DE102019205953A1 - Temperaturmessvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmessvorrichtung für eine Akkuzelle umfassend einen SMD-Temperatursensor (2) und ein weiteres SMD-Bauteil (3). Das weitere SMD-Bauteil (3) ist unmittelbar neben dem SMD-Temperatursensor (2) auf der Leiterplatte angebracht, ragt über den SMD-Temperatursensor (2) heraus und dient als Abstandshalter.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Temperaturmessvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher, wie eine Batterie oder einen Akku, umfassend zumindest zwei SMD-Bauteile, wovon eines ein SMD-Temperatursensor ist.
  • Stand der Technik
  • Die DE 20 2017 104 847 U1 offenbart eine Temperaturmessvorrichtung mit einem Wärmeübertragungsteil, das derart angeordnet ist, dass es mit einem zu messenden Objekt in Wärmekontakt ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung umfassend eine Akkuzelle, und eine Temperaturmessvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen. Die Temperaturmessvorrichtung umfasst einen auf einer Leiterplatte aufgebrachten SMD-Temperatursensor und zumindest ein weiteres, ebenfalls auf der Leiterplatte aufgebrachtes, SMD-Bauteil. Das weitere SMD-Bauteil ist, insbesondere unmittelbar, neben dem SMD-Temperatursensor auf der Leiterplatte an- oder aufgebracht und überragt den SMD-Temperatursensor in Richtung einer Oberflächennormalen der Leiterplatte. Die Temperaturmessvorrichtung und die Akkuzelle sind derart zueinander angeordnet, dass das SMD-Bauteil die Akkuzelle mit der Leiterplatte kontaktiert, insbesondere verbindet, und einen Abstand des SMD-Temperatursensor zu der Akkuzelle definiert.
  • Der SMD-Temperatursensor dient zur Messung einer Temperatur der Akkuzelle.
  • Der Vorteil der Temperaturmessvorrichtung ist, dass diese Temperaturmessvorrichtung ausschließlich SMD-Bauteile umfasst, die kostengünstig gefertigt und ebenso kostengünstig auf der Leiterplatte aufgebracht werden können. Diese Temperaturmessvorrichtung kann kostengünstig auch in Massenfertigung hergestellt werden, da die verwendeten Bauteile automatisiert mit geringer Fehlerrate aufgelötet werden können. Ein weiterer Vorteil dieser Temperaturmessvorrichtung ist, dass durch das weitere SMD-Bauteil der Energiespeicher nicht in direktem Kontakt mit dem SMD-Temperatursensor steht, wodurch dieser keinen mechanischen Belastungen zum Beispiel durch Bewegungen des Energiespeichers ausgesetzt ist. Damit wird eine Temperaturmessvorrichtung bereitgestellt, deren Temperatursensor möglichst nahe an dem Energiespeicher ist, ohne dass dieser Temperatursensor mechanischem Belastungsstress ausgesetzt ist.
  • Unter „unmittelbar neben“ kann hier verstanden werden, dass das weitere SMD-Bauteil an den SMD-Temperatursensor angrenzt oder dass sich das weitere SMD-Bauteil mit einem vorgegebenen Abstand derart neben dem SMD-Temperatursensor befindet, dass ausreichend Wärme von dem elektrischen Energiespeicher über das weitere SMD-Bauteil zu dem SMD-Temperatursensor geleitet wird. Auf diese Weise kann der SMD-Temperatursensor Veränderungen einer Temperatur des elektrischen Energiespeichers besonders präzise erfassen.
  • Die Akkuzelle ist vorzugsweise eine Lithiumionenzelle. Bei Lithiumionenzellen ist es besonders wichtig, dass die Zellen thermisch überwacht werden, da diese eine vergleichsweise hohe Energie- und Leistungsdichte aufweisen, wobei es bei hohen Lade- oder Entladeströmen zu einer signifikanten Erwärmung der Lithiumionenzelle kommen kann.
  • Es wird vorgeschlagen, dass der SMD-Temperatursensor und das weitere SMD-Bauteil mittels einer Wärmebrücke wärmeleitend miteinander kontaktiert, insbesondere verbunden, sind.
