WO2021259664A2 - Widerstandsmesselement und strommessschaltung mit einem solchen widerstandsmesselement - Google Patents

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    • H01C7/06—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material including means to minimise changes in resistance with changes in temperature

Definitions

  • An engine block 1 is shown schematically, which is intended to have four cylinders, for example, and, since it consists of electrically conductive metal, forms a reference potential for some consumers in the form of an engine block mass 4.
  • An exhaust manifold 2 is arranged on the engine block 1 and ends in an exhaust pipe in which an electrically heatable catalytic converter 3 is installed.
  • the heating of the electrically heatable catalytic converter 3 is supplied by a catalytic converter control unit 5 and regulated to a predetermined temperature.
  • the catalytic converter control unit 5 is supplied by a first voltage source 7, which in the example shown is a 48 V battery.
  • the catalytic converter control unit 5 is electrically connected to the metallic exhaust system and via this to the metallic engine block 1 and is therefore primarily electrically related to the engine block mass 4.
  • three further control units 6 with the designations ECU1, ECU2 and ECU3 are shown, which are operated with a lower voltage of, for example, 14 V, which is provided by a second voltage source 8.
  • the low potentials of the first voltage source 7 and the second voltage source 8 are connected to one another and to the vehicle body, the vehicle body forming a body ground 9.
  • a first control unit ECU1 and a third control unit ECU3 of the further control units 6 are electrically related to this body mass 9, while a second control unit ECU2 of the further control units 6 is electrically related to the engine block mass 4.
  • a sensor element 11 which is located on Engine block 1 is installed and can, for example, measure its temperature and is also connected to the first control unit ECU1 in order to make its output signals available to it.
  • This sensor element 11 is thus also related to the engine block mass 4.
  • the engine block mass 4 and the body mass 9 are in principle at the same potential, but both the engine block 1 and the vehicle body are made of iron, steel or partially aluminum , which are not particularly good conductors, so that there is a non-zero resistance between these two reference potentials, which can lead to a not inconsiderable voltage drop and thus a potential difference between these two grounds 4, 9 in the case of high currents flowing through it .
  • the heating of the electrically heatable catalytic converter 3 is operated with a current from the first voltage source 7 of a few hundred amperes, this current, as indicated by a dashed line 13 in FIG Manifold 2 and the engine block 1 and the connection between the engine block and the body mass 10 flow back to the lower potential of the first voltage source 7.
  • a voltage drop 12 then arises at the connection between the engine block 1 and the body mass, which can assume a not inconsiderable value. However, this can impair the operation of the control devices and sensor elements connected to the second voltage source 8 and the engine block ground 4, in particular they can also be damaged as a result.
  • DE 102018 114 115 A1 proposes that a current measurement be carried out both in the line leading from the voltage supply to the consumer and in the line leading from the consumer back to the voltage supply, in particular by using current measuring resistors, and to feed the voltage drop across these current measuring resistors to an evaluation circuit, which determines whether there is a difference between the currents and, if so, concludes that there must be a shunt, since part of the current takes a different route.
  • FIG. 3 schematically shows such a procedure described in DE 102018 114 115 A1, using the example of a catalytic converter control device 5 that is intended to supply the heating of an electrically heatable catalytic converter 4 on the one hand and regulate the temperature of the catalytic converter 4 on the other hand.
  • a microprocessor is used for this purpose, which is referred to below as an evaluation unit Micro, since only this property is relevant for the present invention.
  • a supply current IIM is fed to the catalytic converter control device 5 of FIG. 3 from the first voltage source 7, not shown here, which in normal operation should flow back to the first voltage source 7 as the same current.
  • the catalytic converter control device 5 provides an outward current IEHCC_FWD derived therefrom to the heater of the catalytic converter 4, which flows back as a return current IEHCC_BACK.
