DE102022204463A1

DE102022204463A1 - Batterieüberwachungssensor

Info

Publication number: DE102022204463A1
Application number: DE102022204463.0A
Authority: DE
Inventors: Masoud Habibi
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2023-11-09
Also published as: WO2023213593A1

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Batterieüberwachungssensor zur Überwachung des Zustandes einer Batterie, umfassend ein Sensorgehäuse (2) mit einem Gehäuseinnenraum (10), einer in dem Gehäuseinnenraum (10) angeordneten Leiterplatte (6) mit einem auf der Leiterplatte (6) angeordneten Drucksensormodul (20), einem an dem Gehäuse (2) ausgebildeten Gaseintrittskanal (7) für ein von der Batterie freigesetztes Gasgemisch, wobei der Gaseintrittskanal (7) eine Einlassöffnung (71) zum Anschluss an die Batterie aufweist und wobei ein von der Einlassöffnung (71) abgewandtes Ende des Gaseintrittskanals (7) in einen ersten Teilraum (11) des Gehäuseinnenraums (10) mündet, wobei der erste Teilraum (11) durch die Leiterplatte (6) von einem zweiten Teilraum (12) des Gehäuseinnenraumes (10) getrennt ist, wobei ein mit dem Drucksensormodul (20) versehener erster Oberflächenbereich (65) der Leiterplatte (6) dem ersten Teilraum (11) zugewandt ist und das Drucksensormodul (20) in dem ersten Teilraum (11) angeordnet ist. Es wird vorgeschlagen, dass zusätzlich zu dem Drucksensormodul (20) wenigstens ein weiteres Sensormodul (21) zur Detektion einer in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente auf dem mit dem Drucksensormodul (20) versehen ersten Oberflächenbereich (65) der Leiterplatte (6) in dem ersten Teilraum (11) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Batteriebasierte Antriebssysteme gewinnen zunehmend an Bedeutung. Große elektrische Batterien weisen ein Risiko auf, bei einem Defekt eine stark exotherme chemische Reaktion auszulösen. Entsteht in einer Lithium-Ionen-Zelle ein lokaler Kurzschluss der internen Elektroden, beispielsweise durch eine Verunreinigung oder Beschädigung, kann ein Kurzschlussstrom die Umgebung der Schadstelle so weit aufheizen, dass die umliegenden Bereiche ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen werden. Dadurch wird die in der Zelle gespeicherte Energie in kurzer Zeit freigesetzt. Dieser Vorgang wird auch als thermisches Durchgehen oder (thermal runaway) bezeichnet. Das thermische Durchgehen einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle dauert gewöhnlich etwa 20 bis 60 Sekunden. Durch die thermische Kopplung einzelner Batteriezellen können zu der schadhaften Zelle benachbarte Zellen ebenfalls thermisch durchgehen, wodurch sich die Hitzeentwicklung dramatisch verstärkt und die gesamte Batterie in wenigen Minuten zerstört werden kann. Daher werden Batterieüberwachungssensor eingesetzt, um den Schadensfall einer Batterie möglichst rasch zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Es sind Batterieüberwachungssensoren bekannt, die eine Druckmessung zur Überwachung des Batteriezustandes einsetzen. Beim thermischen Durchgehen eines Batteriepacks erfolgt in den ersten Sekunden ein starker Druckanstieg, der anschließend steil abfällt. Parallel dazu erfolgt eine starke Gasemission. Ein Temperaturanstieg erfolgt mit einigen Sekunden Verzögerung. Ein Spannungsabfall der Batterie tritt oft erst später nach dem Beginn der Gasemission auf.
Im Stand der Technik bekannte Batterieüberwachungssensoren auf der Basis einer Druckmessung weisen ein Sensorgehäuse mit einem Gehäuseinnenraum, eine in dem Gehäuseinnenraum angeordneten Leiterplatte und ein auf der Leiterplatte angeordnetes Drucksensormodul auf. An dem Gehäuse ist ein Gaseintrittskanal für ein von der Batterie freigesetztes Gasgemisch ausgebildet, wobei der Gaseintrittskanal eine Einlassöffnung zum Anschluss an die Batterie aufweist und wobei ein von der Einlassöffnung abgewandtes Ende des Gaseintrittskanals in einen ersten Teilraum des Gehäuseinnenraums mündet, wobei der erste Teilraum durch die Leiterplatte von einem zweiten Teilraum des Gehäuseinnenraumes getrennt ist, wobei ein mit dem Drucksensormodul versehener erster Oberflächenbereich der Leiterplatte dem ersten Teilraum zugewandt ist und das Drucksensormodul in dem ersten Teilraum angeordnet ist. Ein derartiger Grundaufbau des Batterieüberwachungssensors entsprecht dem Aufbau einer beispielsweise aus der DE 10 2015 222 115 A1 bekannten Drucksensorvorrichtung, wobei die aus dieser Schrift bekannte Drucksensorvorrichtung zusätzlich einen Temperatursensor aufweist, der für einen Batterieüberwachungssensor nicht zwingend erforderlich ist.