  • Unter einer Wärmebrücke wird eine thermisch leitende Verbindung zwischen zumindest zwei Bauteilen verstanden, die eine vorhandene, weniger gute thermisch leitende Verbindungen zwischen diesen Bauelementen - wie sie beispielsweise durch Luft oder ein gemeinsames Substrat realisiert sein kann - überbrückt. Dies hat den vorteilhaften technischen Effekt, dass die Wärme des Energiespeichers mit geringeren Verlusten über das weitere SMD-Bauteil zu dem SMD-Temperatursensor geleitet werden kann, wodurch der SMD-Temperatursensor präzise und verzögerungsreduziert die Temperatur des Energiespeichers erfassen kann.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Wärmebrücke einen hohen metallischen Anteil aufweist und/oder elektrisch getrennt bzw. entkoppelt von der Leiterplatte ist. Vorteilhafterweise ist die Wärmebrücke eine Kupfer-platte oder -schicht.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn die Wärmebrücke in der Leiterplatte integriert ist, insbesondere als Kupfer-Innenlage oder Aluminiumkern der Leiterplatte, wodurch die Wärmebrücke kostengünstig bei der Leiterplattenherstellung eingebaut werden kann. Alternativ kann die Wärmebrücke, vorzugsweise aus Kuper, an einer Oberfläche der Leiterplatte aufgebracht sein, wobei die Oberfläche der Akkuzelle zugewandt oder abgewandt ist. Die Wärmebrücke kann mechanisch und/oder elektrisch entkoppelt auf der Leiterplatte angebracht sein.
  • Die Oberfläche kann eine Außenseite oder Innenseite der Leiterplatte sein. Die Innenseite der Leiterplatte ist diejenige Seite, die der Akkuzelle zugewandt ist. Die Außenseite ist die der Innenseite gegenüberliegende Seite der Leiterplatte. Eine elektrische Entkopplung liegt dann vor, wenn bei den üblich verwendeten Spannungen und Stromstärken auf der Leiterplatte kein Kurzschluss auftreten kann.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zumindest teilweise um zumindest das weitere SMD-Bauteil und/oder den SMD-Temperatursensor eine die Leiterplatte durchdringende Aussparung vorgesehen ist. Die Aussparung kann zumindest teilweise durchgehend entlang einer Länge der Aussparung, insbesondere vollständig durchgehend, z.B. als Graben, realisiert sein. Alternativ kann die Aussparung in Form einer Mehrzahl von Löchern, die zumindest teilweise um das weitere SMD Bauteil angeordnet sind (beispielsweise kreisförmig um das weitere SMD Bauteil angeordnet), realisiert sein.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zumindest teilweise um den SMD-Temperatursensor in der Leiterplatte ein Graben angeordnet ist, der insbesondere gefräst oder gestanzt ist. Der Graben kann beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig, elliptisch oder polygon, insbesondere rechteckig, um das zumindest eine weitere SMD-Bauteil verlaufen. Unter im Wesentlichen kann hier verstanden werden, dass der Graben soweit um zumindest das weitere SMD-Bauteil verläuft, sodass der Teil der Leiterplatte, welcher durch den Graben von der Leiterplatte getrennt ist, noch einseitig mit der Leiterplatte verbunden ist.
  • Alternativ können auch dicht aneinander gesetzte Bohrungen, vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmig, elliptisch oder polygon, insbesondere rechteckig, um das SMD-Bauteil angeordnet sein.
  • Der Vorteil hierbei ist, dass eine thermische Isolation des SMD-Temperatursensors und/oder des weiteren SMD Bauteils gegenüber möglichen weiteren auf der Leiterplatte angebrachten Bauteilen erzielt werden kann. Damit kann Wärme von benachbarten Bauelementen auf der Leiterplatte nicht zu dem SMD-Temperatursensor gelangen und dessen erfasste Temperatur des Energiespeichers verfälschen. Ferner kann durch diese Ausführungsform eine parasitäre Verteilung der zu erfassenden Wärme auf der Leiterplatte vermieden werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zumindest das weitere SMD-Bauteil auf einem Kontaktierelement der Leiterplatte angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Kontaktierelement ein halb-inselförmiger Teil der Leiterplatte.
  • Unter einem halb-inselförmigen Teil der Leiterplatte wird verstanden, dass auf der Leiterplatte ein Teil dieser Leiterplatte nur noch einseitig mit der übrigen Leiterplatte verbunden ist und derart einen freistehenden Teil der Leiterplatte darstellt.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass die Halb-Insel der Leiterplatte als eine Blattfeder fungieren kann, wodurch mechanische Toleranzen der Konstruktion und/oder Bewegungen des Energiespeichers ausgeglichen werden können.
