DE20318266U1

DE20318266U1 - Vorrichtung zur Strommessung

Info

Publication number: DE20318266U1
Application number: DE20318266U
Authority: DE
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2013-11-27

Abstract

1) Vorrichtung zur Strommessung bestehend aus einem im wesentlichen plattenförmigen Widerstand/Shunt (1) und einer Messelektronikeinheit (2), wobei die Messelektronikeinheit (2) an mindestens zwei Stellen elektrisch leitend mit dem Widerstand (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronikeinheit (2) durch federnde Kontaktelemente (3) mit dem Widerstand (1) über eine Lötverbindung elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Strommessung bestehend aus einem im wesentlichen plattenförmigen Widerstand (Shunt) und einer Messelektronikeinheit, wobei die Messelektronikeinheit an mindestens zwei Stellen elektrisch leitend mit dem Widerstand verbunden ist. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise Bestandteil von Batteriesensoren in Kraftfahrzeugen.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP 1 030 185 B1 bekannt. Dort weist der plattenförmige Widerstand einen Präzisionswiderstandsbereich auf, an dessen einander gegenüberliegenden Kanten elektrisch leitende ebenfalls plattenförmige Anschlusslaschen angeschweißt sind.
In einer ersten Ausführungsform der EP 1 030 185 B1 ist eine einen Halbleiterchip tragende Leiterplatte mit ihren Lötflächen unmittelbar mit den Lötflächen des plattenförmigen Widerstandes verlötet. Insbesondere bei der Anwendung solcher Vorrichtungen zur Strommessung bei Kraftfahrzeugbatterien kann dabei aufgrund der hohen Ströme beim Starten des Motors und der damit verbundenen Wärmeentwicklung die thermische Längenausdehnung des Präzisionswiderstandsbereiches (z.B. eine Kuper-Mangan-Legierung) zu einer die Lötstelle schädigenden Krafteinwirkung führen, wodurch die Lötstelle aufgrund der Vielzahl der sich wiederholenden Startvorgänge letztendlich zerstört wird.
In einer zweiten Ausführungsform der EP 1 030 185 B1 ist der Halbleiterchip unmittelbar auf den plattenförmigen Widerstand aufgeklebt, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Widerstand über flexible Bondrähte erfolgt, die auf den plattenförmigen Widerstand elektrisch leitend fixiert sind. Die Verwendung von Bonddrähten hat jedoch den Nachteil, dass diese sehr leicht abreißen können. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn der Widerstand im Bereich um den Halbleiterchip herum unter Druck mit einer Vergussmasse umspritzt werden soll.
Darüber hinaus ist aus der US 6,304,062 B1 eine Vorrichtung bekannt, bei der die die Meßelektronik tragende Leiterplatte über starre Kontaktstifte mit dem plattenförmigen Widerstand elektrisch leitend verbunden ist. Auch hierbei tritt, wenn die Kontaktstifte mit dem Widerstand verlötet sind, das Problem auf, das darin besteht, dass die Lötstellen aufgrund der Krafteinwirkung durch die thermischen Längenausdehnung des Widerstandes beschädigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine dauerhaft zuverlässige elektrische Verbindung zwischen der Messelektronikeinheit und dem Widerstand gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Messelektronikeinheit durch federnde Kontaktelemente mit dem Widerstand über eine Lötverbindung elektrisch leitend verbunden ist. Durch die federnden Kontaktelemente werden die Lötstellen bei einer thermischen Ausdehnung des plattenförmigen Widerstands mechanisch nicht mehr belastet. Die auftretenden Kräfte werden vielmehr durch eine elastische Verformung der federnden Kontaktelemente aufgefangen. Dadurch wird eine dauerhaft zuverlässige elektrische Verbindung zwischen der Messelektronikeinheit und dem Widerstand gewährleistet.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,
