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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung elektrischer Spannungen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung einer elektrischen Spannung. Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art können dazu eingesetzt werden, die Zellspannung von Batteriezellen zu erfassen, um Lade- und/oder Entladströme einzelner Batteriezellen einer Batterie zu kontrollieren.
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Aus der Praxis ist bekannt, die zu messenden Spannung über eine Widerstandskaskade zu teilen und die über einen dieser Widerstände abfallende Spannung mittels eines A/D-Wandlers zu digitalisieren. Dieser digitale Wert kann einem elektronischen Steuergerät zugeführt werden, welches mit diesen Spannungswerten den den jeweiligen Batteriezellen zu- oder abgeführte Strom steuert bzw. regelt.
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Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist jedoch die Vielzahl elektrischer Leitungen, welche bei großen Batterien mit vielen einzelnen Batteriezellen erforderlich sind. Durch die Vielzahl elektrischer Leitungen kann die Betriebssicherheit der Spannungsmessung sinken. Weiterhin wird die Batterie mit hohen wechselnden Strömen betrieben, welche elektromagnetische Wechselfelder in der Nähe der Signalleitungen bewirken. Hierdurch kann die Messwerterfassung gestört sein, so dass fehlerhafte Werte an die Steuer- bzw. Regeleinrichtung geliefert werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung elektrischer Spannungen mit erhöhter Betriebssicherheit anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 9 und eine Batterie gemäß Anspruch 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Messung einer elektrischen Spannung eine Vorrichtung einzusetzen, welche zumindest ein Trägermaterial und einen optischen Sensor enthält. Das Trägermaterial kann ein piezoelektrisches Material enthalten oder daraus bestehen. Unter einem piezoelektrischen Material wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ein Material verstanden, welches bei Anlegen eines elektrischen Feldes eine Längenänderung zeigt. In einigen Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material ein nicht leitendes ferro-elektrisches Material sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial eine Perowskit-Struktur aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das piezoelektrische Material ausgewählt sein aus Quarz, Bariumtitanat, Lithiumniobat, Galliumorthophosphat, Bleizirkonattitanat, Berlinit, Kaliumnitrat oder Langasit. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial mehrschichtig ausgeführt sein, wobei eine Mehrzahl unterschiedlicher Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufeinander abgeschieden ist. In diesem Fall können einzelne Schichten auch aus Materialien bestehen, welche keinen piezoelektrischen Effekt zeigen.
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Auf und/oder im Trägermaterial ist zumindest ein optischer Sensor kraftschlüssig angeordnet. Der optische Sensor enthält zumindest einen Lichtwellenleiter mit zumindest einem Bragg-Gitter. Der Lichtwellenleiter weist zumindest einen Kern und einen den Kern umgebenden Mantel auf. Zwischen Kern und Mantel besteht ein Unterschied im Brechnungsindex, so dass im Kern geführtes Licht an der Grenzfläche zum Mantel totalreflektiert wird. Auf diese Weise kann sich Licht mit geringen Verlusten entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters ausbreiten. Der Mantel des Lichtwellenleiters kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung das Trägermaterial sein, so dass in der Vorrichtung neben dem Kern des Lichtwellenleiters kein geometrisch definierter Mantel sichtbar ist.
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Im Lichtwellenleiter ist zumindest ein Bragg-Gitter angeordnet. Das Bragg-Gitter besteht aus einzelnen Raumbereichen, welche einen Brechzahlunterschied zum Material des Kerns aufweisen. Das Bragg-Gitter ist somit eine periodische Störung des Brechungsindex des Kerns des Lichtwellenleiters. Die einzelnen Raumbereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex haben die Wirkung, dass an jeder Grenzfläche ein Teil des im Kern geführten Lichts reflektiert wird, wohingegen ein anderer Teil des Lichtes transmittiert wird. Die reflektierten und transmittierten Anteile überlagern sich, so dass eine vorgebbare Wellenlänge bzw. ein Wellenlängenbereich vom Bragg-Gitter reflektiert wird, wohingegen Licht anderer Wellenlängen transmittiert wird. Die vom Bragg-Gitter reflektierte Wellenlänge wird von der Gitterkonstante des Bragg-Gitters bestimmt, welche ihrerseits vom Abstand der einzelnen das Bragg-Gitter bildenden Raumbereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex abhängt. Dieser Abstand ist einerseits durch den bei der Herstellung des Bragg-Gitters gewählten Abstand gegeben und ändert sich bei Betrieb der Vorrichtung aufgrund von mechanischen Spannungen im Trägermaterial.
