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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung für Batterieströme in einem Fahrzeug und ein entsprechendes Verfahren.
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Stand der Technik
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Eine zunehmende Elektromobilität und die damit einhergehende Elektrifizierung des Antriebsstranges von Kraftfahrzeugen führt zu einem zunehmenden Bedarf an elektronischen Kontroll- und Steuerungseinrichtungen für Batterien bzw. Hochvoltbatterien, um die für den Antrieb notwendige elektrische Energie kontrolliert und sicher bereit zu stellen. Ein wichtiger Designparameter betrifft die Zuverlässigkeit mit der Ströme in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen gemessen werden können. Dabei bergen z.B. Lithium-Ion-Batterien verschiedene Gefahren, die beim Einsatz im automotiven Umfeld spezielle Sicherheitsmaßnahmen erfordern. Diese Maßnahmen werden je nach Kritikalität der Gefahr, die beherrscht werden muss, unterschiedlich eingestuft. Dabei können insbesondere die Vorgaben der „Automotive Security Integrity Level“ (ASIL) eine Rolle spielen. ASIL D entspricht derzeit dem höchsten Sicherheitsstandard während ASIL A dem derzeit niedrigsten Standard entspricht.
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Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Messanordnung vorzustellen, die hohen Sicherheitsanforderungen – insbesondere bei Messungen von Batterieströmen – genügt.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Messanordnung für eine Strommessung in Fahrzeugen vorgestellt. Die Messanordnung weist eine Platine zur Aufnahme elektronischer und elektrischer Bauelemente, einen ersten Messkanal aufweisend eine erste Gruppe von elektronischen Bauelementen und Leiterbahnen auf der Platine und einen zweiten Messkanal aufweisend eine zweite Gruppe von elektronischen Bauelementen und Leiterbahnen auf der Platine auf. Dabei ist die Anordnung der ersten Gruppe elektronischer Bauelemente und Leiterbahnen gegenüber der zweiten Gruppe elektronischer Bauelemente und Leiterbahnen drehsymmetrisch auf der gleichen Platine angeordnet.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für eine Strommessung in Fahrzeugen vorgestellt. Das Verfahren weist dabei ein Bereitstellen einer Platine zur Aufnahme elektronischer Bauelemente, ein Anordnen eines ersten Messkanals aufweisend eine erste Gruppe von elektronischen Bauelementen und Leiterbahnen auf der Platine und ein Anordnen eines zweiten Messkanals aufweisend eine zweite Gruppe von elektronischen Bauelementen und Leiterbahnen auf der Platine auf. Dabei sieht das Anordnen der ersten Gruppe elektronischer Bauelemente und Leiterbahnen gegenüber der zweiten Gruppe elektronischer Bauelemente und Leiterbahnen vor, dass die beiden Gruppen bzw. Baugruppen drehsymmetrisch auf der gleichen Platine angeordnet sind.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Folgende Begriffe und Ausdrücke werden in diesem Dokument genutzt:
Der Begriff „Messanordnung“ beschreibt mindestens teilweise eine Anordnung von elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen, die auf und/oder unter einer Trägerplatte, die im allgemeinen als Platine bezeichnet wird, angeordnet sind und mittels elektrisch leitfähigen Leiterbahnen entsprechend einem Schaltplan miteinander verbunden sind. Der Zweck der Messanordnung ist eine möglichst sichere und von Messfehlern weitgehend freie Messung von Strömen, z.B. Strömen von einer Batterie – wie einer Lithium-Ionen-Batterie – zu Antriebsaggregaten, d.h. Elektromotoren eines Fahrzeuges.
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Der Begriff „Fahrzeug“ beschreibt in Kontext dieses Textes jede Art von Fahrzeug, das mindestens teilweise auf einen elektrischen Antrieb zurückgreift. Dabei spielt es keine Rolle, für welchen Zweck das Fahrzeug einsetzbar ist. Neben Personenkraftwagen können auch Nutzfahrzeuge wie z.B. Transporter oder auch Zweiräder die Vorteile des vorgestellten Konzeptes nutzen.
