DE102014207759A1

DE102014207759A1 - Stromsensor-Shunt mit Bohrungen für Press-Fit-Pins

Info

Publication number: DE102014207759A1
Application number: DE201410207759
Authority: DE
Inventors: Henryk Frenzel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-01-08
Also published as: CN205691625U; WO2015000924A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Messwiderstand (28) zum Führen eines zu messenden elektrischen Stromes (6) mit – einer Stromaufnahmestelle (38) sowie einer Stromabgabstelle (42), die entsprechend zur Aufnahme und Abgabe des elektrischen Stromes (6) eingerichtet sind, und – einer ersten Abgriffstelle (34) sowie einer zweiten Abgriffstelle (36), die beabstandet zueinander zwischen der Stromaufnahmestelle (38) und der Stromabgabestelle (42) angeordnet sind, – wobei an der ersten Abgriffstelle (34) und der zweiten Abgriffstelle (36) je wenigstens eine Ausnehmung (56) angeordnet sind, in die je ein elektrisches Kontaktelement (52, 54) einer Auswerteschaltung (30) einsetzbar ist, die eingerichtet ist, den elektrischen Strom (6) basierend auf einem Spannungsabfall (32) zwischen den beiden Abgriffstellen (34, 36) zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messwiderstand für einen Stromsensor und den Stromsensor.
Elektrische Ströme in und aus einer Fahrzeugbatterie werden beispielsweise in der DE 10 2009 044 992 A1 und in der DE 10 2004 062 655 A1 mit einem Stromsensor über einen Messwiderstand, auch Shunt genannt, gemessen. Dabei durchströmt der zu messende elektrische Strom den Messwiderstand und verursacht über diesen einen Spannungsabfall. Eine Auswerteschaltung erfasst den Spannungsabfall zwischen zwei Abgriffstellen und bestimmt basierend darauf den zu messenden elektrischen Strom.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den bekannten Stromsensor zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Messwiderstand zum Führen eines zu messenden elektrischen Stromes eine Stromaufnahmestelle sowie eine Stromabgabstelle, die entsprechend zur Aufnahme und Abgabe des elektrischen Stromes eingerichtet sind, und eine erste Abgriffstelle sowie eine zweite Abgriffstelle, die beabstandet zueinander zwischen der Stromaufnahmestelle und der Stromabgabestelle angeordnet sind. Dabei sind an der ersten Abgriffstelle und die zweite Abgriffstelle je wenigstens eine Ausnehmung angeordnet, in die vorzugsweise kraftschlüssig je ein elektrisches Kontaktelement einer Auswerteschaltung einsetzbar ist. Mit dieser Auswerteschaltung kann dann der elektrische Strom basierend auf einem Spannungsabfall zwischen den beiden Abgriffstellen bestimmt werden.
Dem angegebenen Messwiderstand liegt die Überlegung zugrunde, dass die Bestimmung des elektrische Strom basierend auf dem Spannungsabfall zwischen den beiden Abgriffstellen vorraussetzt, dass der elektrische Widerstand zwischen den beiden Abgriffstellen bekannt ist, denn dieser geht mit in die Bestimmung des elektrischen Stromes ein. Hierzu muss der elektrische Widerstand zwischen die beiden Abgriffstellen eingesetzt werden. Dies muss jedoch mit einer hohen Präzision erfolgen, damit eine den Messwiderstand verwendende Sensorsschaltung später mit derselben hohen Präzision in ihrer Umgebung verbaut werden kann.
Zwar könnte die Auswerteschaltung mit vordefiniert beabstandeten elektrischen Kontaktierungsstellen ausgebildet werden, die dann direkt auf den Messwiderstand an den Abgriffstellen gelötet werden. In leistungselektronischen Anwendungen, würden sich diese elektrischen Kontaktierungsstellen auf dem Messwiderstand aufgrund von Wärmeausdehnungen bewegen, wodurch sich die elektrische Kontaktierung lösen könnte. Alternativ könnte die Auswerteschaltung über spezielle elektrische Kontaktelemente an den Messwiderstand elektrisch angebunden werden, die zunächst auf den Messwiderstand mit hoher Festigkeit auf den Messwiderstand aufgeschweißt oder aufgelötet werden könnten. Hier stellt sich jedoch das Problem, dass das Aufschweißen oder Auflöten dieser elektrischen Kontaktelemente auf den Messwiderstand nur bedingt mit niedrigen Toleranzen realisierbar wäre.
