DE102013209395A1 - Current sensor for detecting the current intensity of a current flowing through an electrical line - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stromsensor (1) zum Erfassen der Stromstärke eines durch eine elektrische Leitung, insbesondere eines Antriebsnetzes eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, fließenden elektrischen Stroms, aufweisend eine erste Anschlusseinheit (2, 3) und eine zweite Anschlusseinheit (2, 3) sowie wenigstens zwei die erste Anschlusseinheit (2, 3) mit der zweiten Anschlusseinheit (2, 3) elektrisch leitend miteinander verbindende, im Wesentlichen geradlinig ausgebildete Leitungselemente (4), wobei der Stromsensor (1) zur Erfassung der Stromstärke in der elektrischen Leitung anordbar ist, wobei der Stromsensor (1) über die Anschlusseinheiten (2, 3) elektrisch leitend mit der elektrischen Leitung verbindbar ist. Um eine neuartige technische Lösung der Erfassung eines durch eine elektrische Leitung fließenden Stroms zu schaffen, welche den gegebenen Sicherheitsstandards genügt und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Längsachsen (L1, L2) von jeweils zwei Leitungselementen (4) unter einem Winkel zueinander angeordnet sind.The invention relates to a current sensor (1) for detecting the current of an electric current flowing through an electrical line, in particular a drive network of an electrically drivable motor vehicle, comprising a first connection unit (2, 3) and a second connection unit (2, 3) and at least one two line elements (4) connecting the first connection unit (2, 3) with the second connection unit (2, 3) in an electrically conductive manner, the current sensor (1) being able to be arranged for detecting the current intensity in the electrical line, wherein the current sensor (1) can be connected in an electrically conductive manner to the electrical line via the connection units (2, 3). In order to create a new technical solution for the detection of a current flowing through an electrical line, which meets the given safety standards and at the same time is inexpensive to produce, the invention proposes that the longitudinal axes (L1, L2) each have two line elements (4) are arranged at an angle to each other.
Description
Stand der TechnikState of the art
In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, werden Akkumulatoren eingesetzt, um mit ihnen über ein fahrzeugseitiges elektrisches Hochvolt-Antriebsnetz elektrische Antriebseinrichtungen des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Um die für die Versorgung der Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie eingesetzten Stromstärken reduzieren zu können, weisen die Akkumulatoren mehrere in Reihe geschaltete Akkumulatorzellen auf, mit denen elektrische Spannungen von mehreren hundert Volt erzeugbar sind. Die tatsächlichen Stromstärken können dennoch mehrere hundert Ampere betragen.In electrically powered vehicles, in particular electric vehicles and hybrid vehicles, accumulators are used to provide them with electrical energy via a vehicle-side electrical high-voltage drive network electrical drive devices of the motor vehicle. In order to be able to reduce the current intensities used to supply the drive devices with electrical energy, the accumulators have a plurality of battery cells connected in series, with which electrical voltages of several hundred volts can be generated. The actual current levels can still be several hundred amperes.
Die Messung der in dem Antriebsnetz fließenden Ströme ist für die Steuerung des Fahrzeugantriebs unerlässlich. Hierzu werden Stromsensoren eingesetzt, welche zur Erfassung der jeweiligen Stromstärke in einer elektrischen Leitung angeordnet werden. Um eine möglichst fehlerfreie Bestimmung der durch die elektrische Leitung fließenden Stromstärke zu ermöglichen, ist es bekannt, zwei Stromsensoren, wie beispielsweise resistive Shuntsensoren oder hierzu relativ kostenaufwändige Hall-Sensoren, in Reihe in der elektrischen Leitung anzuordnen, die auf unterschiedlichen Messverfahren beruhen. Diese werden gegenseitig plausibilisiert, um ein größeres Maß an Sicherheit gemäß vorgebbarer Sicherheitsstandards, insbesondere gemäß der Sicherheitsanforderungsstufe nach
