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Technisches Feld
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen, insbesondere Batteriezellen, sowie ein Verfahren zur Temperaturmessung von einer oder mehreren Zellen, insbesondere von Batteriezellen.
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Technisches Problem
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Um einen sicheren Betrieb von Batteriespeichern gewährleisten zu können, ist es notwendig, die Eigenschaften der Batteriezellen in dem Batteriespeicher genau zu überwachen. Vor allem bei Lithiumionenbatterien ist eine strikte Überwachung der Zelltemperatur notwendig, um ein Überhitzen einer Zelle, was zum Entzünden und zum Brennen der Zelle führen kann, zu vermeiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Zelltemperaturen, insbesondere von Batteriezellen, mittels eines Verfahrens oder einer Messanordnung effizient, ausfallsicher und mit niedrigem Kostenaufwand zu ermitteln.
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Lösung des Problems
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf besondere Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Eine erfindungsgemäße Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen, insbesondere Batteriezellen, umfasst eine Versorgungseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung bereitzustellen, sowie eine Auswerteeinheit. Zellen im Rahmen dieser Erfindung können sowohl primäre, sekundäre als auch tertiäre galvanische Zellen sein, wie zum Beispiel Batterien und Akkus sowie Brennstoffzellen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf galvanische Zellen beschränkt. Eine Versorgungseinheit kann beispielsweise ein Generator, insbesondere ein Spannungs- und/oder Stromgenerator, ein Netzteil, eine Strom- und/oder Spannungsquelle sein.
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Erfindungsgemäß umfasst die Temperaturmessanordnung eine oder mehrere Dioden als Temperatursensoren, wobei die einen oder mehreren Dioden mit der Versorgungseinheit und der Auswerteeinheit jeweils mittelbar und/oder unmittelbar elektrisch verbunden sind. Eine Diode kann beispielsweise über eine oder mehrere weitere Dioden und/oder eine Verstärkerschaltung mit der Versorgungseinheit bzw. der Auswerteeinheit verbunden sein. Eine Diode kann beispielsweise eine pn-Diode, eine Schottky-Diode, eine Zener-Diode, etc. sein.
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Erfindungsgemäß sind die eine oder mehrere Dioden jeweils in einem Wärmeabgabebereich mindestens einer Zelle angeordnet. Ein Wärmeabgabebereich einer Zelle ist ein Bereich, dessen Temperatur im Wesentlichen von der Temperatur der Zelle abhängt, wenn die Zelle Wärme abgibt. Der Wärmeabgabebereich kann dabei Bereiche in unmittelbarer Nähe zur Zelle sowie Bereiche, die thermisch mit der Zelle gekoppelt sind, umfassen.
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Die Auswerteeinheit ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, eine elektrische Spannung, die an einer oder mehreren Dioden der einen oder mehreren Dioden abfällt und/oder einen elektrischen Strom, der durch eine oder mehrere Dioden der einen oder mehreren Dioden fließt, zu erfassen und anhand des erfassten elektrischen Stroms und/oder anhand der erfassten elektrischen Spannung die Temperatur von einer oder mehreren Zellen zu bestimmen und/oder eine Änderung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen zu detektieren. Dazu kann die Auswerteeinheit beispielsweise einen Komparator, einen Analog-Digital-Wandler und/oder sonstige elektronische Bauteile bzw. Schaltungen umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Auswerteeinheit einen Mikroprozessor, ein System-on-Chip und/oder sonstige analoge und/oder digitale Schaltungen umfassen.
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Dies hat den Vorteil, dass Dioden besonders kostengünstig sind und bei einer entsprechenden Verschaltung der Dioden nur eine Auswerteeinheit für eine Vielzahl von Zellen, insbesondere Batteriezellen, benötigt wird. Somit kann die Temperatur einer Vielzahl von Zellen auf einfache und kostengünstige Art und Weise überwacht werden.
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In einer besonders kostengünstigen Ausführungsform kann die Versorgungseinheit dazu eingerichtet sein, einen vorgegebenen elektrischen Strom und/oder eine vorgegebene elektrische Spannung bereitzustellen.
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Dies kann den Vorteil haben, dass eine Messung des bereitgestellten Stroms bzw. der bereitgestellten elektrischen Spannung überflüssig wird und sich die Anforderungen an die Auswerteeinheit dadurch verringern. Außerdem kann dadurch die Komplexität der Auswerteeinheit verringert werden, da ein Parameter, beispielsweise der von der Versorgungseinheit bereitgestellte elektrische Strom bzw. die von der Versorgungseinheit bereitgestellte elektrische Spannung, konstant ist.
