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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines
in einem elektrischen Leiter fließenden Stromes gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Messen eines in einem elektrischen
Leiter fließenden
Stromes gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 13.
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Im
Bereich der Fahrzeugtechnik führt
die steigende Anzahl von elektrischen Verbrauchern in den Kraftfahrzeugen
zu einem stetig steigenden Energiebedarf im Bordnetz. Hierdurch
wird insbesondere die Bordbatterie immer stärker belastet, die während des
Betriebs des Fahrzeugmotors als Puffer dient und im abgeschalteten
Zustand des Motors die Spannungsversorgung des Fahrzeuges aufrechterhält. Insbesondere
bei vermehrtem Einsatz des Fahrzeugs im Kurzstreckenbetrieb kann
dies dazu führen, dass
die Batterie während
des Betriebs des Motors nicht mehr vollständig geladen wird. Dies kann
darin resultieren, dass das Fahrzeug mit entladener Batterie liegen
bleibt oder sich aufgrund zu niedriger Batteriespannung nicht mehr
starten lässt.
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Um
dies zu vermeiden, wird in Fahrzeugen zunehmend ein Energiemanagement
eingesetzt. Ein solches Energiemanagement soll dafür sorgen,
dass der Ladezustand der Batterie keinen kritischen Zustand erreicht,
und dass die Ladungsbilanz der Batterie positiv ist. Grundlage für ein derartiges
System bildet die Analyse des Batteriezustandes, der sich aus den
Messgrößen Batteriestrom,
Batteriespannung und Batterietemperatur ergibt. Hierbei ist vor
allem die Erfassung des Lade- bzw. Entladestroms von entscheidender
Bedeutung, um die Batterie auf einem unkritischen Ladeniveau zu
halten und die Startfähigkeit
des Fahrzeugs zu sichern.
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Die
Herausforderung bei der Erfassung des Lade- bzw. Entladestroms liegt
darin, dass die zu messenden Ströme
sich über
einen sehr großen
Bereich erstrecken, beispielsweise von –200 A bis 1500 A. Darüber hinaus
müssen
auch relativ kleine Ströme im
Bereich von einigen Ampere oder gar Milliampere messbar sein, die
beispielsweise als Restladeströme bei
einer fast vollständig
geladenen Batterie auftreten. Ein geeigneter Sensor für das Energiemanagement
in Fahrzeugen muss entsprechend diesen weiten Bereich abdecken,
also eine hohe Dynamik aufweisen.
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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik ist der in den 3 und 4 gezeigte
Sensor zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug zur Überwachung der fließenden Ströme bekannt.
Zur Erfassung des Batteriestroms wird ein Messwiderstand 202 in
die Masseleitung 201 eingefügt. Eine geeignete Auswerteelektronik 203 misst
direkt den Spannungsabfall am Messwiderstand und berechnet hieraus
den fließenden Strom.
Der Messwiderstand kann dabei beispielsweise aus Manganin bestehen.
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In 3 ist
der mit diesem Sensor zu realisierende Messaufbau gezeigt. Eine
Autobatterie 205 ist über
eine Masseleitung 201 mit der Fahrzeugmasse verbunden.
Der Sensor bestehend aus dem Messwiderstand 202 und der
Auswerteelektronik 203 ist in die Masseleitung 201 integriert.
Elektrische Verbraucher 206 des Kraftfahrzeuges sind mit
dem Pluspol der Batterie 205 über eine Leitung 207 verbunden.
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Nachteilig
an dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist, dass der Messwiderstand
in den stromführenden
Leiter integriert werden muss, was einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand verursacht,
da sicherzustellen ist, dass Scher- und Zugkräfte vom Messwiderstand ferngehalten
werden. Eine Verformung des Messwiderstandes kann das Messergebnis
beeinflussen und führt
im Extremfall zum Defekt des Sensors. Ein weiterer Nachteil ist, dass über dem
Messwiderstand notwendiger Weise eine Verlustleistung abfällt. Auch
bei Verwendung kleiner Widerstände,
beispielsweise eines 100 mW Messwiderstandes fällt dennoch Verlustwärme ab, die
abgeleitet werden muss.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines in einem elektrischen
Leiter fließenden
Stroms anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik verringern und
eine zuverlässige
Messung eines Stromes in einem elektrischen Leiter über einen
weiten Messbereich hinweg ermöglichen.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen
Leiter fließenden
Stromes gemäß Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren zur Messung eines in einem elektrischen Leiter
fließenden
Stromes gemäß Anspruch
13 gelöst.
