-
Die
Erfindung betrifft eine berührungslos arbeitende Strommessanordnung
zur Messung eines Batteriestromes.
-
Um
beispielsweise in Fahrzeugen die Verfügbarkeit der jeweiligen
Fahrzeugbatterie zu erhöhen, werden immer häufiger
so genannte Batteriesensoren eingesetzt, die u. a. den Strom, der
der Batterie entnommen bzw. ihr hinzugefügt wird, erfassen. Der
so erhaltene Messwert wird dann mittels entsprechender Algorithmen
ausgewertet, so dass der Ladezustand der Batterie im Rahmen eines
Energiemanagements zur Verfügung steht. Die Platzierung
eines solchen Batteriesensors erfolgt zweckmäßigerweise
vor der ersten Aufzweigung des Stromkreises, und damit möglichst
nahe an der Batterie.
-
Beispielsweise
aus der
EP 1 435 524
A1 bekannte Batteriesensorsysteme verwenden einen in der
Nähe des Polschaftes in den Stromkreis eingebrachten Shunt-Widerstand,
wobei die an dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung, die proportional
zu dem durch ihn fließenden Strom ist, gemessen wird. Prinzipbedingt
muss dazu eine elektrische Verbindung zwischen dem Shunt-Widerstand
und der Auswerteelektronik vorgesehen werden. Die Auswerteelektronik
ist üblicherweise auf einer Platine angebracht und befindet
sich zweckmäßigerweise so nah wie möglich
am Shunt-Widerstand. Dieser Aufbau bedingt eine Schnittstelle zwischen
dem Kunststoffgehäuse der Auswerteelektronik, dem Shunt-Widerstand,
dem Polschaft und einer abführenden Stromschiene zur Befestigung
des Batteriekabels. Üblicherweise verwendete Kunststoffe
haben den Nachteil, dass sie keine dichte Verbindung zu Kupfer bzw.
Kupferlegierungen der Batteriestrom führenden Teile eingehen
können. An diesen Schnittstellen kann sich bei entsprechenden
Einsatzbedingungen Korrosion bilden, die die Auswerteelektronik
schädigt und letzt endlich zu einem Defekt des Batteriesensors führen
kann. Darüber hinaus ist prinzipbedingt die Messung selbst
auch nicht potenzialfrei.
-
Eine
Anordnung nach
DE 35
32 044 A1 umgeht diese Probleme mittels eines berührungslos
arbeitenden Stromsensors, bei dem ein offener magnetischer Kreis
in Verbindung mit einem Hall-Sensorelement, das in einem Luftspalt
des magnetischen Kreises angeordnet ist, um den stromführenden
Leiter herum platziert ist. Ein offener magnetischer Kreis zeigt
jedoch eine starke Anfälligkeit gegen externe Magnetfelder
und ist daher sehr störanfällig. Darüber hinaus
ist ein solches System, bedingt durch die Remanenz des magnetischen
Materials, nicht geeignet, Ströme im mA-Bereich zu messen.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine berührungslos und damit
potenzialfrei arbeitende Strommessanordnung zur Messung eines Batteriestromes
anzugeben, die eine hohe Genauigkeit bei kleinen Strömen
aufweist und möglichst nahe an der Batterie anordenbar
ist.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch eine berührungslos arbeitende
Strommessanordnung gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen
und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von
Unteransprüchen.
-
Eine
erfindungsgemäße berührungslos arbeitende
Strommessanordnung zur Messung des zu- und abfließenden
Stromes einer mindestens einen stabförmigen Polschaft aufweisenden
Batterie, umfasst einen mit einer Wicklung versehenen geschlossenen
Ringkern, der mindestens einen Polschaft umschließt. Ferner
ist eine Auswerteschaltung vorgesehen, die neben dem Polschaft angeordnet
ist und die mit der Wicklung des Ringkerns elektrisch verbunden ist.
