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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung von Kenngrößen eines elektrochemischen Energiespeichers. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit zur Erhöhung der Robustheit und der kostengünstigen Integration einer Messfunktionalität in Anschlüsse eines elektrochemischen Energiespeichers.
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Für die Ermittlung verschiedener Batteriekenngrößen (z.B. des Ladezustandes, eines Ladestroms etc.) werden in Batterien typischerweise Stromsensoren verbaut. Diese Stromsensoren sind bislang als Shunt-Sensoren oder Hall-Sensoren ausgestaltet. Diese bekannten Anordnungen sind zwar vergleichsweise kostengünstig, jedoch ist ihre Störunanfälligkeit nicht für jeden Einsatzzweck ausreichend. Zudem ist ihre Integration in die elektrochemischen Energiespeicher nicht hinreichend einfach und kostengünstig ausführbar. Beispielsweise muss ein Shunt in den Stromfluss des elektrochemischen Energiespeichers integriert werden, um über denselben eine dem Stromfluss proportionale Spannung abgreifen und auswerten zu können. Hall-Sensoren sind durch äußere Magnetfelder leicht beeinflussbar und stellen daher unter bestimmten Bedingungen keine hinreichend genaue Messanordnung dar. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Stand der Technik bekannten Nachteile bei der Messung elektrischer Kenngrößen eines elektrochemischen Energiespeichers auszuräumen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Ermittlung von Kenngrößen eines elektrochemischen Energiespeichers vorgeschlagen. Diese löst die vorgenannte Aufgabe mittels der folgenden Bestandteile: Ein erster Bestandteil der Anordnung ist ein Gradientensensor, umfassend eine Brückenschaltung aus anisotropen magnetoresistiven Widerstandselementen. Der Aufbau einer Brückenschaltung lässt sich durch eine Parallelschaltung zweier Reihenschaltungen zweier elektrischer Bauteile beschreiben, wobei zwischen den in Reihe geschalteten Bauelementen eine Brückenspannung ermittelt werden kann. Diese Spannung hängt insbesondere von der Dimensionierung der elektrischen Komponenten der Brückenschaltung ab. Erfindungsgemäß werden anisotrope magnetoresistive Widerstandselemente verwendet. Deren Widerstand hängt von einer Richtung und Stärke eines auf sie wirkenden bzw. in ihnen wirkenden magnetischen Feldes ab. Zum anisotropen magnetoresistiven Effekt wird auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Weiter umfasst die Anordnung einen im Betrieb des Energiespeichers von einem Strom des Energiespeichers durchflossenen Leiter. Dabei ist der Strom ein solcher, der Aufschluss über die zu ermittelnden Kenngrößen ermöglicht. Der Leiter kann also beispielsweise an einem Anschlusskontakt des elektrochemischen Energiespeichers oder an einer seiner Zellen angeordnet sein. Dieser Leiter weist einen ersten Abschnitt auf, der eingerichtet ist, vornehmlich eine erste Seite der Brückenschaltung magnetisch zu beeinflussen. Insbesondere eignet sich hierfür eine räumliche Nähe, beispielsweise parallel zu einem ersten und einem dritten Element der Brückenschaltung.