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Die
Vorrichtung weist einen mit einem Luftspalt versehenen Magnetkreis
zur Kopplung mit dem elektrischen Leiter und ein in dem Luftspalt
des Magnetkreises angeordnetes magnetfeldsensitives Bauteil zur
Messung des vom elektrischen Leiter erzeugten Magnetfeldes auf.
Erfindungsgemäß ist in dem
Luftspalt des Magnetkreises mindestens ein Steuerkern zur Steuerung
des Luftspaltes angeordnet, wobei der Steuerkern jeweils eine Steuerwicklung
zur magnetischen Sättigung
des jeweiligen Steuerkerns zur Steuerung der effektiven Länge des Luftspalts
aufweist und das magnetfeldsensitive Bauteil in dem Luftspalt angeordnet
ist.
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Da
der Stromsensor auf dem Prinzip der Magnetfeldmessung des von einem
Strom durchflossenen Leiters beruht, kann ein externes Magnetfeld
das Messergebnis beeinflussen. Solche das Messergebnis beeinflussenden
Magnetfelder können
beispielsweise durch in einem Kraftfahrzeug betriebene Lautsprechersysteme
oder durch Strom führende
Leitungen, insbesondere Leitungen in denen starke Ströme fließen, erzeugt
werden. Darüber
hinaus kann auch das Erdmagnetfeld einen Einfluss auf die Messung haben.
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Entsprechend
sind der Magnetkreis, das magnetfeldsensitive Bauteil und/oder der
mindestens eine Steuerkern erfindungsgemäß zumindest teilweise von einer
magnetischen Abschirmung umgeben.
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Durch
die magnetische Abschirmung kann erreicht werden, dass Magnetfelder,
die üblicherweise
auf den Magnetkreis, das magnetfeldsensitive Bauteil und/oder die
Steuerkerne wirken würden,
zumindest teilweise abgeschirmt werden können.
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Unter
dem Begriff der magnetischen Abschirmung wird hier verstanden, dass
ein (externes) Magnetfeld durch die magnetische Abschirmung abgeschwächt wird.
Insbesondere wird ein auf eine Komponente wirkendes Magnetfeld durch
die magnetische Abschirmung abgeschwächt, so dass eine hinter bzw.
innerhalb der magnetischen Abschirmung liegende Komponente einem
geringeren Magnetfeld ausgesetzt ist, als eine außerhalb
des Magnetfelds liegende Komponente. Mit anderen Worten ist das Magnetfeld
außerhalb
der magnetischen Abschirmung höher,
als innerhalb der magnetischen Abschirmung. Unter Abschirmung wird
also nicht verstanden, dass das Magnetfeld innerhalb bzw. hinter der
Abschirmung vollständig
verschwindet, obwohl dies natürlich
auch der Fall sein kann. Wichtig ist nur, dass die magnetische Abschirmung
das auf die Komponenten wirkende externe Magnetfeld abschwächt.
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Weiterhin
ist durch die Anordnung des magnetfeldsensitiven Bauteils in dem
Luftspalt zusammen mit dem mindestens einen Steuerkern die für das magnetfeldsensitive
Bauteil effektive Luftspaltlänge
variabel. Ist der Steuerkern ungesättigt, so entspricht die effektive
Luftspaltlänge
im Wesentlichen der Ausdehnung des magnetfeldsensitiven Bauelementes.
Wird hingegen der Steuerkern durch Aufbringen eines Stroms auf die
Steuerwicklung gesättigt,
so wird der Steuerkern für
den Magnetkreis unwirksam. Das magnetfeldsensitive Bauteil befindet sich
dann in einem so erzeugten Gesamtluftspalt, der um die Länge des
nun gesättigten
und damit unwirksamen Steuerkerns vergrößert ist.
