DE102005019569A1 - Shunt, Batteriesensor und Verfahren zur Herstellung eines Shunts - Google Patents
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Abstract
Um Shunts (1) mit Widerstandselementen (5) aus Manganin in einen Batteriesensor (2) für Fahrzeuge einzubauen, sind aufwändige Schweißverfahren notwendig, da das Manganin mit dem Messing von Polklemmen (10) nicht direkt verschweißbar ist. Es wird deshalb vorgeschlagen, eine Polklemme (10) und ein zweites Anschlusselement (20) mit einem Widerstandselement (5) zu verbinden, indem die Polklemme (10) mit dem Widerstandselement (5) z. B. durch Hartlöten stoffschlüssig verbunden wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Shunt, einen Batteriesensor mit einem Shunt und ein Verfahren zur Herstellung eines Shunts nach den unabhängigen Patentansprüchen.
- Ein offensichtliches, aber nicht einschränkendes Anwendungsgebiet sind Batteriesensoren zur Messung des Ladungszustandes von Batterien. Der Ladezustand einer Batterie lässt sich anhand der Kenngrössen Temperatur der Batterie, Spannung und Strom ermitteln. Um die Kenngrösse Strom zu ermitteln wird der Spannungsabfall über einen Shunt gemessen. Der Strom über dem Shunt kann durch Kenntnis des elektrischen Widerstandes des Shunts mittels dem Ohm'schem Gesetz ermittelt werden.
-
1 zeigt den strukturellen Aufbau eines in einen Batteriesensor eingebauten herkömmlichen Manganin-Präzisionswiderstandes. Ein Widerstandselement5 aus Manganin ist auf beiden Seiten an je einen Kupferabschnitt15 angeschweißt. Solche dreilagigen Präzisionswiderstände, mit einem Aufbau Kupfer-Manganin-Kupfer sind auf dem Markt erhältlich. Wird ein solcher dreilagiger Präzisionswiderstand in einen Batteriesensor eingebaut, so werden die beiden Kupferabschnitte15 an je ein Anschlusselement10 ,20 angeschweißt. Das Widerstandselement5 liefert den Hauptbeitrag zum elektrischen Widerstand, während die anderen verwendeten Elemente10 ,15 ,20 idealerweise einen sehr geringen elektrischen Widerstand aufweisen. Die Herstellung eines herkömmlichen dreilagigen Präzisionswiderstandes erfolgt durch Verschweißen von Streifen aus Kupfer, Manganin, Kupfer per Elektronenstrahl-Schweißen. Aus diesem Streifen können je nach Bedarf unter schiedliche Konturen gestanzt werden. Ein solcher herkömmlicher dreilagiger Präzisionswiderstand wird für den Einbau in einen Autobatteriesensor an den Kupfer-Enden an die Polklemme, bzw. an den Anschluss für die Masseleitung geschweißt. - Manganin eignet sich besonders gut als Ausgangsmaterial für Widerstandselemente, da sich dessen elektrischer Widerstand nur geringfügig mit der Temperatur ändert. Soll beispielsweise ein Batteriesensor zur Messung des Ladezustandes einer Batterie gemessen werden, so muss der Strom, die Spannung und die Temperatur der Batterie gemessen werden. Bei Materialien, deren elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist, besteht der Nachteil von Störeffekten in dem Sinne, dass die Temperatur die Spannung und den Strom beeinflusst. Ein weiterer Vorteil von Manganin ist, dass dieses Material mit Kupfer nur einen geringen thermoelektrischen Effekt aufweist. Damit werden beispielsweise Schaltkreise mit Kupferleitungen, welche dazu dienen, die Spannung über einem Shunt zu messen, nur unwesentlich durch ein thermoelektrisches Potential verfälscht.
- Die in Autobatterien verwendeten Polklemmen bestehen normalerweise aus Messing. Polklemmen aus Messing weisen den Vorteil auf, dass sie nicht korrosiv sind und die Klemmkraft über die Lebensdauer des Fahrzeugs erhalten. Auch fließt Messing nicht unter dem Druck von Schrauben, wodurch gewährleistet wird, dass sich die Schrauben durch Vibrationen während des Betriebs eines Fahrzeugs nicht lösen.
