DE102014222430B4

DE102014222430B4 - Strommessanordnung

Info

Publication number: DE102014222430B4
Application number: DE102014222430.6A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Vogt
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: DE102014222430A1

Abstract

Strommessanordnung (SA), umfassend:
- einen Schaltungsträger (ST);
- einen Messstrompfad (Pm), umfassend einen elektrischen Messwiderstand (Rm) auf dem Schaltungsträger (ST) zum Messen eines durch den Messstrompfad (Pm) fließenden Messstromes (Im) durch Messen einer an dem Messwiderstand (Rm) abfallenden Messspannung (Um);
- einen Referenzstrompfad (Pr), umfassend einen elektrischen Referenzwiderstand (Rr) auf dem Schaltungsträger (ST) zum Messen einer an dem Referenzwiderstand (Rr) abfallenden Referenzspannung (Ur) bei einem durch den Referenzstrompfad (Pr) fließenden Referenzstrom (Ir);
- wobei der Messwiderstand (Rm) und der Referenzwiderstand (Rr) jeweils als Leiterbahnen desselben Schaltungsträgers (ST) ausgebildet sind und miteinander mittels einer thermischen Brücke (TB) thermisch gekoppelt sind, die von dem Schaltungsträger (ST) ausgebildet wird;
- einen ersten Spannungsmesser (Sp) zum Messen einer an dem Messwiderstand (Rm) abfallenden Messspannung, mit einem Signalausgang (Ap) zur Abgabe des gemessenen Messspannungswertes (Um);
- einen zweiten Spannungsmesser (Ss) zum Messen einer an dem Referenzwiderstand (Rr) abfallenden Referenzspannung, mit einem Signalausgang (As) zur Abgabe des gemessenen Referenzspannungswertes (Ur), dadurch gekennzeichnet, dass der Strommessanordnung (SA) ferner umfasst:
- einen Dividierer (DV) mit einem ersten Signaleingang (E1) und einem zweiten Signaleingang (E2), der über den ersten Signaleingang (E1) mit dem Signalausgang (Ap) des ersten Spannungsmessers (Sp) und über den zweiten Signaleingang (E2) mit dem Signalausgang (As) des zweiten Spannungsmessers (Ss) elektrisch verbunden und eingerichtet ist, einen Quotient (Q) zwischen dem Messspannungswert (Um) und dem Referenzspannungswert (Ur) zu bilden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strommessanordnung, insb. eine Strommessanordnung für eine Batterievorrichtung, sowie eine Batterievorrichtung mit einer genannten Strommessanordnung.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 601 17 625 T2 ist ein System zum Messen der Kernleistung einer auf einer gedruckten Leiterplatte angebrachten Schaltung bekannt. Das System umfasst einen Power Strip zum Liefern von Leistung für eine Power Plane sowie einen Kalibrierungsstreifen, wobei der Power Strip und der Kalibrierungsstreifen dieselbe Art von Material aufweisen.
Aus der Druckschrift DE 10 2006 007 741 A1 ist eine Strommessung an einer Leiterbahn bekannt. Dabei wird eine stromführende Leiterbahn als ein Shunt-Widerstand vorgesehen, deren absoluter Widerstand zwischen zwei Spannungsabnahmepunkten aus einer Kalibriermessung mittels eines Teststroms ermittelt wird. Dabei ist der Temperaturgang der stromführenden Leiterbahn bekannt. Zur Strommessung wird der Spannungsabfall zwischen den Spannungsabnahmepunkten dieser Leiterbahn gemessen. Die Temperatur der Leiterbahn wird über den Spannungsabfall bei einem aufgeprägten Teststrom an einer thermisch gekoppelten Leiterbahn eines bekannten Widerstands und des bekannten Temperaturgangs ermittelt. Nach der Ermittlung der Temperatur wird der absolute Widerstand der stromführenden Leiterbahn berechnet. Mit dem berechneten, absoluten Widerstand und des zuvor gemessenen Spannungsabfalls der Strom berechnet.
Eine Strommessung in elektrischen Vorrichtungen, insb. in einer Batterievorrichtung, wird mittels elektrischen Widerständen (Shunt) durchgeführt. Dabei sind die elektrischen Widerstände starken Umwelteinflüssen, wie z. B. starken Temperaturschwankungen, ausgesetzt. Im Falle von elektrischen Widerständen ist der spezifische Widerstand im Allgemeinen von der Eigentemperatur abhängig, die wiederum von der Umgebungstemperatur stark abhängig ist.
