DE10118027A1 - Batteriemessklemme mit Fremdstartstützpunkt und integrierter Meßsensorik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung besteht aus einer mehrteiligen Batteriemeßklemme aus mindestens einem Polklemmkontakt, mindestens einem Anschlußkontakt, mindestens einem Isolationskörper und mindestens einem Stromsensor. Der Polklemmkontakt ist hierbei durch den Isolationskörper von dem Anschlußkontakt beabstandet. Polklemmkontakt und Anschlußkontakt sind über einen Strompfad, an dem der Stromsensor angeordnet ist, miteinander elektrisch leitend verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.

In Kraftfahrzeugen werden zunehmend sicherheitsrelevante Funktionen durch Elektronik realisiert. Um sicher zu sein, daß die Funktionsfähigkeit der sicherheitsrelevanten Kompo­ nenten gewährleistet ist, muß eine Versorgung mit elektrischer Energie immer gegeben sein. Hierzu sind im Fahrzeug in der Regel ein Generator und mindestens eine Bordnetzbatterie als Energiepuffer vorhanden. Der sichere Betrieb des Kraftfahrzeuges hängt also insbesondere bei einem Ausfall des Generators auch vom Ladezustand der Bordnetzbatterie ab. Es ist daher wichtig den Ladezustand der Batterie zu überwachen.

In der WO 99/54744 A1 hat man eine Batterieklemme für einen Batteriepluspol vorgeschla­ gen, an deren Batteriekabel eine Meßeinrichtung mit mehreren Sensoren und einer Signalver­ arbeitungseinheit angeordnet ist, mit deren Hilfe die Zustandsgrößen der angeschlossenen Batterie überwacht werden. Gemessen werden die Temperatur der Batterie, die Batteriespan­ nung und der Strom im Batteriekabel. Die Signalverarbeitungseinheit enthält einen Mikro­ prozessor mit einer integrierten Zeitmessung. Über zeitliche Integralbildung wird in dem Mikroprozessor aus den Sensordaten die der Batterie entnommene Ladung bestimmt und auf den aktuellen Ladezustand der Batterie geschlossen.

Eine vorgenannte Batterieüberwachung hat allerdings den Nachteil, daß sie nur diejenige Strommenge erfassen kann, die der Batterie über das Batteriekabel entnommen wurde. Dies kann zu falschen Bewertungen des Ladezustandes einer Batterie führen. Nachträglich einge­ baute Bordnetzlasten werden häufig unmittelbar an der Polklemme der Bordnetzbatterie an­ geschlossen, da ein Redesign des Bordnetzes für nachträgliche Einbauten nicht praktikabel ist. Diese nachträglichen Einbauten werden mit einer Strommessung am Batteriehauptkabel nicht mitgemessen. Weiterhin führt das Geben und Neben von Ladehilfe mit in der Regel an den Polklemmen direkt angeschlossenen Klemmen zu einem Stromfluß aus der Batterie oder in die Batterie der mit bekannten Meßaufbauten nicht mitgemessen wird. Der Ladezustand der Batterie kann sich also ändern, ohne daß dies registriert wird.

Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik stellt sich die erfindungsgemäße Aufgabe die Batterieüberwachung zuverlässiger zu machen und auch Stromableitungen oder Stromzuführungen über an der Batterie angeschlossenen Parallelstrompfaden zu erfassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen An­ spruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Lösung gelingt mit einer mehrteiligen Batteriemeßklemme aus mindestens einem Pol­ klemmenkontakt, mindestens einem Anschlußkontakt, der als Fremdstartstützpunkt genutzt werden kann, mindestens einem Isolationskörper und mindestens einem Stromsensor. Der Polklemmenkontakt ist hierbei durch einen Isolationskörper von dem Anschlußkontakt ge­ trennt. Polklemmenkontakt und Anschlußkontakt sind über einen Strompfad, an oder in dem ein Stromsensor, eine integrierte Signalverarbeitungseinheit oder ein Batteriesteuergerät an­ geordnet ist, miteinander elektrisch leitend verbunden.

Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:
Die Batteriemeßklemme umfaßt den Batteriepol und schirmt ihn gegen außen so weit ab, daß ein elektrischer Kontakt lediglich über den Anschlußkontakt hergestellt werden kann. Strom der der Batterie von extern entnommen oder zugeführt wird, muß also über den Massestrom­ pfad der Batteriemeßklemme fließen und wird somit von dem Stromsensor, der intergrierten Signalverarbeitungseinheit oder dem Batteriesteuergerät erfaßt. Somit ist eine vollständige Ladungsbilanz für die Batterie möglich.