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In manchen Ausführungsformen kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, sowohl eine elektrische Spannung, die an einer oder mehreren Dioden der einen oder mehreren Dioden abfällt, und einen elektrischen Strom, der durch eine oder mehrere Dioden der einen oder mehreren Dioden fließt, zu erfassen. Dies kann den Vorteil haben, dass die Genauigkeit der Messergebnisse erhöht wird.
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In besonders vorteilhaften Ausführungsformen können die eine oder mehreren Dioden in Reihe und/oder parallel miteinander verschaltet sein. Parallel geschaltete Dioden können den Vorteil haben, dass sich bei einer vorgegebenen elektrischen Spannung der elektrische Strom linear zu den Leitwerten der Dioden verhält. Analog können in Reihe geschaltete Dioden den Vorteil haben, dass bei einem eingeprägten Strom ein linearer Zusammenhang zwischen den an den Dioden abfallenden Spannungen und der Diodentemperatur vorhanden ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können Dioden der einen oder mehreren Dioden in Flussrichtung geschaltet sein. Dies kann den Vorteil haben, dass größere Ströme bzw. Spannungen an der Auswerteeinheit anliegen und somit durch die Auswerteeinheit detektiert werden können. Dadurch kann die Empfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen und Rauschen verringert werden. In manchen Ausführungsformen kann zur Einstellung des Arbeitspunktes der einen oder mehreren Dioden eine Offset-Spannung oder ein Offset-Strom angelegt werden.
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In einer besonders sparsamen Ausführungsform können Dioden der einen oder mehreren Dioden in Sperrrichtung geschaltet sein. Dies kann den Vorteil haben, dass der Energieverbrauch für die Temperaturmessanordnung reduziert werden kann und dass der Signalausschlag an der Auswerteeinheit (der Spannung bzw. des Stroms) kleiner ist und somit die Anforderungen an die Auswerteeinheit reduziert werden können.
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In einer Ausführungsform mit besonders genauen Ergebnissen können die eine oder mehreren Dioden mittels eines oder mehrerer Multiplexer mit der Auswerteeinheit verbunden sein, wobei der eine oder die mehreren Multiplexer dazu eingerichtet sein können, einen oder zwei Terminals der einen oder mehreren Dioden an die Auswerteeinheit durchzuschalten. Dies kann den Vorteil haben, dass die Zelltemperatur für jede Zelle oder für eine Gruppe von Zellen einzeln gemessen werden kann und somit die Genauigkeit der gemessenen Zelltemperaturen, vor allem bei einer Vielzahl von Zellen, erhöht werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch eine Überhitzung auf einfache Art und Weise lokalisiert und gegebenenfalls eine fehlerhafte Zelle bestimmt werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Wärme einer Zelle über einen oder mehrere thermische Vias zu einer Diode geleitet werden. Dies kann den Vorteil haben, dass die Dioden in besonders ausgeprägter Weise von den Zelltemperaturen beeinflusst werden, wohingegen weitere Schaltungselemente möglichst wenig durch die Zelltemperaturen beeinflusst werden. Außerdem kann dadurch die Positionierung der Dioden relativ zu den Zellen flexibler gegenüber anderen Ausführungsformen erfolgen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann ein Wärmeleiter an einer Zelle, an einem Port einer Zelle und/oder an einem mit einem Port einer Zelle verbundenen Zellverbinder angebracht sein und kann der Wärmeleiter die von der Zelle abgegebene Wärme einer Diode der einen oder mehreren Dioden zuführen. Ein Wärmeleiter kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste, ein Kupferbleck, ein Kupferblock, etc. sein. Dies hat den Vorteil, dass die von einer Zelle abgegebene Wärme besonders gut einer Diode zugeführt werden kann.
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In einer besonders eleganten Ausführungsform kann ein Wärmeleiter an einer Unterseite einer Platine zur thermischen Verbindung mit einem Zellverbinder angebracht sein und eine oder mehrere Dioden der einen oder mehreren Dioden an einer Oberseite der Platine angeordnet sein und die Wärme vom Wärmeleiter zu der einen oder mehreren Dioden auf der Oberseite der Platine über mindestens einen thermischen Via zur Diode der einen oder mehreren Dioden an der Oberseite der Platine leiten. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatursensoren (Dioden) auf einfache Art und Weise in die jeweiligen Wärmeabgabebereiche der Zellen angeordnet werden können.