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige technische Lösung zur Erfassung eines durch eine elektrische Leitung fließenden Stroms zu schaffen, welche den gegebenen Sicherheitsstandards genügt und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.The object of the invention is to provide a novel technical solution for detecting a current flowing through an electric line current, which meets the given safety standards and at the same time is inexpensive to produce.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Stromsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils für sich genommen oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen könnenThe solution of this object is achieved according to the invention by a current sensor having the features of claim 1 and a sensor device having the features of
Mit Patentanspruch 1 wird ein Stromsensor zum Erfassen der Stromstärke eines durch eine elektrische Leitung, insbesondere eines Antriebsnetzes eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, fließenden elektrischen Stroms vorgeschlagen, aufweisend eine erste Anschlusseinheit und eine zweite Anschlusseinheit sowie wenigstens zwei die erste Anschlusseinheit mit der zweiten Anschlusseinheit elektrisch leitend miteinander verbindende, im Wesentlichen geradlinig ausgebildete Leitungselemente, wobei der Stromsensor zur Erfassung der Stromstärke in der elektrischen Leitung anordbar ist, wobei der Stromsensor über die Anschlusselemente elektrisch leitend mit der elektrischen Leitung verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen von jeweils zwei Leitungselementen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind.Claim 1 proposes a current sensor for detecting the current intensity of an electric current flowing through an electrical line, in particular a drive network of an electrically driven motor vehicle, comprising a first connection unit and a second connection unit and at least two the first connection unit with the second connection unit in an electrically conductive manner connecting, substantially rectilinearly formed line elements, wherein the current sensor for detecting the current in the electrical line can be arranged, wherein the current sensor via the connection elements is electrically conductively connected to the electrical line, characterized in that the longitudinal axes of each two line elements at an angle are arranged to each other.
Im Gegensatz zu bisher eingesetzten Shuntsensoren, welche in der Regel lediglich ein Leitungselement umfassen, weist der Stromsensor nach Patentanspruch 1 wenigstens zwei Leitungselemente auf, so dass der durch den Stromsensor fließende elektrische Strom aufgeteilt wird. Hierdurch wird die Stärke des durch die einzelnen Leitungselemente fließenden elektrischen Stroms deutlich gegenüber dem gesamten durch den Stromsensor fließenden elektrischen Strom reduziert. Dies macht eine kostengünstigere Ausgestaltung der Leitungselemente und somit des Stromsensors möglich. Ein weiterer Vorteil, der durch die Verwendung von wenigstens zwei Leitungselementen entsteht, ist, dass schädigende Überlastungen des Stromsensors durch auftretende maximale Stromstärken vermieden werden können. Bei herkömmlichen Stromsensoren mit lediglich einem einzigen Leitungselement liegt hingegen eine derartige schädigende Überlastung häufig vor. Brennt das Leitungselement eines solchen herkömmlichen Stromsensors durch, kann kein Strom mehr durch die elektrische Leitung fließen, was einer bestimmungsgemäßen Nutzung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs entgegensteht und eine Wartung erfordert.In contrast to previously used shunt sensors, which as a rule comprise only one line element, the current sensor according to claim 1 has at least two line elements, so that the electric current flowing through the current sensor is divided. As a result, the strength of the electrical current flowing through the individual line elements is significantly reduced compared to the total electrical current flowing through the current sensor. This makes a cost-effective design of the line elements and thus of the current sensor possible. Another advantage that results from the use of at least two line elements is that damaging overloads of the current sensor can be avoided by occurring maximum currents. By contrast, in the case of conventional current sensors with only a single line element, such damaging overloading is frequently present. If the line element of such a conventional current sensor burns through, no current can flow through the electrical line, which precludes the intended use of an electrically driven motor vehicle and requires maintenance.