Die in den Batterieüberwachungssensor integrierten Drucksensormodule können einen ASIC oder Mikroprozessor aufweisen und ermöglichen eine Drucküberwachung in Kombination mit einer sogenannten Wake-up-Funktion. Wenn die Überwachung des Drucks eines Gasgemisches im Inneren einer Batterie permanent erfolgt, belastet ein permanenter Stromverbrauch eines an die Batterie angeschlossenen Überwachungssensors die Batterie. Der ASIC ermöglicht es, den Sensorstrom abzuschalten und intervallweise zu aktivieren und bei Bedarf das Steuergerät aufzuwecken. Derartige Drucksensormodule sind im Stand der Technik bereits bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Batterieüberwachungssensor zur Überwachung des Zustandes einer Batterie, umfassend ein Sensorgehäuse mit einem Gehäuseinnenraum, einer in dem Gehäuseinnenraum angeordneten Leiterplatte mit einem auf der Leiterplatte angeordneten Drucksensormodul, einem an dem Gehäuse ausgebildeten Gaseintrittskanal für ein von der Batterie freigesetztes Gasgemisch, wobei der Gaseintrittskanal eine Einlassöffnung zum Anschluss an die Batterie aufweist und wobei ein von der Einlassöffnung abgewandtes Ende des Gaseintrittskanals in einen ersten Teilraum des Gehäuseinnenraums mündet, wobei der erste Teilraum durch die Leiterplatte von einem zweiten Teilraum des Gehäuseinnenraumes getrennt ist, wobei ein mit dem Drucksensormodul versehener erster Oberflächenbereich der Leiterplatte dem ersten Teilraum zugewandt ist und das Drucksensormodul in dem ersten Teilraum angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zusätzlich zu dem Drucksensormodul wenigstens ein weiteres Sensormodul zur Detektion einer in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente auf dem mit dem Drucksensormodul versehen ersten Oberflächenbereich der Leiterplatte in dem ersten Teilraum angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Batterieüberwachungssensor nutzt wenigstens ein zusätzliches Sensormodul zur Überwachung der Batterie, welches in den Batterieüberwachungssensor integriert wird. Dabei wird ausgenutzt, dass der bekannte Aufbau eines Batterieüberwachungssensor bereits einen an den Gaseintrittskanal gekoppelten ersten Teilraum für das Drucksensormodul aufweist. Durch Vergrößerung des ersten Teilraums kann der Platz auf dem ersten Oberflächenbereich der Leiterplatte zur Anordnung wenigstens eines weiteren Sensormoduls genutzt werden, wobei hier auch mehr als ein weiteres Sensormodul angeordnet werden kann. Da der erste Teilraum durch eine Klebung relativ einfach gasdicht von dem zweiten Teilraum des Gehäuseinnenraumes getrennt werden kann, wird dadurch vorteilhaft erreicht, dass das Drucksensormodul und das wenigstens eine weitere Sensormodul in direktem Kontakt mit einem in dem ersten Teilraum enthaltenen und von der Batterie ausgehenden Gasgemisch stehen können, während alle übrigen auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauelemente einer Auswerte- und/oder Steuerschaltung sowie die elektrischen Anschlusselemente der Leiterplatte außerhalb des ersten Teilraums in dem zweiten Teilraum angeordnet sind und daher nicht in Kontakt mit dem Gasgemisch der Batterie stehen. Eine Korrosion oder Verätzung dieser Bauelemente ist daher ausgeschlossen. In dem ersten Teilraum sind nur die Sensoren, die unmittelbar in Kontakt mit dem Gasgemisch der Batterie gebracht werden müssen. Der diesen ersten Teilraum verschließende Oberflächenbereich der Leiterplatte kann auch ohne besondere Maßnahmen eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber dem Gasgemisch aufweisen.
