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Die Erfindung betrifft eine Füllstandmessvorrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Batterien, insbesondere Traktionsbatterien beziehungsweise Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) für Kraftfahrzeuge, welche beispielsweise auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sind, sind typischerweise aus einer Mehrzahl von Batteriezellen aufgebaut. Die jeweilige Batteriezelle kann beispielsweise als sogenannte Flachzelle oder als sogenannte Rundzelle ausgebildet sein. Diese Batteriezellen sind in der Regel untereinander verschaltet und werden in einem Gehäuse untergebracht. Das Gehäuse dient zum Schutz der Batterie vor beispielsweise mechanischen Belastungen, auch schützt es den Innenraum beziehungsweise Aufnahmeraum mit den beispielsweise in ihm enthaltenen Batteriezellen vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise Feuchtigkeit.
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Aufgrund der hohen Leistungsdichte, welche Batterien insbesondere zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen haben, kann es zu einer Wärmebildung innerhalb des Gehäuses kommen, sodass die Batterie entsprechend gekühlt werden muss. So können beispielsweise Batteriezellen im Inneren des Gehäuses von einem, insbesondere nicht leitfähigen, Kühlmedium umspült werden, um eine optimale Wärmeableitung zu ermöglichen. Um eine Kühlung der Batterie besonders vorteilhaft zu gestalten, kann eine Füllstandskontrolle des Kühlmediums beziehungsweise Kühlfluids im Aufnahmeraum des Batteriegehäuses mittels einer Füllstandmessvorrichtung wünschenswert sein.
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So zeigt die
DE 10 2013 018 416 A1 ein Batteriegehäuse zur Aufnahme einer Batterie aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen mit einer im bestimmungsgemäßen Einsatz im unteren Bereich angeordneten Auslassöffnung. Ein Ventil der Auslassöffnung wird über eine Steuerungselektronik angesteuert. Die Steuerungselektronik wertet zwei Sensoren aus. Beim dem ersten der Sensoren handelt es sich um einen Füllstandsensor, beispielsweise einen kapazitiven Füllstandsensor, welcher im Inneren des Batteriegehäuses angeordnet ist, und welcher zeigt, wenn sich Flüssigkeit im Inneren des Batteriegehäuses angesammelt hat. Der Füllstandsensor kann an dem Seitenbereich des Batteriegehäuses oder im Bereich einer Senke angeordnet sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Füllstandmessvorrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs derart weiterzuentwickeln, dass diese besonders kompakt und ausfallsicher ausgebildet ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Füllstandmessvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Füllstandmessvorrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs umfasst ein Gehäuse sowie wenigstens einen Füllstandsensor. Das Gehäuse bildet einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen eines Kühlfluids aus. Mittels des Füllstandsensors ist ein Füllstand des Kühlfluids in dem Aufnahmeraum erfassbar. Das Kühlfluid ist vorzugsweise ein insbesondere elektrisch nicht leitendes Kühlmittel wie beispielsweise ein Transformatoröl, eine synthetische, organische Esterverbindung und/oder Novec-Kühlmittel, welches beispielsweise ein Hydrofluoroether ist. Das Kühlfluid eignet sich insbesondere für eine direkte Batteriezellenkühlung von sich in dem Aufnahmeraum befindenden Batteriezellen der Batterie, welche insbesondere eine Traktionsbeziehungsweise Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs ist.