Dabei bilden Ringkern, Wicklung und Auswerteschaltung einen Kompensationsstromsensor,
welcher ein Messsignal bereitstellt, das dem in dem Polschaft fließenden
Strom proportional ist.
-
Vorteil
der vorliegenden Erfindung ist es, dass ein geschlossenes magnetisches
System verwendet wird, das sehr robust gegenüber externen Magnetfeldern
ist und das berührungslos arbeitet, so dass es weniger
anfällig für Korrosion ist. Solche magnetische
Kreise sind zusammen mit entsprechenden Auswerteschaltungen auch
in der Lage, kleinere Ströme, d. h. auch Ströme
im mA-Bereich mit hoher Genauigkeit zu messen und weisen darüber
hinaus auch einen großen Messbereich hin zu höheren
Strömen auf. Durch Anordnen der Messanordnung an der Polschiene
wird eine maximale Nähe zur Batterie erreicht und dabei
der zur Verfügung stehende Platz optimal genutzt. Die Anordnung
kann als eine einzige Bauform realisiert werden, so dass sie sich
hermetisch mit einer Kunststoffhülle abschließen
lässt und damit das Eindringen von Feuchtigkeit, welche
zur Korrosion metallischer Teile führen kann, verhindert. Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass kein zusätzlicher
Widerstand in den Batteriestromkreis eingebracht wird, wodurch keine
zusätzliche Verlustleistung und damit keine (weitere) Wärmeentwicklung verursacht
wird. Darüber hinaus muss der Stromkreis nicht aufgetrennt
werden, um den Shunt-Widerstand einzufügen, was zum Einen
die Korrosionsanfälligkeit weiter herabsetzt und zum Anderen
eine leichtere Montage erlaubt, da der Stromsensor lediglich (ohne
elektrische Kontaktierung) aufgesteckt wird.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert,
wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es
zeigt:
-
1 eine übliche
Fahrzeugbatterie in der Draufsicht,
-
2 eine
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Strommessanordnung unter Verwendung einer zusätzlichen
Messeinrichtung,
-
3 eine
Ausführungsform eines mit einem Gehäuse versehenen
bewickelten Ringkerns,
-
4 die
Anordnung des Ringkerns nach 3 an einer
Polschiene einer Batterie,
-
5 die
Anordnung nach 4 mit zusätzlich einem
Gehäuseteil zur Aufnahme der Auswertelektronik und
-
6 eine
komplett aufgebaute erfindungsgemäße Strommessanordnung
mit zusätzlichem Hall-Sensor zur Messbereichserweiterung.
-
1 zeigt
in der Draufsicht den Aufbau einer üblicherweise in Fahrzeugen
eingesetzten Batterie 1 mit zwei stabförmig ausgebildeten
Polschäfte 2 und 2'. Die Polschäfte 2 und 2' ragen
von einer durch das Oberteil des Gehäuses der Batterie 1 gebildeten Ebene 3 auf,
d. h. bei der Darstellung in 1 aus der
Zeichenebene heraus. Erhöht gegenüber der Ebene 3 ist
auch eine durch das Oberteil des Gehäuses oder Gehäuseteils
der Batterie 1 gebildete weitere Ebene 4, die
im Bereich der Polschäfte 2 und 2' ausgespart
ist, so dass dort Polnischen 5 und 5' gebildet
werden und die Ebene 4 bildende, gegenüber der
Ebene 3 erhöhte Gehäuseteile die beiden
Polschäfte 2 und 2' zumindest in gerader
Linie zueinander abschatten. Es gibt auch Batterien, bei denen Ebene 3 und 4 auf
der gleichen Höhe liegen und nur die Polschäfte 2 und 2' aus
der Ebene 3 herausragen (Batterien ohne Polnische). Die
Erfindung ist auch bei solchen Batterietypen anwendbar.
