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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stromsensors, einen Stromsensor sowie eine Messwiderstandsbaugruppe und eine Leiterplatte für einen solchen Stromsensor.
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In vielen Anwendungen, insbesondere im Fahrzeugbereich, ist es erforderlich, die auftretenden Ströme sehr exakt zu ermitteln bzw. zu messen. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Verfahren sowie Stromsensoren bekannt, bei welchen die Stromstärke über den Spannungsabfall über einen im Strompfad angeordneten Messwiderstand ermittelt wird. Der elektrische Widerstand des Messwiderstandes ist sehr genau bekannt oder kann sehr genau ermittelt werden. Aus dem erfassten Spannungsabfall sowie dem bekannten elektrischen Widerstand kann über das ohmsche Gesetz der über den Messwiderstand fließende Strom, also der Batteriestrom berechnet werden.
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Üblicherweise werden für den Messwiderstand spezielle Legierungen verwendet, beispielsweise eine Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, die einen geringeren Widerstands-Temperaturkoeffizienten, also eine geringe Empfindlichkeit bei Temperaturänderungen, aufweisen, so dass der elektrische Widerstand sehr genau bestimmt werden kann.
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Der Messwiderstand ist zwischen zwei Anschlussabschnitten angeordnet, mit welchen der Messwiderstand mit einem Stromkreis kontaktiert werden kann. Der Messwiderstand wird hierbei über die Anschlussabschnitte so mit dem Stromkreis verbunden, dass der gesamte Strom über den Messwiderstand fließt. Dadurch kann der Laststrom der Fahrzeugbatterie mit dem Stromsensor erfasst werden.
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Üblicherweise sind auf dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement Messkontakte zur Erfassung eines Spannungspotenziale vorgesehen. Aus den gemessenen Spannungspotentialen kann der Spannungsabfall über dem Messwiderstand bzw. der durch die Messkontakte gebildeten Messstrecke bestimmen. Diese Messkontakte sind mit einer auf einer Leiterplatte angeordneten Messschaltung verbunden.
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Der Kontakt zwischen den Messkontakten und der Messschaltung kann beispielsweise über eine Direktlötung zwischen den Anschlusselementen und der Leiterplatte erfolgen. Hierbei wird die Leiterplatte so nah an der Messwiderstandsbaugruppe positioniert, dass eine direkte Kontaktierung über Lötstellen erfolgen kann. Zwischen der Leiterplatte unter Messwiderstandsbaugruppe wird ein Kontaktmittel positioniert, das, beispielsweise durch Wärmeeintrag, erhitzt wird. Durch das Schmelzen und anschließende Aushärten des Kontaktmittels, beispielsweise ein Lötmittel, entsteht eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterplatte unter Messwiderstandsbaugruppe. Üblicherweise erfolgt das Erwärmen in einem Durchlaufofen, bei welchen die gesamte Baugruppe bestehend aus der Messwiderstandsbaugruppe und der Leiterplatte oder zumindest Bereiche dieser Baugruppe erhitzt werden. Dieser Vorgang ist aber sehr aufwendig. Insbesondere müssen elektronische Bauteile, die auf der Leiterplatte angeordnet sind, vor zu hohem Wärmeeintrag geschützt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Baugruppe für einen Stromsensor bereitzustellen, das einen geringeren Herstellungsaufwand aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, einen mit einem solchen Verfahren hergestellten Stromsensor sowie eine Leiterplatte bzw. eine Messwiderstandsbaugruppe für ein solches Verfahren bereitzustellen.
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Zu Lösung der Aufgabe ist Verfahren zur Herstellung eines Stromsensors vorgesehen, insbesondere in einem Fahrzeug, wobei der Stromsensor eine Messwiderstandsbaugruppe mit 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 elektrisch in Reihe angeordneten Messwiderstand sowie eine Leiterplatte mit einer Messchaltung aufweist. Die Leiterplatte weist Anschlussbereiche auf, mit welchen die Leiterplatte über ein aufschmelzbares Verbindungsmaterial mit Kontaktbereichen der Messwiderstandsbaugruppe verbunden wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Bereitstellen der Messwiderstandsbaugruppe und der Leiterplatte, wobei an der Messwiderstandsbaugruppe und/oder an der Leiterplatte Energieeintragsbereiche vorgesehen sind, in welchen die Messwiderstandsbaugruppe bzw. die Leiterplatte einen reduzierten Widerstand für einen Energieeintrag durch die Messwiderstandsbaugruppe und/oder die Leiterplatte in das Verbindungsmaterial aufweist;
- - Positionieren der Leiterplatte an der Meswiderstandsbaugruppe, wobei zwischen den Kontaktbereichen und den Anschlussbereichen ein Verbindungsmaterial angeordnet wird;
- - Einbringen von Energie in das Verbindungsmaterial zum Aufschmelzen des Verbindungsmittels, wobei die Energie durch den Energieeintragsbereich auf der Messwiderstandsbaugruppe und/oder der Leiterplatte in das Verbindungsmaterial eingebracht wird, und
- - Verbinden des Verbindungsmaterial mit der Messwiderstandsbaugruppe und der Leiterplatte durch anschließendes Abkühlen und Aushärten des Verbindungsmaterials.
