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Die Erfindung betrifft einen Batteriesensor für eine Fahrzeugbatterie.
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Batteriesensoren werden in Fahrzeugen zur Erfassung von Batterieparameter verwendet, um den Zustand der Fahrzeugbatterie, insbesondere den Ladezustand der Fahrzeugbatterie zu beurteilen. Der Batteriesensor kann beispielsweise den Batteriestrom und/oder die Batteriespannung erfassen. Zur Erfassung des Batteriestroms weist der Batteriesensor beispielsweise einen im Strompfad angeordneten Messwiderstand (Shunt) sowie zumindest eine Messeinheit auf, die den Spannungsabfall eines über den Messwiderstand fließenden Stromes erfassen kann. Ist der elektrische Widerstand des Messwiderstandes bekannt, kann mit dem gemessenen Spannungsabfall der über den Messwiderstand fließende Strom ermittelt werden.
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An die Batteriesensoren werden immer höhere Anforderungen bezüglich deren Genauigkeit gestellt. Des Weiteren wird eine höhere Ausfallsicherheit verlangt, um die Zuverlässigkeit des Batteriesensors zu verbessern.
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Aufgrund der spezifischen und der parasitären Eigenschaften der in den Messleitungen bzw. den messbaren verwendeten elektronischen Bauteilen kann es aber zu Resonanzen im Messpfad kommen. Diese Resonanzen können sich störend auf die Messung auswirken. Des Weiteren Ist ein verbesserter Schutz des Batteriesensors, insbesondere der Mess- und Auswerteschaltung gegenüber äußeren Einflüssen, beispielsweise elektromagnetischen Einflüssen erwünscht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Batteriesensor bereitzustellen, der einen besseren Schutz des Messpfades sowie der Auswerteschaltung gegen äußere Einflüsse oder Resonanzen bereitstellt.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Batteriesensor zur Erfassung eines Batteriestroms, vorgesehen, einem ersten Anschlusselement zur Kontaktierung mit einem ersten Batteriepol, einem zweiten Anschlusselement zur Kontaktierung mit einem zweiten Batteriepol und einem zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement angeordneten Messwiderstand, Des Weiteren weist der Batteriesensor eine erste Messleitung, die an einem ersten Messkontakt mit dem ersten Anschlusselement kontaktiert ist und einen ersten Anschluss zur Kontaktierung mit einer Auswerteschaltung aufweist, und eine zweiten Messleitung, die an einem zweiten Messkontakt mit dem zweiten Anschlusselement kontaktiert ist und einen zweiten Anschluss zur Kontaktierung mit einer Auswerteschaltung aufweist, auf. An der ersten Messleitung und/oder der zweiten Messleitung ist zumindest eine Hochfrequenzentstöreinrichtung vorgesehen.
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Üblicherweise weisen solche Batteriesensor unmittelbar vor der Auswerteschaltung angeordnete Schutzeinrichtungen auf, die Störsignale aus dem Messesignal herausfiltern, sodass an den Anschlüssen lediglich die Messsignale anliegen und an die Auswerteschaltung ausgegeben werden. Dennoch können die im Messpfad auftretenden Resonanzen zu einer Abweichung der Messsignale oder zu einer Verfälschung der Messsignale führen. Zudem sind solche Schutzeinrichtungen bzw. Filtereinrichtungen sehr aufwendig und benötigen insbesondere auf einer Leiterplatte, auf der die Auswerteschaltung angeordnet ist, zusätzlichen Bauraum.
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Durch die vorliegende Erfindung werden entstehende Resonanzen oder störende Signale abgeschwächt bzw. vom Messpfad abgeleitet bzw. entkoppelt. Dadurch werden die Resonanzen und störenden Signale bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt reduziert werden, sodass diese nicht oder nur geringfügig auf den gesamten Messpfad einwirken können.
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Vorzugsweise ist zumindest eine Hochfrequenzentstöreinrichtung unmittelbar nach dem ersten Messkontakt und/oder dem zweiten Messkontakt anschließend angeordnet, um störende Signale oder Resonanzen vom Messpfad fernzuhalten, bzw. von diesem abzukoppeln.
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Beispielsweise weist die Hochfrequenzentstöreinrichtung zumindest einen Kondensator auf. Durch die Kondensatoren oder anderer elektrischer Kapazitäten entsteht ein Hochfrequenzkurzschluss, durch den Resonanzen im Messpfad reduziert und/oder deren Entstehung verhindert werden kann. Dadurch ist der Messpfad zuverlässig vor Resonanzen und störenden Signalen geschützt.
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Beispielsweise ist zumindest ein erster Kondensator zwischen der ersten Messleitung und der zweiten Messleitung angeordnet.
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Zumindest ein zweiter Kondensator kann zwischen der ersten Messleitung und einer Masseleitung und/oder zumindest ein dritter Kondensator zwischen der zweiten Messeleitung und einer Masseleitung vorgesehen sein.