Da bei dem Stromsensor gemäß Patentanspruch 1 die Längsachsen von jeweils zwei Leitungselementen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, wirken beim Betrieb eines entsprechend ausgestatteten Kraftfahrzeugs auftretende mechanische Vibrationen auf das eine Leitungselement anders ein als auf das andere Leitungselement. Dies ist deshalb der Fall, da die auf den Stromsensor einwirkenden mechanischen Vibrationen in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Schwingungsmoden in dem Stromsensor induzieren, wobei sich die Schwingungsmoden insbesondere hinsichtlich ihrer jeweiligen Energie unterscheiden. Somit kann in einem ersten Leitungselement eine Schwingungsmode mit hoher Energie angeregt werden, wobei es jedoch sehr unwahrscheinlich ist, dass in dem unter einem Winkel zu dem ersten Leitungselement angeordneten weiteren Leitungselement ebenfalls eine Schwingungsmode mit entsprechend hoher Energie angeregt wird. Durch die Ausgestaltung des Stromsensors nach Patentanspruch 1 kann somit weitestgehend vermieden werden, dass beide Leitungselemente im Wesentlichen gleichzeitig durch die mechanischen Vibrationen unterbrochen oder von einem der Anschlusseinheiten gelöst werden. Sollte eine entsprechende Schädigung an einem der Leitungselemente dennoch auftreten, kann der Betrieb eines entsprechend ausgestatteten Kraftfahrzeugs über das wenigstens eine weitere Leitungselement weitergeführt werden. Dies ist bei einem Stromsensor mit lediglich einem einzigen Leitungselement nicht möglich, da mit einer Unterbrechung des einzigen Leitungselementes eine Unterbrechung der elektrischen Leitung einhergeht. Die Schädigung an einem Leitungselement des Stromsensoren nach Patentanspruch 1 kann über eine Erfassung des durch jedes Leitungselement fließenden elektrischen Teilstroms detektiert und ein entsprechendes Fehlersignal generiert und ausgegeben werden. Wären die Längsachsen der Leitungselemente bei dem Stromsensor nach Patentanspruch 1 hingegen parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet, würden mechanische Vibrationen, welche zu einer Unterbrechung eines der Leitungselemente führen, mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zu einer Unterbrechung des weiteren Leitungselementes führen, da die Vibrationen auf gleiche Art und Weise auf die Leitungselemente einwirken.Since in the current sensor according to claim 1, the longitudinal axes of each two line elements are arranged at an angle to each other, occurring during operation of a suitably equipped motor vehicle mechanical vibrations acting on the one line element differently than on the other line element. This is because the mechanical vibrations applied to the current sensor in different directions induce different vibration modes in the current sensor, the vibration modes differing in particular with respect to their respective energy. Thus, a high-energy oscillation mode can be excited in a first conduction element, but it is very unlikely that a correspondingly high-energy oscillation mode is also excited in the further conduction element arranged at an angle to the first conduction element. Due to the configuration of the current sensor according to claim 1 can thus be largely avoided that both line elements in Essentially simultaneously interrupted by the mechanical vibrations or released from one of the terminal units. Should a corresponding damage to one of the line elements nevertheless occur, the operation of a suitably equipped motor vehicle can be continued via the at least one further line element. This is not possible in a current sensor with only a single line element, since an interruption of the single line element is accompanied by an interruption of the electrical line. The damage to a line element of the current sensor according to claim 1 can be detected by detecting the current flowing through each line element partial electrical current and a corresponding error signal is generated and output. If the longitudinal axes of the line elements in the current sensor according to claim 1, however, parallel to each other and spaced from each other, mechanical vibrations that lead to an interruption of one of the line elements would also lead to high probability to an interruption of the other line element, since the vibrations in the same way and act on the line elements.
Zur Ausbildung der Leitungselemente des Stromsensors nach Patentanspruch 1 können zwei herkömmliche Shuntsensoren verwendet werden, die jeweils ein einziges Leitungselement aufweisen. Alternativ kann ein Stromsensor nach Patentanspruch 1 als Shuntsensor mit zwei Leitungselementen ausgebildet werden.To form the line elements of the current sensor according to claim 1, two conventional shunt sensors can be used, each having a single line element. Alternatively, a current sensor according to claim 1 can be formed as a shunt sensor with two line elements.
Dass die Leitungselemente im Wesentlichen geradlinig ausgebildet sind, soll bedeuten, dass im Rahmen der Erfindung auch geringfügig von einer idealen geradlinigen Ausgestaltung abweichende Ausgestaltungen der Leitungselemente möglich sind. Vorzugsweise sind die Leitungselemente langgestreckt ausgebildet.That the line elements are substantially rectilinear, to mean that within the scope of the invention, also slightly different from an ideal rectilinear configuration of the line elements are possible. Preferably, the line elements are elongated.
Der Stromsensor ist zur Erfassung der Stromstärke in der elektrischen Leitung anordbar, was bedeutet, dass ein durch die Leitung fließender elektrischer Strom von einem Abschnitt der elektrischen Leitung durch den Stromsensor zu dem übrigen Abschnitt der elektrischen Leitung fließt, wenn der Stromsensor bestimmungsgemäß angeordnet ist.The current sensor can be arranged to detect the current in the electrical line, which means that an electric current flowing through the line flows from one section of the electrical line through the current sensor to the remaining section of the electrical line when the current sensor is arranged as intended.
