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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle.
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Die Überwachung des Betriebszustands der Batteriezellen z. B. in Elektrofahrzeugen (Lithium-Ionen-Batterien) ist für die Sicherheit der Batterien und für ein effektives Batteriemanagementsystem notwendig. Gegenwärtig wird der Betriebszustand solcher Batteriezellen durch extern angebrachte Sensoren überwacht. Beispielsweise werden Spannung und Temperatur der Batteriezellen gemessen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Sensorgehäuse, das teilweise ein elastisches und/oder verformbares Material aufweist und dadurch einen Messgrößenzugang besitzt, eignet sich zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle.
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Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz kann ein Sensor in einer offenen Kavität bzw. Ausnehmung des Sensorgehäuses auf- oder eingebaut werden. Mit einem Abschluss der offenen Kavität (insbesondere mit dem flexiblen Material) kann erreicht werden, dass das Sensorgehäuse keine oder keine wesentlichen Wechselwirkungen mit einem Elektrolyten der galvanischen Zelle eingeht. Hierzu kann insbesondere die Ausnehmung durch das Messgrößenübertragungsmedium fluiddicht verschossen sein. Speziell kann das Messgrößenübertragungsmedium zumindest teilweise ein Material aufweisen, das säureresistent oder lösungsmittelresistent ist. Aufgrund der Flexibilität des elastischen Materials kann ein Messgrößenübertrag, z. B. ein Druckübertrag, in das Sensorgehäuse bei gleichzeitiger Abschirmung des Sensors und der elektrischen Kontakte vor Umwelteinflüssen gewährleistet werden. In einer Weiterentwicklung des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann, um den Messgrößenübertrag zu optimieren und beispielsweise eine Druckdynamik zu erhöhen, die von Gehäuse und Folie eingeschlossene Kavität durch ein Fluid verfüllt werden. Eine Bauform und Abmaße einer derartigen batterietauglichen Sensorverpackung brauchen nicht wesentlich gegenüber einer Standard-Sensorverpackung verändert zu werden.
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Mit dem hier vorgestellten Konzept wird eine Möglichkeit geschaffen bzw. verbessert, Sensoren zur Überwachung des Betriebszustands eines elektrochemischen Speichers innerhalb der einzelnen Batteriezellen anzuordnen. Damit kann vorteilhafterweise eine genauere Messung von Messgrößen wie Spannung, Temperatur oder Druck realisiert werden, die im Rahmen der heutigen Entwicklungen immer wichtiger wird. Somit kann die Problematik der innerhalb der Batteriezelle herrschenden Umweltbedingungen, die für klassische Verpackungsmaterialien wie Moldmasse, PCB, Klebstoffe, Gele, etc. nicht geeignet ist, da sie durch chemische Reaktionen mit dem Elektrolyt angegriffen und zersetzt werden können, gelöst werden. Mit dem hier vorgestellten Ansatz kann sowohl eine Gefährdung der Sensoren als auch der Zellstabilität durch ein mögliches Einbringen von Fremdmaterialien in den Elektrolyt wirksam vermieden werden. Auf Konzepte wie ein komplettes Umhüllen der Sensoren mit einer batterietauglichen Folie, die zu deutlich größeren Baugrößen der Sensoren führen, kann damit verzichtet werden.
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Es wird eine Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle, mit einem Sensor zum Erfassen einer vorbestimmten Messgröße der galvanischen Zelle, vorgestellt, wobei die Sensorvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
ein Sensorgehäuse zum Aufnehmen des Sensors, wobei der Sensor in einer Ausnehmung des Sensorgehäuses angeordnet ist; und
ein Messgrößenübertragungsmedium, das zumindest die Ausnehmung des Sensorgehäuses fluiddicht abdeckt und ausgebildet ist, um den Sensor mit einer Außenumgebung der Sensorvorrichtung zur Übertragung der Messgröße zu koppeln.
