DE102016207334A1

DE102016207334A1 - Messvorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur sowie Batterievorrichtung

Info

Publication number: DE102016207334A1
Application number: DE102016207334.6A
Authority: DE
Inventors: Jose LOPEZ DE ARROYABE
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1) zur Bestimmung einer Temperatur, mit einer mehrlagigen Leiterplatte (2), mit einer Sensoreinrichtung (6), welche auf der Leiterplatte (2) angeordnet ist und welche Messwerte ausgibt, und mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung (26), welche elektrisch mit der Sensoreinrichtung (6) verbunden ist und zur Umrechnung der Messwerte in Temperaturwerte eingerichtet ist. Um eine solche Messvorrichtung (1) zu schaffen, welche besonders kostengünstig automatisiert herstellbar ist und eine besonders zuverlässige Temperaturbestimmung eines festgelegten Bereiches (4) erlaubt, ist es vorgesehen, dass die Leiterplatte (2) in einem Kontaktmessbereich (22) wenigstens zwei galvanisch getrennte Lagenanordnung (18, 21) aufweist, welche in dem Kontaktmessbereich (22) einander zumindest teilweise flächig überlappend angeordnet sind und jeweils wenigstens eine elektrisch leitfähige Lage (10, 11, 12, 13, 14) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine Batterievorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.
Eine solche Messvorrichtung, welche eine Leiterplatte und eine Sensoreinrichtung umfasst, ist bereits aus verschiedenen Anwendungsbereichen bekannt. Dabei kann die Sensoreinrichtung gerade in dem Bereich auf die Leiterplatte gelötet sein, dessen Temperatur bestimmt werden soll. Solche bekannten Messvorrichtungen sind jedoch oftmals nicht optimal beziehungsweise nicht optimal zuverlässig und genau in der Lage, die Temperatur eines vorgegebenen bestimmten Bereiches oder Bauteils zu erfassen. Dies ist vor allem dadurch begründet, dass typische Leiterplatten, gerade auch gegenüber metallischen Anschluss- beziehungsweise Leiterbahnen, keine guten Wärmeleitungseigenschaften – beispielsweise einen Wärmeleitwert von 0,3 W/K – aufweisen. Dies führt dazu, dass an sich nicht relevante oder interessierende Temperaturen beispielsweise der die Sensoreinrichtung kontaktierenden metallischen Leiterbahnen, sonstiger umgebender Bauteile und Bereiche der Leiterplatte oder auch der umgebenden Luft auch in typischen Betriebssituationen signifikanten Einfluss auf die von der Sensoreinrichtung ausgegebenen Messwerte haben können, während die eigentlich zu bestimmende Temperatur nicht zuverlässig und schnell an die Sensoreinrichtung übertragen beziehungsweise weitergeleitet wird.
Weiterhin ist speziell aus dem Fahrzeugbau eine Anordnung zur Bestimmung einer Zellentemperatur eines Batteriemoduls bekannt, bei der ein Metallgitter (Zellkontaktierungssystem) mit einem Pol einer Batteriezelle verschweißt ist und an bestimmten Punkten dieses Metallgitters Temperatursensoren aufgeklebt beziehungsweise vorgesehen sind. Die Temperatursensoren sind mittels jeweiliger Kabel beziehungsweise Leitungen mit einer Messelektronik verbunden, welche wiederum mittels entsprechender Kabel oder Leitungen und einer Steckverbindung an ein Steuergerät angeschlossen ist. Eine solche Anordnung ist aufwendig, wenig robust und insbesondere hinsichtlich der Herstellung zeit- und kostenintensiv.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur zu schaffen, welche besonders kostengünstig automatisiert herstellbar ist und eine besonders zuverlässige Temperaturbestimmung eines festgelegten Bereiches erlaubt. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit einer solchen Messvorrichtung ausgestattete Batterievorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
Für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung ist es vorgesehen, dass die Leiterplatte in einem Kontaktmessbereich wenigstens zwei galvanisch getrennte Lagenanordnungen aufweist, welche in dem Kontaktmessbereich einander zumindest teilweise flächig überlappend verschachtelt angeordnet sind und jeweils wenigstens eine elektrisch leitfähige Lage umfassen. Bei diesen Lagen kann es sich insbesondere um, bevorzugt aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung gefertigte, elektrisch leitfähige Lagen der Leiterplatte handeln. Zwischen diesen Lagen können zur galvanischen Trennung geeignete Schichten der Leiterplatte angeordnet sein.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem Kontaktmessbereich ein Flächenbereich beziehungsweise ein Abschnitt der Leiterplatte zu verstehen, in dem die Lagenanordnungen angeordnet sind und der zur Bestimmung der Temperatur eines anderen Bauteils, Flächenbereiches oder Materials mit diesem ganz oder teilweise in einem flächigen, direkten oder indirekten mechanischen Kontakt steht beziehungsweise gebracht wird. Ein indirekter Kontakt kann dabei beispielsweise unter Vermittlung einer zumindest bei Kontaktherstellung plastisch verformbaren Wärmeleitplaste, welche insbesondere auch elektrisch leitfähig sein kann, aber nicht zwangsläufig sein muss, hergestellt werden.