Daher wird im Rahmen des angegebenen Messwidertandes ein anderer Weg eingeschlagen, im Rahmen dessen auf dem Messwiderstand an den Abgriffstellen Ausnehmungen angeordnet sind. In diesen Ausnehmungen können dann die zuvor genannten elektrischen Kontaktelemente hochgenau positioniert werden können. Die Anbindung der in den Ausnehmungen angeordneten elektrischen Kontaktelemente kann dann beliebig, also auch durch Schweißen oder Löten erfolgen. Vorzugsweise sollte die Anbindung aber kraftschlüssig erfolgen, weil dies herstellungstechnisch mit dem geringsten Produktionsaufwand darstellbar wäre. Daher eignen sich als elektrische Kontaktelemente vor allem sogenannte PressFit-Elemente, bei denen es sich um radial zu den Ausnehmungen verformbare Kontaktstifte handelt, die kraftschlüssig in den Ausnehmungen an den Abgriffstellen eingesetzt sind. Diese verformbaren Kontaktstifte können zusätzlich noch Schneidelemente umfassen, die sich für eine verbesserte elektrische Kontaktierung in Wandungen der Ausnehmungen hineinschneiden. Diese Schneidelemente sind besonders günstig, dünne Korrosionsschichten zu durchdringen, und dadurch eine sichere Verbindung zu realisieren.
Die Ausnehmungen könnten beliebig ausgebildet und in den Messwiderstand eingebracht werden. Eine Möglichkeit wäre dabei, die Ausnehmungen zu bohren.
In einer Weiterbildung des angegebenen Messwiderstandes sind die Ausnehmungen Durchgangsöffnungen. Derartigen Durchgangsöffnungen können durch Stanzen bereits beim Urformen des Messwiderstandes in diesen eingebracht werden und wären daher fast kostenneutral am Messwiderstand umsetzbar.
Zur Verbesserung der Kontaktierung können die Ausnehmungen ferner noch mit einer Schicht, wie beispielsweise einer Verzinnung beschichtet werden.
In einer anderen Ausbildung umfasst der angegebene Messwiderstand ein Positionierelement zur formschlüssigen Aufnahme einer an der Auswerteschaltung angeordneten Positionierhilfe. Mittels dieser Positionierhilfe kann die Auswerteschaltung während Zwischenschritten bei der Herstellung des Stromsensors, wie beispielsweise dem Umspritzen des Stromsensors mit einem Gehäusematerial, hochgenau auf dem Messwiderstand positioniert werden, ohne dass die elektrische Anbindung unmittelbar erfolgen muss.
Zweckmäßigerweise ist das Positionierelement dabei ebenfalls eine Ausnehmung, die genauso aufgebaut sein kann, wie die Ausnehmung, in die das elektrische Kontaktelement eingesetzt werden kann. Dies lässt sich herstellungstechnisch am mit den geringsten Zusatzaufwand umsetzen.
In einer besonderen Weiterbildung umfasst der angegebene Messwiderstand ein weiteres Positionierelement zur formschlüssigen Aufnahme einer an der Auswerteschaltung angeordneten Positionierhilfe, wobei im Bereich der Ausnehmungen je eine Positionierhilfe angeordnet ist. Durch das weitere Positionierelement kann die Auswerteschaltung auf dem Messwiderstand auch in eine bestimmte Richtung ausgerichtet werden, wodurch die Positionierung weiter verbessert wird.
Wenn die elektrischen Kontaktelemente in den Ausnehmungen kraftschlüssig aufgenommen werden, sollte sichergestellt sein, dass die Kontaktelemente mit dem Messwiderstand gasdicht verbunden sind. Hierzu sollte die Oberfläche des Messwiderstandes in den Ausnehmungen beim Einsetzen der elektrischen Kontaktelemente möglichst nicht oxidiert sein. Das kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die elektrischen Kontaktelemente innerhalb einer Zeitspanne nach dem Herstellen der Ausnehmungen in dem Messwiderstand in diese eingesetzt werden, die kleiner ist, als die Oxidierungszeit des Grundmaterials, aus dem der Messwiderstand urgeformt ist. Alternativ könnte der angegebene Messwiderstand jedoch auch eine Beschichtung wenigstens in den Ausnehmungen aufweisen, mit dem die Oberfläche in den Ausnehmungen gegenüber Oxidation versiegelt wird. Auf diese Weise kann das Kontaktelement beim Einsetzen in die Ausnehmung ebenfalls auf eine unoxidierte Oberfläche kontaktiert werden. Als Beschichtungsmaterial eignet sich dabei am besten Zinn.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Stromsensor zum Messen eines elektrischen Stromes einen der angegebenen elektrischen Messwiderstände, über den der zu messende elektrische Strom führbar ist, und eine über elektrische Kontaktelemente mit den Abgriffstellen des Messwiderstandes verbundene Auswerteschaltung, die eingerichtet ist, den elektrischen Strom basierend auf einem Spannungsabfall zwischen den beiden Abgriffstellen zu bestimmen.
