WO2016131764A1 - Elektrische stromschiene mit sensoreinheit - Google Patents

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Berthold Hellenthal
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Definitions

  • the present invention relates to an electrical busbar for conducting an electric current from a first electrical device to a second electrical device, having a base body formed from an electrically conductive material, which has a first terminal for connection to the first electrical device and a second terminal for connection to the second electrical device.
  • the invention further relates to a battery having at least two battery cells, wherein each of the battery cells has two electrodes which interact electrochemically with each other, wherein each of the electrodes has a terminal contact, wherein at least one terminal contact of one of the battery cells with a terminal contact of the other of the battery cells by means of an electric busbar is electrically connected, wherein the electric bus bar has a base body formed of an electrically conductive material.
  • the invention also relates to a motor vehicle with an electrical system having a battery, and with an electrical drive device connected to the electrical system, wherein the battery and the drive device each have at least two electrical connection contacts, wherein one of the terminal contacts of the battery and the drive device are electrically conductively connected to one another by means of an electric busbar, wherein the electrical busbar has a basic body formed from an electrically conductive material.
  • Busbars of the generic type are basically known, so that it is not necessary for a separate documentary proof for this purpose.
  • Busbars often called busbars, are components in the electrical power supply and serve to conduct electrical energy due to a current flow from the first electrical device to the second electrical device or vice versa.
  • Electrical devices may be, for example, electrical consumers in which the supplied electrical energy is used to perform a proper function, and energy sources, such as electric generators based on electrical machines, opto-electrical converters such as solar cells or the like, fuel cells and / or the like.
  • Busbars have in addition to a high electrical conductivity on a suitable mechanical strength, so that the influence of mechanical forces, such as may occur in overcurrents, can be performed by the busbar without their intended function is substantially impaired.
  • busbars are also highly thermally stable, so that they perform their intended function substantially reliable even in thermally exposed areas.
  • the busbar typically has a main body of an electrically conductive material, which provides connections for the electrical devices such as the first and the second electrical device.
  • a material is often a metal such as aluminum, copper, alloys herebefore, optionally with other metals, and / or the like used.
  • Busbars are incidentally safety-related components in electrical engineering, which is why they are covered, inter alia, by standardization, such as by DIN 43671, DIN 43673, DIN 43771, and others.
  • busbars are not only used in the stationary power distribution, but are also found in electrical systems of vehicles and other electrical equipment in which electrical energy is distributed in particular to a greater extent beyond.
  • busbars is also common in batteries that comprise at least two battery cells.
  • a battery cell is a device that has two electrodes that interact electrochemically with each other. The interaction can take place under complementary mediating effect of an electrolyte.
  • Battery cells also called galvanic cells, are preferably reversible in terms of their function, as used for example in batteries in the form of accumulators or the like. Due to the electrochemical interaction of the electrodes, a DC voltage which is specific for the particular battery cell chemistry and which is provided at connection contacts of the respective battery cell connected to the electrodes is established at the electrodes. This DC voltage is usually relatively small. Many applications in electrical engineering require a DC voltage that can supply the DC voltage that can be provided by a single battery cell. clearly exceeds. For this reason, a plurality of battery cells are often combined into a battery and electrically connected in accordance with the electrical requirements within the battery, for example in the form of a series connection, a parallel connection, combinations thereof or the like.
  • the individual battery cells are therefore electrically conductively connected to one another by means of busbars in the desired type of circuit in order to be able to provide the desired DC voltage at terminal poles of the battery.
  • Such batteries are used, for example, as lead-acid batteries in the automotive sector, as nickel-cadmium batteries in aircraft and uninterruptible power supplies, as lithium-ion batteries in the field of small household appliances and / or the like, but recently also in electrically powered vehicles.
  • motor vehicles of the generic type are also well known.
  • motor vehicles comprising an electrical system with a battery and a drive device connected to the electrical system comprise.
  • Such motor vehicles are, for example, electric vehicles, hybrid vehicles in which a drive is possible both by means of an electric drive device and by means of an internal combustion engine, or the like.
  • the battery and the drive device each have at least two electrical connection contacts.
  • at least one of the terminal contacts of the battery and one of the terminal contacts of the drive device are electrically conductively connected to one another by means of an electric busbar.
  • the electrical busbar is formed by an electrically conductive body.
  • the current transformer unit is an electrical component which detects the magnetic field generated by a current through the busbar by means of a magnetically permeable ring core and provides a corresponding measurement signal.
  • a current transformer unit usually has a comparatively high weight as well as a large design. Especially in the field of electric mobility this is a hindrance and unwanted.
  • the large design and the large weight lead to problems with regard to the stress due to vibrations and impacts, especially in the area of electromobility, as they usually occur during the normal operation of motor vehicles.
  • the bus bar is divided into two main bodies, which are electrically conductively connected to one another by means of the shunt.
  • this embodiment proves to be disadvantageous in that it must be intervened in the busbar, which results not only in a high outlay, but moreover due to the high current load of the busbar in normal operation is undesirable.
  • the required contact points in the area of the shunt create additional safety and reliability problems.
  • the invention is therefore the object of developing a busbar, a battery and a motor vehicle to the effect that the detection of a state parameter of the busbar, such as the power is improved.
  • a busbar according to the independent claim 1 a battery according to the further independent claim 9 and a motor vehicle according to the further independent claim 10 is proposed with the invention. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the features of the dependent claims.
  • the invention particularly proposes that the busbar has a sensor unit with a mounting surface which has at least one sensor element for detecting a physical parameter of the busbar, wherein the base body has a bearing surface (on which the sensor unit is fastened with its mounting surface.
  • the mounting surface and / or the support surface are flat. It proves particularly advantageous if both the attachment surface and the support surface are flat.
  • the surface which is formed is not curved. So it is meant a surface that can be spanned in the space essentially by two non-parallel lines.
  • the mounting surface and the bearing surface may also be formed at least partially curved or angled. In this case, they are preferably formed corresponding to one another at least with regard to their contour, so that the largest possible possible attachment can be achieved. With the invention it is possible for the first time to completely integrate the sensor unit in the busbar.
  • the sensor unit can serve to detect one or more physical state variables of the busbar, such as, for example, detection of an electrical current flowing through the busbar, an electrical potential, a temperature, a mechanical expansion, a mechanical bending and / or the like.
  • the fastening surface of the sensor unit is smaller than the contact surface of the busbar.
  • the sensor unit may in this case be arranged completely on the busbar, so that it does not substantially exceed external dimensions in a plane of the support surface.
  • the sensor unit is directly, in particular directly, connected to the support surface.
  • the fastening can take place, for example, by material bonding by means of welding or the like.
  • the sensor unit is connected by gluing or the like to the busbar.
  • a sensor element for the physical parameter of the current value to be detected is also preferably provided.
  • rail provided. It proves to be particularly advantageous if the sensor element is designed to detect a temperature, an expansion, a bend and / or the like. In this case, a preferably direct contact of the sensor element with the busbar is advantageous for the accuracy of the detection.
  • the busbar can be designed to be rigid in the region of the support surface, so that mechanical effects can not substantially impair the attachment of the sensor unit to the support surface.
  • a releasable attachment of the sensor unit to the busbar can be provided for detecting a respective physical parameter of the busbar. This proves to be particularly advantageous if, for example, the sensor unit to be replaced due to damage or the sensor unit to be retrofitted to a busbar of an existing electrical system.
  • the support surface may be formed by a surface of the busbar, for example in a busbar with a rectangular cross-section through one of the two large surfaces in the longitudinal direction of the busbar. It can also be provided that the busbar has a recess which provides the support surface. This proves to be particularly advantageous in busbars in which the cross-sectional area deviates from the rectangular shape.
  • the sensor unit is arranged countersunk in the busbar. Preferably, it is completely recessed into the busbar, so that it does not protrude with dimensions beyond the external dimensions of the busbar. Overall, it is achieved with the invention that a busbar, in particular busbar, can be provided integrally with the sensor unit.
  • the electric busbar of the invention is preferably formed integrally with the sensor unit and can be handled individually as a unit.
  • the sensor unit has a sensor element for detecting the physical parameter of the busbar.
  • the sensor element is adapted to the physical parameter to be detected.
  • the sensor element for detecting the temperature of the busbar can contact them directly.
  • the sensor element directly contacts the busbar in order to determine, for example, an expansion and / or a bending of the busbar.
  • the sensor element can also be arranged contactlessly to the busbar, for example for detecting the electrical current flowing through the busbar.
  • the sensor unit is designed to detect the electric current flowing through the electric busbar.
  • the sensor element of the sensor unit is designed for the wireless detection of an electrical current. For example, this may be due to a flux gate technology or the like.
  • a magnetic field strength is detected.
  • the corresponding current which currently flows through the busbar, can then be determined therefrom.
  • a local current density in the region of the sensor element is detected by means of the sensor element. Based on this current density, the total current flowing through the busbar can then be determined taking into account a cross-sectional area of the busbar.
  • the sensor unit generates locally in its area a magnetic opposing field to the electric current flowing in the main body until the locally acting field is compensated.
  • the sensor unit changes the opposing field until the determined field strength is substantially zero.
  • the value of the electric current currently flowing through the main body can then be determined from the value for the generation of the opposing field. This can be done by calculation and / or taking into account an allocation table, which is available for example in the form of data, in particular a file.
  • the sensor unit is designed in one piece as a structural unit, in particular in connection with the sensor element, which can preferably be integrally connected to the busbar.
  • the sensor unit Preferably, including the sensor element is designed as a semiconductor chip or the like.
  • the sensor unit is arranged electrically isolated from the base body. This makes it possible to design the sensor unit very flexibly with regard to its electrical construction. In the design of the sensor unit, therefore, no consideration has to be given to the guidance of electrical lines of the sensor unit with respect to the performance of its intended function.