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Insbesondere können auch mehrere erste, zweite und/oder dritte Kondensatoren vorgesehen sein, wobei die Kondensatoren unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Die Kondensatoren bzw. deren Kapazitäten können auf verschiedene Resonanzfrequenz abgestimmt werden, sodass ein noch besserer Schutz vor störende Signale oder Resonanzen möglich ist.
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Am ersten Anschluss und/oder am zweiten Anschluss kann zusätzlich zumindest eine Schutzeinrichtung zum Schutz einer an den Anschlüssen angeschlossenen Auswerteschaltung vorgesehen sein.
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Die Schutzeinrichtung kann beispielsweise einen RC-Filter, einen Tiefpassfilter oder einen Anti-Aliasing-Filter aufweisen.
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Weitere Vorteile und Merkmale finden sich in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesensors aus dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 6 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 7 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 8 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 9 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 10 eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 11 eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 12 eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors
- 13 eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 14 eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 15 eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 16 eine schematische Darstellung einer fünfzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 17 eine schematische Darstellung einer sechzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
- 18 eine schematische Darstellung einer siebzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors; und
- 19 eine schematische Darstellung einer achtzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensors;
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In 1 ist ein Batteriesensor 10 zur Erfassung eines Batteriestrom 12 eine Fahrzeugbatterie gezeigt. Der Batteriesensor 10 hat ein erstes Anschlusselement 14 zu Kontaktierung mit einem ersten Batteriepol der Fahrzeugbatterie sowie ein zweites Anschlusselement 16 zu Kontaktierung mit einem zweiten Batteriepol der Fahrzeugbatterie.
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Zwischen dem Anschlusselement 14 und dem zweiten Anschlusselement 16 ist ein Messwiderstand 18 elektrisch in Reihe zum ersten Anschlusselement 14 und zum zweiten Anschlusselement 16 angeordnet. Der Messwiderstand 18 hat einen bekannten elektrischen Widerstand, wobei sich der elektrische Widerstand über die Lebensdauer des Batteriesensors sowie temperaturabhängig nicht oder nur geringfügig ändert. Optional kann auch das Alterungsverhalten sowie das Temperaturverhalten des elektrischen Widerstandes des Messwiderstandes 18 vorab bestimmt werden und bei der Ermittlung des Batteriestroms berücksichtigt werden.
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Am ersten Anschlusselemente 14 und am zweiten Anschlusselemente 16 sind unmittelbar an den Messwiderstand 18 angrenzend jeweils ein erster Messkontakt 20 sowie ein zweiter Messkontakt 22 vorgesehen, die jeweils mit einer ersten Messleitung 24 und einer zweiten Messleitung 26 verbunden sind. Die Messleitung 24, 26 sind mit jeweils einem ersten Anschlusselement 28 und einem zweiten Anschlusselement 30 mit einer Auswerteschaltung 32 verbunden.
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Über die Messleitungen 24, 26 kann jeweils ein Spannungspotenzial unmittelbar vor beziehungsweise nach dem Messwiderstand 18 erfasst werden. Aus diesem Spannungspotenzialen kann die über dem Messwiderstand 18 abfallende Spannung ermittelt werden. Aus diesem Spannungsabfall sowie dem bekannten elektrischen Widerstand des Messwiderstandes 18 kann über das ohmsche Gesetz der über den Messwiderstand fließende Strom, also der Laststrom der Fahrzeugbatterie, berechnet werden.
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An die Batteriesensoren 10 werden immer höhere Anforderungen bezüglich der Genauigkeit gestellt. Dies führt zu erhöhten Empfindlichkeiten durch Störungen von außen z.B. durch EMV-Einkopplung. Ebenso verlangen steigende Sicherheitsanforderungen immer höhere Störfestigkeiten.
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Durch den spezifischen und den parasitären Eigenschaften der im aus den Messleitungen 24, 26 bestehenden Messpfad verwendeten Bauteilen kann es zu Resonanzen im Messpfad kommen. Diese Resonanzen wirken sich bei unterschiedlichen Methoden der Einkopplung [z.B. EMV Tests (mobile Transmitter, BCI, Radiated Immunity, etc...)] störend aus.
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Die auftretenden Resonanzen im Messpfad führen zudem zu einer Messgrößenabweichung und deshalb zu einer Falschmessung der Messgröße während der Störung.
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Um die Auswerteschaltung 32 vor Störsignalen zu schützen, ist an den Anschlusselementen 28, 30 eine Schutzeinrichtung 34 vorgesehen, die als sogenannter RC-Filter ausgebildet ist. Alternativ weisen Batteriesensoren in den Messpfaden Tiefpassfilter und/oder Anti-Aliasing-Filter eingesetzt. Diese werden in der Regel mit RC-Gliedern 1 ster und 2ter Ordnung umgesetzt.
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Ein besserer Schutz der Auswerteschaltung 32 durch eine solche Schutzeinrichtung 34 ist aber nur mit einem großen konstruktiven Aufwand möglich.
