DE10051160A1

DE10051160A1 - Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms

Info

Publication number: DE10051160A1
Application number: DE2000151160
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: DE10051160B4

Abstract

Es ist eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms (I) angegeben, mit einem Leiter (L) mit zwei parallelen Leiterzweigen (L1, L2) zum Führen des Stroms (I), wobei in einem von den Leiterzweigen (L1, L2) gebildeten Zwischenraum ein integrierter Schaltkreis (IC) mit zwei Sensoren (S1, S2) zur Erfassung von durch Teilströme (I1, I2) hervorgerufenen Magnetfeldern angeordnet ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist der integrierte Schaltkreis (IC) parallel oder orthogonal zu den Leiterzweigen (L1, L2) angeordnet. Die beschriebene Anordnung ist unempfindlich gegenüber fertigungsbedingten Positionstoleranzen, Hintergrundmagnetfeldern und Mismatching der Sensoren (S1, S2). Die Sensoranordnung ist beispielsweise zur Anwendung in Kraftfahrzeugen geeignet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms.

Die Strommessung mittels eines von einem stromdurchflossenen Leiter verursachten, diesen umgebenden Magnetfeldes ist hin reichend bekannt. Dabei wird der zu messende Strom kontaktlos mit einem Magnetfeldsensor, beispielsweise einem Hall-Element oder einer Feldplatte, erfaßt. Bei dieser Methode ist es nicht erforderlich, den Stromkreis zur Messung zu öffnen. So mit entfallen Kontaktierungsprobleme. Da der Meßkreis vom zu messenden Strom galvanisch getrennt ist, können auch Messun gen an hohen Spannungen gefahrlos durchgeführt werden. Wei terhin ist die Strommessung mit dieser Methode praktisch ver lustleistungs- und rückwirkungsfrei.

Die Vorteile der kontaktlosen Strommessung sind jedoch auch mit Nachteilen verbunden. Insbesondere bei kleinen und mitt leren Stromstärken ist das den stromdurchflossenen Leiter um gebende Magnetfeld verhältnismäßig klein. Ein Strom von 10 A durch einen kreisrunden Leiter beispielsweise bewirkt ein Feld in der Größe von 1 mT in 2 mm Abstand von der Leiterach se. Daraus ergibt sich die Forderung, daß ein Magnetfeldsen sor möglichst nahe am Leiter anzuordnen ist.

Meßfehler können in praktischen Anwendungen beispielsweise dadurch entstehen, daß die relative Position des Sensors zum Leiter, genauer zur Leiterachse, variiert. Denn das Magnet feld um einen stromdurchflossenen Leiter ist proportional zum Kehrwert des Abstands des Sensors zur Leiterachse. So führt eine Lageabweichung in radialer Richtung vom Leiter von 0,1 mm im obigen Zahlenbeispiel bereits zu einem relativen Meß fehler von 4,8%. Neben fertigungsbedingten, verhältnismäßig einfach herauskalibrierbaren Fehlern können weitere Meßfehler durch thermische Effekte, Verdunstungen von Weichmachern in Plastomeren sowie Aufquellen durch Absorption von Wasserdampf auftreten. Eine weitere Fehlerquelle der beschriebenen Strom meß-Methode sind Hintergrundfelder, beispielsweise das Erd feld, remanente Felder nahe gelegener Eisenteile sowie tran siente Störimpulse bedingt durch Zündspulen, Bürstenfeuer et cetera.

Es ist bekannt, durch Hintergrundfelder bedingte Meßfehler beispielsweise durch Mumetall-Schirme oder durch differenti elle Messungen mittels einer S-förmigen Leiterschleife zu vermeiden. Weiterhin können zur Vermeidung von Positionstole ranzfehlern mit Trafoblechen oder Magnetkeramiken ein konzen trierter magnetischer Fluß sowie ein Luftspalt erzeugt wer den, in dem das Feld nahezu homogen ist. Praktische Realisie rungen dieser beschriebenen Meßvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie von Temperaturkennlinien der Magnetwerk stoffe abhängen sowie mit hohem Gewicht und hohen Kosten ver bunden sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranord nung zur kontaktlosen Messung eines Stroms anzugeben, die die beschriebenen Probleme vermeidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms gelöst, mit

- einem Leiter zum Führen des Stroms, welcher in einem Lei terabschnitt in zwei parallele, voneinander beabstandete Lei terzweige zum Führen je eines Teilstroms des Stroms unter teilt ist und
- einem integrierten Schaltkreis umfassend einen ersten und einen zweiten Sensor zur Erfassung von durch die Teilströme hervorgerufenen Magnetfeldern,
- wobei der integrierte Schaltkreis in einem zwischen den pa rallelen Leiterzweigen gebildeten Zwischenraum angeordnet ist.

