DE102022213943A1 - Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher und Verfahren zur Her-stellung der Energiespeichereinheit - Google Patents

Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher und Verfahren zur Her-stellung der Energiespeichereinheit Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit (16) für einen elektrischen Verbraucher (10) mit zumindest einer Energiespeicherzelle (20), einer ersten Leiterplatte (58) zur elektrischen Kontaktierung der zumindest einen Energiespeicherzelle (20) mit einem ersten und einem zweiten Energieversorgungskontakt (36) der Energiespeichereinheit (16), wobei die erste Leiterplatte (58) benachbart zur zumindest einen Energiespeicherzelle (20) angeordnet ist, und mit zumindest einem Temperatursensor (78) zur Erfassung einer Temperatur (T) der zumindest einen Energiespeicherzelle (20). Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eine weitere Leiterplatte (80) elektromechanisch an die erste Leiterplatte (58) angebunden ist und dass der zumindest eine Temperatursensor (78) auf der zumindest einen weiteren Leiterplatte (80) angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischer Verbraucher (10) mit der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit (16), ein System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine (24) ausgebildeten elektrischen Verbraucher (10) und zumindest einer als ein Wechselakkupack (26) ausgebildeten, erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit (16) sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit (16).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher und ein Verfahren zur Herstellung der Energiespeichereinheit nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit fest integrierten Energiespeichereinheiten (auch als Akkus oder Akkupacks bezeichnet) oder vom Bediener werkzeuglos wechselbaren Energiespeichereinheiten (im Folgenden als Wechselakkupacks bezeichnet) betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel bestehen derartige Energiespeichereinheiten aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Batteriespannung bzw. -kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen. Andererseits erfordern derartige Zellen zur Vermeidung elektrischer Fehlerzustände auch das Einhalten enger Spezifikationen bezüglich des maximalen Lade- und Entladestroms, der Spannung und der Temperatur. Liegt zumindest einer dieser Betriebsparameter außerhalb vorgegebener Grenzwerte, so wird der Entlade- oder Ladevorgang der Energiespeichereinheit durch eine Elektronik der Energiespeichereinheit und/oder des mit ihr verbundenen elektrischen Verbrauchers bzw. Ladegeräts unterbrochen oder zumindest eingeschränkt. Die Temperatur der Energiespeicherzellen wird dabei mittels zumindest eines im engen thermischen Kontakt mit zumindest einer der Energiespeicherzellen stehenden Temperatursensors, typischerweise eines NTC, überwacht.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Messsystem in einer Energiespeichereinheit zur Überwachung der Temperatur zumindest einer der Energiespeicherzellen der Energiespeichereinheit bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik die thermische Anbindbarkeit zumindest eines Temperatursensors des Messystems verbessert und bei geringer thermischer Kapazität eine geringe Wärmeabfuhr in die Umgebung gewährleistet.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher mit zumindest einer Energiespeicherzelle, einer ersten Leiterplatte zur elektrischen Kontaktierung der zumindest einen Energiespeicherzelle mit einem ersten und einem zweiten Energieversorgungskontakt der Energiespeichereinheit, wobei die erste Leiterplatte benachbart zur zumindest einen Energiespeicherzelle angeordnet ist, und mit zumindest einem Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur der zumindest einen Energiespeicherzelle. Zur Lösung der obigen Aufgabe ist vorgesehen, dass zumindest eine weitere Leiterplatte elektromechanisch an die erste Leiterplatte angebunden ist und dass der zumindest eine Temperatursensor auf der zumindest einen weiteren Leiterplatte angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine besonders gute thermische Kopplung zwischen dem zumindest einen Temperatursensor und der zumindest einen zu messenden Energiespeicherzelle aufgrund einer bauartbedingt erzielbaren optimalen Distanz möglich. Dazu kann die zumindest eine weitere Leiterplatte in ihrer Stärke und ggf. auch der zumindest eine Temperatursensor in seiner Bauteilhöhe zur Erzielung des optimalen Abstands unabhängig von der ersten Leiterplatte angepasst werden.
  • Ein optimaler Abstand zwischen dem zumindest einen Temperatursensor und der zumindest einen Energiespeicherzelle ist dann erreicht, wenn der Abstands einerseits so gering ist, dass eine sehr gute thermische Kopplung erzielt wird, anderseits aber so groß ist, dass eine direkte Berührung sicher ausgeschlossen werden kann, um die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Anschlusspolen des zumindest einen Temperatursensors infolge der zumindest einen Energiespeicherzelle auszuschließen. Zudem wird durch einen Mindestabstand zwischen dem zumindest einen Temperatursensor und der zumindest einen Energiespeicherzelle eine möglichen Deformation der zumindest einen Energiespeicherzelle und/oder eine Beschädigung des zumindest einen Temperatursensors im Falle eines Sturzes oder starker Vibrationen insbesondere während der Benutzung des elektrischen Verbrauchers vermieden.
  • Unter einer guten thermischen Kopplung soll insbesondere verstanden werden, dass ein hoher thermischer Leitwert des Übergangs von der zumindest einen Energiespeicherzelle auf den zumindest einen Temperatursensor existiert. Anderseits soll der thermische Leitwert des Übergangs von dem zumindest einen Temperatursensor auf seine Umgebung besonders gering sein, um eine schnelle Entwärmung und demzufolge eine Fehlmessung des Messsystems zu vermeiden. Zudem zeichnet sich eine gute thermische Kopplung durch eine geringe thermische Kapazität des Messsystems für ein schnelles Ansprechverhalten des zumindest einen Temperatursensors aus.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischen Verbraucher mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit sowie ein System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine ausgebildeten elektrischen Verbraucher und zumindest einer als ein Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeichereinheit. Als elektrischer Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen jedoch grundsätzlich alle mittels einer Energiespeichereinheit, wie z.B. einem Wechselakkupack oder einem fest integrierten Akkupack, versorgbaren Geräte mit einer elektrischen Last verstanden werden. Die elektrische Last kann dabei als eine überwiegend induktive Last in Gestalt eines elektromotorischen Antriebs ausgebildet sein. Ebenso sind überwiegend ohmsche oder kapazitive Lasten denkbar. Als elektromotorische Antriebe kommen insbesondere elektrisch kommutierte Elektromotoren (so genannte EC- bzw. BLDC-Motoren) in Frage, deren einzelne Phasen über zumindest einen Leistungstransistor per Pulsweitenmodulation zur Steuerung bzw. Regelung ihrer Drehzahl und/oder ihres Drehmoments angesteuert werden. In diesem Zusammenhang ist die Erfindung auf akkubetriebene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs anwendbar. Dabei kann das elektrische Bearbeitungsgerät sowohl als Handwerkzeugmaschine als auch als stationäre Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Werkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Gebläse, Roboter-Breaker und -Bagger oder dergleichen, sowie Messgeräte, wie Laser-Entfernungsmesser, Wandscanner, etc., in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc., und elektrisch angetrieben Stra-ßen- und Schienenfahrzeuge, wie z.B. E-Bikes, E-Scooter, Pedelecs, Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge, etc., sowie Flugzeuge und Schiffe mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit anwendbar.
  • Die Spannungsklasse der Energiespeichereinheit ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen in der Energiespeichereinheit integrierten Energiespeicherzellen und ist in der Regel ein ganzzahliges Vielfaches (>= 1) der Spannung der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einer Stirnseite und ein weiterer Zellpol an einer gegenüberliegenden Stirnseite angeordnet ist. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einer Stirnseite einen positiven Zellpol und an der gegenüberliegenden Stirnseite einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-lon, Li-Polymer, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeichereinheiten mit Ni-Cd-, Ni-Mh-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Energiespeichereinheiten und -zellen, z.B. neben Rundzellen auch prismatische Zellen, Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden. Die Batteriespannungen richten sich in erster Linie nach den typischen Zellspannungen der verwendeten Energiespeicherzellen. So sind z.B. für Pouch-Zellen und/oder Zellen mit anderer elektrochemischer Zusammensetzung Spannungswerte möglich, die von denjenigen der mit Li-lon-Zellen ausgestatteten Energiespeichereinheiten abweichen.
