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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Erfassen einer Größe, die
einen elektrischen Strom repräsentiert.
Die Sensoranordnung ist insbesondere vorgesehen für eine elektronische Überwachung
eines Lade- oder Entladevorgangs einer Kraftfahrzeugbatterie.
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Eine
Anschlussschiene mit einem Messwiderstand ist dazu elektrisch zwischen
einem Pol der Kraftfahrzeugbatterie und einer Karosserie des Kraftfahrzeugs
angeordnet. Eine Leiterplatte mit einer darauf angeordneten Schaltungsanordnung
ist auf die Anschlussschiene gelötet.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, eine Sensoranordnung zu schaffen, die
einen elektrischen Strom präzise
erfasst.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch eine Sensoranordnung zum Erfassen
einer Größe, die
einen elektrischen Strom repräsentiert,
der zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss der Sensoranordnung
fließt.
Die Sensoranordnung umfasst eine elektrisch leitende Anschlussschiene,
die einen ersten Kontaktbereich aufweist, der den ersten Anschluss
der Sensoranordnung bildet, und einen zweiten Kontaktbereich aufweist.
Der erste und der zweite Kontaktbereich sind durch einen Messwiderstand elektrisch
leitend miteinander verbunden. Die Sensoranordnung umfasst ferner
eine Polklemme, die den zweiten Anschluss der Sensoranordnung umfasst und
die einen Bügel
aufweist, der elektrisch leitend mit der Anschlussschiene in ihrem
zweiten Kontaktbereich verbunden ist. Der Bügel ist so ausgebildet, dass
zwischen dem Bügel
und der An schlussschiene ein Montageraum besteht, der durch den
Bügel und die
Anschlussschiene von mindestens drei Seiten begrenzt ist. Die Sensoranordnung
umfasst ferner eine Schaltungsanordnung, die in dem Montageraum angeordnet
ist und die elektrisch leitend mit dem ersten und dem zweiten Kontaktbereich
der Anschlussschiene gekoppelt ist und die ausgebildet ist, die
den Strom repräsentierende
Größe zu erfassen.
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Der
Vorteil ist, dass die Schaltungsanordnung mechanisch gut geschützt und
elektrisch von Störeinflüssen abgeschirmt
angeordnet ist. Dadurch ist die den Strom repräsentierende Größe mit hoher Präzision erfassbar.
Ferner ist die Sensoranordnung einfach montierbar ohne Gefahr, die
Schaltungsanordnung bei der Montage der Sensoranordnung zu beschädigen. Der
erste Anschluss ist vorzugsweise elektrisch mit einer Karosserie
eines Kraftfahrzeugs koppelbar. Der zweite Anschluss ist vorzugsweise mit
einem Pol einer Kraftfahrzeugbatterie koppelbar, insbesondere mit
einem Minuspol oder einem Masseanschluss.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Bügel einen Anschlussbereich
auf, mit dem der Bügel mit
dem zweiten Anschluss der Sensoranordnung gekoppelt ist oder der
den zweiten Anschluss der Sensoranordnung bildet. Der Bügel ist
so ausgebildet und angeordnet, dass sich der Anschlussbereich im Wesentlichen
parallel in einem vorgegebenen Abstand zu der Anschlussschiene erstreckt
und dass ein Stromfluss in dem Anschlussbereich eine entgegengesetzte
Richtung aufweist in Bezug auf einen Stromfluss in einem Bereich
der Anschlussschiene, der an den Montageraum angrenzt. Durch die
gegensätzlichen
Stromrichtungen in dem Anschlussbereich des Bügels und in der Anschlussschiene
wird ein durch den Strom hervorgerufenes Magnetfeld kompensiert.
Durch das Magnetfeld hervorgerufene Störungen werden so vermieden.
Die den Strom repräsentierende
Größe ist daher
mit besonders hoher Präzision
ermittelbar.
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Der
Montageraum erstreckt sich längs
der Anschlussschiene vorzugsweise über einen Bereich des Messwiderstands
hinaus in den ersten und den zweiten Kontaktbereich der Anschlussschiene.