Unter der Bezeichnung „elektrische Leitung“ soll im Rahmen der Erfindung jedoch nicht allein eine übliche elektrische Leitung, beispielsweise in Form eines Kabels oder ähnlichem, verstanden werden. Stattdessen soll klar sein, dass der Stromsensor nach Patentanspruch 1 auf irgendeine Art und Weise zwischen einem Akkumulator eines Kraftfahrzeugs und einem damit verbundenen Verbraucher angeordnet sein kann, wobei diese elektrische Verbindung zwischen Akkumulator und Verbraucher als elektrische Leitung im Sinne der Erfindung auszulegen ist.However, in the context of the invention, the term "electrical line" should not be understood to mean only a customary electrical line, for example in the form of a cable or the like. Instead, it should be clear that the current sensor according to claim 1 can be arranged in any way between an accumulator of a motor vehicle and an associated consumer, said electrical connection between the accumulator and consumer is to be interpreted as an electrical line within the meaning of the invention.
Dass die Längsachsen von jeweils zwei Leitungselementen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, soll insbesondere bedeuten, dass die Längsachsen dieser Leitungselemente nicht parallel zueinander angeordnet sind. Die Wahl der Größe des jeweilig zwischen zwei Leitungselementen angeordneten Winkels kann an die jeweiligen technischen Gegebenheiten und Anforderungen angepasst werden. Gleiches gilt für die Anzahl der die erste Anschlusseinheit mit der zweiten Anschlusseinheit elektrisch leitend miteinander verbindenden Leitungselemente. Bei mehr als zwei Leitungselementen pro Stromsensor ist es jedoch wichtig, dass keines der Leitungselemente parallel zu einem der weiteren Leitungselemente angeordnet ist.The fact that the longitudinal axes of each two line elements are arranged at an angle to each other should mean, in particular, that the longitudinal axes of these line elements are not arranged parallel to one another. The choice of the size of the respective arranged between two line elements angle can be adapted to the particular technical conditions and requirements. The same applies to the number of the first connection unit with the second connection unit electrically conductively interconnecting line elements. With more than two line elements per current sensor, however, it is important that none of the line elements is arranged parallel to one of the other line elements.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich die Längsachsen von jeweils zwei Leitungselementen in einem Punkt schneiden, windschief zueinander angeordnet sind oder in parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordneten Ebenen verlaufen. Dies sind die möglichen Relativstellungen der Leitungselemente zueinander, die eine parallele Anordnung von Leitungselementen zueinander verhindern. Welche dieser Ausgestaltungen auf welche Art und Weise eingesetzt wird, hängt von den jeweiligen technischen Gegebenheiten und Anforderungen ab.According to an advantageous embodiment, it is provided that the longitudinal axes of each two line elements intersect at a point, are skewed to each other or extend in parallel to each other and spaced from each other arranged planes. These are the possible relative positions of the line elements to each other, which prevent a parallel arrangement of line elements to each other. Which of these embodiments is used in which way depends on the respective technical conditions and requirements.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schneiden sich die Längsachsen von jeweils zwei Leitungselementen in einem Punkt unter einem Winkel von 90°. Diese Relativstellung von Leitungselementen zueinander ist dahingehend optimiert, dass die in den entsprechend angeordneten Leitungselementen angeregten Schwingungsmoden vollständig unabhängig voneinander sind, was die Wahrscheinlichkeit, dass beide Leitungselemente gleichzeitig durch mechanische Vibrationen unterbrochen werden, weitestgehend minimiert. According to a further advantageous embodiment, the longitudinal axes of each two line elements intersect at a point at an angle of 90 °. This relative position of line elements to one another is optimized in such a way that the vibration modes excited in the correspondingly arranged line elements are completely independent of one another, which minimizes the likelihood that both line elements will be simultaneously interrupted by mechanical vibrations.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Punkt, in dem sich die Längsachsen von jeweils zwei Leitungselementen schneiden, an einer Verbindungsstelle zwischen den Leitungselementen einerseits und einer der Anschlusseinheiten andererseits angeordnet ist. Dies ermöglicht eine relativ platzsparende Ausgestaltung des Stromsensors. Von der Verbindungsstelle aus gesehen stellen die Leitungselemente eine Verzweigung der elektrischen Leitung dar.A further advantageous embodiment of the invention provides that the point in which intersect the longitudinal axes of each two line elements, is arranged on a connection point between the line elements on the one hand and one of the terminal units on the other. This allows a relatively space-saving design of the current sensor. Seen from the junction of the line elements represent a branch of the electrical line.