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Bei der galvanischen Zelle kann es sich z. B. um einen Akkumulator oder Teil eines Akkumulators zum Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung eingesetzt werden, um den Betriebszustand der galvanischen Zelle zu überwachen. Die Sensorvorrichtung kann dabei innerhalb einer Umhüllung der galvanischen Zelle angeordnet sein und in Kontakt mit einem Elektrolyt der galvanischen Zelle stehen. Bei der von dem Sensor zu erfassenden Messgröße der galvanischen Zelle kann es sich um eine Spannung, eine Temperatur oder einen in der galvanischen Zelle herrschenden Druck handeln. Das Sensorgehäuse kann z. B. aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein. Das Sensorgehäuse kann insbesondere die Eigenschaft aufweisen, nicht mit dem die Sensorvorrichtung umgebenden Elektrolyt der galvanischen Zelle zu reagieren. Die Ausnehmung kann so ausgebildet sein, dass die Ausnehmung bildende Wände des Sensorgehäuses den Sensor überragen, wenn dieser innerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Die Ausnehmung kann beispielsweise eine Rechteckform aufweisen. Der Sensor kann beabstandet zu den Wänden des Sensorgehäuses in der Ausnehmung angeordnet sein. Das Sensorgehäuse kann zumindest eine Durchführung zur elektrischen Kontaktierung des Sensors mit einer außerhalb der Sensorvorrichtung gelegenen Spannungsversorgung aufweisen. Das Messgrößenübertragungsmedium kann so an dem Sensorgehäuse angeordnet sein, dass es den Sensor berührt, oder alternativ so angeordnet sein, dass es von dem Sensor beabstandet ist. Das Messgrößenübertragungsmedium kann ausgebildet sein, um dem Sensor die Erfassung der Messgröße zu ermöglichen oder zu erleichtern. Insbesondere kann das Messgrößenübertragungsmedium ausgebildet sein, um einen Druckübertrag zwischen der Außenumgebung der Sensorvorrichtung und dem Sensor zu gewährleisten. Darüber hinaus kann das Messgrößenübertragungsmedium ausgebildet sein, um Wechselwirkungen zwischen Zellelementen, z. B. dem Elektrolyt der galvanischen Zelle, und dem Sensor zu verhindern und so sowohl die galvanische Zelle als auch den Sensor vor mechanischer oder chemischer Beeinträchtigung zu schützen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Messgrößenübertragungsmedium eine elastische Folie aufweisen. So können die Übertragung der Messgröße und insbesondere der Druckübertrag besonders effizient gewährleistet werden. Darüber hinaus können durch die Verwendung einer Folie Gewicht und Größe der Sensorvorrichtung vorteilhaft reduziert werden.
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Ferner kann das Messgrößenübertragungsmedium fluiddicht mit einem die Ausnehmung umgebenden Randbereich des Sensorgehäuses verbunden sein, und/oder wobei das Messgrößenübertragungsmedium) zumindest teilweise ein Material aufweist, das säureresistent und/oder lösungsmittelresistent ist. So kann vorteilhaft verhindert werden, dass beispielsweise Teile des Elektrolyts in die Ausnehmung vordringen und den Sensor beeinträchtigen, z. B. durch Zersetzung beschädigen, können. Darüber hinaus kann die fluiddichte Verbindung gewährleisten, dass ein eventuell in der Ausnehmung befindliches Fluid nicht aus dieser hinausgedrückt werden kann.
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Insbesondere kann das Messgrößenübertragungsmedium ein Metall und/oder ein Kunststoffmaterial umfassen. Beispielsweise kann das Messgrößenübertragungsmedium als eine kunststoffbeschichtete Metallfolie oder alternativ als eine metallbeschichtete Kunststofffolie ausgebildet sein. Damit können dem Messgrößenübertragungsmedium die Vorteile beider Materialien, also hier insbesondere Robustheit, Säureresistenz und Flexibilität, verliehen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ausnehmung des Sensorgehäuses ferner mit einem den Sensor zumindest teilweise umgebenden Fluid gefüllt sein, das mittels des Messgrößenübertragungsmediums zur Übertragung der Messgröße mit der Außenumgebung der Sensorvorrichtung gekoppelt ist. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gel oder ein Öl handeln. Beispielsweise kann der Sensor vollumfänglich in das Fluid eingetaucht sein. So kann vorteilhafterweise die Druckübertragung von der galvanischen Zelle auf den Sensor noch dynamischer gestaltet werden und entsprechend der Messwert schneller und genauer erfasst werden.