  • the electrical insulation can be provided directly on the sensor unit itself, namely on its mounting surface. If the sensor unit is a semiconductor chip, it can be provided that the insulation is formed by an oxide layer in the region of the mounting surface of the sensor unit. This makes it possible to form the electrical insulation for enabling the electrically insulated arrangement of the sensor unit integrally with the sensor unit. In addition, this can be very easily realized and be formed with a suitable oxide layer very thin, so that a very compact electrical busbar can be achieved. A separate component for the insulation can be saved.
  • geometric dimensions of the sensor unit do not exceed corresponding geometric dimensions of the electrical busbar. This makes it possible to arrange the sensor unit preferably sunk completely in a recess in the electric busbar. In particular, it can be achieved that the geometric dimensions of the busbar do not change substantially by the arrangement of the sensor unit. This allows a very compact electrical busbar can be achieved.
  • the sensor unit for supplying electrical energy for its intended operation be electrically connected to a first supply connection to the main body.
  • a second supply connection may, for example, be connected to one of the electrical devices, preferably to a connection which is not electrically connected to the electric busbar. is bound. This makes it possible to provide an electrical voltage for supplying the sensor unit between the first and the second supply connection.
  • the sensor unit is designed for the wireless supply of electrical energy for its intended operation.
  • the sensor unit is designed as a transponder, which receives energy for the purpose of supplying the sensor unit with electrical energy for its intended operation separately by means of an energy field in order to carry out a desired detection.
  • the energy field may be an alternating magnetic field, an alternating electromagnetic field and / or the like. It may be provided that the energy field is only available for the duration of the execution of the acquisition of the desired physical parameter and the transmission to a control center.
  • This embodiment proves to be advantageous in terms of installation, in particular retrofitting, because wiring, as required in sensor units of the prior art, can be largely avoided.
  • the sensor unit comprises a battery which supplies it with electrical energy for its preferably entire intended service life.
  • a battery may be, for example, a lithium battery or the like.
  • the aforementioned embodiments may also be combined with each other.
  • a further embodiment of the invention proposes that the sensor unit is designed to produce a wireless communication connection and / or a communication connection via the busbar to a control center.
  • the communication connection is preferably used to transmit the detected physical parameter of the sensor unit to the central office, which processes the physical parameter for further purposes.
  • the central office can be, for example, a central control device, in particular in a motor vehicle, a central control device of the motor vehicle.
  • the wireless communication link can be based, for example, on a radio base, on infrared, on ultrasound and / or the like.
  • the communication connection can of course also be realized via the busbar, wherein the center also has a corresponding connection option to the power rail as a communication connection.
  • the sensor unit may have a corresponding of the sensor signal on the power rail give, which can be received by the control panel.
  • a modulated signal is applied to the busbar, which contains information or data relating to the detected physical parameter.
  • the sensor unit can have a transmitting unit, by means of which the sensor signal can be applied to the busbar either wirelessly or also by line.
  • the sensor unit has a receiving unit, by means of which it can receive data or information from the center or from other facilities. This makes it possible to control the sensor unit and / or to make adjustments with respect to the sensor element and / or an evaluation of a signal of the sensor element.
  • Other functions that can be implemented in this way are, for example, a triggering function test, a data comparison and / or the like.
  • the sensor unit and the communication device each have an energy conversion device which is designed to provide electrical energy for supplying power to the sensor unit from a received signal.
  • Signals are physical quantities in which one or more parameters carry information.
  • the energy conversion devices are therefore designed to use the physical size of the received signal to supply power to the sensor unit.
  • the energy conversion device is designed in particular to convert a non-electrical physical variable into an electrical variable. This is also referred to as energy harvesting or energy harvesting. In the present case, this means that advantageously not only information but also energy is transmitted to the energy supply via the signal paths.
  • the energy conversion devices are preferably designed to determine the current intensity or the voltage of the received signal To provide signals of the sensor unit for power supply.
  • the energy conversion means configured as solar sensors are adapted to convert the lightwaves into electrical energy for powering the lightwave Network node to convert.
  • the magnetic wave for example with an energy conversion device designed as a receiver coil, can be converted into an electrical voltage for supplying the sensor unit.
  • Energy harvesting refers to the extraction of small amounts of electrical energy from sources such as ambient temperature, vibrations or air currents.
  • the energy harvesting structures used are also referred to as nanogenerators. Energy Harvesting avoids limitations in wired technologies, such as wired or separate or separate batteries.
  • Such nanogenerators may, for example, be piezoelectric crystals which generate an electrical voltage upon application of force, for example by pressure, vibration or sound, and / or thermoelectric generators and pyroelectric crystals, which gain electrical energy from temperature differences, and / or antennas, in particular passive RFIDs, which absorb energy from radio or electromagnetic radiation and use it energetically, and / or sensors which convert light into electrical energy based on the photoelectric effect.
  • the base body has a resilient region between the first and the second connection.
  • This makes it possible, in particular in the case of an otherwise rigid base body, to detect mechanical influences on the busbar by means of the sensor element adapted for this purpose. For example, it is possible to determine changes in mechanical dimensions in order to be able to determine further physical parameters of the busbar, in particular mechanical parameters. Such parameters may be, for example, the length of the busbar, the width of the busbar, its geometric shape and / or the like.
  • a tolerance compensation element can be provided, which can form, for example, the spring-elastic region.
  • the tolerance compensation element may comprise, for example, an electrically conductive strand. It can be provided that its changes can be detected.
  • the sensor unit is designed to detect a mechanical stress on the base body. This can be used to determine loads, in particular in the region of the first and second terminals of the first and second electrical device. As a result, mechanical overload conditions which occur in the region of the connections of the electrical devices can be detected early to initiate countermeasures. Damage in the area of the connections due to mechanical overstress can be reduced as a result.
  • Figure 1 is a perspective schematic view of a bus bar, which is guided by a current transformer according to the prior art.
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of a second embodiment of a bus bar, which is guided by a current transformer according to the prior art;
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a shunt arrangement for connection to a busbar
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of the shunt arrangement according to FIG. 3 from a rear side;
  • Fig. 5 is a schematic plan view of a conductor arrangement of a
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of a detail of a battery with a busbar according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the arrangement according to FIG.
  • FIG. 6 is a schematic representation of a detail of a side view of the battery according to FIG. 6;
  • FIG. and FIG. 9 shows a schematic diagram of a further embodiment according to the invention as in FIG. 7.
  • Fig. 1 shows a perspective schematic representation of a section of a high-voltage battery system 42 of an electrically driven motor vehicle, not shown.
  • a power cable 40 of the high-voltage battery system 42 is used for the electrical connection of the high-voltage battery system 42 to an electrical system of the motor vehicle, not shown.
  • the motor vehicle is driven by means of an electric drive which is supplied with electrical energy by the high-voltage battery system 42 for this purpose.
  • the electrical energy not only provides for the drive for the purpose of accelerating the vehicle, but at the same time also absorbs electrical energy during a deceleration process, that is, stores in the high-voltage battery system 42.
  • the electrical lead 40 is passed through a toroidal transformer 44 which is provided with an electrical winding in a known manner to detect the electric current flowing in the electrical lead 40.
  • evaluation electronics not shown, the signal provided by the current transformer 44 is evaluated and the electrical current flowing through the electrical line 40 is determined.
  • the determined value of the current is transmitted to a likewise not further shown battery management system via a communication link.
  • the communication link is in the present case formed by a communication bus of the motor vehicle, specifically a CAN bus, to which the evaluation electronics are connected.
  • FIG. 2 shows a perspective schematic representation of a further embodiment for a current measurement of an electrical line 46, which is designed here as a strip conductor and which is also guided by a current transformer 44, as already explained for Fig. 1.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the current measurement in the prior art based on the use of a shunt 48.
  • Fig. 4 shows the corresponding rear view in a perspective view.
  • the shunt 48 is formed on a printed circuit board 50, which at the same time also has evaluation electronics which are connected to the shunt 48.
  • the shunt 48 is connected to terminal lugs 52, 54, to which corresponding electrical lines or busbars can be connected.
  • the shunt 48 is to be connected in series with the electrical line or the busbar so that the electrical current flowing through the busbar or the electrical line also flows through the shunt 48 at the same time.
  • the electrical current flowing through the shunt 48 causes a voltage drop, which is detected and evaluated by means of the evaluation electronics arranged on the printed circuit board 50.
  • the evaluation circuit provided on the printed circuit board 50 transmits a corresponding current value to the battery management system, as already explained with reference to FIG.
  • a disadvantage of this construction proves that the shunt 48 is to be connected in series with the corresponding busbar or electrical line. This requires appropriate design measures, which are very complex, especially at high currents and high voltages. Especially in the automotive sector, where low volume and low weight is desired, this proves to be disadvantageous.
  • a disadvantage of the use of current transformers proves in particular that the current transformer in addition to a required for the detection of electric current large design usually also have a correspondingly high weight. Especially in mobile use, especially in motor vehicles, this proves to be disadvantageous, even for the reason of the effect of vibration during normal operation.
  • FIG. 6 shows a schematic perspective view of a section of a high-voltage battery 56 of an electrically driven motor vehicle (not shown), wherein only two battery cells 12, 14 of the high-voltage battery 56 are shown in FIG.
  • the high-voltage battery 56 is reversibly operable, that is, it can not only emit electrical energy, but it can also absorb electrical energy. It is about Accordingly, in the present embodiment in the high-voltage battery 56 to an accumulator. Accordingly, the battery cells 12, 14 are formed as galvanic cells. In the present case, the battery cells 12, 14 each have two electrodes which interact electrochemically with one another. For this purpose, an additional electrolyte may be provided, which is arranged in the respective battery cell 12, 14 and contacts the electrodes.
  • the electrodes themselves are not shown, but only with them electrically conductively connected terminal contacts 32, 34, 36, 38.
  • the battery cell 14 has connection contacts 36, 38, wherein here a positive DC voltage is formed at the connection contact 38 with respect to the connection contact 36.