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Da das Trägermaterial ein piezoelektrisches Material enthält oder aus einem solchen besteht, kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Spannung im piezoelektrischen Material erzeugt werden. Durch die kraftschlüssige Verbindung des optischen Sensors mit dem Trägermaterial führt die mechanische Spannung des Trägermaterials zu einer Änderung der Gitterkonstanten des Bragg-Gitters im Lichtwellenleiter, so dass nach Kalibrierung der Vorrichtung aus der Änderung der reflektierten Wellenlänge auf die Höhe der zu messenden bzw. anliegenden elektrischen Spannung geschlossen werden kann. Unter einer kraftschlüssigen Verbindung des optischen Sensors mit dem Trägermaterial wird für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung verstanden, dass eine mechanische Spannung im Trägermaterial eine mechanische Spannung bzw. Verformung des optischen Sensors bewirkt. Dies kann durch Klebung und Laminieren erfolgen oder durch Lasermaterialbearbeitung, so dass ein geometrisch definierter Raumbereich des Trägermaterials den optischen Sensor bildet.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial zwischen etwa 500 nm und etwa 1500 nm optisch transparent sein. In diesem Wellenlängenbereich steht eine große Anzahl an Lichtquellen hoher Güte zur Verfügung, beispielsweise Leuchtdioden, Superlumineszenzdioden oder Halbleiterlaser, so dass eine einfache und zuverlässige Signalauslese möglich ist.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial zwischen etwa 1300 nm und etwa 1600 nm optisch transparent sein. Dieser Wellenlängenbereich wird in der optischen Nachrichtentechnik zur Datenübertragung verwendet. Daher können zur Erzeugung und Auslese des die elektrische Spannung repräsentierenden optischen Messsignals Komponenten aus der Telekommunikation verwendet werden, welche in großen Stückzahlen hergestellt werden und damit leicht und kostengünstig verfügbar sind.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial eine Dicke von etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm aufweisen. Dieser Dickenbereich sichert auch bei geringen absoluten Werten der elektrischen Spannung eine hinreichend hohe Feldstärke im Trägermaterial, so dass eine messbare mechanische Spannung im Trägermaterial induziert wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial an zwei gegenüberliegenden Flächen mit zumindest zwei Elektroden versehen sein, mit welchen ein in etwa orthogonal zur Längserstreckung des Wellenleiters verlaufendes elektrisches Feld erzeugbar ist. Die Anordnung der Elektroden unmittelbar auf dem Trägermaterial erlaubt einen mechanisch robusten Aufbau der Vorrichtung, so dass diese auch bei mechanischer Beanspruchung durch Erschütterung oder Schwingung und in korrosiver Umgebung eingesetzt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die zumindest zwei Elektroden durch Klebung auf der Oberfläche des Trägermaterials befestigt sein. Beispielsweise können die Elektroden aus Dünnblech bzw. Folie gefertigt sein und mittels eines Klebstoffes, beispielsweise Epoxydharz, auf dem Trägermaterial befestigt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Elektroden durch Siebdruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck oder Pastendruck mit elektrisch leitfähigen Tinten auf das Trägermaterial aufgedruckt sein. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die zumindest zwei Elektroden durch Dünnschichttechniken wie Aufdampfen, Sputtern oder galvanisches oder außenstromloses Abscheiden auf das Trägermaterial aufgebracht werden. Diese Verfahren erlauben Elektroden mit guter Haftfestigkeit und damit hoher mechanischer Beständigkeit herzustellen und gleichzeitig eine Miniaturisierung der Vorrichtung, wenn die Elektroden in einem nachfolgenden Schritt durch Photolithographie und/oder Ätzen strukturiert werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zumindest ein Lichtwellenleiter und/oder zumindest ein Bragg-Gitter durch Laserbestrahlung des Trägermaterials erhältlich sein bzw. erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserbestrahlung durch Punkt-zu-Punkt-Schreiben mit einem Kurzpulslaser erfolgen. Der Kurzpulslaser kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Pulsdauer von etwa 50 fs bis etwa 10 ps aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase die Pulsform beeinflusst werden, so dass der Kurzpulslaser statt Einzelpulsen Pulszüge aussendet, welche jeweils eine Mehrzahl von Einzelpulsen enthalten. Benachbarte Einzelpulse eines Pulszuges weisen dabei einen geringeren zeitlichen Abstand zueinander auf als benachbarte Pulszüge.