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Insbesondere kann das Messgrößenübertragungsmedium ausgebildet sein, um einen Druck auf den Sensor zu übertragen. So kann beispielsweise eine Ausdehnung der galvanischen Zelle erfasst werden, die für die Funktion der galvanischen Zelle wichtige Rückschlüsse über einen Ladezustand oder einen Gesundheitszustand der galvanischen Zelle erlaubt.
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Beispielsweise kann das Sensorgehäuse eine starre Form aufweisen. Unter einer starren Form kann beispielsweise eine nicht verformbare Gestalt des Sensorgehäuses verstanden werden. So kann das Sensorgehäuse z. B. als ein Premold- oder Mold-Premold-Gehäuse ausgeführt sein. Diese Ausführungsform weist die Vorteile auf, dass der Sensor optimal vor mechanischer Beschädigung geschützt werden kann und gleichzeitig der Messwert über das Messgrößenübertragungsmedium an geeigneter Stelle auf den Sensor übertragen werden kann.
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Ferner kann das Sensorgehäuse eine elektronische Schaltung aufweisen, die mittels einer elektrischen Leitung mit dem Sensor verbunden sein kann. Die elektronische Schaltung kann ausgebildet sein, um Sensorsignale zu verarbeiten und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale auszugeben. Die elektronische Schaltung kann z. B. als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sein und über Schnittstellen beispielsweise mit einem Batteriemanagementsystem eines Fahrzeugs verbunden sein. Beispielsweise kann die elektronische Schaltung in dem Gehäuse vergossen sein. Vorteilhafterweise ist so die elektronische Schaltung besonders gut geschützt und kann zudem nahe an dem Sensor angeordnet werden, sodass ein vom Sensor erfasster Messwert zur Auswertung besonders schnell an die elektronische Schaltung weitergeleitet werden kann.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Sensorgehäuses mit einer Ausnehmung zum Aufnehmen eines Sensors;
Anordnen eines Sensors zum Erfassen einer vorbestimmten Messgröße der galvanischen Zelle in der Ausnehmung; und
Fluiddichtes Abdecken zumindest der Ausnehmung mit einem Messgrößenübertragungsmedium, das ausgebildet ist, um den Sensor mit einer Außenumgebung der Sensorvorrichtung zu koppeln.
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Das Verfahren kann von einer geeigneten Vorrichtung ausgeführt werden, wobei die Schritte des Bereitstellens, des Anordnens und des Bedeckens in geeigneten Einrichtungen der Vorrichtung ausgeführt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt des fluiddichten Verbindens des Messgrößenübertragungsmediums mit einem die Ausnehmung umgebenden Randbereich des Sensorgehäuses aufweisen. Die fluiddichte Verbindung kann z. B. durch Kleben oder thermisches Fügen hergestellt werden und weist den Vorteil auf, dass weder Bestandteile der die Sensorvorrichtung umfassenden galvanischen Zelle in die Ausnehmung des Sensorgehäuses vordringen können noch ein eventuell in der Ausnehmung befindliches Fluid in die galvanische Zelle einsickern kann. So können Zersetzungsprozesse sowohl in der galvanischen Zelle als auch im Sensor wirksam vermieden werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 die Sensorvorrichtung aus 1 in einer weiteren Querschnittdarstellung, verfüllt mit einem Fluid, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 einen Querschnitt durch eine Sensorvorrichtung mit im Sensorgehäuse integriertem ASIC, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt das hier vorgestellte Prinzip eines medienbeständigen Sensorgehäuses für Batteriezellen anhand eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 100. Die Sensorvorrichtung 100 ist ausgebildet, um im Inneren einer galvanischen Zelle (nicht gezeigt) angeordnet zu sein und eine oder mehrere Messgrößen der galvanischen Zelle wie z. B. Druck oder Temperatur zu erfassen und beispielsweise an ein Batteriemanagementsystem eines Fahrzeugs weiterzuleiten. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst ein Sensorgehäuse 102, einen Sensor 104 und ein Messgrößenübertragungsmedium 106. Das Sensorgehäuse 102 weist eine Ausnehmung bzw. Kavität 108 auf, in der der Sensor 104 angeordnet ist. Der Sensor 104 ist hier als ein Drucksensor ausgeführt. Alternativ kann es sich bei dem Sensor 104 aber z. B. auch um einen Temperatursensor oder Spannungsmesser handeln.
