DE102016208678A1 - Analog battery terminal sensor - Google Patents

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Abstract

Stromsensoranordnung, welche zur Befestigung an einer Batterieklemme ausgebildet ist oder in die Batterieklemme integriert ist, wobei die Stromsensoranordnung einen Shunt und eine Signalverarbeitungseinrichtung umfasst, welche so angeschlossen und ausgebildet ist, dass sie den elektrischen Strom durch den Shunt und/oder die elektrische Spannung im Wesentlichen über dem Shunt abfallend, erfasst, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung als Analogschaltung ausgebildet ist und ein analoges Ausgangssignal bereitstellt, welches abhängig ist von dem erfassten Strom und/oder der erfassten Spannung.A current sensor arrangement, which is designed for attachment to a battery terminal or integrated into the battery terminal, wherein the current sensor arrangement comprises a shunt and a signal processing device which is connected and formed so that it substantially the electric current through the shunt and / or the electrical voltage dropping over the shunt, detected, wherein the signal processing device is designed as an analog circuit and provides an analog output signal which is dependent on the detected current and / or the detected voltage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromsensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.The invention relates to a current sensor arrangement according to the preamble of claim 1 and to the use of the sensor arrangement in motor vehicles.

Vor allem in modernen Fahrzeugen wird die Messung von Strömen im Fahrzeug immer wichtiger. Bereits heute werden eine Vielzahl von Batteriesensoren zu einem hohen Anteil im Fahrzeug verbaut. Mit diesen Sensoren sind die Automobilhersteller in der Lage, den Energiefluss im Fahrzeug zu kontrollieren und somit einen erheblichen Beitrag zur Verbrauchsminderung und zur CO2-Einsparung zu leisten. Die Strommessung bei diesen Sensoren erfolgt in der Regel mit Hilfe von Hallsensoren oder mittels eines hochwertigen Strommessshunts. Bei diesen shuntbasierten Batteriesensoren kommen in der Regel relativ teure Mikrocontroller zum Einsatz. Die Ausgabe des Strom- und Temperatursignals erfolgt digital, via LIN-Schnittstelle. Hallsensoren erfordern hingegen eine aufwändige Sensierung des magnetischen Feldes. Hierfür ist es erforderlich, die Sensoren in einer speziellen Art und Weise um oder am elektrischen Leiter anzuordnen. Das Ausgangssignal dieser Sensoren ist in der Regel ein analoges Spannungssignal. Die heutigen Hallsensoren verfügen in der Regel ebenfalls über ein Temperatursignal. Bei den heute bekannten Stromsensoren handelt es sich in der Regel um Mikrocontroller basierte Sensoren die den Spannungsabfall über einem Shunt erfassen, bzw. um Hallsensoren, die entweder in definierter Lage zum Batteriekabel angeordnet sind oder im Luftspalt eines magnetischen Ringkerns, der das Batteriekabel umgibt. Hierbei zeichnen sich die shuntbasierten mikrocontrollergesteuerten Batteriesensoren durch eine hohe Genauigkeit aus, wogegen die hallbasierten Sensoren deutlich ungenauer aber günstiger sind.Especially in modern vehicles, the measurement of currents in the vehicle is becoming increasingly important. Even today, a large number of battery sensors are installed in the vehicle to a large extent. With these sensors, car manufacturers are able to control the energy flow in the vehicle and thus make a significant contribution to reducing consumption and saving CO2. The current measurement in these sensors is usually done with the help of Hall sensors or by means of a high-quality current shunt. In these shunt-based battery sensors are usually relatively expensive microcontroller used. The output of the current and temperature signal is digital, via LIN interface. Hall sensors, however, require a complex sensing of the magnetic field. For this it is necessary to arrange the sensors in a special way around or on the electrical conductor. The output signal of these sensors is usually an analog voltage signal. Today's Hall sensors usually also have a temperature signal. The currently known current sensors are usually microcontroller-based sensors which detect the voltage drop across a shunt, or Hall sensors, which are arranged either in a defined position to the battery cable or in the air gap of a magnetic toroidal core surrounding the battery cable. The shunt-based microcontroller-controlled battery sensors are characterized by high accuracy, whereas the hall-based sensors are significantly less accurate but cheaper.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt eine relativ kostengünstige und/oder relativ präzise messende Stromsensoranordnung vorzuschlagen.The object of the invention has been found to propose a relatively inexpensive and / or relatively precise measuring current sensor arrangement.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Stromsensoranordnung nach Anspruch 1.This object is achieved by the current sensor arrangement according to claim 1.