Dadurch ist das Koppeln des ersten und des zweiten Kontaktbereichs
der Anschlussschiene mit der Schaltungsanordnung besonders einfach
und kann mit besonders kurzen Leitungen erfolgen. So können Störeinflüsse besonders
wirkungsvoll vermieden werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung
auf einem Keramiksubstrat angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass
eine besonders gute Wärmekopplung
der Schaltungsanordnung an den zweiten Anschluss der Sensoranordnung
möglich
ist. Das Keramiksubstrat ist bevorzugt an dem Anschlussbereich des
Bügels
angeordnet. Im Vergleich zu FR4-Leiterplatten
hat das Keramiksubstrat beispielsweise eine um einen etwa Faktor 100
bessere Wärmeleitfähigkeit.
Die Schaltungsanordnung weist dadurch besonders geringe Temperaturunterschiede
auf. Dem Entstehen von parasitären elektrischen
Spannungen, die durch thermoelektrische Effekte hervorgerufen werden
können,
wird so entgegengewirkt. Die den Strom repräsentierende Größe ist so
besonders präzise
ermittelbar.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Sensoranordnung
einen Temperatursensor umfasst, der an dem Keramiksubstrat angeordnet
ist. Die Sensoranordnung ist ausgebildet, eine Temperaturgröße zu erfassen,
die eine Temperatur des zweiten Anschlusses der Sensoranordnung
repräsentiert. Der
Temperatursensor ist insbesondere unmittelbar an dem Keramiksubstrat
angeordnet, das heißt
vorzugsweise nicht auf einem gegebenenfalls zusätzlich auf dem Keramiksubstrat
vorgesehenen Dielektrikum. Der Vorteil ist, dass der Temperatursensor
dadurch eine sehr gute Wärmekopplung
an das Keramiksubstrat und insbesondere an den Anschlussbereich
des Bügels
aufweist. Die Temperaturgröße ist so
besonders präzise
und zuverlässig
erfassbar. Ferner ist eine separate Montage des Temperatursensors
an der Anschlussschiene oder an der Polklemme nicht erforderlich.
Die Sensoranordnung ist so besonders kompakt ausbildbar und einfach
montierbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind der erste und der
zweite Kontaktbereich der Anschlussschiene mit der Schaltungsanordnung
durch Drahtbonden und insbesondere durch Dickdrahtbonden elektrisch
leitend gekoppelt. Dadurch sind keine Lötverbindungen für das elektrische
Koppeln der Kontaktbereiche der Anschlussschiene mit der Schaltungsanordnung
erforderlich. Der Vorteil ist, dass Materialübergänge zwischen dem ersten und dem
zweiten Kontaktbereich der Anschlussschiene und der Schaltungsanordnung
vermieden werden und somit keine parasitären elektrischen Spannungen
aufgrund von thermoelektrischen Effekten entstehen können. Dadurch
ist die den Strom repräsentierende
Größe besonders
präzise
und zuverlässig erfassbar.
Ferner ist die Sensoranordnung so besonders einfach herstellbar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Drahtbonden bzw. Dickdrahtbonden
direkt auf eine gegebenenfalls vorgesehene anwendungsspezifische
integrierte Schaltung ausgeführt
ist, die Teil der Schaltungsanordnung ist und die beispielsweise
einen empfindlichen Messverstärker
für ein Verstärken eines
Spannungsabfalls über
dem Messwiderstand umfasst. Das Erfassen der den Strom repräsentierenden
Größe ist so
besonders präzise
und störungsarm
möglich.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Anschlussschiene,
die Polklemme, Leiterbahnen der Schaltungsanordnung und Bonddrähte ein
Kupfermaterial umfassen. Der Vorteil ist, dass das Kupfermaterial
eine sehr gute Wärmeleitung
ermöglicht
und eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ferner sind
auf diese Weise Materialübergänge und
dadurch das Entstehen parasitärer
elektrischer Spannungen auf Grund der thermoelektrischen Effekte
vermeidbar. Die den Strom repräsentierende Größe ist so
besonders präzise
und zuverlässig
erfassbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung