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In jedem Fall bewirkt die Absorption der Laserstrahlung im Trägermaterial eine Änderung des Brechungsindex, so dass im Trägermaterial der Kern eines Lichtwellenleiters ausgebildet werden kann. Durch nochmaliges Bestrahlen von einzelnen Raumbereichen des Kerns kann eine weitere Änderung des Brechungsindex erfolgen, so dass sich im Kern zumindest ein Bragg-Gitter ausbildet. Dieses Herstellungsverfahren ist schnell und einfach durchführbar, so dass die beschriebene Vorrichtung als Massenprodukt in hohen Stückzahlen gefertigt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Lichtwellenleiter eine Glas- oder Polymerfaser sein, welche durch Kleben, Löten, Schweißen oder Sintern mit dem Trägermaterial kraftschlüssig verbunden ist.
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Zur Messung einer Mehrzahl elektrischer Spannungen an unterschiedlichen Orten, beispielsweise zur Messung der Zellspannungen einer mehrere Batteriezellen enthaltenden Batterie, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, eine Mehrzahl von Trägermaterialien mit zugeordneten optischen Sensoren durch optischen Fasern zu verbinden, beispielsweise Glas- oder Polymerfasern. Die optischen Sensoren unterschiedlicher Trägermaterialien können in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine unterschiedliche Gitterkonstante des jeweils enthaltenen Bragg-Gitters aufweisen, so dass unterschiedliche Trägermaterialien und damit unterschiedliche Messorte durch das vom jeweiligen optischen Sensor reflektierte optische Spektrum diskriminiert werden können. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann zusätzlich oder ausschließlich ein gepulstes optisches Signal zur Messung der mechanischen Spannung verwendet werden, so dass unterschiedliche Messorte aufgrund der Signallaufzeit des optischen Signals unterschieden werden können.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial einen zweiten optischen Sensor enthalten, welcher im piezoelektrischen Material so angeordnet ist, dass sich die Gitterkonstante des darin enthaltenen Bragg-Gitters unter dem Einfluss der mechanischen Spannung des Trägermaterials nicht ändert bzw. die Änderung unterhalb eines vorgebbaren Grenzwertes bleiben. Ein solcher zweiter optischer Sensor kann dazu eingesetzt werden, die Temperatur des Trägermaterials zu erfassen, was eine Temperaturkompensation des Messsignals ermöglicht. Hierdurch kann die Messgenauigkeit der elektrischen Spannung weiter erhöht werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die zur Verbindung einer Mehrzahl von Trägermaterialien eingesetzten optischen Fasern ihrerseits zumindest ein Bragg-Gitter enthalten. Dies ermöglicht die Temperaturmessung am Ort des Bragg-Gitters, so dass mit einer einzigen, die Batteriezellen verbindenden optischen Faser sowohl die elektrische Spannung als auch die Temperatur in bzw. an den Batteriezellen bestimmt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial zumindest eine Aussparung aufweisen, welche zur Aufnahme einer optischen Faser vorgesehen ist. Dies ermöglicht den Anschluss von an sich bekannten Glas- oder Polymerfasern, um dem auf dem Trägermaterial angeordneten optischen Sensor ein optisches Abfragesignal zuzuführen und das vom Bragg-Gitter reflektierte bzw. transmittierte Licht einem Analysator zuzuführen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann dieser Analysator ein Mikrospektrometer sein, beispielsweise ein Arrayed-Waveguide-Grating. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Aussparung des Trägermaterials einen V-förmigen Querschnitt aufweisen. Dies ermöglicht eine eindeutige Positionierung einer Glas- oder Polymerfaser mit rundem Querschnitt, da diese in Abhängigkeit des Öffnungswinkels und der Tiefe der Aussparung sowie dem Außendurchmesser der optischen Faser stets so angeordnet werden kann, dass der Kern der optischen Faser mit dem Kern des Lichtwellenleiters auf einer gemeinsamen optischen Achse liegt.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der vorgeschlagenen Vorrichtung.