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung kann vorteilhaft besonders einfach in bestehende automatisierte Fertigungsverfahren beispielsweise für – gegebenenfalls auch mit sonstigen elektronischen Bauteilen bestückte – Leiterplatten integriert werden und ist damit besonders schnell und kostengünstig unter geringem zusätzlichem Material- und Ressourceneinsatz herstellbar. Durch die flächig überlappende Anordnung der Lagen steht eine möglichst große Fläche für einen Wärmeübertrag zur Verfügung, wodurch vorteilhaft ein besonders geringer Wärmedurchgangswiderstand der gesamten Leiterplatte in dem Kontaktmessbereich erzielt wird. Damit wird eine besonders schnelle und zuverlässige Temperaturmessung genau desjenigen Bauteils oder Materials, das flächig mit dem Kontaktmessbereich in Verbindung beziehungsweise Berührung steht, ermöglicht. Die Verwendung von elektrisch leitfähigem Material für die Lagen garantiert dabei eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit.
Die Sensoreinrichtung ist besonders vorteilhaft in dem Kontaktmessbereich selbst oder in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet, wodurch eine besonders zuverlässige und genaue Temperaturmessung ermöglicht wird und Temperaturänderungen möglichst schnell beziehungsweise zeitnah zu ihrem Auftreten erfassbar sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Lagenanordnungen jeweils wenigstens zwei elektrisch leitfähig miteinander verbundene Lagen, wobei jeweils zwei Lagen einer ersten der beiden Lagenanordnungen durch eine Lage einer zweiten der beiden Lagenanordnungen voneinander beabstandet sind und umgekehrt. Mit anderen Worten ergibt sich in einem Bereich, in dem sich die Lagen überlappen, in einer sich senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Kontaktmessbereiches der Leiterplatte erstreckenden Schnittrichtung eine abwechselnde Abfolge von jeweils einer der beiden Lagenanordnungen zugeordneten Lagen. Insbesondere ist eine Anordnung bevorzugt, bei der jeweils zwei Lagen einer Lagenanordnung durch nur genau eine Lage der anderen Lagenanordnung und jeweilige isolierende Schichten voneinander beabstandet sind. Durch die flächig überlappende und verschachtelte Anordnung mehrerer Lagen sowie die jeweilige, beispielsweise durch speziell geeignete Verbindungselemente, welche einen effektiven Wärmeübertrag in einer sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Leiterplatte erstreckenden Richtung ermöglichen, realisierte Verbindung der Lagen einer jeden Lagenanordnung untereinander wird insgesamt die für einen Wärmeübertrag zur Verfügung stehende beziehungsweise dienende Fläche effektiv vergrößert. Dies ermöglicht eine besonders gute Temperaturanpassung der beiden Lagenanordnungen aneinander und einen vorteilhaft besonders geringen Wärmedurchgangswiderstand der gesamten Leiterplatte in dem Kontaktmessbereich. Damit wird eine besonders schnelle und zuverlässige Temperaturmessung genau desjenigen Bauteils oder Materials, das flächig mit dem Kontaktmessbereich in Verbindung beziehungsweise Berührung steht, ermöglicht. Die zwei vorgesehenen Lagenanordnungen können prinzipiell jeweils eine nahezu beliebige Anzahl – beispielsweise zwei, drei, vier oder acht – von elektrisch miteinander verbundenen und elektrisch leitfähigen Lagen umfassen, wobei in jedem Fall die abwechselnde und verschachtelte Anordnung beibehalten wird. Durch eine größere Anzahl jeweiliger Lagen kann die effektive Fläche für den Wärmeübertrag beziehungsweise -austausch vorteilhaft vergrößert werden, während eine geringere Anzahl von Lagen eine möglichst kostengünstige Herstellbarkeit bei einer gegenüber herkömmlichen Messvorrichtung dennoch verbesserten Temperaturmessung ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die jeweiligen Lagen jeder Lagenanordnung mittels jeweiliger Durchkontaktierungen (Vias) miteinander verbunden. Mit anderen Worten verbindet also eine bestimmte Durchkontaktierung alle oder einige, insbesondere zwei, der einer einzigen Lagenanordnung zugehörigen Lagen, ohne dass eine Verbindung zu einer anderen Lagenanordnung zugehörigen Lagen hergestellt wird. Die Durchkontaktierungen sind dabei speziell für einen möglichst guten Wärmetransport ausgelegt (Thermo-Vias) und können auch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den jeweiligen durch sie verbundenen Lagen herstellen. Zwei oder mehr Lagen einer jeweiligen Lagenanordnung können eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen, welche in einer Richtung der Haupterstreckungsebene der Leiterplatte voneinander beabstandet sind, verbunden sein. Eine größere Anzahl jeweiliger Durchkontaktierungen kann dabei vorteilhaft den Wärmetransport und somit die Messung verbessern. Die Durchkontaktierungen können beispielsweise in Form von die Leiterplatte ganz oder teilweise senkrecht zu deren Haupterstreckungsebene durchgreifenden Löchern beziehungsweise Bohrungen realisiert sein, welche insbesondere an ihren jeweiligen Innenwandungen – beispielsweise durch einen katalytischen und/oder elektrolytischen Prozess – metallisiert, das heißt mit einer Metallschicht belegt oder beschichtet sein können. Solche Durchkontaktierungen ermöglichen vorteilhaft einen besonders schnellen und guten senkrechten Wärmetransport durch die Leiterplatte.