  • Ist die Energiespeichereinheit als Wechselakkupack ausgebildet, kann sie über eine elektromechanische Schnittstellen des Wechselakkupacks mit einer entsprechend komplementären, elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers bzw. des Ladegeräts kraft- und/oder formschlüssig lösbar verbunden werden. Unter einer „lösbaren Verbindung“ soll insbesondere eine werkzeuglos - also von Hand - lösbare und herstellbare Verbindung verstanden werden. Die Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen und ihrer Aufnahmen zur kraft- und/oder formschlüssig lösbaren Verbindung sollen nicht Gegenstand dieser Erfindung sein. Ein Fachmann wird je nach Leistungs- bzw. Spannungsklasse eines elektrischen Verbrauchers und/oder eines Wechselakkupacks eine geeignete Ausführungsform für die elektromechanische Schnittstelle wählen, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind daher nur exemplarisch zu verstehen. So können insbesondere auch Schnittstellen mit mehr als den dargestellten elektrischen Kontakten zum Einsatz kommen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte im bestückten Zustand zwischen der ersten Leiterplatte und der zumindest einen Energiespeicherzelle angeordnet ist. Durch die Möglichkeit, die zumindest eine weitere Leiterplatte an die besonderen baulichen Gegebenheiten der Energiespeichereinheit anpassen zu können, ist es möglich, die Herstellungskosten in der Serienfertigung zu reduzieren und den Abstand zwischen dem auf der weiteren Leiterplatte angeordneten, zumindest einen Temperatursensor und der zumindest einen zu überwachenden Energiespeicherzelle derart zu optimieren, dass einerseits eine sehr gute thermische Kopplung erzielt wird und andererseits Kurzschlüsse sicher vermeidbar sind.
  • Eine besonders einfache und an die lokalen Gegebenheiten anpassbare Anbindung der weiteren Leiterplatte an die erste Leiterplatte ergibt sich, wenn die zumindest eine weitere Leiterplatte eine Mehrzahl flacher Kantenmetallisierungen und/oder Halblochkontakte aufweist und die elektromechanische Anbindung an die erste Leiterplatte über stoffschlüssige Verbindungen, insbesondere Lötverbindungen, der flachen Kantenmetallisierungen und/oder Halblochkontakte mit korrespondierenden Kupferpads der ersten Leiterplatte erfolgt. Dabei sind die Kupferpads der ersten Leiterplatte derart ausgebildet, dass sie einen Toleranzbereich zu den Kantenmetallisierungen und/oder Halblochkontakten der zumindest einen weiteren Leiterplatte aufweisen. Auf diese Weise sind ggf. erforderliche Positionstoleranzen der zumindest einen weiteren Leiterplatte zur ersten Leiterplatte erzielbar. Zudem ist eine Feinjustierung des zumindest einen Temperatursensors durch eine laterale Verschiebung der zumindest einen weiteren Leiterplatte an die baulichen Gegebenheiten der zumindest einen zu messenden Energiespeicherzelle möglich.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte, insbesondere in Abhängigkeit von der Anzahl der zu überwachenden Energiespeicherzellen, eine Anzahl N >= 1 Temperatursensoren trägt und eine Anzahl M >= N + 1 flacher Kantenmetallisierungen und/oder Halblochkontakte aufweist. In der Regel hat ein Temperatursensor zwei Anschlusskontakte, so dass die zumindest eine weitere Leiterplatte maximal die doppelte Anzahl M <= 2N Kantenmetallisierungen und/oder Halblochkontakten aufweisen muss, sofern sie außer den Temperatursensoren keine weiteren elektrischen Bauelemente trägt. Es ist aber auch möglich, dass N Temperatursensoren mit jeweils einem ihrer Anschlusskontakte auf einem gemeinsamen Potential liegen, so dass nur eine einzige zusätzliche Kantenmetallisierung und/oder ein einziger zusätzlicher Halblochkontakt auf der weiteren Leiterplatte erforderlich ist.
  • Eine besonders kostensparende Herstellung der weiteren Leiterplatte ergibt sich dadurch, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte eine rechteckige, quadratische oder wabenförmige Bauform aufweist und außer dem zumindest einen Temperatursensor keine weiteren elektrischen Bauteile trägt. Somit kann die Bauform besonders kompakt ausgestaltet sein, um einerseits Materialkosten zu sparen und andererseits die Wärmekapazität der weiteren Leiterplatte zu minimieren. Weiterhin ermöglicht die rechteckige, quadratische oder wabenförmige Bauform eine verschnittfreie Herstellung in einem so genannten Leiterplatten-Nutzen. Unter einem Leiterplatten-Nutzen ist in diesem Zusammenhang eine Serienfertigung zu verstehen, bei dem eine Vielzahl von kleineren Leiterplatten unter optimaler Flächenausnutzung aus einer großen Leiterplatte mit Standardma-ßen gefertigt wird. In der Regel erfolgt die Zerteilung des Leiterplatten-Nutzens in die kleineren Leiterplatten dann erst nach dem Bestücken der einzelnen Bauelemente (im konkreten Fall also der Temperatursensoren) in einem SMT- (Surface Mounted Technology) oder THT-Prozess (Through Hole Technology). Ein NTC in Form eines SMD-Bauelements (Surface Mounted Device) bietet hier den zusätzlichen Vorteil eines besonders kleinen Bauraums sowie einer daraus resultierenden Reduzierung der Wärmekapazität und der Herstellungskosten. Vorzugweise ist zudem eine Mehrzahl von Kanten der weiteren Leiterplatte (zum Beispiel zwei von vier Kanten im Falle einer rechteckigen oder quadratischen Leiterplatte oder vier von sechs Kanten im Falle einer wabenförmigen Leiterplatte) frei von Kantenmetallisierungen und/oder Halblochkontakten, so dass die Prozessierung während der Auftrennung des Leiterplatten-Nutzens vereinfacht ist.
  • In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte zumindest eine erste Aussparung aufweist, die den zumindest einen Temperatursensor teilweise umgibt und/oder die in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist. Durch die zumindest eine erste Aussparung kann in besonders vorteilhafter Weise der Wärmeabfluss um den zumindest einen Temperatursensor während der Temperaturmessung infolge der reduzierten thermischen Masse weiter verringert werden. Unter einer Aussparung soll in diesem Zusammenhang eine Vertiefung in der zumindest einen weiteren Leiterplatte oder ein Durchbruch bzw. eine Bohrung durch die zumindest eine weitere Leiterplatte verstanden werden.
  • Eine weitere Reduzierung des Wärmeabflusses kann dadurch erzielt werden, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte zur elektrischen Kontaktierung des zumindest einen Temperatursensors Leiterbahnen aus Kupfer geringer Dicke, insbesondere < ½ Unze, und/oder geringer Breite, insbesondere <= 200 µm, aufweist. Dabei können die Leiterbahnen ergänzend verlängert, insbesondere mäanderförmig, ausgebildet sein, um ihren Wärmeleitwiderstand zu erhöhen.