Wie bereits ausgeführt können die Kontaktelemente in diesem Stromsensor radial zu den Ausnehmungen verformbare Kontaktstifte umfassen, die kraftschlüssig in den Ausnehmungen an den Abgriffstellen eingesetzt sind. Derartige Kontaktelemente sind auch als PressFit-Pins bekannt.
In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Stromsensors sind an den Kontaktstiften Abstandshalter ausgebildet, die einen vorbestimmten Abstand zwischen dem Messwiderstand und der Auswerteschaltung definieren. Diese Abstandshalter können als Tiefenanschlag verwendet werden, die die Höhentoleranz der Auswerteschaltung über dem Messwiderstand reduzieren.
Ferner können die Kontaktstifte und die Ausnehmungen geometrisch so ausgebildet sein, dass sie nur in bestimmten Ausrichtungen ineinander einsetzbar sind, wodurch geringe Positionstoleranzen der Auswerteschaltung gegenüber dem Messwiderstand in der x-y-Ebene erreicht werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug den angegebenen Stromsensor.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeuges 2 mit einer Fahrzeugbatterie 4 zeigt, aus der ein elektrischer Strom 6 abgegeben wird.
Mit dem elektrischen Strom 6 werden in dem Fahrzeug 2 verschiedene elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie 8 versorgt.
Ein Beispiel für diese elektrischen Verbraucher ist ein Elektromotor 10, der mit der elektrischen Energie 8 die Vorderräder 12 des Fahrzeuges 2 über eine Antriebswelle 14 antreibt. Die Hinterräder 16 des Fahrzeuges 2 sind daher freilaufende Räder. Derartige, zum Antrieb des Fahrzeuges 2 verwendete Elektromotoren 10 werden in der Regel als Wechselstrommotoren ausgelegt, während der elektrische Strom 6 aus der Fahrzeugbatterie 4 ein Gleichstrom ist. In diesem Fall muss der elektrische Strom 6 zunächst über einen Konverter 18 in einen Wechselstrom gewandelt werden.
In Fahrzeugen, wie dem Fahrzeug 2 wird in der Regel ein Stromsensor 20 verbaut, der den von der Fahrzeugbatterie 4 abgegebenen elektrischen Strom 6 misst. Basierend auf dem gemessenen elektrischen Strom 6 können dann verschiedene Funktionen realisiert werden. Zu diesen gehören beispielsweise Schutzfunktionen, wie aus der DE 20 2010 015 132 U1 bekannt, mit denen die Fahrzeugbatterie 4 beispielsweise vor einer Tiefenentladung geschützt werden kann.
Entspricht der mit dem Stromsensor 2 gemessene Strom 6 nur dem elektrischen Strom, der dem Konverter 18 zugeführt wird, kann dieser auch zur Regelung der Antriebsleistung des Fahrzeuges 2 verwendet werden. Die Antriebsleistung wird in der Regel über vom Fahrer des Fahrzeuges 2 mit einem Fahrerwunsch 22 vorgegeben. Eine Motorsteuerung 24 vergleicht dann einen aus dem Fahrerwunsch resultierenden elektrischen Sollstrom mit dem gemessenen elektrischen Strom 6 und steuert den Konverter 18 mit Steuersignalen 26 derart an, dass der gemessene elektrische Strom 6 an den aus dem Fahrerwunsch resultierenden Sollstrom angeglichen wird. Derartige Regelungen sind bestens bekannt und sollen daher nicht weiter vertieft werden.