Diese Abhängigkeit führt dazu, dass die gemessenen Stromwerte oft fehlerhaft sind. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit bei der Strommessung wird bisher zusätzlich eine Umgebungstemperatur gemessen und bei der Ermittlung der Stromstärke berücksichtigt. Die Temperaturmessung erfordert jedoch zusätzlichen Temperatursensor, der wiederum zusätzlichen Herstellungsaufwand und zusätzliche Kosten verursacht.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine genaue Strommessung mit geringen Zusatzkosten zu ermöglichen.
Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Strommessanordnung bereitgestellt.
Die Strommessanordnung umfasst einen Schaltungsträger. Ferner umfasst die Strommessanordnung einen Messstrompfad, der einen elektrischen Messwiderstand zum Messen eines durch den Messstrompfad fließenden Messstromes aufweist, wobei der Messwiderstand auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Die Strommessanordnung umfasst zudem einen Referenzstrompfad, der einen elektrischen Referenzwiderstand zum Messen eines durch den Referenzstrompfad fließenden Referenzstromes aufweist, wobei der Referenzwiderstand ebenfalls auf den Schaltungsträger angeordnet ist. Dabei sind der Messwiderstand und der Referenzwiderstand jeweils aus einer Leiterbahn bzw. aus jeweils einem Abschnitt einer Leiterbahn auf dem Schaltungsträger ausgebildet und miteinander mittels einer thermischen Brücke thermisch gekoppelt.
Die Strommessanordnung umfasst ferner einen ersten Spannungsmesser zum Messen einer an dem Messwiderstand abfallenden Messspannung, der einen Signalausgang zur Abgabe des gemessenen Messspannungswertes aufweist. Die Strommessanordnung umfasst ferner einen zweiten Spannungsmesser zum Messen einer an dem Referenzwiderstand abfallenden Referenzspannung, der ebenfalls einen Signalausgang zur Abgabe des gemessenen Referenzspannungswertes aufweist. Die Strommessanordnung umfasst außerdem einen Dividierer mit einem ersten und einem zweiten Signaleingang, bspw. in Form von einer Operationsverstärkerschaltung oder in Form von einem Mikroprozessor mit zwei vorgeschalteten Analog-Digital-Wandlern an den Eingängen. Dabei ist der Dividierer über den ersten Signaleingang mit dem Signalausgang des ersten Spannungsmessers und über den zweiten Signaleingang mit dem Signalausgang des zweiten Spannungsmessers elektrisch verbunden. Der Dividierer ist eingerichtet, einen Quotient zwischen dem Messspannungswert und dem Referenzspannungswert zu bilden.
Die thermische Brücke wird insb. von dem Schaltungsträger selbst, einem Abschnitt des Schaltungsträgers bzw. einer Komponente des Schaltungsträgers wie z. B. einem Keramiksubstrat oder einer Wärmeleitpaste, ausgebildet.
Sind der Mess- und der Referenzwiderstand bspw. in Form von Leiterbahnabschnitten ausgebildet, die wiederum jeweils einen Teil von zwei unterschiedlichen Leiterbahnschichten einer Mehrschichtleiterplatte ausbilden, so werden der Mess- und der Referenzwiderstand miteinander vorzugsweise mittels zwischen den beiden Leiterbahnschichten liegender elektrischer Isolationsschicht thermisch gekoppelt, die thermisch leitet.
Alternativ können der Mess- und der Referenzwiderstand in Form von Leiterbahnabschnitten von zwei unterschiedlichen nebeneinander verlaufenden, voneinander elektrisch getrennten Leiterbahnen einer Leiterbahnschicht ausgebildet sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass eine Strommessung am Einfachsten und Kostengünstigen indirekt mittels eines Shunts (Messwiderstand) durch Messung einer an dem Shunt abfallenden Spannung erfassen lässt.
Als elektrischer Widerstand ist ein Shunt starken Umwelteinflüssen, wie z. B. starken Temperaturschwankungen, ausgesetzt. Der spezifische Widerstand des Shunts ist im Allgemeinen von der Eigentemperatur abhängig, welche wiederum von der Umgebungstemperatur stark abhängig ist. Als Folge schwankt die an dem Shunt abfallende Messspannung mit der Umgebungstemperatur. Eine genaue temperaturunabhängige Strommessung ist somit ohne Weiteres nicht möglich.
Um eine genaue Strommessung trotz der schwankenden Umgebungstemperatur mit minimalen zusätzlichen Mitteln zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Erfindung der Referenzwiderstand herangezogen und diesen mittels einer thermischen Brücke mit dem Shunt thermisch gekoppelt.