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Durchkontaktierungen mit einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere mit Kupfer, ausgefüllt. Durch eine teilweise und insbesondere durch eine vollständige Füllung der Durchkontaktierungen kann die thermische Leitfähigkeit vorteilhaft weiter verbessert werden, wodurch eine weiter verbesserte Temperaturmessung ermöglicht wird. Eine vollständige Ausfüllung der Durchkontaktierungen kann gegebenenfalls ebenfalls mit einem elektrolytischen Prozess erreicht werden, es ist jedoch auch ein mechanisches Einbringen von gegebenenfalls entsprechend vorgeformtem Material denkbar. Anstelle von Kupfer können hier prinzipiell auch andere Materialien, insbesondere Metall wie Aluminium, Silber oder Gold, verwendet werden, wobei eine möglichst gute thermische Leitfähigkeit besonders vorteilhaft ist. Eine besonders kostengünstige Alternative kann gegebenenfalls beispielsweise Lötzinn darstellen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kontaktmessbereich der Leiterplatte zur Bestimmung einer Zellentemperatur einer Batterie, insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie, auf einem Pol einer Zelle der Batterie befestigt. Mit anderen Worten besteht also ein direkter oder indirekter möglichst flächiger Kontakt zwischen dem Kontaktmessbereich der Leiterplatte und dem Pol der Batteriezelle, sodass dessen Temperatur mittels der Messvorrichtung bestimmbar ist. Dabei können durchaus auch mehrere Messvorrichtungen beziehungsweise Kontaktmessbereiche vorgesehen sein, mittels welchen die jeweiligen Temperaturen mehrerer oder aller Pole der Batterie messbar sind. Eine Anordnung des Kontaktmessbereiches unmittelbar auf oder zumindest möglich nahe an einem Pol einer Zelle der Batterie ist besonders vorteilhaft, da über eine dortige Temperaturmessung eine zuverlässige Bestimmung einer beziehungsweise ein verlässlicher Rückschluss auf eine Zellen- oder Chemietemperatur, welche in einem Innenbereich der Zelle vorliegt, möglich ist. Eine möglichst gute und zuverlässige Ermittlung dieser Zellen- oder Chemietemperatur ist besonders wichtig, da sie einen wesentlichen Parameter zur Charakterisierung des Betriebszustandes und der Sicherheit beziehungsweise Betriebssicherheit der Batterie darstellt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine erste der zwei Lagenanordnungen der Leiterplatte elektrisch mit dem Pol der Zelle und eine zweite der zwei Lagenanordnungen elektrisch mit der Sensorvorrichtung verbunden ist. Mit anderen Worten ist also zumindest eine Lage der ersten Lagenanordnung an einer dem Pol der Zelle zugewandten Unterseite der Leiterplatte angeordnet. Demgegenüber kann beispielsweise eine oberste Lage der zweiten Lagenanordnung unmittelbar an einer dem Pol der Zelle abgewandten Oberseite der Leiterplatte angeordnet sein, um eine möglichst einfache Kontaktierung der ebenfalls auf dieser Oberfläche angeordneten Sensorvorrichtung zu ermöglichen. Diese oberste Lage der zweiten Lagenanordnung beziehungsweise die Oberfläche der Leiterplatte kann jedoch beispielsweise auch ganz oder teilweise von einer Schutz- und/oder Lackschicht bedeckt beziehungsweise gebildet sein. Mit den entsprechenden elektrischen Verbindungen geht in aller Regel besonders vorteilhaft eine besonders gute thermische Leitfähigkeit einher, welche eine besonders gute Temperaturbestimmung beziehungsweise -messung ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung zumindest teilweise als oberflächenmontiertes Bauelement (SMD, englisch: „Surfacemounted Device“) auf der Leiterplatte ausgeführt ist. Dies ermöglicht vorteilhaft eine einfache und besonders kostengünstige Integration in etablierte Herstellungsprozesse von Leiterplatten.
Die Sensoreinrichtung kann dabei insbesondere einen Messwiderstand mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand umfassen. Dies erlaubt vorteilhaft eine robuste Implementierung einer Temperaturmessung mit guter Präzision, insbesondere in einem für einen Betrieb von Batterien relevanten Temperaturbereich. Weiterhin vorteilhaft ist ein geringer Platz- beziehungsweise Bauraumbedarf und eine einfach zu handhabende und in bestehende Prozesse integrierbare sowie kostengünstige Herstellbarkeit. Besonders kostengünstig ist dabei die Verwendung eines Heißleiters (NTC-Widerstand, NTC-Thermistor) mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, wobei jedoch auch ein Kaltleiter (PTC-Widerstand, PTC-Thermistor) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten eingesetzt werden kann. Der Messwiderstand kann beispielsweise als Teil eines Spannungsteilers, welcher einen weiteren Widerstand (Vorwiderstand), der an eine stabile Referenzspannungsquelle angeschlossen ist, vorgesehen sein. Zwischen dem Mess- und dem Vorwiderstand kann dann eine temperaturabhängige Spannung abgegriffen werden, welche beispielsweise der elektronischen Auswerteeinrichtung als Eingangssignal zugeführt werden kann, um durch eine entsprechende Auswertung beziehungsweise Umrechnung letztlich die zu bestimmende Temperatur zu ermitteln beziehungsweise zu erhalten. Die elektronische Auswerteeinrichtung kann dazu beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler und einen Prozessor beziehungsweise eine Recheneinheit umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die elektronische Auswerteeinrichtung auf derselben Leiterplatte angeordnet wie die Sensoreinrichtung. Dies ermöglicht vorteilhaft eine besonders effiziente und kostengünstige Herstellung der Messvorrichtung sowie eine vorteilhaft besonders dauerhafte und robuste Verbindung der Sensoreinrichtung mit der elektronischen Auswerteeinrichtung.