  • the terminal contact 32 of the battery cell 12 and the terminal contact 36 of the battery cell 14 are electrically conductively connected to one another via an electrical busbar 10.
  • the busbar 10 Through the busbar 10, the two battery cells 12, 14 are electrically connected in series, so that adjusts the sum voltage of the battery cells 12, 14 at the connection contacts 34 and 38.
  • the busbar 10 has a main body 16, which is formed from an electrically conductive material, in this case copper.
  • the busbar 10 has a substantially rectangular cross-section for the purpose of current conduction, which in the present case extends uniformly over a longitudinal extent of the busbar 10 between the terminal contacts 32, 36 of the battery cells 12, 14.
  • the base body 16 has a rectangular cross-section transversely to its longitudinal extent, as well as a surface 58 which provides a bearing surface 28.
  • the support surface 28 is substantially planar and also formed rectangular in shape. It is arranged between the connection contacts 36, 38.
  • On the support surface 28 a sensor unit 22 is glued to its mounting surface 24. Instead of gluing or in addition, it can also be provided that the sensor unit 22 is fastened to the base body 16 of the busbar 10 by means of a fastening element (not shown), for example a clip.
  • the sensor unit 22 has a sensor element 26 (FIG. 5), which in the present case contacts the base body 16 in the region of the support surface 28 through the adhesive layer. In the present embodiment, it is provided that a temperature of the busbar 10 or of the main body 16 is detected by means of the sensor element 26.
  • Fig. 5 is an evaluation, which is soldered to corresponding terminal contacts, as shown in Fig. 5.
  • this is an integrated circuit which, in addition to the connection of the sensor element 26, at the same time also comprises an electronic evaluation unit and a communication unit.
  • the detected temperature value can be transmitted to the battery management system.
  • 6 shows the connection contacts 32, 34, 36, 38 of the battery cells 12, 14, wherein the connection contacts 32, 36 are electrically conductively connected to one another via the busbar 10.
  • a cell capacity 60 and an internal resistance 62 are shown schematically in the battery cells 12, 14. With these two elements, the function of the battery cells 12, 14 is described model-like.
  • the sensor unit 22 is connected to a communication connection 64.
  • the sensor unit 22 can use this to transmit detected physical parameters to the battery management system.
  • the sensor unit 22 can receive control commands via this communication connection 64 as well as data which are required or desired for their intended operation.
  • the sensor unit 22 in the present case not only serves to detect the temperature, but at the same time can also detect the electrical current flowing through the busbar 10 or the main body 16.
  • the sensor unit 22 has a magnetic field sensor (not shown), which is arranged integrated in the sensor unit 22. With the sensor unit 22 If the magnetic field strength can be detected, it being possible to determine the electric current flowing through the busbar 10 or the main body 16 taking into account geometrical dimensions of the base body 16 and further boundary conditions. This method is particularly advantageous for the current measurement, because on the one hand enables a very accurate current measurement and on the other hand requires only a small volume or a low weight.
  • the design of the sensor unit 22 may be selected so that it can be arranged sunk into the base body 16. As a result, special geometric requirements due to spatial restrictions are particularly taken into account. Voluminous and heavy current transformers can thus be saved. Due to the low weight and the small size, the sensor unit 22 according to the invention, of course, also much more robust in terms of mechanical stresses such as vibrations, shocks and / or the like.
  • the sensor unit 22 is therefore equipped with further sensors, namely the temperature sensor as well as mechanical strain and force sensors, by means of a semiconductor integrated circuit for high-precision current measurement (FIG. 8).
  • the communication connection 64 is embodied here as a wired communication connection, it can also be designed as a wireless communication connection, for example on the basis of near-field radio, ultrasound, infrared and / or the like. By means of the communication connection 64, a communication connection to the battery management system is established.
  • the aforementioned integrated semiconductor circuit can, for example, provide a current measurement based on the flux-gate technology. This makes it possible to determine a voltage drop of the busbar 10 or the base body 16 in normal operation or an electrical corresponding resistance. These values can also be transmitted to the battery management system.
  • FIG. 8 shows a further characteristic of the sensor unit 22, for which purpose a section from FIG. 6 is shown schematically in a front view.
  • the sensor unit 22 is present with a strain gage. fen (DMS) or a strain gauge semiconductor device equipped, which is integrated into the integrated semiconductor circuit of the sensor unit 22.
  • DMS strain gage. fen
  • a strain gauge semiconductor device equipped, which is integrated into the integrated semiconductor circuit of the sensor unit 22.
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of an embodiment by means of which the sensor unit 22 can be supplied with electrical energy.
  • the circuit is basically based on the circuit again, as has already been explained with reference to FIG. 7 in principle, which is why reference is made to these statements in addition.
  • the sensor unit 22 is electrically conductively connected to a contact connection point 66 of the main body 16 with a positive connection. If the sensor unit 22 is embodied as a semiconductor chip or integrated semiconductor circuit, the positive voltage supply potential can thus be tapped directly from the busbar 10 or its base body 16. A corresponding negative terminal of the sensor unit 22 is connected via an electrical line 68 to the terminal contact 34 of the battery cell 12. As a result, the sensor unit 22 receives an electrical supply voltage for the purpose of enabling the intended operation.
  • the electrical lead 68 may be, for example, a flexible cable or the like.
  • the electrical line 68 thus provides a negative voltage potential.
  • the electrical line 68 is connected to the terminal contact 34 of the battery cell 12.
  • battery cell may be provided.
  • this allows a higher supply voltage for the sensor unit 22 and, on the other hand, it allows the electrical energy required for the intended operation of the sensor unit 22 to be distributed to a plurality of battery cells of the battery 56. As a result, uneven loading of individual battery cells of the battery 56 could be reduced.
  • the invention provides that the sensor unit 22 is fixed electrically isolated on the support surface 28.
  • the electrical insulation can be realized for example by the adhesive layer or an insulating film, an insulating disc and / or the like.
  • the power supply of the sensor unit 22 comprises a galvanic isolation. This can be realized, for example, by means of a DC / DC converter, which comprises an isolating transformer.
  • the sensor unit 22 is supplied with electrical energy wirelessly, for example via a magnetic alternating field or the like.
  • the sensor unit 22 then has a receiving coil, which interacts with the energy field or the alternating magnetic field and extracts energy from the alternating magnetic field and provides it as electrical energy for the operation of the sensor unit 22.
  • the invention is based on integrating a measuring electronics in the busbar itself, in order to provide a separately manageable component in this way. This component can then be tested for its intended function, so that it can be easily integrated into a production process.
  • the production of a battery, of a motor vehicle or of an electrical system can basically be considerably simplified.
  • the invention has been explained with reference to batteries or motor vehicles, it is clear to those skilled in the art that the application of the invention is not limited to these applications.
  • the invention can also be used in stationary electrical installations, in particular in the field of electrical switchgear.
  • the advantage of the invention is particularly clear, especially if the sensor unit can be operated completely wireless. This is particularly advantageous for electrical systems in the medium and / or high voltage range but also for low-voltage switchgear.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Stromschiene (10) zum Führen eines elektrischen Stromes von einer ersten elektrischen Einrichtung (12) zu einer zweiten elektrischen Einrichtung (14), mit einem aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildeten Grundkörper (16), welcher einen ersten Anschluss (18) zum Anschließen an die erste elektrische Einrichtung (12) und einen zweiten Anschluss (20) zum Anschließen an die zweite elektrische Einrichtung (14) aufweist, wobei eine Sensoreinheit (22) mit einer Befestigungsfläche (24), die wenigstens ein Sensorelement (26) zum Erfassen eines physikalischen Parameters der Stromschiene (10) aufweist, wobei der Grundkörper (16) eine Auflagefläche (28) aufweist, an der die Sensoreinheit (22) mit ihrer Befestigungsfläche (24) befestigt ist.

Description

Elektrische Stromschiene mit Sensoreinheit
BESCHREIBUNG: Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Stromschiene zum Führen eines elektrischen Stromes von einer ersten elektrischen Einrichtung zu einer zweiten elektrischen Einrichtung, mit einem aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildeten Grundkörper, welcher einen ersten Anschluss zum Anschließen an die erste elektrische Einrichtung und einen zweiten Anschluss zum Anschließen an die zweite elektrische Einrichtung aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Batterie mit wenigstens zwei Batteriezellen, wobei jede der Batteriezellen zwei Elektroden aufweist, die elektrochemisch miteinander wechselwirken, wobei jede der Elektroden einen Anschlusskontakt aufweist, wobei wenigstens ein Anschlusskontakt einer der Batteriezellen mit einem Anschlusskontakt der anderen der Batteriezellen mittels einer elektrischen Stromschiene elektrisch leitend verbunden ist, wobei die elektrische Stromschiene einen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildeten Grundkörper aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage, die eine Batterie aufweist, und mit einer an die elektrische Anlage angeschlossenen elektrischen Antriebsvorrichtung, wobei die Batterie und die Antriebsvorrichtung jeweils wenigstens zwei elektrische Anschlusskontakte aufweisen, wobei einer der Anschlusskontakte der Batterie und der Antriebsvorrichtung mittels einer elektrischen Stromschiene elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die elektrische Strom- schiene einen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildeten Grundkörper aufweist.