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Die
so aufgebaute Vorrichtung besitzt durch ihren speziellen Aufbau
eine Messbereichsumschaltung, die durch das Bestromen der Steuerwicklung des
Steuerkerns realisiert wird. Bei Bestromung der Steuerwicklung des
Steuerkerns und der damit einhergehenden magnetischen Sättigung
des Steuerkerns wird erreicht, dass der Steuerkern für den Magnetkreis
unwirksam wird. Dadurch wird der effektive Luftspalt des Magnetkreises
vergrößert und
dadurch das im Magnetkreis gebundene Feld abgeschwächt. Auf
diese Weise können
mit dem magnetfeldsensitiven Element große Ströme, die große Magnetfelder in dem Magnetkreis
induzieren, gemessen werden, da das im Magnetkreis gebundene Feld
bei großen Strömen durch
den vergrößerten Luftspalt
abgeschwächt
wird.
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Auf
der anderen Seite, zur Messung kleinerer Ströme, wird die Steuerwicklung
des Steuerkerns abgeschaltet, so dass der Steuerkern einen weiteren Bereich
des Luftspaltes mit magnetisierbarem Material ausfüllt. Der
effektive Luftspalt besteht daher bei abgeschalteter Steuerwicklung
nur aus dem magnetfeldsensitiven Bauelement selbst.
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Dadurch
wird die Dynamik des magnetfeldsensitiven Bauteils besonders gut
ausgenutzt. Insbesondere kann vermieden werden, dass das zu messende
Magnetfeld die vorhandene Dynamik des magnetfeldsensitiven Bauteils überschreitet
und es damit zu Fehlmessungen kommt. Die Vorrichtung erlaubt es
daher, durch die Anpassung des zu messenden Magnetfeldes mittels
der Veränderung
der effektiven Länge
des Luftspalts eine effektive Messbereichsumschaltung zu gewährleisten.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die magnetische Abschirmung in der Form
eines den Magnetkreis, das magnetfeldsensitive Bauteil und/oder
den Steuerkern umgebenden Behältnisses
ausgebildet. Dieses Behältnis
kann insbesondere auch ein Kasten sein, in dem im Wesentlichen alle
durch ein Magnetfeld beeinflussbaren Komponenten der übrigen Vorrichtung aufgenommen
sind. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige Abschirmung des Magnetfelds
erreicht werden, da alle für
ein externes Magnetfeld empfindlichen Teile innerhalb des Behältnisses
angeordnet werden können.
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Das
Behältnis
kann an mindestens einer Seite geöffnet sein, um einen Zugang
zu den Einzelkomponenten der Vorrichtung zu erleichtern.
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Weiterhin
kann das Behältnis
bzw. die magnetische Abschirmung jedoch auch bis auf Durchtrittsöffnungen
für elektrische
und magnetische Leiter im Wesentlichen geschlossen sein. Bei den
elektrischen Leitern kann es sich dabei beispielsweise um Zuleitungen
zu den Steuerwicklungen oder auch um Zuleitungen und Ausgangsleitungen
des magnetfeldsensitiven Bauteils, insbesondere einer Hallsonde,
handeln. Weiterhin muss natürlich
auch der elektrische Leiter, dessen Strom gemessen werden soll,
durch eine Durchtrittsöffnung
in das Innere des Behältnisses
gelangen. Magnetische Leiter können
beispielsweise auch Teile des Magnetkreises sein, die außerhalb
des Behältnisses
liegen, oder auch andere magnetische Leiter der Vorrichtung.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt
die magnetische Abschirmung die äußerste räumliche
Begrenzung der Vorrichtung dar. Damit liegen insbesondere alle Teile
der Vorrichtung, die von einem äußeren bzw.
externen Magnetfeld beeinflusst werden könnten, innerhalb der magnetischen
Abschirmung. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Zuleitungsleitungen
zu den Wicklungen bzw. zu dem magnetfeldsensitiven Bauteil außerhalb
der magnetischen Abschirmung liegen können. Weiterhin können ebenso
Auswertungs- und Steuervorrichtungen außerhalb der magnetischen Abschirmung
liegen. Diese können
jedoch auch innerhalb der magnetischen Abschirmung aufgenommen sein,
um so ein geschlossenes System auszubilden.
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Insbesondere
ist in einer Ausführungsform die
magnetische Abschirmung so ausgebildet, dass sie sämtliche
Mess-, Steuer- und
Auswertungskomponenten umschließt.
