CN114008465A - 电流测量装置以及用于制造电流测量装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量电流(150)的测量装置(100、200、300)，包括：带有至少两个平面(102、103)的平面构造的载体结构(101、201)；若干线路结构(104、105、204、205、219、304)，其中，每个线路结构(104、105、204、205、219、304)具有电源输入端(106)和电源输出端(107)，并且每个线路结构(104、105、204、205、219、304)具有开口(108、109、308)，其中，所述线路结构(104、105、204、205、219、304)在所述载体结构(101、201)这样地上下叠置，使得所述开口(108、109、308)至少部分地重叠；以及具有两个测量元件(110、111、310)的差动测量电流传感器，其中，所述测量元件(110、111、310)分别在所述载体结构(101、201)的不同的平面(102、103)中布置在至少部分重叠的开口(108、109、308)的位置处。此外，本发明公开了一种用于制造测量装置(100、200、300)的方法。

Description

电流测量装置以及用于制造电流测量装置的方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置以及一种用于制造测量装置的方法。

背景技术

以下主要结合车辆中的、尤其是电力车辆中的电流测量来描述本发明。可以理解的是，还可以将本发明使用到其它的应用中。

在现代车辆中，为减少排放，例如在混合动力车辆中用电动机辅助内燃机，或者例如在电动车辆中用电动机取代内燃机。对于这些带有电动机的车辆的运行，需要始终从能量源(即，例如电池、电力电子器件和电动机)了解整个系统的运行状态。

对此，在系统中可以采集和/或测量不同的参量。一个重要的参量尤其是在系统中在不同的位置流动的电流。根据电流的数值可以例如借助分流电阻器或基于磁工作的传感器测量电流。

尤其是在具有高电流的应用中，即，例如在电动车辆的母线中，提供了非接触式的电流测量。例如，可以使用根据磁通门原理工作的传感器。

在这类传感器中，电流传感器精确的和持久的定位对于传感器整个寿命周期上的电流测量精度至关重要。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是，使用结构尽可能更简单的手段实现具有高精度的电流测量。

该技术问题通过本发明的独立权利要求的主题来解决。本发明的有利的扩展已经在从属权利要求中、说明书中、和说明书附图中给出。特别地，一种权利要求类别的独立权利要求可以类似于另一种权利要求类别的独立权利要求被扩展。

根据本发明的用于测量电流的测量装置包括：带有至少两个平面的(即例如带有顶面和底面的)平面构造的载体结构；若干(即一个或多个)线路结构，其中，每个线路结构具有电源输入端和电源输出端，并且每个线路结构具有开口，其中，线路结构在载体结构上这样地上下叠置，即相对于平面构造的载体结构的平面这样布置，使得开口至少部分地重叠；以及具有两个测量元件的差动测量电流传感器，其中，测量元件分别在载体元件的不同平面中布置在至少部分重叠的开口位置处。

根据本发明的用于制造用于测量电流的测量装置的方法具有以下步骤：提供带有至少两个平面的平面构造的载体结构；构造分别带有电源输入端和电源输出端的若干线路结构；在每个线路结构中构造开口；在载体结构上这样地上下叠置线路结构，使得所述开口至少部分地重叠；以及在载体结构的不同平面中在至少部分重叠的开口的位置处布置差动测量电流传感器的两个测量元件。

本发明基于如下认知：至今用于电流测量的传感器(例如在母线中)，在制造中机械上十分复杂，或者出于机械公差的原因仅具有低的、可再现的精度。在某些情况下可以通过校准过程来补偿制造公差导致的低精度。然而，这是必须避免的额外的、复杂的改善步骤。

所以，本发明提供一种用于测量装置的十分简单的结构，所述测量装置例如可以应用到电动车辆中，以测量电流。

对此提供平面构造的载体结构，在所述载体结构上布置了差动测量传感器的两个测量元件。该载体结构例如可以具有顶面和底面，其上分别布置测量元件。因此，载体结构具有至少两个平面。所述平面可以被视作为能够在其上布置线路结构和/或传感器元件的那种平面。