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Erfindungsgemäß weist entweder die Messwiderstandsbaugruppe oder die Leiterplatte einen Energieeintragsbereich auf, durch den eine gezielte Einleitung von Energie durch die Messwiderstandsbaugruppe oder die Leiterplatte auf das Verbindungsmaterial möglich ist. Dadurch ist eine gezielte Erwärmung des Verbindungmaterials möglich, wobei die übrige Baugruppe bestehend aus der Messwiderstandsbaugruppe und der Leiterplatte keinem oder nur einem geringen Energieeintrag ausgesetzt wird. Zum einen kann dadurch der Energieeintrag wesentlich effizienter und energiesparender ausgeführt werden. Zum anderen sind die Leiterplatte, insbesondere die elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte, vor einer zu starken Erwärmung und somit vor einer Beschädigung geschützt.
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Vorzugsweise wird der Energieeintragsbereich durch eine sich durch die Messwiderstandsbaugruppe oder die Leiterplatte erstreckende Aussparung oder durch eine Vertiefung mit reduzierter Materialdicke gebildet. Durch die reduzierte Dicke hat die Messwiderstandsbaugruppe bzw. die Leiterplatte einen reduzierten Widerstand gegenüber einem Energieeintrag, sodass der Energieeintrag verlustfreier erfolgen kann.
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Insbesondere kann der Energieeintragsbereich bereits bei der Herstellung der Messwiderstandsbaugruppe und/oder der Leiterplatte in dieser eingebracht werden es ist aber auch möglich, dass dieser erst unmittelbar vor dem Verbinden der Messwiderstandsbaugruppe mit der Leiterplatte eingebracht wird, beispielsweise um diesen an die gewünschte Energieeintragsform anzupassen oder um die Position der Energieeintragsbereiche flexibel anpassen zu können, beispielsweise an die Position der Kontaktbereiche bzw. der Anschlussbereiche.
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Beispielsweise kann der Energieeintragsbereich durch ein materialabtragendes oder materialumformendes Verfahren hergestellt werden.
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Das Einbringen von Energie kann beispielsweise durch einen Wärmeeintrag erfolgen. In dieser Ausführungsform ist der Energieeintragsbereich so ausgebildet, dass die Messwiderstandsbaugruppe oder die Leiterplatte dem Wärmeeintrag einen geringeren Widerstand entgegensetzen oder eine bessere Wärmeübertragung durch die Messwiderstandsbaugruppe oder die Leiterplatte erfolgt.
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Das Einbringen von Energie kann aber beispielsweise auch durch eine Laserbehandlung erfolgen. Alternativ sind auch alle anderen Energieeintragsformen denkbar, durch die eine Erwärmung des Verbindungsmaterials erfolgen kann. Vorzugsweise wird eine Energieeintragsform gewählt, durch die eine räumlich begrenzte Erwärmung des Verbindungsmittels möglich ist.
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Beispielsweise ist das Verbindungsmaterial ein Lötmaterial, das insbesondere vor dem Positionieren der Leiterplatte an der Messwiderstandsbaugruppe auf die Messwiderstandsbaugruppe und/oder die Leiterplatte aufgebracht wird. Das Verbindungsmaterial stellt in diesem Fall ein Kontaktmittel dar, über das eine elektrische Kontaktierung der Messwiderstandsbaugruppe mit der Leiterplatte erfolgen kann. Zudem ist ein solches Lötmaterial einfach aufzubringen und auf der Messwiderstandsbaugruppe oder der Leiterplatte zu positionieren.
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Zu Lösung der Aufgabe ist des Weiteren eine Messwiderstandsbaugruppe für einen Stromsensor vorgesehen, insbesondere zur Herstellung eines Stromsensors mit einem vorstehend beschriebenen Verfahren, mit einem ersten Anschlusselement zur Kontaktierung mit einem ersten Batteriepol, einem zweiten Anschlusselemente zu Kontaktierung mit einem zweiten Batteriepol sowie einem zwischen dem ersten Anschlusselementen und dem zweiten Anschlusselement angeordneten Messwiderstand, wobei am ersten Anschlusselement zumindest ein erster Kontaktbereich zur Verbindung mit einer Leiterplatte und am zweiten Anschlusselement zumindest ein zweiter Kontaktbereich zur Verbindung mit einer Leiterplatte vorgesehen ist. Am ersten Kontaktbereich und/oder am zweiten Kontaktbereich ist ein Energieeintragsbereich vorgesehen, in welchem die Messwiderstandsbaugruppe einen reduzierten Widerstand für einen Energieeintrag durch die Messwiderstandsbaugruppe hindurch aufweist.