Stromschienen der gattungsgemäßen Art sind dem Grunde nach bekannt, so dass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht be- darf. Stromschienen, häufig auch Sammelschienen genannt, sind Bauelemente in der elektrischen Energieversorgung und dienen dazu, elektrische Energie aufgrund eines Stromflusses von der ersten elektrischen Einrichtung zur zweiten elektrischen Einrichtung oder umgekehrt zu führen. Elektrische Einrichtungen können beispielsweise elektrische Verbraucher sein, in denen die zugeführte elektrische Energie für die Ausführung einer bestimmungsgemäßen Funktion genutzt wird, sowie Energiequellen, wie beispielsweise elektrische Generatoren auf Basis von elektrischen Maschinen, optoelektrische Wandler wie beispielsweise Solarzellen oder dergleichen, Brennstoffzellen und/oder dergleichen. Stromschienen weisen neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eine geeignete mechanische Festigkeit auf, so dass der Einfluss von mechanischen Kräften, wie sie beispielsweise bei Überströmen auftreten können, von der Stromschiene geführt werden können, ohne dass deren bestimmungsgemäße Funktion im Wesentlichen be- einträchtigt wird. Häufig sind Stromschienen darüber hinaus thermisch hoch belastbar, so dass sie auch in thermisch exponierten Bereichen ihre bestimmungsgemäße Funktion im Wesentlichen zuverlässig ausführen. Die Stromschiene weist in der Regel einen Grundkörper aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff auf, der Anschlüsse für die elektrischen Einrichtungen wie die erste und die zweite elektrische Einrichtung bereitstellt. Als Werkstoff wird häufig ein Metall wie Aluminium, Kupfer, Legierungen hiervor, gegebenenfalls mit weiteren Metallen, und/oder dergleichen verwendet. Stromschienen sind im Übrigen sicherheitsrelevante Bauteile in der Elektrotechnik, weshalb sie unter anderem auch von der Normung erfasst sind, so beispielsweise durch die DIN 43671 , DIN 43673, DIN 43771 , und weitere. Stromschienen finden jedoch nicht nur in der stationären Energieverteilung Verwendung, sondern finden sich darüber hinaus auch in elektrischen Anlagen von Fahrzeugen sowie weiteren elektrischen Einrichtungen, in denen elektrische Energie insbesondere in größerem Umfang verteilt wird.
So ist beispielsweise der Einsatz von Stromschienen auch bei Batterien üblich, die wenigstens zwei Batteriezellen umfassen. Eine Batteriezelle ist eine Einrichtung, die zwei Elektroden aufweist, die elektrochemisch miteinander wechselwirken. Das Wechselwirken kann unter ergänzender vermittelnder Wirkung eines Elektrolyten erfolgen. Batteriezellen, auch galvanische Zellen genannt, sind vorzugsweise reversibel hinsichtlich ihrer Funktion, wie sie beispielsweise bei Batterien in Form von Akkumulatoren oder dergleichen zum Einsatz kommen. Aufgrund der elektrochemischen Wechselwirkung der Elektroden stellt sich an den Elektroden eine für die jeweilige Batteriezellen- Chemie spezifische Gleichspannung ein, die an mit den Elektroden verbundenen Anschlusskontakten der jeweiligen Batteriezelle bereitgestellt ist. Diese Gleichspannung ist in der Regel vergleichsweise klein. Viele Anwendungen in der Elektrotechnik erfordern eine Gleichspannung, die die Gleichspannung, die durch eine einzelne Batteriezelle bereitgestellt werden kann, deutlich überschreitet. Aus diesem Grund sind häufig eine Mehrzahl von Batteriezellen zu einer Batterie zusammengefasst und entsprechend der elektrischen Anforderungen innerhalb der Batterie elektrisch verschaltet, beispielsweise in Form einer Reihenschaltung, einer Parallelschaltung, Kombinatio- nen hiervon oder dergleichen.
Innerhalb der Batterie sind die einzelnen Batteriezellen deshalb mittels Stromschienen in der gewünschten Schaltungsart miteinander elektrisch leitend verbunden, um an Anschlusspolen der Batterie die gewünschte Gleich- Spannung bereitstellen zu können. Solche Batterien sind beispielsweise als Blei-Säure-Batterien im Kraftfahrzeugbereich, als Nickel-Kadmium-Batterien im Flugzeugbereich und bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen, als Lithium-Ionen-Batterien im Bereich von Haushaltskleingeräten und/oder dergleichen, neuerdings aber auch bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen angewendet.
Kraftfahrzeuge der gattungsgemäßen Art sind ebenfalls hinlänglich bekannt. Vorzugsweise umfassen Kraftfahrzeuge, die eine elektrische Anlage mit einer Batterie sowie eine an die elektrische Anlage angeschlossene Antriebs- Vorrichtung aufweisen. Solche Kraftfahrzeuge sind beispielsweise Elektro- fahrzeuge, Hybridfahrzeuge, bei denen ein Antrieb sowohl mittels einer elektrischen Antriebsvorrichtung als auch mittels einer Verbrennungskraftmaschine möglich ist, oder dergleichen. Bei diesen Fahrzeugen weisen die Batterie und die Antriebsvorrichtung jeweils wenigstens zwei elektrische Anschluss- kontakte auf. Zum Zwecke der elektrischen Kopplung sind wenigstens einer der Anschlusskontakte der Batterie und einer der Anschlusskontakte der Antriebsvorrichtung mittels einer elektrischen Stromschiene elektrisch leitend miteinander verbunden. Auch hier ist die elektrische Stromschiene durch einen elektrisch leitfähigen Grundkörper gebildet.
Auch wenn sich der Stand der Technik bewährt hat, zeigen sich dennoch Probleme, insbesondere beim Einsatz bei Kraftfahrzeugen. So ist es üblich, den Strom, mit dem eine Stromschiene beaufschlagt ist, mittels einer Stromwandlereinheit zu erfassen. Die Stromwandlereinheit ist ein elektri- sches Bauteil, welches mittels eines magnetisch permeablen Ringkerns das durch einen Strom durch die Stromschiene erzeugte magnetische Feld er- fasst und ein entsprechendes Messsignal bereitstellt. Eine solche Stromwandlereinheit weist üblicherweise ein vergleichsweise hohes Gewicht sowie auch eine große Bauform auf. Gerade im Bereich der Elektromobilität ist dies hinderlich und unerwünscht. Die große Bauform und das große Gewicht führen darüber hinaus gerade im Bereich der Elektromobilität zu Problemen hinsichtlich der Beanspruchung durch Vibrationen und Stößen, wie sie üblicherweise beim bestimmungsgemäßen Betrieb von Kraftfahrzeugen auf- treten.
Alternativ ist es bekannt, den Strom durch die Stromschiene mittels eines Shunts zu erfassen. Zu diesem Zweck wird die Stromschiene in zwei Grundkörper aufgeteilt, die mittels des Shunts elektrisch leitend miteinander ver- bunden sind. Zwar lassen sich auf diese Weise die zuvor erwähnte aufwendige Stromwandlereinheit und die damit verursachten Probleme vermeiden, jedoch erweist sich diese Ausgestaltung insofern als nachteilig, als dass in die Stromschiene eingegriffen werden muss, was nicht nur einen hohen Aufwand zur Folge hat, sondern darüber hinaus auch aufgrund der hohen Strombeanspruchung der Stromschiene im bestimmungsgemäßen Betrieb unerwünscht ist. Durch die erforderlichen Kontaktierungsstellen im Bereich des Shunts entstehen zusätzliche Sicherheits- und Zuverlässigkeitsprobleme. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Stromschiene, eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug dahingehend weiterzubilden, dass die Erfassung eines Zustandsparameters der Stromschiene, wie beispielsweise dem Strom, verbessert ist. Als Lösung wird mit der Erfindung eine Stromschiene gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 , eine Batterie gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 9 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 10 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Mit der Erfindung wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Stromschiene eine Sensoreinheit mit einer Befestigungsfläche aufweist, die wenigstens ein Sensorelement zum Erfassen eines physikalischen Parameters der Stromschiene aufweist, wobei der Grundkörper eine Auflagefläche (aufweist, an der die Sensoreinheit mit ihrer Befestigungsfläche befestigt ist.
Vorzugsweise sind die Befestigungsfläche und/oder die Auflagefläche eben ausgebildet. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn sowohl die Befestigungsfläche als auch die Auflagefläche eben ausgebildet sind. Eben im Sin- ne dieser Offenbarung meint, dass die Fläche, die eben ausgebildet ist, nicht gekrümmt ist. Es ist also eine Fläche gemeint, die im Wesentlichen durch zwei nicht parallele Geraden im Raum aufgespannt werden kann. Dem Grunde nach können die Befestigungsfläche und die Auflagefläche aber auch zumindest teilweise gekrümmt oder gewinkelt ausgebildet sein. In diesem Fall sind sie vorzugsweise zumindest hinsichtlich ihrer Kontur korrespondierend zueinander ausgebildet, sodass eine möglichst großflächige Befestigung erreicht werden kann. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, die Sensoreinheit vollständig in die Stromschiene zu integrieren. Es ist also - im Unterschied zum Stand der Technik - nicht mehr erforderlich, im Bereich der Stromschiene aufwendige Messeinheiten wie die Stromwandlereinheit oder dergleichen vorzusehen und es ist gemäß der Erfindung auch nicht mehr erforderlich, in die Struktur des Grundkörpers einzugreifen, um ein Messen des Parameters der Stromschiene zu ermöglichen.
Die Sensoreinheit kann zur Erfassung eines oder mehrerer physikalischer Zustandsgrößen der Stromschiene dienen, wie beispielsweise Erfassen ei- nes elektrischen Stroms, der die Stromschiene durchströmt, eines elektrischen Potentials, einer Temperatur, einer mechanischen Dehnung, einer mechanischen Biegung und/oder dergleichen.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Befestigungsfläche der Sen- soreinheit kleiner als die Auflagefläche der Stromschiene ausgebildet ist. Die Sensoreinheit kann in diesem Fall vollständig auf der Stromschiene angeordnet sein, so dass sie äußere Abmessungen in einer Ebene der Auflagefläche im Wesentlichen nicht überschreitet. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit unmittelbar, insbesondere direkt, mit der Auflagefläche verbunden. Das Befestigen kann beispielsweise stoffschlüssig mittels Schweißen oder dergleichen erfolgen. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit mittels Kleben oder dergleichen mit der Stromschiene verbunden ist. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, die Sensoreinheit mittels eines Clips oder dergleichen mechanisch mit der Stromschiene zu verbinden. Na- türlich können diese Befestigungsmöglichkeiten auch miteinander kombiniert sein.