  • both this outward current IEHCC_FWD and the return current IEHCC_BACK are measured, with customary measurement methods, which can be implemented by means of a shunt resistor, a Hall sensor or a current mirror, being used for the outgoing current IEHCC_FWD, while a current measuring resistor R P is used for the present invention should find.
  • the voltage drop V drop is determined via this current measuring resistor R P and fed to the evaluation unit Micro.
  • Such current measuring resistors must be able to carry high currents of a few hundred amperes and therefore have a robust design, while they still have to have a precise resistance value in order to be able to convert the current into the voltage to be measured with corresponding precision.
  • EP 0605 800 A1 discloses a cuboid resistance element which is formed in its edge areas with a highly conductive metal, for example copper, and in its middle area with a resistance material with a defined resistance value.
  • This resistance element is soldered onto contact surfaces on a circuit carrier substrate, the current to be measured either also being fed to the resistance element via these contact surfaces or via additional high-current connection terminals attached to the edge areas of the resistance element. Since this resistance element is made of three parts that have to be brought together precisely, and additional connection elements have to be attached, its production is complex. In addition, when soldering the resistor element to contact surfaces of a circuit carrier substrate, care must be taken that this connection is also extremely low-resistance and reproducible, so that the unavoidable resistance cannot falsify the measurement.
  • the object of the invention is therefore to provide a simplified resistance measuring element that is easy to manufacture and easy to assemble.
  • Fig. 1 shows a consumer arrangement in a motor vehicle with two
  • FIG. 2 shows the same consumer arrangement with an alternative ground line routing
  • FIG. 3 shows a control device for supplying a high-current consumer with measuring resistors
  • FIG. 4 shows a current measuring element 20 according to the invention, which is designed as an elongated element and has a first one at both ends Power connection 21 or a second power connection 22 is provided.
  • these first and second high-voltage connections 21, 22 are oriented perpendicular to the longitudinal direction of the resistance measuring element, but they can also be oriented in any other direction.
  • the resistance measuring element 20 is provided with first press-fit pins 23, which are primarily used for mechanical fixation, and according to the invention with second ones Press-fit pins 24 which are formed on the resistance measuring element at a defined distance from one another.
  • the resistance measuring element between the two second press-in pins 24 not only has a defined length, but also a defined cross-sectional area, so that a resistance value results therefrom and from the known resistance material of the resistance measuring element 20.
  • the second press-in pins 24, which are integrally formed on the resistance measuring element 20, advantageously not only enable the resistance measuring element to be mechanically fastened to a circuit carrier substrate, but at the same time also determine the resistance value and establish an electrical, clearly defined contact with the circuit carrier substrate.
  • the resistance measuring element 20 can be designed in a particularly advantageous manner as a punched element and can therefore be manufactured very easily.
  • a temperature sensor 26 which is connected to the evaluation unit Micro, is arranged in accordance with the invention according to FIG. 3 on the circuit carrier substrate adjacent to the resistance measuring element R P is designed in a manner according to the invention, for example with the aid of a characteristic diagram, to precisely determine the resistance value and thus the current value from the measured voltage as a function of the measured temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Widerstandsmesselement (20), das mit einem länglichen metallischen Material gebildet ist, im Bereich dessen Enden Starkstromanschlüsse (21, 22) ausgebildet sind, und das auf einer, mit einem Schaltungsträgersubstrat zu verbindenden Seite mit zumindest zwei Spannungsmess-Einpresspins (24) versehen ist, die in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind, wobei das metallische Material zwischen den Einpresspins (24) einen vorgegebenen Querschnitt und einen vorgegebenen spezifischen Widerstand hat. Die Erfindung betrifft ferner eine Strommessschaltung mit einem solchen Widerstandsmesselement (20) und einem Temperatursensor (26).