  • In bevorzugter Weise weist ein Zellhalter für die zumindest eine Energiespeicherzelle zumindest eine Aussparung für den zumindest einen Temperatursensor auf, die mit einem, insbesondere wärmeleitenden, Material befüllbar ist. Somit ist es möglich, einen definierten Raum für den zumindest einen Temperatursensor zu schaffen, der eine entsprechend genau definierbare Menge des, insbesondere wärmeleitenden, Materials für einen optimalen Wärmeübergang und eine möglichst fehlerfreie Messung der Temperatur der zumindest einen Energiespeicherzelle enthält. Auch kann durch die Aussparung eine räumliche Trennung zu Energiespeicherzellen geschaffen werden, deren Temperatur nicht von dem zumindest einen Temperatursensor erfasst werden sollen. Als wärmeleitendes Material kommt dabei insbesondere eine Wärmeleitpaste mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer guten elektrischen Isolierfähigkeit in Frage. Alternativ kann auch ein Gap Filler mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Die zumindest eine Aussparung kann wiederum als Vertiefung oder als Durchbruch bzw. Bohrung ausgebildet sein. Unter einem Zellhalter soll insbesondere ein Subgehäuse oder eine vergleichbare Konstruktion der Energiespeichereinheit verstanden werden, das bzw. die die zumindest eine Energiespeicherzelle innerhalb eines Gehäuses der Energiespeichereinheit oder des elektrischen Verbrauchers fixiert. Häufig werden mehrere Energiespeicherzellen auch zu einem so genannten Zell-Cluster in Reihe und/oder parallel verschaltet, um eine bestimmte Batteriespannung und/oder Batteriekapazität zu erzielen. Ein derartiges Zell-Cluster wird dann in der Regel durch einen entsprechenden Zellhalter zusammengehalten und kann dann leichter innerhalb der Energiespeichereinheit verbaut werden. Zudem bietet der Zellhalter einen besseren Schutz gegenüber äu-ßeren Einflüssen, wie Stößen, Vibrationen, etc.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte zumindest eine weitere Aussparung in der Nähe des zumindest einen Temperatursensors zur optischen Prüfung auf das Vorhandensein eines wärmeleitenden Materials zwischen dem zumindest einen Temperatursensor und der zumindest einen Energiespeicherzelle aufweist.
  • Um den Bestückungsvorgang der weiteren Leiterplatte auf die erste Leiterplatte mittels eines so genannten „Pick and Place“-Verfahrens zu ermöglichen, weist die zumindest eine weitere Leiterplatte zumindest eine freie Fläche > 3 mm2, insbesondere eine kreisförmige, freie Fläche mit einem Durchmesser > 2 mm, auf. Mit besonderem Vorteil ergibt sich hierdurch eine schnelle und kosteneffiziente Herstellung der Energiespeichereinheit.
  • Die erste Leiterplatte weist zumindest eine Aussparung auf, die im bestückten Zustand der zumindest einen weiteren Leiterplatte auf der ersten Leiterplatte im Bereich des zumindest einen Temperatursensors angeordnet ist. Dadurch kann der Wärmeübergang zwischen der ersten und der zumindest einen weiteren Leiterplatte reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Aussparung nach der Montage der aus den Leiterplatten bestehenden Baueinheit auf der zumindest einen Energiespeicherzelle eine optische Prüfung auf das Vorhandensein des, insbesondere wärmeleitenden, Materials zwischen dem zumindest einen Temperatursensor und der zumindest einen Energiespeicherzelle.
  • Ergänzend können die erste Leiterplatte und/oder der Zellhalter im Bereich der zumindest einen montierten weiteren Leiterplatte zumindest einen Vorsprung zur Erzeugung eines definierten Abstands zwischen der ersten Leiterplatte und der zumindest einen Energiespeicherzelle aufweisen. Somit kann der Einfluss etwaiger Toleranzschwankungen mit Bezug auf die Stärke der ersten Leiterplatte und/oder des Zellhalters minimiert werden.
  • Zur Lösung der eingangs erwähnten Aufgabe und zur Erzielung der bereits geschilderten Vorteile betrifft die Erfindung zudem ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit mit den folgenden Verfahrensschritten, wonach
    • • der zumindest eine Temperatursensor auf die zumindest eine weitere Leiterplatte stoffschlüssig montiert, insbesondere gelötet, wird,
    • • die zumindest eine weitere Leiterplatte auf die erste Leiterplatte stoffschlüssig montiert, insbesondere gelötet, wird,
    • • eine für den Temperatursensor vorgesehene Aussparung im Zellhalter mit einem, insbesondere wärmeleitenden, Material gefüllt wird und
    • • die Baueinheit aus der ersten und der zumindest einen weiteren Leiterplatte derart montiert wird, dass nur die zumindest eine weitere Leiterplatte und/oder der zumindest eine Temperatursensor in das, insbesondere wärmeleitende, Material eintauchen.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird die erste Leiterplatte derart entworfen, dass die Kupferpads zum Verlöten mit der weiteren Leiterplatte jeweils einen Toleranzbereich aufweisen, der eine Feinjustierung der weiteren Leiterplatte bzw. des darauf montierten, zumindest einen Temperatursensors zur Anpassung an die baulichen Gegebenheiten der in der Energiespeichereinheit eingesetzten Energiespeicherzellen ermöglicht.
  • Schließlich kann in einem Verfahrensschritt des Verfahrens das Vorhandensein des, insbesondere wärmeleitenden, Materials durch die zumindest eine weitere Aussparung der zumindest einen weiteren Leiterplatte überprüft werden.
  • Ausführungsbeispiele
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 13 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
  • Es zeigen:
    • 1: einen als Bohrhammer ausgestalteten elektrischer Verbraucher nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
    • 2: einen als Multitool ausgestalteten elektrischer Verbraucher nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
    • 3: eine als 12V-Wechselakkupack ausgestaltete Energiespeichereinheit nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
    • 4: eine als 18V-Wechselakkupack ausgestaltete Energiespeichereinheit nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
    • 5: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Innenteils des 12V-Wechselakkupacks gemäß 3 in einer perspektivischen Ansicht vor (5a) und nach seiner Montage (5b),
    • 6: eine Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Energiespeichereinheit in einem Schnitt entlang ihrer Längsachse im Bereich eines Temperatursensors,
    • 7: einen Schnitt durch die Energiespeichereinheit quer zu ihrer Längsachse im Bereich des Temperatursensors in einem dritten Ausführungsbeispiel,
    • 8: eine weitere Leiterplatte der Energiespeichereinheit in einer Ansicht von ihrer bestückten Oberseite (8a) und ihrer unbestückten Unterseite (8b) in einem vierten Ausführungsbeispiel und
    • 9: die weitere Leiterplatte der Energiespeichereinheit in einer Ansicht von ihrer bestückten Oberseite in einem fünften Ausführungsbeispiel.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist exemplarisch ein elektrischer Verbraucher 10 dargestellt, der als ein Bohrhammer 12 mit einem Gehäuse 14 ausgebildet ist. Neben einem nicht näher gezeigten Schlagwerk, das über einen ebenfalls nicht näher gezeigten Elektromotor, insbesondere einem bürstenlosen Gleichstrommotor (Electrically Commuted - EC bzw. Brushless Direct Current - BLDC), angetrieben wird, ist in dem Gehäuse 14 des Bohrhammers 12 eine Energiespeichereinheit 16 zur Energieversorgung des Elektromotors und einer diesen ansteuernden Elektronik (nicht dargestellt) angeordnet, wobei die Energiespeichereinheit 16 als ein fest integrierter, vom Bediener nicht wechselbarer Akkupack 18 ausgebildet ist. Die Energiespeichereinheit 16 kann eine einzelne Energiespeicherzelle 20 oder eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 20 (vgl. 5) umfassen. Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Batteriespannung UBatt der Energiespeichereinheit 16 in der Regel aus einem ganzzahligen Vielfachen (>= 1) der Einzel- bzw. Zellspannungen UCell der Energiespeicherzellen 20 in Abhängigkeit von ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen 20 als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeichereinheiten 20 mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