Für eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung ist es vorgesehen, dass die Batterievorrichtung zur Bestimmung einer Zellentemperatur eine oder mehrere erfindungsgemäße Messvorrichtungen umfasst. Dazu ist auch hier die Leiterplatte der Messvorrichtung so angeordnet, dass ihr Kontaktmessbereich in einem dauerhaften und möglichst flächigen, direkten oder indirekten Kontakt mit einem Pol einer Zelle der Batterie steht. Für einen direkten Kontakt sind möglichst plane Oberflächen sowohl des Pols der Zelle als auch des Kontaktmessbereiches beziehungsweise der Unterseite der Leiterplatte notwendig beziehungsweise vorteilhaft. Für einen indirekten Kontakt kann beispielsweise eine zumindest zum Zeitpunkt der Herstellung des Kontaktes flexible beziehungsweise plastisch verformbare Wärmeleitpaste zwischen dem Pol der Zelle und dem Kontaktmessbereich vorgesehen sein. Mittels einer solchen Wärmeleitpaste können Oberflächenrauheiten und gegebenenfalls Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden, um einen möglichst optimalen Kontakt und damit auch einen möglichst optimalen Wärmeübertrag zu gewährleisten. Die Wärmeleitpaste kann auch adhäsive Eigenschaften aufweisen, um den Kontaktmessbereich dauerhaft in der vorgesehenen Position zu halten. Da Batterien im Allgemeinen und Kraftfahrzeugbatterien im Speziellen oftmals in Situationen mit einem sehr begrenzt zur Verfügung stehenden Bauraum eingesetzt werden, ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung hier aufgrund ihres besonders geringen Raum- beziehungsweise Platzbedarfes besonders vorteilhaft. Zudem sind oftmals in unmittelbarer Umgebung einer Batterie ohnehin elektronische Bauteile oder Vorrichtungen vorgesehen, deren Leiterplatten somit besonders effizient für eine Mehrfachnutzung auch zur Temperaturbestimmung verwendet werden können.
Unter einer Batterie ist im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine elektrische Speichereinrichtung annähernd beliebiger Bauform beziehungsweise Bauart verstanden werden. Auch einzelne Zellen einer solchen Batterie können hier in unterschiedlichen Bauformen beziehungsweise -arten, wie beispielsweise als prismatische, als zylindrische oder als sogenannte Pouchzelle, ausgeführt sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Batterievorrichtung eine Halteeinrichtung umfasst, mittels welcher die Leiterplatte zumindest teilweise zumindest mittelbar an einem Rahmenteil der Batterievorrichtung festgelegt ist, wobei der Kontaktmessbereich der Leiterplatte einen Pol einer Zelle der Batterie permanent mit einer Kraft beaufschlagt. Eine solche Anordnung erlaubt vorteilhaft eine besonders kompakte, robuste und zuverlässige Konstruktion der Batterievorrichtung, wobei durch den dauerhaft von der Leiterplatte beziehungsweise von dem Kontaktmessbereich auf den Pol der Batteriezelle ausgeübten Druck jederzeit ein optimaler Kontakt und damit auch ein optimaler Wärmeübertrag und letztlich eine optimale Temperaturbestimmung sichergestellt beziehungsweise gewährleistet wird. Zu diesem Zweck kann im Rahmen des Herstellungsprozesses der Batterievorrichtung für die Positionierung des Kontaktmessbereiches auf dem Pol eine Lagetoleranz von kleiner oder gleich Null vorgesehen sein. Die Größe der von dem Kontaktmessbereich auf den Pol der Zelle ausgeübten Andruckkraft kann beispielsweise über eine entsprechend ausgelegte Verschraubung der Halteeinrichtung vorgegeben beziehungsweise eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können im Bereich des Batteriepols beziehungsweise des Kontaktmessbereiches auch entsprechend passend ausgelegte Federelemente angeordnet sein, um einen zuverlässigen Kontakt beziehungsweise Andruck zu gewährleisten.
Zusammenfassend ist eine Vielzahl möglicher Ausführungsformen und -varianten der erfindungsgemäßen Messvorrichtung denkbar. So kann beispielsweise prinzipiell eine Vielzahl verschiedener Kombinationen aus Anzahlen von Lagen der Leiterplatte und der Lagenanordnungen sowie Größen und Formen der Kontaktmess- und Überlappungsbereiche realisiert werden. Aufgrund der besonders kostengünstigen, einfachen und gut beherrschten Herstellbarkeit ist jedoch eine Ausführung der Leiterplatte mit vier oder sechs elektrisch leitfähigen Lagen, welche sich in gleicher Anzahl auf zwei Lagenanordnungen aus jeweils miteinander verbundenen Lagen verteilen, bevorzugt, wobei ein zur galvanischen Trennung der Lagenanordnungen dienendes Trägermaterial der Leiterplatte beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff aus der Klasse FR-4 gefertigt sein kann.