Description

Beschreibung
Widerstandsmesselement und Strommessschaltung mit einem solchen Widerstandsmesselement
In derzeit hergestellten Kraftfahrzeugen werden häufig zur Versorgung elektrischer Verbraucher zwei Energiequellen mit unterschiedlich hohen Nennspannungen verbaut. So wird für die Versorgung von Verbrauchern, die nur einen geringen Strom erfordern, wie beispielsweise Steuergeräte, LED-Beleuchtungen oder kleine Motoren, die schon lange übliche Kraftfahrzeugbatterie mit einer Nennspannung von 14 V verwendet, während für Starkstromverbraucher, wie beispielsweise Startermotoren oder Heizungen, eine zweite Batterie mit einer Nennspannung von derzeit etwa 48 V verbaut wird. In der Figur 1 ist in schematischer Weise ein Beispiel für eine solche Anordnung von Energiequellen und elektrischen Verbrauchern, insbesondere im Hinblick auf ihren Massebezug, am Beispiel eines elektrisch beheizbaren Katalysators und einiger Steuergeräte dargestellt.
In schematischer Weise ist ein Motorblock 1 dargestellt, der beispielsweise vier Zylinder haben soll und, da er aus elektrisch leitfähigem Metall besteht, ein Bezugspotential für einige Verbraucher in Form einer Motorblockmasse 4 bildet. Am Motorblock 1 ist ein Abgaskrümmer 2 angeordnet, der in einem Abgasrohr endet, in dem ein elektrisch beheizbarer Katalysator 3 verbaut ist. Die Heizung des elektrisch beheizbaren Katalysators 3 wird von einem Katalysatorsteuergerät 5 versorgt und auf eine vorgegebene Temperatur geregelt. Hierzu wird das Katalysatorsteuergerät 5 von einer ersten Spannungsquelle 7 versorgt, die im dargestellten Bespiel eine 48 V Batterie ist. Das Katalysatorsteuergerät 5 ist elektrisch mit dem metallischen Abgasstrang und über diesen mit dem metallischen Motorblock 1 verbunden und somit in erster Linie elektrisch auf die Motorblockmasse 4 bezogen. Im Beispiel der Figur 1 sind drei weitere Steuergeräte 6 mit den Bezeichnungen ECU1 , ECU2 und ECU3 dargestellt, die mit einer geringeren Spannung von beispielsweise 14 V betrieben werden, die von einer zweiten Spannungsquelle 8 bereitgestellt wird. Die niedrigen Potentiale der ersten Spannungsquelle 7 und der zweiten Spannungsquelle 8 sind miteinander und mit der Fahrzeugkarosserie verbunden, wobei die Fahrzeugkarosserie eine Karosseriemasse 9 bildet. Ein erstes Steuergerät ECU1 und ein drittes Steuergerät ECU3 der weiteren Steuergeräte 6 sind elektrisch auf diese Karosseriemasse 9 bezogen, während ein zweites Steuergerät ECU2 der weiteren Steuergeräte 6 elektrisch auf die Motorblockmasse 4 bezogen ist. Es ist des Weiteren ein Sensorelement 11 dargestellt, das am Motorblock 1 verbaut ist und beispielsweise dessen Temperatur messen kann und außerdem mit dem ersten Steuergerät ECU1 verbunden ist, um diesem seine Ausgangssignale zur Verfügung zu stellen. Damit ist auch dieses Sensorelement 11 auf die Motorblockmasse 4 bezogen.
Da auch der Motorblock 1 mit der Karosserie des Fahrzeugs mechanisch und damit auch elektrisch verbunden ist, befindet sich die Motorblockmasse 4 und die Karosseriemasse 9 prinzipiell auf dem gleichen Potential, allerdings sind sowohl der Motorblock 1 als auch die Fahrzeugkarosserie aus Eisen, Stahl oder teilweise Aluminium, welches keine besonders guten Leiter sind, so dass zwischen diesen beiden Bezugspotentialen ein von Null unterschiedlicher Widerstand vorhanden ist, der bei hohen Strömen, die über ihn fließen, zu einem nicht unerheblichen Spannungsabfall und damit einem Potentialunterschied zwischen diesen beiden Massen 4, 9 führen kann.