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Um die Füllstandmessvorrichtung besonders kompakt und ausfallsicher ausbilden zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der wenigstens eine Füllstandsensor auf einer in dem Aufnahmeraum angeordneten Leiterplatte einer elektronischen Recheneinrichtung der Batterie angeordnet ist. Bei der Leiterplatte kann es sich dabei um eine sogenannte Leiterkarte beziehungsweise Platine handeln, welche für eine Batteriezellensteuerung und/oder Batteriesteuerung die elektronische Recheneinrichtung umfasst. Mit anderen Worten ist durch die Füllstandmessvorrichtung und insbesondere durch den auf der Leiterplatte ausgebildeten Füllstandsensor eine Füllstanderkennung des, insbesondere elektrisch nicht leitfähigen, Kühlfluids, welches beispielsweise die jeweiligen Batteriezellen im Aufnahmeraum des Gehäuses umspült, möglich. Der Füllstandsensor ist auf beziehungsweise in die Leiterplatte, welche beispielsweise als eine Zellmesskarte, Batteriezellen- und/oder Batteriesteuerung ausgebildet ist, integriert, sodass durch die Füllstandmessvorrichtung feststellbar ist, ob sich die Leiterkarte im Kühlfluid beziehungsweise ganz oder teilweise außerhalb des Kühlfluids befindet. Darüber hinaus kann mit der Füllstandmessvorrichtung beispielsweise eine Erkennung potentieller Verunreinigungen, welche beispielsweise einen Leitwert des Kühlmediums beeinflussen, stattfinden. Durch die erfindungsgemäße Füllstandmessvorrichtung ergibt sich, insbesondere durch die Integration auf der Leiterplatine, eine besonders kompakte Bauweise, ferner können dadurch Kosten gespart werden. Darüber hinaus ist der Füllstandsensor durch die Integration auf beziehungsweise in die Leiterplatte mechanisch besonders stabil. Ferner kann beispielsweise auf mechanische Komponenten wie einen Schwimmer verzichtet werden, wodurch eine besonders hohe Ausfallsicherheit der Füllstandmessvorrichtung gewährleistet werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Leiterplatte eine Messelektronik auf, mittels welcher wenigstens eine Temperatur und/oder eine elektrische Spannung der Batterie erfasst werden. Dadurch können in besonders vorteilhafter Weise Messgrößen beziehungsweise Messwerte, welche den Gesamtzustand der Batterie charakterisieren, erfassbar sein beziehungsweise erfasst werden, wodurch beispielsweise eine Kühlung der Batterie mit dem durch die Füllstandmessvorrichtung erfassbaren Kühlfluid besonders gezielt einsetzbar ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Leiterplatte eine Auswerteelektronik auf, welche zum Empfangen und Auswerten wenigstens eines von dem Füllstandsensor bereitgestellten und den erfassten Füllstand charakterisierenden, elektronischen Signals ausgebildet ist. Dadurch können beispielsweise im Gegensatz zum Stand der Technik der
DE 10 2013 018 416 A1 Verbindungsleitungen eingespart und somit Kosten gesenkt und zusätzlich die Ausfallsicherheit erhöht werden, da bei der
DE 10 2013 018 416 A1 die Messelektronik und der Sensor so ausgebildet sind, dass die Messelektronik getrennt von dem Sensor außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Füllstandsensor als kapazitiver Sensor und/oder optischer Sensor ausgebildet. Im Fall eines kapazitiven Sensors als Füllstandsensor kann beispielsweise und insbesondere direkt auf der Leiterplatte eine Kapazitätsveränderung gemessen werden. Die Kapazitätsveränderung kann beispielsweise durch eine veränderbare Dielektrizitätskonstante in zumindest einem Teilbereich des Sensors zustande kommen. Ist der Sensor beispielsweise als eine Art Kondensator ausgebildet, kann dessen Dielektrikum zwischen beispielsweise zwei Kondensatorflächen oder vergleichbaren Flächen durch den jeweiligen Füllstand des Mediums des Kühlfluids eine jeweilige spezielle, den Füllstand charakterisierende Dielektrizitätskonstante aufweisen. So können beispielsweise sowohl eine Sensorfläche als auch eine Massefläche auf der Leiterplatte untergebracht sein, auf welcher sich zusätzlich eine Vertiefung befindet, welche die beiden Flächen trennt und von dem Kühlfluid durchströmbar ist. Somit können die Sensorfläche und die Massefläche mit der Vertiefung ein Art Kondensator ausbilden, wobei die beiden Flächen vergleichbar den Platten eines Kondensators ausgebildet sein können. Dadurch ist in besonders einfacherer und ausfallsicherer Weise ein besonders kompakter Füllstandsensor und somit eine Füllstandmessvorrichtung realisierbar. Analoges gilt für einen optischen Sensor, welcher beispielsweise einen analogen Aufbau aufweist, nur dass anstelle der Änderung der Kapazität beispielsweise eine Lichtmenge beziehungsweise Lichtdurchlässigkeit gemessen wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Explosionsansicht einer Batterie mit einer Ausführungsform einer Füllstandmessvorrichtung;
- 2 eine schematische Draufsicht einer Leiterplatte einer weiteren Ausführungsform der Füllstandmessvorrichtung;
- 3 eine schematische Ansicht eines Füllstandsensors ohne Kühlfluid; und
- 4 eine schematische Ansicht des Füllstandsensors gemäß 3, welcher teilweise von Kühlfluid umgeben ist.
