BrennstoffZellenvorrichtung mit einem Stromsensor und Stromsensor für eine BrennstoffZellenvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine BrennstoffZellenvorrichtung mit einem Stromsensor und einen Stromsensor für eine Brennstoff- Zellenvorrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche .
Aus der Offenlegungsschrift DE 100 06 781 Al ist ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit bekannt. Der von der Brennstoffzelleneinheit erzeugte Strom wird von einem Stromsensor erfasst, der auf der so genannten Hochspannungsseite der Brennstoffzelleneinheit montiert ist. Die Brennstoffzelleneinheit besteht aus einer Stapelanordnung von Einzelzellen, so dass eine relativ hohe AusgangsSpannung („Hochspannung") im Nennbetrieb ausgegeben wird. Zur Wandlung der Signale des Stromsensors ist ein zusätzlicher A/D-Wandler notwendig und eine Logik, um diesen zu steuern. Der A/D-Wandler wandelt gleichzeitig auch die gemessene Spannung auf der Hochspannungsseite. Die Signalübertragung von der Hochspannungsseite zur 12-V-Seite erfolgt über Optokoppler. Zur Auswertung der Signale ist eine relativ umfangreiche Auswerteelektronik notwendig. Der Stromsensor selbst benötigt einen relativ großen Bauraum, der in fahrzeugbasierten Brennstoffzellensystemen kaum verfügbar ist und verursacht insgesamt ein hohes Gewicht . Ferner bestehen hohe Anforderungen bei
einem Einsatz im automotiven Bereich hinsichtlich Genauigkeit, Temperaturbeständigkeit und Robustheit. Für hohe Datenraten sind jedoch keine Optokoppler verfügbar, die den sonstigen automotiven Anforderungen genügen. Ferner ist deren Temperaturbeständigkeit oberhalb von 85°C kritisch. Ist der Stromsensor mit der gesamten Schaltung auf einer gemeinsamen Platine untergebracht, wird entweder der maximal messbare Strom oder die maximal erreichbare Genauigkeit der Messung stark begrenzt, da die Wärmeabfuhr eines auf der Platine montierten Stromsensors, der üblicherweise ein Shunt-Wider- stand ist, ein großes Problem darstellt.
Wird alternativ der als Shunt-Widerstand des Stromsensors über Drähte mit seiner AuswerteSchaltung verbunden, zeigt sich, dass selbst bei verdrillten Drähten dessen Störanfälligkeit relativ hoch ist. Der Auslegungswert des Shunt- Widerstands ist üblicherweise ein Kompromiss aus Shuntver- lusten und einer erwünschten hohen Messspannung, so dass dann meist nur wenige Millivolt als Messsignal zur Verfügung stehen. In dieser Größenordnung ist das Messsignal besonders störanfällig. Unerlässlich ist jedoch eine möglichst genaue Kenntnis des von der Brennstoffzelleneinheit gelieferten elektrischen Stroms .
Aufgabe der Erfindung ist, eine BrennstoffZellenvorrichtung mit einem Stromsensor und einen Stromsensor für eine BrennstoffZellenvorrichtung mit einer genauen, zuverlässigen und Platz sparenden Strommessung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße BrennstoffZellenvorrichtung weist wenigstens eine Stromschiene zum Ableiten von hohen elektrischen Strömen auf, in welche ein Widerstandselement in den Stromableiter integriert ist, insbesondere eingeschweißt ist. An dem Widerstandselement lässt sich auf einfache Weise der durch die Stromschiene fließende Strom über einen Spannungsabfall messen. Das Widerstandselement bildet einen sehr robusten, temperaturbeständigen und genaue Stromsensor. Dadurch, dass das Widerstandelement in die Stromschiene eingefügt ist, benötigt der Stromsensor keinen zusätzlichen Bauraum. Das Widerstandselement weist bevorzugt denselben oder einen geringeren Querschnitt auf als die Stromschiene selbst. Zur Messung und Verstärkung des Spannungsabfalls sind nur wenige elektrische Komponenten notwendig, so dass Kosten und Bauraum gespart werden können. Es ergibt sich eine sehr gute Wärmeableitung aus dem Widerstandselement, was besonders bei hohen Strömen günstig ist .