Ferner wirken Störungen bei der Herstellung und andere Umwelteinflüsse, wie z. B. Korrosion, sich gleichermaßen auf den Mess- und den Referenzwiderstand aus, so dass diese sich kompensieren.
Dadurch, dass der Referenzwiderstand und der Shunt zudem jeweils als Leiterbahnen desselben Schaltungsträgers ausgebildet und miteinander thermisch gekoppelt sind und somit den gleichen Umwelteinflüssen bzw. den gleichen Umgebungstemperaturschwankungen ausgesetzt sind, weisen die zeitgleich an den jeweiligen Widerständen (Shunt und Referenzwiderstand) gemessene Mess- und die Referenzspannung jeweils einen prozentualen Wertanteil auf, der durch die externen Umwelteinflüssen bedingt ist und die Hauptursache für das ungenaue Messergebnis der Messspannung darstellt. Dieser Wertanteil lässt sich durch Heranziehen der zeitgleich gemessenen Referenzspannung bei der Ermittlung des Messstromes kompensieren, wodurch eine Ermittlung des genauen Messstromes möglich ist.
Bei dem bekannten Referenzstrom sowie den bekannten Temperaturkoeffizienten der beiden Widerstände kann der Messstrom anhand der zeitgleich gemessenen Mess- und Referenzspannung und basierend auf dem Ohmschen Gesetz in einfacher Weise und ohne zusätzliche Temperaturmessung und dennoch mit einer hohen Messgenauigkeit ermittelt werden.
Damit ist eine genaue Strommessung mit nur geringen Zusatzkosten ermöglicht.
Vorteilhafterweise weisen der Messwiderstand und der Referenzwiderstand denselben elektrischen Temperaturkoeffizient auf und sind insb. von dem gleichen Material, wie z. B. Kupfer oder einer und derselben Kupferlegierung, ausgebildet.
Vorzugsweise weisen die spezifischen Widerstände (Resistivität) des Messwiderstandes und des Referenzwiderstandes ein vorbestimmtes Verhältnis auf, das bspw. gleich Eins ist.
Die Strommessanordnung umfasst vorzugsweise ferner einen elektrischen Vorwiderstand, der in dem Referenzstrompfad in Serie zu dem Referenzwiderstand geschaltet ist.
Die Strommessanordnung umfasst vorzugsweise ferner eine Referenzstromquelle zum Bereitstellen des Referenzstromes, die in dem Referenzstrompfad in Serie zu dem Vorwiderstand und dem Referenzwiderstand geschaltet ist.
Die Strommessanordnung umfasst vorzugsweise ferner eine Signalauswerteeinheit, die signaltechnisch dem Dividierer nachgeschaltet ist und eingerichtet ist, basierend auf dem Quotient zwischen dem Messspannungswert und dem Referenzspannungswert und dem bekannten Referenzstrom den Messstrom zu ermitteln.
Kurzbeschreibung der Figur
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung eine Batterievorrichtung BV eines Hybridelektrofahrzeugs mit einer Batterie BT dargestellt.
Detaillierte Beschreibung der Figur
Die Batterievorrichtung BV ist eingerichtet, elektrische Leistung zwischenzuspeichern und beim Fahrbetrieb des Hybridelektrofahrzeugs die zwischengespeicherte elektrische Leistung einem in der Figur nicht dargestellten Elektromotor zum Antrieb des Hybridelektrofahrzeugs bereitzustellen.
Zum Schutz der Batterie vor einer Überladung bzw. vor einem zu hohen Lade- oder Entladestrom müssen Ströme, die in die Batterie, aus der Batterie bzw. zwischen Batteriezellen der Batterie fließen, überwacht werden und bei Bedarf begrenzt bzw. unterbrochen werden.
Hierzu umfasst die Batterievorrichtung BV eine Strommessanordnung SA, die ihrerseits einen Schaltungsträger ST aus einem wärmeleitenden Keramiksubstrat umfasst.
Die Strommessanordnung SA umfasst ferner einen Messstrompfad Pm, der zu der Batterie BT geführt ist und durch den der zu messende Batteriestrom bzw. ein vorgekannten Prozentanteil davon fließt. Dieser zu messende Batteriestrom wird nachfolgend Messstrom Im genannt. Der Messstrompfad Pm umfasst einen Abschnitt einer Leiterbahn aus einer niederohmigen Kupferlegierung, der einen Messwiderstand Rm (Shunt) zum Messen des durch den Messstrompfad Pm fließenden Messstromes Im ausbildet.
