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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einer Überwachungselektronik zur Überwachung von Batteriezellen und mit Leiterbahnenden zum Anschluss von elektrischen Kontakten der Batteriezellen. Ferner betrifft die Erfindung elektrische Energiespeicher, in welchen eine derartige Leiterplatte verwendet wird.
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Eine Leiterplatte der hier interessierenden Art kann beispielsweise vorteilhaft in einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges oder Hybridfahrzeuges verwendet werden, um elektrische Kenngrößen der daran angeschlossenen Batteriezellen zu detektieren und gegebenenfalls darüber hinaus zumindest teilweise auszuwerten. Alternativ oder zusätzlich kann die Überwachungselektronik auch Aufgaben im Zusammenhang mit der elektronischen Steuerung von Lade- und Entladevorgängen des Energiespeichers (z. B. Traktionsbatterie) erfüllen.
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Eine bauliche Zusammenfassung der Leiterplatte bzw. der damit ausgebildeten Überwachungselektronik mit den zu überwachenden bzw. zu steuernden Batteriezellen innerhalb eines gemeinsamen Energiespeichergehäuses besitzt den Vorteil, dass die Überwachungselektronik gut vor Umwelteinflüssen geschützt werden kann.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mittels einer derartigen Überwachungselektronik insbesondere auch eine Temperaturmessung an einer oder mehreren Batteriezellen durchzuführen, wobei der oder die hierfür benötigten Temperatursensoren über eine Verkabelung mit der Leiterplatte verbunden sind. Diese Verkabelung bedeutet nachteiligerweise einen vergleichsweise hohen Fertigungs- und Montageaufwand zur Herstellung des Enegiespeichers.
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Gemäß interner betrieblicher Entwicklungen des Anmelders wurden bereits technisch vereinfachte Lösungen untersucht, bei denen ein zur Messung einer Batteriezellen-Temperatur vorgesehener Temperatursensor unmittelbar benachbart zu demjenigen der Leiterbahnenden der Leiterplatte angeordnet wurde, an welchem in der Verwendungssituation ein elektrischer Kontakt der betreffenden Batteriezelle(n) angeschlossen ist. Diese Anordnung des Temperatursensors bewirkt, dass der Sensor mit dem elektrischen Kontakt ”thermisch gekoppelt” ist. Die damit realisierte Messung der Temperatur des elektrischen Kontaktes stellt gewissermaßen eine indirekte Messung der Temperatur der betreffenden Batteriezelle(n) dar. Dies deshalb, weil der elektrische Kontakt aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit zumindest näherungsweise eine Temperatur annimmt, die auch im Inneren der betreffenden Batteriezelle(n) herrscht.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Temperatur des elektrischen Kontaktes je nach Betriebszustand der Batterie erheblich von der Temperatur der betreffenden Batteriezelle(n) abweichen kann, so dass das Messergebnis durch derartige Abweichungen mehr oder weniger stark verfälscht werden kann.
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Beispielsweise kann die elektrische Verlustwärme von so genannten Ausgleichswiderständen, die zum Vergleichmäßigen (”balancing”) von Batteriezellen verwendet werden, eine temperaturerhöhende Wirkung an der Anordnungsstelle des Temperatursensors bzw. am betreffenden elektrischen Kontakt besitzen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mittels einer Leiterplatte der eingangs genannten Art eine fertigungstechnisch einfach zu realisierende und dennoch eine hohe Messgenauigkeit aufweisende Batteriezellen-Temperaturmessung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Überwachungselektronik für eine Batteriezellen-Temperaturmessung wenigstens einen Temperatursensor umfasst, der unmittelbar benachbart zu einem der Leiterbahnenden angeordnet ist, wobei ein von diesem Temperatursensor und dem zugehörigen Leiterbahnende eingenommener Leiterplattenbereich durch wenigstens eine Leiterplattenapertur thermisch isoliert ist.
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Durch die nahe Platzierung des Temperatursensors im Bereich der Schnittstellenanbindung der betreffenden Batteriezelle(n), also nahe eines Leiterbahnendes bzw. des daran angeschlossenen elektrischen Kontaktes, wird einerseits eine hohe Integration und andererseits eine Einsparung an zusätzlichen Kontaktstellen und mechanischen Bauteilen erzielt. Um hierbei stets eine möglichst gute Angleichung der im Bereich des Leiterbahnendes gemessenen Temperatur an die Temperatur der daran über den elektrischen Kontakt angeschlossenen Batteriezelle(n) zu gewährleisten, erfolgt gemäß der Erfindung eine thermische Isolation des relevanten Leiterplattenbereiches durch wenigstens eine (die Leiterplatte durchsetzende) Apertur der Leiterplatte.