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In manchen Ausführungsformen kann der Wärmeleiter an der Unterseite der Platine so angebracht sein, dass zumindest ein Teil des Wärmeleiters im Temperaturabgabebereich einer Zelle angeordnet ist und dadurch besonders vorteilhaft von der Wärmestrahlung einer Zelle beeinflusst wird. Es ist also nicht notwendig, dass der Wärmeleiter an einer Unterseite der Platine thermisch mit einem Zellverbinder verbunden ist.
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In einer besonders ausfallsicheren Ausführungsform kann die Wärme einer Zelle über zwei Ports der Zelle voneinander entkoppelt über zwei thermische Vias zur Diode geleitet werden. Die zwei Ports können dabei Pole einer Zelle, insbesondere einer Batteriezelle, sein. Dies hat den Vorteil, dass eine Redundanz bei der Wärmezufuhr von einer Zelle zur Diode als Temperatursensor erreicht werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann eine Diode zur Erfassung der Umgebungstemperatur mit der Versorgungseinheit und der Auswerteeinheit verbunden sein, wobei die Diode zur Erfassung der Umgebungstemperatur beabstandet von Wärme- und/oder Kältequellen angeordnet ist. Beabstandet bedeutet in diesem Zusammenhang außerhalb eines Temperaturabgabebereiches einer Wärme- oder Kältequelle. Dadurch können Schwankungen der gemessenen Temperaturen, die auf Änderungen der Umgebungstemperatur zurückzuführen sind, detektiert werden. Somit kann ein Überhitzen einer Zelle von einem Anstieg der Umgebungstemperatur unterschieden werden.
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In einer besonders kostengünstigen Ausführungsform kann die Temperatur einer oder mehrerer Zellen und/oder eine Abweichung der Temperatur einer oder mehrerer Zellen mittels der von der Auswerteeinheit ermittelten Spannung und/oder des von der Auswerteeinheit ermittelten Stroms und vorgegebenen Referenzwerten von der Auswerteeinheit ermittelt werden. Die vorgegebenen Referenzwerte können beispielsweise von einer Kalibrierung, von der erfassten Umgebungstemperatur, von einer vorgegebenen Spannung-Temperaturkennlinie (in Abhängigkeit eines Stroms) der einen oder mehreren Dioden, von einer vorgegebenen Strom-Temperaturkennlinie (in Abhängigkeit einer Spannung) der einen oder mehreren Dioden und/oder von einem oder mehreren zuvor erfassten Spannungs- und/oder Stromwerten abhängig sein. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur der Zellen sehr genau ermittelt werden kann und eine Überhitzung der Zellen frühzeitig bestimmt werden kann. Dadurch kann der Arbeitsbereich einer Zelle und somit die Kapazität der Zelle optimal genutzt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Temperaturmessung von einer oder mehreren Zellen, insbesondere von Batteriezellen, umfasst den Schritt Einprägen einer Spannung oder eines Stroms in eine Schaltungsanordnung, wobei die Schaltungsanordnung eine oder mehrere Dioden als Temperatursensoren umfasst und die eine oder mehreren Dioden in einen Wärmeabgabebereich einer Zelle angeordnet sind. Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte Ermitteln eines durch die eingeprägte Spannung erzeugten Stroms oder durch den eingeprägten Strom erzeugten Spannung an einer oder mehreren Dioden der einen oder mehreren Dioden; und Ermitteln einer oder mehrerer Zelltemperaturen und/oder einer oder mehrerer Abweichungen von Zelltemperaturen in Abhängigkeit des ermittelten Stroms und/oder der ermittelten Spannung. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur der Zellen auf kostengünstige und einfache Art und Weise erfasst werden kann und somit gleichzeitig eine Abweichung der Temperatur erfasst werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das Ermitteln der einen oder mehreren Zelltemperaturen und/oder der einen oder mehreren Abweichungen von Zelltemperaturen in Abhängigkeit eines oder mehrerer vorgegebenen Referenzwerte erfolgen, wobei die vorgegebenen Referenzwerte von einer Kalibrierung von der erfassten Umgebungstemperatur, von einer vorgegebenen Spannung, Temperaturkennlinie (in Abhängigkeit eines vorgegebenen Stroms) der einen oder mehreren Dioden, von einer vorgegebenen Stromtemperaturkennlinie (in Abhängigkeit der eingeprägten Spannung) der einen oder mehreren Dioden und/oder von einem oder mehreren zuvor erfassten Spannungs- und/oder Stromwerten abhängig sein können. Je genauer die Systemparameter, die die Abhängigkeit zwischen Temperatur und ermittelter Spannung oder ermitteltem Strom beeinflussen desto genauer lässt sich die Zelltemperatur der Zellen bestimmen.