Die beschriebene Sensoranordnung arbeitet differentiell, das heißt sie erfaßt die Differenz der von den beiden Leiterzwei gen verursachten Teil-Magnetfeldern. Da die beiden Leiter zweige gleichsinnig stromdurchflossen sind, erfaßt jeder Sen sor jeweils die Differenz der Teil-Magnetfelder. Dabei ist jeweils ein Sensor jeweils einem Leiterzweig durch entspre chende feldmäßige Anordnung zugeordnet. Die beiden Sensoren sind auf einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis angeord net, so daß sie eine gute Paarung (Matching) aufweisen. Der integrierte Schaltkreis kann dabei ein senkrecht zu seiner Oberfläche stehendes Magnetfeld erfassen. Die Anordnung des integrierten Schaltkreises mit den Sensoren im zwischen den parallelen Leiterzweigen gebildeten Zwischenraum ermöglicht eine raumsparende Sensoranordnung, bei der zusätzlich der in tegrierte Schaltkreis mechanisch geschützt ist. Zudem ist die Sensoranordnung mechanisch belastbar und kostengünstig her stellbar.

Bevorzugt ist die Sensoranordnung so ausgestaltet, daß die Leiterzweige zueinander symmetrische Formen aufweisen, wo durch die Teilströme durch die Leiterzweige gleich sind. Die beschriebene Sensoranordnung ist nicht nur unempfindlich ge genüber homogenen magnetischen Hintergrundfeldern, sondern es ergibt sich zudem eine weitgehende Unabhängigkeit der exakten Position des integrierten Schaltkreises beziehungsweise der Sensoren bezüglich der Leiterzweige.

Bevorzugt liegen die beiden Sensoren symmetrisch zu einer von den beiden Leiterzweigen gebildeten Symmetrieachse.

Vorteilhafterweise weisen die Sensoren gleiche Empfindlich keiten auf.

Der integrierte Schaltkreis kann eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung der Differenz von zwei Ausgangsspannungen der Sensoren aufweisen. Diese Differenzspannung ist linear proportional zur Summe der beiden Teilströme und wird nicht von einem gegebenenfalls superponierten homogenen Hinter grund-Magnetfeld beeinflußt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung liegen die Sensoren in einer Ebene, welche parallel zu einer von den Leiterzweigen gebildeten Ebene angeordnet ist. Insbesondere kann die Oberfläche des integrierten Schaltkrei ses parallel zur Leiterebene sein. Es kann besonders vorteil haft sein, die Sensoren exakt in der von den Achsen der Lei terzweige gebildeten Ebene anzuordnen. Weiterhin kann es vor teilhaft sein, die Sensoren innerhalb der beschriebenen Ebene auf einer gemeinsamen Geraden anzuordnen, welche orthogonal zur Stromrichtung der Teilströme in den Leiterzweigen ist.

Jeweils ein Sensor ist vorteilhafterweise möglichst nahe am ihm zugeordneten Leiterzweig angeordnet.

Die Sensoren sind dabei bevorzugt in größtmöglichem Abstand voneinander auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet.

Die Sensoren erfassen diejenige Magnetfeldkomponente, welche orthogonal zur Oberfläche des integrierten Schaltkreises ist.

Wenn die Sensoren an der Oberfläche des Siliziumplättchens des integrierten Schaltkreises angeordnet sind, ist es vor teilhaft, daß die Oberfläche des Siliziumplättchens in der von den Achsen der Leiterzweige beschriebenen Ebene angeord net ist.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung weisen die parallelen Leiterzweige einen Ab stand von 5,5 mm zueinander auf. Diese Zwischenraumbreite er möglicht das parallele Einbringen üblicher Chipgehäuse. Je nach Abmessungen des zu verwendenden integrierten Schaltkrei se sind andere Abstände vorzusehen.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung liegen die Sensoren in einer Ebene, welche orthogonal zu einer von den Leiterzweigen gebildeten Ebene angeordnet ist. Dabei ist die vom integrierten Schaltkreis aufgespannte Ebene derart angeordnet, daß sie eine Richtungs komponente senkrecht zur Ebene der Leiterzweige aufweist und eine weitere, dazu orthogonale Komponente, welche parallel zu den Achsen der parallelen Leiterzweige angeordnet ist. Die Sensoren können dabei vorteilhafterweise weiterhin in einer Ebene angeordnet sein, welche zwei orthogonale Komponenten hat, welche beide senkrecht auf Symmetrieachsen der Leiter zweige stehen. Die Magnetfeldsensoren können dabei vorteil hafterweise aus dem Zwischenraum herausragen, derart, daß die Sensoren parallel zur Stromrichtung und senkrecht zu den Lei terzweigen stehen.

Der integrierte Schaltkreis kann mit Gehäuse oder gehäuselos, falls erforderlich mit isolierenden Zwischenschichten, in den Zwischenraum eingeklebt sein.

