WO2016188873A1 - Analoger batterieklemmensensor - Google Patents

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WO2016188873A1 PCT/EP2016/061348 EP2016061348W WO2016188873A1 WO 2016188873 A1 WO2016188873 A1 WO 2016188873A1 EP 2016061348 W EP2016061348 W EP 2016061348W WO 2016188873 A1 WO2016188873 A1 WO 2016188873A1
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current
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Wolfgang Weigert
Karlheinz Warnke
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Aumovio Germany GmbH
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/364—Battery terminal connectors with integrated measuring arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
    • G01R1/203—Resistors used for electric measuring, e.g. decade resistors standards, resistors for comparators, series resistors, shunts

Definitions

  • the invention relates to a current sensor arrangement according to the preamble of claim 1 and the use of the sensor arrangement in motor vehicles.
  • the current measurement in these sensors is usually done with the help of Hall sensors or by means of a high-quality
  • 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 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 toroid surrounding the battery cable Air gap of a magnetic toroid 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 less expensive.
  • the object of the invention has been found to propose a relatively inexpensive and / or relatively precise measuring Stromsen ⁇ soranix. This object is achieved by the current ⁇ sensor arrangement according to claim 1.
  • the current sensor arrangement is preferably understood to be a battery sensor or the current sensor arrangement is preferably designed as a battery sensor.
  • the signal processing device is preferably formed on a chip or formed as an integrated circuit.
  • a signal processing device is expediently understood as a signal processing circuit.
  • the signal processing device does not comprise a digital circuit part and / or a microcontroller.
  • the entire current sensor arrangement or the entire battery sensor expediently has no digital circuit part and / or no microcontroller.
  • the current sensor arrangement or the battery sensor is preferably integrated in the battery terminal.
  • 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.
  • 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.
  • 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 assembly is particularly preferably designed such that it can be connected to a control unit by means of the two supply terminals and is connected, which provides a defined supply voltage of at ⁇ play 5V DC voltage. Characterized in that the current sensor arrangement has supply connections and thus to a defined, in particular robust and reliable
  • Supply voltage can be connected, and not directly the supply voltage, which is the terminal voltage of the battery, no surge protection in the current sensor assembly is required.
  • the signal processing device has 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.
  • the additional amplifier circuit provides the analog output signal.
  • 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 assembly is particularly preferably designed such that the Temperatursen ⁇ sorelement thermally conductively connected to the shunt and / or the pole terminal or relatively well thermally conductively connected. As a result, a relatively precise temperature detection or measurement is possible.
  • the temperature sensor element is expediently as
  • NTC resistor or thermistor formed NTC resistor or thermistor formed.
  • the shunt is suitably designed so that it is designed for currents of more than 1000A.
  • 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.
  • 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 strompro ⁇ portional, 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.
  • the current sensor arrangement is preferably designed such that it is closed ⁇ both the negative terminal and the positive terminal of a battery and can be operated.
  • the invention also relates to the use of the current sensor arrangement or the battery sensor in motor vehicles.
  • FIG. 1 shows a schematic and exemplary illustration of the circuit or design of the current sensor arrangement or of the battery sensor with respect to its mode of operation.
  • the shunt 1 for example, with a very low electrical resistance of approx. 100oohm, the battery sensor is electrically connected to the battery terminal 9 of a car battery and a battery lead 10, by means of which electrical consumers are connected in the car.
  • the current sensor arrangement is connected by way of example to the high-side and low-side connection or potential of the battery cable harness and closed at ⁇ .
  • the signal processing device is connected to its detection terminals 2 and 3 with the current path through the shunt substantially directly in front of and behind the shunt 1 electrically conductive.
  • the detection terminals 2 and 3 are formed with the inputs of the preamplifier circuit 4, for example, as a differential amplifier, via input resistors R, for example, used as a protective circuit connected.
  • 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 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 connected by means of the two supply terminals 6 and 7 with an external electronic control unit ECU and is supplied by this stable with a supply voltage of 5V example.
  • the signal processing device furthermore has the temperature sensor element 8, which is designed as an analogue NTC resistor, "Negative Temperature Coefficient Thermistor” and provides a temperature signal as an additional output signal on the output side connected to the shunt 1 thermally conductively and arranged according to the 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 example, so that in the case that applied to the additional amplifier circuit 5, a differential voltage of about 0V, the reference voltage out- is given and thus the measurement signal is not OV.
  • ⁇ game in accordance with the temperature sensor element 8 detects when a ⁇ switch the current sensor array is substantially the temperature of the battery terminal 9 and the course of the heating of the shunt 1 substantially its temperature, whereby the temperature of the shunt is detected 1 in operation substantially.