Die bisher und im Folgenden sowie in den Patentansprüchen beschriebenen funktionalen Ausbildungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sowie die entsprechenden Vorteile sind entsprechend sinngemäß auch auf die erfindungsgemäße Batterievorrichtung beziehungsweise die für die erfindungsgemäße Batterievorrichtung verwendeten Einrichtungen und Bauteile übertragbar und umgekehrt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht einen Teil einer auf einem Batteriezellenpol angeordneten Messvorrichtung mit einer vierlagigen Leiterplatte;
2 eine schematische Draufsicht auf einen Teil einer Messvorrichtung;
3 eine schematische und ausschnittweise Perspektivdarstellung einer Anordnung aus mehreren Batteriezellen mit zwei darauf angeordneten Messvorrichtungen;
4 eine schematische und perspektivische Detailansicht eines Batteriezellenpols mit einer darauf angeordneten teilweise dargestellten Messvorrichtung; und
5 eine schematische Perspektivdarstellung einer Batterievorrichtung mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, auf denen eine Messvorrichtung mittels einer Halteeinrichtung fixiert ist.
1 zeigt schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Messvorrichtung 1 mit einer mehrlagigen Leiterplatte 2, deren Unterseite 3 auf einem Batteriezellenpol, welcher im Folgenden kurz als Pol 4 bezeichnet ist, angeordnet beziehungsweise mit diesem verbunden ist. Auf einer der Unterseite 3 und dem Pol 4 abgewandten beziehungsweise gegenüberliegenden Oberseite 5 ist – eine hier nur teilweise dargestellte – Sensoreinrichtung 6 angeordnet. Letztere umfasst vorliegend einen in einem mittleren Bereich der Sensoreinrichtung 6 angeordneten Heißleiter 7, welcher als Messwiderstand dient und dessen Material einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Das bedeutet, dass ein elektrischer Widerstand des Heißleiters 7 derart temperaturabhängig ist, dass er mit zunehmender Temperatur des Heißleiters 7 geringer wird. Als Materialien mit einem derartigen Verhalten können beispielsweise bestimmte Halbleiter, Verbindungshalbleiter, verschiedene metallische Legierungen oder, gegebenenfalls mit einem Bindemittel versetzte, Metalloxide eingesetzt werden. Äquivalent ist hier aber alternativ oder zusätzlich auch ein PTC-Messelement oder eine an sich beliebige andere Art von Temperatursensor einsetzbar.
Beidseitig des Heißleiters 7 ist jeweils eine Elektrode 8 angeordnet, von denen hier nur eine dargestellt ist. Die Sensoreinrichtung 6 beziehungsweise der Verbund aus dem Heißleiter 7 und den Elektroden 8 ist vorliegend und bevorzugt als sogenanntes oberflächenmontiertes Bauteil (SMD) ausgeführt und als solches auf die Oberseite 5 der Leiterplatte 2 aufgelötet. Dazu sind auf der Leiterplatte 2 metallische, beispielsweise aus Kupfer bestehende, Kontaktierungsflächen, welche auch als Pads 9 bezeichnet werden, vorgesehen, auf denen die Elektroden 8 angeordnet und mittels einer Lötverbindung befestigt sind, um einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen der Sensoreinrichtung 6 und der Leiterplatte 2 herzustellen.
Die Leiterplatte 2 ist vorliegend mehrlagig und konkret vierlagig ausgeführt, was bedeutet, dass sie vier übereinander angeordnete elektrisch leitfähige Lagen 10 aufweist. Eine Anordnung der Lagen 10 übereinander meint dabei, dass sich deren jeweilige Haupterstreckungsebenen zumindest im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken und senkrecht zu ihren jeweiligen Haupterstreckungsebenen voneinander beabstandet sind. Die vier Lagen 10 umfassen vorliegend jeweils eine Kupferschicht, welche eine senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene gemessene Stärke beziehungsweise Dicke von beispielsweise 70 µm aufweisen kann. Es sind hier jedoch vielfältige verschiedene Dimensionierungen denkbar, sodass die jeweiligen Kupferschichten in einem anderen Ausführungsbeispiel etwa auch eine Dicke von beispielsweise 400 µm aufweisen können. In jedem Fall können die Kupferschichten bereichsweise unterbrochen sein, wobei bevorzugt jeweils entlang ihrer Haupterstreckungsebenen zumindest eine durchgängige Verbindung zwischen ihren jeweiligen in der vorliegenden Darstellung am weitesten voneinander entfernten Bereichen beziehungsweise Endpunkten besteht.
Die elektrisch leitfähigen Lagen 10 sind vorliegend durch jeweilige Zwischenschichten 15 voneinander beabstandet, welche aus einem Trägermaterial der Leiterplatte 2 gebildet sind. Vorliegend bestehen die Zwischenschichten 15 aus einem der Materialklasse FR-4 zugehörigen Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe. Es können jedoch auch andere oder zusätzliche Bestandteile und/oder beispielsweise zusätzliche Beschichtungen vorgesehen sein. Wesentlich ist in allen Fällen, dass die Zwischenschichten 15 aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen und somit eine elektrische Isolierung beziehungsweise eine galvanische Trennung der durch sie beabstandeten elektrisch leitfähigen Bauteile – insbesondere der Lagen 10 – bewirken, sofern diese nicht anderweitig elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Eine solche elektrisch leitfähige Verbindung ist vorliegend zwischen einer ersten Lage 11 und einer dritten Lage 13 vorgesehen. Dazu weist die Leiterplatte 2 zumindest eine erste Durchkontaktierung 16 auf, deren Innenseite 17 elektrisch leitfähig belegt beziehungsweise beschichtet ist, wobei diese Beschichtung beispielsweise aus einem beliebigen Metall bestehen kann, vorliegend jedoch bevorzugt ebenfalls aus Kupfer besteht und sowohl die erste Lage 11 als auch die dritte Lage 13 kontaktiert. Damit sind also die erste Lage 11 und die dritte Lage 13 elektrisch leitfähig miteinander verbunden und bilden somit eine erste Lagenanordnung 18.