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Zusammenfassend lässt sich mit dem Verfahren die Zelltemperatur und/oder eine Abweichung der Zelltemperatur von einer Vielzahl von Zellen auf einfache und kostengünstige Weise ermitteln.
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Figurenliste
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- 1 - 6 zeigen jeweils einen Teil einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 7 -13 zeigen jeweils beispielhaft eine Schaltung einer Temperaturmessanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 14 zeigt schematisch einen Aufbau einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 15 zeigt schematisch ein Verfahren zur Temperaturmessung von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen Teil einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Pole 19a der Zellen 11 sind mittels eines Zellverbinders 12a elektrisch leitend verbunden. Pole 19b der Zellen 11 sind mittels des Zellverbinders 12b elektrisch leitend verbunden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Dioden 18 mittels der Anschlussflächen 16 an der Leiterplatte 14 befestigt. Die Leiterplatte 14 umfasst Durchkontaktierungen/Vias 15, um die Wärme, die von den Zellen 11 abgegeben wird, in die unmittelbare Umgebung einer Diode 18 zu leiten, sodass die Leitfähigkeit der Diode 18 im Wesentlichen von der Wärmeabgabe einer Zelle 11 beeinflusst wird.
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In den gezeigten Figuren kann eine Durchkontaktierung eine oder eine Vielzahl von Durchkontaktierungen repräsentieren.
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In manchen Ausführungsformen kann zum besseren Wärmetransport zwischen Diode und Leiterplatte ein Wärmestrahler 17 angeordnet sein. In manchen Ausführungsformen kann zwischen Zellverbinder 12 und der Durchkontaktierung 15 ein Wärmeleiter 13 angeordnet sein, der einen optimalen Wärmetransport zwischen einer Zelle 11 und der Durchkontaktierung 15, beispielsweise zwischen Zellverbinder und Diode, ermöglicht.
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In manchen Ausführungsformen wird die Wärme der Zelle 11 über den Zellverbinder 12, den Wärmeleiter 13, die Durchkontaktierung 15 und den Wärmestrahler 17 an die Diode 18 transportiert/geleitet. In dieser Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, wenn der Wärmestrahler 17 und/oder der Wärmeleiter 13 elektrisch isolierend und thermisch leitend ausgeführt ist.
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In manchen Ausführungsformen kann die Diode neben den Anschlüssen für die Anschlussflächen 16 einen weiteren Anschluss für den Wärmestrahler 17 haben, sodass eine optimale Wärmeübertragung zu der Diode 18 erfolgen kann. In manchen Ausführungsformen ist zwischen Zelle und Diode weder ein Wärmeleiter noch ein Wärmestrahler angeordnet, d. h. die Wärme wird über die Luft und die Durchkontaktierung zur Diode geleitet.
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2 zeigt einen Teil einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 2 sind Zellen 11 mittels eines Zellverbinders 12 miteinander verbunden. Auf dem Zellverbinder 12 ist eine Leiterplatte 14 angeordnet. Die Leiterplatte 14 umfasst dabei Durchkontaktierungen 15, die einen Wärmetransport von einer Zelle, beispielsweise über den Zellverbinder, von der Unterseite der Leiterplatte zu einer Oberseite der Leiterplatte 14 ermöglichen. An der Oberseite der Leiterplatte 14 sind Dioden 18 über den Durchkontaktierungen angeordnet, sodass eine Wärme, die von den Zellen 11 abgegeben wird, den Dioden 18 zugeführt wird und die Umgebungstemperatur der Dioden von einer Wärmeabgabe der Zellen 11 messbar/detektierbar beeinflusst wird. Eine Verschaltung der Dioden findet vorzugsweise auf der Oberseite der Leiterplatte 14 statt.
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In manchen Ausführungsformen kann die Leiterplatte anstelle von Durchkontaktierungen/Vias 15 Ausnehmungen umfassen, die eine Wärmeabgabe von Zellen, die an einer Unterseite der Leiterplatte angeordnet sind, an Dioden, die an einer Oberseite der Leiterplatte angeordnet sind, ermöglichen.