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Der Begriff „Automotive Safety Integrity Level” bezeichnet ein Risikoklassifizierungsschema wie es gemäß ISO 26262 (Internatonal Standards Organization) als „Functional Safety for Road Vehicles Standard“ festgelegt wurde. Dabei handelt es sich um eine Adaption der „Safety Integrity Level”, die in IEC 61508 (International Electrotechnical Commission) für die Automobilindustrie festgelegt sind. Diese Klassifikation hilft bei der Definition von Sicherheitsanforderungen, die gemäß ISO 26262 erforderlich sind. Die ASIL berücksichtigen eine Risikoanalyse einer potentiellen Gefährdung durch eine Betrachtung des Schweregrades, des Gefahrenpotentials und der Kontrollierbarkeit eines im Betrieb befindlichen Fahrzeuges. Man unterscheidet derzeit vier ASIL Einstufungen: ASIL A, ASIL B, ASIL C, ASIL D, wobei der letzte dem höchsten Sicherheitslevel entspricht.
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Unter dem Begriff „elektronische Bauelemente“ werden hier aktive und passive elektronische Bauelemente sowie elektrische Bauelemente verstanden. Bezüglich der Bauform soll keine Unterscheidung vorgenommen werden. Letztlich kommen alle Bauelemente in Frage, die sich auf einer Platine montieren lassen.
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Der Begriff „Messkanal“ bezeichnet eine elektronische Schaltung, die sich aus mehreren elektronischen Bauelemente zusammensetzt. Teilweise können sie integriert sein. Auch eine vollständige Integration aller Bauelemente eines Messkanals in einem integrierten Module ist eine Option.
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Unter dem Begriff „Platine“ soll hier eine Trägerplatte verstanden werden, wie sie im Allgemeinen zum Anordnen und Befestigen von elektronischen Bauelementen verwendet wird. Eine Platine kann auf einer Oberfläche, oder auf beiden Oberflächen Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung von Bauelementen aufweisen. Durchkontaktierungen sind ebenso möglich wie Leiterbahnen, die sich in einer oder mehreren Schichten innerhalb der Platine befinden.
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Die hier vorgestellte Messanordnung weist eine Reihe von Vorteilen auf:
Die besondere Anordnung der Bauelemente der Messanordnung auf der Platine dient der redundanten Erfassung von Messsignalen, insbesondere der Messung von Batterieströmen in Fahrzeugen. Dabei wird der Einfluss von mechanischen Einflüssen auf die Platine, die Schaltung und insbesondere die Messkanäle wie Biegungen und Spannungen, die in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich stark sein können, unterschiedlich ausgeprägt anfallen und unterschiedliche Auswirkungen haben können, im Fehlerfall – d.h., beim Detektieren eines potentiell fehlerhaften Messsignals in einem Messkanal, erkennbar. Ein Messsignal kann beispielsweise für die Dauer einer Störung als ungültig gesetzt werden. Durch eine 90°-Anordnung der Messkanäle zueinander können Einflüsse aus unterschiedlichen Richtungen erkannt werden bzw. jeweils minimiert werden, da sie jeweils senkrecht zueinander stehen und sich so gegenseitig wenig überlagern bzw. unterschiedlichen Einflüssen auf die Messanordnung ausgesetzt sind.
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Durch die gedrehte Anordnung der Messkanäle können außerdem beide Messkanäle auf der gleichen Platine angeordnet werden. Es sind keine zwei Platinen erforderlich, um die gegenseitige Beeinflussung bzw. die Beeinflussung durch gleich wirkende mechanische Einflüsse zu unterbinden. Das kann einen erhebliche Kostenvorteil bedeuten. Fräsungen zur Vermeidung von Spannungen in der Platine sind nicht erforderlich; außerdem müssen keine besonderen Rücksichten bei der Platzierung der Bauelemente auf der Platine genommen werden (z.B. bevorzugt in der Mitte oder in Referenzbereichen). Der Designer hat praktisch alle Freiheiten beim Design der Patine.