-
2 zeigt
die elektrische Konfiguration einer erfindungsgemäßen
Strommessanordnung zur Messung des Batteriestromes, d. h. des zu-
und abfließenden Stromes in die Batterie 1 aus 1.
Dabei wird für die weiteren Betrachtungen Bezug genommen
auf den Polschaft 2 in der Polnische 5. Der besseren Übersichtlichkeit
halber ist dabei der Polschaft 2 in 2 länger
und schmäler gezeigt als dies bei den meisten Reali sierungen
der Fall sein dürfte. Jedoch ist mit dieser Darstellung
das grundlegende Wirkprinzip der Erfindung besser ersichtlich.
-
Gemäß 2 ist
um den Polschaft 2 herum ein geschlossener hochpermeabler
Ringkern 6 angeordnet, auf den eine Wicklung 7 aufgebracht
ist. Ringkern 6 und Wicklung 7 bilden dabei zusammen ein
magnetisches Modul 8, das eine von dem Ringkern 6 umschlossene Öffnung 9 aufweist,
durch die also der Polschaft 2 geführt ist. Die
Wicklung 7 ist schließlich mit einer Auswerteschaltung 10 elektrisch verbunden.
Mit der Auswerteschaltung ist zudem ein Magnetfeldsensor wie zum
Beispiel ein Hall-Sensorelement 11 (oder jedes andere zum
Erfassen von Magnetfeldern geeignete Sensorelement) verbunden, das
ebenfalls im Umfeld des Polschaftes 2 angeordnet ist, aber
magnetisch unabhängig von dem magnetischen Modul 8 ist.
-
Die
Wicklung 7 in Verbindung mit dem Ringkern 6 sowie
eine erste Auswerteeinrichtung 12 bilden zusammen einen
Kompensationsstromsensor, der je nach Ausführung des Ringkerns 6,
der Wicklung 7 und der Auswerteeinrichtung 12,
vom mA-Bereich bis zum 1000 A-Bereich zur Strommessung vorgesehen
sein kann. Je nach Art des Kompensationsstromsensors können
auch noch eine oder mehrere Wicklungen vorgesehen werden. Jedoch
wird im vorliegenden Fall eine besondere Form eines Kompensationsstromsensors,
nämlich ein Flux-Gate-Sensorprinzip eingesetzt, das vorteilhafterweise
nur eine Wicklung benötigt und daher sehr platzsparend
ist. Bei einem Flux-Gate-Sensor wird ein zusätzlicher Magnetisierungsstrom
in die Wicklung 7 eingespeist, durch den der Ringkern 6 periodisch
bis in die positive und negative Sättigung magnetisiert
wird. Beispielsweise mit einer Abtast- und Halteschaltung wird ein
Spannungsabfall an der Wicklung 7 abgetastet und gespeichert.
Zudem wird der Mittelwert aus dem aktuellen und einem vorhergehenden
Messwert gebildet. Bei der Mittelwertbildung fällt der
durch die Hysterese des Magnetkerns bedingte Messfehler bzw. der
Fehler durch den Magnetisierungsstrom aufgrund unterschiedlicher Vorzeichen
heraus, wenn die beiden Abtastungen nach Durchlaufen der positiven
bzw. negativen Sättigung (oder umgekehrt) erfolgen. An
den Klemmen 15 steht dann ein analoges oder digitales Signal
zur Verfügung, das dem Strom in dem Polschaft 2 proportional
ist.
-
Die
dem entsprechende Ansteuerung der Wicklung 7 erfolgt vorliegend
durch die Auswerteeinheit 12 in der Auswerteschaltung 10.
Darüber hinaus umfasst die Auswerteschaltung in Weiterbildung
der Erfindung eine weitere Auswerteeinheit 13, die zusammen
mit dem Hall-Sensorelement 11 einen direkt abbildenden
Stromsensor bildet. Bei einem direkt abbildenden Sensor wird das
durch einen Strom in einem Leiter erzeugte Magnetfeld gemessen und
aus dem Magnetfeld auf den ursächlichen Strom geschlossen.