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In manchen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, dass die Leiterplatte ein elektrisch isolierendes Substrat umfasst. In manchen Ausführungsformen können an einer Unterseite der Leiterplatte 14 und/oder an einer Oberseite der Leiterplatte 14 Leiterbahnen, beispielsweise mittels Drucken oder mittels Ätzen, angeordnet sein.
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Die Dioden 18 können beispielsweise in Reihe und/oder parallel miteinander verschaltet sein und mit einer Auswerteeinheit verbunden sein. In manchen Ausführungsformen können die Dioden über einen Multiplexer oder mehrere Multiplexer mit der Auswerteeinheit verbunden sein.
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3 zeigt einen Teil einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen 11 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die Dioden direkt auf einem Zellverbinder 12, der die Zellen 11 elektrisch leitend verbindet, angeordnet, wobei ein Isolator, beispielsweise in Form eines Dioden-Gehäuses, die Diodenstruktur (Halbleiterstruktur) sowie die elektrischen Anschlüsse (Anode, Kathode) von dem Zellverbinder elektrisch trennt. Die Dioden können dabei beispielsweise auf einer Unterseite einer Platine angeordnet sein. Mögliche Verschaltungen für die Dioden 18 sind in den 7 bis 13 gezeigt. Die Verschaltung kann in manchen Ausführungsformen auf der Unterseite einer Leiterplatte angeordnet sein, lose angeordnet sein oder auf einer Oberseite einer Leiterplatte angeordnet sein.
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Ist eine Verschaltung der Diode auf einer Oberseite der Leiterplatte angeordnet und die Dioden auf einer Unterseite der Leiterplatte, so können die Dioden mittels Durchkontaktierungen mit den Leiterbahnen auf der Oberseite der Leiterplatte verbunden sein.
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4 zeigt einen Teil einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 4 sind Pole 19 der Zellen 11 mittels Zellverbinder 12 miteinander verbunden. Von den Polen 19 beabstandet ist eine Leiterplatte 14 mit Durchkontaktierungen 15 angeordnet. In manchen Ausführungsformen kann eine Durchkontaktierung 15 mittels eines Wärmeleiters 13 wärmeleitend mit einer Zelle 11 verbunden sein. Die Durchkontaktierungen 15 leiten eine von den Zellen abgegebene Wärme an die Dioden 18 weiter. In manchen Ausführungsformen kann dazu ein Wärmestrahler zwischen einer Durchkontaktierung 15 und der Diode 18 angeordnet sein. Die Dioden sind in dieser Ausführungsform mittels der Anschlussflächen 16 an der Leiterplatte 14 befestigt. Vorteilhafterweise sind die Anschlussflächen 16 leitend, sodass die Dioden über die Anschlussflächen 16 beschaltet werden können.
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In manchen Ausführungsformen können die Dioden auf einer Leiterplatte 14 zwischen Leiterplatte 14 und den Zellen 11 angeordnet sein.
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5 zeigt einen Teil einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 5 sind Zellen 11 mittels eines Zellverbinders miteinander verbunden. Des Weiteren sind Dioden 18 in Wärmeabgabebereichen der Zellen 11 angeordnet. Die Dioden können dabei leicht beabstandet, direkt mit den Zellen verbunden oder mittels eines Wärmeleiters, beispielsweise eines wärmeleitenden Klebers, im Wärmeabgabebereich der Zellen 11 angeordnet sein.
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In manchen Ausführungsformen können eine, zwei oder mehrere Dioden in einem Wärmeabgabebereich einer Zelle angeordnet sein. Dadurch kann beispielsweise bei einer entsprechenden Verschaltung der Dioden eine Signalstärke eines durch die Dioden fließenden Messignals verstärkt werden. In manchen Ausführungsformen kann dadurch die Redundanz der Temperaturmessung erhöht werden.
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In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Dioden 18 mittels der Anschlussflächen 16 und beispielsweise eines Drahts, einer Leitung, eines Kabels, etc. mit der Leiterplatte 14 verbunden. In manchen Ausführungsformen können die Dioden direkt, beispielsweise mittels eines Drahts, eines Kabels, etc. miteinander oder mit der Auswerteeinheit verbunden sein.
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6 zeigt einen Teil einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 6 sind die Zellen 11 mit Polen 19a, 19b gezeigt. Die Pole 19a sind dabei mittels des Zellverbinders 12a miteinander verbunden und die Pole 19b sind mittels des Zellverbinders 12b miteinander verbunden. Eine Leiterplatte 14 mit Durchkontaktierungen 15a, 15b, 15 ist über den Zellen angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die Durchkontaktierungen 15a, 15b, 15 mittels Wärmeleiter 13a, 13b, 13 mit den Zellverbindern 12a, 12b, 12 verbunden. In manchen Ausführungsformen können die Durchkontaktierungen 15 oder die Wärmeleiter 13 ohne direkten Kontakt mit einem Zellverbinder in einem Wärmeabgabebereich der Zellen 11 angeordnet sein.