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1 zeigt eine schematische Explosionsansicht einer Batterie 10 mit einer Ausführungsform einer Füllstandmessvorrichtung 12. Dabei weist die Füllstandmessvorrichtung 12 ein Gehäuse 14 auf, welches aus einem Gehäuseunterteil 16 sowie einem Gehäuseoberteil 18 ausgebildet ist. Das Gehäuse 14 weist einen Aufnahmeraum 20 auf, welcher zum Aufnehmen eines Kühlfluids 22 ausgebildet ist. Ferner umfasst die Füllstandmessvorrichtung 12 wenigstens einen Füllstandsensor 24, mittels welchem ein Füllstand des Kühlfluids 22 in dem Aufnahmeraum 20 erfassbar ist. Die Batterie 10 umfasst mehrere Batteriezellen 26, welche zusammenschaltbar beziehungsweise zusammengeschaltet sind. Ferner umfasst die Batterie 10 eine Zulauf- und Rücklaufleitung 28, mittels welcher beispielsweise durch eine Pumpvorrichtung das Kühlfluid 22 in beziehungsweise durch den Aufnahmeraum 20 des Gehäuses 14 förderbar ist. So kann das Kühlfluid 22 beispielsweise durch einen Wärmetauscher 30 gefördert werden, um eine Temperatur im Aufnahmeraum 20 regulieren zu können. Um das Kühlfluid 22 besonders vorteilhaft in den Aufnahmeraum 20 und insbesondere zwischen den in dem Aufnahmeraum 20 aufgenommenen Batteriezellen 26 zu verteilen, kann beispielsweise ein Kühlverteiler 32 vorgesehen sein.
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Um nun die Füllstandmessvorrichtung 12 besonders kompakt und/oder ausfallsicher auszubilden, ist der wenigstens eine Füllstandsensor 24 der Füllstandmessvorrichtung 12 auf einer in dem Aufnahmeraum 20 angeordneten Leiterplatte 34 angeordnet, wobei die Leiterplatte 34 einer elektronischen Recheneinrichtung 36 der Batterie 10 zugeordnet ist beziehungsweise diese die Leiterplatte 34 umfassen kann und sich mit in dem Aufnahmeraum 20 des Gehäuses 14 befindet. Durch die Anordnung des wenigstens einen Füllstandsensors 24 auf der Leiterplatte 34 in dem Aufnahmeraum 20 kann dieser und mit ihm die Füllstandmessvorrichtung 12 besonders kompakt ausgebildet sein, da beispielsweise zusätzlich zu der Leiterplatte 34 kein weiteres Bauteil für die Füllstandmessvorrichtung 12 beziehungsweise deren Füllstandsensor 24 in dem Aufnahmeraum 20 angeordnet werden muss. Zusätzlich ist der Füllstandsensor 24 der Füllstandmessvorrichtung 12 derart ausgebildet, dass er keine mechanischen Komponenten wie beispielsweise einen Schwimmer aufweist, sodass der Füllstandsensor 24 besonders wartungsarm und langlebig ist.
