DE10000500B4

DE10000500B4 - Vorrichtung zur Messung eines in einem Elektronikmodul fließenden Stroms

Info

Publication number: DE10000500B4
Application number: DE2000100500
Authority: DE
Inventors: Bernhard Severin; Dieter Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-01-08
Filing date: 2000-01-08
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-01-09
Also published as: DE10000500A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung eines in einem Elektronikmodul (7) fließenden Stroms mittels eines als Shunt geschalteten Präzisionsmesswiderstandes (10), der als Widerstandselement einen Streifen (12) aus Manganin aufweist, der in eine eine Stromzuleitung (13) und Stromableitung (14) sowie zwei Senseleitungen (15, 16) für den Messwiderstand (10) definierend Schaltung eingeschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuleitung (13) und die Stromableitung (14) sowie die zwei Senseleitungen (15, 16) von einem Stanzgitter gebildet sind und dass der Manganinstreifen durch zwei Schweißnähte (18, 19) direkt auf die die Senseleitungen und die Stromzuleitung (13) und Stromableitung (14) bildenden leitenden Bahnen des Stanzgitters des Elektronikmoduls (7) geschweißt ist, wobei die Dicke und Breite des Manganinstreifens zwischen den Senseleitungen (15, 16) und der Abstand der Schweißnähte (18, 19) oder der Abstand zwischen dem durch den Manganinstreifen überbrückten Abschnitt der Senseleitungen (15, 16) direkt den Widerstandswert des Messwiderstands (10) bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines in einem Elektronikmodul fließenden Stroms mittels eines als Shunt geschaltenen Präzisionsmesswiderstandes, der als Widerstandselement einen Streifen aus Manganin aufweist, der in eine eine Stromzuleitung und -ableitung sowie zwei Senseleitungen für den Messwiderstand definierende Schaltung eingeschweißt ist.

Zur Strommessung in einem Elektronikmodul eines BLDC-Motors muss zur Messung des hindurchfliessenden Stroms ein Präzisionsmesswiderstand in Form eines Shunts eingesetzt werden, der eine Messgenauigkeit von kleinder oder gleich 1 % besitzen muss. Dazu ist beispielsweise aus der DE 198 38 974 A1 eine elektrische Schaltung mit einer Vorrichtung zur Erfassung des elektrischen Stromes bekannt, bei der ein Teil einer Stanzgitterverbindung als elektrische Leitungsverbindung zwischen zwei Bauteilen selbst als Messwiderstand verwendet wird. Um die Temperaturdrift des Messwiderstandes weitgehend zu unterbinden, wird vorgeschlagen, als Material für einen temperaturunabhängigen ohmschen Widerstand beispielsweise Manganin zu verwenden.

Bei einem weiterhin bekannten Elektronikmodul besteht der Präzisionswiderstand aus einem lasergeschweißten Bauteil, das zwei Ableitungen für Senseleitungen und zwei Ableitungen für die stromführenden Leitungen, d.h. für die Stromzu- und -ableitung aufweist. Als Widerstandselement dieses Präzisionswiderstandes dient ein Manganinstreifen, der durch eine Laserschweißnaht an zwei die Senseleitungen sowie die Stromzu- und -ableitung definierende Winkelteile aus gestanztem Kupfer angeschweißt ist, die zusammen mit dem Manganinstreifen ein standardisiertes handelsübliches Bauteil bilden.

Die 3 zeigt den Präzisionsmesswiderstand 1 in Verbindung mit einem Stanzgitter 7 des Elektronikmoduls. Die die Senseleitungen definierenden Winkelschenkel 5, 6 und die die Stromzu- und -ableitung bildenden Winkelschenkel 3, 4 zweier winkelförmiger Stanzteile aus Kupfer (schräg schraffiert) sind durch Laserschweißnähte 8, 9 (gestrichelt) mit dem auf einen bestimmten Widerstand, z. B. 2 mΩ ± 1 % abgeglichenen Manganinstreifen (punktiert) verbunden. Dadurch kann unmittelbar am Manganinstreifen die darüber abfallende Spannung als Maß für den durch den Shunt fließenden Strom an den beiden Senseleitungen gemessen werden. Die die Senseleitungen definierenden Schenkel 5, 6 und die die Stromzu- und -ableitung definierenden Schenkel 3, 4 der Kupferstanzwinkel sind jeweils durch Schweißpunkte a, b und c, d mit darunter liegenden Leiterbahnen des Stanzgitters 7 verbunden.