Mit anderen Worten werden dann nur Zuleitungen für elektrische Energie, um die einzelnen
Komponenten anzutreiben, und Ausgangsleitungen, über die der gemessene Strom
signalisiert wird, benötigt.
Darüber
hinaus muss natürlich
auch der zu messende elektrische Leiter zugeführt werden.
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Bevorzugt
umfasst die magnetische Abschirmung ein magnetisch leitendes Material,
insbesondere ein metallisches Material, beispielsweise ein Mu-Metall,
um eine möglichst
effektive Abschirmung der auf das Magnetfeld reagierenden Komponenten zu
erreichen.
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Die
magnetische Abschirmung wird dabei bevorzugt so angeordnet, dass
ein externes Magnetfeld im Wesentlichen abgeschirmt wird. Dies ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn die Komponenten, die von dem
externen Magnetfeld beeinflusst werden, nicht vollständig von
der magnetischen Abschirmung umgeben sind. Dies ist beispielsweise
dann der Fall, wenn die Komponenten in einem an einer Seite geöffneten
Behältnis
aufgenommen sind. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die magnetische Abschirmung
so angeordnet wird, dass die magnetische Abschirmung die Komponenten,
die von dem Magnetfeld beeinflusst werden können, gegenüber dem externen Magnetfeld
möglichst
gut abschirmt. Beispielsweise können
die geschlossenen Seiten der Abschirmung dann in Richtung eines
störenden, Strom
führenden
Leiters oder zu einem störenden Lautsprechermagneten
hin gerichtet sein. In diesem Zusammenhang ist klar, dass die magnetische
Abschirmung auch ein einzelnes Abschirmungsblech bzw. ein anderes
flaches Abschirmungselement sein kann, dass in einer entsprechenden
Position angeordnet ist.
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Eine
solche geeignete magnetische Abschirmung kann insbesondere durch
die Wahl und geometrische Ausbildung der magnetischen Abschirmung
erreicht werden. Dabei kommen insbesondere die Parameter des Materials
der eigentlichen Abschirmung, der Materialdicke, der geometrischen Ausformung
der Abschirmung und des Abstandes zwischen Abschirmung und dem Sensor
zum Tragen. Weiterhin spielt auch die Feldrichtung und die Feldstärke des
störenden
externen Magnetfeldes eine Rolle und muss bei der geometrischen
Ausbildung und Ausrichtung der Abschirmung berücksichtigt werden.
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Die
magnetische Abschirmung weist vorteilhaft mindestens eine Durchtrittsöffnung zum
Durchtritt elektrischer und/oder magnetischer Leiter auf, wie weiter
oben bereits beschrieben.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind im Luftspalt zwei separate Steuerkerne angeordnet
und das magnetfeldsensitive Bauteil ist zwischen den Steuerkernen
angeordnet. Durch den Aufbau mit zwei separaten Steuerkernen und
der Anordnung des magnetfeldsensitiven Bauteils zwischen diesen
ist das magnetfeldsensitive Bauteil, z.B. ein Hallsensor, im mittleren
Bereich des Luftspalts angeordnet. Werden diese beiden Kerne durch
ein Bestromen der Steuerwicklung gezielt gesättigt, so befindet sich der
Hallsensor in der Mitte des dann resultierenden effektiven Luftspalts.
An dieser Stelle ist das gebundene Magnetfeld am geringsten, wodurch
höchstmögliche Ströme gemessen
werden können.
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Darüber hinaus
lässt sich
durch das Vorsehen zweier separater Steuerkerne eine dreistufige Umschaltung
realisieren, nämlich
eine Umschaltung zwischen einem Zustand, in dem kein einziger Steuerkern
gesättigt
ist, einem Zustand in dem ein einziger Steuerkern gesättigt ist
und einem Zustand in dem beide Steuerkerne gesättigt sind.