als eine Dickschichthybridschaltung ausgebildet. Dies hat den Vorteil,
dass keine oder nur sehr wenige Lötverbindungen erforderlich
sind und dadurch Materialübergänge vermieden
werden, die zu parasitären
elektrischen Spannungen auf Grund der thermoelektrischen Effekte führen können. Ferner
ist die Dickschichthybridschaltung besonders geeignet für elektrische
Verbindungen durch Drahtbonden oder Dickdrahtbonden. Die Dickschichthybridschaltung
ist ferner besonders robust und zuverlässig und weist eine hohe Temperaturbeständigkeit
auf. Die Dickschichthybridschaltung ist dadurch besonders geeignet
für die
Nutzung in einem Kraftfahrzeug und ermöglicht ein besonders präzises, rauscharmes
und zuverlässiges
Erfassen der den Strom repräsentierenden
Größe.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine Sensoranordnung und
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2 eine
Seitenansicht der Sensoranordnung gemäß 1.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung und 2 zeigt
eine zugehörige
Seitenansicht der Sensoranordnung. Die Sensoranordnung umfasst eine
Anschlussschiene 1, die einen ersten Kontaktbereich A und
einen zweiten Kontaktbereich B aufweist. Elektrisch zwischen dem
ersten und dem zweiten Kontaktbereich A, B ist in der Anschlussschiene 1 ein
Messwiderstand 2 angeordnet. Der Messwiderstand 2 ist
beispielsweise ein Manganin-Messwiderstand. Der Messwiderstand 2 weist beispielsweise
einen Widerstandswert von 100 Mikroohm auf. Der Widerstandswert
kann jedoch auch größer oder
kleiner als 100 Mikroohm sein.
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Die
Sensoranordnung umfasst ferner eine Polklemme 3 mit einem
Bügel 4 und
einem Klemmenanschluss 5. Der Klemmenanschluss 5 ist
ausgebildet, an einem Polstift 6 einer Batterie 7 angeordnet
zu werden. Die Batterie 7 ist insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie.
Der Polstift 6 ist insbesondere ein Minuspol oder Masseanschluss
der Batterie 7.
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Der
Bügel 4 weist
einen Befestigungsbereich C und einen Anschlussbereich D auf. Der
Bügel 4 ist vorzugsweise
in seinem Befestigungsbereich C mit dem zweiten Kontaktbereich B
der Anschlussschiene 1 verbunden, zum Beispiel durch eine
Schweißverbindung.
Der Anschlussbereich D des Bügels 4 ist bevorzugt
im Wesentlichen parallel zu der Anschlussschiene 1 angeordnet.
Der Klemmenanschluss 5 ist mit dem Bügel 4 in dem Anschlussbereich
D des Bügels 4 verbunden,
zum Beispiel durch eine Schweißverbindung.
Der Bügel 4 kann
jedoch auch so ausgebildet sein, dass dieser den Klemmenanschluss 5 umfasst
oder den Klemmenanschluss 5 bildet.
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Der
erste Kontaktbereich A der Anschlussschiene 1 bildet einen
ersten Anschluss der Sensoranordnung. Die Polklemme 3 und
insbesondere der Klemmenanschluss 5 und/oder der Anschlussbereich
D des Bügels 4 bilden
einen zweiten Anschluss der Sensoranordnung. An den ersten Kontaktbereich A
der Anschlussschiene 1 ist ein Kabel 8 anschließbar, durch
das die Sensoranordnung beispielsweise mit einer Karosserie des
Kraftfahrzeugs elektrisch leitend gekoppelt ist. Ein elektrischer
Strom I kann von dem ersten Anschluss der Sensoranordnung, also
dem ersten Kontaktbereich A der Anschlussschiene 1, durch
den Messwiderstand 2 in den Bügel 4 und weiter in
den Polstift 6 der Batterie 7 fließen.
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Der
Bügel 4 ist
so ausgebildet, dass zwischen der Anschlussschiene 1 und
dem Bügel 4 ein Montageraum
ausgebildet ist, der von mindestens drei Seiten durch die Anschlussschiene 1 und
den Bügel 4 begrenzt
ist. In dem Montageraum und bevorzugt an dem Bügel 4 in dessen Anschlussbereich D
ist eine Leiterplatte 9 angeordnet. Bevorzugt ist die Leiterplatte 9 als
ein Keramiksubstrat ausgebildet, das beispielsweise aus Al2O3 gebildet ist.