此外，在载体结构上布置线路结构。所述线路结构在测量装置中承载待测的电流。因此，载体结构的数量和尺寸可以与分别待测的电流相适配。例如，一个线路结构可以布置在该载体结构的顶面，而且一个线路结构可以布置在该载体结构的底面。由此，可以将线路结构构造成例如铜印制导线，或者构造成由任何其它导电性材料制成的印制导线。电源输入端可以相互电连接。同样地，电源输出端也可以彼此电连接。由此，将各个线路结构以电并联的方式布置。

每个线路结构具有开口。所述开口平行于载体结构的表面。因此，在载体结构的俯视图上，开口平行于图面。开口可以具有圆形的或者环形的、矩形的、椭圆形的外轮廓或者类似的轮廓。

在载体结构上这样布置线路结构，使得各个线路结构的开口至少部分地、或者完全地重叠。应当理解，完全重叠的情况可以包括与制造相关的公差和部件公差。

如果一个线路结构位于载体结构的顶面且一个线路结构位于载体结构的底面，那么所述线路结构可以构造成完全相同的形状，并且可以在相应的平面中以相同的走向布置在载体结构上。

为了测量电流，可以将线路结构集成到母线中，例如集成到电动车辆或集成到这种电动车辆的控制装置中。对此，可以将母线在对应的位置处断开，并且可以将母线的一端与线路结构的电源输入端连接。而母线的另一端可以与线路结构的电源输出端连接。因此，在母线中流动的总电流也流经测量装置。

当电流流经线路结构，在该线路结构周围形成磁场。在开口内，所产生的的磁场相互作用，并且准确地在开口的中间(至少在结构对称的情况下)完全抵消。

因此，带有布置在开口中或者更确切地说是布置在相应的平面中开口的位置处的两个测量元件的差动测量电流传感器，在相应位置上分别测量两个磁场的差。该测量十分鲁棒并且尽可能地不受外部干扰影响。

所以，借助根据本发明的测量装置可以非常方便和非常准确地采集例如在电动车辆中的高电流。

从属权利要求以及参考附图的说明书中给出其它的实施方式和进一步改进。

在一种实施方式中，可以将平面构造的载体结构构造成带有顶面和底面的双层电路板。在此，可以在电路板的顶面布置线路结构，并且在电路板的底面可以布置另一线路结构。

双层电路板可以用十分简单的手段来制造。线路结构尤其可以十分简单地利用电路板制造手段附接到电路板的顶面和底面。

应当理解，可以将每种适宜于相应应用的材料用作为用于电路板的材料，例如FR4或者陶瓷。

在这种电路板的制造中，可以分别在顶面制造线路结构并且在底面制造线路结构。如上所述，可以将线路结构构造成印制导线。应当理解，印制导线的材料厚度可以根据待承载的或者待测的电流来选择。此外，应当理解，线路结构可以替代地或者额外地具有附加地布置到电路板上的导电元件。例如可以将实心的铜线或者铝线或者类似物布置到电路板上。

在另一种实施方式中，可以将平面构造的载体结构构造成多层的电路板，即，称为多层电路板(Multilayer-Leiterplatte)。因此，线路结构可以尤其是对称地在多层电路板的各层中分布式地布置。

如果将线路结构构造成多层电路板，可以在电路板的各个层中布置对应的线路结构。因此，测量装置的载流能力可以灵活地与相应的应用相适配。测量装置的载流能力是各个线路结构的载流能力与线路结构数量的乘积。

在载体结构的平面中，各个线路结构的对称布置会导致开口内对称的磁场分布。因此，可以简化测量装置，这是因为各个测量元件不必与不对称的磁场相适配。

在另外一种实施方式中，可以将一个层构造成信息传输层。该信息传输层可以具有例如用于接触测量元件的印制导线。

尤其是当在载体结构的顶面和底面布置线路结构时，信息传输层可以简化测量元件的电接触。应当理解，例如测量元件的通过导线的接触在任何情况下都是可能的。但是，通过信息传输层可以将测量元件的接触转移到载体结构的内部。因此，在测量装置中不存在裸露的导线。借此，测量装置更鲁棒并且更不易出错。