Im Falle eines Defektes der Batterie kann die Batterie in kurzer Zeit größere Gasanteile freisetzen. Sensoren zur Detektion einer in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente erfassen die Änderung der Zusammensetzung eines Gasgemisches in einem deutlich längeren Zeitintervall als dem für die Druckerfassung benötigten Zeitintervall, welches im Bereich von Millisekunden liegt. Die Sensordaten derartiger Sensoren für die Detektion von Gaskomponenten können eine komplexe Auswertung erfordern, die in einem Steuergerät erfolgen kann. Ein Drucksensormodul kann jedoch beispielsweise in 3 Millisekunden in recht einfacher Weise drei Druckwerte zuverlässig erfassen, daraus Durchschnittswerte ermitteln und diese mit Schwellwerten vergleichen und anschließend für 91 Millisekunden in den Schlafmodus geschaltet werden, bevor die nächste Druckmessung erfolgt. Dadurch kann beispielsweise mit einer Datenrate von 10Hz und daher alle 100ms Daten der Druckverlauf überwacht und gleichzeitig die Batterie geschont werden.
Kurzfristige Druckänderung des von dem Batterieüberwachungssensor erfassten Drucks in dem mit dem Gaseintrittskanal verbundenen ersten Teilraums können jedoch auch eine andere Ursache als einen Defekt der Batterie haben. So kann beispielsweise auch eine Tunneldurchfahrt eines Fahrzeuges, in dem die Batterie verbaut ist, eine kurzfristige Druckänderung bewirken. Durch die zusätzliche Detektion einer in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente ist mittels des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors vorteilhaft eine Plausibilisierung möglich.
Bei einem tatsächlichen Defekt der Batterie ändert sich das Gasgemisch im Batteriegehäuse relativ rasch. Dabei entstehen vorzugsweise große Mengen Kohlendioxid. Auch die Emission weiterer explosiver Gase wie beispielsweise Wasserstoff ist möglich. Das Sensormodul zur Detektion einer in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente kann eine niedrigere Datenrate liefern (beispielsweise alle 10 Sekunden). Zudem kann eine Auswertung der Daten in einem Steuergerät benötigt werden. In Kombination mit dem deutlich agileren Drucksensormodul ist vorteilhaft eine Plausibilisierung der mittels des Drucksensormoduls erfassten Daten möglich. Ändert sich beispielsweise der Druck kurzfristig jedoch nicht die Gaszusammensetzung des Gasgemisches in der Batterie, so deutet dies darauf hin, dass kein Defekt der Batterie vorliegt.
Zu diesem Zweck kann der Batterieüberwachungssensor bei einer erkannten schnellen Druckänderung das weitere Sensormodul und gegebenenfalls beispielsweise auch ein an den Batterieüberwachungssensor angeschlossenes Steuergerät aktivieren und eine Erfassung der Änderung einer Gaskomponente beispielsweise in einem Zeitintervall von 10 Sekunden veranlassen. Das Resultat kann dazu verwandt werden, die Druckänderung zu bewerten. Steigt beispielsweise die CO₂-Konzentration in dem Gasgemisch der Batterie bei gleichzeitigem Druckanstieg so deutet dies auf eine Beschädigung der Batterie hin. Im Falle einer Beschädigung der Batterie kann das Steuergerät eingeschaltet werden, um Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
Vorteilhaft kann das weitere Sensormodul beispielsweise ein Wasserstoffsensormodul sein, welches die Konzentration von Wasserstoff in dem Gasgemisch der Batterie überwacht. Da bei einem Wasserstoffaustritt der Batterie die Gefahr der Entstehung eines explosiven Gasgemisches besteht, ist die Detektion von Wasserstoff als Warnzeichen von besonderem Wert.
Das weitere Sensormodul kann beispielsweise auch ein CO₂-Sensormodul sein. Die Entstehung größere Mengen Kohlendioxids kann auf ein thermisches Durchgehen der Batterie hinweisen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher der Batterieüberwachungssensor in dem ersten Teilraum zusätzlich zu dem auf dem ersten Oberflächenbereich der Leiterplatte angeordneten Drucksensormodul sowohl ein Wasserstoffsensormodul als auch ein CO₂-Sensormodul aufweist. In diesem Falls kann sowohl die Erfassung der Wasserstoffkonzentration als auch die Erfassung des Kohlendioxidanteils zur Plausibilisierung des Drucksensorsignals eingesetzt werden, was zu einer besonders zuverlässigen Bewertung eines Schadensfalls der Batterie führt.