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Zu Lösung der Aufgabe ist des Weiteren eine Leiterplatte für einen Stromsensor vorgesehen, insbesondere zur Herstellung eines Stromsensors mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Leiterplatte eine Messschaltung vorgesehen ist und die Leiterplatte zumindest einen Anschlussbereich zur Verbindung mit einer Messwiderstandsbaugruppe eines Stromsensors aufweist, wobei am Anschlussbereich ein Energieeintragsbereich vorgesehen ist, in welchen die Leiterplatte einen reduzierten Widerstand für einen Energieeintrag durch die Leiterplatte hindurch aufweist.
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Des Weiteren ist zu Lösung der Aufgabe ein Stromsensor, insbesondere für ein Fahrzeug, vorgesehen, mit einer vorstehend beschriebenen Messwiderstandsbaugruppe sowie einer vorstehend beschriebenen Leiterplatte, wobei die Messwiderstandsbaugruppe und die Leiterplatte mit einem vorstehend beschriebenen Verfahren miteinander verbunden sind.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf einem Stromsensor;
- 2 eine Schnittansicht durch den Stromsensor aus 1,
- 3 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform eines Stromsensors;
- 4 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform eines Stromsensors.
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In 1 ist ein Stromsensor 10 für eine Fahrzeugbatterie 12 gezeigt. Der Stromsensor 10 wird elektrisch in Reihe mit zumindest einem elektrischen Verbraucher 14 im Stromkreis 16 eines Fahrzeugs angeordnet, sodass der Stromsensor 10 mit den beiden Batteriepolen 18, 20 der Fahrzeugbatterie 12 verbunden ist. Der Stromsensor 10 so angeordnet, dass der gesamte Batteriestrom über den Stromsensor 10 fließt. Dadurch kann der Stromsensor 10 den gesamten Batteriestrom (Ladestrom und Entladestrom) erfassen.
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Der Stromsensor 10 hat eine Messwiderstandsbaugruppe 22, die im Strompfad angeordnet ist und über die der gesamte Batteriestrom fließt. Die Widerstandsbaugruppe 22 hat ein erstes Anschlusselemente 24 zur Kontaktierung mit dem Stromkreis, insbesondere einem ersten Batteriepol 18, wobei die Kontaktierung über den zumindest einen Verbraucher 14 erfolgt. Des Weiteren hat die Widerstandsbaugruppe 22 ein zweites Anschlusselemente 26 zur Kontaktierung mit dem zweiten Batteriepol 20.
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Zwischen den beiden Anschlusselementen 24, 26 ist ein Messwiderstand 28 vorgesehen. Der Messwiderstand 28 besteht aus einem Material mit einer geringeren Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes. Des Weiteren weist das Material über die gesamte Lebensdauer des Stromsensors 10 eine geringe Alterungsdrift des elektrischen Widerstandes auf. Beispielsweise ist der Messwiderstand 28 aus einer Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung hergestellt.
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Des Weiteren ist eine Leiterplatte 30 vorgesehen, auf der eine Messschaltung 32 angeordnet ist. Die Messschaltung 32 ist auf eine nachfolgend im Detail beschriebene Weise mit der Messwiderstandsbaugruppe 22 verbunden und kann einen Spannungsabfall des über die Messwiderstandsbaugruppe 22 fließenden Stroms erfassen. Aus dem erfassten Spannungsabfall sowie dem bekannten elektrischen Widerstand der Messstrecke, die insbesondere durch den Messwiderstand 28 gebildet ist, kann über das ohmsche Gesetz der über den Messwiderstand, also über die Messwiderstandsbaugruppe 22 fließende Strom berechnet werden.
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Wie in 1 des Weiteren zu sehen ist, sind auf der Leiterplatte mehrere Anschlussbereiche 34 vorgesehen, über die die Leiterplatte 30 mit Kontaktbereichen 35 (siehe 2) der Messwiderstandsbaugruppe 22 verbunden ist. Die Anschlussbereiche 34 können hierbei mechanische Anschlussbereiche sein, über die die Leiterplatte 30 an der Messwiderstandsbaugruppe 22 abgestützt wird. Des Weiteren können die Anschlussbereiche 34 elektrische Anschlussbereiche sein, über welche eine elektrische Verbindung zwischen der Messwiderstandsbaugruppe 22 und der Leiterplatte 30, insbesondere der Messschaltung 32 hergestellt wird.