Es wird weiter als vorteilhaft erachtet, wenn der Stromsensor eine Trägerplatte aus nicht elektrisch leitendem Material aufweist, an der die Anschlusseinheiten und die Leitungselemente angeordnet sind. Hierdurch wird eine kompakte und robuste Einheit geschaffen, die zudem auf einfache Art und Weise vorgefertigt werden kann und montierbar ist.It is further considered advantageous if the current sensor has a carrier plate of non-electrically conductive material on which the terminal units and the line elements are arranged. This will be a compact and robust Unit created, which can also be prefabricated in a simple manner and is mountable.
Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Leitungselement aus Manganin gebildet. Alternative Materialien für die Ausbildung der Leitungselemente sind Konstantan, Isotan oder Isabellin. Durch die Wahl dieser Materialien ist der Temperaturkoeffizient des spezifischen elektrischen Widerstandes der Leitungselemente minimierbar.Advantageously, at least one line element is formed from manganin. Alternative materials for the formation of the line elements are constantan, isotan or isabelline. By choosing these materials, the temperature coefficient of the electrical resistivity of the line elements can be minimized.
Mit Patentanspruch 7 wird eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der Stromstärke eines durch eine elektrische Leitung, insbesondere eines Antriebsnetzes eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, fließenden elektrischen Stroms vorgeschlagen, aufweisend wenigstens eine elektronische Erfassungseinrichtung und zumindest einen Stromsensor, wobei der Stromsensor wenigstens zwei Leitungselemente aufweist, wobei die elektronische Erfassungseinrichtung elektrisch leitend mit mindestens einem der Leitungselemente verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet ist. Hiermit sind die oben genannten Vorteile verbunden.With
Als elektronische Erfassungseinrichtung kann grundsätzlich irgendeine elektronische Einrichtung verwendet werden, welche in der Lage ist, über elektrisch leitende Verbindungen zwischen der elektronischen Erfassungseinrichtung und dem jeweiligen Leitungselement die Stärke des jeweilig durch dieses Leitungselement fließenden elektrischen Stroms zu erfassen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine einzige elektronische Erfassungseinrichtung über entsprechende elektrische Verbindungen die Stärke des Stroms in jedem Leitungselement erfasst. Alternativ kann jedes Leitungselement mit einer eigenen elektronischen Erfassungseinrichtung verbunden sein.In principle, any electronic device which is able to detect the strength of the electrical current respectively flowing through this line element via electrically conductive connections between the electronic detection device and the respective line element can be used as the electronic detection device. It can be provided that a single electronic detection device detects the strength of the current in each line element via corresponding electrical connections. Alternatively, each line element may be connected to its own electronic detection device.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektronische Erfassungseinrichtung eine Leiterplatte auf, die durch Löten, Schrauben, Schweißen oder durch eine Pressfit-Verbindung unmittelbar mit dem Leitungselement verbunden ist, mit dem die elektronische Erfassungseinrichtung elektrisch leitend verbunden ist. Welche Verbindungstechnik gewählt wird, hängt von den jeweiligen technischen Gegebenheiten und Anforderungen ab. Die Einheiten aus Leitungselement und elektronischer Erfassungseinrichtungen können hiernach auf einfache Art und Weise vorgefertigt und montiert werden.According to an advantageous embodiment, the electronic detection device has a printed circuit board, which is connected by soldering, screwing, welding or by a Pressfit connection directly to the line element, with which the electronic detection device is electrically connected. Which connection technology is chosen depends on the respective technical conditions and requirements. The units of conduit element and electronic detection devices can then be easily prefabricated and assembled.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigtIn the following, the invention will be explained by way of example with reference to the attached figure with reference to a preferred exemplary embodiment, wherein the features shown in the following can represent an aspect of the invention both individually and in combination with one another. It shows
Der Stromsensor
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