  • Die Drehzahl und/oder das Drehmoment des als EC-Motor ausgebildeten Elektromotors kann beispielsweise mittels der Elektronik und einem von dieser angesteuerten Inverter (z.B. eine aus Halbleiterschaltern bestehende H-Brücke, B6-Brücke oder dergleichen) per Pulsweitenmodulation (PWM) in Abhängigkeit von einem Hauptschalter 22 gesteuert oder geregelt werden. Da dem Fachmann die Funktionsweise einer PWM-Ansteuerung bekannt ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Zudem sind ohne Einschränkung der Erfindung auch andere Steuer- oder Regelverfahren für entsprechende Elektromotoren bekannt.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen elektrischen Verbraucher 10 in Gestalt eines elektromotorisch angetriebenen Multitools 24. Statt eines einzelnen Hauptschalters 22 ist dieser in einen auf der Oberseite des Gehäuses 14 angeordneten, reinen An-Aus-Schalter und einen seitlich am Gehäuse 14 angeordneten Drehzahlregler aufgeteilt. Ein weiterer, wesentlicher Unterschied zu dem in 1 dargestellten Bohrhammer 12 liegt in der Wechselbarkeit der als Wechselakkupack 26 ausgebildeten Energiespeichereinheit 16. Zur werkzeuglos - also von Hand - lösbaren Verbindung mit dem Multitool 24 weist der Wechselakkupack 26 eine elektromechanische Schnittstelle 28 (vgl. hierzu die nachfolgenden Ausführungen gemäß der 3 und 4) auf, die in eine als Einsteckaufnahme ausgebildete, elektromechanische Schnittstelle 30 des Multitools 24 einsteckbar ist. Ist der Wechselakkupack 26 vollständig eingesteckt, kann er das Multitool 26 bzw. dessen Elektromotor und Elektronik mit der benötigten Batteriespannung UBatt versorgen. Unter einem eingesteckten Wechselakkupack 26 soll insbesondere ein Wechselakkupack 26 verstanden werden, dessen elektromechanische Schnittstelle 28 im mit dem elektrischen Verbraucher 10 verbundenen Zustand mit der entsprechend komplementären, elektromechanischen Schnittstelle 30 des elektrischen Verbrauchers 10 verbunden ist.
  • Es sei nochmals angemerkt, dass die Erfindung auch auf elektrische Verbraucher anwendbar ist, die rein ohmsche und/oder kapazitive, elektrische Lasten aufweisen, so dass die hier gezeigten Elektrowerkzeugmaschinen lediglich exemplarisch zu verstehen sind und primär zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Arten von Energiespeichereinheiten 20 und ihrer Anwendung dienen sollen.
  • In den 3 und 4 sind zwei unterschiedliche Wechselakkupacks 26 in perspektivischen Ansichten gezeigt. Die Wechselakkupacks 26 unterscheiden sich neben ihrer charakteristischen Form insbesondere in ihrer Batteriespannung UBatt, Kapazität sowie in ihren elektromechanischen Schnittstellen 28.
  • 3 zeigt einen Wechselakkupack 26 mit einer Batteriespannung UBatt von 10,8 V (nominell 12 V). Der Wechselakkupack 26 weist ein Gehäuse 14 auf, in welchem drei zylinderförmige Energiespeicherzellen 20 (vgl. 5 und 8) mit einer jeweiligen Zellspannung UCell von 3,6 V angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der Wechselakkupack 26 ist derart ausgebildet, dass er in den in 2 gezeigten, als Multitool 24 ausgebildeten elektrischen Verbraucher 10 werkzeuglos lösbar eingesteckt werden kann.
  • Der Wechselakkupack 26 weist an einem Ende einen elektrischen Kontaktteil 32 der elektromechanischen Schnittstelle 28 auf, der zwei elektrische Kontakte 34, die als Energieversorgungskontakte 36 ausgebildet sind, und drei weitere, als Signal- bzw. Datenkontakte 38 ausgebildete elektrische Kontakte 34 umfasst. Über die Energieversorgungskontakte 36 kann der elektrische Verbraucher 10 bzw. das Multitool 24 einerseits mit Energie versorgt werden. Andererseits ist hierüber auch ein Aufladen des Wechselakkupacks 26 mittels eines nicht gezeigten Ladegeräts möglich. Über die Signal- bzw. Datenkontakte 38 können dem elektrischen Verbraucher 10 bzw. dem Ladegerät Informationen zu diversen Betriebsparametern des Wechselakkupacks 26, wie beispielsweise der Batteriespannung UBatt, den Zellspannungen UCell, einer im Wechselakkupack 26 gemessenen Temperatur T, eines Lade- oder Entladestroms I, einer Kodierung oder dergleichen, zur dortigen Auswertung übermittelt werden. Anhand dieser Betriebsparameter kann die Elektronik des elektrischen Verbrauchers 10 bzw. des Ladegeräts den Entlade- bzw. Ladevorgang steuern bzw. regeln.
  • Auf einem dem Ende mit dem elektrischen Kontaktteil 32 der elektromechanischen Schnittstelle 28 gegenüberliegenden Ende des Wechselakkupacks 26 ist ein mechanischer Kontaktteil 40 zur werkzeuglos lösbaren mechanischen Verbindung des Wechselakkupacks 26 mit dem elektrischen Verbraucher 10 angeordnet. Der mechanische Kontaktteil 40 umfasst zwei federnde Rastnasen 42, die kraft- und formschlüssig mit dem Gehäuse 14 des elektrischen Verbrauchers 10 verbindbar sind. In der Regel ist im Ladegerät kein entsprechendes Verrasten notwendig, so dass die Rastnasen 42 dort nicht genutzt werden. Es ist aber denkbar, dass der Wechselakkupack 26 auch beim Ladevorgang im Ladegerät verrastet wird.
  • In 4 ist ein Wechselakkupack 26 mit einer Batteriespannung UBatt von 18 V gezeigt. In dem Gehäuse 14 des Wechselakkupacks 26 sind zehn zylinderförmige Energiespeicherzellen 20 in zwei Lagen angeordnet. Jeweils zwei Energiespeicherzellen 20 sind parallel zu einem Zell-Cluster geschaltet. Die insgesamt fünf Zell-Cluster sind dann in Reihe geschaltet, so dass sich mit einer Zellspannung UCell von jeweils 3,6 V die resultierende Batteriespannung UBatt von 18 V ergibt. Auf der Außenfläche des Gehäuses 14 des Wechselakkupacks 26 ist eine Ladezustandsanzeige 44 angeordnet, über die der Ladezustand anzeigbar ist. Die elektromechanische Schnittstelle 28 des Wechselakkupacks 26 weist zwei Führungsschienen 46 auf, die beim Einschieben in korrespondierende Führungsnuten der elektromechanischen Schnittstelle 30 des elektrischen Verbrauchers 10 bzw. des Ladegeräts geführt werden. Zudem ist ein Verriegelungselement 48 vorgesehen, das zur Verriegelung des Wechselakkupacks 26 am elektrischen Verbraucher 10 ausgebildet ist. Das Verriegelungselement 48 ist als schwenkbares und federnd gelagertes Rastmittel ausgebildet, das am Ende des Einschiebvorgangs selbsttätig einrastet. Die Entriegelung des eingeschobenen Wechselakkupacks 26 kann über das Betätigen eines mechanischen Betätigungselements (nicht dargestellt) erfolgen, das auf einer der Ladezustandsanzeige 44 gegenüberliegenden Seite des Wechselakkupacks 26 angeordnet ist. Der elektrische Kontaktteil 32 der elektromechanischen Schnittstelle 28 ist zwischen den beiden Führungsschienen 46 angeordnet und weist eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 34 zur Energie- und Datenübertragung entsprechend dem in 3 gezeigten Wechselakkupack 26 auf. Dabei ist insbesondere der Signal- bzw. Datenkontakt 38 als eine Spule ausgebildet, die die Betriebsparameter induktiv zum elektrischen Verbraucher 10 überträgt. Als elektrischer Kontakt 34 soll demnach auch ein Kontakt verstanden werden, der eine berührungslose Energie- und/oder Datenübertragung ermöglicht.