Der Stromsensor 20 umfasst einen vorzugsweise als Messwiderstand 28, auch Shunt genannt, ausgebildeten Messaufnehmer und eine Auswerteschaltung 30. Der Messwiderstand 28 wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung vom elektrischen Strom 6 durchströmt, was zu einem Spannungsabfall 32 an dem Messwiderstand 28 führt. Dieser Spannungsabfall 32 wird als Messspannung durch die Auswerteschaltung 30 über ein in Richtung des elektrischen Stromes 6 gesehenes, eingangsseitiges elektrisches Potential 34 am Messwiderstand 28 und ein ausgangsseitiges elektrisches Potential 36 am Messwiderstand 28 erfasst. Aus diesen beiden elektrischen Potentialen 34, 36 berechnet die Auswerteschaltung 30 den Spannungsabfall 32 und über den Widerstandswert des Messwiderstandes 28 den elektrischen Strom 6, der durch den Messwiderstand 28 fließt.
Es wird auf 2 Bezug genommen, die den Stromsensor 20 in einer schematischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
Der Stromsensor 20 weist im Rahmen der vorliegenden Ausführung den Messwiderstand 28 und die Auswerteschaltung 30 auf, die in der im Rahmen der 1 erläuterten Weise den elektrischen Strom 6 messen.
Dabei ist der Messwiderstand 28 im Wesentlichen in einen Zuleitungsbereich 38, einen Widerstandsbereich 40 und einen Ableitungsbereich 42 unterteilt, wobei der Widerstandsbereich 40 zwischen dem Zuleitungsbereich 38 und dem Ableitungsbereich angeordnet ist. Die drei Bereiche können beispielsweise miteinander verschweißt sein. Im Zuleitungsbereich 38 und im Ableitungsbereich 42 sind auf der dem Widerstandsbereich 40 gegenüberliegenden Seite je eine Schraubbohrung 44 ausgebildet, über die der Messwiderstand 28 entsprechend an der Fahrzeugbatterie 4 beziehungsweise am Konverter 18 verschraubt werden kann.
Die Auswerteschaltung 30 umfasst ein Schaltungssubstrat 46, das beispielsweise als printed circuit board, PCB genannt, ausgebildet sein kann. Auf diesem Schaltungssubstrat sind nicht weiter dargestellte elektrische Leiterbahnen ausgebildet, die die erfassten elektrischen Potentiale 34, 36 zu einem Signalverarbeitungschip 48 leiten. Dieser berechnet basierend auf den elektrischen Potentialen 34, 36 den Spannungsabfall und über den elektrischen Widerstand des Messwiderstandes 28 zwischen den beiden elektrischen Potentialen 34, 36 den elektrischen Strom 6 in einer an sich bekannten Weise. Der berechnete elektrische Strom 6 kann dann über eine Datenschnittstelle 50 an die Motorsteuerung 24 ausgegeben werden.
Um die elektrischen Potentiale 34, 36 vom Messwiderstand 28 zur Auswerteschaltung 30 zu führen werden im Rahmen der vorliegenden Ausführung entsprechende als elektrische Kontaktelemente fungierende Kontaktpins 52, 54 verwendet, die an den Abgriffstellen angeordnet sind, an denen die elektrischen Potentiale 34, 36 abgegriffen werden sollen. An diesen Abgriffstellen sind in dem Messwiderstand 28 Durchgangsbohrungen 56 ausgebildet, durch die die Kontaktpins 52, 54 geführt sind. Die Kontaktpins 52, 54 sind im Rahmen der vorliegenden Ausführung als PressFit-Pins ausgebildet, die in die Durchgangsbohrungen 56 kraftschlüssig eingesetzt werden können. Derartige, PressFit-Pin genannte Kontaktstecker sind beispielsweise aus der DE 10 2005 005 926 A1 bekannt. Details hierzu können der genannten Druckschrift entnommen werden.
Entsprechend können auch im Schaltungssubstrat 46 der Auswerteschaltung 30 Durchgangsbohrungen 56 ausgebildet sein, in die die Kontaktpins 52, 54 zum Kontaktieren mit dem Schaltungssubstrat eingesetzt werden können.
Der Messwiderstand 28 ist in 3 in einer perspektivischen Darstellung dargestellt.
Wie in 3 zu sehen, können an den einzelnen Abgriffstellen mehrere Durchgangsöffnungen 56 angeordnet sein, um die Kontaktierung mit mehreren Kontaktpins 52, 54 zu ermöglichen. Daneben können auch einige der Durchgangsöffnungen als Positionierhilfen oder Positionierelemente verwendet werden, die in 3 der Übersichtlichkeit halber mit dem Bezugszeichen 58 versehen sind. In diese Positionierelemente können ebenfalls nicht weiter gezeigte Stifte eingeführt werden, die jedoch die Auswerteschaltung 30 während der Fertigung in einer vorbestimmten Lage zum Messwiderstand 28 halten.
