DE102005057117A1

DE102005057117A1 - Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators und Verfahren zur Herstellung derselbigen

Info

Publication number: DE102005057117A1
Application number: DE102005057117A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schimmel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US20080238431A1; EP1955080A1; US8154298B2; WO2007062943A1

Abstract

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators und ein Verfahren zur Herstellung derselbigen, die aufweist: ein Messelement (1), eine Leiterplatte (4) und ein Kontaktelement (5), das ein erstes und ein zweites Ende (6, 7) aufweist, wobei das Kontaktelement (5) mit dem ersten Ende (6) mit der Leiterplatte (4) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (7) des Kontaktelements (5) über eine Schweißverbindung elektrisch mit dem Messelement (1) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators, die insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.

Zum Erfassen des Ladezustandes und des Zustandes eines Akkumulators selbst werden häufig, insbesondere in Kraftfahrzeugen, Überwachungseinrichtungen vorgesehen, die anhand der Spannung, die über dem Akkumulator abfällt, und/oder dem Lade- und Entladestroms des Akkumulators, Rückschlüsse auf diese Zustände erlauben.

Die auch als intelligente Batteriesensoren bezeichneten Überwachungseinrichtungen bestehen üblicherweise aus einem Messelement und einer Auswertelektronik. Das Messelement wird z. B. durch einen Messwiderstand (Shunt) und Anschlusszonen, durch die der Messwiderstand elektrische kontaktiert werden kann, realisiert. Die elektrische Verbindung zwischen einer Anschlusszone des Messelements und der auf einer Leiterplatte befindlichen Auswerteelektronik erfolgt üblicherweise durch ein Kontaktelement das mit der Anschlusszone verlötet wird.

Da das Messelement von dem Lade- und Entladestrom des Akkumulators durchflossen wird, kommt es zu einer Erwärmung desselbigen. Besonders hohe Ströme treten z. B. während des Startvorgangs eines Kraftfahrzeuges oder bei Nutzfahrzeugen auf. Die strombedingte Erwärmung des Messelements kann zu einer Zerstörung der Lötstelle zwischen einer Anschlusszone des Messelements und dem Kontaktelement führen.

Eine Möglichkeit die Nachteile einer Lötverbindung zwischen dem Messelement und dem Kontaktelement zu vermeiden, zeigt das nachveröffentlichte Dokument DE 10 2004 033 127 . In dem Dokument wird eine Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators offenbart, die ein in Serie mit dem Akkumulator geschaltetes Messelement aufweist. Die Verbindung zwischen dem Messelement und einer auf einer Leiterplatte angeordneten Auswerteelektronik wird dadurch hergestellt, dass ein Verbindungselement reib- und/oder formschlüssig mit dem Messelement verbunden ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache, zuverlässige und kostengünstige elektrische Verbindung zwischen einem Messelement und einer Auswerteelektronik zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators, die aufweist: ein Messelement, eine Leiterplatte und ein Kontaktelement, das ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das Kontaktelement mit dem ersten Ende mit der Leiterplatte elektrisch verbunden ist und das zweite Ende des Kontaktelements über eine Schweißverbindung elektrisch mit dem Messelement verbunden ist.

Die elektrische Verbindung zwischen der mit der Leiterplatte verbundenen Auswerteelektronik und dem Messelement erfolgt also durch das Aufschweißen des zweiten Endes des Kontaktelementes auf das Messelement. Durch diese Verschweißung wird eine unlösbare elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Messelement hergestellt. Erwärmungen des Messelements können nicht zu einer Zerstörung dieser Verbindung führen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die einfache und kostengünstige Herstellung von Schweißverbindungen dar. Ferner besteht bei der Schweißverbindung die Möglichkeit den Abstand zwischen Messelement und Leiterplatte und somit zwischen Messelement und Auswerteelektronik zu variieren. Da die Auswerteelektronik oftmals auch einen Temperatursensor zur Auswertung der Akkumulatortemperatur aufweist, kann das Messergebnis des Temperatursensors durch das Messelement beeinflusst werden, falls die Temperatur des Messelements von der Akkumulatortemperatur abweicht. Das Messelement muss somit einen bestimmten Mindestabstand zum Temperatursensor haben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist eine Materialstärke des Messelements in zumindest einem Bereich reduziert. Die Materialstärke des Messelements ist demnach nicht homogen, sondern in einem oder mehreren bestimmten Bereichen reduziert. Durch diese gezielte Materialreduzierung wird die Wärmeableitung des Messelements verringert und somit die Verschweißung erleichtert, bzw. in bestimmten Fällen erst ermöglicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung ist die Materialstärke des Messelements in zumindest einem Bereich an einen Querschnitt des Kontaktelements parallel zur Schweißverbindung angepasst. Durch diese Anpassung an einen Querschnitt des Kontaktelementes parallel zur Schweißverbindung, wie z. B. einem Durchmesser bei zylinderförmigen Kontaktelementen, wird die Verschweißung für verschiedene Querschnitte (Durchmesser bei zylinderförmigen Kontaktelementen) der Kontaktelemente ermöglicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Materialstärke des Messelements im Bereich der Schweißverbindung reduziert. Durch die gezielte Materialreduzierung des Messelements im Bereich der Schweißstelle wird die für die Herstellung der Schweißverbindung maßgebliche Wärmeableitung des Messelements besonders effektiv verringert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung entspricht die Materialstärke des Messelements dem Querschnitt des Kontaktelements parallel zur Schweißverbindung. Versuche haben gezeigt, dass durch diese Dimensionierung eine optimale Verringerung der Wärmeableitung des Messelements erreicht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung ist die Reduzierung der Materialstärke des Messelements durch zumindest eine im Messelement vorhandene Ausnehmung realisiert. Ausnehmungen können einfach und kostengünstig durch z. B. einen Prägevorgang hergestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung bestehen Anschlüsse des Messelements und das Kontaktelement aus Kupfer. Hierdurch wird die Entstehung von Messungen von Spannung oder Strom verfälschenden Thermospannungen vermieden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist das Messelement über vier Kontaktelemente elektrisch mit der Leiterplatte verbunden. Hierdurch wird eine besonders genaue Messung von Spannung und Strom ermöglicht.