Sobald durch den Shunt, d. h. den Messwiderstand 1, ein zu messender Strom fließt, fällt an dem exakt definierten Manganinwiderstandsstreifen 2 eine Spannung ab, die über die Senseleitungen abgegriffen und in einer Messschaltung ausgewertet werden kann. Die Messung des Spannungsabgriffs ist dabei sehr genau, da, wie erwähnt, die die Senseleitungen definierenden Schenkel 5, 6 der winkelförmig ausgebildeten Kupferstanzteile unmittelbar an das Manganinmesswiderstandselement 2 herangeführt sind. Auf diese Weise wird vermieden, dass eine zwischen Senseleitung und Manganinwiderstand liegende Leitungsstrecke das Messergebnis verfälscht, da im Gegensatz zum Manganin ein metallisches Leitermaterial wie z. B. Kupfer einen temperaturabhängigen Widerstand hat.

Bei der oben anhand der 3 beschriebenen bisherigen Strommessvorrichtung besitzt der Shunt als Einzelteil bereits die beiden Laserschweißnähte 8, 9 zwischen dem Manganinstreifen 2 und den die Senseleitungen definierenden Winkelschenkel 6, 7 aus Kupfer. Die Schweißpunkte a, b, c, d liegen in etwa 3 mm Abstand zu den Laserschweißnähten 8, 9 und werden durch Widerstandsschweißen hergestellt. Diese Schweißpunkte a – d können. evtl. zu Spannungen und damit auch zu Rissen in den Laserschweißnähten 8, 9 führen. Nachteilig bei der bisherigen Konstruktion ist auch, dass die Länge und Breite des Manganinstreifens 2 bei dem geschilderten, bisher verwendeten Präzisionsmesswiderstand im wesentlichen vom Hersteller festgelegt ist, da der Manganinstreifen aus einem hinsichtlich der Abmessung standardisierten Manganinband ausgestanzt wird. Dadurch kommt es unter anderem zu einer durch die hohe Strombelastung verursachten starken Temperaturerhöhung im Manganin, was wiederum zu einer thermisch mechanischen Belastung der Laserschweißnähte führen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Strommessvorrichtung der gattungsgemäßen Art so zu ermöglichen, dass sie die Nachteile des bisher verwendeten Präzisionswiderstandes vermeidet, einen im Elektronikmodul fließenden Strom im Bereich von annähernd 30 – 60 A mit einer Messgenauigkeit von < 1 % messen kann, die Lebensdauer des Elektronikmoduls verlängert und gleichzeitig die Sicherheit bei der Strommessung erhöht.

Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 dazu augegebenen Merkmale gelöst.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgegeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Strommessvorrichtung sieht vor, dass die Senseleitungen im Abschnitt des Messwiderstands parallel und in rechtem Winkel zur Längsachse des sie überlappenden Manganinstreifen liegen und dass die beiden Schweißnähte durch Laserschweißen so angebracht sind, dass sie parallel und fluchtend zu den einander gegenüberliegenden parallelen Innenkanten der Senseleitungen verlaufen.