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Mit einer oder mehreren solchen Leiterplattenaperturen wird der ”thermische Widerstand” zwischen dem relevanten Leiterplattenbereich und den übrigen Leiterplattenbereichen vergrößert, so dass in letzteren Bereichen etwaig wirkende Wärmesenken oder Wärmequellen (z. B. die genannten Ausgleichwiderstände) vorteilhaft einen geringeren Einfluss auf die am Leiterbahnende bzw. am elektrischen Kontakt gemessene Temperatur besitzen. Vielmehr wird die vom Temperatursensor gemessene Temperatur mit relativ geringer Abweichung der betreffenden Batteriezellentemperatur entsprechen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Überwachungselektronik für einen Batteriezellenausgleich (”Balancing”) vorgesehene elektrische Widerstände (”Balancing-Widerstände”), wobei diese Widerstände außerhalb des thermisch isolierten Leiterplattenbereiches angeordnet sind.
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Bevorzugt sind die Widerstände relativ ”weit weg” vom thermisch isolierten Leiterplattenbereich angeordnet. In dieser Hinsicht kann z. B. vorgesehen sein, dass der minimale Abstand zwischen den Widerständen und dem Leiterbahnende mindestens so groß ist wie der minimale Abstand zwischen den Widerständen und jeder derjenigen Leiterplattenaperturen, welche das betreffende Leiterbahnende thermisch isolieren.
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Im Hinblick auf die Qualität der erfindungsgemäß realisierten thermischen Isolierung ist die (wenigstens eine) Leiterplattenapertur derart ausgebildet, dass durch deren Existenz eine etwaige Differenz zwischen einer Temperatur in der betreffenden Batteriezelle und der am Ort des betreffenden Temperatursensors herrschenden Temperatur zumindest halbiert wird.
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Jede Leiterplattenapertur verringert aufgrund ihrer Fläche die nutzbare Leiterplattenfläche und bewirkt darüber hinaus eine gewisse mechanische Schwächung der Leiterplatte. Insbesondere um diese Nachteile bei vorgegebener thermischer Isolationswirkung möglichst gering zu halten, kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Leiterplattenapertur langgestreckt ist. Zu bedenken ist hierbei, dass im Falle einer solchen ”schlitzartigen” Apertur die thermische Isolationswirkung in der Praxis nahezu unabhängig von der ”Schlitzbreite” ist, dass bei einer kleineren Schlitzbreite jedoch die genannten Nachteile hinsichtlich Platzbedarf und mechanischer Stabilität entsprechend kleiner sind.
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Außerdem ist es oftmals vorteilhaft, wenn zur thermischen Isolation des betreffenden Leiterplattenbereiches nicht nur eine, sondern mehrere Aperturen um diesen Leiterplattenbereich herum angeordnet sind. Im Falle von langgestreckten Aperturen können diese vorteilhaft im Wesentlichen in Richtung ihrer Längserstreckungen aneinandergereiht werden. Die zwischen derartigen Aperturen verbleibenden Leiterplattenstege bewirken in diesem Fall die mechanische Stabilität und können vorteilhaft jeweils eine oder mehrere Leiterbahnen aufweisen, über welche das mit dem elektrischen Batteriezellenkontakt verbundene Leiterbahnende (und auch elektrische Anschlüsse des Temperatursensors) zu anderen Leiterplattenbereichen geführt werden können.
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In einer Ausführungsform ist der Temperatursensor als ein diskretes Bauelement ausgebildet, z. B. als ein so genanntes SMD-Bauteil.
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Das Leiterbahnende kann insbesondere einen flächig ausgedehnten Leiterbahnabschnitt zur flächigen Anbindung (z. B. Verlötung) eines Endes eines als Anschlussfahne vorgesehenen elektrischen Kontaktes darstellen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die elektrischen Kontakte der Batteriezellen neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine gute thermische Leitfähigkeit besitzen. Insofern ist z. B. Kupfer oder eine Kupferlegierung als Material für die Batteriezellenkontakte vorteilhaft.
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Wenngleich die Erfindung prinzipiell für eine Vielzahl verschiedener Arten von Energiespeichern eingesetzt werden kann, so ergibt sich eine vorteilhafte Verwendung insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.