Die Sensoranordnung mit Leiterabschnitt und integriertem Schaltkreis kann von einem Gehäuse umgeben sein, welches bei spielsweise durch Umspritzen der Sensoranordnung mit einem Kunststoff gebildet ist.

Zumindest einer der beiden Leiterzweige kann in einer beson ders kostengünstigen Ausgestaltung der Sensoranordnung als Teil eines Leadframes ausgeführt sein.

Falls mehrere Sensoranordnungen zueinander benachbart vorge sehen sind, kann es vorteilhaft sein, die integrierten Schaltkreise der Sensoranordnungen jeweils parallel zueinan der und senkrecht auf einer von den Leitern gebildeten Ebene anzuordnen. In diesem Fall stehen die Magnetfelder eines Lei ters tangential zu den Sensoren der anderen Leiter, so daß ein Übersprechen vermieden wird.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung weisen die parallelen Leiterzweige zueinan der einen Abstand von 1 mm auf. Ein Abstand von 1 mm ist ge eignet, um typische, flache Sensorchips orthogonal zu und zwischen den beiden Leiterzweigen aufzunehmen.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung ist der Leiterabschnitt des Leiters mit den Leiterzweigen als Stanzteil ausgeführt, derart, daß die Lei terzweige jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt aufwei sen. Die Ausführung des Leiterabschnitts mit den Leiterzwei gen als Stanzteil ermöglicht eine symmetrische Gestaltung des Leiterabschnitts in der Weise, daß der erste gleich dem zwei ten Teilstrom ist. Zudem ergibt sich eine gute Kontaktierung der beiden Leiterzweige mit dem Leiter. Stanzteile weisen üb licherweise eine homogene Stromverteilung auf. Gegenüber Lei terzweigen mit kreisförmigem Querschnitt hat der rechteckför mige Querschnitt, welcher üblicherweise bei einem Stanzteil vorkommt, den Vorteil, daß das Feld, welches jeweils von Teilströmen in den Leiterzweigen hervorgerufen wird, linearer ist. Der Zwischenraum, welcher zwischen den beiden Leiter zweigen gebildet ist, kann am Anfang und am Ende der Leiter zwiege abgerundet sein, so daß sich ein ovaler Zwischenraum ergibt.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung ist der integrierte Schaltkreis als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ausgeführt. Dieses ASIC kann Mittel zur Differenzspannungsbildung der Ausgangs spannungen der Sensoren aufweisen. Dieses ASIC kann weiterhin Mittel zum Kalibrieren der Sensoranordnung aufweisen.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung weist der integrierte Schaltkreis Mittel zum Bereitstellen eines Meßsignals durch Auswerten von von den Sensoren bereitgestellten Teilmeßsignalen auf. Das Meßsignal enthält Informationen über die Stärke des in Teilströme zerlegten Stroms. Die Teilmeßsignale können jeweils von den Sen soren zur Erfassung der von den Leiterzweigen hervorgerufenen Magnetfeldern bereitgestellt sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung werden externe Felder wie das Erdmagnetfeld mit permeablen Folien abgeschirmt, welche um die Leiterzweige herum so angeordnet sind, daß sie tangential zu von den stromdurchflossenen Leiterzweigen verursachten Magnetfeldli nien stehen. Dadurch werden ohne Verfälschung der Magnetfel der der Leiterzweige äußere Feldeinflüsse abgeschirmt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind Gegenstand der Un teransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung mit einem paral lel zu den Leiterzweigen angeordneten integrierten Schaltkreis in einem Querschnitt und in einer Draufsicht,

Fig. 2 eine Weiterbildung der Sensoranordnung nach Fig. 1 in einer Ausführung der Leiterzweige als Stanzteil,

Fig. 3 die Sensoranordnung gemäß Fig. 1 ergänzt für eine Fehlerabschätzung,

Fig. 4 eine Worst-Case-Fehlerabschätzung gemäß Fig. 3 in Abhängigkeit von einer Fehlpositionierung,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit orthogo nal zu den Leiterzweigen angeordnetem integrierten Schaltkreis in einem Querschnitt und einer Drauf sicht,

Fig. 6 eine Weiterbildung der Sensoranordnung gemäß Fig. 5 mit einem Stanzteil im Querschnitt, Draufsicht und Seitenansicht,

Fig. 7A ein Anwendungsbeispiel der Sensoranordnung an An schlußklemmen einer Kraftfahrzeugbatterie in einer Seitenansicht

Fig. 7B das Anwendungsbeispiel von Fig. 7A in einer Drauf sicht,

Fig. 8 bis 10 Parameterstudien der senkrecht auf der Ober fläche des integrierten Schaltkreises stehenden B- Feld-Komponente.