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Auf der Leiterplatte 14 sind die Dioden 18 über den Durchkontaktierungen angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen den Dioden 18 und den Durchkontaktierungen 15 ein Wärmestrahler 17, 17a, 17b angeordnet. Ein Wärmestrahler kann beispielsweise eine Kupferschicht, eine Schicht eines wärmeleitenden Materials, etc. sein. In manchen Ausführungsformen kann die Diode, bzw. ein Diodengehäuse einen weiteren Anschluss (dritten Anschluss) umfassen, der mit mindestens einem der Wärmestrahler verbunden werden kann. In manchen Ausführungsformen, wie an dem Wärmestrahler 17a der 6 ersichtlich, kann ein Wärmestrahler 17a eine Dioden umhüllende Form zumindest entlang einer Raumrichtung aufweisen. Ein Wärmestrahler 17a kann dabei beispielsweise eine U-Form, eine O-Form, etc. haben. Dies kann den Vorteil haben, dass eine Wärme besonders zielführend einer Diode zugeführt werden kann.
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In manchen Ausführungsformen und wie in 6 ersichtlich kann eine Leiterplatte Ausnehmungen 14a aufweisen, die eine gerichtete Wärmeableitung einer von Zellen 11 abgestrahlten Wärme ermöglichen, insbesondere ohne eine Temperaturmessung durch eine Diode 18 zu verfälschen. Dies kann den Vorteil haben, dass Zellen auf einfache Weise gekühlt werden können. In manchen Ausführungsformen können die Zellen durch weitere Kühlvorrichtungen gekühlt werden
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7 zeigt beispielhaft eine Schaltung einer Temperaturmessanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 7 ist eine Spannungsquelle 52 und Dioden D1 bis Dn, sowie eine Stromermittlungseinheit 54 gezeigt. In dieser Ausführungsform wird eine konstante Spannung an jeder der Dioden D1 bis Dn angelegt. In Abhängigkeit der Umgebungstemperatur einer jeden Diode D1 bis Dn verändert sich der jeweilige Widerstand der Diode D1 bis Dn. Dies führt zu einer Veränderung des durch die Dioden D1 bis Dn fließenden Stroms, der mittels der Stromermittlungseinheit 54 gemessen wird. Vorzugsweise ist die Stromermittlungseinheit 54 Bestandteil der Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ordnet die von der Stromermittlungseinheit 54 ermittelten elektrischen Ströme Referenzwerte zu, denen Temperaturwerte zugeordnet sind. Somit kann mittels der von der Stromermittlungseinheit 54 die durchschnittliche Temperatur der Dioden D1 bis Dn auf kostengünstige und einfache Art und Weise ermittelt werden. In manchen Ausführungsformen können die Dioden in Flussrichtung geschalten sein. In manchen Ausführungsformen können die Dioden in Sperrrichtung geschalten sein.
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8 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In der in 8 gezeigten Ausführungsform ist eine Stromquelle 51 vorgesehen. Die Dioden D1 bis Dn sind analog zur 7 parallel geschalten. Eine Spannungsermittlungseinheit 53, die Teil einer Auswerteeinheit sein kann, ermittelt eine an den Dioden abfallende Spannung.
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9 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 9 ist eine Energiequelle in Form einer Stromquelle 51 gezeigt. Im Gegensatz zu den in 7 und 8 gezeigten Schaltungsbeispielen sind die Dioden D1 bis Dn in dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel in Reihe geschalten. Mittels einer Spannungsermittlungseinheit 53 wird die an den Dioden abfallende Spannung ermittelt. In manchen Ausführungsformen kann die Spannungsermittlungseinheit 53 Teil der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit sein.
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Sowohl in dem in 8 als auch in dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel können Referenzwerte für Spannungen, die für verschiedene Temperaturwerte an den Dioden D1 bis Dn hinterlegt sind, mittels einer Auswerteeinheit verglichen werden. Somit kann die Umgebungstemperatur für die Dioden D1 bis Dn mittels der Spannungsermittlungseinheit 53 und einer Auswerteeinheit ermittelt werden.