Vorteilhaft können mittels des als Shunt -Widerstand ausgebildeten Widerstandselements des Stromsensors in Kombination mit einem daran angepassten Schaltkreis (ASIC) der Strom, die Spannung an der Brennstoffzelleneinheit und die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit auf der Hochspannungsseite bestimmt werden. Die Messdaten werden galvanisch getrennt, über so genannte I -Coupler, auf eine Niederspannungsseite übertragen. Dadurch werden Datenraten nicht mehr in dem Maße begrenzt wie bei Optokopplern, ferner ist eine hohe Messgenauigkeit und eine gute Temperaturstabilität erreichbar. Die Vorrichtung weist kleine Abmessungen auf und ein entsprechend geringes Gewicht. Weiterhin ist eine relativ hohe Betriebstemperatur von über 1000C möglich bei gleichzeitig geringer Stromaufnahme und geringer Störempfindlichkeit. Die Stromschiene (Bus Bar) weist typischerweise einen relativ
großen Querschnitt von mehreren Quadratmillimetern auf. Das Widerstandselement kann einen kleineren Querschnitt aufweisen als die Stromschiene, um einen ausreichend hohen Spannungsabfall bei Stromfluss zu erzeugen. Der Querschnitt des Widerstandselements ist zweckmäßigerweise ausreichend groß ausgelegt, um die üblichen Betriebsströme der Brennstoffzellen- einheit zu tragen. Die Stromschiene leitet bei höheren Strömen vorteilhaft Wärme aus dem Widerstandselement schnell und wirkungsvoll ab. Eine Widerstandslegierung mit kleinem Temperaturkoeffizienten, niedriger Thermospannung, hoher Langzeitstabilität und hoher Belastbarkeit ist ein bevorzugtes Material für das Widerstandselement, das vorzugsweise als Shunt -Widerstand ausgebildet ist. Bevorzugt sind Legierungen wie Manganin oder Konstantan.
Vorzugweise ist das Widerstandselement zwischen zwei Teilstücke der Stromschiene eingeschweißt. Ein geeignetes Widerstandselement lässt sich auf einfache Weise für unterschiedliche BrennstoffZeileneinheiten und damit unterschiedliche elektrische Randbedingungen anpassen. Durch die Schweißverbindung ist ein sehr guter Wärmeübergang vom Widerstandselement in die Stromschiene möglich.
Die Wärmeableitung des Stromsensors kann weiter verbessert werden, wenn seine Auswerteelektronikeinheit mit dem Widerstandselement und/oder der Stromschiene verlötet ist. Es ergibt sich eine vorteilhaft kurze Zuleitung zur Auswerteelektronikeinheit. Die Auswerteeinheit ist damit in direktem festkörperwärmeleitenden Kontakt entweder mit dem Widerstandselement oder mit der Stromschiene oder mit Stromschiene und Widerstandselement. Dadurch ist eine gezielte und geplante Wärmeableitung und Wärmeverteilung möglich. Gleichzeitig ist die Auswerteelektronik in allen Fällen in innigem Kontakt mit der Stromschiene.
Vorteilhafterweise kann die Auswertelektronikeinheit auf einer Platine angeordnet sein, die mit dem Widerstandselement und/oder der Stromschiene verlötet ist. Die Platine ist vorzugsweise aus mehreren Lagen aufgebaut, um in verschiedenen Ebenen Leiterbahnen führen zu können, um die Elektronikelemente auf ihrer Oberseite und gegebenenfalls auf einzelnen Lagen elektrisch zu verschalten. Bevorzugt umfasst die Aus- werteelektronikeinheit einen kundenspezifischen integrierten Schaltkreis, auch als ASIC bekannt, sowie einen Temperatursensor und eine Spannungsmesseinrichtung zur Messung der AusgangsSpannung der BrennstoffZeileneinheit .