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Wird
der Sensor mit hoher Empfindlichkeit betrieben, sind also die Steuerwicklungen
abgeschaltet, misst das magnetfeldsensitive Bauteil das im gesamten
Magnetkreis geführte
Magnetfeld. Der gesamte Magnetkreis besteht dann aus dem Magnetkreis
plus den Steuerkernen. Bei eingeschalteten Steuerwicklungen befindet
sich das magnetfeldsensitive Bauelement genau an der Position in
dem nun effektiven Luftspalt, an der das Magnetfeld am schwächsten ist,
nämlich
in der Mitte des Luftspalts. Es wird dadurch die maximal erreichbare
Messbereichsumschaltung erzielt. Der Messbereich wird entsprechend
maximiert.
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Bevorzugt
ist die Vorrichtung im Bereich eines Masseleiters oder eines Plusleiters
einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie
angeordnet. Die Vorrichtung ist mit Vorteil im Bereich eines elektrischen
Verbrauchers oder einer Gruppe elektrischer Verbraucher eines Fahrzeugs, insbesondere
eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Hierdurch lässt sich zum einen eine Leckstromüberwachung
und eine Lade- bzw. Entladestromüberwachung
einfach realisieren, zum anderen kann die Stromaufnahme einzelner
Verbraucher bzw. einzelner Verbrauchergruppen in einem Fahrzeug überwacht
werden. Durch die magnetische Abschirmung kann die Vorrichtung auch
in magnetisch schwierigen Umgebungen verwendet werden, insbesondere
auch im Motorraum eines Kraftfahrzeugs oder in der Nähe von starken
elektrischen Verbrauchern.
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Das
Verfahren zum Messen eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms
kann mittels der oben beschriebenen Vorrichtung vorgenommen werden.
Dabei wird erfindungsgemäß zur Messung des
Stromes mindestens eine Messung des Magnetfeldes in dem Magnetkreis
ohne Anregung des Steuerkerns und eine weitere Messung des Magnetfeldes in
dem Magnetkreis bei gesättigtem
Steuerkern durchgeführt.
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Sind
zwei Steuerkerne vorgesehen, so kann eine weitere Messung bei nur
einem einzigen gesättigten
Steuerkern vorgenommen werden. In einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens kann eine Messung zunächst bei Sättigung eines ersten Steuerkernes
und dann bei Sättigung
des zweiten Steuerkernes vorgenommen werden, wodurch eine doppelte
oder dreifache Messbereichsumschaltung ermöglicht wird, so dass Ströme in einem
weiten Bereich zuverlässig
gemessen werden können.
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Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Verwendung der Vorrichtung
in einem Kraftfahrzeug zur Überwachung
von Strömen
im Bordnetz des Kraftfahrzeuges und weiterhin auf eine Verwendung des
beschriebenen Verfahrens in dem Kraftfahrzeug zur Überwachung
von Strömen
im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Die beschriebene Vorrichtung bzw. das
beschriebene Verfahren kann aber auch in anderen Anwendungsbereichen
als Stromsensor zum Einsatz kommen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft beschrieben. Für
gleiche Bauteile werden dabei einheitliche Bezugszeichen verwendet.
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Die
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform
mit einer ersten magnetischen Abschirmung;
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2 eine
schematische Ansicht der Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform
mit einer zweiten magnetischen Abschirmung;
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3 eine
schematische Darstellung eines Sensors zur Batteriestrommessung
gemäß dem Stand
der Technik; und
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4 eine
Schnittdarstellung des Messwiderstandes und der Auswertelektronik
aus der 3 gemäß dem Stand der Technik.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter
fließenden
Stromes.
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Die
Vorrichtung dient zur Messung eines einen elektrischen Leiter 1 durchfließenden Stromes. Die
Vorrichtung umfasst einen Magnetkreis 2, der einen Luftspalt 20 aufweist.
In dem Luftspalt 20 sind zwei Steuerkerne 3a und 3b angeordnet.
Gemäß einer
nicht gezeigten Ausführungsform
kann auch nur ein einziger Steuerkern vorgesehen sein.
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Die
Steuerkerne 3a und 3b schließen an ihren jeweiligen, dem
Magnetkreis 2 zugewendeten Seiten direkt an den Magnetkreis 2 an.
Die Steuerkerne 3a, 3b sind in der gezeigten Ausführungsform als
Ferritkerne ausgebildet, die einen im Wesentlichen rechteckigen
Rahmen bilden. Auf den beiden langen Seiten des im Wesentlichen
rechteckigen Ferritkernrahmens 3a, 3b sind jeweils
Steuerspulen 4a und 4b angebracht.