Unter der Stromsensoranordnung wird vorzugsweise ein Batteriesensor verstanden bzw. die Stromsensoranordnung ist bevorzugt als Batteriesensor ausgebildet.The current sensor arrangement is preferably understood to be a battery sensor or the current sensor arrangement is preferably designed as a battery sensor.

Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise auf einem Chip ausgebildet bzw. als integrierte Schaltung ausgebildet.The signal processing device is preferably formed on a chip or formed as an integrated circuit.

Unter einer Signalverarbeitungseinrichtung wird zweckmäßigerweise eine Signalverarbeitungsschaltung verstanden.A signal processing device is expediently understood as a signal processing circuit.

Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung keinen digitalen Schaltungsteil und/oder keinen Mikrocontroller umfasst. Dabei weist die gesamte Stromsensoranordnung bzw. der gesamte Batteriesensor zweckmäßigerweise keinen digitalen Schaltungsteil und/oder keinen Mikrocontroller auf.It is preferred that the signal processing device does not comprise a digital circuit part and / or a microcontroller. In this case, the entire current sensor arrangement or the entire battery sensor expediently has no digital circuit part and / or no microcontroller.

Die Stromsensoranordnung bzw. der Batteriesensor ist vorzugsweise in die Batterieklemme integriert ausgebildet.The current sensor arrangement or the battery sensor is preferably integrated in the battery terminal.

Die Stromsensoranordnung bzw. der Batteriesensor ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie/er in der Polnische einer Kraftfahrzeugbatterie angeschlossen und betrieben werden kann. Dies bezieht sich insbesondere auf die Gehäuseform und die Abmessungen.The current sensor arrangement or the battery sensor is preferably designed such that it can be connected and operated in the Polish of a motor vehicle battery. This refers in particular to the housing shape and the dimensions.

Es ist zweckmäßig, dass die Stromsensoranordnung mindestens zwei Versorgungsanschlüsse aufweist, über welche sie mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei diese beiden Versorgungsanschlüsse nicht mit dem Shunt oder dem Strompfad des Shunts verbunden sind. It is expedient that the current sensor arrangement has at least two supply terminals, via which it is supplied with electrical energy, these two supply terminals not being connected to the shunt or the current path of the shunt.

Die Stromsensoranordnung ist dabei insbesondere so ausgebildet, dass zumindest die Signalverarbeitungseinrichtung mittels der beiden Versorgungsanschlüsse mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Stromsensoranordnung ist besonders bevorzugt so ausgelegt, dass sie mittels der beiden Versorgungsanschlüsse an ein Steuergerät angeschlossen werden kann bzw. angeschlossen ist, welches eine definierte Versorgungsspannung von beispielsweise 5V Gleichspannung bereitstellt. Dadurch, dass die Stromsensoranordnung Versorgungsanschlüsse aufweist und somit an eine definierte, insbesondere robuste und zuverlässige Versorgungsspannung angeschlossen werden kann, und nicht direkt die Versorgungsspannung, welche die Klemmenspannung der Batterie ist, ist kein Überspannungsschutz in der Stromsensoranordnung erforderlich.The current sensor arrangement is in particular designed such that at least the signal processing device is supplied with electrical energy by means of the two supply connections. The current sensor arrangement is particularly preferably designed such that it can be connected or connected by means of the two supply connections to a control device which provides a defined supply voltage of, for example, 5V DC. Because the current sensor arrangement has supply terminals and can therefore be connected to a defined, in particular robust and reliable supply voltage, and not directly the supply voltage, which is the terminal voltage of the battery, no overvoltage protection is required in the current sensor arrangement.

Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung zwei Erfassungsanschlüsse aufweist, welche mit dem Shunt oder dem Strompfad des Shunts verbunden sind und mittels derer der elektrische Strom durch den Shunt und/oder die elektrische Spannung im Wesentlichen über dem Shunt erfasst und/oder abgegriffen wird, wobei diese beiden Erfassungsanschlüsse in der Signalverarbeitungseinrichtung an den Eingang einer Vorverstärkerschaltung angeschlossen sind, welcher ausgangsseitig mit einer zusätzlichen Verstärkerschaltung verbunden ist. Die Vorverstärkerschaltung und/oder die zusätzliche Verstärkerschaltung sind besonders bevorzugt als Differenzverstärkerschaltung und/oder Operationsverstärkerschaltung ausgebildet.It is preferred that the signal processing means comprise two detection terminals which are connected to the shunt or the current path of the shunt and by means of which the electric current through the shunt and / or the electrical voltage substantially above the shunt is detected and / or tapped, wherein these two detection terminals are connected in the signal processing device to the input of a preamplifier circuit, which is connected on the output side to an additional amplifier circuit. The preamplifier circuit and / or the additional amplifier circuit are particularly preferably designed as a differential amplifier circuit and / or operational amplifier circuit.

Es ist zweckmäßig, dass die zusätzliche Verstärkerschaltung das analoge Ausgangssignal bereitstellt.It is expedient that the additional amplifier circuit provides the analog output signal.

Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung eine Temperatur mittels eines Temperatursensorelements erfasst und insbesondere ein Temperatursignal als zusätzliches analoges Ausgangssignal bereitstellt. Die Stromsensoranordnung ist dabei besonders bevorzugt so ausgebildet, dass das Temperatursensorelement mit dem Shunt und/oder der Polklemme thermisch leitend bzw. relativ gut thermisch leitend verbunden ist. Hierdurch ist eine relativ präzise Temperaturerfassung bzw. -messung möglich.It is preferred that the signal processing device detects a temperature by means of a temperature sensor element and in particular provides a temperature signal as an additional analog output signal. The current sensor arrangement is particularly preferably designed such that the temperature sensor element is connected to the shunt and / or the pole terminal thermally conductive or relatively good thermal conductivity. As a result, a relatively precise temperature detection or measurement is possible.

Das Temperatursensorelement ist zweckmäßigerweise als NTC-Widerstand bzw. Heißleiter ausgebildet.The temperature sensor element is expediently designed as an NTC resistor or thermistor.

Der Shunt ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass er für Stromstärken von mehr als 1000A ausgelegt ist. Die Stromsensoranordnung ist insbesondere diesbezüglich auch hinsichtlich ihrer Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet und ausgelegt, um solche Stromstärken durch den Shunt erfassen zu können.The shunt is suitably designed so that it is designed for currents of more than 1000A. In particular, the current sensor arrangement is also designed and designed with regard to its signal processing device in order to be able to detect such current strengths through the shunt.

Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass das Ausgangssignal des Batteriesensors ein stromproportionales, also hinsichtlich des Shunts stromproportional, analoges Stromsignal ist oder ein hinsichtlich des Shunts stromproportionales analoges Spannungssignal, welches insbesondere eine Ausgangsamplitude von 0,5V bis 4,5V aufweist.The signal processing device is preferably designed such that the output signal of the battery sensor is a current-proportional, ie with respect to the shunt current-proportional, analog current signal or current-proportional with respect to the shunt voltage signal, which in particular has an output amplitude of 0.5V to 4.5V.

Die Stromsensoranordnung ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie sowohl am Minuspol als auch am Pluspol einer Batterie angeschlossen und betrieben werden kann.The current sensor arrangement is preferably designed such that it can be connected and operated both at the negative pole and at the positive pole of a battery.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung der Stromsensoranordnung bzw. des Batteriesensors in Kraftfahrzeugen.The invention also relates to the use of the current sensor arrangement or the battery sensor in motor vehicles.

1 zeigt eine schematische und beispielhafte Darstellung der Schaltung bzw. Ausbildung der Stromsensoranordnung bzw. des Batteriesensors hinsichtlich seiner Funktionsweise. 1 shows a schematic and exemplary illustration of the circuit or design of the current sensor arrangement or the battery sensor with respect to its operation.