在另一种实施方式中，可以将测量元件至少部分地构造成载体结构中的导体结构。

应当理解，能够将测量元件构造成分立的部件，例如构造成SMD部件。这种测量元件例如可以在电路板制造的过程中十分精确地布置并钎焊到载体结构上。

但可选的是，例如测量元件的各个组成部件，例如形式为测量线圈或测量导线或类似物的测量传感元件可以被构造成导体结构。

例如可以将测量元件的测量导线构造成多层电路板的一个内部层中的印制导线。例如可以借助于金属化通孔(也称为通孔)与对应的印制导线的结合，在测量导线周围构成励磁线圈。应当理解，测量元件的其它部件，例如(差分)放大器、滤波器等可以被附接到载体结构的顶面或底面。

在一种实施例中可以分别构造测量元件，以便根据磁通门磁力仪的原理来测量电流。这种测量元件还可以称作为饱和磁芯磁力仪或者福斯特测头(

-Sonde)。

根据磁通门磁力仪的原理测量电流尤其抗外部干扰影响。如果将两个这种测量元件组合成差分测量电流传感器，可以在测量装置中执行非常鲁棒和精确的电流测量。

在另一种实施方式中，测量元件可以分别具有测量轴线。可以这样布置测量元件，使得测量轴线分别与流过线路结构的电流方向成预设角度，尤其是成0°或者90°的角度。

在测量装置中，可以将各个测量元件相对于电流方向，并且由此相对于所形成的磁场的方向以不同的方式布置。

因此，测量轴线分别表示为对相应测量元件最灵敏的轴线。

依据测量轴线的布置，轴线上的电流传感器的结构可能很容易受到干扰场的影响，例如当另一个母线经过测量装置附近时。对应地可以这样布置测量元件，使得外部影响得以消除或者减到最少。

应当理解，还可以设置另外的一对测量元件，这对测量元件的测量轴线例如可以相对于前两个测量元件的测量轴线正交布置。因此可以执行两个电流测量，并且使其相互比较，以识别外部的干扰影响。

在另一种实施方式中，测量元件可以相对于载体结构的表面以预设的间距相互偏置地布置。

因此，在俯视载体结构表面时，测量元件彼此相互偏置。通过该偏置，可以精确地调节测量轴线的间距或者测量元件内的测量器具。因此，该偏置确定了测量器具与磁场自行抵消的点之间的间距。该间距越大，在相应测量元件中待测的磁场就越大。由此，也使待测的差更大并且使测量更稳健。然而，该系统会提前饱和，并且由此限制了测量范围。

在另一种实施方式中，可以将线路结构的电源输入端与测量装置的第一外接端子耦合。可以将线路结构的电源输出端与测量装置的第二外接端子耦合。

测量装置例如可以直接集成到相关应用内部的控制装置中或者相关应用内部的其它电路中。例如，测量装置可以在电动车辆中集成到逆变器的电路板上或者保险装置的电路板上。

替代地，可以设置带有对应外接端子的测量装置。所述外接端子可以以其形状和性质与相应的应用相适配。例如，可以将外接端子构造成可以焊接的或者借助于双弯压接(Durchsetzfügen)接触的焊片或接触片，因此，可以将测量装置十分灵活地使用到不同的应用中。

附图说明

以下参照附图描述本发明有利的实施例。附图示出：

图1是以俯视图和剖面图示出的根据本发明的测量装置的一个实施例的电路连接框图；

图2是以侧视图示出的根据本发明的测量装置的另一个实施例的电路连接框图；

图3是以俯视图示出的根据本发明的测量装置的一个实施例的细节图；

图4是根据本发明的方法的一个实施例的流程图。

附图仅是示意性地表示并且仅用作描述本发明。相同的或者相同效用的元件始终具有同样的附图标记。

具体实施方式

图1在俯视图(左)中示出了测量装置100，和通过(由点划线示出的)俯视图中线的剖面图(右)。测量装置100具有载体结构101。载体结构101被构造成双面电路板，并且由此具有两个平面102、103，在所述平面中或者在所述平面上可以布置测量装置100的其它的元件。