Vorzugsweise ist im Bereich der Befestigungsfläche zugleich auch ein Sensorelement für den zu erfassenden physikalischen Parameter der Strom- schiene vorgesehen. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Sen- sorelement zur Erfassung einer Temperatur, einer Dehnung, einer Biegung und/oder dergleichen ausgebildet ist. In diesem Fall ist ein vorzugsweise unmittelbarer Kontakt des Sensorelements mit der Stromschiene für die Ge- nauigkeit der Erfassung vorteilhaft.
Darüber hinaus kann die Stromschiene im Bereich der Auflagefläche starr ausgebildet sein, so dass mechanische Einwirkungen die Befestigung der Sensoreinheit an der Auflagefläche im Wesentlichen nicht beeinträchtigen können. Natürlich kann zur Erfassung eines jeweiligen physikalischen Parameters der Stromschiene auch eine lösbare Befestigung der Sensoreinheit an der Stromschiene vorgesehen sein. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn beispielsweise die Sensoreinheit aufgrund einer Beschädigung ausgewechselt werden soll oder auch die Sensoreinheit an einer Stromschiene einer bestehenden elektrischen Anlage nachgerüstet werden soll.
Die Auflagefläche kann durch eine Oberfläche der Stromschiene gebildet sein, beispielweise bei einer Stromschiene mit einem rechteckigen Quer- schnitt durch eine der beiden großen Oberflächen in Längsrichtung der Sammelschiene. Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Sammelschiene eine Ausnehmung aufweist, die die Auflagefläche bereitstellt. Besonders vorteilhaft erweist sich dies bei Stromschienen, bei denen die Querschnittsfläche von der Rechteckform abweicht. Darüber hinaus kann na- türlich vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit in der Stromschiene versenkt angeordnet ist. Vorzugsweise ist sie vollständig in die Stromschiene versenkt angeordnet, sodass sie mit ihren Abmessungen nicht über Außenabmessungen der Stromschiene hinausragt. Insgesamt wird mit der Erfindung erreicht, dass eine Stromschiene, insbesondere Sammelschiene, integral mit der Sensoreinheit bereitgestellt werden kann. Demzufolge ist die elektrische Stromschiene der Erfindung vorzugsweise einstückig mit der Sensoreinheit ausgebildet und kann als Baueinheit einzeln gehandhabt werden. Insbesondere ist es möglich, die Stromschiene beziehungsweise die Sammelschiene zusammen mit der Sensoreinheit hinsichtlich des vorgesehenen Betriebs zu prüfen und auf diese Weise vollständig vorgeprüfte Baueinheiten für die weitere Verarbeitung bereitstellen zu können. Die Sensoreinheit weist ein Sensorelement zum Erfassen des physikalischen Parameters der Stromschiene auf. Das Sensorelement ist an den zu erfassenden physikalischen Parameter angepasst ausgebildet. Beispielsweise kann das Sensorelement zur Erfassung der Temperatur der Stromschiene diese unmittelbar kontaktieren. Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Sensorelement die Stromschiene unmittelbar kontaktiert, um beispielsweise eine Dehnung und/oder eine Biegung der Stromschiene zu ermitteln. Darüber hinaus kann das Sensorelement aber auch kontaktlos zur Stromschiene angeordnet sein, beispielsweise zur Erfassung des elektrischen Stroms, der die Stromschiene durchströmt.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit ausgebildet ist, den durch die elektrische Stromschiene strömenden elektrischen Strom zu erfassen. Entsprechend ist das Sensorelement der Sensoreinheit zur drahtlosen Erfassung eines elektrischen Stroms ausgebildet. Beispielsweise kann dies aufgrund einer Flux-Gate-Technologie oder dergleichen erfolgen. Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass mit dem Sensorelement eine magnetische Feldstärke erfasst wird. Insbesondere unter Berücksichtigung der geometrischen Eigenschaften der Stromschiene kann daraus dann der entsprechende Strom, der die Stromschiene aktuell durchströmt, ermittelt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mittels des Sensorelements eine lokale Stromdichte im Bereich des Sensorelements erfasst wird. Auf Basis dieser Stromdichte kann dann unter Berücksichtigung einer Querschnittsfläche der Stromschiene der Gesamtstrom, der die Stromschie- ne durchströmt, ermittelt werden. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit lokal in ihrem Bereich ein magnetisches Gegenfeld zum durch den im Grundkörper strömenden elektrischen Strom erzeugt, bis das lokal einwirkende Feld kompensiert ist. Die Sensoreinheit ändert das Gegenfeld solange, bis die ermittelte Feldstärke im Wesentlichen Null ist. Aus dem Wert für die Erzeugung des Gegenfeldes kann dann der Wert des aktuell durch den Grundkörper strömenden elektrischen Stromes ermittelt werden. Dies kann durch Berechnung und/oder unter Berücksichtigung von einer Zuordnungstabelle erfolgen, die beispielsweise in Form von Daten, insbesondere einer Datei, verfügbar ist.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Sensoreinheit insbesondere in Verbindung mit dem Sensorelement einstückig als Baueinheit ausgebildet ist, die mit der Stromschiene vorzugsweise einstückig verbunden werden kann. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit, vor- zugsweise inklusive des Sensorelements als Halbleiterchip oder dergleichen ausgebildet ist. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Integration und Zuverlässigkeit während des bestimmungsgemäßen Betriebs erreichen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit gegenüber dem Grundkörper elektrisch isoliert angeordnet ist. Dies erlaubt es, die Sensoreinheit hinsichtlich ihres elektrischen Aufbaus sehr flexibel gestalten zu können. Es braucht bei der Auslegung der Sensoreinheit deshalb keine Rücksicht auf die Führung von elektrischen Leitungen der Sensoreinheit in Bezug auf die Durchführung ihrer bestimmungsgemäßen Funktion Rücksicht genommen zu werden. Beispielsweise kann die elektrische Isolation direkt an der Sensoreinheit selbst, und zwar an deren Befestigungsfläche vorgesehen sein. Ist die Sensoreinheit ein Halbleiterchip, kann vorgesehen sein, dass die Isolation durch eine Oxidschicht im Bereich der Befestigungsfläche der Sensoreinheit ausgebildet ist. Dies erlaubt es, die elektrische Isolation zur Ermöglichung der elektrisch isolierten Anordnung der Sensoreinheit einstückig mit der Sensoreinheit auszubilden. Darüber hinaus kann diese sehr einfach realisiert sein und bei geeigneter Oxidschicht sehr dünn ausgebildet sein, so dass eine sehr kompakte elektrische Stromschiene erreicht werden kann. Ein separates Bauteil für die Isolation kann dadurch eingespart werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass geometrische Abmessungen der Sensoreinheit entsprechende geometrische Abmessungen der elektrischen Stromschiene nicht überschreiten. Dies erlaubt es, die Sensoreinheit vorzugsweise vollständig in einer Ausnehmung in der elektrischen Stromschiene versenkt anzuordnen. Insbesondere kann damit erreicht werden, dass die geometrischen Abmessungen der Stromschiene sich durch die Anordnung der Sensoreinheit im Wesentlichen nicht verändern. Dadurch kann eine sehr kompakte elektrische Stromschiene erreicht werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit zum Zuführen von elektrischer Energie für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb mit einem ersten Versorgungsanschluss an den Grundkörper elektrisch an- geschlossen ist. Auf diese Weise kann die Anordnung der Sensoreinheit an der elektrischen Stromschiene zugleich auch zu deren Energieversorgung genutzt werden. Ein zweiter Versorgungsanschluss kann beispielsweise an einer der elektrischen Einrichtungen angeschlossen sein, vorzugsweise an einem Anschluss, der mit der elektrischen Stromschiene elektrisch nicht ver- bunden ist. Dadurch ist es möglich, zwischen dem ersten und dem zweiten Versorgungsanschlusse eine elektrische Spannung zur Versorgung der Sensoreinheit bereitzustellen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit zum drahtlosen Zuführen von elektrischer Energie für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb ausgebildet ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit als Transponder ausgebildet ist, der zur Durchführung einer gewünschten Erfassung separat mittels eines Energiefeldes Energie zum Zwecke der elektrischen Energieversorgung der Sensoreinheit für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb zugeführt bekommt. Beispielsweise kann das Energiefeld ein magnetisches Wechselfeld, ein elektromagnetisches Wechselfeld und/oder dergleichen sein. Es kann vorgesehen sein, dass das Energiefeld lediglich für die Zeitdauer der Durchführung der Erfas- sung des gewünschten physikalischen Parameters sowie der Übermittlung an eine Zentrale bereitsteht. Diese Ausgestaltung erweist sich als vorteilhaft hinsichtlich der Einbaubarkeit, insbesondere der Nachrüstbarkeit, weil Verdrahtungen, wie sie bei Sensoreinheiten des Stands der Technik erforderlich sind, weitgehend vermieden werden können. Darüber hinaus kann aber auch vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit eine Batterie umfasst, die sie für ihre vorzugsweise gesamte bestimmungsgemäße Lebensdauer mit elektrischer Energie versorgt. Eine solche Batterie kann beispielsweise eine Lithium-Batterie oder dergleichen sein. Natürlich können die vorgenannten Ausführungsformen auch miteinander kombiniert sein.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor, dass die Sensoreinheit ausgebildet ist, eine drahtlose Kommunikationsverbindung und/oder eine Kommunikationsverbindung über die Stromschiene zu einer Zentrale herzustellen. Die Kommunikationsverbindung dient vorzugsweise dazu, den er- fassten physikalischen Parameter der Sensoreinheit an die Zentrale zu übermitteln, die den physikalischen Parameter für weitere Zwecke verarbeitet. Die Zentrale kann beispielsweise eine zentrale Steuereinrichtung, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug eine zentrale Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs sein. Die drahtlose Kommunikationsverbindung kann beispielswei- se auf Funkbasis, auf Infrarot, auf Ultraschall und/oder dergleichen basieren. Darüber hinaus kann die Kommunikationsverbindung natürlich auch über die Stromschiene realisiert sein, wobei die Zentrale ebenfalls über eine entsprechende Anschlussmöglichkeit an die Stromschiene als Kommunikationsverbindung verfügt. Zu diesem Zweck kann die Sensoreinheit ein entsprechen- des Sensorsignal auf die Stromschiene aufgeben, welches von der Zentrale empfangen werden kann. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass ein moduliertes Signal auf die Stromschiene gegeben wird, welches Informationen beziehungsweise Daten zu dem erfassten physikalischen Parameter enthält. Zu diesem Zweck kann die Sensoreinheit eine Sendeeinheit aufweisen, mittels der das Sensorsignal entweder drahtlos oder auch leitungsgebunden auf die Stromschiene aufgegeben werden kann. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit eine Empfangseinheit aufweist, mittels der sie Daten beziehungsweise Informationen von der Zentrale beziehungsweise von weiteren Einrichtungen erhalten kann. Dadurch ist es möglich, die Sensoreinheit zu steuern und/oder Einstellungen bezüglich des Sensorelements und/oder einer Auswertung eines Signals des Sensorelements vorzunehmen. Weitere Funktionen, die sich auf diese Weise realisieren lassen, sind beispielsweise ein auslösbarer Funktionstest, ein Datenab- gleich und/oder dergleichen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoreinheit und die Kommunikationseinrichtung jeweils eine Energiewandeleinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, aus einem empfangenen Signal elektrische Energie zur Energieversorgung der Sensoreinheit bereitzustellen. Als Signale werden physikalische Größen bezeichnet, bei der ein oder mehrere Parameter eine Information tragen. Die Energiewandeleinrichtungen sind also dazu ausgelegt, die physikalische Größe des empfangenen Signals zur Energieversorgung der Sensoreinheit zu nutzen. Dazu ist die Energiewandeleinrichtung insbesondere dazu ausgelegt, eine nicht elektrische physikalische Größe in eine elektrische Größe umzuwandeln Dies wird auch als Energie-Ernten beziehungsweise Energy Harvesting bezeichnet. Im vorliegenden Fall bedeutet dies, dass über die Signalpfade in vorteilhafter Weise nicht nur eine Information sondern auch Energie zur Energieversorgung übertragen wird.