Weist die Platine metallisierte Anschlussflächen zur mechanischen und elektrischen Kontaktierung der Platine auf, sind ein günstiger Lötprozess mit vorteilhafter Kontrollierbarkeit desselben und eine sehr günstige mechanische Haltbarkeit bei Temperaturwechseln über die Lebensdauer der Brennstoffzellen- vorrichtung bzw. des Stromsensors möglich. Vorteilhaft können dabei die Anschlussflächen durch eine Mehrzahl von Lagen der Platine geführt sein. Vorteilhafte Durchkontaktierungen unterschiedlicher Größe können durch eine Mehrzahl von Ebenen in der Platine geführt sein.
Bevorzugt kann zur Weiterleitung von Messsignalen der Auswer- teelektronikeinheit von der Hochspannungsseite zur Niederspannungsseite eine galvanische Trennung, vorzugsweise über einen so genannten I -Coupler, vorgesehen sein. Dadurch kann auf Optokoppler verzichtet werden und die Auswerteelektronik- einheit für einen automotiven Einsatz unter entsprechend ungünstigen Umweltspezifikationen optimiert werden. Der Stromverbrauch des Stromkopplers ist deutlich günstiger als der von Optokopplern, besonders bei höheren Datenraten. Ferner resultiert daraus direkt - durch einen höheren
möglichen Temperaturbereich beim Einsatz - und indirekt - durch den geringeren Strotnbedarf und daraus folgend eine geringere erforderliche DC/DC-Wandler-Leistung - eine höhere zulässige Umgebungstemperatur des Stromsensors. Es kann daher auch günstigerweise ein preiswerter, sehr kleiner DC/DC- Wandler eingesetzt werden, wie er „von der Stange" erhältlich ist .
Ein erfindungsgemäßer Stromsensor, insbesondere für eine BrennstoffZellenvorrichtung, umfasst ein Widerstandselement, das zum Einschweißen in einen Stromableiter ausgebildet ist. Dadurch sind eine vorteilhafte Wärmeableitung und eine höhere Belastung des Stromsensors, besonders bei automotiven Einsatzbedingungen, möglich.
Bevorzugt ist eine Auswerteelektronikeinheit mit dem Widerstandselement und/oder der Stromschiene, insbesondere links und rechts des eingeschweißten Widerstandselements, verlöt- bar. Die damit erreichte gezielte und geplante Wärmeableitung und Wärmeverteilung ermöglicht eine zuverlässigere Strommessung mit höherer Genauigkeit unter schwierigen Einsatzbedingungen im automotiven Bereich. Ebenso ist durch die direkte oder indirekte innige Ankopplung an die Stromschiene eine zuverlässige Temperaturmessung der Stromschiene möglich. Vorzugsweise weist der Stromsensor neben der Strommessung einen Temperatursensor sowie einen Spannungssensor zur Bestimmung einer Ausgangsspannung auf.
Bevorzugt ist die Auswerteelektronikeinheit auf einer, vorzugsweise mehrlagig aufgebauten, Platine angeordnet, die mit dem Widerstandselement und/oder der Stromschiene, insbesondere links und rechts des eingeschweißten Widerstandselements, verlötbar ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoff- Zeileneinheit mit einem Widerstandselement eines erfindungsgemäßen Stromsensors;
Fig. 2 schematisch einen Stromsensor in einem fahrzeugbasierten Brennstoffzellensystem;
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Stromsensors .
