DE102009000225A1

DE102009000225A1 - Batterie mit integriertem Stromsensor

Info

Publication number: DE102009000225A1
Application number: DE102009000225A
Authority: DE
Inventors: Clemens Schmucker; Burkhard Iske; Marcus Bremmer; Wolfgang Boehner; Armin Dertinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-15

Abstract

Es wird eine Batterie mit einem integrierten Stromsensor zur Anbringung im Laststromkreis der Batterie vorgeschlagen, wobei mindestens der Stromsensor in ein Gehäuse (1) der Batterie integriert ist und über Messleitungen (5, 6) eine elektronische Auswerteschaltung (8) kontaktierbar ist. Der Stromsensor ist in den inneren Aufbau des Pols (2) oder des Polschaftes (3) der Batterie zum Anschluss einer äußeren Polklemme integriert und über die nach außen geführten Messleitungen (5, 6) mit der Auswerteschaltung (8) verbindbar. Der Stromsensor kann als Fluxgatesensor (9) innen über den Polschaft (3) geführt sein, aus einem Flusskonzentrator und mindestens einem Magnetfeldsensor bestehen, als linear abbildender Hallsensor oder als Shuntwiderstand (4) ausgeführt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem integrierten Stromsensor zur Anbringung im Laststromkreis der Batterie, insbesondere auch für eine Zustandserkennung der Batterie als Bestandteil eines Energiemanagementsystem in Kraftfahrzeugen, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist allgemein üblich, dass zur Ermittlung des Batteriezustandes von Kraftfahrzeugbatterien sogenannte Batteriesensoren als Stromsensoren eingesetzt werden, die über die Erfassung der Batteriespannung, des Batteriestroms, der Umgebungstemperatur und eventuell weiterer physikalischer Größen den Batteriezustand ermitteln.
Es ist beispielsweise aus der DE 10 2005 039 587 A1 bekannt, dass ein Shuntwiderstand als Stromsensor direkt an eine Polklemme, hier der Minus-Pol, oder einer entsprechenden Polnische der Batterie angeklemmt wird und praktisch die Messstrecke mit der mechanischen Anschlusseinheit kombiniert. An sich ist es somit bekannt, dass mit diesen Stromsensoren in der Batteriepolnische für die Polklemme, beispielsweise zur Erfassung des Stromes, entweder sogenannte Shuntwiderstände oder andere, zum Beispiel induktive Sensoren eingesetzt werden. Dabei ist die erforderliche Auswerteelektronik in der Regel mit dem Stromsensor in ein gemeinsames Gehäuse integriert.
Nachteilig sind diese Anordnungen vor allem deshalb, da eine relativ aufwendige und relativ viel Platz benötigende Mechanik notwendig ist, die in der Lage ist, Elektronikkomponenten und die stromführenden Leiter so zu verbinden, dass der Korrosionsschutz und die Schutzklassen IP5x5 oder höher erreicht werden. Weiterhin sind die notwendigen Maßnahmen zur vollständigen Integration der Mechanik in die Polnische auch sehr kostenaufwendig.
Es ist weiterhin aus der US 20010003419 A1 bekannt, dass zur Strommessung eine Auswerteschaltung direkt an ein Segment eines stromführenden Leiters angebracht ist. Jeweils am Ende des Segments wird dabei die Auswerteschaltung kontaktiert und der erfasste Spannungsabfall an dem Segment kann mit den signalverarbeitenden Bauteilen ausgewertet werden.
Aus der DE 100 56 972 A1 ist es auch bekannt, dass Shuntwiderstände zur Strommessung in das Batteriegehäuse integriert sind und zwar an Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Batteriezellen. Darüber hinaus ist es auch aus der EP 1 774 352 B1 bekannt, dass auch die Elektronikkomponenten eines sogenannten Batteriemoduls in das Gehäuse der Batterie integriert sind.
Bei den zuvor beschriebenen bekannten Konzepten ist insbesondere die Verbindungstechnik zwischen den Polklemmen, dem Shunt, der Leiterplatte der Auswerteschaltung und den Messleitungen anspruchsvoll und hochkritisch. Anforderungen hinsichtlich der Dichtheit und Korrosion, der Gefahr bei Kurzschluss sind hier nur mit großem Aufwand zu erfüllen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einer Batterie mit einem integrierten Stromsensor zur Anbringung im Laststromkreis der Batterie aus, wobei mindestens der Stromsensor in das Gehäuse der Batterie integriert ist und über Messleitungen eine elektronische Auswerteschaltung kontaktierbar ist. Gemäß der Erfindung ist der Stromsensor in vorteilhafter Weise in den inneren Aufbau des Pols bzw. des Polschaftes der Batterie zum Anschluss einer äußeren Polklemme integriert und über die weitergeführten Messleitungen mit der Auswerteschaltung verbunden.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen kann als Stromsensor ein Fluxgatesensor über den inneren Polschaft des Pols gestülpt werden oder es kann mit mindestens einem Flusskonzentrator und mindestens einem Magnetfeldsensor das durch den Laststrom verursachte Magnetfeld erfasst werden. Als linear abbildender Magnetfeldsensor kann in vorteilhafter Weise ein Hallsensor verwendet werden.
Alternativ kann jedoch auch als Stromsensor ein hinlänglich bekannter Shuntwiderstand herangezogen werden, der in den inneren Polschaft des Pols integriert ist. Ein solcher Shuntwiderstand besteht vorzugsweise aus Manganin. Es ist hierbei auch möglich, dass der gesamte Pol als Shuntwiderstand aus Manganin besteht. Der Shuntwiderstand kann als Voll- oder Hohlzylinder ausgeführt sein oder er ist entsprechend der Form, insbesondere des Querschnitts, des Pols am Polschaft ausgeführt.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Messleitungen vom Stromsensor im Inneren der Batterie an eine Steckverbindung geführt sind, an die von außen die Auswerteschaltung anschließbar ist. Weiterhin kann auch ein Temperatursensor am Polschaft oder im sonstigen Innenraum der Batterie angebracht werden und über weitere Messleitungen vorzugsweise an die Steckverbindung angeschlossen werden. Der Temperatursensor kann auch mit einer Messleitung, vorzugsweise die Masseverbindung, direkt am Polschaft kontaktiert sein.