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3 zeigt die Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Überwachung einer Batterie.
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1 zeigt den Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Dargestellt ist ein Trägermaterial 10 in Form eines in etwa rechteckigen Plättchens. Die Dicke kann zwischen etwa 0,1 mm und etwa 1 mm betragen.
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Das Trägermaterial 10 weist eine erste Seite 101 und eine gegenüberliegende zweite Seite 102 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Trägermaterial 10 im Wesentlichen homogen ausgeführt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Trägermaterial 10 als piezoelektrischer Polymorph ausgeführt sein, beispielsweise als Bimorph oder Trimorph. Ein solcher Polymorph enthält eine Mehrzahl von Materiallagen mit unterschiedlichem Ausdehnungsverhalten, so dass ein vorgebbares elektrisches Feld eine größere mechanische Verformung bewirkt. Die Vorrichtung 1 kann dann eine größere Messgenauigkeit und/oder eine verbesserte Empfindlichkeit aufweisen.
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Ein homogenes Trägermaterial 10 gemäß 1 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung dadurch erhalten werden, dass Kaliumnitrat durch Laserstrahlung aufgeschmolzen und in einem Fallturm abgekühlt wird. Die erhaltenen Kugeln können nachfolgend versintert und getempert werden, um ein piezoelektrisches Trägermaterial 10 zu erhalten.
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Im Trägermaterial 10 wird durch Bestrahlung mit einem Kurzpulslaser ein Lichtwellenleiter 21 ausgebildet. Der Lichtwellenleiter 21 weist einen größeren Brechungsindex auf als das umgebende Trägermaterial, so dass eingekoppeltes Licht entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters propagiert, wobei an den Grenzflächen zum Trägermaterial Totalreflektion auftritt.
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Im Lichtwellenleiter 21 ist eine Mehrzahl von Raumbereichen 25 ausgebildet, welche einen gegenüber dem Kern 21 veränderten Brechungsindex aufweisen. Diese periodische Variation des Brechungsindex bildet ein Bragg-Gitter 3. Der Lichtwellenleiter 21 mit zumindest einem Bragg-Gitter 3 wird im Sinne der vorliegenden Beschreibung als optischer Sensor 2 bezeichnet.
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Der optische Sensor 2 muss nicht zwingend in der Mitte des Trägermaterials 10 angeordnet sein. Er kann auch in einigen Ausführungsformen der Erfindung näher an der ersten Seite 101 oder näher an der zweiten Seite 102 angeordnet sein. In diesem Fall können stärkere Verformungen auftreten, so dass auch geringe elektrische Spannungen eine vergleichsweise große mechanische Spannung auf den optischen Sensor 2 ausüben, so dass die Messgenauigkeit erhöht wird.
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Auf der ersten Seite 101 des Trägermaterials 10 befindet sich eine erste Elektrode 12 und auf der gegenüberliegenden zweiten Seite 102 ist eine zweite Elektrode 13 angeordnet. Die Elektroden können durch an sich bekannte Dünnschichtverfahren aufgebracht werden, beispielsweise Sputtern, Aufdampfen, Druckverfahren oder galvanisches Abscheiden. Die Elektroden 12 und 13 werden mit der zu messenden Spannungsquelle verbunden, so dass sich im Inneren des Trägermaterials 10 ein elektrisches Feld E ausbildet. Das elektrische Feld führt zur piezoelektrischen Verformung des Trägermaterials 10, welche durch Änderung der Gitterkonstanten des Bragg-Gitters 3 nachgewiesen werden kann. Da die Verformung proportional zum elektrischen Feld E ist, kann die elektrische Spannung aus der Änderung der Gitterkonstanten des Bragg-Gitters 3 ermittelt werden.