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Zur Verbesserung der Linearität können die Vorzugsrichtungen des ersten elektrischen Bauteils bzw. dessen AMR-Materials anders angeordnet sein, als die Vorzugswichtung des dritten elektrischen Bauteils bzw. dessen AMR-Materials. Insbesondere bevorzugt können die Vorzugsrichtungen beider in Reihe geschalteter AMR-Materialien senkrecht (90°) zueinander angeordnet sein. Auf diese Weise lässt sich in einfacher Weise eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit der Widerstandsänderung vom auf die Elemente wirkenden Magnetfeld erreichen. Gleichermaßen wird ein zweiter Abschnitt des Leiters eingerichtet, vornehmlich eine zweite Seite der Brückenschaltung magnetisch zu beeinflussen. Es gelten die in Verbindung mit dem ersten Abschnitt gemachten Ausführungen. Dabei sind erfindungsgemäß der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt derartig zur Brückenschaltung angeordnet, dass ein Stromfluss durch den Leiter eine über der Brückenschaltung messbare elektrische Spannung erzeugt. Hierzu wird die Brückenschaltung durch eine Versorgungsspannung unter Strom gesetzt, welcher in den Elementen der Brückenschaltung vom Stromfluss bzw. dessen Magnetfeld abhängige Spannungsabfälle und somit eine Brückenspannung erzeugt. Beispielsweise können der erste Zweig der Brückenschaltung und der zweite Zweig der Brückenschaltung symmetrisch zueinander aufgebaut sein. Auf diese Weise erzeugt ein in entgegengesetzte Richtungen gerichteter Stromfluss durch den ersten Abschnitt des Leiters und den zweiten Abschnitt des Leiters entgegengesetzte Spannungsänderungen im ersten Zweig und im zweiten Zweig. Diese kann als Brückenspannung bzw. Brückensignal differentiell gemessen werden. Dies bietet den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Anordnung im Wesentlichen robust gegenüber der Einwirkung von Fremdmagnetfeldern ist. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für den Einsatz in Fortbewegungsmitteln und Automobilen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist der Leiter als Sicherung, insbesondere als Schmelzsicherung, ausgestaltet, welche zur Absicherung eines elektrochemischen Energiespeichers häufig ohnehin vorgesehen wird. Dabei ist die Sicherung meist in einem leicht zugänglichen Bereich des Energiespeichers angeordnet, um nach dem Ansprechen der Sicherung selbige einfach und kostengünstig ersetzen zu können. Dies bietet den Vorteil, dass die Integration der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls kostengünstig, da in einem leicht zugänglichen Bereich, vorgenommen werden kann.
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Bevorzugt ist der erste Abschnitt des Leiters zur ersten Seite der Brückenschaltung im Wesentlichen parallel. Zusätzlich ist der zweite Abschnitt des Leiters zur zweiten Seite der Brückenschaltung im Wesentlichen parallel bzw. antiparallel orientiert. Auf diese Weise ist eine Wirkung des ersten Abschnittes insbesondere auf die erste Seite der Brückenschaltung und eine Wirkung des zweiten Abschnittes insbesondere auf die zweite Seite der Brückenschaltung gewährleistet. Im Falle einer anti-parallelen Anordnung sind die Leiter zwar parallel zueinander bzw. parallel zu einem jeweiligen Zweig der Brückenschaltung angeordnet, werden jedoch in einander entgegengesetzte Richtungen vom Strom durchflossen. Auf diese Weise ist ein sicheres Ansprechen bzw. eine hohe Empfindlichkeit der Brückenschaltung gewährleistet und die Robustheit gegenüber externen Magnetfeldern kann weiter erhöht werden.
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Weiter bevorzugt sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Leiters in Reihe zueinander angeordnet. Mit anderen Worten durchfließt derselbe Strom zunächst den ersten Abschnitt und anschließend den zweiten Abschnitt des Leiters. Zu diesem Zweck kann der Leiter schleifenförmig um die Brückenschaltung herumgeführt werden. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die Stromführung durch den Leiter trotz Anpassung an die Brückenschaltung einfach herzustellen ist.
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Insbesondere bevorzugt ist der Leiter U-förmig ausgestaltet, wobei die parallelen Schenkel des "U"s durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt des Leiters gebildet werden. Diese parallelen Schenkel sind dabei im Wesentlichen für die messtechnisch erfassbare Wirkung des Stroms auf die Brückenschaltung verantwortlich, während der Boden bzw. die Talsohle des "U"s im Wesentlichen ohne Einfluss auf die Messanordnung ist.