Des Weiteren beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators, die aufweist: ein Messelement, eine Leiterplatte und ein Kontaktelement, das ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das Kontaktelement mit dem ersten Ende mit der Leiterplatte elektrisch verbunden ist und ein elektrischer Kontakt zwischen dem zweiten Ende des Kontaktelements und dem Messelement durch einen Schweißprozess hergestellt wird. Durch dieses Verfahren kann die Vorrichtung auf einfache Weise kostengünstig hergestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt der Schweißprozess in zwei Schritten, wobei in einem ersten Schritt das zweite Ende des Kontaktelementes mittels Druck und Schweißstrom zu einem Bund ausgebildet und in einem zweiten Schritt der Bund mit dem Messelement verschweißt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache Herstellung der Vorrichtung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Verfahrens werden beide Schritte des Schweißprozesses auf demselben Betriebsmittel durchgeführt. Die Durchführung des Schweißprozesses auf demselben Betriebsmittel (Schweißmaschine) ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung der Vorrichtung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein definierter Abstand zwischen dem Messelement und einem auf der Leiterplatte befindlichen Temperatursensor eingestellt. Eine Beeinflussung des Messergebnisses des Temperatursensors durch das Messelement wird hierdurch vermieden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird das Messelement vor dem Schweißprozess mit zumindest einer Ausnehmung versehen. Hierdurch wird eine kostengünstige Herstellung der Vorrichtung ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen
1 eine Draufsicht auf ein Messelement,
2 einen Schnitt von einem mit einer Leiterplatte elektrisch verbundenem Kontaktelement,
3 einen Schnitt von einem mit einer Leiterplatte und mit einem Messelement elektrisch verbundenem Kontaktelement,
4 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators und
5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators.
In 1 ist eine Draufsicht auf ein Messelement 1 dargestellt. Das Messelement 1 weist einen Messwiderstand 2 und Anschlüsse 3 auf. Die Anschlüsse 3 dienen zur elektrischen Kontaktierung des Messwiderstands 2. Der Messwiderstand 2 kann z. B. aus Manganin, die Anschlüsse 3 aus Kupfer bestehen.
In 2 ist ein Schnitt eines mit einer Leiterplatte 4 elektrisch verbundenen Kontaktelements 5 gezeigt. Das Kontaktelement 5 weist ein erstes Ende 6 auf, das mit einer Anschlusszone 8 der Leierplatte 4 elektrisch verbunden ist. Die Anschlusszone 8 ist ein Bestandteil der Leiterplatte 4. Die elektrische Verbindung kann z. B. durch das Einpressen des Kontaktelements 5 oder durch das Verlöten des Kontaktelements 5 mit der Anschlusszone 8 hergestellt werden. Die Anschlusszone 8 kann z. B. durch eine auf die Leiterplatte 4 aufgedruckte Leiterbahn und/oder Durchkontaktierung (via) realisiert werden. Ferner ist ein zweites Ende 7 des Kontaktelements 5 zu sehen.
In 3 ist ein Schnitt des mit der Leiterplatte 4 verbunden Kontaktelements 5 gezeigt, wobei das zweite Ende 7 des Kontaktelements 5 mit dem Messelement 1 elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung erfolgt über ein Aufschweißen des zweiten Endes 7 des Kontaktelements 5 auf das Messelement 1. Infolge des Schweißprozesses kommt es, aufgrund von Druck und Schweißstrom, in einem ersten Schritt zu einer Verdickung des zweiten Endes 7 des Kontaktelements 5. Es bildet sich ein so genannter Bund aus. In einem zweiten Schritt des Schweißprozesses wird dieser Bund mit dem Messelement 1 verschweißt und es entsteht eine Schweißverbindung zwischen dem Messelement 1 und dem zweiten Ende 7 des Kontaktelements 5.
Des Weiteren ist 3 zu entnehmen, dass die Materialstärke des Messelements 1 im Bereich der Schweißverbindung reduziert ist. Durch diese gezielte Materialreduzierung wird die Wärmeableitung des Messelements 1 verringert und somit die Verschweißung erleichtert, bzw. in bestimmten Fällen erst ermöglicht. Die Reduzierung der Materialstärke ist in diesem Beispiel durch eine in dem Messelement 1 vorhandene rechteckige Ausnehmung 9 realisiert, die sich direkt oberhalb der Schweißverbindung befindet. Die Ausnehmung 9 kann z. B. durch einen spanenden Prozess oder durch einen Prägevorgang erzeugt werden. Die Ausnehmung 9 muss nicht notwendigerweise direkt gegenüberliegend zur Schweißverbindung, auf der der Schweißverbindung gegenüberliegenden Seite des Messelements 1, sondern sie kann auch an anderen Stellen des Messelements 1 realisiert werden. Weiterhin ist es nicht notwendig die Ausnehmung 9 als Rechteck auszuführen; andere geometrische Formen, wie z. B. Kreise, sind auch möglich.
In 4 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators gezeigt. Das Messelement 1 ist über Kontaktelemente 5 mit Bauelementen einer auf der Leiterplatte 4 befindlichen Auswertelektronik elektrisch verbunden.
In 5 ist eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Durch vier in dem Messelement 1 gestrichelt eingezeichnete Kreise wird verdeutlicht, dass das Messelement 1 über vier Kontaktelemente 5 mit der Auswertelektronik elektrisch verbunden ist. Diese Kreise stellen keine Bohrungen dar. Durch die elektrische Verbindung mittels vier Kontaktelementen 5 werden genaue Messungen von Strömen und Spannungen ermöglicht. Ferner ist der 5 zu entnehmen, dass die Auswertelektronik u. a. einen Temperatursensor 10 zur Erfassung der Akkumulatortemperatur aufweist. Der Temperatursensor 10 kann z. B. in einem ASIC integriert werden.