  • Vorzugsweise ist das Kontaktierelement unter einer Krafteinwirkung der Akkuzelle auf das weitere SMD-Bauteil mit zumindest einer Kraftkomponente senkrecht zur Leiterplatte parallel zur Oberflächennormalen beweglich, insbesondere elastisch beweglich. Die Elastizität kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Leiterplattendicke entsprechend gering gewählt wird und/oder eine „Länge der halb-inselförmigen Teils entsprechend lang“ gewählt wird.
  • Es sei angemerkt, dass parallel auch kollinear einschließt.
  • Das Kontaktierelement kann laschenförmig ausgestaltet und einseitig mit der Leiterplatte verbunden sein.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das weitere SMD-Bauteil ein Standard-SMD-Bauteil ist, welches einen hohen Al2O3 Trägermaterial-Anteil aufweist. Vorteilhafterweise ist das Standard-SMD Bauteil ein Widerstand oder ein Kondensator. Der Vorteil hierbei ist, dass die Standard-SMD-Bauteile preisgünstig sind und durch deren vorteilhaften Anordnung in der Temperaturmessvorrichtung unabhängig von ihrer elektrischen Funktion verwendet werden können. D.h. eine Beschädigung, bzw. eine Beeinträchtigung der elektrischen Funktion, dieses Bauteils führt nicht zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Funktionalität der Temperaturmessvorrichtung.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das weitere SMD-Bauteil ein „True“-Zero Ohm Jumper oder eine SMD-Kontakt-Feder ist.
  • Diese SMD-Bauteile sind besonders vorteilhaft, da aufgrund des hohen Metallgehaltes diese Bauteile eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die SMD-Kontakt-Feder ist hierbei besonders vorteilhaft, da diese neben ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit zusätzlich mechanische Toleranzen ausgleichen kann.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine Mehrzahl von weiteren SMD-Bauteilen neben, insbesondere unmittelbar neben, dem SMD-Temperatursensor angeordnet ist.
  • Dieser Ausführungsform hat den Vorteil, dass durch die zusätzlichen weiteren SMD-Bauteile die Wärmeleitfähigkeit erhöht wird und gleichzeitig mechanische Belastung der Temperaturmessvorrichtung durch den Energiespeicher (wie sie z.B. in Folge von Vibrationen der Vorrichtung auftreten können) auf die Mehrzahl der weiteren SMD-Bauteile gleichmäßig verteilt wird.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasste eine Handwerkzeugmaschine die Vorrichtung des ersten Aspektes. Besonders bevorzugt ist die Handwerkzeugmaschine eine Bohrmaschine oder ein Bohrhammer.
  • Ausführungsbeispiele sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • Figurenliste
    • 1 eine schematische Darstellung einer Temperaturmessvorrichtung für eine Akkuzelle;
    • 2 eine schematische Darstellung der Temperaturmessvorrichtung mit einer Wärmebrücke;
    • 3 eine schematische Darstellung der Temperaturmessvorrichtung mit einem Graben;
    • 4 eine schematische Darstellung der Temperaturmessvorrichtung mit Bohrungen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Temperaturmessvorrichtung für eine Akkuzelle (4). Die Akkuzelle (4) kann in einem Halteelement (5) angeordnet sein. Das Halteelement (5) weist eine Öffnung (6) auf, durch welche die Temperaturmessvorrichtung in Kontakt mit der Akkuzelle (4) steht.
  • Die Temperaturmessvorrichtung umfasst eine Leiterplatte (1), auf welcher ein SMD-Temperatursensor (2) und zumindest ein weiteres SMD-Bauteil (3) angeordnet ist. Das weitere SMD-Bauteil (3) ist hierbei unmittelbar neben dem SMD-Temperatursensor (2) angeordnet und ragt über diesen in Richtung einer Oberflächennormalen hinaus.