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Zwischen
den beiden Steuerkernen 3a, 3b ist ein Spalt 50 ausgebildet,
in dem ein magnetfeldsensitives Bauelement 5 angeordnet
ist. Das magnetfeldsensitive Bauelement 5 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel
ein Hallsensor. Die beiden Steuerkerne 3a, 3b und
das magnetfeldsensitive Bauelement 5 füllen den Luftspalt 20 des
Magnetkreises 2 vollständig
aus. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Luftspalt 20 des
Magnetkreises 2 allerdings nicht vollständig ausgefüllt, sondern es ist beispielsweise
zwischen den Steuerkernen und dem magnetfeldsensitiven Bauteil ein
Luftspalt vorgesehen.
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Zur
Messung des den elektrischen Leiter 1 umgebenden Magnetfeldes
und damit zur Messung des den elektrischen Leiter durchfließenden Stromes wird
das in den Magnetkreis 2 eingekoppelte Magnetfeld im magnetfeldsensitiven
Bauteil 5 gemessen.
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Weiterhin
ist eine magnetische Abschirmung 8 gezeigt, die in dem
gezeigten Ausführungsbeispiel in
einer Schnittdarstellung dargestellt ist. Es ist klar zu erkennen,
dass die Abschirmung 8 im Wesentlichen einem Behältnis bzw.
einem Kasten gleicht, der Wände 82, 84, 86, 88 aufweist.
Die beiden in der Papierebene der 1 liegenden
Wände sind
nicht eingezeichnet, aber vorhanden. Die magnetische Abschirmung 8 besteht
aus einem metallischen Material derart, dass die innerhalb der magnetischen
Abschirmung 8 liegenden Bauteile, insbesondere der Magnetkreis 2,
die Steuerkerne 3a, 3b sowie das magnetfeldsensitive
Bauteil 5, gegenüber
einem extern wirkenden Magnetfeld abgeschirmt sind. Dadurch ist das
auf die Komponenten wirkende Magnetfeld innerhalb des Behältnisses
geringer, als es ohne die Abschirmung wäre.
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Es
ist klar, dass Durchtrittsöffnungen
beispielsweise für
den Leiter 1 sowie für
Zuleitungen zu den Steuerspulen 4a, 4b sowie zum
magnetfeldsensitiven Bauteil 5 vorgesehen sein müssen. Diese Durchtrittsöffnungen
sind in den Figuren nicht gezeigt, sind aber vorteilhaft so ausgestaltet,
dass sie eine größtmögliche magnetische
Abschirmung gewährleisten.
Insbesondere sind die Durchtrittsöffnungen in der magnetischen
Abschirmung 8 so gewählt, dass
sie die jeweiligen Leiter eng umgeben, um ein Eindringen von Magnetfeldlinien
zu verhindern.
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Sind
die Ströme,
die den elektrischen Leiter 1 durchfließen, klein, so wird um die
Empfindlichkeit der Vorrichtung hoch einzustellen, keinerlei Strom
an die Steuerwicklungen 4a, 4b angelegt. Der Luftspalt des
effektiven Magnetkreises ist dann nur in der Größenordnung des Luftspaltes
zwischen den beiden Steuerkernen 3a, 3b, der der
Breite des Bauteils 5 entspricht. Das im Magnetkreis 2 gebundene
Magnetfeld wird daher bis zum magnetfeldsensitiven Bauteil transportiert.
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Sollen
jedoch große
Ströme
gemessen werden, so wird ein Steuerstrom auf die Steuerspulen 4a, 4b aufgebracht,
so dass die Steuerkerne 3a, 3b gesättigt werden.
Der Luftspalt des Magnetkreises 2 entspricht daher effektiv
dem Luftspalt 20, da die gesättigten Steuerkerne nichts
mehr zum Magnetkreis beitragen. Das magnetfeldsensitive Bauteil 5 liegt dann
in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
in der Mitte des Luftspalts 20 des Magnetkreises 2.
An dieser Stelle ist das Magnetfeld des Magnetkreises 2 am schwächsten.
Daher kann in dieser Anordnung ein besonders großer Strom des elektrischen
Leiters 1 gemessen werden, ohne die Dynamik des magnetfeldsensitiven
Bauteils zu überschreiten.