Wenn also im dargestellten Beispiel der Figur 1 die Heizung des elektrisch beheizbaren Katalysators 3 mit einem Strom aus der ersten Spannungsquelle 7 von einigen hundert Ampere betrieben wird, so wird dieser Strom, wie in der Figur 1 durch eine strichlierte Linie 13 angedeutet ist, über den Krümmer 2 und den Motorblock 1 und die Verbindung zwischen dem Motorblock und der Karosseriemasse 10 zurück zum niedrigeren Potential der ersten Spanungsquelle 7 fließen. Dabei entsteht dann ein Spannungsabfall 12 an der Verbindung zwischen dem Motorblock 1 und der Karosseriemasse, der einen nicht unerheblichen Wert annehmen kann. Hierdurch kann jedoch der Betrieb der mit der zweiten Spannungsquelle 8 und der Motorblockmasse 4 verbundenen Steuergeräte und Sensorelemente beeinträchtigt werden, insbesondere können diese dadurch auch beschädigt werden.
Um dies zu vermeiden, ist es möglich, eine zusätzliche Rückleitung 14 von elektrischen Starkstromverbrauchern, wie beispielsweise der Heizung des Katalysators 3, zurück zur Karosseriemasse 9 zu führen. Im Normalbetrieb wird also der hohe Strom für die Heizung des Katalysators 3 nicht über den Motorblock 1 und die Verbindung 10 zwischen dem Motorblock 1 und der Karosseriemasse 9, sondern über die zusätzliche Rückleitung 14 fließen. Dies ist in der Figur 2 dargestellt.
Wenn allerdings innerhalb des Katalysators insbesondere zwischen der Heizung und der Gehäusewand des Katalysators 3, die ebenfalls aus Metall ist, ein Kurzschluss auftritt, so wird zumindest ein Teil des die Heizung versorgenden Stroms nicht über die Rückleitung 14 zurück zur zweiten Spannungsquelle 7, sondern nunmehr wieder über den Krümmer 2 und den Motorblock 1 sowie die Verbindung 10 zwischen dem Motorblock 1 und der Karosseriemasse 9 zurück zur ersten Spannungsquelle 7 fließen. Damit entsteht jedoch für diesen Fehlerfall das gleiche Problem wie zur Figur 1 beschrieben.
Um festzustellen, ob ein solcher Nebenfluss auftritt, schlägt die DE 102018 114 115 A1 vor, sowohl in der von der Spannungsversorgung zum Verbraucher führenden Leitung als auch in der vom Verbraucher zurück zur Spannungsversorgung führenden Leitung, eine Strommessung durchzuführen, insbesondere durch Verwendung von Strommesswiderständen, und den Spannungsabfall an diesen Strommesswiderständen einer Auswerteschaltung zuzuführen, die daraus ermittelt, ob eine Differenz zwischen den Strömen besteht und falls ja, darauf schließt, dass ein Nebenschluss vorliegen muss, da ein Teil des Stromes einen anderen Weg nimmt.
Die Figur 3 zeigt in schematischer Weise ein solches, in der DE 102018 114 115 A1 beschriebenes Vorgehen, am Beispiel eines Katalysatorsteuergeräts 5, das die Heizung eines elektrisch beheizbaren Katalysators 4 einerseits versorgen und andererseits die Temperatur des Katalysators 4 regeln soll. Hierzu dient ein Mikroprozessor, der im Folgenden als Auswerteeinheit Micro bezeichnet ist, da nur diese Eigenschaft für die vorliegende Erfindung relevant ist.
