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Die Erfindung betrifft eine Zelltemperatursensoreinheit für eine Einzelzelle einer elektrischen Batterie mit zumindest einem Temperatursensor.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Batterie.
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Zur Ermittlung von Zelltemperaturen von Einzelzellen elektrischer Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Konzepte bekannt. In einem Konzept erfolgt eine Detektion der Zelltemperatur an den Zellableitern der Einzelzellen, wobei eine Temperatur im Inneren der jeweiligen Einzelzelle anhand von Modellen oder Simulationen berechnet wird. In einem weiteren Konzept erfolgt die Detektion der Zelltemperatur mittels Temperatursensoren anhand einer Erfassung einer tatsächlichen Zelltemperatur, wobei die Temperatursensoren an einer Oberfläche der Einzelzellen angeordnet sind.
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Aus der
DE 10 2012 210 263 A1 ist eine elektrische Batterie mit einer Batteriezelle, umfassend ein Gehäuse, eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Elektrodenanordnung und einen im Inneren des Gehäuses angeordneten Temperatursensor bekannt. Der Temperatursensor umfasst einen elektrothermischen Oszillator, der eine Temperatur in eine Frequenz umwandelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Zelltemperatursensoreinheit für eine Einzelzelle einer elektrischen Batterie und eine verbesserte elektrische Batterie anzugeben.
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Hinsichtlich der Zelltemperatursensoreinheit wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der elektrischen Batterie durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Zelltemperatursensoreinheit für eine Einzelzelle einer elektrischen Batterie umfasst zumindest einen Temperatursensor. Erfindungsgemäß umfasst der Temperatursensor eine Leiterplatte und einen mechanisch und elektrisch mit der Leiterplatte verbundenen SMD-Heißleiter, wobei die Leiterplatte und der SMD-Heißleiter derart vollständig von einem Kunststoff umspritzt sind, dass zumindest zwei sich gegenüberliegende Flachseiten der Zelltemperatursensoreinheit als ebene Flächen ausgebildet sind.
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Aufgrund des vollständigen Umspritzens der Leiterplatte und des SMD-Heißleiters (englisch SMD = surface-mounted device) wird eine hohe mechanische Stabilität der Zelltemperatursensoreinheit erreicht. Aufgrund dessen, dass die zwei sich gegenüberliegenden Flachseiten der Zelltemperatursensoreinheit als ebene Flächen ausgebildet sind und auch der SMD-Heißleiter vollständig von dem Kunststoff umgeben ist, wird bei einer Anordnung der Zelltemperatursensoreinheit zwischen zwei Einzelzellen in einem mechanisch verspannten Zellverbund erreicht, dass den Betrieb des Temperatursensors beeinflussende oder diesen mechanisch zerstörende und durch die Verspannung und temperaturbedingte Ausdehnungen der Einzelzellen hervorgerufene Druckbeanspruchungen kompensiert werden. Somit kann eine Zuverlässigkeit der Zelltemperatursensoreinheit und daraus folgend einer elektrischen Batterie, umfassend eine solche Zelltemperatursensoreinheit zur Erfassung einer Temperatur einer oder mehrerer Einzelzellen, erhöht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Seitenansicht einer Schnittdarstellung einer Zelltemperatursensoreinheit nach dem Stand der Technik.
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2 schematisch eine Draufsicht einer Schnittdarstellung der Zelltemperatursensoreinheit gemäß 1,
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3 schematisch eine Seitenansicht einer Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zelltemperatursensoreinheit,
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4 schematisch eine Seitenansicht einer Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zelltemperatursensoreinheit, und
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5 schematisch eine Draufsicht einer Schnittdarstellung der Zelltemperatursensoreinheit gemäß 4.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 und 2 ist in verschiedenen Ansichten eine Zelltemperatursensoreinheit 1' nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Zelltemperatursensoreinheit 1' ist zur Anordnung in einem aus mehreren Einzelzellen gebildeten Zellverbund einer nicht gezeigten elektrischen Batterie zwischen Flachseiten von zwei benachbarten Einzelzellen und zur Erfassung einer Temperatur einer oder mehrerer Einzelzellen vorgesehen. Eine Anzahl der Zelltemperatursensoreinheiten 1' in dem Zellverbund ist dabei anwendungsfallabhängig variabel, wobei eine elektrische Separation zwischen zwei Einzelzellen, zwischen welchen keine Zelltemperatursensoreinheit 1 angeordnet ist, mittels einer Isolationsplatte erfolgt.
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Die Zelltemperatursensoreinheit 1' umfasst einen Temperatursensor 2, welcher eine Leiterplatte 3 und einen mechanisch und elektrisch mit der Leiterplatte 3 verbundenen SMD-Heißleiter 4 umfasst. Die Leiterplatte 3 ist dabei mechanisch flexibel als so genannte Flexfolie (englisch FPC = flexible printed circuit) ausgebildet und umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Leiterbahnen 3.1, 3.2. Die Leiterplatte 3 ist auf einer aus Kunststoff gebildeten Trägerplatte 8 aufgeklebt.