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In 2 ist
eine zweite mögliche
Ausführungsform
gezeigt. Die Ausführungsform
der 2 unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten zum
einen durch die Anordnung des zweiten Steuerkerns 3b bezüglich des
ersten Steuerkerns 3a. Die Ebene, die im Rahmen des Steuerkerns 3b liegt,
ist hier um 90 Grad gegenüber
der Ebene, die im Steuerkern 3a liegt, gedreht. Hierdurch
kann erreicht werden, dass die Fläche des Luftspalts minimiert
wird und dadurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung für geringe
Ströme
weiter verbessert wird. Die Fläche des
Luftspalts entspricht dabei einer quadratischen Fläche mit
einer Kantenlänge,
die der Breite des Ferritkernrahmens 3a bzw. 3b entspricht.
Hierdurch kann eine weitere Erhöhung
der Empfindlichkeit der Vorrichtung bei geringen Strömen erreicht
werden.
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Zum
anderen zeigt 2 ebenfalls eine magnetische
Abschirmung 8, die auch Wände 82, 86, 88 aufweist.
Wie der 2 deutlich zu entnehmen ist,
ist die in der 1 gezeigte Wand 84 nicht
vorhanden, sondern die magnetische Abschirmung 8 ist zu
der Seite 9 hin geöffnet.
Hierdurch wird zum einen eine einfache Montage erreicht und zum
anderen sind die einzelnen Komponenten innerhalb der magnetischen Abschirmung 8 einfach
zugänglich.
Darüber
hinaus können
die Materialkosten für
die nicht vorhandene Wand eingespart werden und die magnetische
Abschirmung 8 kann insgesamt mit einem geringeren Gewicht
ausgeführt
werden. Darüber
hinaus ist auch die Lüftung
bzw. Kühlung
der in der magnetischen Abschirmung 8 aufgenommenen Komponenten
verbessert, da die magnetische Abschirmung 8 offen ist.
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Im
Fall der 2 wird die Öffnung 9 vorteilhaft
so ausgerichtet, dass sie von einem eventuell störenden externen Magnetfeld
wegzeigt. Insbesondere liegt also die Wand 82 der magnetischen
Abschirmung 8 in Richtung des magnetischen externen Störfeldes.
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In
einer bevorzugten Betriebsweise ist das magnetfeldsensitive Bauteil 5 mit
einer Auswertungsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die Steuermittel
(nicht gezeigt) zur separaten Anregung der Steuerwicklungen 4a, 4b aufweist.
Durch separate Anregung der Steuerwicklungen 4a, 4b kann
ein Messvorgang zur Messung der Ströme erreicht werden, bei dem
in einem ersten Messbereich keinerlei Anregung auf die Steuerwicklungen 4a, 4b aufgebracht
wird, in einem zweiten Messbereich eine der Steuerwicklungen 4a oder 4b mit
einem Anregungsstrom belegt wird, so dass der jeweilige Steuerkern 3a, 3b gesättigt wird
und dann zur Einstellung eines dritten Messbereichs zur Messung
von hohen Strömen
beide Steuerkerne 3a, 3b durch Aufbringen von
entsprechenden Steuerströmen
auf die Steuerwicklungen 4a, 4b gesättigt werden.
Das magnetfeldsensitive Bauteil 5 befindet sich dann in
der Mitte des dadurch entstehenden fiktiven Luftspaltes.
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In
einer nicht gezeigten Ausführungsform
ist weiterhin denkbar, dass mehr als nur zwei Steuerkerne in dem
Luftspalt angeordnet sind und durch Kombination der jeweiligen Sättigungsströme bzw.
durch Kombination der jeweiligen Sättigungen der Steuerkerne unterschiedliche
Luftspaltlängen
bezüglich
des magnetfeldsensitiven Bauteils 5 erzeugt werden können. Hierdurch
kann unter Umständen
eine weitere Anpassung der Messbereichsumschaltung an die jeweils
geforderten Messbereiche realisiert werden.
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Die
so aufgebaute Vorrichtung eignet sich aufgrund der großen Messbereichsumschaltung
besonders zur Überwachung
von Strömen
in Kraftfahrzeugen.