  • 5a zeigt den Innenteil des in 3 dargestellten Wechselakkupacks 26 vor dessen Montage. Der Wechselakkupack 26 umfasst drei Li-lon-Energiespeicherzellen 20, die derart angeordnet sind, dass ihr Querschnitt eine im Wesentlichen dreieckförmige Außenkontur aufweist. Jede Energiespeicherzelle 20 weist ihrerseits einen positiven und einen negativen Zellpol 50 an ihren Stirnseiten auf. In 5b ist der Wechselakkupack 26 nach dem Zusammenfügen des Innenteils dargestellt. Im Unterschied zu 3 weist der elektrische Kontaktteil 32 der elektromechanischen Schnittstelle 28 nur zwei statt drei Signal- bzw. Datenkontakte 38 auf. Die drei Energiespeicherzellen 20 werden mittels zweier Zellverbinder 52 in Reihe geschaltet, so dass sich mit einer Zellspannung UCell von jeweils 3,6 V eine Batteriespannung UBatt von 10,8 V ergibt.
  • Jeder Zellverbinder 52 ist als ein flaches Stanzblech ausgebildet, das einerseits stoffschlüssig, beispielsweise mittels Löten, an einem ersten Ende 54 mit einem elektrischen Anschlusspunkt 56 einer ersten Leiterplatte 58 elektrisch verbunden ist. Die erste Leiterplatte 58 samt der darauf montierten Bauteile, der elektrischen Anschlusspunkte 56 und der Enden 54 der Zellverbinder 52 kann optional gemäß 5b mit einer Vergussmasse 60, insbesondere vollständig, vergossen sein. Die Vergussmasse 60 kann beispielsweise aus einem Low-Pressure-Molding-Thermoplast gebildet sein. Beim Low-Pressure-Molding wird die zusammengesetzte erste Leiterplatte 58 in eine Negativ-Gussform eingelegt, die anschließend mit einem heißen, viskosen Polymer gefüllt wird. Nach dem Erkalten des Polymers entsteht eine robuste und teilweise elastische Hülle, die einen sehr guter Schutz gegen Korrosionen, hervorgerufen durch Feuchtigkeit, Fingerabdrücke oder dergleichen, gewährleistet. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Vergussmasse 60 aus einer Silikonmasse gebildet ist.
  • Die optional mit der Vergussmasse 60 vergossene ersten Leiterplatte 58 wird parallel einer Längsachse 62 der Energiespeicherzellen 20 auf einem Zellhalter 64 angeordnet. Der Zellhalter 64 dient zur Fixierung der Energiespeicherzellen 20 innerhalb des Gehäuses 14 des Wechselakkupacks 26 oder des im elektrischen Verbraucher 10 fest integrierten Akkupacks 18 und besteht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Kunststoff. Im gezeigten Beispiel sind für die drei Energiespeicherzellen 20 drei einzelne Zellhalter 64 vorgesehen. Die drei Zellhalter 64 können über entsprechende außen- und/oder innenliegende Stege bzw. Verbindungen einstückig, also stoffschlüssig, zu einem einzigen Zellhalter 64 verbunden sein (nicht gezeigt). Ebenso ist es denkbar, dass ein einziger Zellhalter 64 in Gestalt eines Subgehäuses zum Einsatz kommt, in das die einzelnen Energiespeicherzellen 20 vor dem Verbinden ihrer Zellpole 50 mit den Zellverbindern 52 einschiebbar sind. Insbesondere in größeren Wechselakkupacks 26 (vgl. 4) werden auf diese Weise häufig mehrere Energiespeicherzellen 20 zu einem so genannten Zell-Cluster in Reihe und/oder parallel verschaltet, um eine bestimmte Batteriespannung und/oder Batteriekapazität zu erzielen. Dabei sind die Energiespeicherzellen 20 jedes Zell-Clusters dann in der Regel mechanisch durch das als Subgehäuse ausgebildeten Zellhalter 64 fixiert. Ein derartiger Zellhalter 64 bietet zudem einen besseren Schutz der Energiespeicherzellen 20 vor äußeren Einflüssen, wie Stößen oder Vibrationen, aber auch Feuchtigkeit oder Schmutz, etc. Schließlich werden die als flache Stanzbleche bzw. -laschen ausgebildeten Zellverbinder 52 entsprechend 5b am Ende des Zusammenfügens des Innenteils stoffschlüssig per Widerstands- oder Kaltschweißverfahren über entsprechende Kontaktierungspunkte 66 mit den Zellpolen 50 der Energiespeicherzellen 20 verbunden.
  • Die erste Leiterplatte 58 ist mittels einer flexiblen Leitung 68, insbesondere einem mehradrigen Flachbandkabel 70, mit zumindest einer Kontaktplatte 72 elektrisch verbunden, die ihrerseits mit zwei weiteren Stanzblechen 74 verbunden ist. Die beiden weiteren Stanzbleche 74 dienen zur elektrischen Verbindung des positiven Zellpols 50 der ersten Energiespeicherzelle 20 und des negativen Zellpols 50 der letzten Energiespeicherzelle 20 der Reihenschaltung mit dem positiven bzw. negativen Energieversorgungskontakt 36 der elektromechanischen Schnittstelle 28. Die beiden Energieversorgungskontakte 36 sind dazu direkt stoffschlüssig, beispielsweise per Löt-, Widerstands- oder Kaltschweißverbindung, mit der Kontaktplatte 72 elektromechanisch verbunden, können aber auch mit entsprechenden Kabeln elektrisch verbunden sein. Gleiches gilt für die weiteren Stanzbleche 74. Die erste Leiterplatte 58 und die Kontaktplatte 72 werden schließlich nach dem jeweiligen Vergießen mit der Vergussmasse 60 im Wesentlichen rechtwinklig zueinander um die Energiespeicherzellen 20 angeordnet.
  • Zumindest einer der Zellverbinder 52 weist einen SCM-Abgriff 76 für die Einzelzellüberwachung (Single Cell Monitoring) auf, der einstückig mit dem Zellverbinder 52 verbunden ist und vorzugsweise zwischen dem Ende 54 zur elektrischen Kontaktierung mit der ersten Leiterplatte 58 und den Kontaktierungspunkten 66 zur elektrischen Kontaktierung mit den Zellpolen 50 der Energiespeicherzellen 20 angeordnet ist. Der SCM-Abgriff 76 ist stoffschlüssig, beispielsweise per Löten, mit einem Kabel verbunden, das seinerseits mit einer SCM-Vorstufe (nicht gezeigt) einer entsprechenden Elektronik verbunden ist, die entweder im Wechselakkupack 26 oder im elektrischen Verbraucher 10, falls dieser gemäß 1 einen fest integrierten Akkupack 18 aufweist, angeordnet ist. Zur Erfassung der einzelnen Zellspannungen UCell schaltet die SCM-Vorstufe, beispielsweise über integrierte Transistoren, derart sequenziell zwischen den einzelnen SCM-Abgriffen 76 der Zellverbinder 52 um, dass sie jeweils mit einem positiven und einem negativen Zellpol 50 der zu messenden Energiespeicherzelle 20 bzw. des zu messenden Zell-Clusters verbunden ist.