在测量装置中，在每个平面中布置线路结构104、105。因此，线路结构104布置在电路板的顶面并且线路结构105布置在电路板的底面。在俯视图中可以看出，线路结构104、105具有电源输入端106和电源输出端107(仅针对顶面的线路结构104示出)。各个线路结构104、105经过电源输入端和电源输出端相互电耦合，并且由此电并联。

线路结构104、105在电源输入端106和电源输出端107之间具有加宽的部分，在该加宽部分的中间布置有开口108、109。通过该开口可以分别接近载体结构101的表面。在此，这样布置线路结构104、105，使得俯视图中开口108、109重叠。在每个平面102、103上在开口中布置差分测量电流传感器的测量元件110、111。

在载体结构构造成双面电路板时，待测电流150流过两个面上的开口108、109处。因此，每个面形成电流流经的导体部分，在该导体部分周围形成磁场。在开口108、109中，磁场重叠并且在中心处部分地或者完全地相互抵消。

测量装置100的构造的中心位于载体结构101的中线。因此，测量元件110、111不能够精确地在该中心定位。所以，测量元件110、111分别位于可以测量磁场的区域中。所以，这种布置可以在电流传感器中实现差动测量系统的应用。

虽然未另外示出，应当理解，例如可以使测量元件110、111借助于导线或者线路接触。如图2中所示，在多层电路板的情况下也可以使测量元件通过信息传输层接触。此外，应当理解，可以将测量元件110、111与对应的能量源耦合，并且可以具有评价装置或计算装置或者可以与一个此装置耦合。

图2示出了另一个测量装置200的电路连接框图。测量装置200同样具有载体结构201。载体结构201被构造成多层电路板，并且具有四个半固化片(Pre-preg)215、216、217、218。应当理解，此处仅是示例性地选择半固化片这个术语，并且可以采用用于制造多层电路板的任何一种技术。四个半固化片215、216、217、218使得，载体结构202具有5个平面：顶面、底面和三个位于上侧半固化片215和下侧半固化片218之间的平面。为清楚起见，未对各个平面设置附图标记。

测量装置200具有三个线路结构204、205、219。线路结构204布置在载体结构201的顶面。线路结构205布置在载体结构201的底面。第三个线路结构布置在内部半固化片216、217之间。应当理解，为构造磁场，每个线路结构204、205、219都具有对应的开口。不可见的测量元件可以被布置在载体结构201顶面的开口中和载体结构底面的开口中。为接触测量元件，例如示出了半固化片215和216之间或者半固化片217和218之间的两个信息传输层或平面，在所述信息传输层或平面中，布置了印制导线220、221、222、223。印制导线220、221、222、223分别借助于金属化通孔(Durchkontierung)与在载体结构201的顶面或者底面上的对应的端子224、225、226、227连接。所以通过端子224、225、226、227可以接触测量元件或者提供电能量。

图3示出测量装置300的细节图。在图3中仅示出了测量装置300的线路结构304的一部分。线路结构304具有开口308，在该开口中布置测量元件310。在测量元件310中，对应的测量传感元件330示为箭头。第二测量元件的测量传感元件331示为虚线箭头。

可以看出，测量传感元件330、331以与中轴相同的间距分别布置在对置面上的开口中。测量传感元件330、331的对称布置可以实现差分测量原理的十分简便的应用。应当理解，也可以替代地将测量传感元件330、331非对称式布置。在这种实施方式中，可以设置对应的偏移修正。

图4示出用于制造用于测量电流(150)的测量装置(100、200、300)的方法的一个实施例的流程图。为便于理解，在以下的说明书中包含了用于图1至图3的附图标记。