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Bei einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass wenigstens einige der an den Leiterbahnenden angeschlossenen elektrischen Kontakte als gemeinsame elektrische Kontakte von zwei in Parallel- oder Reihenschaltung miteinander verschalteten Batteriezellen vorgesehen sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 ein Batteriemodul, umfassend einen Batteriezellenblock mit einer daran angeschlossenen Leiterplatte gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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2 ein Detail aus 1,
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3 eine Leiterplatte gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
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4 ein Detail aus 3.
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Die 1 und 2 veranschaulichen ein Batteriemodul 1 zum Aufbau einer Traktionsbatterie für ein Hybridfahrzeug (aus mehreren solchen Batteriemodulen).
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Das Batteriemodul 1 umfasst einen (in den Figuren nur teilweise dargestellten) Batteriezellenblock 3, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Stapel von etwa quaderförmigen Batteriezellen gebildet ist.
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Die Batteriezellen sind mittels elektrischer Kontakte 5 in einer elektrischen Reihenschaltung miteinander verschaltet und gleichzeitig an einer Leiterplatte 10 angeschlossen, so dass mittels einer auf der Leiterplatte 10 ausgebildeten Überwachungselektronikvorteilhaft insbesondere elektrische Parameter (z. B. Zellenspannungen etc.) im Betrieb der Traktionsbatterie erfasst und ausgewertet werden können. In 1 sind nur die acht am weitesten links angeordneten Kontakte 5 eingezeichnet. Tatsächlich sind insgesamt 25 solche Kontakte 5 an der Leiterplatte 10 angeschlossen.
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Die elektrische Reihenschaltung der Batteriezellen lässt sich anhand von 1 wie folgt erläutern: Der Kontakt 5 in 1 oben ganz links ist mit dem Pluspol einer Batteriezelle verbunden und bildet auch den Pluspol des Batteriemoduls 1. Der elektrische Kontakt 5 in 1 unten ganz links ist einerseits mit dem Minuspol dieser ersten Batteriezelle und andererseits mit dem Pluspol einer zweiten Batteriezelle verbunden. Der Minuspol dieser zweiten Batteriezelle ist wiederum mit dem elektrischen Kontakt 5 verbunden, der in 1 oben der zweite von links ist. Letzterer Kontakt 5 ist wiederum gleichzeitig mit dem Pluspol einer dritten Batteriezelle verbunden usw. Die elektrische Reihenschaltung der Batteriezellen in 1 verläuft somit ausgehend von dem Kontakt ganz links oben (Pluspol des Batteriemoduls 1) gewissermaßen zickzackartig bis hin zu einem (nicht dargestellten) Kontakt 5 am rechten Ende der Leiterplatte 10, welcher den Minuspol des Batteriemoduls 1 bildet. Abgesehen von den beiden Kontakten 5, welche den Pluspol und den Minuspol des Batteriemoduls 1 bilden, sind die Kontakte 5 somit als gemeinsame elektrische Kontakte von jeweils zwei im Batteriezellenblock 3 einander benachbarten und in Reihenschaltung miteinander verschalteten Batteriezellen verwendet.
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Jeder der Kontakte 5 ist als eine streifenförmige, z. B. aus Kupfer gefertigte Kontaktfahne ausgebildet. Das distale Ende jedes Kontaktes 5 ist gemäß einer herkömmlichen Technik an einem Leiterbahnende an der Oberseite der Leiterplatte 10 angebunden, beispielsweise angelötet.
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Der Übersichtlichkeit der Darstellung halber sind in den Figuren diese Leiterbahnenden und die davon ausgehend zu anderen Bereichen der Leiterplatte 10 führenden Leiterbahnen nicht eingezeichnet. Solche Leiterbahnen und die hier interessierenden Leiterbahnenden, welche gewissermaßen flächig ausgedehnte Leiterbahnabschnitte bilden, können in herkömmlicher Weise ausgebildet sein, also z. B. als metallische Leiterbahnen (z. B. aus Kupfer) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (z. B. Epoxidharz) der Leiterplatte 10.
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Von der auf der Leiterplatte 10 ausgebildeten Überwachungselektronik sind in den Figuren lediglich Anordnungen 12 von elektrischen Widerständen sowie ein Temperatursensor 14 eingezeichnet. Diese Komponenten sind im dargestellten Beispiel als so genannte SMD-Bauteile an der Oberseite der Leiterplatte 10 aufgelötet. Des Weiteren kann die Überwachungselektronik insbesondere eine elektronische Steuereinrichtung (z. B. enthaltend einen Mikrocontroller) umfassen, um z. B. eine bedarfsweise Bestromung der Widerstände 12 anzusteueren und/oder ein vom Temperatursensor 14 geliefertes Signal auszuwerten.