1: Messelement
2: Messwiderstand
3: Anschlüsse des Messelements
4: Leiterplatte
5: Kontaktelement
6: erstes Ende des Kontaktelements
7: zweites Ende des Kontaktelements
8: Anschlusszone der Leiterplatte
9: im Messelement vorhandene Ausnehmung
10: Temperatursensor

Claims

Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators, die aufweist: ein Messelement (1), eine Leiterplatte (4) und ein Kontaktelement (5), das ein erstes und ein zweites Ende (6, 7) aufweist, wobei das Kontaktelement (5) mit dem ersten Ende (6) mit der Leiterplatte (4) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (7) des Kontaktelements (5) über eine Schweißverbindung elektrisch mit dem Messelement (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke des Messelements (1) in zumindest einem Bereich reduziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke des Messelements (1) in zumindest einem Bereich an einen Querschnitt des Kontaktelements (5) parallel zur Schweißverbindung angepasst ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke des Messelements (1) im Bereich der Schweißverbindung reduziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke des Messelements (1) dem Querschnitt des Kontaktelements (5) parallel zur Schweißverbindung entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Materialstärke des Messelements (1) durch zumindest eine im Messelement (1) vorhandene Ausnehmung (9) realisiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse (3) des Messelements (1) und das Kontaktelement (5) aus Kupfer bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) über vier Kontaktelemente (5) elektrisch mit der Leiterplatte (4) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe eines Akkumulators, die aufweist: ein Messelement (1), eine Leiterplatte (4) und ein Kontaktelement (5), das ein erstes und ein zweites Ende (6, 7) aufweist, wobei das Kontaktelement (5) mit dem ersten Ende (6) mit der Leiterplatte (4) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem zweiten Ende (7) des Kontaktelements (5) und dem Messelement (1) durch einen Schweißprozess hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißprozess in zwei Schritten erfolgt, wobei in einem ersten Schritt das zweite Ende (7) des Kontaktelementes (5) mittels Druck und Schweißstrom zu einem Bund ausgebildet und in einem zweiten Schritt der Bund mit dem Messelement (1) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schritte des Schweißprozesses auf demselben Betriebsmittel durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein definierter Abstand zwischen dem Messelement (1) und einem auf der Leiterplatte (4) befindlichen Temperatursensor (10) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) vor dem Schweißprozess mit zumindest einer Ausnehmung (9) versehen wird.