Fig. 1 zeigt in der unteren Bildhälfte die beiden Leiter zweige L1, L2, welche von den Teilströmen I1, I2 durchflossen sind. Zwischen den Leiterzwiegen L1, L2 ist ein integrierter Schaltkreis IC mit einem ersten Sensor S1 und einem zweiten Sensor S2 angeordnet, wobei beide Sensoren S1, S2 Magnetfeld komponenten in z-Richtung messen. Der integrierte Schaltkreis IC ist quaderförmig, während die Leiterzwiege L1, L2 zylin drisch sind. In der oberen Bildhälfte der Fig. 1 ist ein Schnitt durch die in der unteren Bildhälfte von Fig. 1 dar gestellte Anordnung gezeichnet, ebenfalls in einem karthesi schen Koordinatensystem mit den Achsen x, y, z. In dieser Schnittdarstellung sind die Leiterzweige L1, L2, die gleich sinnig die Leiterzweige L1, L2 durchfließenden Teilströme I1, I2 sowie der integrierte Schaltkreis IC mit den Sensoren S1, S2 eingezeichnet. Die Mittelachsen der Leiterzweige L1, L2 weisen zueinander einen Abstand von 2.A auf. Die Sensoren S1, S2 weisen zueinander einen Abstand von 2.a auf. Die y- Achse ist die Symmetrieachse der Anordnung, in der sowohl die Symmetrieachse der Leiterzweige L1, L2 sowie die Symmetrie achse des integrierten Schaltkreises IC mit den Sensoren S1, S2 liegt.

Orthogonal zur Symmetrieachse, der y-Achse, sind zueinander orthogonale Achsen x, z eingezeichnet. Die Sensoren S1, S2, an der Oberfläche des integrierten Schaltkreises IC angeord net, sind in der xy-Ebene der Sensoranordnung vorgesehen. In der xy-Ebene ergibt sich folgende Abhängigkeit der z- Komponente der magnetischen Induktion B_z von der lateralen Position in x-Richtung:

mit µ₀ = Permeabilität des freien Raumes = 4.Pi.10^-7 Vs/Am unter der Annahme, daß die Querschnitte der Leiterzwiege L1, L2 kreisförmig sind, so daß das elektromagnetische Feld im Außenraum der Leiter L1, L2 mit einfachen, bekannten Formeln beschrieben werden kann. Falls die Teilströme I1, I2 bei ex akter Stromaufteilung des Stroms I einander gleichen, so daß gilt I1 = I2, gilt für das B-Feld in Ursprungsnähe, daß es linear proportional zur lateralen Koordinate x ist. Da somit die beschriebene z-Komponente der magnetischen Induktion B_z eine ungerade Funktion von x ist, bei der gilt B_z (-x) = -B_z (x), ermöglicht die in Fig. 1 dargestellte Feldmessung mit zwei Magnetfeldsensoren S1, S2, welche symmetrisch zur Symme trieachse y angeordnet sind, eine Differenzmessung des Stroms I, bei dem sich Hintergrundfelder wegheben. Eine Auswertung der Ausgangssignale der Sensoren S1, S2 durch Differenzbil dung der Ausgangssignale bildet ein Resultat eines Meßsi gnals, welches linear proportional zum Strom I = I1 + I2 ist.

In Fig. 2 ist eine Weiterbildung der Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms I angegeben, bei der der Leiterabschnitt mit den parallelen, voneinander beabstandeten Leiterzweigen L1, L2 als Stanzteil ausgeführt ist. Im unteren Teil der Fig. 2 ist die Sensoranordnung in einer Draufsicht, im oberen Teil ist ein Querschnitt der Sensoranordnung darge stellt. Der zwischen den beiden parallelen Leiterzweigen L1, L2 gebildete Zwischenraum ist abgerundet, so daß sich ein ovaler Zwischenraum ergibt, in den der integrierte Schalt kreis IC mit den Sensoren S1, S2 eingebracht ist. Aufgrund der Ausführung des Leiterabschnitts des Leiters L als Stanz teil sind die Leiterabschnitte L1, L2 rechteckförmig ausge bildet. Diese rechteckförmige Ausbildung ergibt eine bessere Linearität des Magnetfeldes an den Magnetfeldsensoren S1, S2 als bei der zylindrischen Ausführung der Leiterzweige wie in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Sensoranordnung anhand eines Ausführungs beispiels, welche von der Sensoranordnung gemäß Fig. 1 da hingehend abweicht, daß der integrierte Schaltkreis IC und damit auch die Sensoren S1, S2 eine Fehlpositionierung gegen über den Leiterzweigen L1, L2 aufweist, dahingehend, daß die Symmetrieachse des integrierten Schaltkreises IC um einen Ab stand eps in x-Richtung bezüglich der Symmetrieachse y der Leiter L1, L2 verschoben ist. Diese Positionstoleranzen des Chips können fertigungsbedingt auftreten. Fertigungsbedingte Positionstoleranzen können zwar bei der Inbetriebnahme der Sensoranordnung herauskalibriert werden, im Laufe des Be triebs beziehungsweise der Alterung der Sensoranordnung kön nen jedoch beispielsweise durch Temperatureffekte weitere Po sitionstoleranzen auftreten. Weitere Fehlerquellen, welche die Meßgenauigkeit der Sensoranordnung beeinträchtigen kön nen, sind zum einen ein homogenes Hintergrundfeld B0 sowie zum anderen eine ungleiche Stromaufteilung, I1 ≠ I2. Diese asymmetrische Stromaufteilung wird mit je einem Widerstand R1, R2 der Leiterzweige L1, L2 elektrisch erfaßt. Schließlich kann eine Fehlerquelle darin begründet sein, daß trotz Anord nung der Sensoren S1, S2 auf einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis IC eine ungleiche Empfindlichkeit der Sensoren besteht. Mit diesen Fehlerbetrachtungen ergibt sich als Dif ferenzspannung der Sensoren:

wobei gilt

mit B0 gleich z-Komponente eines homogenen Hintergrundmagnet feldes; U1, U2 gleich Ausgangsspannungen der Sensoren S1, S2; E1, E2 gleich Empfindlichkeiten der Sensoren S1, S2, 2.a gleich Abstand der Sensoren S1, S2 voneinander; 2.A gleich Abstand der Symmetrieachsen der Leiter L1, L2 voneinander; R1 gleich Widerstand des Leiters L1 und R2 gleich Widerstands wert des Leiterzweigs L2.

Fig. 4 zeigt eine Worst-Case-Fehlerabschätzung der Sen soranordnung in Abhängigkeit von der Fehlpositionierung des integrierten Schaltkreises IC in x-Richtung eps in mm, wobei Fehler als relative Fehler (in Prozent) zwischen einer idea len Sensoranordnung und einer fehlerbehafteten Sensoranord nung definiert sind. Dabei wurden für die fehlerbehaftete Sensoranordnung folgende Parameter gewählt: A = 2,5 mm, a = 0,5 mm, Unsymmetrie der Stromaufteilung: 5%, das heißt R1 = 1,05.R2, Fehlanpassung (Mismatch) der Magnetfeldsensoren S1, S2 von 3% bezüglich ihrer Empfindlichkeiten E1, E2, das heißt E2 = 1,03.E1, zu messender Strom I = 20 A, homogenes Hintergrundmagnetfeld B0 = -1 mT. Bei symmetrischer Anordnung des integrierten Schaltkreises IC, eps = 0, ergibt sich ein Fehler von 4,6%, welcher hauptsächlich durch das Hinter grundfeld B0 und den Mismatch der Sensor-Empfindlichkeiten E1, E2 bedingt ist. Ein Hintergrundfeld von der Größe 1 mT ist demnach equivalent zu einem Offsetfehler von 0,92 A bei der Strommessung, was gegenüber bekannten Meßprinzipien einer Verbesserung um den Faktor 10 entspricht. Die laterale Fehl positionierung des integrierten Schaltkreises IC zu den Lei terzweigen L1, L2 hat bei der beschriebenen Erfindung einen verhältnismäßig geringen Einfluß, da in einem Bereich von - 0,19 bis +0,08 mm Positionsabweichung von der Sollposition die Meßgenauigkeit lediglich um +/- 0,5% abweicht.

Die mit Fig. 3 und 4 dargelegten Worst-Case-Fehlerabschät zungen, bei denen die möglicherweise auftretenden Fehler so angenommen wurden, daß sich die Einzelfehler aufaddieren und nicht gegeneinander wegheben, zeigen, daß die Sensoranordnung gemäß Fig. 1 und 2 sowohl bezüglich Hintergrundmagnetfeld einflüssen, als auch bezüglich Abweichungen der Sensoremp findlichkeiten, unsymmetrischen Stromaufteilungen sowie Posi tionsabweichungen des integrierten Schaltkreises IC gegenüber den Leiterzweigen L1, L2 deutlich verbessert sind.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms I, bei der der integrierte Schaltkreis IC mit den Sensoren S1, S2 orthogonal zu einer von den Leiterzweigen L1, L2 gebildeten Ebene angeordnet ist. Wie in Fig. 3 beschrieben, trägt Leiterzweig L1 einen Teil strom I1, während Leiterzweig L2 einen Teilstrom I2 trägt. Die Abstände der Sensoren S1, S2 voneinander betragen wieder 2.a. Die Abstände der Achsen der Leiterzweige L1, L2 zur xy-Ebene sind mit A1 beziehungsweise A2 bezeichnet. Die Summe aus den Abständen der Leiterachsen der Leiter L1, L2 zur xy- Ebene gemäß Fig. 5 ist gegenüber den Ausführungen gemäß Fig. 1 bis 3 vorteilhafterweise stark verringert. Die Abwei chung der Symmetrieebene des integrierten Schaltkreises IC von der Symmetrieebene der Leiterzwiege L1, L2 ist wiederum mit eps bezeichnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die relative Position des integrierten Schaltkreises mit den Sensoren S1, S2 bezüglich der Leiterzweige L1, L2 unempfind licher gegen Abweichungen von einer symmetrischen Soll- Position ist.