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Der Temperatursensor 14 ist unmittelbar benachbart, d. h. thermisch gekoppelt, zu einem der Leiterbahnenden angeordnet, an dem einer der elektrischen Kontakte 5 der Batteriezellen angeschlossen ist, und dient somit zur Messung der Temperatur derjenigen (zwei) Batteriezellen, welche über diesen elektrischen Kontakt 5 an der Leiterplatte 10 angeschlossen sind. Mit dem Temperatursensor 14 wird somit eine indirekte Messung der betreffenden Batteriezellentemperatur durch direkte Messung der Temperatur des betreffenden Kontaktes 5 bzw. des betreffenden Leiterbahnendes realisiert.
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Die Überwachungselektronik kann für diese Batteriezellen-Temperaturmessung außer dem in den Figuren dargestellten Temperatursensor 14 noch weitere (unmittelbar benachbart zu anderen der Leiterbahnenden angeordnete) Temperatursensoren umfassen, um noch weitere Batteriezellentemperaturen zu messen.
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Die Integration des Temperatursensors 14 (und gegebenenfalls noch weiterer Temperatursensoren) unmittelbar auf der Leiterplatte 10 vereinfacht die Fertigung des Batteriemoduls 1 ganz erheblich. Es werden weniger Bauteile benötigt und die Anzahl der Kontaktierungsstellen ist verringert, etwa im Vergleich zu einem ”verkabelten” Anschluss von Temperatursensoren. Durch diese Erhöhung der Integrationstiefe ergibt sich vorteilhaft eine Kostenreduzierung. Auch kann eine flexible bzw. anpassbare Gestaltung hinsichtlich der Anzahl und Anordnung von Temperaturmessstellen in einfacher Weise dadurch vorgesehen werden, dass die Leiterplatte mit einer Vielzahl von vorbereiteten Temperaturmessstellen gefertigt wird, wobei an diesen Stellen dann individuell (je nach Anwendungsfall) lediglich noch eine Bestückung mit Temperatursensoren (z. B. SMD-Bauteile) vorzunehmen ist.
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Hinsichtlich der Genauigkeit der Batteriezellen-Temperaturmessung ist im Rahmen der Erfindung von Bedeutung, dass ein vom Temperatursensor 14 und dem zugehörigen Leiterbahnende eingenommener Leiterplattenbereich durch wenigstens eine Leiterplattenapertur thermisch isoliert ist.
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In 2 sind im Bereich eines der elektrischen Kontakte 5 beispielsweise drei solche Leiterplattenaperturen 16, 18 und 20 ersichtlich, deren Existenz eine im Betrieb des Batteriemoduls 1 etwaig auftretende Differenz zwischen der betreffenden Batteriezellentemperatur und der am Ort des Temperatursensors 14 herrschenden Temperatur erheblich verringert. Bevorzugt erfolgt in allen denkbaren Betriebssituationen des Batteriemoduls 1 eine Verringerung dieser Temperaturdifferenz um wenigstens einen Faktor 2, weiter bevorzugt wenigstens um einen Faktor 3.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die dargestellten Leiterplattenaperturen 16, 18 und 20 jeweils langgestreckt ausgebildet. Damit lässt sich trotz geringer mechanischer Schwächung der Leiterplatte 10 eine gute thermische Isolationswirkung erzielen. Die langgestreckten Aperturen 16, 18 und 20 sind hierbei im Wesentlichen in Richtung ihrer Längserstreckungen aneinandergereiht. Verbleibende Leiterplattenstege zwischen einander benachbarten der Aperturen 16, 18, 20 bzw. zwischen dem (in der Figur unteren) Leiterplattenrand und den Aperturen 16 bzw. 20 werden dazu genutzt, (nicht dargestellte) Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des Temperatursensors 14 und des elektrischen Kontaktes 5 in andere Bereiche der Leiterplatte 10 zu führen.
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Im Betrieb des Batteriezellenmoduls 1 (bzw. einer damit gebildeten Traktionsbatterie) werden die Widerstandsanordnungen 12 für ein so genanntes passives ”Balancing” verwendet, um je nach individuellem Ladezustand der einzelnen Batteriezellen diejenigen Batteriezellen gezielt über einen oder mehrere zugeordnete Balancing-Widerstände etwas zu entladen (um so die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen aneinander anzugleichen). Die bei einem solchen Zellenausgleich über die betreffenden Widerstände der Anordnungen 12 fließenden Entladeströme erzeugen eine entsprechende Verlustwärme am Ort der Widerstände. Diese Verlustwärme kann sich durch Wärmeleitung an der Leiterplatte 10 ausbreiten. Ohne die Aperturen 16, 18, 20 um den Bereich eines bestimmten elektrischen Kontaktes 5 herum bestünde somit die Gefahr, dass die Verlustwärme zu einer Temperaturerhöhung des Leiterplattenbereiches führt, der vom Temperatursensor 14 und dem zugehörigen Leiterbahnende bzw. dem daran angeschlossenen elektrischen Kontakt 5 eingenommen wird. Dies würde die Temperaturmessung nachteiligerweise verfälschen.