Weiterhin ist eine zweite Durchkontaktierung 19 in der Leiterplatte 2 vorgesehen, deren Innenseite 20 ebenfalls elektrisch leitfähig und vorliegend bevorzugt mit Kupfer belegt beziehungsweise beschichtet ist. Durch die zweite Durchkontaktierung 19 werden eine zweite Lage 12 und eine vierte Lage 14 elektrisch leitfähig miteinander verbunden, welche somit eine zweite Lagenanordnung 21 bilden. Insbesondere besteht dabei keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der ersten Lagenanordnung 18 und der zweiten Lagenanordnung 21. Die Durchkontaktierungen 16, 19 dienen vorliegend im Wesentlichen einem möglichst effektiven und effizienten Wärmetransport in senkrechter Richtung durch die Leiterplatte 2, das heißt in einer sich senkrecht zu deren Haupterstreckungsebene erstreckenden Richtung. Dieser senkrechte Wärmetransport wird dabei unterstützt durch die verschachtelte Anordnung der Lagenanordnung 18, 21, deren Lagen 11, 12, 13, 14 sich möglichst großflächig überlappen.
Die Durchkontaktierungen 16, 19 können beispielsweise durch mechanisch oder auch mittels eines Lasers hergestellte Löcher beziehungsweise Sacklöcher oder Bohrungen und einen anschließenden katalytischen und/oder elektrolytischen Bekeimungs- beziehungsweise Beschichtungsprozess realisiert werden. Besonders einfach herzustellen sind dabei runde Durchkontaktierungen 16, 19, wobei prinzipiell jedoch nahezu beliebige Ausformungen, wie etwa Langlöcher, denkbar und möglich sind. Um den Wärmetransport zusätzlich zu unterstützen, können die jeweiligen Materialstärken der Beschichtungen der Innenseiten 17, 20 angepasst beziehungsweise die Durchkontaktierungen 16, 19 ganz oder teilweise mit einem möglichst gut wärmeleitenden Material ausgefüllt werden.
Insgesamt wird durch die dargestellte und beschriebene Anordnung ein möglichst guter, schneller und effizienter Wärmetransport von dem Pol 4 durch die Leiterplatte 2 bis zu der Sensoreinrichtung 6 ermöglicht und gewährleistet, was wiederum eine möglichst gute Bestimmung beziehungsweise Messung einer Temperatur des Pols 4 erlaubt. Dazu ist die Leiterplatte 2 in einem Kontaktmessbereich 22 unmittelbar auf dem Pol 4 angeordnet, wobei hier eine möglichst plane Oberfläche des Pols 4 und/oder eine permanente Andruckkraft, durch welche die Leiterplatte 2 insbesondere in dem Kontaktbereich 22 auf den Pol 4 gedrückt wird, für einen besseren Kontakt und somit einen besseren Wärmeübertrag besonders vorteilhaft ist. Es kann jedoch auch ein zusätzliches Material wie etwa eine Wärmeleitpaste 28 (siehe 4) oder eine sonstige Beschichtung oder Zwischenschicht zwischen der Leiterplatte 2 und dem Pol 4 vorgesehen sein, welche insbesondere dazu geeignet ist, Oberflächenrauheiten und Fertigungs- beziehungsweise Lage- oder Positionierungstoleranzen auszugleichen, um einen möglichst optimalen Wärmeübertrag von dem Pol 4 zu gewährleisten. Der Kontaktmessbereich 22 ist derjenige Bereich oder Abschnitt der Leiterplatte 2, in dem die Gruppen 18, 21 angeordnet sind und insbesondere derjenige Bereich oder Abschnitt der Unterseite 3 der Leiterplatte 2 beziehungsweise der vierten Lage 14, welcher sich in direktem oder – etwa vermittels der Wärmeleitpaste 28 – in direktem mechanischen Kontakt mit dem Pol 4 befindet.
2 zeigt eine schematische und ausschnittweise Draufsicht auf eine Messvorrichtung 1, wobei die Leiterplatte 2 eine Ausformung 23 aufweist, deren Fläche zumindest im Wesentlichen beziehungsweise größtenteils von dem Kontaktmessbereich 22 beziehungsweise den Lagen 10 eingenommen wird. Vorliegend sind hier zwei beidseitig der Sensoreinrichtung 6 angeordnete erste Durchkontaktierungen 16 zur Verbindung der ersten Lage 11 mit der hier nicht erkennbaren dritten Lage 13 an einem Ende der Ausformung 22 vorgesehen. Zur Verbindung der hier nicht sichtbaren zweiten Lage 12 mit der hier ebenfalls nicht erkennbaren Lage 14 sind an einer gegenüberliegenden Seite beziehungsweise an einem gegenüberliegenden Ende der Ausformung 22 vorliegend drei nebeneinander angeordnete und voneinander beabstandete zweite Durchkontaktierungen 19 vorgesehen. Durch eine jeweilige Mehrzahl erster und zweiter Durchkontaktierungen 16, 19 kann der senkrechte Wärmetransport weiter verbessert werden. Gut erkennbar ist hier die großflächige Ausgestaltung des im Wesentlichen zwischen den ersten Durchkontaktierungen 16 und den zweiten Durchkontaktierungen 19 angeordneten Kontaktmessbereiches 22, in dem sich die Lagen 10 verschachtelt überlappen.
