten Signals, das den durch den Leiter (12) fließenden Strom anzeigt, wobei der zweite Messkern (24) gemäß einer zweiten Sicherheitsanforderungsstufe klassifiziert ist, eine Auswerteschaltung (26), die zum Erfassen des ersten Signals und des zweiten Signals ausgebildet ist, wobei die Auswerteschaltung (26) zum Plausibilisieren des zweiten Signals mittels des ersten Signals ausgebildet ist.
2. Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die zweite Sicherheitsanforderungsstufe von der ersten Sicherheitsanforderungsstufe unterscheidet.
3. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die erste Sicherheitsanforderungsstufe gemäß ISO 26262 definiert ist.
4. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Sicherheitsanforderungsstufe höher als die zweite Sicherheitsanforderungsstufe ist.
5. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Sicherheitsanforderungsstufe ASIL-A oder höher gemäß ISO 26262 erfüllt.
6. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Messkern (24) eine höhere Messgenauigkeit als der erste Messkern (22) aufweist.
7. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (26) zum Plausibilisieren des zweiten Signals mittels Vergleichens des zweiten Signals mit dem ersten Signal ausgebildet ist.
8. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Signal ein analoges Signal ist und das zweite Signal ein analoges Signal ist, wobei die Auswerteschaltung (26) zum Bearbeiten des ersten Signals und des zweiten Signals und zum Wandeln des ersten Signals in ein digitales Signal und des zweiten Signals in ein digitales Signal ausgebildet ist.
9. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (26) ein Analog- Front- End (32) umfasst.
10. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leiter (12) ein Hochvoltstromleiter ist.
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