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Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Drehwinkel der drehsymmetrischen Anordnung 90°. Die beiden Gruppen bzw. Baugruppen können also um ca. 90° zueinander gedreht sein. Auf diese Weise ist ein Grad möglicher Fehlmessung auf der Basis der gleichen mechanischen Störung am geringsten. Schwingungen, die in „Nord-Süd-Richtung“ auf der Platine wirksam sind, haben nur geringe Auswirkungen in einer „Ost-West-Richtung“ der Platine und umgekehrt. Die Beeinflussung von potentiellen Quellen für eine Fehlmessung sollte also am geringsten sein. Andere in Frage kommende Drehwinkel der Drehsymmetrie können beispielsweise 10°, 20°, 30°, 40 °, 45°, 50°, 60°, 70° 80°, 85° oder jede beliebige andere Gradzahl sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Messanordnung kann die Strommessung für die Messung eines Batteriestromes ausgelegt sein, insbesondere für einen Strom ausgehend von einer Batterie – z.B. einer Lithium-Ionen-Batterie – hin zu einem Hauptverbraucher in einem Fahrzeug, z.B. einem Motor. Die Messvorrichtung lässt sich aber auch mit anderen Batterietypen oder auch Brennstoffzellen anwenden.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform der Messanordnung kann die Platine eine Mehrschichtplatine sein, wobei die Leiterbahnen auch innerhalb der Platine verlaufen können. Es kann sich also um eine Platine handeln, die mehrere Ebenen von Leiterbahnen aufweist, um eine kompakte Anordnung der Bauelemente zu ermöglichen.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform der Messanordnung können die elektronischen Bauteile der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe jeweils teilweise sowohl oberhalb der Platine als auch unterhalb der Platine angeordnet sein. Auch dies kann zu einer kompakten Bauweise der Gruppen beitragen und kann so einen möglichst klein Raumbedarf innerhalb eines Fahrzeuges gewährleisten. Außerdem können kleinere Platinen bei gleicher Dicke stabiler als größere sein, sodass mechanische Einflüsse wie Schwingungen sich weniger auf die Platine auswirken.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Messanordnung können der erste und der zweite Messkanal jeweils dazu ausgelegt sein, eine Fehlfunktion im Batteriestrom zu erkennen. Beide Messkanäle können also zueinander redundant sein und können eine Doppelmessung des jeweiligen Stromes ermöglichen.
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In wiederum einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Messanordnung können der erste Messkanal und der zweite Messkanal einen gleichen Widerstand als Sensor nutzen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass beide Messkanäle das gleiche Eingangssignal erhalten. Andere Sensoren sind auch einsetzbar. Vorzugsweise wird der Sensor nicht als Bestandteil eines Messkanals angesehen.
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In einer weiterführenden Ausführungsform der Messanordnung können Anschlüsse des ersten Messkanals und des zweiten Messkanals an unterschiedlichen Anschlusspunkten einer von einem Lötpad des Widerstandes weg verlaufenden Leiterbahn elektrisch ankoppeln. Auch auf diese Weise kann eine gegenseitige Beeinflussung der Messkanäle möglichst gering gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Messanordnung einer Sicherheitsnorm gemäß den Automotive Safety Integrity Level entsprechen. Dabei kann es sich um einen der ASIL A, B, C, D handeln. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Messkanäle kann eine Entsprechung sogar der höchsten Sicherheitsstufe ASIL D möglich sein.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere können einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben worden sein. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ eines Erfindungsgegenstandes gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch, beispielhaft und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit zwei drehsymmetrisch angeordneten Messkanälen.