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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.

Description

Analoger Batterieklemmensensor
Die Erfindung betrifft ein Stromsensoranordnung gemäß Ober- begriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
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
C02-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 Mik- rocontroller 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 mikrocontrollerge- steuerten Batteriesensoren durch eine hohe Genauigkeit aus, wogegen die hallbasierten Sensoren deutlich ungenauer aber günstiger sind. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt eine relativ kostengünstige und/oder relativ präzise messende Stromsen¬ soranordnung vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Strom¬ sensoranordnung nach Anspruch 1.
Unter der Stromsensoranordnung wird vorzugsweise ein Batteriesensor verstanden bzw. die Stromsensoranordnung ist bevorzugt als Batteriesensor ausgebildet.
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise auf einem Chip ausgebildet bzw. als integrierte Schaltung ausgebildet. Unter einer Signalverarbeitungseinrichtung wird zweckmäßigerweise eine Signalverarbeitungsschaltung verstanden.
Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung keinen digitalen Schaltungsteil und/oder keinen MikroController um- fasst. Dabei weist die gesamte Stromsensoranordnung bzw. der gesamte Batteriesensor zweckmäßigerweise keinen digitalen Schaltungsteil und/oder keinen MikroController auf.
Die Stromsensoranordnung bzw. der Batteriesensor ist vor- zugsweise in die Batterieklemme integriert ausgebildet.
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 .
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. 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 bei¬ spielsweise 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 .
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.
Es ist zweckmäßig, dass die zusätzliche Verstärkerschaltung das analoge Ausgangssignal bereitstellt.
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 Temperatursen¬ sorelement 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.
Das Temperatursensorelement ist zweckmäßigerweise als
NTC-Widerstand bzw. Heißleiter ausgebildet.
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.
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass das Ausgangssignal des Batteriesensors ein stromproportionales, also hinsichtlich des Shunts strompro¬ portional, analoges Stromsignal ist oder ein hinsichtlich des Shunts stromproportionales analoges Spannungssignal, welches insbesondere eine Ausgangsamplitude von 0,5V bis 4,5V aufweist. Die Stromsensoranordnung ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie sowohl am Minuspol als auch am Pluspol einer Batterie ange¬ schlossen und betrieben werden kann.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung der Stromsensoranordnung bzw. des Batteriesensors in Kraftfahrzeugen .
Fig. 1 zeigt eine schematische und beispielhafte Darstellung der Schaltung bzw. Ausbildung der Stromsensoranordnung bzw. des Batteriesensors hinsichtlich seiner Funktionsweise.
Der Shunt 1, beispielsweise mit einem besonders geringen elektrischen Widerstand von ca . lOOuOhm, 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 an¬ geschlossen. 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. Zwi- sehen den beiden Eingangwiderständen R ist ein Kondensator bzw. Kapazitätselement C, als zusätzliche Schutzbeschaltung ge¬ schaltet. Die Ausgänge der Vorverstärkerschaltung 4 sind den Eingängen einer zusätzlichen Verstärkerschaltung 5, ebenfalls als Differenzverstärker ausgebildet, zugeführt, wobei die zusätzliche Verstärkerschaltung 5 ausgangsseitig das hin¬ sichtlich des Shunts 1 stromproportionale analoge Spannungs¬ signal 11, beispielgemäß von 0,5V bis 4,5V, als Ausgangssignal des Batteriesensors bereitstellt. Die Signalverarbeitungs¬ einrichtung 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 Signalverarbeitungs¬ einrichtung 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 aus- gegeben wird und damit das Messsignal nicht OV beträgt. Bei¬ spielgemäß erfasst das Temperatursensorelement 8 beim Ein¬ schalten 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.

Claims

Patentansprüche
1. 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) bereit¬ stellt, welches abhängig ist von dem erfassten Strom und/oder der erfassten Spannung.
2. Stromsensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Signalverarbeitungseinrichtung auf mindestens einem Chip ausgebildet ist. 3. Stromsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Signalverarbeitungseinrichtung keinen digitalen Schaltungsteil und/oder keinen MikroController umfasst. 4. Stromsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis
3. dadurch gekennzeichnet, dass diese in die Batterieklemme integriert ausgebildet ist.
5. 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 .
6. Stromsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsein- richtung 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.
7. Stromsensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass die zusätzliche Verstärkerschaltung (5) das analoge Ausgangssignal der Stromsensoranordnung bereitstellt. 8. 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.
9. Stromsensoranordnung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die Signalverarbeitungseinrichtung als Temperatursensorelement (8) einen NTC-Widerstand aufweist. 10. Verwendung der Stromsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kraftfahrzeugen.
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