Dem Katalysatorsteuergerät 5 der Figur 3 wird von der hier nicht dargestellten ersten Spannungsquelle 7 ein Versorgungsstrom IIM zugeführt, der im normalen Betriebsfall als gleicher Strom wieder zur ersten Spannungsquelle 7 zurückfließen sollte. Das Katalysatorsteuergerät 5 stellt über eine nicht dargestellte Regelschaltung einen daraus abgeleiteten Hinstrom IEHCC_FWD dem Heizer des Katalysators 4 zur Verfügung, der als Rückstrom IEHCC_BACK wieder zurückfließt. Sowohl dieser Hinstrom IEHCC_FWD als auch der Rückstrom IEHCC_BACK werden gemessen, wobei für den Hinstrom IEHCC_FWD übliche Messverfahren, die mittels eines Shuntwiderstands, eines Hallsensors oder auch eines Stromspiegels realisiert sein können, Verwendung finden sollen, während für die hier vorliegende Erfindung ein Strommesswiderstand RP Verwendung finden soll. Dabei wird der Spannungsabfall Vdrop über diesen Strommesswiderstand RP ermittelt und der Auswerteeinheit Micro zugeführt. Solche Strommesswiderstände müssen hohe Ströme von einigen hundert Ampere tragen können und daher robust aufgebaut sein, während sie trotzdem einen präzisen Widerstandswert aufweisen müssen, um den Strom entsprechend präzise in die zu messende Spannung umformen zu können.
Die EP 0605 800 A1 offenbart hierzu ein quaderförmiges Widerstandselement, das in seinen Randbereichen mit einem gut leitenden Metall, beispielsweise Kupfer, gebildet ist und in seinem mittleren Bereich mit einem Widerstandsmaterial mit definiertem Widerstandwert gebildet ist. Dieses Widerstandselement wird auf Kontaktflächen auf einem Schaltungsträgersubstrat aufgelötet, wobei der zu messende Strom entweder ebenfalls über diese Kontaktflächen dem Widerstandselement zuführt wird oder aber über zusätzliche auf den Randbereichen des Widerstandselements angebrachten Hochstromverbindungsanschlüssen. Da dieses Widerstandselement aus drei Teilen gefertigt wird, die präzise zusammengeführt werden müssen, und außerdem zusätzliche Anschlusselemente angebracht werden müssen, ist dessen Fertigung aufwändig. Außerdem muss beim Verlöten des Widerstandselements auf Kontaktflächen eines Schaltungsträgersubstrats darauf geachtet werden, dass auch diese Verbindung extrem niederohmig und reproduzierbar ist, so dass durch den hierdurch nicht vermeidbaren Widerstand keine Verfälschung der Messung auftreten kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vereinfachtes Widerstandsmesselement anzugeben, das einfach zu fertigen und einfach zu montieren ist.
Die Figuren zeigen
Fig. 1 eine Verbraucheranordnung in einem Kraftfahrzeug mit zwei
Spannungsquellen und Bezugspotentialen gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2 die gleiche Verbraucheranordnung mit einer alternativen Masseleitungsführung,
Fig. 3 ein Steuergerät zur Versorgung eines Hochstromverbrauchers mit Messwiderständen und
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Widerstandsmesselement.
Die Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Strommesselement 20, das als längliches Element ausgebildet ist und an seinen beiden Enden mit einem ersten Starkstromanschluss 21 bzw. einem zweiten Starkstromanschluss 22 versehen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese ersten und zweiten Starkstromanschlüsse 21 , 22 senkrecht zur Längsrichtung des Widerstandsmesselements orientiert, sie können jedoch auch in jede andere Richtung orientiert sein.
Um das Widerstandsmesselement 20 mit einem Schaltungsträgersubstrat mechanisch verbinden zu können und insbesondere eine elektrische Verbindung mit Kontaktflächen auf diesem Schaltungsträgersubstrat hersteilen zu können, ist das Widerstandsmesselement 20 mit ersten Einpresspins 23 versehen, die in erster Linie der mechanischen Fixierung dienen, und in erfindungsgemäßer Weise mit zweiten Einpresspins 24, die in einem definierten Abstand zueinander an dem Widerstandsmesselement angeformt sind. Das Widerstandsmesselement hat zwischen den beiden zweiten Einpresspins 24 nicht nur eine definierte Länge, sondern ebenfalls eine definierte Querschnittsfläche, so dass sich daraus und aus dem bekannten Widerstandsmaterial des Widerstandsmesselements 20 ein Widerstandswert ergibt.