Figur 1 zeigt stark vereinfacht eine erfindungsgemäße BrennstoffZellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit 10 und zwei Stromschienen 20, 22 (Bus Bar) zum Ableiten von elektrischem Strom aus der Brennstoffzelleneinheit 10 zu nicht dargestellten Verbrauchern, beispielsweise in einem Fahrzeug, das mit der BrennstoffZellenvorrichtung ausgestattet ist. Die Stromschienen 20, 22 sind massive Kupferleitungen mit einem typischen Querschnitt von mehreren mm2. Typische elektrische Spannungen der Brennstoffzelleneinheit liegen bei etwa 200 V - 400 V.
Der Brennstoffzelleneinheit 10 werden eingangsseitig über Medienleitungen 12, 14 ein Oxidationsmittel , beispielsweise Luft, und ein Reduktionsmittel, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt. In der Brennstoffzelleneinheit 10 findet eine elektrochemische Reaktion statt, bei der Spannung erzeugt wird und Strom von der Brennstoffzelleneinheit 10 abgenommen werden kann. Abgasseitig werden die Reaktionsprodukte über Abgasleitungen 16, 18 abgeführt. Weitere Details des
zugehörigen Brennstoffzellensystems oder der Brennstoffzelleneinheit 10 sind nicht dargestellt, dem Fachmann jedoch geläufig.
Zwischen zwei nicht näher bezeichnete Teilstücke der Stromschiene 20 ist als Bestandteil eines nicht näher dargestellten Stromsensors 30 ein als Shunt -Widerstand ausgebildetes Widerstandselement 24 eingeschweißt, das beispielsweise einen kleineren Querschnitt aufweist als die Stromschiene 20. Die Stromschiene 20 selbst kann unabhängig vom Stromsensor 30 für ihren eigentlichen Zweck, der Stromableitung aus der BrennstoffZeileneinheit 10, optimiert sein. Der Widerstand R sowie der Temperaturkoeffizient des Widerstandselements 24 sind bekannt und können vor dem Einsetzen genau bestimmt werden oder nach dem Einschweißen durch Kalibrierung berücksichtigt werden. Die Größe des Widerstandselements 24 bzw. sein Widerstand R kann passend zur Brennstoffzelleneinheit 10 gewählt werden.
Aus dem Spannungsabfall ΔU über dem Widerstandselement 24 kann durch die Beziehung AU=R-I der Strom I bestimmt werden, der durch das Widerstandselement 24 und damit die Stromschiene 20 fließt. Der Spannungsabfall ΔU wird elektronisch verstärkt und über den bekannten elektrischen Widerstand R des Widerstandselements 24 der fließende Strom I bestimmt.
Der Stromsensor 30 umfasst neben dem Widerstandselement 24 eine Auswerteelektronikeinheit 28, welche mit dem in die Stromschiene 20 integrierten Widerstandselement 24 und/oder der Stromschiene 20 verlötet ist, beispielsweise direkt links und rechts des eingeschweißten Widerstandselements. Dies ist zeichnerisch nicht explizit ausgeführt. Diese Verbindungsart ermöglicht einen innigen festkörperwärmeleitenden Kontakt zwischen der Auswerteelektronikeinheit 28 und dem Wider-
standselernent 24 und/oder der Stromschiene 20 mit sehr kurzen Verbindungsleitungen zwischen dem Widerstandselement 24 und der Auswerteelektronikeinheit 28.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Stromsensors 30 in einem fahrzeugbasierten Brennstoffzellensystem mit einer BrennstoffZeileneinheit 10, einer PDU-Einheit 26 (power distribution unit) und Verbrauchern 50, die in einem Fahrzeugbordnetz und/oder einem elektrischen Versorgungssystem der BrennstoffZeileneinheit 10 angeordnet sind, beispielsweise einem Verdichter für die Luftversorgung der Brennstoffzelleneinheit 10, Förderpumpen und dergleichen.