Das Drucksensormodul und das wenigstens eine weitere Sensormodul können beispielsweise separat als diskrete Sensormodule oder auch in einem gemeinsamen Sensormodul zusammengefasst auf der Leiterplatte angeordnet sein.
Vorteilhaft kann das Drucksensormodul und das wenigstens eine weitere Sensormodul als oberflächenmontierbare Bauelemente auf den ersten Oberflächenbereich der Leiterplatte aufgelötet sein. Derartige Bauelemente sind einfach und preiswert auf die Leiterplatte zu bestücken, wodurch die Fertigungskosten gesenkt werden können.
Eine gasdichte und raumsparende Trennung des ersten Teilraums und des zweiten Teilraums kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Leiterplatte mit einer Seite auf eine den Gaseintrittskanal umlaufende Innenwand des Gehäuseinnenraums gasdicht aufgeklebt ist.
Besonders vorteilhaft kann in diesem Fall ein innerhalb der umlaufenden Innenwand angeordneter Bereich einer zweiten Seite der Leiterplatte den ersten Oberflächenbereich bilden und ein außerhalb der Innenwand angeordneter zweiter Oberflächenbereich dieser zweiten Seite in dem zweiten Teilraum angeordnet werden. Dadurch können elektronische Bauelemente einer Auswerte- und/oder Steuerschaltung, wie beispielsweise Kondensatoren oder elektrische Widerstände vorzugsweise auch in dem zweiten Teilraum auf dem zweiten Oberflächenbereich der Leiterplatte angeordnet werden. Insbesondere ist es dadurch möglich, dass auf einer der zweiten Seite gegenüberliegenden ersten Seite der Leiterplatte keine größeren Bauelemente bestückt werden müssen, so dass der Abstand der zweiten Seite zu einem Gehäusedeckel und die Bauhöhe des Batterieüberwachungssensors verringert werden können.
Anschlusselemente der Leiterplatte, beispielsweise Metallisierungsflächen können auf der ersten Seite der Leiterplatte in dem zweiten Teilraum angeordnet werden und über Bonddrahtverbindungen mit den Kontaktelementen des Sensorgehäuses elektrisch kontaktiert werden. Die Kontaktierungstechnik beansprucht keine große Bauhöhe, so dass ein über der ersten Seite der Leiterplatte angeordneter Gehäusedeckel geringe Bauhöhe aufweisen kann.
Das Sensorgehäuse kann ein Gehäuseunterteil mit einer Oberseite und ein auf die Oberseite aufgesetztes Gehäusedeckelteil aufweisen. Das Gehäuseunterteil kann an seiner Oberseite eine wannenförmige Aussenkung aufweisen, wobei die umlaufende Innenwand in einfacher Weise vom Grund der Aussenkung in Richtung des Deckels absteht. Dadurch kann die Leiterplatte auf die umlaufende Innenwand derart gasdicht aufgeklebt sein, dass die Leiterplatte in etwa auf der Höhe der Oberseite des Gehäuseunterteils verläuft. Insgesamt entsteht dadurch ein relativ flacher Sensoraufbau. Der Gaseintrittskanal kann beispielsweise am Grund der Aussenkung in den ersten Teilraum einmünden. Dabei kann ein den Gaseintrittskanal aufnehmender Anschlussstutzen an einer dem Gehäusedeckel gegenüberliegenden Seite des Gehäuseunterteils oder auch an einer Seitenwand des Gehäuseunterteils angeordnet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Batterieüberwachungssensor eine Sensorvorrichtung verstanden, die zur Überwachung des Zustandes einer Batterie an einem Batteriegehäuse derart angeordnet werden kann, dass der Gaseintrittskanal der Vorrichtung ein von der Batterie erzeugtes Gasgemisch und dessen Druck in das Sensorinnere leiten kann. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, den Batterieüberwachungssensor mit einem Anschlussstutzen zu versehen, welcher in das Batteriegehäuse einführbar ist. Gase, welche die Batteriezellen freisetzen, können ebenso wie der Druck des Gasgemisches über den in dem Anschlussstutzen enthaltenen Gaseintrittskanal in den Gehäuseinnenraum des Batterieüberwachungssensor gelangen. Daher liegen diese Gase und der Druck dort ebenfalls vor und können mit entsprechenden Sensoren ausgewertet werden. Der Batterieüberwachungssensor weist ein eigenes Gehäuse mit elektrischen Anschüssen auf und ist als separates Bauteil an einer Batterie beziehungsweise an einem Batteriegehäuse anbringbar.