  • Dadurch, dass das weitere SMD-Bauteil (3) über den SMD-Temperatursensor (2) hinausragt, ist nur das weitere SMD Bauteil (3) in mechanischem Kontakt mit der Akkuzelle (4). Vorteilhafterweise ist das weitere SMD-Bauteil (3) kraft- oder formschlüssig in Kontakt mit der Akkuzelle (4). Das weitere SMD-Bauteil (3) kann beispielsweise ein Widerstand oder ein Kondensator sein. Alternativ kann das weitere SMD-Bauteil (3) ein „True“ Zero-Ohm-Jumper oder anderes SMD-Bauteil sein, das überwiegend aus Al2O3 bestehen.
  • Die elektrische Funktion des weiteren SMD Bauteils (3) wird in diesem Ausführungsbeispiel nicht verwendet. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass das weitere SMD-Bauteile (3) im Falle einer mechanischen oder funktionellen Beschädigung keinen Einfluss auf die Funktionalität der Temperaturmessvorrichtung hat.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist das weitere SMD-Bauteil (3) eine SMD Kontaktfeder, welche besonders gut mechanische Toleranzen ausgleichen kann, ohne Schaden zu nehmen.
  • Optional kann für jede der in 1 dargestellten Akkuzellen (4) jeweils eine Temperaturmessvorrichtung verwendet werden, um diese individuell überwachen zu können.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Temperaturmessvorrichtung, bei welcher eine Wärmebrücke (8) verwendet wird, um die Wärme der Akkuzelle von dem weiteren SMD Bauteil (3) zu dem SMD-Temperatursensor (2) zu leiten.
  • Beispielsweise wird in 2 eine Kupferplatte oder eine in die Leiterplatte (1) Kupferschicht als Wärmebrücke (8) verwendet. Es sei angemerkt, dass nicht alle elektrischen Kontaktanschlüsse (7) des SMD-Temperatursensors (2) in elektrischer Verbindung mit der Kupferschicht sein dürfen, um diese Kontaktanschlüsse nicht kurz zu schließen.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird die Wärmebrücke (8) in die Leiterplatte (1) integriert, um die Wärmebrücke sowohl besser thermisch zu isolieren, also auch elektrisch von den elektrischen Kontaktschlüssen (7) des SMD-Temperatursensors (2) zu isolieren. Vorzugsweise wird die Wärmebrücke in einer anderen Ebene als die elektrischen Kontaktanschlüsse (7) integriert.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird die Wärmebrücke (8) auf der gegenüberliegenden Seite derjenigen Seite, auf welcher die SMD-Bauteile (2,3) angebracht sind, angeordnet. Vorzugsweise sind die SMD Bauteile (2,3) auf der Seite der Leiterplatte (1) angeordnet, die zu der Akkuzelle (4) ausgerichtet ist.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Temperaturmessvorrichtung, bei welcher ein Graben (10) in die Leiterplatte (1) zumindest teilweise um den SMD-Temperatursensor (2) und das weitere SMD Bauteil (3) gebohrt oder gestanzt ist. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass eine über den Graben (10) hinausreichende Verteilung der Wärme auf der Leiterplatte (1) unterbunden wird.
  • Der beispielhaft in 3 gezeigte Graben führt dazu, dass der Teil der Leiterplatte, auf welchem der SMD-Temperatursensor (2) und das weitere SMD Bauteil (3) angeordnet sind, nur einseitig mit der restlichen Leiterplatte (1) verbunden ist. Diese besondere Ausführungsform des Grabens führt zu einer Halbinsel der Leiterplatte, die den vorteilhaften Effekt hat, dass die Halbinsel wie eine Blattfeder fungiert, welche mechanische Toleranzen ausgleichen kann und eine zuverlässige Verbindung des weiteren SMD Bauteils (3) mit der Akkuzelle (4) herstellt.
  • 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Temperaturmessvorrichtung, bei welcher um den SMD-Temperatursensor (2) und das weitere SMD-Bauteil (3) Bohrungen (11) in der Leiterplatte (1) angeordnet sind. Die Bohrungen (11) führen zu einer thermischen Isolierung der SMD-Bauteile gegenüber der restlichen Leiterplatte (1).
  • Vorzugsweise sind die Bohrungen (11) dicht aneinandergesetzt und im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch um die SMD-Bauteile (2,3) angeordnet, wobei die Bohrungen (11) einen ersten Ring von Bohrungen bilden. Zusätzlich kann zu dem ersten Ring zumindest ein weiterer Ring von Bohrungen um den ersten Ring angeordnet werden, wobei vorzugsweise die Bohrungen des ersten und zweiten Ringes zueinander versetzt angeordnet sind.