Der Shunt 1, beispielsweise mit einem besonders geringen elektrischen Widerstand von ca. 100uOhm, des Batteriesensors ist elektrisch mit der Batterieklemme 9 einer Autobatterie und einer Batterieleitung 10 verbunden, mittels derer elektrische Verbraucher im Auto angeschlossen sind. Die Stromsensoranordnung ist dabei beispielhaft mit dem High-Side- und Low-Side-Anschluss bzw. -Potential des Batteriekabelstranges verbunden und angeschlossen. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist mit ihren Erfassungsanschlüssen 2 und 3 mit dem Strompfad durch den Shunt im Wesentlichen direkt vor und hinter dem Shunt 1 elektrisch leitend verbunden. Die Erfassungsanschlüsse 2 und 3 sind mit den Eingängen der Vorverstärkerschaltung 4, beispielgemäß als Differenzverstärker ausgebildet, über Eingangswiderstände R, beispielgemäß als Schutzbeschaltung genutzt, verbunden. Zwischen den beiden Eingangwiderständen R ist ein Kondensator bzw. Kapazitätselement C, als zusätzliche Schutzbeschaltung geschaltet. Die Ausgänge der Vorverstärkerschaltung 4 sind den Eingängen einer zusätzlichen Verstärkerschaltung 5, ebenfalls als Differenzverstärker ausgebildet, zugeführt, wobei die zusätzliche Verstärkerschaltung 5 ausgangsseitig das hinsichtlich des Shunts 1 stromproportionale analoge Spannungssignal 11, beispielgemäß von 0,5V bis 4,5V, als Ausgangssignal des Batteriesensors bereitstellt. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist mittels der beiden Versorgungsanschlüsse 6 und 7 mit einer externen elektronischen Kontrolleinheit ECU verbunden und wird von dieser mit einer Versorgungsspannung von beispielgemäßen 5V stabil versorgt. Die Signalverarbeitungseinrichtung weist darüber hinaus das Temperatursensorelement 8 auf, welches als analoger NTC-Widerstand, „Negative Temperature Coefficient Thermistor“ ausgebildet ist und ausgangsseitig ein Temperatursignal als zusätzliches Ausgangssignal bereitstellt. Temperatursensorelement 8 ist dabei in nicht dargestellter Weise sowohl mit der Batterieklemme als auch mit dem Shunt 1 thermisch leitend verbunden und beispielgemäß auf einer Leiterplatte Der Stromsensoranordnung angeordnet. Der zusätzlichen Verstärkerschaltung 5 ist ein Referenzsignal 13 zugeführt, welches beispielgemäß der Versorgungsspannung entspricht, damit im Fall, dass an zusätzlicher Verstärkerschaltung 5 eine Differenzspannung von ungefähr 0V anliegt, die Referenzspannung ausgegeben wird und damit das Messsignal nicht 0V beträgt. Beispielgemäß erfasst das Temperatursensorelement 8 beim Einschalten der Stromsensoranordnung im Wesentlichen die Temperatur der Batterieklemme 9 und im Zuge der Erwärmung des Shunts 1 im Wesentlichen dessen Temperatur, wodurch im Betrieb im Wesentlichen die Temperatur des Shunts 1 erfasst wird.The shunt 1 , For example, with a very low electrical resistance of about 100uOhm, the battery sensor is electrically connected to the battery terminal 9 a car battery and a battery line 10 connected by means of which electrical consumers are connected in the car. The current sensor arrangement is connected and connected by way of example to the high-side and low-side connection or potential of the battery cable harness. The signal processing device is with its detection terminals 2 and 3 with the current path through the shunt essentially directly in front of and behind the shunt 1 electrically connected. The detection terminals 2 and 3 are connected to the inputs of the preamplifier circuit 4 , designed according to the example as a differential amplifier, via input resistors R, for example, used as a protective circuit connected. Between the two input resistors R is a capacitor or capacitance element C, connected as an additional protective circuit. The outputs of the preamplifier circuit 4 are the inputs of an additional amplifier circuit 5 , also designed as a differential amplifier, supplied, wherein the additional amplifier circuit 5 on the output side, in terms of the shunt 1 Current-proportional analog voltage signal 11 , for example from 0.5V to 4.5V, as the output signal of the battery sensor. The signal processing device is by means of the two supply connections 6 and 7 is connected to an external electronic control unit ECU and is stably supplied by this with a supply voltage of example 5V. The signal processing device also has the temperature sensor element 8th on, which is designed as an analog NTC resistor, "Negative Temperature Coefficient Thermistor" and the output side provides a temperature signal as an additional output signal. Temperature sensor element 8th is in a manner not shown both with the battery terminal and with the shunt 1 thermally conductively connected and arranged according to example on a printed circuit board of the current sensor arrangement. The additional amplifier circuit 5 is a reference signal 13 supplied, which corresponds to the supply voltage according to the example, so that in case of additional amplifier circuit 5 a differential voltage of about 0V is applied, the reference voltage is output and thus the measurement signal is not 0V. According to example, the temperature sensor element detects 8th when the current sensor arrangement is switched on, essentially the temperature of the battery terminal 9 and in the course of heating the shunt 1 essentially its temperature, whereby in operation substantially the temperature of the shunt 1 is detected.