Mit zwei Linien 25 ist angedeutet, dass das Widerstandsmesselement 20 auch geknickt werden kann.
Es wird also in vorteilhafter Weise durch die an das Widerstandsmesselement 20 einstückig angeformten zweiten Einpresspins 24 nicht nur eine mechanische Befestigung des Widerstandsmesselements auf einem Schaltungsträgersubstrat ermöglicht, sondern gleichzeitig einerseits der Widerstandswert mitbestimmt und ein elektrischer eindeutig definierter Kontakt mit dem Schaltungsträgersubstrat hergestellt. Das Widerstandsmesselement 20 kann dabei in besonders vorteilhafter Weise als Stanzelement ausgeführt sein und damit sehr einfach herstellbar sein.
Da abhängig vom verwendeten Material für das Widerstandsmesselement 20 der spezifische Widerstand von der Temperatur abhängig sein kann, ist in erfindungsgemäßer Weise gemäß Figur 3 auf dem Schaltungsträgersubstrat benachbart zu dem Widerstandsmesselement RP ein Temperatursensor 26 angeordnet, der mit der Auswerteeinheit Micro verbunden ist, wobei diese in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet ist, beispielsweise mit Hilfe eines Kennfeldes, den Widerstandswert und damit aus der gemessenen Spannung den Stromwert abhängig von der gemessenen Temperatur präzise zu bestimmen.

Claims

Patentansprüche
1. Widerstandsmesselement (20) gebildet mit einem länglichen metallischen Material, im Bereich dessen Enden Starkstromanschlüsse (21 , 22) ausgebildet sind, und das auf einer, mit einem Schaltungsträgersubstrat zu verbindenden Seite mit zumindest zwei Spannungsmess-Einpresspins (24) versehen ist, die in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind, wobei das metallische Material zwischen den Einpresspins (24) einen vorgegebenen Querschnitt und einen vorgegebenen spezifischen Widerstand hat.
2. Widerstandsmesselement (20) nach Anspruch 1 , bei dem das längliche metallische Material ein Blechstreifen ist, an den die Starkstromanschlüsse (21 , 22) und die Spannungsmess-Einpresspins (24) einstückig angeformt sind.
3. Widerstandsmesselement (20) nach Anspruch 2, bei dem der Blechstreifen ein Stanzteil ist.
4. Widerstandsmesselement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das weitere Einpresspins (23) zur besseren mechanischen Befestigung mit einem Schaltungsträgersubstrat aufweist.
5. Widerstandsmesselement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Starkstromanschlüsse (21 , 22) und die Spannungsmess-Einpresspins (24) sowie die weiteren Einpresspins (23) auf sich gegenüberliegenden Seiten des länglichen metallischen Materials angeordnet sind.
6. Strommessschaltung mit einem Widerstandsmesselement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die mit einer Auswerteeinheit (Micro) gebildet ist, die mit den Spannungsmess-Einpresspins (24) verbunden ist und die einen weiteren Strommesswiderstand aufweist, der ebenfalls mit der Auswerteeinheit (Micro) verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit (Micro) ausgebildet ist, aus einer Differenz der Spannungen an dem weiteren Strommesswiderstand und an dem Widerstandsmesselement (20) einen Fehlerstrom zu erkennen.
7. Strommessschaltung nach Anspruch 6, mit einem Temperatursensor (26), der benachbart zu dem Widerstandsmesselement (20) angeordnet und mit der Auswerteeinheit (Micro) verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit (Micro) ausgebildet ist, den Widerstandswert zwischen den Spannungsmess-Einpresspins (24) des Widerstandsmesselements (20) aufgrund der vom Temperatursensor (26) gelieferten Temperatur des Widerstandsmesselements (20) temperaturkompensiert zu ermitteln.
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