  • Zusätzlich können mehr als ein weiteres SMD-Bauteil (3) für die bisherigen beschriebenen Ausführungsformen der Temperaturmessvorrichtung verwendet werden. Vorzugsweise sind die mehreren weiteren SMD-Bauteile (3) um den SMD-Temperatursensor (2) auf der Leiterplatte (1) angeordnet. Optional ist der SMD-Temperatursensor (2) mittig zu den mehreren weiteren SMD-Bauteilen (3) angeordnet, die jeweils einen geringsten möglichen Abstand zu dem SMD-Temperatursensor (2) haben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202017104847 U1 [0002]

Claims (16)

  1. Vorrichtung umfassend zumindest eine Akkuzelle (4) und eine Temperaturmessvorrichtung, wobei die Temperaturmessvorrichtung einen auf einer Leiterplatte (1) aufgebrachten SMD-Temperatursensor (2) und zumindest ein auf der Leiterplatte (1) aufgebrachtes weiteres SMD-Bauteil (3), welches den SMD-Temperatursensor (2) in Richtung einer Oberflächennormalen der Leiterplatte überragt, umfasst, wobei das weitere SMD-Bauteil (3) eingerichtet ist, die Akkuzelle (4) mit der Leiterplatte (1) zu kontaktieren, insbesondere zu verbinden, und einen Abstand des SMD-Temperatursensor (2) zu der Akkuzelle (4) zu definieren.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das weitere SMD-Bauteil (3) formschlüssig, insbesondere kraftschlüssig, mit der Akkuzelle (4) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der SMD-Temperatursensor (2) und das weitere SMD-Bauteil (3) mittels einer Wärmebrücke wärmeleitend kontaktiert, insbesondere verbunden, sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wärmebrücke Kupfer aufweist und streifenförmig oder plattenförmig in und/oder auf der Leiterplatte (1) realisiert ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Wärmebrücke elektrisch entkoppelt von der Leiterplatte ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest teilweise um den SMD-Temperatursensor und/oder das weitere SMD-Bauteil eine die Leiterplatte (1) durchdringende Aussparung vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Aussparung zumindest teilweise umlaufend um den SMD-Temperatursensor und/oder das weitere SMD-Bauteil angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Aussparung zumindest teilweise durchgängig in Form eines Grabens (10) realisiert ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest das weitere SMD-Bauteil der Temperaturmessvorrichtung auf einem Kontaktierelement der Leiterplatte (1) aufgebracht ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Akkuzelle (4) über das weitere SMD-Bauteil mit der Leiterplatte (1) mittels des Kontaktierelements, insbesondere mechanisch, in Kontakt steht und wobei das Kontaktierelement unter einer Krafteinwirkung auf das weitere SMD-Bauteil (3) mit zumindest einer Kraftkomponente senkrecht zur Leiterplatte (1) parallel zur Oberflächennormalen beweglich, insbesondere elastisch beweglich, ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Kontaktierelement ein, insbesondere halb-inselförmiger, Teil der Leiterplatte (1) ist und wobei das Kontaktierelement einseitig mit der Leiterplatte (1) verbunden ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11 und Anspruch 8, wobei der Graben beginnend an einem ersten Ende derjenigen Seite des Kontaktierelements, die einseitig mit der Leiterplatter verbunden ist, um das Kontaktierelement bis zu einem zweiten Ende, das gegenüber dem ersten Ende an derjenigen Seite des Kontaktierelements, die einseitig mit der Leiterplatter verbunden ist, liegt, verläuft.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das weitere SMD-Bauteil (3) einen Anteil von zumindest 50% an AI203 Trägermaterial-Anteil aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das weitere SMD-Bauteil ein „echter“ Null-Ohm-SMD-Jumper (engl. „True“-Zero Ohm Jumper) oder eine SMD-Kontaktfeder ist.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von weiteren SMD-Bauteilen neben dem SMD-Temperatursensor angeordnet sind.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei zumindest ein weiteres SMD-Bauteil neben dem SMD-Temperatursensor angeordnet ist, wobei das zumindest eine weitere SMD-Bauteil auf einem Kontaktierelement aufgebracht ist.
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