Die Strommessanordnung SA umfasst ferner eine Referenzstromquelle SQ sowie einen Referenzstrompfad Pr, der zu der Referenzstromquelle SQ geführt ist. Die Referenzstromquelle SQ stellt einen Referenzstrom Ir mit einer vorbestimmten Stromstärke, der von der Referenzstromquelle SQ über den Referenzstrompfad Pr bis zu einer elektrischen Masse fließt.
Der Referenzstrompfad Pr umfasst einen Abschnitt einer weiteren Leiterbahn aus der gleichen Kupferlegierung wie der zuvor genannten Leiterbahn, der einen Referenzwiderstand Rr (Shunt) zum Messen des durch den Referenzstrompfad Pr fließenden Referenzstromes Ir ausbildet.
Dabei sind der Messwiderstand Rm und der Referenzwiderstand Rr in derselben Größe und in derselben Form ausgebildet und weisen denselben elektrischen Temperaturkoeffizient und denselben spezifischen Widerstand auf.
Zudem sind der Messwiderstand Rm und der Referenzwiderstand Rr auf derselben Oberfläche OF des Schaltungsträgers ST angeordnet und räumlich eng zueinander benachbart angeordnet.
Die Strommessanordnung SA umfasst vorzugsweise ferner eine Wärmeleitpaste WP, die zwischen dem Messwiderstand Rm und dem Referenzwiderstand Rr bzw. an den beiden Widerständen Rm, Rr angeordnet ist und somit wie der aus Keramiksubstrat bestehende, thermisch leitende Schaltungsträger ST die Temperaturen an den beiden Widerständen Rm, Rr ausgleicht.
Die Strommessanordnung SA umfasst ferner einen elektrischen Vorwiderstand Rv, der in dem Referenzstrompfad Pr zwischen der Referenzstromquelle SQ und dem Referenzwiderstand Rr geschaltet ist.
Die Strommessanordnung SA umfasst ferner einen ersten Spannungsmesser M1, der über seine zwei Messanschlüsse mit jeweils einem der beiden Ende E11, E12 des Messwiderstandes Rm elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, beim Durchfließen des zu messenden Messstromes Im durch den Messwiderstand Rm eine an dem Messwiderstand Rm abfallende Messspannung Um zu messen.
Die Strommessanordnung SA umfasst zudem einen zweiten Spannungsmesser M2, der über seine zwei Messanschlüsse mit jeweils einem der beiden Ende E21, E22 des Referenzwiderstandes Rr elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, beim Durchfließen des zu messenden Referenzstromes Ir durch den Referenzwiderstand Rr eine an dem Referenzwiderstand Rr abfallende Referenzspannung Ur zu messen.
Die Strommessanordnung SA umfasst außerdem einen Dividierer DV bekannter Art mit einem ersten Signaleingang E1 und einem zweiten Signaleingang E2, der über den ersten Signaleingang E1 mit einem Signalausgang Ap des ersten Spannungsmessers M1 und über den zweiten Signaleingang E2 mit einem Signalausgang As des zweiten Spannungsmessers M2 elektrisch verbunden ist. Der Dividierer DV ist eingerichtet, aus dem von dem ersten Spannungsmesser M1 erhaltenen Messspannungswert Um und dem von dem zweiten Spannungsmesser M2 erhaltenen Referenzspannungswert Ur einen Quotient Q zu bilden.
Die Strommessanordnung SA umfasst außerdem eine Signalauswerteeinheit AE, die signaleingangsseitig mit einem Signalausgang des Dividierers DV signaltechnisch verbunden ist. Nachfolgend wird Funktionsweise der zuvor beschriebenen Strommessanordnung SA bzw. deren Signalauswerteeinheit AE näher erläutert.