2 ein federndes Kontaktelement in einer vergrößerten Detaildarstellung,
3 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine Draufsicht auf die Leiterplatte mit ihren Lötflächen,
5 eine Draufsicht auf den plattenförmigen Widerstand mit seinen Lötflächen.
1 zeigt einen Querschnitt durch die Strommessvorrichtung. Der zur Strommessung verwendete Messwiderstand (Shunt) ist dabei als im wesentlichen plattenförmiger Widerstand (1) ausgebildet. Dabei weist der plattenförmige Widerstand (1) einen Präzisionswiderstandsbereich (10) auf, an dessen einander gegenüberliegenden Kanten (10A, 10B) elektrisch leitende ebenfalls plattenförmige Anschlusslaschen (11A, 11B) angeschweißt sind. Für den Präzisionswiderstandsbereich (10) wird vorzugsweise eine Legierung aus Kupfer und Mangan verwendet. Das Material der Anschlusslaschen (11) ist vorzugsweise Kupfer.
Bei der Anwendung zur Strommessung bei Kraftfahrzeugbatterien wird dann eine der beiden Anschlusslaschen (11A) mit einer Batteriepolklemme (nicht dargestellt), z.B. dem Minuspols, verschweißt, während die andere Anschlusslasche (11B) mit einem sogenannten Kabelschuh (nicht dargestellt) verschweißt wird. Zur Fixierung dieser Anschlusslasche (11B) auf dem Kabelschuh wird diese Anschlusslasche (11B) zusätzlich mit dem Kabelschuh verschraubt, wobei zur Aufnahme und Durchführung der Schraube (nicht dargestellt) in dieser Anschlusslasche (11B) eine durchgehende Öffnung (13) vorgesehen ist.
Die Messelektronikeinheit (2) besteht in der dargestellten Ausführungsform aus einer Leiterplatte (20), auf dessen Ober- und Unterseite mehrere Elektronikkomponenten (21) angeordnet sind. Anstatt mehrerer Elektronikkomponenten kann auch eine einzige integrierte Schaltung, ein sogenannter ASIC-Baustein, vorgesehen sein.
Die Leiterplatte (20) mit der darauf angeordneten Messelektronik ist auf dem plattenförmigen Widerstand (1) unter Abstützung durch federnde Kontaktelemente (3A, 3B), die gleichzeitig die elektrische Verbindung zwischen der Leiterplatte (20) und dem Widerstand (1), insbesondere den Anschlusslaschen (11), herstellen, angeordnet. Dabei steht die Leiterplatte (20) quasi auf federelastischen Stelzen.
Das Zentrum der Leiterplatte (20) ist im wesentlichen über dem Zentrum des Präzisionswiderstandsbereiches (10) angeordnet, wobei die Leiterplatte (20) mit ihren seitlichen Rändern die Kanten (10A, 10B) des Präzisionswiderstandsbereiches (10) überragt.
Die federnden Kontaktelemente (3A, 3B) sind einerseits mit den Anschlußlaschen (11A, 11B) des plattenförmigen Widerstands (1) und andererseits mit der Leiterplatte (20) verlötet. Zu diesem Zweck sind auf die Anschlusslaschen (11A, 11B) benachbart zu den Kanten (10A, 10B) des Präzisionswiderstandes Lötflächen (12A, 12B)) mit Lotmaterial aufgebracht, über die die federnden Kontaktelemente (3A, 3B) mit den Anschlusslaschen (11A, 11B) verlötet sind. Um eine einwandfreie Lötverbindung zu gewährleisten weisen die federnden Kontaktelemente (3) in dem Bereich, in dem sie mit dem Widerstand (1) verlötet werden, eine punzenartige Wölbung (30) auf, die sicherstellt, dass das federnde Kontaktelement (3) in diesem Bereich auch ausreichend in das Lotmaterial eintaucht. Dementsprechend weist die Leiterplatte (20) ebenfalls Lötflächen (22A, 22B) zur Verlötung mit den federnden Kontaktelementen (3) auf. Dabei sind die Lötflächen (22A, 22B) auf der Leiterplatte (20) jeweils an den seitlichen Rän dern der Leiterplatte (20) angeordnet sind, und zwar sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Leiterplatte, wobei die federnden Kontaktelemente (3) einen Klemmbügel (31) aufweisen, mit dem die federnden Kontaktelemente (3) randseitig klemmend auf die Lötflächen (22) der Leiterplatte (20) geschoben sind.