In 4 ist ein Kontaktpin 52, 54 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Kontaktpins 52, 54 basieren auf den in der DE 10 2005 005 926 A1 offenbarten Kontaktpins.
Der Kontaktpin 52, 54 umfasst einen Rumpf 60, an dessen Enden sich in radialer Richtung 62 flexibel komprimierbare Köpfe 64 anschließen. Zwischen dem Rumpf 60 und den Köpfen 64 sind Schultern 66 ausgebildet.
Zur Kontaktierung des Messwiderstandes 28 mit der Auswerteschaltung 30 werden die Köpfe 64 in die Durchgangsbohrungen 56 beispielsweise des Messwiderstandes 28 eingesetzt. Danach werden die Durchgangsbohrungen 56 der Auswerteschaltung 30 auf die verbleibenden freiliegenden Köpfe 64 aufgesetzt und die Auswerteschaltung 30 gegen den Messwiderstand 28 gedrückt. Die Schultern 66 sorgenden dabei als Abstandshalter für einen vorbestimmten Abstand 68 zwischen dem Messwiderstand 28 und der Auswerteschaltung 30.
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

DE 102009044992 A1 [0002]
DE 102004062655 A1 [0002]
DE 202010015132 U1 [0026]
DE 102005005926 A1 [0033, 0037]

Claims

Messwiderstand (28) zum Führen eines zu messenden elektrischen Stromes (6) mit – einer Stromaufnahmestelle (38) sowie einer Stromabgabstelle (42), die entsprechend zur Aufnahme und Abgabe des elektrischen Stromes (6) eingerichtet sind, und – einer ersten Abgriffstelle (34) sowie einer zweiten Abgriffstelle (36), die beabstandet zueinander zwischen der Stromaufnahmestelle (38) und der Stromabgabestelle (42) angeordnet sind, – wobei an der ersten Abgriffstelle (34) und der zweiten Abgriffstelle (36) je wenigstens eine Ausnehmung (56) angeordnet sind, in die je ein elektrisches Kontaktelement (52, 54) einer Auswerteschaltung (30) einsetzbar ist, die eingerichtet ist, den elektrischen Strom (6) basierend auf einem Spannungsabfall (32) zwischen den beiden Abgriffstellen (34, 36) zu bestimmen.
Messwiderstand (28) nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmungen (56) Durchgangsöffnungen sind.
Messwiderstand (28) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein Positionierelement (58) zur formschlüssigen Aufnahme einer an der Auswerteschaltung (30) angeordneten Positionierhilfe.
Messwiderstand (28) nach Anspruch 3, wobei das Positionierelement (58) eine weitere Ausnehmung ist.
Messwiderstand (28) nach Anspruch 3 oder 4, umfassend ein weiteres Positionierelement (58) zur formschlüssigen Aufnahme einer an der Auswerteschaltung (30) angeordneten Positionierhilfe, wobei im Bereich der Ausnehmungen (56) je ein Positionierelement (58) angeordnet ist.
Messwiderstand (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Beschichtung wenigstens in den Ausnehmungen (56) zum Versiegeln einer Oberfläche in den Ausnehmungen gegenüber Oxidation.
Messwiderstand (28) nach Anspruch 6, wobei die Beschichtung Zinn umfasst.
Stromsensor (20) zum Messen eines elektrischen Stromes (6), umfassend: – einen elektrischen Messwiderstand (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche, über den der zu messende elektrische Strom (6) führbar ist, und – eine über elektrische Kontaktelemente (52, 54) mit den Abgriffstellen (34, 36) des Messwiderstandes (28) verbundene Auswerteschaltung (30), die eingerichtet ist, den elektrischen Strom (6) basierend auf dem Spannungsabfall (32) zwischen den beiden Abgriffstellen (34, 36) zu bestimmen.
Stromsensor (20) nach Anspruch 8, wobei die Kontaktelemente (52, 54) radial zu den Ausnehmungen (56) verformbare Kontaktstifte umfassen, die kraftschlüssig in den Ausnehmungen an den Abgriffstellen (34, 36) eingesetzt sind.
Stromsensor (20) nach Anspruch 9, wobei an den Kontaktelementen (52, 54) Abstandshalter (66) ausgebildet sind, die einen vorbestimmten Abstand (68) zwischen dem Messwiderstand (28) und der Auswerteschaltung (30) definieren.