Fig. 6 zeigt eine Weiterbildung der Sensoranordnung gemäß Fig. 5 in Draufsicht, Seitenansicht und einer Schnittdar stellung. Der als Langloch in einem Stanzteil ausgeführte Zwischenraum zwischen den Leiterzwiegen L1, L2 ist dabei deutlich schmaler als bei der Ausführung gemäß Fig. 2. Der Abstand der Sensoren S1, S2 voneinander beträgt 2.a. Die Dicke des als Stanzteil ausgeführten Leiters L beträgt b. Die Ausdehnung des Langloches in z-Richtung beträgt g1 + g2, die Ausdehnung der Leiterzweige L1, L2 in z-Richtung beträgt h1 beziehungsweise h2. Die Länge des als Langloch ausgeführten Zwischenraums zwischen den Leiterzweigen L1, L2 beträgt y1 + y2. Die Breite des Langloches kann beispielsweise lediglich g1 + g2 = 1 mm betragen, um einen integrierten Schaltkreis IC aufnehmen zu können.

Das Langloch zwischen den Leiterzweigen L1, L2 führt zu einer Feldinhomogenität in dessen unmittelbarer Nähe. Der Abstand der Sensoren S1, S2 von der z-Achse, der mit a bezeichnet ist, muß demnach so weit von der Oberfläche des Leiters L entfernt sein, daß durch das Langloch verursachte Feldstörun gen einen geringen Einfluß auf die Sensoren S1, S2 haben. Aus der Bedingung für ein in x-, y- und z-Richtung homogenes Ma gnetfeld: dB_z/dx, dB_z/dy und dB_z/dz sehr klein ergibt sich die Forderung, daß 2.a < b + g1 + g2 gilt. Anderer seits dürfen die Sensoren S1, S2 nicht zu weit von den Lei terzweigen L1, L2 entfernt sein, da andernfalls das zu mes sende Magnetfeld bereits zu gering ist. Hier ergibt sich die zweite Forderung 2.a < g1 + g2 + h1 + h2. Dabei ist zu be achten, daß mit zunehmenden Leiterzweig-Querschnitten die Flächenschwerpunkte der Teilströme I1, I2 immer weiter nach außen wandern, so daß die Meßempfindlichkeit der Sensoranord nung abnimmt.

Die Sensoranordnung gemäß Fig. 6 hat den Vorteil, daß das Magnetfeld im Zwischenraum zwischen den Leiterzweigen L1, L2 durch deren geringeren Abstand g1 + g2 voneinander im Ver gleich zur Gesamtbreite h1 + h2 eine deutlich größere Homoge nität aufweist.

Fig. 5 mit seiner zylindrischen Geometrie der Leiterzweige L1, L2 ist bezüglich der z-Komponente des Magnetfelds B mit geschlossenen Formeln beschreibbar. Es gilt:

Die Differenz der Magnetfelder an den Sensoren S1, S2 vonein ander ergibt sich dabei zu B_z (eps + a) - B_z (eps - a) unter der Annahme, daß der integrierte Schaltkreis IC eine Fehlpo sitionierung um den Abstand eps in x-Richtung aufweist. Dabei läßt sich zeigen, daß diese Differenz der Magnetfelder im Falle A1 = A2 und I1 = I2 für A1 = a ein Maximum annimmt, das heißt, daß die Sensoranordnung dann die größte Empfindlich keit aufweist, wenn der Abstand der Leiterachsen voneinander gleich dem Abstand der Sensoren voneinander ist. Weiterhin ergibt sich bei der Anordnung gemäß Fig. 5 dann eine minima le Fehlerempfindlichkeit bezüglich Positionsfehlern in x- Richtung beschrieben durch den Abstand eps, wenn gilt d(B2 - B1)/d(eps) = 0 oder a = √3.A1. Die Strommessung mit der Sensoranordnung gemäß Fig. 5 hat demnach dann die geringste Empfindlichkeit bezüglich Positionsabweichungen des inte grierten Schaltkreises bezüglich der Leiter, wenn der Abstand der Sensoren S1, S2 voneinander dem √3-fachen des Abstandes der Leiterzwiege L1, L2 voneinander ist. Bei diesem √3-fachen Abstand ist jedoch die Empfindlichkeit der Meßanordnung auf 87% der oben berechneten maximal möglichen Empfindlichkeit reduziert.

Fig. 7a zeigt eine Seitenansicht eines Anwendungsbeispiels der Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms, angewendet auf eine Kraftfahrzeug-Batterie AB in einer Sei tenansicht.