Die Lötflächen (12A, 12B) auf den Anschlusslaschen (11A, 11B) sind möglichst nahe an der jeweiligen Kante (10A, 10B) des Präzisionswiderstandsbereiches (10) angeordnet, um das elektrische Spannungspotential möglichst nah am Präzisionswiderstand abzugreifen und somit den Widerstandseinfluß der Anschlusslaschen (11) auf die Strommessung möglichst gering zu halten. Da die Leiterplatte (20) mit ihren seitlichen Rändern die Kanten (10A, 10B) des Präzisionswiderstandsbereiches (10) überragt und die Lötflächen (22A, 22B) auf der Leiterplatte (20) jeweils benachbart zu den seitlichen Rändern der Leiterplatte (20) angeordnet sind, sind die sich von den seitlichen Rändern der Leiterplatte (20) erstreckenden federnden Kontaktelemente (3) jeweils zur Kante (10A, 10B) des Präzisionswiderstandsbereiches (10) hin gebogen, damit die punzenförmigen Wölbungen (30) der federnden Kontaktelemente (3) auch auf die Lötflächen (12) der Anschlusslaschen (11) aufsetzen. Die Lötflächen auf den Anschlusslaschen können als voneinander isolierte Inseln (12B) oder als durchgängiger Lötstreifen (12A) ausgebildet sein.
Da die Leiterplatte (20) erfindungsgemäß im Unterschied zum Stand der Technik gemäß EP 1 030 185 B1 über die federnden Kontaktelemente (3) beabstandet auf dem plattenförmigen Widerstand (1), insbesondere gegenüber dem Präzisionswiderstandsbereich (10), angeordnet ist, wird die thermische Belastung der Leiterplatte (20) und der darauf angeordneten Messelektronik, die von dem heißen Präzisionswiderstandsbereich (10) ausgeht, aufgrund des Abstandes (a) verringert. Dabei gestattet die beabstandete Anordnung der Leiterplatte (20) auch noch in vorteilhafter Weise die Montage von elektronischen Komponenten (21) auf der Unterseite der Leiterplatte (20), die dem plattenförmigen Widerstand (1) zugewandt ist.
In der dargestellten Ausführungsform weisen die Anschlusslaschen (11) des plattenförmigen Widerstands eine größere Dicke (D) auf als der Präzisionswiderstandsbereich (10), der lediglich eine Dicke (d) aufweist. Durch diese Maßnahme wird der Abstand (a) der Leiterplatte (20) gegenüber dem Präzisionswiderstandsbereich (10) zusätzlich vergrößert, wodurch eine weitere thermische Entkopplung und/oder zusätzlicher Bauraum für Elektronikkomponenten geschaffen wird.
Um eine möglichst gute leitende Verbindung zu schaffen, sind auf jedem der beiden Anschlusslaschen (11) jeweils entlang der Kante des Präzisionswiderstandsbereiches (10) jeweils mehrere federnde Kontaktelemente (3) – und nicht nur eines – nebeneinander angeordnet.
Zum Schutz der Messelektronik vor Feuchtigkeit und Schmutz ist der plattenförmige Widerstand (1) um die Meßelektronikeinheit (2) herum von einem Gußgehäuse (4) umschlossen – siehe 3. Dabei ist in dem Gußgehäuse (Vergussumhüllung) ein Stecker zum Anschluß von elektrischen Leitungen (5) an die Messelektronikeinheit integriert.
Die federnden Kontaktelemente (3) bestehen aus Metall, vorzugsweise aus einer verzinnten Beryllium/Kupfer-Legierung.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein sogenannter Kamm bestehend aus einer Vielzahl von federnden Kontaktelementen (3) verwendet, wobei dieser Kamm über die Klemmbügel (31) der federnden Kontaktelemente (3) jeweils randseitig auf die Leiterplatte (20) aufgeschoben wird. Anschließend werden die federnden Kontaktelemente (3) z.B. in einem Reflow- Ofen mit den Lötflächen (22) der Leiterplatte (20) verlötet. Im Anschluß daran wird die Leiterplatte (20) mit den federnden Kontaktelementen (3) auf die Lötflächen (12) der Anschlusslaschen (11) gesetzt und die federnden Kontaktelemente (3) mit den punzenförmigen Wölbungen (30) mit den Lötflächen (12) der Anschlusslaschen (11) verlötet. Schließlich wird dann noch die Leiterplatte (20) zur Herstellung des schützenden Gußgehäuses (4) vergossen.
Bezugszeichenliste