  • Die Elektronik des Wechselakkupacks 26 bzw. des elektrischen Verbrauchers 10 kann einen integrierten Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen zur Steuerung oder Regelung des Lade- bzw. Entladevorgangs aufweisen. Ebenso ist denkbar, dass die Steuerung oder Regelung mittels mehrerer Mikroprozessoren oder zumindest teilweise mittels diskreter Bauelemente mit entsprechender Transistorlogik erfolgt. Zudem kann die Elektronik einen Speicher zur Speicherung der Betriebsparameter aufweisen. Da derlei Elektroniken dem Fachmann bekannt sind, soll hierauf nicht weiter eingegangen werden.
  • Mittels eines Temperatursensors 78, der vorzugsweise als NTC ausgebildet und in SMD-Bauweise auf einer weiteren Leiterplatte 80 angeordnet ist, kann die Temperatur T zumindest einer der Energiespeicherzellen 20 gemessen und von der Elektronik des Wechselakkupacks 26 bzw. des elektrischen Verbrauchers 10 oder des Ladegeräts ausgewertet werden. Dazu ist die weitere Leiterplatte 80 im bestückten Zustand, d.h. insbesondere mit montiertem Temperatursensor 78, zwischen der ersten Leiterplatte 58 und der Energiespeicherzelle 20 angeordnet. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen dem auf der weiteren Leiterplatte 80 angeordneten Temperatursensor 78 und der zu überwachenden Energiespeicherzelle 20 derart optimiert werden, dass einerseits eine sehr gute thermische Kopplung erzielt wird und andererseits Kurzschlüsse sicher vermeidbar sind. Zudem wird durch einen Mindestabstand zwischen dem Temperatursensor 78 und der Energiespeicherzelle 20 eine möglichen Deformation der Energiespeicherzelle 20 und/oder eine Beschädigung des Temperatursensors 78 im Falle eines Sturzes oder starker Vibrationen insbesondere während der Benutzung des elektrischen Verbrauchers 10 vermieden.
  • Der die zu überwachende Energiespeicherzelle 20 fixierende Zellhalter 64 weist eine Aussparung 82 für den Temperatursensor 78 auf, die mit einem wärmeleitenden Material 84, beispielsweise eine Wärmeleitpaste oder einen Gap Filler, befüllbar ist (vgl. 6). Somit ergibt sich eine besonders gute thermische Kopplung zwischen dem Temperatursensor 78 und der zu überwachenden Energiespeicherzelle 20 aufgrund der bauartbedingt erzielbaren optimalen Distanz zwischen ihnen. Der Temperatursensor 78 ist über die weitere Leiterplatte 80, die elektromechanisch an die erste Leiterplatte 58 angebunden ist, elektrisch mit einem der Signal- bzw. Datenkontakte 38 der elektromechanischen Schnittstelle 28 zur Übertragung der erfassten Temperatur T verbunden. Im Falle eines fest in den elektrischen Verbraucher 10 integrierten Akkupacks 18 kann der Temperatursensor 78 auch ohne einen speziellen Signal- bzw. Datenkontakt 38 direkt mit der Elektronik des elektrischen Verbrauchers 10 verbunden sein.
  • Zur Herstellung des Wechselakkupacks 26 ist es daher nötig, zunächst den Temperatursensor 78 auf die weitere Leiterplatte 80 stoffschlüssig zu montieren, insbesondere zu löten, um danach die weitere Leiterplatte 80 auf die erste Leiterplatte 58 stoffschlüssig zu montieren, insbesondere zu löten. Die für den Temperatursensor 78 vorgesehene Aussparung 82 im Zellhalter 64 wird mit einem, insbesondere wärmeleitenden, Material 84 gefüllt, um schließlich die Baueinheit aus der ersten und der weiteren Leiterplatte 58, 80 derart zu montieren, dass nur die weitere Leiterplatte 80 und/oder der Temperatursensor 78 in das, insbesondere wärmeleitende, Material 84 eintaucht (vgl. hierzu auch 6). Dazu ist die Aussparung 82 des Zellhalters 64 als eine Vertiefung ausgebildet.
  • Die erste Leiterplatte 58, die weitere Leiterplatte 80 und der Temperatursensor 78 sind gemäß 5b vorzugsweise vollständig von der Vergussmasse 60 umgeben. Zur besonders guten thermischen Kopplung des Temperatursensor 78 an die Energiespeicherzelle 20 ist die Vergussmasse 60 temperaturleitfähig ausgestaltet. Zur Optimierung der thermischen Leitfähigkeit zwischen dem Temperatursensor 78 und der Energiespeicherzelle 20 ist die thermischen Kontaktfläche der temperaturleitfähigen Vergussmasse 60 an eine Außenkontur der Energiespeicherzelle 20 angepasst. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 20 als zylinderförmige Rundzellen ausgebildet. Somit ergibt sich eine optimierte thermische Leitfähigkeit, wenn die thermischen Kontaktflächen der temperaturleitfähigen Vergussmasse 60 eine dazu komplementäre, konkave Form aufweisen, um eine möglichst große Oberfläche zu bilden, die die Temperatur T der Energiespeicherzellen 20 an den Temperatursensor 78 weiterleitet. Zudem gestattet ein derartiger Formschluss eine vereinfachte Montage der vergossenen ersten Leiterplatte 58, da die entsprechend vorgeformte Vergussmasse 60 eine reproduzierbare Positionierung an den Energiespeicherzellen 20 bewirkt. Wie bereits eingangs erwähnt, sind auch andere Formen von Energiespeicherzellen 20 denkbar. Entsprechend sollten dann die thermischen Kontaktflächen der temperaturleitfähigen Vergussmasse 60 komplementär dazu ausgestaltet sein.
  • 6 zeigt eine Detailansicht des Wechselakkupacks 26 in einem Schnitt entlang der Längsachse 62 im Bereich der weiteren Leiterplatte 80 bzw. des auf ihr montierten Temperatursensors 78. Die weitere Leiterplatte 80 weist eine Mehrzahl erster als Bohrungen ausgestalteter Aussparungen 86 auf, die den zumindest einen Temperatursensor 78 umgeben bzw. die in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet sind. Durch die ersten Aussparung 86 kann in besonders vorteilhafter Weise der Wärmeabfluss um den Temperatursensor 78 während der Temperaturmessung infolge der reduzierten thermischen Masse verringert werden.
  • Die erste Leiterplatte 58 weist eine Aussparung 88 auf, die im bestückten Zustand der zumindest einen weiteren Leiterplatte 80 auf der ersten Leiterplatte 58 im Bereich des zumindest einen Temperatursensors 78 angeordnet ist. Dadurch kann der Wärmeübergang zwischen der ersten Leiterplatte 58 und der weiteren Leiterplatte 80 reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Aussparung 88 nach der Montage der aus den Leiterplatten 58, 80 bestehenden Baueinheit auf der Energiespeicherzelle 20 eine optische Prüfung auf das Vorhandensein des wärmeleitenden Materials 84 zwischen dem Temperatursensor 78 und der zu überwachenden Energiespeicherzelle 20. Die optische Prüfung kann erleichtert werden, wenn die weitere Leiterplatte 80 eine weitere Aussparung 90 in der Nähe des zumindest einen Temperatursensors 78 aufweist, wobei die Aussparung 88 der ersten Leiterplatte 58 und die weitere Aussparung 90 der weiteren Leiterplatte 80 unmittelbar benachbart zueinander angeordnet und beispielsweise als Halblochbohrungen ausgestaltet sind. Ist die Baueinheit aus erster Leiterplatte 58, weiterer Leiterplatte 80 und Temperatursensor 78 von der Vergussmasse 60 umgeben, muss zur optischen Prüfung auch die Vergussmasse 60 eine Aussparung 92 aufweisen, die gemäß 5b unmittelbar benachbart zur Aussparung 88 der ersten Leiterplatte 58 positioniert ist.