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Die Verbindung zwischen der Leiterplatte 30 und der Meswiderstandsbaugruppe 22 ist in der hier gezeigten Ausführungsform durch ein Direktlötverfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren wird ein Verbindungsmaterial 36, insbesondere ein Kontaktmaterial auf die Messwiderstandsbaugruppe 22 bzw. die Leiterplatte 30 aufgebracht. Anschließend werden die Messwiderstandsbaugruppe 22 und die Leiterplatte 30 so positioniert, dass sowohl die Messwiderstandsbaugruppe 22 wie auch die Leiterplatte 30 Kontakt zu dem Verbindungsmaterial 36 haben. Insbesondere haben die Anschlussbereiche 34 und die Kontaktbereiche 35 Kontakt mit dem Verbindungsmaterial 36. Anschließend wird das Verbindungsmaterial 36 durch einen Energieeintrag so weit erhitzt, dass diese schmilzt bzw. sich verflüssigt. Durch das anschließende Abkühlen verbindet sich das Verbindungsmaterial 36 sowohl mit der Messwiderstandsbaugruppe 22 wie auch mit der Leiterplatte 30, sodass eine Verbindung, insbesondere eine elektrisch leitende Verbindung, zwischen der Messwiderstandsbaugruppe 22 und der Leiterplatte 30 hergestellt ist.
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Wie in 2 zu sehen ist, ist in der Leiterplatte 30 ein Energieeintragsbereich 38 vorgesehen, durch den ein leichterer Energieeintrag auf das Verbindungsmittel 36 erfolgen kann.
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Der Energieeintragsbereich 38 ist hier unmittelbar an einem Anschlussbereich 34, also im Bereich des Verbindungsmaterials 36, vorgesehen und durch eine Aussparung 40 in der Leiterplatte 30 gebildet. Durch die Aussparung 40 ist ein gezielter Energieeintrag, beispielsweise ein Wärmeeintrag, auf das Verbindungsmaterial 36 möglich, ohne dass wesentliche Bereiche der Leiterplatte 30 oder der Messwiderstandsbaugruppe 22 erwärmt werden.
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Der Energieeintrag kann somit wesentlich gezielter und besser dosiert erfolgen, da der Energieeintrag direkt auf das Verbindungsmaterial 36 erfolgt und nicht die Leiterplatte 30 oder die Messwiderstandsbaugruppe 22 als Überträger des Energieeintrags genutzt und erwärmt werden.
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Der Energieeintragsbereich 38 bzw. der Anschlussbereich 34 ist so ausgebildet, dass trotz der Aussparung 40 eine zuverlässige Verbindung bzw. Kontaktierung der Leiterplatte 30 mit der Messwiderstandsbaugruppe 22 erfolgen kann. Beispielsweise sind Kontaktbereiche 42 zu Kontaktierung der Messschaltung 32 an den Rändern der Aussparung 40 vorgesehen, sodass diese sich mit dem Verbindungsmaterial 36 verbinden können. Des Weiteren kann die Leiterplatte 30 am Anschlussbereiche 34 bzw. am Energieeintragsbereich 38 verstärkt sein, um eine bessere mechanische Abstützung der Leiterplatte 30 an der Messwiderstandsbaugruppe 22 zu erzielen.
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In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Energieeintragsbereich 38 durch eine Aussparung 40 gebildet, durch die ein weitgehend ungehinderter Energieeintrag auf das Verbindungsmaterial 36 erfolgen kann. Unabhängig davon kann der Energieeintragsbereich 38 aber beliebig ausgebildet sein, wenn in diesem Bereich ein reduzierter Widerstand für einen Energieeintrag auf das Verbindungsmaterial 36 bereitgestellt wird.
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Beispielsweise kann der Energieeintragsbereich 38 auch lediglich eine reduzierte Dicke aufweisen bzw. zum Verbindungsmaterial hin geschlossen ausgebildet sein (siehe 3). Eine solche Ausführungsform kann den Vorteil haben, dass sich das schmelzende Verbindungsmaterial 36 nicht in die Aussparung 40 hinein fließen kann, sondern zwischen der Leiterplatte 30 und der Messwiderstandsbaugruppe 22 verbleibt.
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Beispielsweise kann die Aussparung 38 auch ein Einsatz eingesetzt werden, der den Kontaktbereich 35 oder den Anschlussbereich 34 bildet.
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Es ist aber denkbar, dass der Energieeintragsbereich 38 keine reduzierte Dicke aufweist, sondern lediglich aus einem Material hergestellt ist, dass eine verbesserte Energieübertragung auf das Verbindungsmaterial 36 ermöglicht. Beispielsweise kann ein Material mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
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Der Energieeintragsbereich 38 ist des Weiteren auf die jeweilige Energieeintragsform abgestimmt. Beispielsweise kann der Energieeintrag auch durch einen Laser erfolgen.
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In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist der Energieeintragsbereich 38 nicht in der Leiterplatte 30 vorgesehen, sondern am Kontaktbereich 35 der Messwiderstandsbaugruppe 22.