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Nach Kalibrierung erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung daher die Messung elektrischer Spannung durch ein optisches Signal, so dass eine störungssichere Messung möglich ist und eine Mehrzahl von elektrischen Spannungen mit nur einer einzigen Leitung erfolgen kann. Dadurch kann die Betriebssicherheit erhöht sein.
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2 zeigt eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
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Auch die Ausführungsform gemäß 2 weist ein Trägermaterial 10 auf. Im Trägermaterial 10 ist ein optischer Sensor 2 mit einem Bragg-Gitter 3 angeordnet. Auf gegenüberliegenden Seiten befinden sich Elektroden 12 und 13, welche zumindest in einem Teilvolumen des Trägermaterials 10 ein elektrisches Feld erzeugen können, wenn an die Elektroden eine elektrische Spannung angelegt ist.
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Weiterhin ist in 2 die elektrische Beschaltung dargestellt. Eine Batteriezelle 61 weist zwei Anschlusskontakte bzw. Pole auf, an welchen die zu messende Spannung abgegriffen werden kann. Dabei wird jeder Pol über Anschlussleitungen 81 und 82 mit einer zugeordneten Elektrode 12 und 13 verbunden. Da das Substrat 10 nicht leitend ist, bildet sich im Inneren des Substrats 10 ein elektrisches Feld aus, wie vorstehend beschrieben. Dadurch wird zumindest in einem Teilvolumen des Trägermaterials 10 eine piezoelektrische Verformung ausgelöst.
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Weiterhin ist in 2 ersichtlich, dass das Trägermaterial 10 beidseitig eine Aussparung 15 aufweist. Die Aussparung 15 schließt sich beiderseits an die Enden des optischen Sensors 2 an. Die Aussparungen 15 weisen ein in etwa V-förmiges Profil auf. Hierdurch kann der optische Sensor 2 durch optische Fasern kontaktiert werden, beispielsweise eine Glas- oder Polymerfaser. Hierzu wird die Form und Größe des Querschnitts der Aussparungen 15 so gewählt, dass der Außendurchmesser der optischen Faser in der Aussparung 15 aufgenommen werden kann, wobei der Kern der optischen Faser zusammen mit dem Lichtwellenleiter 21 des optischen Sensors 2 auf einer gemeinsamen optischen Achse liegt. Hierdurch kann Licht mit geringen Verlusten in den optischen Sensor 2 ein- und ausgekoppelt werden. Dies ermöglicht das Einkoppeln eines optischen Abfragesignals und das Auskoppeln des vom Bragg-Gitter 3 reflektierten Lichtes, so dass dieses einem Spektrometer zur Analyse zugeführt werden kann.
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3 zeigt nochmals die Anwendung der in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtung 1 zur Überwachung einer Batterie 6. Die Batterie 6 ist aus einer Mehrzahl von Batteriezellen zusammengesetzt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind exemplarisch zwei Batteriezellen 61 und 62 dargestellt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Batteriezellen auch größer sein und beispielsweise zwischen sechs und 6000 betragen. Die Batteriezellen können in an sich bekannter Weise seriell und/oder parallel zueinander verschaltet sein, so dass die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom der Batterie 6 größer ist als die Strom- oder Spannungswerte einer einzelnen Batteriezelle 61.
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Aufgrund von Fertigungstoleranzen ist die Spannungs- und/oder Strombelastbar einzelner Batteriezellen 61 und 62 innerhalb einer Batterie 6 unterschiedlich. Zur Verlängerung der Lebensdauer und/oder der Betriebssicherheit ist daher bekannt, einen Lade- oder Entladestrom in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Batteriezelle selektiv zu regeln. Speziell bei Batterien 6 mit einer großen Anzahl von Batteriezellen ist die dafür erforderliche Bestimmung der Zellspannung sehr aufwändig.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel an jeder Batteriezelle 61 und 62 so angeordnet, dass diese über zugeordnete Leitungsverbinder 82 mit den jeweiligen Anschlusskontakten bzw. Batteriepolen 611, 612, 621 und 622 der Batteriezellen 61 und 62 verbunden werden kann. Auf diese Weise ist das Trägermaterial 10 permanent einem elektrischen Feld ausgesetzt, welches zur Zellspannung der Batteriezellen proportional ist. Die dadurch hervorgerufene Verformung des piezoelektrischen Trägermaterials 10 kann durch den in der Vorrichtung 1 angeordneten optischen Sensor gemessen werden.