3 zeigt in einer schematischen und ausschnittweisen Perspektivansicht eine Batterievorrichtung 24 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche im Folgenden kurz als Zellen 25 bezeichnet werden und welche jeweils zwei Pole 4 aufweisen. Die dargestellte Batterievorrichtung 24 umfasst weiterhin zwei Messvorrichtungen 1, welche einige ihrer Bestandteile beziehungsweise Bauteile oder Komponenten gemeinsam nutzen. So ist vorliegend eine gemeinsame Leiterplatte 2 vorgesehen, welche auf den Zellen 25 ungefähr auf Höhe der und zwischen den jeweiligen Polen 4 angeordnet ist. Diese Leiterplatte 2 kann dabei auch weitere, hier nicht dargestellte Komponenten umfassen, welche beispielsweise zur Überwachung eines Ladezustandes und/oder zur Steuerung von Lade- und Entladevorgängen der Zellen 25 dienen können.
Als Teil der Messvorrichtungen 1 ist auf der Leiterplatte 2 eine elektronische Auswerteeinrichtung 26 angeordnet, welche beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler und einen Prozessor sowie entsprechende Eingangs- und Ausgangsanschlüsse beziehungsweise -interfaces sowie gegebenenfalls eine Speichereinrichtung umfassen oder mit entsprechenden Komponenten verbunden sein kann. Die Auswerteeinrichtung 26 ist vorliegend mittels jeweiliger Leiterbahnen 27 mit den jeweiligen Sensoreinrichtungen 6 verbunden, welche vorliegend an einem jeweiligen Rand eines Zentralbereiches der Leiterplatte 2 angeordnet sein kann und somit insbesondere nicht notwendigerweise unmittelbar auf den jeweiligen Ausformungen 23 angeordnet sein muss. Aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit der Verbindung der Sensoreinrichtungen 6 mit der ersten Lage 11 kann eine solche Anordnung der Sensoreinrichtungen 6 für eine zuverlässige Temperaturmessung der Pole 4 unproblematisch sein. Zusätzlich zu den dargestellten Messvorrichtungen 1 können auch weitere, hier nicht dargestellte Messvorrichtungen mit jeweiligen Sensoreinrichtungen 6 und Lagen 10 vorgesehen werden. Dabei können die jeweiligen Kontaktmessbereiche 22 an den übrigen Polen 4 aber beispielsweise auch in anderen Bereichen der Batterievorrichtung 24 angeordnet sein, um beispielsweise jeweilige Temperaturen anderer Komponenten zu erfassen.
Im Zusammenhang mit Batterievorrichtungen 24 bietet eine Temperaturmessung an den Polen 4 der Zellen 25 eine besonders vorteilhafte, einfach und kostengünstig sowie mit geringem Platzbedarf realisierbare Möglichkeit zur Bestimmung beziehungsweise Überwachung der besonders sicherheitsrelevanten Zellen- oder Chemietemperatur, welche jeweils in einem nur schwer direkt zugänglichen Innenbereich der Zellen 25 vorliegt. Grundsätzlich ist eine Messvorrichtung unabhängig von der konkreten Ausführungsform jedoch auch zur Temperaturmessung nahezu beliebiger anderer Komponenten oder Bauteile geeignet, sofern ein ausreichender Kontakt beziehungsweise Wärmeübertrag zwischen einer jeweiligen Oberfläche der Komponente oder des Bauteils und dem jeweiligen Kontaktmessbereich 22 der Messvorrichtung 1 realisierbar ist. Ein möglicher Einsatzbereich der Messvorrichtung 1 ist dabei insbesondere nicht auf eine Batterievorrichtung 24 beschränkt, sondern kann prinzipiell durchaus beliebige industrielle, private oder sonstige Anwendungen umfassen.
4 zeigt eine schematische, ausschnittweise und perspektivische Detailansicht eines Pols 4 mit einer darauf angeordneten Ausformung 23 der Leiterplatte 2 der Messvorrichtung 1. Auch hier umfasst die Messvorrichtung 1 eine Sensoreinrichtung 6 und eine hier nicht erkennbare Lagenanordnung im Bereich der Ausformung 23 mit ersten Durchkontaktierungen 16 und zweiten Durchkontaktierungen 19. Vorliegend ist jedoch zwischen der Leiterplatte 2 beziehungsweise der Ausformung 23 und dem Pol 4 für eine optimale Kontaktierung beziehungsweise Verbindung ein Abstand zwischen diesen mit einer Wärmeleitplaste 28 ausgefüllt. Durch Verwendung eines dauerhaft flexiblen beziehungsweise elastischen Materials für die Wärmeleitpaste 28 können nicht nur bei der Herstellung Rauheiten und Toleranzen ausgeglichen, sondern auch während eines Betriebes gegebenenfalls auftretende thermische und/oder mechanische Spannungen aufgefangen beziehungsweise ausgeglichen werden, um Beschädigungen insbesondere der Leiterplatte 2 beziehungsweise der Messvorrichtung 1 zu vermeiden.