Die Batteriemeßklemme ist einfach in der Handhabung und kann wie eine konventionelle Polklemme gehandhabt werden. Zusätzliche Erklärungen in der Bedienungsanleitung eines Kraftfahrzeuges zur Handhabung der Batteriemeßklemme und zum Anschluß der Batterie, werden durch die erfindungsgemäße Batteriemeßklemme nicht notwendig.

Starthilfekabel oder Batterieladegeräte können wie gewohnt an dem als Fremdstartstützpunkt verwendeten Anschlußkontakt der erfindungsgemäßen Batteriemeßklemme angeschlossen werden. Ein herkömmlicher zusätzlicher, getrennter Fremdstartstützpunkt wird nicht benö­ tigt, so daß der ansonsten für einen getrennten Fremdstartstützpunkt notwendige Bauraum für andere Anwendungen zur Verfügung steht.

Die erfindungsgemäße Batteriemeßklemme kann auch als Nachrüstsatz für bestehende her­ kömmliche Batterieklemmen sowie für herkömmliche Batteriemassekabel ausgebildet wer­ den.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen darge­ stellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Batteriemeßklemme in Seiten­ ansicht,

Fig. 2 schematisch ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Batteriemeßklemme mit einem Meßwiderstand als Stromsensor,

Fig. 3 schematisch ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Batteriemeßklemme in Aufsicht mit integriertem Meßwiderstand und integriertem ASIC,

Fig. 4 schematisch einen Querschnitt zur Fig. 3 entlang der Schnittlinie A:A:,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batteriemeßklemme, bei der die Auswerteelektronik in einem zusätzlichem Gehäuse an der Batteriemeßklemme ange­ ordnet ist,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batteriemeßklemme, bei der der Meßwiderstand als Wellrohr ausgebildet ist,

Fig. 7 eine stark vereinfachte Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Batteriemeßklemme.

Fig. 1 zeigt eine schematische Teilschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Batterie­ meßklemme, wie sie auf einem Batteriepol 1 angeodnet ist. Die Batteriemeßklemme besteht aus einem Polklemmenkontakt 2, einem Isolationskörper 4 und einem Anschlußkontakt 3. Polklemmenkontakt und Anschlußkontakt sind voneinander durch den elektrischen Isolati­ onskörper 4 getrennt. Der Anschlußkonatkt umschließt den Isolationskörper und den Pol­ klemmenkontakt. Vorteilhafterweise sind Polklemmenkontakt, Isolationskörper und Anschlußkontakt ringförmig ausgebildet, es sind jedoch auch andere geometrische Formen möglich, insbesondere kann die Außenkontur des Anschlußkontakts ein Vierkantprofil sein. Die Batteriemeßklemme ist als Klemmkontakt ausgebildet und umschließt den Batteriepol bis auf einen kleinen Ausgleichsschlitz vollständig. Die Befestigung der Batterieklemme erfolgt in der von herkömmlichen Autobatterieklemmen bekannten Weise mit einer Klemmschraube. Die Klemmschraube ist nicht dargestellt. Eine bekannte Batterieklemme findet sich in der WO 99/54744 A1, deren Klemmechanismus hier ausdrücklich in die Erfindung miteinbezo­ gen wird. Polklemmenkontakt und Anschlußkontakt sind über einen Strompfad 6 miteinander verbunden. An oder in dem Srompfad 6 ist mindestens ein Stromsensor 7 angeordnet, der den Stromfluß durch den Strompfad mißt. Vorteilhafterweise ist jedoch in dem Strompfad 6 eine komplette Signalverarbeitungseinheit oder ein Batteriesteuergerät 8 angeordnet, die oder das neben dem Stromfluß im Strompfad auch noch die Batteriespannung und die Batterietempe­ ratur mißt und überwacht. Beispiele für geeignete Stromsensoren oder Signalverarbeitungs­ einheiten finden sich u. a. in der WO 99/54744 A1. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Stromsensor 7 oder die Signalverarbeitungseinheit 8 in die Batteriemeßklemme integriert. Stromsensor oder Signalverarbeitungeinheit befinden sich in einer Ausnehmung des Isolati­ onskörpers, der den Polklemmenkontakt von dem Anschlußkontakt trennt. Die Signalverar­ beitungseinheit wird im folgenden auch als Batteriesteuergerät bezeichnet. Batteriesteuergerät ist der in der Sprache der Technik gebräuchlichere Begriff.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriemeßklemme, bei der der Stromsensor 7 als Meß­ widerstand zwischen dem Polklemmenkontakt und dem Anschlußkontakt ausgebildet ist.