Bei einem elektrischen Signal, welches als physikalische Größe beispielsweise eine Stromstärke oder eine Spannung aufweist und bei welchem die Information beispielsweise in einer Frequenz oder Phase der Stromstärke oder Spannung übermittelt wird, sind die Energiewandeleinrichtungen vor- zugsweise dazu ausgelegt, die Stromstärke oder die Spannung des empfangenen Signals der Sensoreinheit zur Energieversorgung bereitzustellen. Bei einem optischen Signal, welches Lichtwellen als die physikalische Größe aufweist, sind die als Solarsensoren ausgebildeten Energiewandeleinrichtung dazu ausgelegt, die Lichtwellen in elektrische Energie zum Versorgen des Netzwerkknotens umzuwandeln. Bei einem Signal, bei welchem eine Information mittels RFID (radio-frequency Identification) induktiv an die Sensoreinheit übertragen wird, kann die magnetische Welle, beispielsweise mit einer als Empfängerspule ausgebildeten Energiewandeleinrichtung, in eine elektrische Spannung zum Versorgen der Sensoreinheit umgewandelt werden.
Als Energy-Harvesting bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen. Die Energy-Harvesting eingesetzten Strukturen, werden auch als Nanogeneratoren bezeichnet. Energy-Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder gesonderte oder separate Batterien. Solche Nanogeneratoren können beispielsweise piezoelektrische Kristalle sein, welche bei Krafteinwirkung, beispielsweise durch Druck, Vibration oder Schall, eine elektrische Spannung erzeugen, und/oder thermoelektrische Generatoren und pyroelektrische Kristalle, welche aus Temperaturunterschieden elektrische Energie gewinnen, und/oder Antennen, insbesondere passive RFIDs, welche Energie von Funk beziehungsweise elektromagnetischer Strahlung auffangen und energetisch verwenden, und/oder Sensoren, welche Licht basierend auf dem fotoelektrischen Effekt in elektrische Energie umwandeln.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Grund- körper zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss einen federelastischen Bereich aufweist. Dies erlaubt es insbesondere bei einem ansonsten starren Grundkörper mechanische Einflüsse auf die Stromschiene mittels des hierfür angepassten Sensorelements zu erfassen. So ist es beispielsweise möglich, Änderungen mechanischer Abmessungen zu ermitteln, um dadurch weitere physikalische Parameter der Stromschiene, insbesondere mechanische Parameter, ermitteln zu können. Solche Parameter können beispielsweise die Länge der Stromschiene, die Breite der Stromschiene, ihre geometrische Form und/oder dergleichen sein. Darüber hinaus kann ein Toleranzausgleichselement vorgesehen sein, welches zum Beispiel den feder- elastischen Bereich bilden kann. Das Toleranzausgleichselement kann beispielsweise eine elektrisch leitfähige Litze umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass dessen Veränderungen erfasst werden können. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Sensoreinheit ausgebildet ist, eine mechanische Spannung am Grundkörper zu erfassen. Dies kann dazu genutzt werden, Belastungen insbesondere im Bereich der ersten und zweiten Anschlüsse der ersten und zweiten elektrischen Einrichtung zu ermitteln. Dadurch können mechanische Überlastzustände, die im Bereich der Anschlüsse der elektrischen Einrichtungen auftreten, frühzeitig erkannt werden, um Gegenmaßnahmen einzuleiten. Beschädigungen im Bereich der Anschlüsse aufgrund mechanischer Überbeanspruchungen können dadurch reduziert werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Berücksichtigung der beigefügten Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer schematischer Ansicht eine Stromschiene, die durch einen Stromwandler gemäß dem Stand der Technik geführt ist;
Fig. 2 eine schematisch perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung einer Stromschiene, die durch einen Stromwandler gemäß des Stands der Technik geführt ist;
Fig. 3 eine schematisch perspektivische Ansicht einer Shunt- Anordnung zur Verbindung mit einer Stromschiene;
Fig. 4 eine schematisch perspektivische Ansicht der Shunt-Anordnung gemäß Fig. 3 von einer Rückseite;
Fig. 5 eine schematische Draufsicht einer Leiterbahnanordnung einer
Sensoreinheit gemäß der Erfindung;
Fig. 6 in schematisch perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einer Batterie mit einer Stromschiene gemäß der Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Schaltbilddarstellung der Anordnung gemäß
Fig. 6; Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Seitenansicht der Batterie gemäß Fig. 6; und Fig. 9 eine schematische Schaltbilddarstellung einer weiteren Ausgestaltung gemäß der Erfindung wie Fig. 7.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivisch schematischen Darstellung einen Ausschnitt aus einem Hochvoltbatteriesystem 42 eines nicht weiter dargestellten elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Ein Stromkabel 40 des Hochvoltbatteriesystems 42 dient dem elektrischen Anschluss des Hochvoltbatteriesystems 42 an eine nicht weiter dargestellte elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug wird mittels eines elektrischen Antriebs angetrieben, der von dem Hochvoltbatteriesystem 42 zu diesem Zweck mit elektri- scher Energie versorgt wird. Vorliegend ist ferner vorgesehen, dass die elektrische Energie nicht nur für den Antrieb zum Zwecke des Beschleunigens des Fahrzeugs bereitstellt, sondern zugleich auch elektrische Energie während eines Verzögerungsvorgangs aufnimmt, das heißt, in dem Hochvoltbatteriesystem 42 speichert.
Die elektrische Leitung 40 ist durch einen Ringkernwandler 44 geführt, der in bekannter Weise mit einer elektrischen Wicklung versehen ist, um den elektrischen Strom, der in der elektrischen Leitung 40 strömt, zu erfassen. Mittels einer nicht weiter dargestellten Auswerteelektronik wird das vom Stromwand- ler 44 bereitgestellte Signal ausgewertet und der die elektrische Leitung 40 durchströmende elektrische Strom ermittelt. Der ermittelte Wert des Stroms wird an ein ebenfalls nicht weiter dargestelltes Batteriemanagementsystem über eine Kommunikationsverbindung übermittelt. Die Kommunikationsverbindung ist vorliegend durch einen Kommunikationsbus des Kraftfahrzeugs, und zwar einem CAN-BUS, gebildet, an dem die Auswerteelektronik angeschlossen ist.
Fig. 2 zeigt in perspektivisch schematischer Darstellung eine weitere Ausgestaltung für eine Strommessung einer elektrischen Leitung 46, die hier als Bandleiter ausgebildet ist und die ebenfalls durch einen Stromwandler 44 geführt ist, wie er bereits zur Fig. 1 erläutert wurde.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Strommessung im Stand der Technik basierend auf dem Einsatz eines Shunts 48. In Fig. 3 ist eine Vor- deransicht in perspektivischer Darstellung gezeigt, wohingegen Fig. 4 die entsprechende Rückansicht in einer perspektivischen Darstellung zeigt. Der Shunt 48 ist vorliegend auf einer Leiterplatte 50 ausgebildet, die zugleich noch eine Auswerteelektronik aufweist, die an den Shunt 48 angeschlossen ist.