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Der SMD-Heißleiter 4 umfasst einen so genannten NTC-Widerstand oder NTC-Thermistor (englisch NTC = negative temperature coefficient), dessen elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizient besitzt. Der SMD-Heißleiter 4 ist ein keramisches Bauteil mit nicht näher dargestellten elektrischen Anschlussterminals, welche jeweils mittels eines Lötpunkts 5, 6 mit jeweils einer elektrischen Leiterbahn 3.1, 3.2 der Leiterplatte 3 verbunden sind.
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Weiterhin ist der SMD-Heißleiter 4 zum Schutz vor einem elektrischen Kurzschluss an einer elektrisch leitenden Oberfläche der Einzelzellen von einem Schutzelement 7 umgeben. Dieses Schutzelement 7, auch als Coating bezeichnet, ist beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Silikongel gebildet.
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Zur Bildung des Zellverbunds der elektrischen Batterie werden mehrere Einzelzellen und zwischen diesen angeordnete Zelltemperatursensoreinheiten 1' und gegebenenfalls Isolationsplatten in einen Zellrahmen eingelegt, geschichtet und zu dem Zellverbund oder Zellblock verspannt. Dabei treten Verspannkräfte von beispielsweise mehr als 10 kN auf, welche sich auf alle Komponenten des Zellverbunds auswirken. Des Weiteren können sich die Einzelzellen, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen und/oder einer Alterung, ausdehnen und eine zusätzliche Druckbelastung innerhalb des verspannten Zellverbunds hervorrufen.
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Um hierbei eine Beschädigung oder Zerstörung der Einzelzellen durch einen erhabenen Temperatursensor 2 und daraus folgend einen Ausfall der elektrischen Batterie und daraus resultierende Gefahren zu vermeiden, weist die Zelltemperatursensoreinheit 1' einen planaren Aufbau auf, so dass keine Grate, Kanten und Erhebungen auf Flachseiten S1, S2 der Zelltemperatursensoreinheit 1' vorhanden sind. Zu diesem Zweck sind die Leiterplatte 3, der SMD-Heißleiter 4 und das Schutzelement 7 mit einem Kunststoff K umpritzt. Die untere Flachseite S2 wird zum größten Teil von der Trägerplatte 8 gebildet.
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Nachteilig ist jedoch, dass das aus dem Silikongel gebildete Schutzelement 7 aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften nur bedingt die Verspannkräfte und die aus der Ausdehnung der Einzelzellen resultierende Druckbelastung aufnehmen kann, so dass es bei einer aus der Druckbelastung und den Verspannkräften resultierenden und in 3 näher dargestellten Kraft F auf die Zelltemperatursensoreinheit 1 zu einer Beschädigung, insbesondere einem Brechen des Temperatursensors 2 und einem damit verbundenen Ausfall der Zelltemperatursensoreinheit 1, kommen kann. Dadurch wird ein Betrieb der Batterie beeinträchtigt oder dieser ist nicht mehr möglich.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer Schnittdarstellung eines möglichen ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zelltemperatursensoreinheit 1.
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Um die Gefahr der Beschädigung oder Zerstörung der Zelltemperatursensoreinheit 1 bei einer Druckbelastung zu verringern bzw. eine solche Beschädigung zu vermeiden, sind die Leiterplatte 3, der SMD-Heißleiter 4 und die Trägerplatte 8 derart vollständig von dem Kunststoff K umspritzt, dass die zwei sich gegenüberliegenden Flachseiten S1, S2 der Zelltemperatursensoreinheit 1 als ebene Flächen ausgebildet sind. Dadurch, dass im Gegensatz zu der in den 1 und 2 dargestellten Zelltemperatursensoreinheit 1 nach dem Stand der Technik auch der SMD-Heißleiter 4 vollständig mit Kunststoff K umspritzt ist, wird die Stabilität der Zelltemperatursensoreinheit 1 signifikant erhöht.
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In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen kann bei einer solchen vollständigen Umhüllung des Temperatursensors 2 mit Kunststoff K die Trägerplatte 8 entfallen.
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In den 4 und 5 ist in verschiedenen Ansichten ein mögliches zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zelltemperatursensoreinheit 1 dargestellt.
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Um eine Wärmeübertragung zwischen den Einzelzellen und dem Temperatursensor 2 zu erhöhen und Messwertverfälschungen zu minimieren, umfasst die Leiterplatte 3 zusätzlich zu dem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ein aus Kupfer gebildetes metallisches Wärmeleitelement 3.3, welches mit einem sich bis zu der Flachseite S1 erstreckenden, elektrisch isolierenden weiteren Wärmeleitelement 9 thermisch gekoppelt ist. Das Wärmeleitelement 9 ist dabei beabstandet zu dem SMD-Heißleiter 4 angeordnet und aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als der Kunststoff K gebildet. Insbesondere ist das weitere Wärmeleitelement 9 aus einem synthetischen Polymer, beispielsweise einem Poly(organo)siloxan, d. h. wärmeleitfähigen Silikon, gebildet.
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Aufgrund der beabstandeten Anordnung des weiteren Wärmeleitelements 9 zum SMD-Heißleiter 4 kann dieses die Kraft F aufnehmen und sich verformen, ohne dass der SMD-Heißleiter 4 beschädigt wird.
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In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen kann bei einer solchen vollständigen Umhüllung des Temperatursensors 2 mit Kunststoff K die Trägerplatte 8 entfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012210263 A1 [0004]