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Darüber hinaus kann die Leiterplatte 34, welche als ein Träger beispielweise der Recheneinrichtung 36 zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet ist, vorteilhafterweise eine Messelektronik 38 aufweisen, mittels welcher wenigstens eine Temperatur und/oder eine elektrische Spannung der Batterie 10 erfassbar ist beziehungsweise erfasst werden kann. Dadurch kann die Batterie 10 beispielsweise besonders vorteilhaft betrieben werden und zusätzlich kann der erfasste Füllstand mit der erfassten Temperatur und/oder Spannung abgeglichen werden, um beispielsweise Aussagen über die erforderliche Menge an Kühlfluid 22 treffen zu können.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht der Leiterplatte 34 mit einer weiteren Ausführungsform der Füllstandmessvorrichtung 12. Dabei ist die Leiterplatte 34 vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass diese eine Auswerteelektronik 40 aufweist, welche zum Empfangen und Auswerten wenigstens eines von dem Füllstandsensor 24 bereitgestellten und den erfassten Füllstand charakterisierenden, elektronischen Signals ausgebildet ist. Dabei zeigt die Leiterplatte 34 der 2 zwei Ausführungsbeispiele des Füllstandsensors 24 und 24'. Vorteilhafterweise ist der wenigstens eine Füllstandsensor 24 beziehungsweise 24' als kapazitiver Sensor und/oder optischer Sensor ausgebildet. So ist der Füllstandsensor 24 als kapazitiver Sensor für eine kapazitive Füllstandmessung ausgebildet und beispielsweise durch eine längliche Geometrie charakterisiert. Details zur kapazitiven Füllstandmessung finden sich in der Beschreibung der 3. Ferner kann der Füllstandsensor 24 beispielsweise zusätzlich dazu ausgebildet sein, eine Leitwertmessung, insbesondere des elektrisch nicht leitenden, Kühlfluids 22 durchzuführen. Durch die Leitwertmessung können beispielsweise auf besonders einfache und vorteilhafte Weise Verunreinigungen des Kühlfluids 22 feststellbar sein beziehungsweise festgestellt werden. Der Füllstandsensor 24' ist beispielsweise, wie ein Großteil der Leiterplatte 34, mit einem Lötstopplack versehen. Dadurch kann der Füllstandsensor 24 besonders langlebig ausgebildet sein. Der jeweilige Füllstandsensor 24 beziehungsweise 24' kann der Auswerteelektronik 40 elektrische Signale bereitstellen, sodass mittels dieser Signale der Füllstand des Kühlfluids 22 in dem Aufnahmeraum 20 des Gehäuses 14 durch die Füllstandmessvorrichtung 12 bestimmbar ist.
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3 zeigt eine schematische Ansicht des Füllstandsensors 24 ohne Kühlfluid 22. Der Füllstandsensor 24, welcher auf der beziehungsweise durch die Leiterplatte 34 ausgebildet ist, welche sich im Aufnahmeraum 20 befindet, umfasst wenigstens eine erste Sensorfläche 42 sowie eine Massefläche 44. Diese können durch beispielsweise eine Fräsung oder eine anders ausgebildete Vertiefung 46 voneinander räumlich und elektrisch getrennt sein. Dabei ist die Vertiefung 46 frei von dem Werkstoff der Leiterplatte 34, sodass die Vertiefung 46 von einem Medium und insbesondere von dem Kühlfluid 22 durchströmbar ist beziehungsweise gefüllt werden kann.