  • Zur Erzielung einer elektromechanischen Anbindung der weiteren Leiterplatte 80 an die erste Leiterplatte 58 weist die weitere Leiterplatte 80 eine Mehrzahl flacher Kantenmetallisierungen 94 auf, die mit korrespondierenden Kupferpads 96 der ersten Leiterplatte 58 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet, werden. Dabei sind die Kupferpads 96 der ersten Leiterplatte 58 derart ausgebildet, dass sie einen Toleranzbereich 98 zu den Kantenmetallisierungen 94 der weiteren Leiterplatte 58 aufweisen. Auf diese Weise sind ggf. erforderliche Positionstoleranzen der weiteren Leiterplatte 80 zur ersten Leiterplatte 58 erzielbar. Eine laterale Feinjustierung des Temperatursensors 78 bzw. der weiteren Leiterplatte 80 ist somit derart möglich, dass die Toleranzbereiche 98 der Kupferpads 96 bereits beim Entwerfen der Leiterplatte 80 an die baulichen Gegebenheiten der verwendeten Energiespeicherzellen 20 anpassbar sind. Im Falle eines einzigen auf der weiteren Leiterplatte 80 montierten Temperatursensors 78 werden M = 2 Kantenmetallisierungen 94 benötigt. Es ist aber auch denkbar, dass die weitere Leiterplatte 80 eine Mehrzahl N > 1 Temperatursensoren 78 trägt, um zum Beispiel eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 20 oder eine Energiespeicherzelle 20 an mehreren Stellen überwachen zu können. In dem Fall beträgt die Anzahl M der flachen Kantenmetallisierungen 94 der weiteren Leiterplatte 80 M <= 2N. Entsprechend viele Kupferpads 96 müssen dann auch für die erste Leiterplatte 58 vorgesehen sein. Um jedoch die Prozessierung während der Auftrennung eines Leiterplatten-Nutzens zu vereinfachen, empfiehlt es sich, eine Mehrzahl von Kanten der weiteren Leiterplatte 80 frei von Kantenmetallisierungen 94 auszuführen.
  • Zur Erzeugung eines definierten Abstands zwischen der ersten Leiterplatte 80 bzw. des auf ihr montierten Temperatursensors 78 und der Energiespeicherzelle 20 weist der Zellhalter 64 im Bereich der montierten weiteren Leiterplatte 80 zwei Vorsprünge 100 auf, die den Einfluss etwaiger Toleranzschwankungen mit Bezug auf eine Stärke der ersten Leiterplatte 58 und/oder des Zellhalters 64 minimieren können. Auch die erste Leiterplatte 58 kann einen Vorsprung 102 aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel dient der Vorsprung 102 jedoch primär einer lateralen Ausrichtung der ersten Leiterplatte 58 auf dem Zellhalter 64 in Verbindung mit einer entsprechenden Ausnehmung 104 des Zellhalters 64. Zudem kann hierdurch ein Poka-Yoke-Prinzip bei der Montage der ersten Leiterplatte 58 realisiert werden. Ebenso ist denkbar, dass der Vorsprung 102 der ersten Leiterplatte 58 entsprechend den Vorsprüngen 100 des Zellhalters 64 als Abstandshalter fungiert.
  • In 7 ist ein Schnitt durch die Energiespeichereinheit 16 quer zu ihrer Längsachse 62 im Bereich der weiteren Leiterplatte 80 bzw. des Temperatursensors 78 in einer stark vereinfachten Darstellung gezeigt. Im Unterschied zu 6 sind die Kupferpads 96 der ersten Leiterplatte 58 quer zur Energiespeicherzelle 20 angeordnet, so dass die Kantenmetallisierungen 94 der weiteren Leiterplatte 80 eine entsprechende Feinjustierung des Temperatursensors 98 zur Anpassung an den Radius R der Energiespeicherzelle 20 bzw. ihres Umfangs ermöglichen. Ebenfalls gezeigt sind die Aussparungen 86 und 88 der weiteren und der ersten Leiterplatte 80 und 58 gemäß der 5 und 6. Die weitere Leiterplatte 80 kann in ihrer Stärke HPCB zur Erzielung des optimalen Abstands zwischen dem Temperatursensor 78 und der Energiespeicherzelle 20 unabhängig von der ersten Leiterplatte 58 angepasst werden. Dies gilt in analoger Weise auch für die Bauteilhöhe HSens des Temperatursensors 78.
  • 8 zeigt eine alternative Ausgestaltung der weiteren Leiterplatte 80 in einer Ansicht von einer Oberseite mit gemäß einem Bestückungsdruck bestücktem Temperatursensor 78 (8a) und einer Unterseite (8b). Die Unterseite der weiteren Leiterplatte 80 liegt im montierten Zustand direkt an der ersten Leiterplatte 58 an. Im Unterschied zu den vorherigen 5 bis 7 weist die weitere Leiterplatte 80 statt zweier Kantenmetallisierungen 94 zwei Halblochkontakte 106 auf, die in analoge Weise zur elektromechanischen Anbindung an die Kupferpads 96 der ersten Leiterplatte 58 über stoffschlüssige Verbindungen, insbesondere Lötverbindungen, dienen. Die elektrische Verbindung zwischen dem Temperatursensor 78 und den beiden Halblochkontakten 106 erfolgt über jeweils eine Kupfer-Leiterbahn 108, die zur Reduzierung des Wärmeabflusses vom Temperatursensor 78 einen erhöhten Wärmleitwiderstand aufweist. Dazu sind die Leiterbahnen mit einer geringen Breite W von insbesondere <= 200 µm und/oder einer geringen Dicke von insbesondere < ½ Unze ausgestaltet.
  • Neben den ersten, als Bohrungen ausgebildeten Aussparungen 86, die den Temperatursensor 78 zur Verbesserung des Wärmeabflusses umgeben, weist die weitere Leiterplatte 80 die weitere als Halblochbohrung ausgebildete Aussparung 90 auf, um in einem Schritt des Herstellungsverfahrens eine optischen Prüfung auf das Vorhandensein des wärmeleitenden Materials 84 zwischen dem Temperatursensor 78 und der Energiespeicherzelle 20 in der Aussparung 82 des Zellhalters 64 optisch überprüfen zu können.
  • Um eine möglichst verschnittfreie Herstellung in einem Leiterplatten-Nutzen zu ermöglichen, ist die weitere Leiterplatte 80 rechteckförmig ausgebildet. Es sind aber auch andere, verschnittfreie Bauformen, wie beispielsweise eine quadratische oder wabenförmige Bauform, denkbar. Zudem kann die Herstellung der weiteren Leiterplatte 80 besonders kostengünstig und kompakt realisiert werden, wenn die weitere Leiterplatte 80 außer dem zumindest einen Temperatursensor 78 keine weiteren elektrischen Bauteile trägt.
  • Der Bestückungsvorgang der weiteren Leiterplatte 80 auf der ersten Leiterplatte 58 kann mittels eines so genannten „Pick and Place“-Verfahrens vereinfacht werden, wenn die weitere Leiterplatte 80 eine freie, kreisförmige Fläche 110 mit einem Durchmesser d > 2 mm aufweist. In Abhängigkeit vom Verlauf der Leiterbahnen 108 und/oder der Position des Temperatursensors 78 bzw. der Halblochkontakte 106 bzw. der Kantenmetallisierungen 94 sind auch andere freie Flächenformen mit einem Flächenmaß von A > 3 mm2 denkbar.