- Messing kann jedoch weder mit Kupfer noch mit Manganin verschweißt werden. Manganin-Präzisionswiderstände sind unter anderem daher auf dem Markt in einer Form erhältlich, bei welcher ein Widerstandselemente aus Manganin an zwei Kupferabschnitte geschweißt sind. Wird ein solcher Präzisionswider stand in einen Batteriesensor eingebaut, so wird zunächst ein Kupferplättchen and die Polklemme gelötet. Dann wird ein Kupferabschnitt des Präzisionswiderstands an das Kupferplättchen der Polklemme und der andere Kupferabschnitt an einen Kabelschuh geschweißt. Nach der herkömmlichen Bauweise sind daher beispielsweise für Autobatteriesensoren eine Lötung Messing-Kupfer und vier Verschweißungen Kupfer – Kupfer – Manganin – Kupfer – Kupfer notwendig.
- In
EP 0 245 166 A1 wird ein flaches Kabel, zum kontrollierten Wärmetransport zur Verwendung in der Kryogenie vorgestellt. Das Kabel besteht aus einer Isolationsschicht, auf welcher eine erste schlecht wärmeleitende Schicht z.B. aus Manganin angebracht ist. Auf der ersten Schicht ist eine zweite diskontinuierliche Schicht aus einem gut leitenden Material z.B. Kupfer angebracht. In der Beschreibung findet sich ein Hinweis darauf, dass diese beiden Schichten verschweißt sind. - In
US 6,225,684 B1 wird ein Trägerstreifen mit einem integrierten Widerstandselement aus Manganin für eine integrierte Schaltung vorgestellt, die den tiefen Temperaturkoeffizienten dieses Materials ausnützt, um die Präzision von Strommessungen nicht durch Temperaturänderungen zu beeinflussen. - Nachteilig ist dessen komplizierte Struktur und die aufwändige Herstellung.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen vereinfachten Shunt, einen vereinfachten Batteriesensor mit einem Shunt, und ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines Shunts anzugeben.
- Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1, 7 und 10 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
- Dadurch dass
das erste Anschlusselement Messing enthält und mit dem Widerstandselement stoffschlüssig verbunden ist,
vereinfacht sich die Herstellung und Integration eines Shunts, und es ergibt sich ein zuverlässiger Kontakt, der beständig gegen Vibrationen und Umwelteinflüsse ist. So sind nur noch zwei Verbindungsstellen notwendig, um einen Shunt in eine elektronische Schaltung zu integrieren. Auch ist die Automation von Schweißprozessen anspruchsvoll, oft werden diese auch heute noch in Handarbeit ausgeführt, während sich beispielsweise Klebe- oder Lötprozesse einfacher automatisieren lassen. - Die folgenden Vorteile ergeben sich zusätzlich:
Besonders vorteilhaft ist das Anlöten, vorzugsweise Hartlöten des ersten Anschlusselements an das Widerstandselement. Es ergibt sich dadurch eine einfach auszuführende und gegen Umwelteinflüsse beständige Verbindung. - Eine planare Ausbildung des Widerstandselementes hat den Vorteil, dass es einfacher und fester an Anschlusselemente angeschlossen werden kann. Die für einen Anschluss vorgesehenen Stellen der Anschlusselemente sind meist auch planar. Durch eine planare Ausbildung des Widerstandeslementes ergibt sich eine maximale Kontaktfläche. Zudem lässt sich ein planares Widerstandselement auch besser in eine Schaltung integrieren, da der Abstand zu andere planaren Elementen, wie z.B. Leiterplatten immer gleich gehalten werden kann.
- Für Batteriesensoren, insbesondere in der Fahrzeugtechnologie, lässt sich die Erfindung besonders vorteilhaft einsetzen. Die in Fahrzeugbatterien verwendeten Polklemmen bestehen üblicherweise aus Messing. Mit der vorliegenden Erfindung können aufwändige Schweißverfahren umgangen werden, indem ein Widerstandselement aus Manganin an die Polklemme, welche in diesem Fall das erste Anschlusselement des Shunts ist, angeschlossen wird. Ebenso kann das Widerstandselement direkt an einen Kabelschuh, welcher in diesem Fall das zweite Anschlusselement des Shunts ist, angeschlossen werden, beispielsweise durch Hartlöten, Weichlöten, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Kleben. Dadurch dass das zweite Anschlusselement stoffschlüssig an das Widerstandselement angeschlossen ist, ergibt sich ein zuverlässiger Kontakt, der beständig gegen Vibrationen und Umwelteinflüsse ist.