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Wie die Darstellung in 1 zeigt, ist der Sensor 104 so dimensioniert und in der Ausnehmung 108 angeordnet, dass er seitlich zu den Wänden des Sensorgehäuses 102 und nach oben mit seiner Erfassungsseite zu dem Messgrößenübertragungsmedium 106 beabstandet ist. Über je einen elektrischen Kontakt 110 ist der Sensor mit einer elektrischen Leitung 112 gekoppelt, die in einer Durchgangsöffnung durch das Sensorgehäuse 102 verläuft und ausgebildet ist, um den Sensor 104 mit Spannung zu versorgen. Das Messgrößenübertragungsmedium 106 ist hier als eine elastische Folie ausgeführt, deren flexibles Material einen Druckübertrag von einer Außenumgebung der Sensorvorrichtung 100 auf den Sensor 104 erlaubt. Die flexible Folie 106 kann z. B. eine kunststoffbeschichtete Metallfolie oder eine metallbeschichtete Kunststofffolie sein, wie sie beispielsweise zur Herstellung von „Pouchzellen" verwendet wird und allgemein als batterietauglich angesehen wird. Das Sensorgehäuse 102 besteht aus einem Material, das keine wesentlichen Wechselwirkungen mit dem Elektrolyt eingeht, oder ist durch eine Schutzschicht vor einer Reaktion mit dem Elektrolyten geschützt. Angesichts der hierin vorgestellten Einsatzbestimmung für die Sensorvorrichtung 100 ist die Außenumgebung mit einem Inneren einer galvanischen Zelle, in der die Sensorvorrichtung 100 angeordnet ist, gleichzusetzen. Eine fluidisch dichte Verbindung 114 zwischen einem die Ausnehmung 108 umgebenden Randbereich 116 des Sensorgehäuses 102 und dem Messgrößenübertragungsmedium 106 gewährleistet, dass keine Bestandteile der galvanischen Zelle, in der die Sensorvorrichtung 100 angeordnet ist, z. B. Teile des Elektrolyts, in die Ausnehmung 108 vordringen können. Die fluidisch dichte Verbindung 114 kann beispielsweise durch Laserschweißen, Siegeln bzw. thermisches Fügen oder Kleben hergestellt werden.
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Aus der Darstellung in 1 ist ersichtlich, dass der Sensor 104 in der Kavität 108 des Sensorgehäuses 102 aufgebaut ist. Das Gehäuse 102 geht keine wesentlichen Wechselwirkungen mit dem Elektrolyt der umgebenden galvanischen Zelle ein. Die elektrischen Kontakte 110 des Sensors 104 werden durch eine oder mehrere fluidisch dichte elektrische Durchführungen im Gehäuse 102 nach außen geführt. Die flexible Folie 106, die wie das Sensorgehäuse 102 keine wesentlichen Wechselwirkungen mit dem Elektrolyt eingeht, wird im Herstellungsprozess der Sensorvorrichtung 100 fluidisch dicht so an dem Gehäuse 102 befestigt, dass die vorher offene Kavität 108 durch das Material verschlossen wird, z. B. durch Kleben oder thermisches Fügen. Aufgrund der Flexibilität des Materials des Messgrößenübertragungsmediums 106 ist der Druckübertrag in das Sensorgehäuse 102 bei gleichzeitiger Abschirmung des Sensors 104 und der elektrischen Kontakte 110 vor Umwelteinflüssen gewährleistet. Um den Druckübertrag zu optimieren und die Dynamik zu erhöhen, kann die von Gehäuse 102 und Folie 106 eingeschlossene Kavität 108 durch ein Fluid verfüllt werden, wie die nachfolgende 2 zeigt. Bauform und Abmaße der batterietauglichen Sensorverpackung 102 sind nicht wesentlich gegenüber einer Standard-Sensorverpackung verändert.