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Um den Konstruktionsaufwand zu reduzieren, ist eine in den 2 bis 19 dargestellte Hochfrequenzentstöreinrichtung 38 vorgesehen. Die Hochfrequenzentstöreinrichtung 38 hat in der in 2 dargestellten Ausführungsform einen ersten Kondensator 40, der zwischen der ersten Messleitung 24 und der zweiten Messleitung 26 angeordnet ist, einen zweiten Kondensator 42, der zwischen der ersten Messleitung 24 und einem Masseanschluss 44 angeordnet ist, sowie einen dritten Kondensator 46, der zwischen der zweiten Messleitung 26 und einem Masseanschluss 44 angeordnet ist.
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Durch die Kapazitäten dieser Kondensatoren 40, 42, 46 entstehen jeweils Hochfrequenzkurzschlüsse am Messwiderstand 18, die jeweils zu einer Reduzierung von Resonanzen führen.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird durch die Kondensatoren 40, 42, 46 beziehungsweise deren Kapazitäten ein Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 hinzugefügt, durch den hochfrequente Störer von der Leiterplattenmasse direkt zu einer EMV-Masse und umgekehrt gelangen können, ohne über den Rest des Messpfades zu fließen. Somit können unerwünschte Störsignale und Resonanzen vom Messpfad, insbesondere den Messleitungen, und somit der Auswerteschaltung, ferngehalten werden. Dadurch haben die an den Anschlüssen anliegenden Signale für die Auswerteschaltung deutlich geringe Störsignale, so dass eine genauere Erfassung der Spannungspotentiale möglich ist.
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Die Anzahl und die Positionierung der Kondensatoren 40, 42, 46 kann an die gewünschte Schutzwirkung der Hochfrequenzentstöreinrichtung 38 abgestimmt werden. Insbesondere können auch nur erste Kondensatoren, 40, zweite Kondensatoren 42 und/oder dritte Kondensatoren 46 verwendet werden.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind lediglich ein zweiter Kondensator 42 und ein dritter Kondensator 46 gezeigt.
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In den 4 und 5 ist jeweils lediglich ein zweiter Kondensator 42 bzw. dritter Kondensator 46 gezeigt.
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In den 6 und 7 ist jeweils eine Kombination aus einem ersten Kondensator 40 mit einem zweiten Kondensator 42 bzw. einem dritten Kondensator 46 gezeigt.
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In den 8 bis 19 sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen jeweils mehrere erste Kondensatoren 40, zweite Kondensatoren 42 und/oder dritte Kondensatoren 46 vorgesehen sind, die mehrere Hochfrequenz-Entkoppel-Pfade 48 bilden. Die Kondensatoren 40, 42, 46 können auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sein, sodass eine noch bessere Filterung von Resonanzen und Störsignalen möglich sein kann.
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In 8 sind jeweils zwei erste, zweite und dritte Kondensatoren 40, 42, 46 vorgesehen, wobei jeweils ein erster Kondensator 40, ein zweiter Kondensator 42 und ein dritter Kondensator 46 einen Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 bilden. Es sind somit zwei Hochfrequenz-Entkoppel-Pfade 48 gebildet.
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In 9 sind jeweils zwei zweite Kondensatoren 42 sowie zwei dritte Kondensatoren 46 vorgesehen, die jeweils einen Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 bilden.
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In den 10 und 11 ist jeweils einer der Hochfrequenz-Entkoppel-Pfade 48 durch einen ersten Kondensator 40, einen zweiten Kondensator 42 sowie einen dritten Kondensator 46 gebildet. Der jeweils zweite Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 besteht jeweils nur aus einem zweiten Kondensator 42 sowie einen dritten Kondensator 46.
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In 12 besteht einer der Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 aus einem ersten, einem zweiten sowie einem dritten Kondensator 40, 42, 46. Der zweite Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 besteht lediglich aus einem dritten Kondensator 46.
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In 13 besteht ein erster Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 lediglich aus einem dritten Kondensator 46 und ein zweiter Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 aus einem zweiten Kondensator 42 und einem dritten Kondensator 46.
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In 14 bestehen beide Hochfrequenz- Entkoppel -Pfade 48 lediglich aus einem dritten Kondensator 46.
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In 15 ist die Ausführungsform aus 14 um einen ersten Kondensator 40 im zweiten Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 ergänzt.
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In den 16 bis 18 weisen jeweils beide Hochfrequenz-Entkoppel-Pfade 48 einen ersten Kondensator 40 auf. Beide Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 wurden jeweils einen zweiten Kondensator 42 oder einen dritten Kondensator 46 ergänzt.
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In 19 weisen beide Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 einen zweiten Kondensator 42 auf. Einer der beiden Hochfrequenz-Entkoppel-Pfad 48 wurde um einen ersten Kondensator 40 ergänzt.
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Unabhängig von der Ausführungsform sind beliebige Kombinationen der Kondensatoren für die Hochfrequenzentstöreinrichtung 38 möglich. Es ist lediglich erforderlich, dass diese auf die im regulären Betrieb des Batteriesensors auftretenden Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, um diese aus den Messleitungen 24, 26 Ausgaben zu können. Insbesondere können auch mehrere Hochfrequenz-Entkoppel-Pfade 48 vorgesehen sein, die jeweils verschiede ausgebildet sind und/oder auf verschiedene Resonanzfrequenzen oder Störsignale ausgerichtet sind.