在第一步骤S1提供中，提供带有至少两个平面(102、103)的平面构造的载体结构(101、201)。例如可以是由FR4材料、陶瓷或者类似物制成的电路板。在第二步骤S2构造中，构造分别带有电源输入端(106)和电源输出端(107)的若干线路结构(104、105、204、205、219、304)。在第三步骤S3构造中，在每个线路结构(104、105、204、205、219、304)中构造开口(108、109、308)。在第四步骤S4布置中，在载体结构(101、201)上相互这样布置线路结构(104、105、204、205、219、304)，使得开口(108、109、308)至少部分地重叠。在第五步骤S5中将差动测量的电流传感器的两个测量元件(110,111,310)布置到载体结构(101、201)的不同平面(102、103)中至少部分重叠的开口(108、109、308)的位置处。

应当理解，可以将所述方法的各个步骤结合。例如可以在电路板制造中在一个步骤中实施步骤S2、S3和S4。

平面构造的载体结构(101、201)例如可以构造成带有顶面和底面的双面电路板。在此，可以在电路板的顶面布置线路结构(104、105、204、205、219、304)，并且可以在电路板的底面布置另一个线路结构(104、105、204、205、219、304)。

也可以替代地将平面构造的载体结构(101、201)构造成多层电路板。因此，可以将线路结构(104、105、204、205、219、304)尤其是对称地在多层电路板的层中分布式布置。

还可以将在多层电路板中的一个层构造成信息传输层。在信息传输层中至少可以布置用于接触测量元件(110、111、310)的印制导线(220,221,222,223)。例如为测量元件(110、111、310)供给能量的其它的印制导线同样也是可能的。

也可以将测量元件(110、111、310)构造成分立的元件。但可以将测量元件至少部分地构造成载体结构(101、201)中的导体结构。当分别构造测量元件(110、111、310)，以根据磁通门磁力仪的原理来测量电流(150)时，对于测量线或者励磁线圈尤其如此。

测量元件(110、111、310)可以分别具有测量轴线，并且可以这样布置测量元件，使得测量轴线分别与流过线路结构(104、105、204、205、219、304)的电流方向成预设角度。这种角度例如可以是0°或者90°的角度。此外，可以将测量元件(110、111、310)相对于载体结构(101、201)的表面以预设的间距相互偏置地布置。

为了能够将测量装置作为专门的传感器使用，可以将线路结构(104、105、204、205、219、304)的电源输入端与测量装置(100、200、300)的第一外接端子耦合。并且可以将线路结构(104、105、204、205、219、304)的电源输出端与测量装置(100、200、300)的第二外接端子耦合。

由于以上详细描述的装置和方法是实施例，本领域的技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下，以常规的方式在大范围中对其进行修改。尤其是机械布置和各个元件相互的尺寸比例仅为示例。

附图标记列表

100、200、300 测量装置

101、201 载体结构

102、103 平面

104、105、204、205、219、304 线路结构

106 电源输入端

107 电源输出端

108、109、308 开口

110、111、310 测量元件

215、216、217、218 半固化片

220、221、222、223 印制导线

224、225、226、227 端子

330、331 测量传感元件的位置

332 间距

150 电流

S1-S5 方法步骤

Claims (15)

1.一种用于测量电流(150)的测量装置(100、200、300)，包括：

带有至少两个平面(102、103)的平面构造的载体结构(101、201)；

若干线路结构(104、105、204、205、219、304)，其中，每个线路结构(104、105、204、205、219、304)具有电源输入端(106)和电源输出端(107)，并且每个线路结构(104、105、204、205、219、304)具有开口(108、109、308)，其中，所述线路结构(104、105、204、205、219、304)在所述载体结构(101、201)上这样地上下叠置，使得所述开口(108、109、308)至少部分地重叠；以及

具有两个测量元件(110、111、310)的差动测量电流传感器，其中，所述测量元件(110、111、310)分别在所述载体结构(101、201)的不同平面(102、103)中布置在至少部分重叠的开口(108、109、308)的位置处。

2.根据权利要求1所述的测量装置(100、200、300)，其中，所述平面构造的载体结构(101、201)构造成带有顶面和底面的双面电路板，并且在所述电路板的所述顶面布置线路结构(104、105、204、205、219、304)，并且在所述电路板的所述底面布置另一线路结构(104、105、204、205、219、304)。