Die Leiterplatte 9 ist bevorzugt durch einen Kleber 10 an
dem Bügel 4 befestigt.
Der Kleber 10 weist vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit
auf, um die Leiterplatte 9 thermisch gut an den Bügel 4 zu
koppeln.
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Auf
der Leiterplatte 9 ist eine Schaltungsanordnung zum Erfassen
einer den Strom I repräsentierenden
Größe ausgebildet
oder angeordnet. Die Schaltungsanordnung umfasst beispielsweise
einen integrierten Schaltkreis 11, der beispielsweise als eine
anwendungsspezifische integrierte Schaltung ausgebildet ist. Der
integrierte Schaltkreis 11 umfasst beispielsweise einen
empfindlichen Messverstärker zum
Verstärken
eines Spannungsabfalls, der durch den Strom I über dem Messwiderstand 2 erzeugt wird.
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Ferner
ist bevorzugt ein Temperatursensor 12 vorgesehen, der bevorzugt
unmittelbar auf der Leiterplatte 9 angeordnet ist. Dadurch
ist der Temperatursensor 12 thermisch besonders gut mit
der Leiterplatte 9 und mit dem Bügel 4 gekoppelt. Bei
Vorliegen einer guten thermischen Kopplung des Bügels 4 und des Polstifts 6 der
Batterie 7 ist der Temperatursensor 12 thermisch
ferner besonders gut mit der Batterie 7 gekoppelt. Dadurch
ist mittels des Temperatursensors 12 eine Temperatur der
Batterie 7 besonders zuverlässig und präzise ermittelbar und mittels
der Schaltungsanordnung überwachbar.
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An
der Anschlussschiene 1 sind in dem ersten und dem zweiten
Kontaktbereich A, B jeweils Kontaktflächen 13 vorgesehen.
Die Kontaktflächen 13 sind
jeweils über
mindestens einen Bonddraht 14 elektrisch leitend mit der
Schaltungsanordnung und insbesondere mit einer Leitung auf der Leiterplatte 9 oder
unmittelbar mit einem Anschluss des integrierten Schaltkreises 11 gekoppelt.
Besonders vorteilhaft ist es, den integrierten Schaltkreis 11 ohne
Gehäuse auf
der Leiterplatte 9 anzuordnen und die Bonddrähte 14 unmittelbar
auf die An schlösse
des integrierten Schaltkreises 11 zu bonden. Auf diese
Weise ist der Spannungsabfall über
dem Messwiderstand und somit auch der Strom I auch bei kleinen Strömen I rauscharm
und präzise
ermittelbar.
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Der
Bügel 4 kann
zur Vermeidung von mechanischen Schwingungen ferner an seinem dem Befestigungsbereich
C entgegengesetzten Ende elektrisch isolierend mit der Anschlussschiene 1 gekoppelt
sein, zum Beispiel durch Vorsehen von Isolierscheiben 15 und
einer Schraubverbindung. Die Sensoranordnung ist so besonders robust.
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Bevorzugt
ist ein Gehäuse 16 vorgesehen, das
die Schaltungsanordnung in dem Montageraum und bevorzugt auch den
Messwiderstand, die Kontaktflächen 13 und
die Bonddrähte 14 umschließt. Das
Gehäuse 16 ist
vorzugsweise ein Kunststoffgehäuse.
Bevorzugt ist das Gehäuse 16 mit
einer Füllmasse
ausgegossen, zum Beispiel mit Silikon. Dadurch ist die Schaltungsanordnung
und die elektrische Kopplung der Anschlussschiene 1 mit
der Schaltungsanordnung über
die Bonddrähte 14 zuverlässig gegen
Beschädigungen
und Verschmutzung geschützt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, die Schaltungsanordnung als eine Dickschichthybridschaltung
auszubilden. Der Vorteil ist, dass eine solche Dickschichthybridschaltung
besonders robust und zuverlässig ist
und eine besonders rauscharme, robuste, zuverlässige und präzise Ausbildung
der Schaltungsanordnung ermöglicht.