Zum Messen eines durch den Messstrompfad Pm fließenden Messstromes Im (den Lade-/Endladestrom der Batterie) wird von der Referenzstromquelle SQ ein Referenzstrom Ir mit einer bekannten Stromstärke durch den Referenzstrompfad Pr und somit durch den Referenzwiderstand Rr geführt. Die an dem Messwiderstand Rm abfallende Messspannung Um und die an dem Referenzwiderstand Rr abfallende Referenzspannung Ur werden jeweils von dem ersten bzw. dem zweiten Spannungsmesser M1, M2 erfasst und dem Dividierer DV weitergeleiet. Der Dividierer DV bildet aus der Mess- und der Referenzspannung Um, Ur einen Quotient Q und leitet diesen Quotient Q an die Signalauswerteeinheit AE weiter, wobei gilt: $Q = \frac{Um}{Ur} .$
Die Signalauswerteeinheit AE ermittelt basierend auf dem Quotient Q und der bekannten Stromstärke des Referenzstromes Ir den Messstrom Im, also den Lade-/Entladestrom der Batterie BT. Die Signalauswerteeinheit AE ermittelt den Messstrom Im anhand folgender Gleichung: $RM = \frac{Um}{Im} = Rr = \frac{Ur}{Ir} \Rightarrow Im = \frac{Um}{Ur} \cdot Ir = Q \cdot Ir$
Dadurch, dass der Mess- und der Referenzwiderstand Rm, Rr aus demselben Material bestehen und somit denselben elektrischen Temperaturkoeffizient und denselben spezifischen Widerstand aufweisen und zudem miteinander thermisch gekoppelt sind, weisen die beiden Widerstände Rm, Rr dieselbe Toleranz und dieselbe Temperaturstabilität. Damit können die toleranz- und temperaturschwankungsbedingten Messfehler bei der Messspannung durch die Bildung eines Quotienten zwischen der Messspannung und der Referenzspannung, die die gleichen Messfehler aufweist, kompensiert werden. Dadurch kann der Messstrom Im unabhängig von den Temperaturschwankungen und sonstigen äußeren und inneren Einflüssen in und am dem Messwiderstand auch ohne zusätzlichen Temperatursensor mit einer hohen Messgenauigkeit erfasst werden.

Claims

Strommessanordnung (SA), umfassend: - einen Schaltungsträger (ST); - einen Messstrompfad (Pm), umfassend einen elektrischen Messwiderstand (Rm) auf dem Schaltungsträger (ST) zum Messen eines durch den Messstrompfad (Pm) fließenden Messstromes (Im) durch Messen einer an dem Messwiderstand (Rm) abfallenden Messspannung (Um); - einen Referenzstrompfad (Pr), umfassend einen elektrischen Referenzwiderstand (Rr) auf dem Schaltungsträger (ST) zum Messen einer an dem Referenzwiderstand (Rr) abfallenden Referenzspannung (Ur) bei einem durch den Referenzstrompfad (Pr) fließenden Referenzstrom (Ir); - wobei der Messwiderstand (Rm) und der Referenzwiderstand (Rr) jeweils als Leiterbahnen desselben Schaltungsträgers (ST) ausgebildet sind und miteinander mittels einer thermischen Brücke (TB) thermisch gekoppelt sind, die von dem Schaltungsträger (ST) ausgebildet wird; - einen ersten Spannungsmesser (Sp) zum Messen einer an dem Messwiderstand (Rm) abfallenden Messspannung, mit einem Signalausgang (Ap) zur Abgabe des gemessenen Messspannungswertes (Um); - einen zweiten Spannungsmesser (Ss) zum Messen einer an dem Referenzwiderstand (Rr) abfallenden Referenzspannung, mit einem Signalausgang (As) zur Abgabe des gemessenen Referenzspannungswertes (Ur), dadurch gekennzeichnet, dass der Strommessanordnung (SA) ferner umfasst: - einen Dividierer (DV) mit einem ersten Signaleingang (E1) und einem zweiten Signaleingang (E2), der über den ersten Signaleingang (E1) mit dem Signalausgang (Ap) des ersten Spannungsmessers (Sp) und über den zweiten Signaleingang (E2) mit dem Signalausgang (As) des zweiten Spannungsmessers (Ss) elektrisch verbunden und eingerichtet ist, einen Quotient (Q) zwischen dem Messspannungswert (Um) und dem Referenzspannungswert (Ur) zu bilden.
Strommessanordnung (SA) nach Anspruch 1, wobei der Messwiderstand (Rm) und der Referenzwiderstand (Rr) denselben elektrischen Temperaturkoeffizient aufweisen und von dem gleichen Material ausgebildet sind.
Strommessanordnung (SA) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die spezifischen Widerstände des Messwiderstandes (Rm) und des Referenzwiderstandes (Rr) ein vorbestimmtes Verhältnis aufweisen, das gleich Eins ist.
Strommessanordnung (SA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen elektrischen Vorwiderstand (Rv), der in dem Referenzstrompfad (Pr) in Serie zu dem Referenzwiderstand (Rr) geschaltet ist.
Strommessanordnung (SA) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Referenzstromquelle zum Bereitstellen des Referenzstromes, die in dem Referenzstrompfad geschaltet ist.
Batterievorrichtung (BV), umfassend eine Batterie und eine Strommessanordnung (SA) nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Messen eines Stromes, mit dem die Batterie aufgeladen oder entladen wird.