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Zur Auslese des optischen Sensors dient eine optische Faser 5, welche beispielsweise eine Glas- oder Polymerfaser sein kann. Die optische Faser 5 verbindet die Vorrichtungen 1 der einzelnen Batteriezellen 61 und 62 mit einer Auswerteschaltung 7. Die Auswerteschaltung 7 enthält zumindest eine Lichtquelle 71, beispielsweise eine Superlumineszenzdiode, welche eine breitbandige elektromagnetische Strahlung aussenden kann. Das Licht der Lichtquelle 71 wird in die optische Faser eingekoppelt und propagiert entlang deren Längserstreckung. Innerhalb der Batteriezellen 61 und/oder 62 können optional Temperatursensoren 55a, 55b, 55c und 55d angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in jeder Batteriezelle 61 zwei Temperatursensoren 55 angeordnet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Temperatursensoren größer oder auch geringer sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Temperatursensoren 55 auch entfallen. Die Temperatursensoren 55 enthalten jeweils ein Bragg-Gitter, welches analog dem anhand von 1 erläuterten Bragg-Gitter 3 aufgebaut ist. Die Bragg-Gitter 55 zur Temperaturmessung und die Bragg-Gitter 33 in den Vorrichtungen 1 können sich durch ihre Gitterkonstante unterscheiden, so dass jedes Bragg-Gitter einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich reflektiert und die verbleibenden Wellenlängen transmittiert. Auf diese Weise kann der jeweilige Messort in der Vorrichtung 7 aufgrund des Wellenlängenbereichs diskriminiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Messort auch durch die Signallaufzeit des optischen Signals auf der optischen Faser 5 unterschieden werden.
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Eine Veränderung der Temperatur der Batteriezelle 61 oder 62 bewirkt eine Änderung der Gitterkonstanten der Temperatursensoren 55. Eine Änderung der elektrischen Spannung verändert die auf das Trägermaterial 10 der Vorrichtung 1 einwirkende mechanische Spannung und dadurch die Gitterkonstanten der Bragg-Gitter 3 in den Vorrichtungen 1. Auf diese Weise kann die Veränderung des reflektierten Spektrums als Maß für die Zelltemperatur der Batteriezellen 61 und 62 und als Maß für die Zellspannung der Batteriezellen 61 und 62 verwendet werden. Aufgrund des optischen Messprinzips ist die Bestimmung der Temperaturen und der Zellspannungen mechanisch robust und durch elektromagnetische Störfelder unbeeinflusst möglich. Da eine optische Faser eine Mehrzahl von Batteriezellen überwachen kann, kann die Verkabelung der Batterie 6 einfach mit einer reduzierten Anzahl von Leitungen und damit mechanisch robust und zuverlässig erfolgen.
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Zur Analyse des von den Bragg-Gittern reflektierten Lichtes steht in der Einrichtung 7 ein Mikrospektrometer 72 zur Verfügung. Das Mikrospektrometer 72 kann beispielsweise ein AWG enthalten und damit zusammen mit einer Auswerteelektronik und/oder der Lichtquelle 71 monolithisch in einer integrierten optischen Komponente aufgebaut sein.
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Die von der Einrichtung 7 gemessenen Temperatur- und Spannungswerte der einzelnen Batteriezellen können als optisches oder elektrisches Signal an ein Batteriemanagementsystem 75 geleitet werden, welches beispielsweise Bestandteil eines Fahrzeuges oder einer elektrischen Maschine ist. Hierdurch kann der Lade- und/oder Entladestrom für jede Batteriezelle 61 oder 62 individuell bestimmt werden um die maximale Leistung und/oder Lebensdauer der Batterie 6 sicherzustellen.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