- Mit Hilfe von Pins können auf dem Shunt Kenngrössen – insbesondere die Temperatur, die Spannung über und der Strom durch den Shunt – abgegriffen werden, welche Rückschlüsse über den Ladungszustand der Batterie ermöglichen.
- Dadurch,
dass der Batteriesensor einen ersten Pin zum Abgreifen einer Kenngrösse aufweist, welcher mit dem Shunt verbunden ist, kann die Temperatur am Ort des Abgriffs gemessen werden. Aus dieser gemessenen Temperatur kann mit Hilfe der thermischen Eigenschaften von Batterie und Shunt die Temperatur in der Batterie bestimmt werden. - Dadurch, dass der Batteriesensor einen zweiten Pin aufweist, welcher mit dem Shunt verbunden ist, kann über den ersten und den zweiten Pin eine Parallelschaltung zum Shunt angeschlos sen werden, welche die Spannung und den Strom über dem Shunt misst. Besonders einfach, lässt sich eine solche Parallelschaltung auf einer Leiterplatte, welche mit dem ersten und dem zweiten Pin verbunden ist, integrieren.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 Struktureller Aufbau eines in einen Batteriesensor eingebauten Manganin-Präzisionswiderstandes in herkömmlicher Bauweise. -
2 Aufbau eines Shunts in einer ersten Ausführungsform -
3 Aufbau eines Batteriesensors mit Shunt in einer vierten Ausführungsform -
1 zeigt den strukturellen Aufbau eines in einen Batteriesensor eingebauten herkömmlichen Manganin-Präzisionswiderstandes. Ein Widerstandselement5 aus Manganin ist auf beiden Seiten an je einen Kupferabschnitt15 angeschweißt. Solche dreilagigen Präzisionswiderstände, mit einem Aufbau Kupfer-Manganin-Kupfer sind auf dem Markt erhältlich. Wird ein solcher dreilagiger Präzisionswiderstand in einen Batteriesensor eingebaut, so wird einer der beiden Kupferabschnitte an eine Polklemme10 aus Messing angeschweißt, während der andere Kupferabschnitt an den Kabelschuh angeschweißt wird. Insgesamt sind also4 Schweißstellen notwendig. -
2 zeigt den Aufbau eines Shunts1 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung. An ein Widerstandselement5 aus Manganin ist auf einer Seite ein erstes Anschlusselement10 aus Messing angelötet. Eine solche Verbindung kann beispielsweise durch Hartlöten vorgenommen werden. Die Verbindung kann auch mittels Weichlöten vorgenommen werden, jedoch ist eine solche Verbindung weniger beständig gegen mechanische und thermische Einflüsse als eine hartgelötete Verbindung. In dieser ersten Ausführungsform ist auf der anderen Seite des Widerstandselementes5 ein zweites Anschlusselement20 aus Kupfer angeschweißt. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen hergestellt werden. Im Gegensatz zu der in1 dargestellten herkömmliche Bauweise, braucht die in2 dargestellte Ausführungsform nur zwei Verbindungsstellen um das Manganin mit den beiden Anschlusselementen10 ,20 elektrisch zu verbinden. - In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Anschlusselement
20 an das Widerstandselement10 angelötet. In einer dritten Ausführungsform besteht das zweite Anschlusselement20 aus einem beliebigen leitfähigen Material. -
3 zeigt den Aufbau eines Batteriesensors2 mit einem Shunt1 in einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Ein Widerstandselement5 aus Manganin ist dabei stabförmig ausgebildet und in den Strompfad eingebracht, indem es an einem Ende an eine Polklemme10 aus Messing angelötet ist, während es am andern Ende an den Leitungsabgang60 eines Kabelschuhs20 aus Kupfer angeschweißt ist. Der Shunt1 wird in diesem Ausführungsbeispiel also durch das Widerstandselement5 und durch die Polklemme10 und den Kabelschuh20 gebildet. Durch den Lötvorgang entsteht eine Lötstelle40 und durch den Schweißvorgang eine Schweissstelle30 . Die Lötverbindung mit dem Messing kann z.B. mittels Hartlöten vorgenommen werden, während die Schweissverbindung beispielsweise durch Elektronenstrahl- oder Laserschweissen hergestellt werden kann. - In einer weiteren Ausführungsform ist das Widerstandselement