Auf dem Meßwiderstand ist eine Meßelektronik in Form einers ASIC-Bauelementes 9 ( ASIC = Application Specific Integrated Circuit) zur Strom-/Spannungs-/Temperatur- Messung aufgebracht. Die Temperaturmessung wird hierbei über einen in den ASIC- Baustein integrierten Temperatur-Sensor durchgeführt. Die Spannungsmessung wird über den batterieseitigen Anschluß des ASIC's ausgeführt. Hierbei ist darauf zu achten, dass dieser möglichst nah an dem Polklemmenkontakt angeordnet ist. Sollte dies nicht möglich sein, so kann über eine zusätzliche (nicht eingezeichnete) Leitung die Spannung am Polklemmen­ kontakt gemessen werden. Zwischen Polklemmenkontakt und Anschlußkontakt ist ein Isola­ tionskörper 4 angeordnet. Der Isolationskörper enthält eine Ausparung 10 zur Aufnahme des ASIC-Bausteins.

Die gesamte Anordnung ist als ringförmige, geschlitzte Polklemme ausgebildet (siehe Fig. 6), damit sie ihre Abmessungen beim Anbringen der Polklemme auf dem Batteriepol ändern kann. Hierbei ist der Aufbau des Meßwiderstandes so zu wählen, dass im Bereich der Befes­ tigung des ASIC-Bauelementes keine mechanischen Spannungen entstehen.

In einer weiteren Ausgestaltung muß der äußere Anschlußkontakt nicht formschlüssig mit der Batteriemeßklemme verbunden sein, sondern kann als wechselbare Hülse oder Kappe ausge­ führt sein. Es sind auch andere geometrische Formen als ein Ring (Konus, Ring mit teilweise abgeflachten Seiten, etc) möglich.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen zwei Ansichten einer erfindungsgemäße Batteriemeßklemme, bei der der Polklemmenkontakt 2 und der Anschlußkontakt 3 über einen Meßwiderstand 7 miteinan­ der verbunden sind und bei der in einer Ausnehmung 10 in dem Isolationskörper 4 zwischen Polklemmenkontakt und Anschlußkontakt ein Batteriesteuergerät, vorzugsweise als ASIC- Baustein 9 ausgebildet, angeordnet ist.

Gezeigt ist eine Batteriemeßklemme mit integrierter Strom-, Spannungs- und Temperatursen­ sorik, wobei innerhalb der Klemme eine Vorverarbeitung der Meßsignale mit Hilfe einer in­ tegrierten Elektronik durchgeführt wird. Diese Elektronik besteht aus einer Vorverstärkungsstufe, die die Meßspannung an dem Meßwiderstand 7 verstärkt und ein stromproportionales Signal ausgibt. Weiterhin wird die Spannung an der Batterie bestimmt und gegebenenfalls durchgeschleift oder ausgegeben. Weiterhin ist eine Temperaturmessung mit einem Sensor 11 (z. B. PTC-Leiter) oder einem in der Elektronik bzw. in einem ASIC integrierten Temperatur­ sensor (z. B. eine Diode oder ein Transistor) möglich. Vorteilhafterweise werden die Meß­ punkte im Inneren der Batteriemeßklemme, d. h. zwischen Polklemmenkontakt und Anschlußkontakt realisiert. Dabei kann die Batteriemeßklemme einstückig als integrierte Polklemme ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, die Batteriemeßklemme mehrstöckig asl Nachrüstsatz auszubilden. Als Nachrüstsatz wird die Batteriemeßklemme auf die konven­ tionelle Polklemme einer Kfz-Batterie aufgesteckt. Hierdurch wird eine optimale thermische Ankopplung an die Batterie erreicht. Dies ermöglicht, die Batterietemperatur mit guter Ge­ nauigkeit zu bestimmen. Mit Vorteil kann hierdurch ebenso die im Meßwiderstand 7 entste­ hende Wärme auf der einen Seite ins Kabel, auf der anderen Seite in die Batterie abgeführt werden. Durch diese Batteriemeßklemme wird weiterhin sichergestellt, daß kein Strompfad entstehen kann, dessen Stromfluß nicht gemessen wird (z. B. Fremdladung, nachträglich in­ stallierte unmittelbar an der Polklemme angeschlossene Verbraucher, etc.)