Claims (10)

Stromsensoranordnung, welche zur Befestigung an einer Batterieklemme ausgebildet ist oder in die Batterieklemme integriert ist, wobei die Stromsensoranordnung einen Shunt (1) und eine Signalverarbeitungseinrichtung umfasst, welche so angeschlossen und ausgebildet ist, dass sie den elektrischen Strom durch den Shunt und/oder die elektrische Spannung im Wesentlichen über dem Shunt abfallend, erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung als Analogschaltung ausgebildet ist und ein analoges Ausgangssignal (11) bereitstellt, welches abhängig ist von dem erfassten Strom und/oder der erfassten Spannung.Current sensor arrangement, which is designed for attachment to a battery terminal or integrated in the battery terminal, wherein the current sensor arrangement a shunt ( 1 ) and signal processing means connected and arranged to detect the electric current through the shunt and / or the voltage dropping substantially across the shunt, characterized in that the signal processing means is an analogue circuit is formed and an analog output signal ( 11 ), which depends on the detected current and / or the detected voltage. Stromsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung auf mindestens einem Chip ausgebildet ist.Current sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the signal processing device is formed on at least one chip. Stromsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung keinen digitalen Schaltungsteil und/oder keinen Mikrocontroller umfasst.Current sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the signal processing device does not comprise a digital circuit part and / or a microcontroller. Stromsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese in die Batterieklemme integriert ausgebildet ist.Current sensor arrangement according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that it is designed integrated into the battery terminal. Stromsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei Versorgungsanschlüsse (6, 7) aufweist, über welche sie mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei diese beiden Versorgungsanschlüsse (6, 7) nicht mit dem Shunt (1) oder dem Strompfad des Shunts verbunden sind.Current sensor arrangement according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that these two supply connections ( 6 . 7 ), via which it is supplied with electrical energy, these two supply connections ( 6 . 7 ) not with the shunt ( 1 ) or the current path of the shunt. Stromsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung zwei Erfassungsanschlüsse (2, 3) aufweist, welche mit dem Shunt (1) oder dem Strompfad des Shunts verbunden sind und mittels derer der elektrische Strom durch den Shunt und/oder die elektrische Spannung im Wesentlichen über dem Shunt erfasst und/oder abgegriffen wird, wobei diese beiden Erfassungsanschlüsse (2, 3) in der Signalverarbeitungseinrichtung an den Eingang einer Vorverstärkerschaltung (4) angeschlossen sind, welcher ausgangsseitig mit einer zusätzlichen Verstärkerschaltung (5) verbunden ist.Current sensor arrangement according to at least one of Claims 1 to 5, characterized in that the signal processing device has two detection terminals ( 2 . 3 ), which with the shunt ( 1 ) or the current path of the shunt and by means of which the electrical current through the shunt and / or the electrical voltage substantially above the shunt is detected and / or tapped, these two detection terminals ( 2 . 3 ) in the signal processing device to the input of a preamplifier circuit ( 4 ), which on the output side with an additional amplifier circuit ( 5 ) connected is. Stromsensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Verstärkerschaltung (5) das analoge Ausgangssignal der Stromsensoranordnung bereitstellt.Current sensor arrangement according to claim 6, characterized in that the additional amplifier circuit ( 5 ) provides the analog output signal of the current sensor arrangement. Stromsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung eine Temperatur mittels eines Temperatursensorelements (8) erfasst und insbesondere ein Temperatursignal (12) als zusätzliches analoges Ausgangssignal bereitstellt.Current sensor arrangement according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the signal processing means a temperature by means of a temperature sensor element ( 8th ) and in particular a temperature signal ( 12 ) as an additional analog output signal. Stromsensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung als Temperatursensorelement (8) einen NTC-Widerstand aufweist.Current sensor arrangement according to claim 8, characterized in that the signal processing device as a temperature sensor element ( 8th ) has an NTC resistor. Verwendung der Stromsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kraftfahrzeugen. Use of the current sensor arrangement according to one of Claims 1 to 9 in motor vehicles.
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