5 aus Manganin mittels eines geeigneten Klebers an die Polklemme10 und an den Kabeschuh20 geklebt. - Der in
3 dargestellte Batteriesensor2 weist zwei Pins51 ,52 zur Ermittlung von Kenngrössen auf, welche mit dem Shunt1 verbunden sind. Die zwei Pins51 ,52 sind mit einer Leiterplatte50 verbunden. In dieser Ausführungsform ist auf der Leiterplatte50 eine im Vergleich zum Widerstandselement5 hochohmige parallel angeschlossene Schaltung (nicht dargestellt in3 ) angeordnet, welche dazu dient, die Spannung über dem Widerstandselement5 zu messen. Der Strom welcher durch das Widerstandselement5 fliesst, lässt sich mit Hilfe des Ohm'schen Gesetzes aus dem elektrischen Widerstand des Widerstandselementes5 und der ermittelten Spannung errechnen. - Die Temperatur kann ebenfalls über einen der zwei Pins
51 ,52 abgegriffen werden. In einer anderen Ausführungsform ist für das Abgreifen der Temperatur ein dritter Pin vorgesen. Die Temperatur in der Batterie kann mit Hilfe der Wärmeleitung aus der auf dem Shunt1 gemessenen Temperatur ermittelt werden. Wird die Temperatur in der Nähe von der Batterie abgegriffen, und ist der Abschnitt zwischen dem Pin, mit welchem die Temperatur abgegriffen wird und der Batterie kurz, so ist näherungsweise die Batterietemperatur identisch mit der abgegriffenen Temperatur.
Claims (12)
- Shunt (
1 ) umfassend – ein Manganin enthaltendes Widerstandselement (5 ), – ein erstes (10 ) und ein zweites (20 ) elektrisch leitendes Anschlusselement, welche je mit dem Widerstandselement verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlusselement (10 ) Messing enthält und mit dem Widerstandselement (5 ) stoffschlüssig verbunden ist. - Shunt (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlusselement (10 ) an das Widerstandselement (5 ) angelötet ist. - Shunt (
1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (5 ) planar ausgebildet ist. - Shunt (
1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlusselement (10 ) eine Polklemme ist. - Shunt (
1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (20 ) stoffschlüssig an das Widerstandselement (5 ) angeschlossen ist. - Shunt (
1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (20 ) ein Kabelschuh ist. - Batteriesensor (
2 ) umfassend einen Shunt (1 ) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriesensor (2 ) einen ersten Pin (51 ) zum Abgreifen einer Kenngrösse aufweist, welcher mit dem Shunt verbunden ist. - Batteriesensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriesensor (
2 ) einen zweiten Pin (52 ) aufweist, welcher mit dem Shunt (1 ) verbunden ist. - Batteriesensor (
2 ) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (51 ) und der zweite Pin (52 ) mit einer Leiterplatte (50 ) verbunden sind. - Verfahren zur Herstellung eines Shunts (
1 ), welcher ein Manganin enthaltendes Widerstandselement (5 ) und ein erstes (10 ) und ein zweites (20 ) elektrisch leitendes Anschlusselement umfasst, welche mit dem Widerstandselement verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlusselement (10 ) Messing enthält und dass das Widerstandselement (5 ) stoffschlüssig an das erste Anschlusselement (10 ) angeschlossen wird. - Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlusselement (
10 ) mittels Hartlöten an das Widerstandselement (5 ) angelötet wird. - Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (
10 ) mittels Elektronenstrahlschweissen oder mittels Laserschweissen an das Widerstandselement (5 ) angeschweisst wird.
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