Unter einem Gehäuseinnenraum wird ein Raum des Batterieüberwachungssensors verstanden, der durch ein einteiliges oder mehrteiliges Gehäuse umgeben wird und der bis auf einen Gaseintrittskanal geschlossen ausgebildet ist.
Unter einem Gasgemisch wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung ein Gemisch an Gasen verstanden, welches mehrere unterschiedliche Gase oder im Grenzfall auch nur ein einzelnes Gas aufweisen kann. Insbesondere handelt es sich um die Ausgasung einer Batterie, welche innerhalb eines Batteriegehäuses vorliegen kann.
Unter einem Sensormodul wird ein Modul verstanden, welches als Bauteil auf eine Leiterplatte bestückbar ist und wenigstens ein Sensorelement enthält. Zusätzlich kann das Sensormodul eine Sensorschaltung oder Auswerteschaltung oder Teile davon enthalten. So ist es insbesondere möglich, dass das Sensormodul einen Mikroprozessor oder einen ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) aufweist. Der ASIC kann zusammen mit dem Sensorelement in einem Moldgehäuse angeordnet sein. Das Sensormodul kann ein Trägersubstrat aufweisen, auf dem der ASIC und das Sensorelement angeordnet sind. An einer freiliegenden Seite kann das Trägersubstrat mit elektrischen Anschlüssen versehen sein. Das Drucksensormodul, das Wasserstoffsensormodul und das CO₂-Sensormodul können als drei diskrete Bauteile auf die Leiterplatte bestückt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, zwei oder mehr der Sensormodule zu einem gemeinsamen Modul zusammenzufassen, welches auf die Leiterplatte bestückt wird.
Unter einem Drucksensormodul wird ein Sensormodul verstanden, welches wenigstens ein Drucksensorelement aufweist. Das Drucksensorelement kann ein Halbleitermaterial umfassen und beispielsweise eine Membran aufweisen, welche bei einer Druckbeaufschlagung elastisch ausgelenkt beziehungsweise verformt wird. Die Verformung der Membran ist mittels elektronischer Elemente, beispielsweise einer Wheatstone'schen Brückenschaltung nachweisbar.
Ein Wasserstoffsensormodul weist ein Sensorelement auf, dass zur Detektion von Wasserstoff in einem Gas geeignet ist. Wasserstoff ist ein leicht flüchtiges Gas, so dass sich der Aufbau eines Wasserstoffsensor vom Aufbau anderer Gassensoren oft unterscheidet. Beispielsweise kann das Wasserstoffsensormodul einen Wasserstoffsensor auf der Basis von Wärmeleitfähigkeitsmessungen aufweisen, wie er in der
DE 10 2005 058 830 B4 beschrieben wurde. Aber auch andere Sensorarten sind möglich. Das Wasserstoffsensormodul kann zur Messung der Wasserstoffkonzentration in einem Gas geeignet sein.
Das CO₂-Sensormodul kann Sensorelemente aufweisen, die zur Detektion von Kohlendioxid in einem Gasgemisch geeignet sind. Am Markt erhältliche CO₂-Sensormodul verwenden Sensorelemente auf der Grundlage von Infrarotmessungen und optoelektronischen Auswertungen, Kapazitätsmessungen oder chemische Sensorelemente. Auch weitere komplexere Messmethoden sind bekannt. Insbesondere kann das CO₂-Sensormodul dazu ausgelegt sein, die Konzentration von Kohlendioxid in einem Gasgemisch zu erfassen. Ähnliche oder gleichartig aufgebaute Sensoren können auch zur Erfassung von anderen Gaskomponenten als CO₂ verwandt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden mögliche Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors,
2 ein Beispiel für eine Drucksensormodul,
3 ein Beispiel für ein Sensormodul zur Detektion einer in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente,
4a eine Draufsicht auf den in 1 im Querschnitt dargestellten Batterieüberwachungssensors bei abgenommenen Gehäusedeckel,
4b eine Ansicht auf die Unterseite des Batterieüberwachungssensor aus 4,
5 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors,