Derartige Stromsensoren sind nur bei sehr hohem Strom genau, wenn
nämlich die Störmagnetfelder klein sind gegenüber
dem vom Leiter (im vorliegenden Fall des Polschaftes 2)
erzeugten Magnetfeld.
-
Um
den ohnehin schon weiten Strommesskreis des Kompensationsstromsensors
nach oben hin zu erweitern, wird also vorliegend noch ein direkt abbildender
Stromsensor eingesetzt, wobei eine intelligente Umschalteinheit 14 in
der Auswerteschaltung 10 beispielsweise in einem Überlappungsbereich
beider Stromsensoren von einem auf den anderen Stromsensor umschaltet,
wobei dies beispielsweise auch unter Einbeziehung einer Schalthysterese
erfolgen kann. Je nachdem, in welchem Messbereich der zu messende
Strom sich befindet, wird durch die intelligente Umschalteinheit 14 entweder die
Auswerteeinheit 12 oder die Auswerteeinheit 13 auf
Ausgangsanschlüsse 15 der Auswerteschaltung 10 aufgeschaltet.
Dabei wird der direktabbildende Stromsensor anhand des Kompensationsstromsensors
in regelmäßigen Abständen (periodisch)
oder Ereignisgesteuert abgeglichen, d. h. an den Kompensationsstromsensor
angeeicht. Vorteilhaft ist dabei, dass keine aufwändigen
Einrichtungen zur Kompensation von temperatur-, herstellungs- und
alte rungsbedingten Schwankungen notwendig sind, die insbesondere
weiteren Bauraum benötigen.
-
In
den 3 bis 6 wird näher auf den mechanischen
Aufbau einer erfindungsgemäßen Strommessanordnung
eingegangen. 3 zeigt dazu das elektrische
Modul 8, das in einem beispielsweise vergossenen Gehäuse 16 untergebracht
ist und somit sehr korrosionsbeständig ist. Die elektrischen
Anschlüsse der Wicklung 7 sind dabei in Form entsprechender
Kontakte 17 aus dem Gehäuse herausgeführt.
-
Aus 4 ist
dabei zu ersehen, dass das Gehäuse 16 innerhalb
der Polnische 5 auf der Ebene 3 aufliegend um
den Polschaft 2 herum angeordnet ist, so dass der Polschaft 2 durch
die Öffnung im Gehäuse und damit durch die Öffnung
im Gehäuse 16 (und damit durch den von ihm umschlossenen,
in 4 nicht gezeigten Ringkern) hindurchgeführt
ist. Darüber, d. h. auf der der Ebene 3 gegenüberliegenden
Seite des Gehäuses 16 wird dann eine Polklemme 18 aufgesetzt,
an die wahlweise ein Batteriekabel 19 zum Anschluss an
das Bordnetz des Fahrzeuges angeschweißt oder angelötet
wird oder wie dargestellt ein Schraubbolzen angebracht ist, an den
das Batteriekabel lösbar angeschraubt wird. Die Anschlussklemme 18 weist
einen Schraubklemmverschluss 20 zu deren Befestigung an
dem Polschaft 2 auf. Bevorzugt überragt die Anschlussklemme 18 im Wesentlichen
nicht die Ebene 4, die wie bereits oben erwähnt
gegenüber der Ebene 3 erhöht ist.
-
Gegenüber
dem in 4 gezeigten Aufbau kommt bei dem in 5 gezeigten
Aufbau nun auch ein weiteres Gehäuseteil 21 hinzu,
in dem die gesamte Auswerteschaltung 10 eingebaut ist.