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10 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 10 sind verschiedene Merkmale der 7 und 9 miteinander kombiniert. In 10 ist eine Spannungsquelle 52 als Energiequelle zu sehen. Die Spannungsquelle 52 versorgt Dioden D1 bis Dn mit einer vorgegebenen Spannung, sodass je nach Temperatur der Dioden D1 bis Dn ein Strom mittels einer Stromermittlungseinheit 54 ermittelt werden kann. Der mittels der Stromermittlungseinheit 54 ermittelte Strom wird mittels der Auswerteeinheit mit Referenzwerten, die verschiedenen Temperaturwerten zugeordnet sind, verglichen. In manchen Ausführungsformen können in der Auswerteeinheit hinterlegte Referenzwerte Kennlinien oder spezifische Werte sein. Somit kann auf einfache Art und Weise eine Umgebungstemperatur der Dioden D1 bis Dn ermittelt werden.
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11 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 11 unterscheidet sich von 8 dahingehend, dass die an den Dioden D1 bis Dn abfallende Spannung mittels eines Multiplexers 55 einzeln gemessen werden kann. Mittels des Multiplexers können die Dioden D1 bis Dn einzeln oder in Gruppen durchgeschaltet werden, sodass der Stromkreis nur die vom Multiplexer 55 durchgeschalteten Dioden der Dioden D1 bis Dn umfasst. Die an den durchgeschalteten Dioden abfallende Spannung wird mittels der Spannungsermittlungseinheit 53 gemessen. Die gemessene Spannung wird von einer Auswerteeinheit einem Temperaturwert zugeordnet.
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12 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 12 unterscheidet sich von 7 analog wie 11 zu 8. In 12 ist ebenfalls wie in 11 ein Multiplexer 55 zu sehen. Mittels des Multiplexers 55 kann ein Stromkreis umfassend die Spannungsquelle 52 sowie die Stromermittlungseinheit 54 und mittels des Multiplexers 55 ausgewählte Dioden der Dioden D1 bis Dn modifiziert werden.
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13 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die in 13 gezeigte Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in 9 gezeigten Schaltungsanordnung dahingehend, dass eine an den Dioden D1 bis Dn abfallende Spannung mittels eines Multiplexers 55 mittels der Spannungsermittlungseinheit 53 jeweils einzeln ermittelt werden können.
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Analog zu der in 13 gezeigten Darstellung kann die 10 modifiziert werden, sodass die in den Dioden D1 bis Dn fließenden Ströme mittels eines Multiplexers einzeln gemessen werden können.
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Die in den 7 bis 13 gezeigten Dioden D1 bis Dn können jeweils eine Diode oder eine Vielzahl an Dioden, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, darstellen, wobei alle oder ein Teil der Dioden als Temperatursensoren verwendet werden.
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Die in 7 bis 13 gezeigten Schaltungen können Beispiele für Schaltungsanordnungen der in 1 bis 6 gezeigten Messanordnungen sein.
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In manchen Ausführungsformen kann eine Auswerteeinheit eine Spannungsermittlungseinheit und eine Stromermittlungseinheit umfassen, sodass ein von einer Stromquelle zur Verfügung gestellter Strom gesondert ermittelt wird bzw. eine von einer Spannungsquelle zur Verfügung gestellte Spannung gesondert ermittelt wird. Dadurch kann die Genauigkeit einer Temperaturzuordnung anhand der von der Spannungsermittlungseinheit und der Stromermittlungseinheit zur Verfügung gestellten Werte mit besonders hoher Genauigkeit erfolgen.
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14 zeigt schematisch einen Aufbau einer Temperaturmessanordnung zur Messung der Temperatur von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 14 ist eine Versorgungseinheit, eine Diodenschaltung und eine Auswerteeinheit gezeigt. Die Versorgungseinheit umfasst eine Energiequelle, beispielsweise in Form einer Spannungs- und/oder Stromquelle, die einen Strom in die Diodenschaltung einprägt oder eine Spannung an die Diodenschaltung anlegt. Die Diodenschaltung 62 umfasst eine oder mehrere Dioden, die je nach Schaltungsanordnung in Reihe und/oder parallel geschalten sind und wobei alle oder mehrere Dioden der Diodenschaltung als Temperatursensoren verwendet werden. In der Auswerteeinheit wird ein durch die Dioden fließender Strom und/oder eine an den Dioden abfallende Spannung ermittelt und mittels der ermittelten Werte einer Temperatur zugeordnet, sodass eine Temperatur ermittelt werden kann.