5 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Batterievorrichtung 24 mit einem beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigten Gehäuse 29, in welchem eine Mehrzahl von Zellen 25 mit jeweiligen Polen 4 sowie eine Messvorrichtung 1 mit einer ungefähr auf Höhe der Pole 4 auf den Zellen 25 angeordneten Leiterplatte 2 aufgenommen sind. Weiterhin ist in dem Gehäuse 29 eine Halteeinrichtung 30 angeordnet, mittels welcher die Leiterplatte 2 und damit auch die Messvorrichtung 1 lagestabil insbesondere auch relativ zu den Zellen 25 beziehungsweise den Polen 4 gehalten und ebenso auch die Zellen 25 fixiert werden können. Um dabei eine punktuelle Belastung insbesondere der Leiterplatte 2 und somit eine mögliche Beschädigung zu vermeiden, kann die Halteeinrichtung 30 ein speziell ausgeformtes und mit möglichst großen Auflageflächen bereichsweise auf der Leiterplatte 2 aufliegendes Kunststoffelement 32 umfassen, mittels welchem ein Druck beziehungsweise eine Kraft verteilbar ist. Vorliegend ist zur Fixierung beziehungsweise Stabilisierung der in dem Gehäuse 29 angeordneten Bauteile eine Anzahl von Verschraubungen 31 vorgesehen.
Insgesamt ist hier eine Messvorrichtung 1 zur Bestimmung einer Temperatur, welche mit einer gegenüber herkömmlichen Lösungen verbesserten Mess- und Fertigungsqualität auch in einem automatisierten Prozess herstellbar und dann in vielfältigen unterschiedlichsten Anwendungsbereichen einsetzbar ist, beschrieben. Weiterhin ist eine mit einer solchen Messvorrichtung 1 ausgestattete Batterievorrichtung 24 beschrieben, bei der durch die Verwendung der beschriebenen Messvorrichtung 1 ein besonders hoher Integrationsgrad bei gleichzeitig verbesserter Messung der Zellentemperatur erzielt wird. Eine solche Messung der Zellentemperatur kann insbesondere bei heutzutage vielfach eingesetzten, auf Lithium-Ionen-Technologie basierenden Batteriemodulen, beispielsweise bei einem Einsatz in Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen, auch hinsichtlich einer Betriebssicherheit, von besonderer Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Leiterplatte
3: Unterseite
4: Pol
5: Oberseite
6: Sensoreinrichtung
7: Heißleiter
8: Elektrode
9: Pad
10: Lagen
11: erste Lage
12: zweite Lage
13: dritte Lage
14: vierte Lage
15: Zwischenschichten
16: erste Durchkontaktierung
17: Innenseite
18: erste Lagenanordnung
19: zweite Durchkontaktierung
20: Innenseite
21: zweite Lagenanordnung
22: Kontaktmessbereich
23: Ausformung
24: Batterievorrichtung
25: Zelle
26: Auswerteeinrichtung
27: Leiterbahnen
28: Wärmeleitpaste
29: Gehäuse
30: Halteeinrichtung
31: Verschraubung
32: Kunststoffelement

Claims

Messvorrichtung (1) zur Bestimmung einer Temperatur, mit einer mehrlagigen Leiterplatte (2), mit einer Sensoreinrichtung (6), welche auf der Leiterplatte (2) angeordnet ist und welche Messwerte ausgibt, und mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung (26), welche elektrisch mit der Sensoreinrichtung (6) verbunden ist und zur Umrechnung der Messwerte in Temperaturwerte eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) in einem Kontaktmessbereich (22) zwei galvanisch getrennte Lagenanordnungen (18, 21) aufweist, welche in dem Kontaktmessbereich (22) einander zumindest teilweise flächig überlappend angeordnet sind und jeweils wenigstens eine elektrisch leitfähige Lage (10, 11, 12, 13, 14) umfassen.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagenanordnungen (18, 21) jeweils wenigstens zwei elektrisch leitfähig miteinander verbundene Lagen (10, 11, 12, 13, 14) umfassen, wobei jeweils zwei Lagen (11, 13) einer ersten der beiden Lagenanordnungen (18) durch eine Lage (12) einer zweiten der beiden Lagenanordnungen (21) voneinander beabstandet sind.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Lagen (10, 11, 12, 13, 14) jeder der Schichtanordnungen (18, 21) mittels jeweiliger Durchkontaktierungen (16, 19) miteinander verbunden sind.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungen (16, 19) mit einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere mit Kupfer, ausgefüllt sind.
Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktmessbereich (22) der Leiterplatte (2) zur Bestimmung einer Zellentemperatur einer Batterie (24), insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie (24), auf einem Pol (4) einer Zelle (25) der Batterie (24) befestigt ist.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste (18) der wenigstens zwei Lagenanordnungen (18, 21) der Leiterplatte (2) elektrisch mit dem Pol (4) der Zelle (25) und eine zweite (21) der wenigstens zwei Lagenanordnungen (18, 21) elektrisch mit der Sensorvorrichtung (6) verbunden ist.
Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (6) zumindest teilweise als oberflächenmontiertes Bauelement ausgeführt ist.
Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinrichtung (6) auf derselben Leiterplatte (2) angeordnet ist wie die Sensoreinrichtung (6).
Batterievorrichtung (24) mit einer Batterie (24), insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie (24), welche eine oder mehrere Zellen (25) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterievorrichtung (24) zur Bestimmung einer Zellentemperatur eine oder mehrere Messvorrichtungen (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Batterievorrichtung (24)nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterievorrichtung (24) eine Halteeinrichtung (30) umfasst, mittels welcher die Leiterplatte (2) zumindest teilweise zumindest mittelbar an einem Rahmenteil (29) der Batterievorrichtung (24) festgelegt ist, wobei der Kontaktmessbereich (22) der Leiterplatte (2) einen Pol (4) einer Zelle (25) der Batterie (24) permanent mit einer Kraft beaufschlagt.