Der Shunt 48 ist an Anschlussfahnen 52, 54 angeschlossen, an die entsprechende elektrische Leitungen beziehungsweise Stromschienen angeschlossen werden können. Um den Strom der elektrischen Leitung beziehungswei- se Stromschiene ermitteln zu können, ist der Shunt 48 in Reihe mit der elektrischen Leitung beziehungsweise der Stromschiene zu schalten, sodass der die Stromschiene beziehungsweise die elektrische Leitung durchströmende elektrische Strom zugleich auch den Shunt 48 durchströmt. Der den Shunt 48 durchströmende elektrische Strom verursacht einen Spannungsabfall, der mittels der auf der Leiterplatte 50 angeordneten Auswerteelektronik erfasst und ausgewertet wird. Die auf der Leiterplatte 50 vorgesehene Auswerteelektronik übermittelt einen entsprechenden Stromwert an das Batteriemanagementsystem, wie bereits zur Fig. 1 erläutert. Nachteilig an dieser Konstruktion erweist sich, dass der Shunt 48 in Reihe mit der entsprechenden Stromschiene beziehungsweise elektrischen Leitung zu schalten ist. Dies erfordert entsprechende konstruktive Maßnahmen, die insbesondere bei hohen Strömen und hohen Spannungen sehr aufwändig ausfallen. Besonders im Kraftfahrzeugbereich, wo geringes Bauvolumen und geringes Gewicht gewünscht ist, erweist sich dies als nachteilig.
Nachteilig an dem Einsatz von Stromwandlern erweist sich insbesondere, dass die Stromwandler neben einer für die Erfassung des elektrischen Stromes erforderlichen großen Bauform in der Regel auch ein entsprechend ho- hes Gewicht aufweisen. Gerade beim mobilen Einsatz, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, erweist sich dies als nachteilig, auch aus dem Grund der Einwirkung von Vibrationen während des bestimmungsgemäßen Betriebs.
Fig. 6 zeigt in einer schematisch perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt aus einer Hochvoltbatterie 56 eines nicht weiter dargestellten, elektrischen angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei in Fig. 6 lediglich zwei Batteriezellen 12, 14 der Hochvoltbatterie 56 dargestellt sind. Die Hochvoltbatterie 56 ist reversibel betreibbar, das heißt, sie kann nicht nur elektrische Energie abgeben, sondern sie kann auch elektrische Energie aufnehmen. Es handelt sich demnach in der vorliegenden Ausgestaltung bei der Hochvoltbatterie 56 um einen Akkumulator. Entsprechend sind die Batteriezellen 12, 14 als galvanische Zellen ausgebildet. Die Batteriezellen 12, 14 weisen vorliegend jeweils zwei Elektroden auf, die elektrochemisch miteinander wechselwirken. Zu diesem Zweck kann ergänzend ein Elektrolyt vorgesehen sein, der in der jeweiligen Batteriezelle 12, 14 angeordnet ist und die Elektroden kontaktiert. Das Grundprinzip der elektrochemischen Wechselwirkung zur Erzeugung einer elektrischen Spannung an den Elektroden ist dem Grunde nach bekannt, so dass von weiteren Ausführungen hierzu abgesehen wird. Entsprechend sind in den Figuren die Elektroden selbst nicht dargestellt, sondern lediglich mit ihnen elektrisch leitend verbundene Anschlusskontakte 32, 34, 36, 38. Vorliegend weist die Batteriezelle 12 Anschlusskontakte 32, 34 auf, wobei gegenüber dem Anschlusskon- takt 34 am Anschlusskontakt 32 eine positive Gleichspannung aufgrund der elektrochemischen Wechselwirkung sich einstellt. Entsprechend weist die Batteriezelle 14 Anschlusskontakte 36, 38 auf, wobei sich hier eine positive Gleichspannung an dem Anschlusskontakt 38 gegenüber dem Anschlusskontakt 36 ausbildet.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind der Anschlusskontakt 32 der Batteriezelle 12 und der Anschlusskontakt 36 der Batteriezelle 14 über eine elektrische Stromschiene 10 miteinander elektrisch leitend verbunden. Durch die Stromschiene 10 sind die beiden Batteriezellen 12, 14 elektrisch in Reihe geschal- tet, so dass sich an den Anschlusskontakten 34 und 38 die Summenspannung der Batteriezellen 12, 14 einstellt.
Die Stromschiene 10 weist einen Grundkörper 16 auf, der aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, vorliegend Kupfer, gebildet ist. Die Stromschiene 10 hat einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt zum Zwecke der Stromführung, der sich vorliegend gleichmäßig über eine Längserstreckung der Stromschiene 10 zwischen den Anschlusskontakten 32, 36 der Batteriezellen 12, 14 erstreckt. Vorliegend weist der Grundkörper 16 einen rechteckigen Querschnitt quer zu seiner Längserstreckung sowie eine Oberfläche 58 auf, die eine Auflagefläche 28 bereitstellt. Die Auflagefläche 28 ist im Wesentlichen eben ausgebildet und ebenfalls rechteckig hinsichtlich ihrer Form ausgebildet. Sie ist zwischen den Anschlusskontakten 36, 38 angeordnet. Auf der Auflagefläche 28 ist eine Sensoreinheit 22 mit ihrer Befestigungsfläche 24 aufgeklebt. Anstelle des Klebens oder auch ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit 22 mittels eines nicht dargestellten Befestigungselements, zum Beispiel ein Clip, am Grundkörper 16 der Stromschiene 10 befestigt ist.
Die Sensoreinheit 22 weist ein Sensorelement 26 auf (Fig. 5), welches vorliegend den Grundkörper 16 im Bereich der Auflagefläche 28 durch die Kleberschicht hindurch kontaktiert. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels des Sensorelements 26 eine Temperatur der Strom- schiene 10 beziehungsweise des Grundkörpers 16 erfasst wird.
Nicht dargestellt in Fig. 5 ist eine Auswerteelektronik, die auf entsprechende Anschlusskontakte, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, aufgelötet wird. Vorliegend handelt es sich hierbei um einen integrierten Schaltkreis, der neben dem Anschluss des Sensorelements 26 zugleich auch noch eine elektronische Auswerteeinheit sowie eine Kommunikationseinheit umfasst. Damit kann der erfasste Temperaturwert an das Batteriemanagementsystem übermittelt werden. Fig. 7 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung die Funktionseinheiten gemäß Fig. 6. Zu erkennen sind die Anschlusskontakte 32. 34. 36, 38 der Batteriezellen 12, 14, wobei die Anschlusskontakte 32, 36 über die Stromschiene 10 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Ferner ist in den Batteriezellen 12, 14 schematisch eine Zellenkapazität 60 sowie ein Innenwi- derstand 62 dargestellt. Mit diesen beiden Elementen wird die Funktion der Batteriezellen 12, 14 modellartig beschrieben. Ferner ist aus Fig. 7 ersichtlich, dass die Sensoreinheit 22 an eine Kommunikationsverbindung 64 angeschlossen ist. Über diese kann die Sensoreinheit 22 erfasste physikalische Parameter an das Batteriemanagementsystem übermitteln. Darüber hinaus kann die Sensoreinheit 22 über diese Kommunikationsverbindung 64 Steuerbefehle sowie Daten empfangen, die für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb erforderlich beziehungsweise gewünscht sind.
Nicht unmittelbar ersichtlich aus den Figuren ist, dass die Sensoreinheit 22 vorliegend nicht nur zur Erfassung der Temperatur dient, sondern zugleich auch den die Stromschiene 10 beziehungsweise den Grundkörper 16 durchströmenden elektrischen Strom erfassen kann. Zu diesem Zweck weist die Sensoreinheit 22 einen nicht weiter dargestellten Magnetfeldsensor auf, der in die Sensoreinheit 22 integriert angeordnet ist. Mit der Sensoreinheit 22 kann die magnetische Feldstärke erfasst werden, wobei unter Berücksichtigung geometrischer Abmessungen des Grundkörpers 16 sowie weiterer Randbedingungen der die Stromschiene 10 beziehungsweise den Grundkörper 16 durchströmende elektrische Strom ermittelt werden kann. Dieses Ver- fahren eignet sich besonders vorteilhaft für die Strommessung, weil es einerseits eine sehr genaue Strommessung ermöglicht und andererseits nur ein geringes Bauvolumen beziehungsweise ein geringes Gewicht erfordert.
Darüber hinaus kann die Bauform der Sensoreinheit 22 so gewählt sein, dass sie in den Grundkörper 16 versenkt angeordnet werden kann. Dadurch kann besondere geometrischen Anforderungen aufgrund von räumlichen Beschränkungen besonders Rechnung getragen werden. Voluminöse und schwere Stromwandler können somit eingespart werden. Aufgrund des geringen Gewichts und der geringen Baugröße ist die Sensoreinheit 22 gemäß der Erfindung natürlich auch wesentlich robuster in Bezug auf mechanische Beanspruchungen wie Vibrationen, Stöße und/oder dergleichen.
In Fig. 7 ist die Sensoreinheit 22 durch eine integrierte Halbleiterschaltung zur hochgenauen Strommessung deshalb mit weiteren Sensoren, nämlich dem Temperatursensor sowie auch mechanischen Dehnungs- und Kraftsensoren ausgerüstet (Fig. 8). Die Kommunikationsverbindung 64 ist zwar vorliegend als drahtgebundene Kommunikationsverbindung ausgebildet, sie kann darüber hinaus aber auch als drahtlose Kommunikationsverbindung, beispielsweise auf Basis von Nahfunk, Ultraschall, Infrarot und/oder derglei- chen ausgebildet sein. Mittels der Kommunikationsverbindung 64 wird eine Kommunikationsverbindung zum Batteriemanagementsystem hergestellt.
Um eine hochgenaue Strommessung in Bezug auf die Stromschiene 10 beziehungsweise den Grundkörper 16 erreichen zu können, kann die vorge- nannte integrierte Halbleiterschaltung zum Beispiel eine Strommessung auf Basis der Flux-Gate-Technologie vorsehen. Dadurch ist es möglich, einen Spannungsabfall der Stromschiene 10 beziehungsweise des Grundkörpers 16 im bestimmungsgemäßen Betrieb beziehungsweise einen elektrischen entsprechenden Widerstand zu ermitteln. Diese Werte können ebenfalls an das Batteriemanagementsystem übermittelt werden.