Auf diese Weise vermeidet die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung zusätzliche Widerstandsschweißpunkte in unmittelbarer Nähe der Laserschweißnähte, d. h., dass die einzige elektrische und mechanische Verbindung des den Präzisionsmesswiderstand definierenden Manganinstreifens mit den Senseleitungen und der Stromzu- und -ableitung die beiden Laserschweißnähte sind. Der erfindungsgemäße aus einem einzigen Manganinstreifen bestehende Präzisionsmesswiderstand hat auch den Vorteil, dass seine Länge und auch Breite bei gleicher Dicke größer gewählt werden können, da die Abmessungen des Manganinstreifens nicht vom Hersteller festgelegt sind, wie bei dem bisher verwendeten Präzisionsmesswiderstand. Die Verlängerung und auch Verbreiterung des Manganinstreifens bei gleicher Dicke führt zu einer Temperaturerniedrigung, da die Verlustleistung in einem größeren Volumen entsteht und über eine größere Oberfläche abgeführt werden kann. Ferner kann die Realisierung des Präzisionsmesswiderstandes durch einen einzigen Manganinstreifen, d. h. ohne die beim bisherigen Präzisionsmesswiderstand vorhandenen, die Senseleitungen und die Stromzu- und -ableitung definierenden Kupferwinkel zu einer Kostenverringerung, gleiche Stückzahl pro Jahr vorausgesetzt, führen, da lediglich ein Manganinstreifen ausgestanzt und nur noch mit Leiterbahnen des Elektronikmoduls durch die beiden Laserschweißnähte verbunden werden muss.

Diese und weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung werden in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels noch deutlicher, die sich auf die beiliegende Zeichnung bezieht.
Zeichnung
1 zeigt in ebener Ansicht von unten ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung, bei der ein Manganinstreifen als Präzisionsmesswiderstand durch zwei Laserschweißnähte direkt mit den Kanten der die Senseleitungen definierenden Leiterbahnen eines Elektronikmoduls verbunden ist.
2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel in einer ebenen Ansicht von oben.
3 zeigt die schon beschriebene bisherige Ausführungsform einer Strommessvorrichtung.
Ausführungsbeispiel
In 1, die einen Abschnitt eines Elektronikmoduls 7 in ebener Ansicht von unten zeigt, ist ein Manganinstreifen 12 direkt durch zwei parallele Laserschweißnähte 18, 19 an Senseleitungen 15, 16 und eine Stromzu- und -ableitung 13, 14 bildende leitende Bahnen des Elektronikmoduls 7 angeschweißt. Diese Leiterbahnen 13-16 bilden ein Stanzgitter aus Kupfer.
Somit wird zur Herstellung der Strommessvorrichtung gemäß der Erfindung ein in seiner Breite und Dicke genau definierter Manganinstreifen 12 direkt auf das Kupferstanzgitter durch Laserschweißnähte 18, 19 geschweißt. Dabei wird der Widerstandswert des Präzisionsmesswiderstands durch folgende Größen bestimmt:

– Dicke und Breite des Manganinstreifens 12, und
– Abstand der Schweißnähte 18, 19 bzw. der Kanten der die Senseleitungen 15, 16 bildenden Leiterbahnen.