Der besseren Übersichtlichkeit halber ist in 5 die
Schaltung selbst nicht gezeigt. Somit ist aus 5 aber
nun ersichtlich, dass das Gehäuse 16 des magnetischen Moduls 8 und
das Gehäuse 21 sowohl mechanisch als auch elektrisch
ineinander greifen. Beide Gehäuse 16 und 21 sind
mechanisch miteinander verbunden, so dass sich schließlich
eine eintei lige Bauform ergibt, die darüber hinaus untereinander
keine weiteren elektrischen Verbindungselemente mehr benötigt,
da die Kontakte 17 des magnetischen Moduls 8 in
das Gehäuse 21 ragen und dort direkt von den entsprechenden
Schaltungsteilen in der Auswerteschaltung 10 kontaktiert
werden können. Jedoch sind auch in gleicher Weise Kabelverbindungen
beliebiger Länge möglich. Des Weiteren sind auch
noch externe Anschlüsse zur Stromversorgung der Auswerteschaltung 10 sowie
zum Abgreifen des Messergebnisses für eine Batteriemanagementeinheit
vorgesehen, jedoch ist dies der Übersichtlichkeit halber
in 5 nicht dargestellt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Gehäuse 21 zwischen Polschaft 2 und
den die Ebene 4 definierenden Gehäuseteilen der
Batterie 1 in der Nische 5 angeordnet, so dass der
in der Nische 5 noch zur Verfügung stehende Raum
ausgenutzt wird ohne über die Ebene 4 hinauszuragen.
-
6 zeigt
eine komplett aufgebaute berührungslos arbeitende Strommesseinrichtung,
wobei das Gehäuse 26 zu Darstellungszwecken geöffnet ist,
jedoch in der Verwendung hermetisch verschlossen und/oder vergossen
sein kann, um Stör- und Korrosionsanfälligkeit
zu minimieren. Das Gehäuse enthält einen mit strukturierten
Metallisierungen versehenen elektrisch isolierenden Träger,
nämlich eine Platine 22, auf der elektrische Bauelemente 23 angeordnet
und miteinander elektrisch kontaktiert sind und die die Auswerteschaltung 10 bilden.
Darüber hinaus ist im Gehäuse auch das Hall-Sensorelement 11 angeordnet,
und zwar möglichst nahe an der Polklemme 18. Jedoch
wäre eine Anordnung des Hall-Elements an jeder anderen
Stelle, an der ein dem Stromfluss durch den Polschaft proportionales Magnetfeld
messbar ist, innerhalb und außerhalb des Gehäuses 21 oder
des Gehäuses 16 denkbar.
-
Vorteilhaft
ist bei Anwendung des oben bereits geschilderten Messkonzepts, den
direktabbildenden Stromsensor an den Kompensationsstromsensor (periodisch)
anzueichen, dass kein Flusskonzentrator benötigt wird.
Flusskonzentratoren sind beispielsweise weichmagnetische Elemente,
die den magnetischen Fluss bündeln und auf einen bestimmten
Ort konzentrieren, im vorliegenden Fall auf den Magnetfeldsensor,
und die dementsprechend schwer sind und relativ viel Platz benötigen.
Jedoch können bei einer erfindungsgemäßen
Anordnung ohne Weiteres auch Flusskonzentratoren eingesetzt werden, falls
dies gewünscht oder dem Einzelfall entsprechend zweckmäßig
ist.
-
Die
Befestigung der erfindungsgemäßen Messanordnung
erfolgt beim Ausführungsbeispiel dadurch, dass die bauliche
Einheit der Messanordnung fest mit der Polklemme 18 verbunden
ist und damit zusammen mit dieser an dem Polschaft 2 festgeklemmt
wird. Jedoch kann die Befestigung auch auf unterschiedliche Art
und Weise erfolgen. So wäre es zum Beispiel möglich,
einen eigenen Klemmmechanismus für die Messanordnung vorzusehen
oder gar keinen Befestigungsmechanismus zu verwenden und stattdessen
die Messanordnung mittels der Polklemme 18 gegen die Ebene 3 zu
drücken und dadurch zu fixieren.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1435524
A1 [0003]
- - DE 3532044 A1 [0004]