Insbesondere sind bei der Dickschichthybridschaltung elektrisch
leitende Verbindungen besonders einfach und zuverlässig durch Drahtbonden
und insbesondere durch Dickdrahtbonden herstellbar. Dadurch sind
keine oder nur wenige Lötverbindungen
erforderlich, wodurch die Zuverlässigkeit
erhöht
und das Entstehen von parasitären elektrischen
Spannungen durch thermoelektrische Effekte verhindert wird. Besonders
vorteilhaft ist es ferner, wenn die Anschlussschiene 1,
die Bonddrähte 14,
die Leitungen auf der Leiterplatte 9 und die Polklemme 3 ein
Kupfermaterial umfassen oder aus dem Kupfermaterial bestehen. Das
Kupfermaterial ermöglicht
eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit und eine besonders
gute Wärmeleitfähigkeit.
Durch die einheitliche Nutzung des Kupfermaterials werden ferner
Materialübergänge vermieden,
die zu parasitären
elektrischen Spannungen auf Grund der thermoelektrischen Effekte
führen
können.
Ein solcher thermoelektrischer Effekt ist beispielsweise der Seebeck-Effekt.
Weiter ist es vorteilhaft, Widerstände als Dickschichtwiderstände als
Teil von Leiterbahnen auf dem Keramiksubstrat auszubilden und die
Dickschichtwiderstände
zwischen Anschlüssen
von Bauelementen, zum Beispiel dem integrierten Schaltkreis 11,
in einer Innenlage anzuordnen. Durch eine solche Layoutmaßnahme kann
die Sensoranordnung besonders rauscharm sein.
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Die
Sensoranordnung ist geeignet, einen Lade- oder Entladevorgang der
Batterie 7 bezüglich
des fließenden
Stroms I und gegebenenfalls auch bezüglich einer Temperatur der
Batterie 7 zu überwachen.
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Die
Sensoranordnung ist beispielsweise wie folgt herstellbar. In einem
ersten Schritt wird die Schaltungsanordnung als Dickschichthybridschaltung
auf dem Keramiksubstrat hergestellt. Die Schaltungsanordnung wird
dann in einem zweiten Schritt mit dem Kleber 10 an den
Anschlussbereich D des Bügels 4 geklebt.
Der Bügel 4 wird
in einem dritten Schritt mit seinem Befestigungsbereich C an die
Anschlussschiene 1 in dem zweiten Kontaktbereich B verbunden,
zum Beispiel durch Anschweißen.
Gegebenfalls wird ferner das dem Befestigungsbereich C entgegengesetzte
Ende des Bügels 4 elektrisch
isolierend mit der Anschlussschiene 1 gekoppelt. In einem
vierten Schritt erfolgt das elektrisch leitende Koppeln des ersten
und des zweiten Kontaktbereichs A, B der Anschlussschiene 1 mit
der Schaltungsanordnung durch Drahtbonden und insbesondere durch Dickdrahtbonden
der Bonddrähte 14.
In einem fünften
Schritt wird das Gehäuse 16 an
der Sensoranordnung montiert. Ein gegebenenfalls an dem Gehäuse 16 vorgesehener
elektrischer Steckkontakt wird in einem sechsten Schritt mit der Schaltungsanordnung elektrisch
leitend verbunden, zum Beispiel durch Drahtbonden. Das Gehäuse 16 wird
in einem siebten Schritt mit der Füllmasse vergossen.
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- 1
- Anschlussschiene
- 2
- Messwiderstand
- 3
- Polklemme
- 4
- Bügel
- 5
- Klemmenanschluss
- 6
- Polstift
- 7
- Batterie
- 8
- Kabel
- 9
- Leiterplatte
- 10
- Kleber
- 11
- integrierter
Schaltkreis
- 12
- Temperatursensor
- 13
- Kontaktfläche
- 14
- Bonddraht
- 15
- Isolierscheibe
- 16
- Gehäuse
- A
- erster
Kontaktbereich
- B
- zweiter
Kontaktbereich
- C
- Befestigungsbereich
- D
- Anschlussbereich
- I
- Strom