  • In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der weiteren Leiterplatte 80 in einer Draufsicht mit montiertem Temperatursensor 78 gezeigt. Zur Reduzierung des Wärmeabflusses sind die Leiterbahnen 108 von den beiden Halblochkontakten 106 zum Temperatursensor 78 derart verlängert, dass sie zur Erhöhung ihres Wärmeleitwiderstands um die als Langloch ausgebildeten Aussparungen 86 mäanderförmig herumgeführt sind. Somit ergänzen sich die Aussparungen 86 und die Leiterbahnen 108 in ihrer den Wärmeabfluss vom Temperatursensor 78 reduzierenden Wirkung. Statt eines mäanderförmigen Verlaufs der Leiterbahnen 108 sind auch davon abweichende verlängerte Leiterbahnverläufe, beispielsweise kreis- oder spiralförmig, eckig mit entsprechend geeigneten Abknickwinkeln oder dergleichen denkbar. Ebenso können die Aussparungen 86 abweichende Formen aufweisen und je nach Anforderung als Durchbrüche oder Vertiefungen ausgebildet sein. Zur Vereinfachung des Bestückungsvorgangs der weiteren Leiterplatte 80 auf der ersten Leiterplatte 58 ist entsprechend 8a die freie Fläche 110 vorgesehen.
  • Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 9 noch auf die darin gezeigte Form, Anzahl und Größe der Energiespeicherzellen 20 und der weiteren Leiterplatte 80 der Energiespeichereinheit 16 beschränkt ist. Entsprechend kann auch die Anzahl der Temperatursensoren 78 abweichen. Zudem können neben NTC auch PTC und andere Bauformen von Temperatursensoren 78 zum Einsatz kommen. Ebenso ist die Erfindung nicht auf Leiterplatten 58, 80 mit nur einer Leiterplattenschicht beschränkt, sondern kann auch auf so genannte Multi-Layer-PCB angewendet werden. Schließlich sei nochmals angemerkt, dass die Erfindung nicht nur für eine als Wechselakkupack 26 ausgebildete Energiespeichereinheit 16, sondern auch für einen fest in einem elektrischen Verbraucher 10 integrierten Akkupack 18 anwendbar ist.

Claims (18)

  1. Energiespeichereinheit (16) für einen elektrischen Verbraucher (10) mit zumindest einer Energiespeicherzelle (20), einer ersten Leiterplatte (58) zur elektrischen Kontaktierung der zumindest einen Energiespeicherzelle (20) mit einem ersten und einem zweiten Energieversorgungskontakt (36) der Energiespeichereinheit (16), wobei die erste Leiterplatte (58) benachbart zur zumindest einen Energiespeicherzelle (20) angeordnet ist, und mit zumindest einem Temperatursensor (78) zur Erfassung einer Temperatur (T) der zumindest einen Energiespeicherzelle (20), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Leiterplatte (80) elektromechanisch an die erste Leiterplatte (58) angebunden ist und dass der zumindest eine Temperatursensor (78) auf der zumindest einen weiteren Leiterplatte (80) angeordnet ist.
  2. Energiespeichereinheit (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) im bestückten Zustand zwischen der ersten Leiterplatte (58) und der zumindest einen Energiespeicherzelle (20) angeordnet ist.
  3. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) eine Mehrzahl flacher Kantenmetallisierungen (94) und/oder Halblochkontakte (106) aufweist und die elektromechanische Anbindung an die erste Leiterplatte (80) über stoffschlüssige Verbindungen, insbesondere Lötverbindungen, der flachen Kantenmetallisierungen (94) und/oder Halblochkontakte (106) mit korrespondierenden Kupferpads (96) der ersten Leiterplatte (58) erfolgt.
  4. Energiespeichereinheit (16) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferpads (96) der ersten Leiterplatte (58) derart ausgebildet sind, dass sie einen Toleranzbereich (98) zu den Kantenmetallisierungen (94) und/oder Halblochkontakten (106) der zumindest einen weiteren Leiterplatte (80) aufweisen.
  5. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) eine Anzahl N >= 1 Temperatursensoren (78) trägt und eine Anzahl M >= N + 1 flacher Kantenmetallisierungen (94) und/oder Halblochkontakte (106) aufweist.
  6. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) eine rechteckige, quadratische oder wabenförmige Bauform aufweist und außer dem zumindest einen Temperatursensor (78) keine weiteren elektrischen Bauteile trägt.
  7. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) zumindest eine erste Aussparung (86) aufweist, die den zumindest einen Temperatursensor (78) teilweise umgibt und/oder die in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist.
  8. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) zur elektrischen Kontaktierung des zumindest einen Temperatursensors (78) Leiterbahnen (108) aus Kupfer geringer Dicke, insbesondere < ½ Unze, und/oder geringer Breite (W), insbesondere <= 200 µm, aufweist.
  9. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellhalter (64) für die zumindest eine Energiespeicherzelle (20) zumindest eine Aussparung (82) für den zumindest einen Temperatursensor (78) aufweist, die mit einem, insbesondere wärmeleitenden, Material (84) befüllbar ist.
  10. Energiespeichereinheit (16) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) zumindest eine weitere Aussparung (90) in der Nähe des zumindest einen Temperatursensors (78) zur optischen Prüfung auf das Vorhandensein des wärmeleitenden Materials (84) zwischen dem zumindest einen Temperatursensor (78) und der zumindest einen Energiespeicherzelle (20) aufweist.
  11. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) zumindest eine freie Fläche (110, A) > 3 mm2, insbesondere eine kreisförmige, freie Fläche (110) mit einem Durchmesser (d) > 2 mm, aufweist.
  12. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (58) zumindest eine Aussparung (88) aufweist, die im bestückten Zustand der zumindest einen weiteren Leiterplatte (80) auf der ersten Leiterplatte (58) im Bereich des zumindest einen Temperatursensors (78) angeordnet ist.
  13. Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (58) und/oder der Zellhalter (64) im Bereich der zumindest einen montierten weiteren Leiterplatte (80) zumindest einen Vorsprung (100, 102) zur Erzeugung eines definierten Abstands zwischen der ersten Leiterplatte (58) und der zumindest einen Energiespeicherzelle (20) aufweist.
  14. Elektrischen Verbraucher (10) mit einer Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  15. System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine (24) ausgebildeten elektrischen Verbraucher (10) und zumindest einer als ein Wechselakkupack (26) ausgebildeten Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: • der zumindest eine Temperatursensor (78) wird auf die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) stoffschlüssig montiert, insbesondere gelötet, • die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) wird auf die erste Leiterplatte (58) stoffschlüssig montiert, insbesondere gelötet, • eine für den Temperatursensor (78) vorgesehene Aussparung (82) im Zellhalter (64) wird mit einem, insbesondere wärmeleitenden, Material (84) gefüllt und • die Baueinheit aus der ersten und der zumindest einen weiteren Leiterplatte (58, 80) wird derart montiert, dass nur die zumindest eine weitere Leiterplatte (80) und/oder der zumindest eine Temperatursensor (78) in das, insbesondere wärmeleitende, Material (84) eintauchen.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass In einem weiteren Verfahrensschritt die erste Leiterplatte (58) derart entworfen wird, dass die zum Verlöten mit der weiteren Leiterplatte (80) vorgesehenen Kupferpads (96) jeweils einen Toleranzbereich (98) zur lateralen Feinjustierung der weiteren Leiterplatte (80) aufweisen.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt das Vorhandensein des, insbesondere wärmeleitenden, Materials durch die weitere Aussparung (90) der zumindest einen weiteren Leiterplatte (80) überprüft wird.
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