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Der Füllstandsensor 24 der 3 ist als kapazitiver Sensor ausgebildet. Bei der kapazitiven Füllstandmessung wird die Änderung der elektrischen Kapazität zwischen der Sensorfläche 42 und der Massefläche 44 detektiert, wenn diese von dem Medium, wie beispielweise dem Kühlfluid 22 umgeben werden. Diese Änderung hängt von der Dielektrizitätskonstante des Mediums ab. Ist diese für das Medium konstant, so kann aus der gemessenen Kapazität darauf geschlossen werden, wie weit die Sensorfläche 42 beziehungsweise die Massefläche 44 in das Medium eintauchen. So kann mittels des Füllstandsensors 24 die Füllhöhe des Kühlfluids 22 im Aufnahmeraum 20, insbesondere kontinuierlich, bestimmt werden. Die Sensorfläche 42 und die Massefläche 44, welche vorzugsweise jeweils zumindest aus einen metallischen Werkstoff ausgebildet sind, sind dabei beispielsweise mit den beiden Platten eines Kondensators vergleichbar, zwischen welchen sich das Medium, welches sich in der Vertiefung 46 befindet, also insbesondere das Kühlfluid 22, als Dielektrikum des Kondensators beziehungsweise des Füllstandsensors 24 fungiert. Zwischen der Sensorfläche 42 und der Massefläche 44 kann ein elektromagnetisches Feld, insbesondere ein elektrisches Feld, welches durch die Pfeile 48 dargestellt ist, angelegt sein.
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Das Kühlfluid 22, welches beispielsweise einen Ester, einen Ether und/oder ein Öl aufweist, hat eine spezielle das Kühlfluid 22 charakterisierende Dielektrizitätskonstante. Die Dielektrizitätskonstante des Kühlfluids 22 ist vorteilhafterweise so gewählt, dass sich diese von der Dielektrizitätskonstante eines sich ebenfalls in dem Aufnahmeraum 20 befindenden Mediums, wie beispielsweise Luft oder ein anderes Gas, unterscheidet. Das heißt, die Dielektrizitätskonstante des Kühlfluids 22 weist einen anderen Wert als die Dielektrizitätskonstante beispielsweise der Luft in dem Aufnahmeraum 20 des Gehäuses 14 auf. Durch die unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten kann der Füllstand durch die Füllstandmessvorrichtung 12 besonders vorteilhaft erfasst werden, wie in 4 verdeutlicht wird.
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4 zeigt eine schematische Ansicht des Füllstandsensors 24 gemäß 3, wobei dieser nun teilweise von dem Kühlfluid 22 umgeben ist. Somit ist auch ein Teil der Vertiefung 46 des Füllstandsensors 24 mit dem Kühlfluid 22 gefüllt, sodass sich insgesamt die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums des als Kondensator betrachtbaren Füllstandsensors 24 ändert, wodurch nun ein Erfassen beziehungsweise Bestimmen des Füllstands des Kühlfluids 22 in dem Aufnahmeraum 20 besonders einfach und vorteilhaft sowie ausfallsicher durch die Füllstandmessvorrichtung 12 durchführbar ist beziehungsweise durchgeführt werden kann.
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Mittels der Füllstandmessvorrichtung 12 ist somit ein Erfassen des Füllstands des Kühlfluids 22 in dem Aufnahmeraum 20 des Gehäuses 14, in welchem sich beispielsweise die Batteriezellen 26 der Batterie 10 befinden, besonders ausfallsicher möglich, wobei die Füllstandmessvorrichtung 12 darüber hinaus besonders kompakt ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterie
- 12
- Füllstandmessvorrichtung
- 14
- Gehäuse
- 16
- Gehäuseunterteil
- 18
- Gehäuseoberteil
- 20
- Aufnahmeraum
- 22
- Kühlfluid
- 24, 24'
- Füllstandsensor
- 26
- Batteriezelle
- 28
- Zulauf-/Rücklaufleitung
- 30
- Wärmetauscher
- 32
- Kühlverteiler
- 34
- Leiterplatte
- 36
- elektronische Recheneinrichtung
- 38
- Messelektronik
- 40
- Auswerteelektronik
- 42
- Sensorfläche
- 44
- Massefläche
- 46
- Vertiefung
- 48
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013018416 A1 [0004, 0010]