1: plattenförmiger Widerstand
10: Präzisionswiderstandsbereich
10A, 10B: Kanten des Präzisionswiderstandsbereiches
11A,11B: Anschlusslaschen des plattenförmigen Widerstands
12A, 12B: Lötflächen auf den Anschlusslaschen
13: Durchgehende Öffnung in der Anschlusslasche
2: Messelektronikeinheit
20: Leiterplatte
21: Elektronikkomponenten
22A,22B: Lötflächen auf der Leiterplatte
3: Federndes Kontaktelement
30: Punzenförmige Wölbung am federnden Kontaktelement
31: Klemmbügel am federnden Kontaktelement
4: Gußgehäuse
5: Anschlussleitungen für die Meßelektronikeinheit

Claims

1) Vorrichtung zur Strommessung bestehend aus einem im wesentlichen plattenförmigen Widerstand/Shunt (1) und einer Messelektronikeinheit (2), wobei die Messelektronikeinheit (2) an mindestens zwei Stellen elektrisch leitend mit dem Widerstand (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronikeinheit (2) durch federnde Kontaktelemente (3) mit dem Widerstand (1) über eine Lötverbindung elektrisch leitend verbunden ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Widerstand (1) Lötflächen (12) aufgebracht sind, über die die federnden Kontaktelemente (3) mit dem Widerstand (1) verlötet sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronikeinheit (2) eine Leiterplatte (20) aufweist, auf der die Messelektronik angeordnet ist, wobei auf die Leiterplatte Lötflächen (22) aufgebracht sind, über die die federnden Kontaktelemente (3) mit der Leiterplatte (20) verlötet sind.

Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (20) über die federnden Kontaktelemente (3) beabstandet auf dem plattenförmigen Widerstand (1) angeordnet ist.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Widerstand (1) einen Präzisionswiderstandsbereich (10) aufweist, an dessen einander gegenüberliegenden Kanten (10A, 10B) elektrisch leitende ebenfalls plattenförmige Anschlusslaschen (11A, 11B) angeschweißt sind, wobei die Stellen zur elektrisch leitenden Verbindung der federnden Kontaktelemente (3) jeweils auf den Anschlusslaschen (11A, 11B) angeordnet sind.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – das Zentrum der Leiterplatte (20) im wesentlichen über dem Zentrum des Präzisionswiderstandsbereiches (10) angeordnet ist, – die Leiterplatte (20) mit ihren seitlichen Rändern die Kanten (10A, 10B) des Präzisionswiderstandsbereiches (10) überragt, – die Lötflächen (12) auf den Anschlusslaschen (11) des plattenförmigen Widerstands (11) jeweils benachbart zu den Kanten des Präzisionswiderstandsbereiches (10) angeordnet sind, – die Lötflächen (22) auf der Leiterplatte (20) jeweils benachbart zu den seitlichen Rändern der Leiterplatte (20) angeordnet sind, – die sich von den seitlichen Rändern der Leiterplatte (20) erstreckenden federnden Kontaktelemente (3) jeweils zur Kante (10A, 10B) des Präzisionswiderstandsbereiches (10) hin gebogen sind.

Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum der Leiterplatte (20) im wesentlichen über dem Zentrum des Präzisionswiderstandsbereiches (10) angeordnet ist, wobei die Anschlusslaschen (11) des plattenförmigen Widerstands (1) eine größere Dicke (D) aufweisen als der Präzisionswiderstandsbereich (10).

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die federnden Kontaktelemente (3) in dem Bereich, in dem sie mit dem Widerstand (1) verlötet sind, eine punzenartige Wölbung (30) aufweisen.

Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lötflächen (22) auf der Leiterplatte (20) jeweils an den seitlichen Rändern der Leiterplatte (20) angeordnet sind, – die Lötflächen (22) sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Leiterplatte (20) angeordnet sind, – die federnden Kontaktelemente (3) einen Klemmbügel (31) aufweisen, – die federnden Kontaktelemente (3) mit dem Klemmbügel (31) randseitig klemmend auf die Lötflächen (22) der Leiterplatte (20) geschoben sind.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem der beiden Anschlusslaschen (11) jeweils entlang der Kante des Präzisionswiderstandsbereiches (10) jeweils mehrere federnde Kontaktelemente (3) nebeneinander angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (1) im Bereich der Meßelektonikeinheit (2) von einem Gußgehäuse (4) umschlossen ist.