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2 zeigt ein anderes Beispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit zwei drehsymmetrisch angeordneten Messkanälen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, sodass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung 100 mit zwei drehsymmetrisch zueinander angeordneten Messkanälen 102, 104, insbesondere einem ersten Messkanal 102 und einem zweiten Messkanal 104. Die Pfeile 106 und 108 zeigen eine jeweilige Ausrichtung der Gruppe bzw. Baugruppe der Messkanäle 102, 104 an. Alle Bauelemente der Baugruppen die symbolisch durch ein Rechteck und ohne konkrete Bauelemente dargestellt sind, können sowohl teilweise oberhalb als auch teilweise unterhalb der Platine 110 angeordnet sein. Bei der Platine 110, die mit Bohrungen für Befestigungen in den Ecken dargestellt ist, kann es sich um eine Mehrschichtplatine mit mehreren voneinander isolierten Leiterbahnen handeln. Der Sensor – z.B. ein Widerstand (nicht dargestellt) – kann außerhalb der Baugruppen angeordnet sein.
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Dargestellt ist eine Anordnung der Baugruppen bzw. Messkanäle 102, 104 mit einem Drehwinkel von 90°. Andere Drehwinkel sind möglich. Neben der Drehung einer Baugruppe ist eine zusätzliche laterale Verschiebung zulässig. Außerdem können andere Drehwinkel vorgesehen sein. Das Drehzentrum liegt vorzugsweise außerhalb der Baugruppen, und kann sowohl auf der Platine als auch außerhalb der Platine liegen. Weiterhin ist ein 180°-Drehung der abgebildeten Baugruppen möglich, ohne vom der Drehsymmetrie abzuweichen. Allerdings würde dann ein anderes Drehzentrum genutzt werden.
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Weiterhin kann es möglich sein, dass nicht alle Bauelemente eines Messkanals gegenüber dem anderen Messkanal drehsymmetrisch angeordnet sind, wie es in 2 dargestellt ist.
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In 2 sind Beispiele von elektronischen und ggfs. elektrischen Bauelementen auf einer anderen Platine 110 als runde und eckige Elemente dargestellt. Die Baugruppe des ersten Messkanals 102 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine geschlossene Linie begrenzt. Gleiches gilt für die zweite Baugruppe des zweiten Messkanals 104. Man erkennt, dass darauf verzichtet wurde, alle Bauelemente in einer drehsymmetrischen Anordnung darzustellen. Auch in dieser Ausführungsform dienen die Pfeile 206 und 208 dazu, die Orientierung des jeweiligen Messkanals 102, 104 darzustellen. Sie sind aber nicht Bestandteil der jeweiligen Messanordnung. Andere runde und eckige Elemente können weitere beispielhaft dargestellte Bauelemente sein, die sich auf der gleichen Platine und im gleichen Platinenbereich wie der erste und zweite Messkanal befinden können. Insbesondere kann der Sensor bzw. Messwiderstand für den ersten und zweiten Messkanal auch auf der Platine angeordnet sein (nicht dargestellt). Zusätzlich ist anzumerken, dass sich innerhalb der Baugruppe des jeweiligen Messkanals 102 und 104 physisch auch andere Bauelemente, die elektrisch nicht zu dem Messkanal 102, 104 gehören, angeordnet sein können. Für diese Bauelemente muss das Merkmal der Drehsymmetrie nicht gelten.
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Zusammenfassend bleibt festzustellen: Es wird eine Messanordnung vorgestellt, die durch eine besondere Anordnung von Messkanälen dafür sorgt, dass Fehlmessungen bedingt durch mechanische Einflüssen erkannt werden können. Insbesondere eine 90°-Anordnung der Messkanäle zueinander lässt die besten Ergebnisse erwarten.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- eine Messanordnung
- 102
- erster Messkanal
- 104
- zweiter Messkanal
- 106
- Orientierung des ersten Messkanals
- 108
- Orientierung des zweiten Messkanals
- 110
- Platine
- 200
- andere Messanordnung
- 206
- Orientierung des ersten Messkanals
- 208
- Orientierung des zweiten Messkanals
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 26262 [0009]
- IEC 61508 [0009]
- ISO 26262 [0009]