Der Stromsensor 30 ist in der PDU-Einheit 26 integriert. Zwischen dem Stromsensor 30 und der Brennstoffzelleneinheit 10 sind nicht näher bezeichnete Schalter zum Trennen der Brennstoffzelleneinheit 10 von den Verbrauchern 50 vorgesehen. Der Stromsensor 30 ist auf der Hochspannungsseite der Brennstoffzelleneinheit 10 platziert, wobei eine galvanische Trennung 44 zwischen der Hochspannungsseite (z.B. 200V Nennspannung) und einer Niederspannungsseite (z.B. 12V Nennspannung) vorgesehen ist. Auf der Hochspannungsseite des Stromsensors 30 werden Strom, Spannung und Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 10 erfasst, kalibriert und aufbereitet. Anschließend werden sie über einen I -Coupler auf die Niederspannungsseite übertragen. Der Strom wird über das Widerstandselement 24 erfasst, während zur Temperaturmessung ein Temperatursensor in der Auswerteelektronikeinheit 28 integriert ist .
In einem vereinfachten Blockschaltbild, das in Figur 3 dargestellt ist, wird der Aufbau des Stromsensors 30 erläutert .
Das Widerstandselement 24 ist in der Stromschiene 20, die im zugrunde liegenden Beispiel auf negativem Potential HV- liegt, eingeschweißt. Die Auswertelektronikeinheit 28 ist auf einer nicht näher ausgeführten, vorzugsweise mehrlagigen Platine angeordnet, die mit dem Widerstandselement 24 verlötet ist.
Die Auswerteelektronikeinheit 28 umfasst einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis 32 (ASIC) , wobei die Platine metallische Anschlussflächen, insbesondere Kupferflächen, zur mechanischen und elektrischen Kontaktierung der Platine an die Stromschiene und/oder der Auswerteelektronikeinheit 28 aufweist. Die metallischen Anschlussflächen weisen vorzugsweise in allen Lagen der Platine metallische Flächen auf. Ferner sind dazwischen Durchkontaktierungen in unterschiedlicher Größe durch alle Lagen in der Platine geführt. Der Schaltkreis 32 stellt Messsignale zu Strom aus der BrennstoffZelleneinheit 10, Spannung am Ausgang der Brennstoff- Zeileneinheit 10 und Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 10 zur Verfügung.
Der integrierte Schaltkreis 32 steht mit einer Controllereinheit 34 in Verbindung, welche auch direkt die elektrische Spannung am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit 10 (Figur 1, 2) misst, um eine Plausibilitätsbetrachtung der Messdaten des integrierten Schaltkreises 32 zu ermöglichen. An Signaleingängen des integrierten Schaltkreises 32 und der Controllereinheit 34 sind Tiefpassfilter hoher Güte, so genannte AAF- Filter (Anti-Aliasing-Filter) vorgesehen.
Weiterhin ist eine Einheit 36 vorgesehen, die eine Überstromerfassung ermöglicht. Deren Messdaten werden sowohl der Controllereinheit 34 zur Verfügung gestellt als auch direkt als Hardware-Signal nach außen gegeben.
Es besteht die Möglichkeit, das Samplen bzw. Downsamplen der Messdaten von außen mit anderen Messungen zu synchronisieren.
Zur Weiterleitung von Messsignalen von der Hochspannungsseite der Auswerteelektronikeinheit 28 zur Niederspannungsseite ist ein so genannter I -Coupler 38 mit einer galvanischen Trennung 44 vorgesehen. Eine digitale Schnittstelle 42 des Stromsensors ist vorzugsweise als CAN ausgeführt. Es kann aber auch jede andere digitale Schnittstelle gewählt werden.
Durch die geringe Leistungsaufnahme des Stromsensors 30 von beispielsweise 0,25 Watt ist der Einsatz eines einfachen und preiswerten 1-W-DC/DC-Wandlers 40 möglich. Trotzdem bleibt eine ausreichende Reserve für ein Derating der Ausgangsleistung bei höherer Temperatur. Grundsätzlich kann jedoch auch ein nach dem Piezoprinzip arbeitender Leistungsübertrager verwendet werden.