Fig. 7b zeigt die Anordnung gemäß Fig. 7a in einer Drauf sicht. Dabei sind mehrere Leiter L vorgesehen, welche jeweils in einem Leiterabschnitt in Leiterzweige L1, L2, welche voneinander beabstandet sind, aufgeteilt sind, und in deren Zwi schenraum jeweils ein integrierter Schaltkreis IC1, IC2, IC3 orthogonal zum Leiter L angeordnet ist. Wie in Fig. 7a er kennbar ist, liegen die Leiter L in einer Ebene, so daß das Magnetfeld eines Leiters, beispielsweise des mittleren Lei ters, tangential zu den Oberflächen der integrierten Schalt kreise IC1, IC3 der benachbarten Leiter liegt. Demnach ist ein Übersprechen und hierdurch bedingte Fehlmessungen eines Leiters in die Sensoranordnungen der anderen Leiter praktisch ausgeschlossen beziehungsweise stark verringert. Die Kraft fahrzeug-Batterie AB gemäß Fig. 7a und 7b weist dabei je weils Sensoranordnungen auf, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind.

Fig. 8 bis 10 zeigen anhand von Diagrammen Parameterstudi en des Magnetfeldes B, welches senkrecht auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises IC steht. Dabei handelt es sich um die z-Komponente des B-Feldes aus Fig. 6. In Fig. 8 ist die z-Komponente des B-Feldes in Tesla über dem Abstand 2.a der Sensoren S1, S2 voneinander aufgetragen, mit fol genden Randbedingungen: Die Summe der Teilströme I1 + I2 be trägt 1500 A, der Querschnitt des Leiters beträgt 16 mm² und die Breite des als Langloch ausgeführten Zwischenraums g1 + g2 beträgt 1 mm. Die Dicke b des Leiters L wurde in Fig. 8 variiert, derart, daß Kurven für b = 0,5 mm, b = 1 mm und b = 2 mm aufgetragen sind. Um einen konstanten Querschnitt von 16 mm² zu behalten, werden die Parameter h1 und h2 entsprechend angepaßt. Man erkennt, daß mit zunehmender Leiterbreite h1, h2 die Homogenität der z-Komponente des B-Feldes zunimmt. Da mit geht jedoch eine Abnahme der Empfindlichkeit einher.

Das in Fig. 9 gezeigte Diagramm zeigt die z-Komponente des Differenzfeldes B1_z - B2_z in Abhängigkeit von der Abweichung eps, wobei B1_z die z-Komponente am Ort des Sensors S1 und B2_z die z-Komponente der magnetischen Induktion am Ort des Sen sors S2 ist. Dabei wird der Abstand a der Sensoren S1, S2 von der Symmetrieachse des integrierten Schaltkreises IC vari iert. Konstant sind dabei der Strom I von 1500 A, die Dicke b = 2 mm, die Breiten der Leiterzweige h1 = h2 = 4 mm sowie die Breite des Langloches g1 + g2 = 1 mm. Es ist deutlich zu er kennen, daß die Kurve für a = 3 mm bei kleinen Werten eps die größte Steigung hat. Liegen die Sensoren S1, S2 jedoch weiter auseinander, siehe Kurve a = 5 mm, ist für Werte eps zwischen 0 und 1 mm praktisch keine Veränderung der Sensorempfindlich keit zu beobachten.

Fig. 10 schließlich zeigt wie Fig. 9 die z-Komponente des Differenz-Magnetfeldes B1_z - B2_z über der Abweichung eps in mm, wieder mit 3 Kurven für a = 3 mm, a = 4 mm und a = 5 mm. Fig. 10 hat bezüglich der konstanten Parameter jedoch gegen über Fig. 9 den Unterschied, daß die Breite des Langlochs g1 + g2 nur 0,2 mm anstelle 1 mm beträgt. Hier ist demnach be reits für kleine Sensorabstände von a = 3 mm eine Unempfind lichkeit der Sensoranordnung gegenüber kleinen Abweichungen eps im Bereich von 0 bis 0,5 mm bei höherer Gesamtempfind lichkeit der Anordnung zu erkennen. Derartige, große Empfind lichkeiten bei praktisch vernachlässigbaren Fehlern durch Po sitionstoleranzen eps können dadurch erreicht werden, daß der Chip des integrierten Schaltkreises IC gehäuselos im Zwi schenraum zwischen den Leiterzweigen befestigt, beispielswei se geklebt wird. Bei einer Chip-Dicke von 150 µm kann die Langlochbreite g1 + g2 = 0,2 mm gewählt werden. Die Anschluß- Pads des Chips können in dessen Ecken angeordnet sein, da diese aus dem Zwischenraum herausragen und frei zugänglich sind. Die Langlochbreite g1 + g2 hängt dann neben der Chip- Dicke nur noch von der zu erreichenden Isolationsspannung ab. Eine weitere Leistungssteigerung bei einer Sensoranordnung gemäß Fig. 6 läßt dadurch erreichen, daß eine unsymmetrische Langlochbreite gewählt wird mit g1 < g2. Hierdurch wird die gesamte Breite g1 + g2 des Langloches reduziert, während die gewünschte homogene Feldverteilung auf der Oberfläche des in tegrierten Schaltkreises durch unsymmetrische Wahl der Lei terzweigbreiten h1 ≠ h2 angepaßt werden kann. Hierdurch er gibt sich dann eine unsymmetrische Stromverteilung I1 ≠ I2.