3.根据权利要求1所述的测量装置(100、200、300)，其中，所述平面构造的载体结构(101、201)构造成多层线路结构，其中，所述线路结构(104、105、204、205、219、304)在所述多层电路板的各层中分布式地布置，尤其是对称地在所述多层电路板的各层中分布式地布置。

4.根据权利要求3所述的测量装置(100、200、300)，其中，一个所述层构造成信息传输层，并且至少具有用于接触所述测量元件(110、111、310)的印制导线(220、221、222、223)。

5.根据前述权利要求之一所述的测量装置(100、200、300)，其中，所述测量元件(110、210、310)至少部分地构造成所述载体结构(101、201)中的导体结构。

6.根据前述权利要求之一所述的测量装置(100、200、300)，其中，所述测量元件(110、111、310)分别构造成根据磁通门磁力仪的原理来测量电流(150)。

7.根据前述权利要求之一所述的测量装置(100、200、300)，其中，所述测量元件(110、111、310)分别具有测量轴线，并且这样布置所述测量元件(110、111、310)，使得所述测量轴线分别与流过所述线路结构(104、105、204、205、219、304)的电流方向成预设角度，尤其是0°或者90°的角度。

8.根据前述权利要求之一所述的测量装置(100、200、300)，其中，所述测量元件(110、111、310)相对于所述载体结构(101、201)表面以预设的间距相互偏置地布置。

9.根据前述权利要求之一所述的测量装置(100、200、300)，其中，所述线路结构(104、105、204、205、219、304)的所述电源输入端与所述测量装置(100、200、300)的第一外接端子耦合，并且，所述线路结构(104、105、204、205、219、304)的所述电源输出端与所述测量装置(100、200、300)的第二外接端子耦合。

10.一种用于制造用于测量电流(150)的测量装置(100、200、300)的方法，包括步骤：

提供(S1)带有至少两个平面(102、103)的平面构造的载体结构(101、201)；

构造(S2)分别带有电源输入端(106)和电源输出端(107)的若干线路结构(104、105、204、205、219、304)；

在每个线路结构(104、105、204、205、219、304)中构造(S3)开口(108、109、308)；

在所述载体结构(101、201)上这样地上下叠置(S4)所述线路结构(104、105、204、205、219、304)，使得所述开口(108、109、308)至少部分重叠；以及

在所述载体结构(101、201)的不同平面(102、103)中，在至少部分重叠的开口(108、109、308)的位置处布置(S5)差动测量电流传感器的两个测量元件(110、111、310)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述平面构造的载体结构(101、201)构造成带有顶面和底面的双面电路板，并且在所述电路板的所述顶面布置线路结构(104、105、204、205、219、304)，并且在所述电路板的所述底面布置另一线路结构(104、105、204、205、219、304)。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将平面构造的载体结构(101、201)构造成多层电路板，其中，将所述线路结构(104、105、204、205、219、304)尤其对称地在所述多层电路板的层中分布式地布置，并且尤其是，其中，将一个所述层构造成信息传输层，并且至少将用于接触所述测量元件(110、111、310)的印制导线(220、221、222、223)布置在所述信息传输层中。

13.根据前述权利要求10至12之一所述的方法，其中，将所述测量元件(110、111、310)至少部分地构造成所述载体结构(101、201)中的导体结构。

其中，将所述测量元件(110、111、310)分别构造成，根据磁通门磁力仪的原理来测量电流(150)，和/或

其中，所述测量元件(110、111、310)分别具有测量轴线，并且这样布置所述测量元件(110、111、310)，使得所述测量轴线与流过所述线路结构(104、105、204、205、219、304)的电流方向成预设角度，尤其是0°或者90°的角度。

14.根据前述权利要求10至13之一所述的方法，其中，使所述测量元件(110、111、310)相对于所述载体结构(101、201)表面以预设的间距相互偏置地布置。

15.根据前述权利要求10至14之一所述的方法，其中，将所述线路结构(104、105、204、205、219、304)的所述电源输入端与所述测量装置(100、200、300)的第一外接端子耦合，并且，将所述线路结构(104、105、204、205、219、304)的电源输出端与所述测量装置(100、200、300)的第二外接端子耦合。

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