Bevorzugt werden die beiden Schweißnähte 18, 19 gleichzeitig mit einem Bifokal-Laser geschweißt. Der Abstand der die Senseleitungen bildenden Leiterbahnen 15, 16 und damit auch der Abstand der Schweißnähte 18, 19 ist entscheidend für den Spannungsabfall an dem den Messwiderstand bildenden Abschnitt des Manganinstreifens 12. Der Spannungsabfall zwischen den Schweißnähten wird mittels der beiden Senseleitungen 15, 16 in einer Messschaltung ausgewertet.
Das Volumen und die Oberfläche des Manganinstreifens 12 kann im Bereich des den Präzisionsmesswiderstand 10 bildenden Abschnitts größer sein als Volumen und Oberfläche des Manganinabschnitts der anhand der 3 beschriebenen bislang verwendeten Strommessvorrichtung. D. h., dass das Volumen und die Oberfläche des Manganinstreifens 12 nicht mehr durch die Vorgaben des Herstellers bestimmt ist sondern größer sein können, um den gleichen Widerstand zu erreichen. Dadurch liegt die Temperatur des heißen Abschnitts bei gleicher Verlustleistung tiefer als bei dem Manganinabschnitt der bisher verwendeten Strommessvorrichtung.
2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel wie in 1 in einer Ansicht von oben. 2 zeigt deutlich die parallel verlaufenden Kanten 25, 26 der Senseleitungen 15, 16 und die direkt an den Kanten fluchtend mit diesen vorgesehenen Laserschweißnähte 18, 19, die den Manganinstreifen 12 mit diesen Innenkanten 25, 16 der Senseleitungen 15, 16 verbinden.
Die erfindungsgemäß gestaltete Strommessvorrichtung bietet die Möglichkeit, die Länge und damit auch die Breite bei gleicher Dicke des Manganinstreifens größer zu wählen als beim bisher verwendeten Präzisionsmesswiderstand. Dies führt zu einer Temperaturerniedrigung im Bereich des heißen Abschnitts desselben, da die Verlustleistung in einem größeren Volumen entsteht und über eine größere Oberfläche abgeführt werden kann. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung, den im Elektronikmodul fließenden Strom, dessen Stärke im Bereich von 30 – 60 A liegt, mit hoher Messgenauigkeit von ≤ 1 % zu messen und gleichzeitig die Lebensdauer des Elektronikmoduls zu verlängern und auch die Sicherheit bei der Messung dieses Stroms zu verbessern.

Claims

Vorrichtung zur Messung eines in einem Elektronikmodul (7) fließenden Stroms mittels eines als Shunt geschalteten Präzisionsmesswiderstandes (10), der als Widerstandselement einen Streifen (12) aus Manganin aufweist, der in eine eine Stromzuleitung (13) und Stromableitung (14) sowie zwei Senseleitungen (15, 16) für den Messwiderstand (10) definierend Schaltung eingeschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuleitung (13) und die Stromableitung (14) sowie die zwei Senseleitungen (15, 16) von einem Stanzgitter gebildet sind und dass der Manganinstreifen durch zwei Schweißnähte (18, 19) direkt auf die die Senseleitungen und die Stromzuleitung (13) und Stromableitung (14) bildenden leitenden Bahnen des Stanzgitters des Elektronikmoduls (7) geschweißt ist, wobei die Dicke und Breite des Manganinstreifens zwischen den Senseleitungen (15, 16) und der Abstand der Schweißnähte (18, 19) oder der Abstand zwischen dem durch den Manganinstreifen überbrückten Abschnitt der Senseleitungen (15, 16) direkt den Widerstandswert des Messwiderstands (10) bestimmen.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Senseleitungen (15, 16) im Abschnitt des den Messwiderstands bildenden Manganinstreifens (12) parallel und in rechtem Winkel zur Längsachse des sie überlappenden Manganinstreifen (12) liegen und die beiden Schweißnähte (18, 19) durch Laserschweißen so angebracht sind, dass sie parallel und fluchtend zu den einander gegenüberliegenden parallelen Innenkanten (25, 26) der Senseleitungen (15, 16) verlaufen.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Manganinstreifen (12) wenigstens in seinem widerstandsbestimmenden Abschnitt zwischen den beiden Senseleitungen (15, 16) gleichmäßig breit, gleichmäßig dick und homogen ist.
Strommessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Senseleitungen (15, 16) und die Stromzu- und -ableitung (13, 14) zum Manganinstreifen (12) Teile eines Stanzgitters aus Kupfer sind.
Strommessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Manganinstreifen (12) und die Stromzu- und -ableitung (13, 14) zum Messwiderstand so gestaltet sind, dass der mit dem Messwiderstand zu messende Strom des Elektronikmoduls eine Stärke im Bereich von annähernd 30 – 60 A haben kann.
Strommessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Manganinstreifen (12) und seine Verbindung mit den Senseleitungen (15, 16) so gebildet sind, dass die Messgenauigkeit der Strommessung kleiner oder gleich als 1 % der Sollstromstärke ist.