Ein weiterer Vorteil der integrierten Anordnung der Meßelektronik in der Batteriemeßklem­ me ist darin zu sehen, daß die Meßelektronik zur Bestimmung des Batteriestromes unmittel­ bar in der Nähe bzw. sogar auf dem Meßwiderstand angeordnet ist. Dies vermeidet eine Ein­ kopplung von Störungen auf den Verbindungsleitungen zwischen Meßwiderstand und Me­ ßelektronik.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Meßelektronik eine zusätzliche Verarbei­ tung der Meßdaten. Hierzu ist ein Microcontroller, der ebenfalls innerhalb des ASIC's reali­ siert ist, in der Batteriemeßklemme integriert. Dieser Microcontroller übernimmt die Über­ wachung der Batteriekenngrößen, die für den Zustand der Batterie maßgeblich sind (z. B. Temperatur, Ladungsbilanz, Innenwiderstand). Es ist aber auch möglich, den Microcontroller von der Batteriemeßklemme getrennt auszuführen und die gemessenen Batterieparameter, - Strom, Spannung, Temperatur -, mit Datenleitungen aus der Batteriemeßklemme zu dem Microcontroller zu übertragen.

Die Ausbildung der Meßwertelektronik und des Microcontroller als ASIC-Baustein ermög­ licht die Applikation der Meßwertelektronik und des Microcontrollers unmittelbar auf dem Meßwiderstand. Hierzu ist in dem Isolationskörper zwischen Polklemmenkonatkt und Anschlußkontakt eine Aussparung angebracht, die den ASIC-Baustein aufnimmt. Nachdem der ASIC-Baistein auf dem Meßwiderstand appliziert wurde, wird die Ausparung mit einer Moltmasse versiegelt. Hierdurch wird neben dem ASIC-Baustein auch der Kabelabgang aus der Batteriemeßklemme heraus geschützt.

Fig. 4 zeigt nochmals das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 als Querschnitt in Seitenansicht entlang der Schnittlinie A:A: Zu Schutzzwecken ist die Batteriemeßklemme und der Batte­ riepol mit einer Schutzkappe 12 ersehen. Die Schutzkappe schützt die Anordnung gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung und hilft im Kraftfahrzeug ein Korrodieren des Batteriepols zu unterdrücken.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriemeßklemme, bei der die Meßelektronik und der Microcontroller als ASIC-Baustein zumindest teilweise in einem zu­ sätzlichen Gehäuse am äußeren Umfang des Anschlußkontaktes der Batteriemeßklemme an­ geordnet sind. Das zusätzliche Gehäuse enthält einen Steckeranschluß 13, über den der ASIC-Baustein mit weiteren elektronischen Geräten oder Steuergeräten im Bordnetz des Kraftfahrzeuges verbunden werden kann.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batteriemeßklemme mit seitli­ cher Verlängerung des Anschlußkontaktes 3 und seitlicher Verlängerung des Polklemmen­ kontaktes 2. Dargestellt sind eine Schnittdarstellung in Seitenansicht und eine verkleinerte Aufsicht der Batteriemeßklemme. Die seitlichen Verlängerungen von Polklemmenkontakt 2 und Anschlußkontakt 3 bilden zusammen mit dem zwischen den beiden Kontakten angeord­ neten Isolationskörper 4 einen stegförmigen Kabelabgang 15 an dessen seitlicher Verlänge­ rung des Anschlußkontaktes mit geeigneten Befestigungsmitteln das hier nicht dargestellte Batteriekabel angeschlossen wird. Der Stromsensor 7 als Meßwiderstand und die Signalver­ arbeitungseinheit 8 als ASIC-Baustein 9 sind integraler Bestandteil des stegförmigen Kabelabgangs. Der Strompfad zur Verbindung des Anschlußkonatktes 3 mit dem Polklemmen­ kontakt 2 wird mit einem elektrisch leitenden Brückenglied 16 hergestellt. Das Brückenglied 16 verbindet am dem Batteriepol abgewandten Ende des stegförmigen Kabelabgangs 15 die beiden seitlichen Verlängerungen von Anschlußkontakt und Polklemmenkonatkt miteinander. Der Stromsensor ausgebildet als Meßwiderstand 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel inte­ graler Bestandteil des Kabelabgangs, hier insbesondere intergraler Bestandteil der seitlichen Verlängerung des Polklemmenkontaktes. Die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet als ASIC-Baustein 9 ist zweckmäßiger Weise in einer Ausparung 10 des Kabelabgangs 15 auf dem Meßwiderstand 7 angeordnet und ebenfalls integraler Bestandteil des stegförmigen Ka­ belabgangs. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 hat den Vorteil, daß der stegförmige Kabel­ abgang weitgehend frei von mechanischen Spannungen bleibt, wenn die Batteriemeßklemme an den Batteriepol angeklemmt wird. Damit übertragen sich auch keine mechanischen Span­ nungen auf den Meßwiderstand oder den auf dem Meßwiderstand applizierten ASIC- Baustein.