Bei einer vorteilhaften Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie ist zur Erfassung der elektrischen Zustandsgrößen der Batterie eines Kraftfahrzeugs der Stromsensor über die Messleitungen und die Auswerteschaltung mit einem Energiemanagementsystem des Kraftfahrzeugs über einen vorhandenen LIN-Bus verbunden.
Mit der Erfindung kann somit ein System bereitgestellt werden, das eine kostengünstige Systemlösung für einen Batteriesensor bietet. Außerdem wird die Problematik der Korrosion insbesondere bei shuntbasierten Systemen und die Problematik des hohen Patzbedarfs bei induktive Stromsensorsysteme gelöst.
Das Stromsensorelement ist dabei in Verbindung mit der Aufbau- und Verbindungstechnik der kostentreibende Faktor im Batteriesensor, da dieser konstruktiv entsprechend dicht ausgeführt werden muss, um das Eindringen von Feuchtigkeit in die Elektronik der Auswerteschaltung zu verhindern. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auf einfache Weise die Integration der Sensorelemente des Stromsensors in die Batterie. Die Elektronikeinheit in der Auswerteschaltung kann mechanisch getrennt von dem Sensorelement des Stromsensors über eine Steckverbindung angeschlossen werden und befindet sich gut zugänglich außen an der Batterie. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei dieser Anordnung eine Standardpolklemme zum Anschluss an den Pol verbaut werden kann, die unabhängig von dem verwendeten Messprinzip ist und daher das Gesamtsystem preiswerter dargestellt werden kann. Bei der Verwendung eines Shuntwiderstandes kann darüber hinaus die Verlustleistung besser abgeführt werden, als in den heute üblichen Kompaktbatteriesensoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung von Teilen einer Batterie mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines in einen Pol integrierten Stromsensor als Shuntwiderstand und
2 eine schematische Darstellung von Teilen einer Batterie mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines in einen Pol integrierten Stromsensor als Fluxgatesensor.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 sind Teile eines Gehäuses 1 einer hier nicht näher erläuterten Batterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere deren Polnische, im Schnitt gezeigt. An einem Pol 2 ist hier eine nicht gezeigte Polklemme außen anschließbar zur Abnahme des Laststroms und der Pol 2 erstreckt sich mit seinem Polschaft 3 in Innere des Gehäuses 1 der Batterie. Dazu kann entweder der Pluspol oder der Minuspol der Batterie verwendet werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach der 1 wird in den Polschaft 3 ein Shuntwiderstand 4 integriert, vorzugsweise aus Manganin. Die Shuntabgriffe werden hier über Messleitungen 5 und 6 und einen Steckverbinder 7 in eine Auswerteelektronik 8 geführt. Da die Auswerteelektronik 8 bei der Herstellung nicht auf den Shuntwiderstand 4 abgeglichen werden kann, wird vorzugsweise ein kalibrierter Shuntwiderstand 4 eingesetzt. Zweckmäßigerweise betragen die Widerstandswerte des Shuntwiderstandes 4 ca. 50 μOhm oder 100 μOhm. Der Shuntwiderstand 9 kann dabei als Hohlzylinder oder Vollzylinder ausgeführt sein. Ist der Polschaft 3 nicht zylindrisch ausgeführt, so kann die Form des Shuntwiderstandes 4 auch der Form des Polschaftes 3 angepasst werden. Möglich ist dabei auch eine Ausführung des gesamten Polschaftes 3 und des Poles 2 aus Manganin.
Für den Fall, dass auch ein Temperatursignal für die Batteriezustandserkennung ausgewertet werden soll, kann entweder am Polschaft 3 oder an der Innenseite des Gehäuses 1 der Batterie ein hier nicht gezeigter Temperatursensor angebracht werden, dessen Messleitungen dann ebenfalls auf die Steckverbindung 7 gelegt werden können. In einer weiter optimierten Variante kann dann die Masseverbindung des Temperatursensors direkt über den Polschaft 3 innerhalb des Gehäuses 1 der Batterie hergestellt werden, sodass in dem Steckverbinder 7 nur noch eine zusätzliche Leitung und nur ein Steckkontakt notwendig ist.
Beim einem Ausführungsbeispiel nach 2 wird als Stromsensor der Batterie ein sogenannter Fluxgatesensor 9 verwendet, der über den Polschaft 3 geführt ist. Der Strom durch den Polschaft 3 entspricht dem gesamten Batterielaststrom und dieser wird vollständig durch den Fluxgatesensor 9 als Stromsensor erfasst.
Über die Messleitungen 5 und 6 und die Steckverbindung 7 in der Wand des Gehäuses 1 der Batterie wird der Fluxgatesensor 4 an eine elektronische Auswerteschaltung 8 angeschlossen. Um das Sensorsignal des Fluxgatesensors 9 störungssicher übertragen zu können, können die Messleitungen 5 und 6 auch verdrillt ausgeführt werden. In der Auswerteschaltung 8 können dazu Auswertealgorithmen zur Verarbeitung der Signale der Stromsensoren und damit zur Batteriezustandserkennung bereitgestellt werden. Je nach Ausführungsform kann der Steckverbinder 7 auch an anderen Stellen des Gehäuses 1 der Batterie eingebaut werden. In der 1 ist der Steckverbinder 7 exemplarisch in der Polnische der Batterie angeordnet. Bei dieser Anordnung muss darauf geachtet werden, dass noch genügend Platz für die Montage der Polklemme bleibt, die über den Pol 2 gesteckt wird.
Alternativ kann anstelle eines Fluxgatesensors 9 nach der 2 auch ein Flusskonzentrator mit einem linear abbildenden Magnetfeldsensor, zum Beispiel ein Hallsensor, verbaut werden. Um bei dieser Variante verschiedene Messbereiche abdecken zu können, ist auch ein Verbau von mehreren Flusskonzentratoren und mehreren linear abbildenden Magnetfeldsensoren möglich, die entsprechend der Messbereiche ausgelegt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005039587 A1 [0003]
- US 20010003419 A1 [0005]
- DE 10056972 A1 [0006]
- EP 1774352 B1 [0006]