Die Sensoranordnung gemäß Fig. 2 und 6 hat weiter den Vor teil, daß große Teile des integrierten Schaltkreises IC vom Leiter L beziehungsweise den Leiterzweigen L1, L2 umgeben sind, wodurch die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)- Festigkeit gesteigert ist. Schirmfolien, welche nicht unbe dingt erforderlich sind, können in einfacher Weise um die Sensoranordnung mit Leiter L und integrierten Schaltkreis IC gewickelt werden, wobei vorteilhafterweise Schirmfolien der art angebracht werden können, daß diese tangential an den Ma gnetfeldlinien liegen. Wenn die Schirmfolien aus permeablen Materialien bestehen, führt eine derartige Anordnung nicht zu einer Verzerrung des Magnetfelds um den Leiter. Somit kann die Strommessung linear, hysteresefrei und unabhängig vom Temperaturverhalten der Permeabilität der Schirmmaterialien sein.

Alternativ zu permeablen Schirmfolien können konduktive Schirmmaterialien verwendet werden.

In Analogie zur Sensoranordnung gemäß Fig. 3 kann auch in den Fig. 5 und 6 die Differenzspannung U1 - U2 der Senso ren S1, S2 ausgedrückt werden als:

U1 - U2 = const..E1 f(eps)(I1 + I2) + B0(E1 - E2)

Bei gleichen Sensorempfindlichkeiten E1 = E2 wird die be schriebene Anordnung dann besonders unempfindlich gegen Posi tionsabweichungen eps des integrierten Schaltkreises IC rela tiv zu den Leiterzweigen L1, L2, wenn die Bedingung d f(eps)/d eps = 0 eingehalten wird. Dabei kann man für eine beliebige Stromaufteilung I1 : I2 durch Lösen obiger Gleichung einen Parameter eps finden, der eine Robustheit der Anordnung bezüglich Positionstoleranzen gewährleistet. Dabei gilt für Gleichheit der Teilströme, I1 = I2, der Spezialfall eps = 0.

Die Sensoranordnung ist besonders gut für Anwendungen geeig net, bei denen mehrere Stromkreise von einer Quelle mit meh reren, dicht beieinanderliegenden Klemmen abzweigen.

Dabei funktioniert die Sensoranordnung für beide Stromrich tungen, solange die Leiterzweige L1, L2 gleichsinnig durch flossen sind.

Die beschriebene Sensoranordnung ermöglicht neben der Messung des Strombetrages zusätzlich eine Erkennung der Stromrich tung. Dies ist beispielsweise bei Ladezustandsüberwachungen von Akkumulatoren vorteilhaft.

Claims

1. Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms (I), mit
einem Leiter (L) zum Führen des Stroms (I), welcher in ei nem Leiterabschnitt in zwei parallele, voneinander beabstan dete Leiterzweige (L1, L2) zum Führen je eines Teilstroms (I1, I2) des Stroms (I) unterteilt ist und
einem integrierten Schaltkreis (IC) umfassend einen ersten und einen zweiten Sensor (S1, S2) zur Erfassung von durch die Teilströme (I1, I2) hervorgerufenen Magnetfeldern,
wobei der integrierte Schaltkreis (IC) in einem zwischen den parallelen Leiterzweigen (L1, L2) gebildeten Zwischenraum angeordnet ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (S1, S2) in einer Ebene liegen, welche parallel zu einer von den Leiterzweigen (L1, L2) gebildeten Ebene an geordnet ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Leiterzweige (L1, L2) einen Abstand von 5,5 mm zueinander aufweisen.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (S1, S2) in einer Ebene liegen, welche orthogo nal zu einer von den Leiterzwiegen (L1, L2) gebildeten Ebene angeordnet ist.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Leiterzweige (L1, L2) zueinander einen Abstand von 1 mm aufweisen.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterabschnitt des Leiters (L) mit den Leiterzweigen (L1, L2) als Stanzteil ausgeführt ist, derart, daß die Lei terzweige (L1, L2) jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (IC) als ASIC, Application Speci fic Integrated Circuit ausgeführt ist, der Mittel zum Kal brieren der Sensoranordnung umfaßt.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung äußerer Feldeinflüsse permeable Folien vorge sehen sind, welche tangential zu Magnetfeldlinien der Leiter zweige L1, L2 angeordnet sind.