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Bevorzugt sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Leiters in einer anderen Ebene als die Widerstandselemente der Brückenschaltung angeordnet. Geht man beispielsweise davon aus, dass die Elemente der Brückenschaltung jeweils in ihrer gemeinsamen Ebene stärker ausgebreitet sind, als in einer Richtung senkrecht zur gemeinsamen Ebene, haben insbesondere solche Magnetfeldanteile einen Einfluss auf den Widerstand des AMR-Materials der Elemente, welche sich in derselben gemeinsamen Ebene erstrecken. Da das Magnetfeld eines (unendlich langen) Leiters denselben in konzentrischen Kreisen umschließt, kann durch die bevorzugte Anordnung in unterschiedlichen Ebenen eine besonders starke Wirkung auf die Brückenspannung erzeugt werden. Besonders stark ist der Einfluss auf die Brückenspannung, wenn der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Leiters in einer Richtung senkrecht zur Hauptebene der Brückenelemente versetzt angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Brückenschaltung hinsichtlich des Stromes durch den elektrochemischen Energiespeicher besonders empfindlich wird.
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Der Leiter kann dabei vorzugsweise als Stanzteil, insbesondere aus Kupferblech, gefertigt sein. Dies ist in vielen Anwendungen bereits heute der Fall. Durch lediglich geringe Werkzeugänderungen kann der Leiter so ausgestaltet werden, dass eine einfache Positionierung hinsichtlich des erfindungsgemäßen Gradientensensors ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist der Gradientensensor dabei als vorgefertigte Baugruppe ausgestaltet. Mit anderen Worten kann die Brückenschaltung, optional auch eine Auswerteelektronik des Gradientensensors in ein separates Bauteil integriert werden, welches anschließend am Leiter des elektrochemischen Energiespeichers fixiert wird. Dies kann insbesondere bevorzugt mittels einer Klebverbindung erfolgen. Alternativ kann der Gradientensensor auch mittels eines Harzes oder durch einen Mould-Vorgang mit dem Leiter des elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere auch mit dem Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers, verbunden werden. Dies macht die erfindungsgemäße Anordnung auch gegenüber mechanischen Einflüssen robust. Zudem kann eine fluiddichte Verbindung zur Verhinderung von Korrosion hergestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrochemischer Speicher unter Schutz gestellt, welcher mindestens eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst, wie sie oben im Detail diskutiert worden ist. Insbesondere kann der elektrochemische Speicher mehrere elektrochemische Speicherzellen umfassen, welche jeweils eine erfindungsgemäße Anordnung umfassen oder durch eine gemeinsame erfindungsgemäße Anordnung abgesichert sein können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine Messanordnung mittels eines Shunts;
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2 eine schematische Ansicht einer Brückenschaltung mit anisotropen magnetoresistiven Widerstandselementen;
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3 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Speicherzelle mit einer Schmelzsicherung; und
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4 eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Gradientensensors in Kombination mit einem elektrischen Leiter eines elektrochemischen Speichers.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Anordnung zur Messung eines Stroms und Absicherung eines elektrochemischen Energiespeichers. Exemplarisch ist eine Zelle 1 des elektrochemischen Energiespeichers dargestellt, in Reihe zu welcher ein Shunt RS angeordnet ist. Über dem Shunt RS ist der Eingang eines Operationsverstärkers OP als Messverstärker angeordnet, dessen Ausgang mit einem Mikrocontroller 12 als Auswerteeinheit verbunden ist. Zwei Schütze 2 sind zwischen den vorbeschriebenen Elementen und jeweils einem elektrischen Anschluss 4, 5 des elektrochemischen Speichers vorgesehen.
