Titel

Sensor zur 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

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

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.