Fig. 7 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Batte­ riemeßklemme. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Meßwiderstand 7 aus einem wellblech­ förmigen Ring oder Rohrstück, im folgenden als Wellrohr bezeichnet, zwischen Polklem­ menkonatkt 2 und Anschlußkontakt 3 der Batteriemeßklemme ausgebildet. An Stelle einer Wellrohrausführung kann der Meßwiederstand auch aus einer Netz- oder Wabenstruktur ge­ bildet sein. Diese Strukturen haben den Vorteil, daß sie in der Lage sind mechanische Span­ nungen ohne Schaden aufzunehmen. Mechanische Spannungen können in der Batterie­ meßklemme z. B. dann entstehen, wenn die schematisch angedeutete Verschraubung 14 beim Befestigen der Batteriemeßklemme an einem Batteriepol festgezogen wird. Die Hohlräume zwischen dem Wellrohr und Anschlußkontakt oder Polklemmenkontakt werden mit einer isolierenden Vergußmasse gefüllt. Diese Vergußmasse bildet den Isolationskörper der voran­ gegangenen Ausführungsbeispiele und gibt der gesamten Anordnung die notwendige Stabili­ tät. Bei der Verwendung von netz- oder wabenförmigen meßwiderständen werden die Netz­ zwischenräume oder Wabenzwischenräume mit einer vergußmasse gefüllt. Mit der Bezugs­ ziffer 15 ist der Kabelabgang der Batteriemeßklemme angedeutet.

Claims (17)

1. Batteriemeßklemme zur Überwachung des Ladezustandes einer Fahrzeugbatterie aus mindestens einem Polklemmenkontakt (2) und mindestens einem Anschlußkontakt (3), die voneinander durch einen Isolationskörper (4) getrennt sind und wobei der Polklem­ menkontakt (2) mit dem Anschlußkontakt (3) über einen Strompfad (6) elektrisch ver­ bunden ist und in oder an diesem Strompfad ein Stromsensor (7) oder eine integrierte Signalverarbeitungseinheit (8) angeordnet ist, mit der der Strom im Strompfad (6) ge­ messen wird.

2. Batteriemeßklemme nach Anspruch 1 ausgebildet als ringförmige Polklemme mit einem ringförmigen inneren Polklemmenkontakt (2) und einem ringförmigen äußeren Anschlußkontakt (3).

3. Batteriemeßklemme nach Anspruch 1 ausgebildet als Polkappe mit einem ringförmigen inneren Polklemmenkontakt (2) und einem kappenförmigen äußeren Anschlußkontakt (3).

4. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet für einen Batteriemi­ nuspol einer Fahrzeugbatterie (Normklemme 31).

5. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet für einen Batterie­ pluspol einer Fahrzeugbatterie (Normklemme 30).

6. Batteriemeßklemme nach Anspruch 3, bei der der Stromsensor (7) oder die Signalverar­ beitungseinheit (8) in der Batteriemeßklemme integriert ist.

7. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als einstückige Batterie­ meßklemme, bei der der Polklemmenkontakt (2), der Isolationskörper (4) und der Anschlußkontakt (3) fest miteinander verbunden sind.

8. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als mehrstückige Batterie­ meßklemme, bei der der Anschlußkontakt (3) und der Isolationskörper (4) vom Polklemmenkonatkt (2) trennbar sind.

9. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Stromsensor ein Meßwiderstand ist.

10. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Signalverarbeitungs­ einheit als ASIC-Baustein (9) ausgebildet ist.

11. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einem Steckeranschluß (13).

12. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der Stromsensor (7) als Meßwiderstand mit Netzstruktur oder Wabenstruktur ausgebildet ist.

13. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der Stromsensor als Wellrohr ausgebildet ist.

14. Batteriemeßklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine seitliche Verlänge­ rung des Polklemmenkontakts (2) und eine seitliche Verlängerung des Anschlußkontak­ tes (3) einen stegförmigen Kabelabgang (15) bilden.

15. Batteriemeßklemme nach Anspruch 14, bei der der Stromsensor (7) integraler Bestand­ teil des Kabelabgangs (15) ist.

16. Batteriemeßklemme nach Anspruch 14 oder 15, bei der die Signalverarbeitungseinheit (8) in einer Ausnehmung (10) im Kabelabgang (15) angeordnet ist.

17. Batteriemeßklemme nach Anspruch 1 G, bei der die Signalverarbeitungseinheit (8) als ASIC-Baustein (9) ausgebildet ist.