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2 zeigt einen elektrischen Leiter 3, der im Wesentlichen Tor- oder Hufeisenförmig ausgestaltet ist. Ein erster Abschnitt 6 und ein zweiter Abschnitt 8 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Sie werden vom gleichen Strom I durchflossen, der durch einen dritten Abschnitt 7 zwischen dem ersten Abschnitt 6 und dem zweiten Abschnitt 8 geleitet wird. Senkrecht zur Zeichnungsebene versetzt ist ein Gradientensensor mit einer Brückenschaltung 20 im Wesentlichen parallel zu den Abschnitten 6, 8 angeordnet. Die Brückenschaltung weist eine erste Seite, umfassend ein erstes anisotropes magnetoresistives Widerstandselement AMR1 und ein in Reihe zu diesem angeordnetes anisotropes magnetoresistives Widerstandselement AMR3 auf. Parallel zu diesem Zweig ist eine zweite Seite der Brückenschaltung 20 vorgesehen, welche ein drittes anisotropes magnetoresistives Widerstandselement AMR2 und ein viertes anisotropes magnetoresistives Widerstandselement AMR4 aufweist. Jeweils zwischen den Widerstandselementen der ersten und der zweiten Seite wird eine Brückenspannung UM erzeugt, indem der Stromfluss I in unterschiedliche Richtungen gerichtete Magnetfeldkomponenten Hx induziert. Durch parallele Striche in den Widerstandselementen AMR1 bis AMR4 sind innerhalb der beiden Seiten der Brückenschaltung 20 senkrecht zueinander orientierte Vorzugsrichtungen der in Reihe geschalteten Widerstandselemente angedeutet. Da beide Seiten der Brückenschaltung 20 jedoch symmetrisch aufgebaut sind, führen die in einander entgegengesetzte Richtungen orientierten Komponenten Hx der parallel zu den Seiten der Brückenschaltung angeordneten Abschnitte 6, 8 zu vom Vorzeichen her entgegengesetzten Spannungsänderungen. Aufgrund einer Versorgungsspannung UB über der Brückenschaltung 20 befinden sich die Messabgriffe 9 und 10 beiderseits der Brückenschaltung 20 auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht nun darin, dass bei Einstrahlung eines magnetischen Gleichfeldes (z.B. durch eine externe Störung) beide Halbbrücken gleich ausgesteuert werden. Mit anderen Worten geht ein externes Störfeld also nicht in das Messergebnis (die Brückenspannung UM) ein.
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3 zeigt eine Speicherzelle 11 eines elektrochemischen Energiespeichers, der zwei von außen kontaktierbare elektrische Anschlüsse 4, 5 aufweist. Einer der elektrischen Anschlüsse 5 weist eine Zellsicherung auf, die durch einen Metallsteg 3 realisiert ist. Dabei wird der Metallsteg 3 von einem Strom durchflossen, der auch die Zelle 11 durchfließt. Bei einer Überhitzung des Metallsteges 3 (z.B. durch einen überhöhten Stromfluss durch die Zelle 11) schmilzt der Metallsteg 3, der somit eine Schmelzsicherung der Zelle 11 darstellt.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Anordnung einer Brückenschaltung 20 eines Gradientensensors an einem Metallsteg 3 als Leiter der Zelle 11. Dabei ist der Leiter 3 im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet, wobei ein erster Abschnitt 6 und ein zweiter Abschnitt 8 des Leiters 3 an einander gegenüberliegenden Seiten der Brückenschaltung 20 vorbeigeführt werden. Der erste Abschnitt 6 und der zweite Abschnitt 8 sind durch einen dritten Abschnitt 7 des Leiters 3 miteinander verbunden. Innerhalb des U's ist die Brückenschaltung 20 dargestellt. Wie weiter oben bereits ausgeführt, kann es dabei vorteilhaft sein, dass der Gradientensensor bzw. die Brückenschaltung 20 in eine Richtung senkrecht zur Zeichenebene bzw. senkrecht zur Erstreckungsrichtung des U's versetzt, also z.B. oberhalb des Leiters, angeordnet ist. Bei einer auf der Zelle 11 implementierten Elektronik, die ebenfalls die Zellspannung misst, können so bei Kenntnis des erfindungsgemäß ermittelten Stroms zellindividuell alle wesentlichen Kenngrößen, wie Lade- und Alterungszustand, bestimmt werden.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