Claims

Batterie mit einem integrierten Stromsensor zur Anbringung im Laststromkreis der Batterie, wobei mindestens der Stromsensor in ein Gehäuse (1) der Batterie integriert ist und über Messleitungen (5, 6) eine elektronische Auswerteschaltung (8) kontaktierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor in den inneren Aufbau des Pols (2) oder des Polschaftes (3) der Batterie zum Anschluss einer äußeren Polklemme integriert ist und über die weitergeführten Messleitungen (5, 6) mit der Auswerteschaltung (8) verbindbar ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromsensor ein Fluxgatesensor (9) innen über den Polschaft (3) geführt ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor aus mindestens einem Flusskonzentrator und mindestens einem Magnetfeldsensor besteht.
Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als linear abbildender Magnetfeldsensor ein Hallsensor verwendet wird.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor aus einem Shuntwiderstand (4) gebildet ist, der innen in den Polschaft (3) des Pols (2) integriert ist.
Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Shuntwiderstand (4) aus Manganin besteht.
Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Pol (2) und er Polschaft (3) als Shuntwiderstand aus Manganin besteht.
Batterie nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Shuntwiderstand (4) als Voll- oder Hohlzylinder ausgeführt ist oder der Form des Polschaftes (3) entspricht.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messleitungen (5, 6) vom Stromsensor im Inneren der Batterie an eine Steckverbindung (7) geführt sind, an die von außen die Auswerteschaltung (8) anschließbar ist.
Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor am Polschaft (3) oder im sonstigen Innenraum der Batterie angebracht ist und über weitere Messleitungen vorzugsweise an die Steckverbindung (7) anschließbar ist.
Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Temperatursensor eine Messleitung, vorzugsweise die Masseverbindung, direkt am Polschaft (3) kontaktiert ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der elektrischen Zustandsgrößen der Batterie eines Kraftfahrzeugs der Stromsensor über die Messleitungen (5, 6) die Auswerteschaltung (8) mit einem Energiemanagementsystem des Kraftfahrzeugs über einen LIN-Bus verbunden ist.