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2 zeigt wiederum in einer Querschnittdarstellung die Sensorvorrichtung 100 aus 1 in einer weiteren beispielhaften Ausführung. Hier ist die von der flexiblen Folie 106 abgeschlossene Kavität 108 zur besseren Druckübertragung auf den Sensor 104 mit einem Fluid 200 verfüllt. Das Fluid 200 liegt hier in Form eines Gels vor. Alternativ kann beispielsweise auch ein Öl verwendet werden. Die fluiddichte Verbindung 114 gewährleistet, dass weder Elektrolyt aus der galvanischen Zelle in die Ausnehmung noch Fluid 200 aus der Ausnehmung 108 in die die Sensorvorrichtung 100 umgebende galvanische Zelle vordringen kann.
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3 zeigt anhand einer weiteren Querschnittdarstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung 100. Hier ist die Sensorvorrichtung 100 zusätzlich mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) 300 ausgestattet. Wie die Darstellung in 3 zeigt, ist das Sensorgehäuse 102 hier als ein Mold-Premold ausgeführt und der ASIC 300 in einer Wand des Sensorgehäuses 102 fest vergossen. Über die elektrische Leitung 112 und Zusatzleitungen ist der ASIC 300 mit dem Sensor 104 gekoppelt und kann die Messdaten des Sensors 104 auf kurzem Weg abrufen, auswerten und die Ergebnisse über die Leitung 112 z. B. an das Batteriemanagementsystem (nicht gezeigt) des Fahrzeugs weiterleiten.
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Die 1 bis 3 beschreiben insbesondere das erfinderische Sensorgehäuse 102, das sich zur Einbringung in eine Batteriezelle eignet und über den elastischen Abschluss 106 der Ausnehmung 108 einen Druckzugang besitzt. Eine Standard-Sensorverpackung, z. B. ein Mold-Premold-, ein Premold- oder ein Metallgehäuse, bildet das Grundgerüst dieses Sensorgehäuses 102. Der Sensor 104 liegt in der Kavität 108 der Standard-Verpackung mit mindestens einer Öffnung nach außen. Diese Öffnung wird durch die zusätzliche batterietaugliche flexible Folie 106, die den Druckübertrag in die Kavität 108 bzw. auf den Sensor 104 gewährleistet, fluidisch dicht abgeschlossen und schützt den Sensor 104 somit vor rauen Umweltbedingungen.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zur Unterbringung in einer galvanischen Zelle. In einem Schritt 402 werden ein Sensorgehäuse und ein Sensor bereitgestellt, wobei das Sensorgehäuse insbesondere eine Ausnehmung bzw. Kavität zum Aufnehmen des Sensors aufweist. Der Sensor ist zum Erfassen einer vorbestimmten Messgröße der galvanischen Zelle ausgebildet und wird in einem Schritt 404 in der Ausnehmung des Sensorgehäuses angeordnet. In einem Schritt 406 wird ein Messgrößenübertragungsmedium, beispielsweise eine elastische und batterietaugliche Folie, auf eine die Ausnehmung aufweisende Seite des Sensorgehäuses aufgelegt und in einem Schritt 408 durch Kleben oder thermisches Fügen fluidisch dicht mit einem die Ausnehmung umgebenden Randbereich des Sensorgehäuses verbunden.
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Zusammenfassend betrifft die hierin vorgestellte Erfindung eine Versieglung einer Kavität eines Sensorgehäuses zum Schutz von Sensor und Kontaktierungen mit einer flexiblen Folie, die eine Übertragung eines Druckes erlaubt. Weiterführend wird mittels eines Verfüllens der Kavität mit einem Fluid eine Optimierung der Druckübertragung und Erhöhung der Dynamik durch Verringerung der Kompressibilität erzielt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