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Insbesondere dieser temperaturbeeinflussende Effekt wird jedoch durch die dargestellte Anordnung der Aperturen 16, 18, 20 und die dadurch bewerkstelligte ”thermische Isolation” vorteilhaft erheblich reduziert.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben ”a” zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung dieses vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.
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Die 3 und 4 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 10a mit Leiterbahnenden, an denen elektrische Kontakte 5a von Batteriezellen angeschlossen sind.
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4 ist eine vergrößerte Darstellung des in 3 mit IV bezeichneten Bereiches.
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Wie bei dem mit Bezug auf die 1 und 2 bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel ist auch bei der Leiterplatte 10a ein Temperatursensor 14a (4) bzw. ein diesen Temperatursensor 14a unmittelbar umgebender Leiterplattenbereich durch drei Leiterplattenaperturen 16a, 18a und 20a umgeben und somit insbesondere von einer etwaigen Wärmeentwicklung im Bereich von Widerstandsanordnungen 12a abgeschirmt.
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Eine Besonderheit der Leiterplatte 10a bzw. eines damit gebildeten Batteriemoduls besteht jedoch darin, dass eine dieser Aperturen, hier die Apertur 20a, sich nicht neben dem vom elektrischen Kontakt 5a eingenommenen Leiterplattenbereich sondern innerhalb dieses Leiterplattenbereiches erstreckt, wobei das an der Leiterplatte 10a angebundene Kontaktende im Bereich dieser Apertur 20a ausgespart ist. Der elektrische Kontakt 5a besitzt im dargestellten Beispiel ein ”geschlitztes Ende” mit einer Schlitzbreite, die der Breite der Apertur 20a entspricht. Das Kontaktende besitzt somit zwei Kontaktlaschen 7a und 9a, die jeweils auf der Leiterplatte 10a kontaktiert (z. B. angelötet) sind, sei es an einem einzigen zusammenhängenden Leiterbahnende oder bevorzugt an zwei separaten Leiterbahnenden (die zu zwei verschiedenen Leiterbahnen gehören).
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Hinsichtlich des vom Temperatursensor 14a und der Kontaktlasche 7a eingenommenen Leiterplattenbereiches gilt dasselbe wie oben für das Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 erläutert: Dieser Leiterplattenbereich ist durch die Aperturen 16a, 18a und 20a thermisch von anderen Leiterplattenbereichen isoliert, so dass mittels des Temperatursensors 14a die Temperatur der Kontaktlasche 7a gemessen wird, wobei diese Temperatur repräsentativ für die entsprechende Batteriezellentemperatur ist.
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Dieser Leiterplattenbereich ist im dargestellten Beispiel aufgrund der Existenz der Apertur 20a jedoch auch in einem gewissen Ausmaß thermisch isoliert von der zweiten Kontaktlasche 9a. Insofern ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, die Kontaktlasche 9a als einen ”Wärmeübertragungspfad” zu nutzen, ohne damit die Temperaturmessung mittels des Temperatursensors 14a stark zu verfälschen. Durch die Ausgestaltung mit den zwei Kontaktlaschen 7a, 9a können somit z. B. zwei Temperaturpfade, einerseits für eine Entwärmung der auf der Leiterplatte 10a befindlichen Elektronik hin zur Batteriezelle und andererseits für eine Entwärmung der Batteriezelle hin zu einer Leiterbahn der Leiterplatte 10a getrennt werden.
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Durch die thermische Trennung der Kontaktlaschen 7a und 9a auf der Leiterplatte 10a mittels der als Schlitz bis hin zum Leiterplattenrand ausgebildeten Apertur 20a wird die zu sensierende Stelle (hier: Kontaktlasche 7a) von der thermischen Entwicklung/Erwärmung, welche im Betrieb des betreffenden Batteriemoduls verursacht werden kann, getrennt. Dadurch wird eine Beeinflussung durch die entstehende Verlustleistung im Messbereich des Temperatursensors 14a minimiert bzw. vermieden.