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In manchen Ausführungsformen kann die Diodenschaltung 62 einen oder mehrere Multiplexer umfassen, die von der Auswerteeinheit gesteuert werden können. Dadurch können Dioden hinzu- oder weggeschaltet werden, sodass Ströme bzw. Spannungen einzelner Dioden oder Diodenschaltungen getrennt voneinander ermittelt werden können. In 14 ist jeweils nur eine Verbindung zwischen der Versorgungseinheit und der Diodenschaltung bzw. der Diodenschaltung und der Auswerteeinheit gezeigt. In manchen Ausführungsformen kann die Auswerteeinheit mit der Versorgungseinheit verbunden sein, sodass eine bereitgestellte Spannung oder ein bereitgestellter Strom nicht gesondert von der Auswerteeinheit ermittelt werden muss. In manchen Ausführungsformen können auch mehrere Verbindungen zwischen Versorgungseinheit und der Diodenschaltung bzw. der Diodenschaltung und der Auswerteeinheit vorliegen.
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15 zeigt schematisch ein Verfahren zur Temperaturmessung von einer oder mehreren Zellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren kann dazu eingerichtet sein, mittels der in den 1 bis 14 gezeigten Ausführungsformen einer Temperaturmessanordnung eine Temperaturmessung einer oder mehrerer Zellen auszuführen bzw. die Zelltemperatur einer oder mehrerer Zellen zu überwachen.
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In einem ersten Schritt S61 wird eine Spannung an eine Schaltungsanordnung, umfassend eine oder mehrere Dioden, angelegt und/oder ein Strom in die Schaltungsanordnung eingeprägt. Die Dioden können dabei in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. In manchen Ausführungsformen können die Dioden in Flussrichtung geschaltet sein, in manchen Ausführungsformen können die Dioden in Sperrrichtung geschaltet sein. Vorzugsweise sind die Dioden in einem Wärmeabgabebereich einer oder mehrerer Zellen angeordnet. Dabei können zwei oder mehrere Dioden in einem Wärmeabgabebereich einer Zelle angeordnet sein oder eine Diode in einem Wärmeabgabebereich mehrerer Dioden angeordnet sein. Beispiele für Anordnungen der Dioden in einem Wärmeabgabebereich einer oder mehrerer Zellen sind in den 1 bis 6 gezeigt.
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Vorzugsweise sind alle Dioden in Sperrrichtung oder alle Dioden in Flussrichtung geschaltet. In einem nächsten Schritt S62 wird ein durch die an die Schaltungsanordnung angelegte Spannung erzeugter Strom oder eine durch den eingeprägten Strom erzeugte Spannung an einer oder mehreren Dioden ermittelt. Zur Ermittlung des Stroms kann beispielsweise ein Amperemeter, ein Operationsverstärker, ein Analog/Digital-Wandler, etc. verwendet werden. Zur Ermittlung einer Spannung kann beispielsweise ein Voltmeter, ein Operationsverstärker und/oder ein Analog/Digital-Wandler verwendet werden. In manchen Ausführungsformen kann zur Ermittlung eines Stroms oder zur Ermittlung einer Spannung ein oder mehrere Widerstände vorgesehen sein, mittels dem der Strom oder eine Spannung ermittelt wird, beispielsweise in Form einer Messbrücke.
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In einem weiteren Schritt S63 wird in Abhängigkeit des ermittelten Stroms oder der ermittelten Spannung eine Temperatur bestimmt. Die Bestimmung der Temperatur kann beispielsweise mittels Referenzwerten, Referenzkurven, insbesondere Stromspannungskurven in Abhängigkeit der Temperatur, etc. erfolgen. In manchen Ausführungsformen kann das Ermitteln einer Temperatur einen Schritt zum Abfragen der eingeprägten Spannung oder des eingeprägten Stroms umfassen. In manchen Ausführungsformen kann sowohl ein eingeprägter Strom bzw. eine eingeprägte Spannung als auch eine an den Dioden abfallende Spannung als auch ein durch die Dioden fließender Strom ermittelt werden.
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In manchen Ausführungsformen kann die ermittelte Temperatur mittels Referenzwerten verglichen werden, sodass eine Überhitzung einer Zelle detektiert werden kann.
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In manchen Ausführungsformen können Schritte des Verfahrens vertauscht, modifiziert, parallel ausgeführt sowie in ihrer Reihenfolge verändert werden, ohne dass der Kern der Erfindung verloren geht. In manchen Ausführungsformen können Schritte geteilt oder zusammengefasst werden.