Fig. 8 zeigt eine weitere Eigenschaft der Sensoreinheit 22, zu welchem Zweck ein Ausschnitt aus Fig. 6 in einer Frontansicht schematisch dargestellt ist. Die Sensoreinheit 22 ist vorliegen nämlich mit einem Dehnungsmessstrei- fen (DMS) beziehungsweise ein Dehnungsmessstreifenhalbleiterbauelement ausgerüstet, welches in die integrierte Halbleiterschaltung der Sensoreinheit 22 integriert ist. Dadurch kann die mechanische Beanspruchung des Grundkörpers 16 beziehungsweise der Stromschiene 10 in Bezug auf eine Bean- spruchung auf Dehnung, Biegung sowie Kraft ermittelt werden. In Verbindung mit der Temperaturmessung können somit Bewegungen, Ausdehnungen, Biegungen und/oder dergleichen des Grundkörpers 16 beziehungsweise der Stromschiene 10 überwacht werden. Dadurch kann erreicht werden, dass eine Beanspruchung der Anschlusskontakte 32, 36 ebenfalls auf me- chanische und thermische Beanspruchung hin überwacht werden kann, und zwar insbesondere auch über die gesamte Lebensdauer der Batterie 56 hinweg. Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf die Alterung beziehungsweise die Qualität eines verwendeten Fügeverfahrens, zum Beispiel eine Schraubverbindung, ein Laserschweißen, ein Bonden und/oder dergleichen machen.
Fig. 9 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Ausgestaltung, mittels der die Sensoreinheit 22 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Die Schaltung basiert dem Grunde nach wieder auf der Schaltung, wie sie bereits anhand von Fig. 7 dem Grunde nach erläutert worden ist, weshalb ergänzend auf diese Ausführungen verwiesen wird.
Ergänzend zu den bisherigen Erläuterungen der Ausführungsbeispiele ist vorliegend vorgesehen, dass die Sensoreinheit 22 mit einem Plus-Anschluss an eine Kontaktierungsstelle 66 des Grundkörpers 16 elektrisch leitend an- geschlossen ist. Ist die Sensoreinheit 22 als Halbleiterchip beziehungsweise integrierte Halbleiterschaltung ausgebildet, kann das positive Spannungsver- sorgungspotenzial somit direkt von der Stromschiene 10 beziehungsweise deren Grundkörper 16 abgegriffen werden. Ein entsprechender Minus- Anschluss der Sensoreinheit 22 ist über eine elektrische Leitung 68 an den Anschlusskontakt 34 der Batteriezelle 12 angeschlossen. Dadurch erhält die Sensoreinheit 22 eine elektrische Versorgungsspannung zum Zwecke der Ermöglichung des bestimmungsgemäßen Betriebs.
Die elektrische Leitung 68 kann beispielsweise ein flexibles Kabel oder ähnli- ches sein. Mit der elektrischen Leitung 68 wird somit ein negatives Spannungspotenzial bereitgestellt. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrische Leitung 68 an den Anschlusskontakt 34 der Batteriezelle 12 angeschlossen ist. Es könnten jedoch auch zur Bereitstellung einer höheren Versorgungsspanung für die Sensoreinheit 22 ein Anschluss an einer weite- ren nicht dargestellten und in Reihe mit der Batteriezelle 12 geschalteten Batteriezelle vorgesehen sein. Dies ermöglicht einerseits eine höhere Versorgungsspannung für die Sensoreinheit 22 und erlaubt es andererseits die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Sensoreinheit 22 erforderliche elektrische Energie auf mehrere Batteriezellen der Batterie 56 zu verteilen. Dadurch könnte eine ungleichmäßige Belastung einzelner Batteriezellen der Batterie 56 reduziert werden.
Für den bestimmungsgemäßen Betrieb ist es natürlich zweckmäßig, dass es nicht zu Spannungsdurchschlägen oder Spannungsverschleppungen durch die Anordnung gemäß der Erfindung kommen kann. Deshalb sieht die Erfindung vor, dass die Sensoreinheit 22 elektrisch isoliert an der Auflagefläche 28 befestigt ist. Die elektrische Isolation kann beispielsweise durch die Klebeschicht oder auch eine Isolationsfolie, eine Isolationsscheibe und/oder dergleichen realisiert sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Energieversorgung der Sensoreinheit 22 eine galvanische Trennung umfasst. Diese kann beispielsweise mittels eines DC/DC-Wandlers realisiert sein, der einen Trenntransformator umfasst. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit 22 drahtlos mit elektrischer Energie versorgt wird, beispielsweise über ein magnetisches Wechselfeld oder dergleichen. Zu diesem Zweck weist die Sensoreinheit 22 dann eine Empfangsspule auf, die mit dem Energiefeld beziehungsweise dem magnetischen Wechselfeld zusammenwirkt und Energie aus dem magnetischen Wechselfeld entnimmt und als elektrische Energie für den Betrieb der Sensoreinheit 22 bereitstellt.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Sensoreinheit 22 vollständig als ein einzelner integrierter Halbleiterchip ausgebildet ist, der auf einer Lei- terplatte aufgebracht werden kann (Fig. 5). Insgesamt basiert die Erfindung darauf, eine Messelektronik in die Stromschiene selbst zu integrieren, um auf diese Weise ein separat handhabbares Bauteil bereitstellen zu können. Dieses Bauteil kann sodann hinsichtlich seiner bestimmungsgemäßen Funktion geprüft werden, so dass es auf einfache Weise in einen Fertigungsablauf in- tegriert werden kann. Dadurch kann die Herstellung einer Batterie, eines Kraftfahrzeugs beziehungsweise einer elektrischen Anlage dem Grunde nach wesentlich vereinfacht werden. Auch wenn die Erfindung anhand von Batterien beziehungsweise Kraftfahrzeugen erläutert worden ist, ist es für den Fachmann klar, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt ist. Die Erfindung kann natürlich auch bei stationären elektrischen Anlagen, insbesondere auch im Bereich von elektrischen Schaltanlagen, zum Einsatz kommen. Gerade hier kommt der erfindungsgemäße Vorteil besonders deutlich hervor, insbesondere dann, wenn die Sensoreinheit vollständig drahtlos betrieben werden kann. Dies ist besonders bei elektrischen Anlagen im Mittel- und/oder Hochspannungsbereich aber auch bei Niederspannungsschaltanlagen von großem Vorteil.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkt. Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für entsprechende Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1 . Elektnsche Stromschiene (10) zum Führen eines elektrischen Stromes von einer ersten elektrischen Einrichtung (12) zu einer zweiten elektri- sehen Einrichtung (14), mit einem aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildeten Grundkörper (16), welcher einen ersten Anschluss (18) zum Anschließen an die erste elektrische Einrichtung (12) und einen zweiten Anschluss (20) zum Anschließen an die zweite elektrische Einrichtung (14) aufweist,
gekennzeichnet durch
eine Sensoreinheit (22) mit einer Befestigungsfläche (24), die wenigstens ein Sensorelement (26) zum Erfassen eines physikalischen Parameters der Stromschiene (10) aufweist, wobei der Grundkörper (16) eine Auflagefläche (28) aufweist, an der die Sensoreinheit (22) mit ihrer Befesti- gungsfläche (24) befestigt ist.
2. Elektrische Stromschiene nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (22) ausgebildet ist, den durch die elektrische Stromschiene (10) strömenden elektrischen Strom zu erfassen.
3. Elektrische Stromschiene nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (22) gegenüber dem Grundkörper (16) elektrisch isoliert angeordnet ist.
4. Elektrische Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (22) zum Zuführen von elektrischer Energie für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb mit einem ersten Versorgungsanschluss (30) an den Grundkörper (16) elektrisch angeschlossen ist.
5. Elektrische Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (22) zum drahtlosen Zuführen von elektrischer Energie für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb ausgebildet ist.
6. Elektrische Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (22) ausgebildet ist, eine drahtlose Kommunikationsverbindung und/oder eine Kommunikationsverbindung über die Stromschiene (10) zu einer Zentrale herzustellen.
7. Elektnsche Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (18, 20) einen federelastischen Bereich aufweist.
8. Elektrische Stromschiene nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (22) ausgebildet ist, eine mechanische Spannung im Grundkörper (16) zu erfassen.
9. Batterie (56) mit wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14), wobei jede der Batteriezellen (12, 14) zwei Elektroden aufweist, die elektrochemisch miteinander wechselwirken, wobei jede der Elektroden einen Anschlusskontakt (32, 34, 36, 38) aufweist, wobei wenigstens ein Anschlusskontakt (32) einer der Batteriezellen (12) mit einem Anschlusskontakt (36) der anderen der Batteriezellen (14) mittels einer elektrischen Stromschiene (10) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die elektrische Stromschiene (10) einen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildeten Grundkörper (16) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Stromschiene (10) eine Sensoreinheit (22) mit einer Befestigungsfläche (24) aufweist, wobei die Sensoreinheit (22) wenigstens ein Sensorelement (26) zum Erfassen eines physikalischen Parameters der Stromschiene (10) aufweist, wobei der Grundkörper (16) eine Auflagefläche (28) aufweist, an der die Sensoreinheit (22) mit ihrer Be- festigungsfläche (24) befestigt ist.
10. Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage, die eine Batterie aufweist, und mit einer an die elektrische Anlage angeschlossenen elektrischen Antriebsvorrichtung, wobei die Batterie und die Antriebsvorrichtung je- weils wenigstens zwei elektrische Anschlusskontakte aufweisen, wobei einer der Anschlusskontakte der Batterie und der Antriebsvorrichtung mittels einer elektrischen Stromschiene elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die elektrische Stromschiene einen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildeten Grundkörper aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Stromschiene (10) eine Sensoreinheit (22) mit einer Befestigungsfläche (24) aufweist, wobei die Sensoreinheit (22) wenigstens ein Sensorelement (26) zum Erfassen eines physikalischen Parameters der Stromschiene (10) aufweist, wobei der Grundkörper (16) eine Auflagefläche (28) aufweist, an der die Sensoreinheit (22) mit ihrer Befestigungsfläche (24) befestigt ist.
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