6 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors 1. Der Batterieüberwachungssensor 1 umfasst ein Sensorgehäuse 2, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein vorzugsweise aus Kunststoff hergestelltes Gehäuseunterteil 3 und ein darauf aufgesetztes Gehäusedeckelteil 4 aus vorzugsweise ebenfalls Kunststoff aufweist. Das Gehäusedeckelteil 4 kann mit seinem umlaufenden Rand in einer Nut des Gehäuseunterteils 3 mittels eines Klebers 25 befestigt werden. Zwischen dem Gehäuseunterteil 3 und dem Gehäusedeckelteil 2 weist das Sensorgehäuse 2 einen bis auf einen Gaseintrittskanal 7 abgedichteten Gehäuseinnenraum 10 auf, der durch eine darin angeordnete Leiterplatte 6 in einen ersten Teilraum 11 und einen zweiten Teilraum 12 unterteilt ist. Das Gehäuseunterteil 3 kann eine ebene Oberseite 14 aufweisen, in die eine wannenförmige Aussenkung 13 eingelassen ist. Am Boden oder Grund 18 der wannenförmigen Aussenkung 13 kann der Gaseintrittskanal 7 in die Aussenkung 13 einmünden. Der Gaseintrittskanal 13 kann beispielsweise innerhalb eines Anschlussstutzens 9 verlaufen, welcher an der unteren Seite des Gehäuseunterteils 3 abstehen kann. Natürlich kann der Anschlussstutzen 9 auch seitlich an dem Gehäuseunterteil 3 angeordnet sein und der Gaseintrittskanal 7 kann in einem Kanal im Boden der Aussenkungen bis zu einer gewünschten Einmündungsstelle verlaufen. An seinem von der Einmündungsstelle abweisenden Ende weist der Gaseintrittskanal 7 eine Eintrittsöffnung 71 auf. Der Gaseintrittskanal 7 ist dazu ausgebildet mit einer Batterie gekoppelt zu werden. Zu diesem Zweck kann der Anschlussstutzen 9 in eine Einbauöffnung eines nicht dargestelltes Batteriegehäuse eingeschoben werden. Ein am Anschlussstutzen 9 angeordneter umlaufender Dichtring 8 kann die Einbauöffnung der Batterie abdichten.
An dem Gehäuseunterteil 3 ausgebildete elektrische Kontaktelemente 15 für den Anschluss an ein Steuergerät verlaufen von einem an dem Gehäuseunterteil angeformten Steckerteil 5 bis in den Gehäuseinnenraum 10. Die Kontaktelemente 15 können als Stanzgitterteile in den Kunststoff des Gehäuseunterteils 3 eingespritzt sein. In dem Gehäuseinnenraum 10 kann am Grund 18 der Aussenkung 13 eine die Einmündungsstelle des Gaseintrittskanals 7 in den Gehäuseinnenraum umlaufende Innenwand 31 in Richtung des Deckels 4 abstehen.
Die Leiterplatte 6 weist eine ebene erste Seite 61 und eine der ersten Seite 61 gegenüberliegende ebene zweite Seite 62 auf. Die Leiterplatte 6 ist mit der zweiten Seite 62 auf eine Stirnseite der den Gaseintrittskanal 7 umlaufenden Innenwand 31 mittels eines Klebers 17 gasdicht aufgeklebt ist. Dabei ist die Leiterplatte 6 beispielsweise auf die umlaufende Innenwand 31 derart gasdicht aufgeklebt ist, dass die Leiterplatte 6 in etwa auf der Höhe der Oberseite 14 des Gehäuseunterteils 3 verläuft. Anschlusselemente 64 der Leiterplatte 6 können als Kontaktmetallsierungen auf der gegenüberliegenden ersten Seite 61 der Leiterplatte angeordnet und über Bonddrahtverbindungen 16 mit den Kontaktelementen 15 des Sensorgehäuses 2 elektrisch kontaktiert sein.
Wie in 1 zu erkennen ist, bildet der innerhalb der umlaufenden Innenwand 31 angeordneter Bereich der zweiten Seite 62 der Leiterplatte 6 einen ersten Oberflächenbereich 65 aus, während ein zweiter Oberflächenbereich 66 der zweiten Seite 62 außerhalb der Innenwand 31 in dem Gehäuseinnenraum 10 angeordnet ist. Wie in 1 weiterhin zu erkennen ist, wird der Gehäuseinnenraum 10 auf diese Weise durch die Leiterplatte 6 in einen ersten Teilraum 11, der von ersten Oberflächenbereich 65, der Innenwand 31 und dem Grund 18 begrenzt wird, und einen zweiten Teilraum 12 unterteilt, der durch die Innenseite des Gehäusedeckelteil 12, die erste Seite 61 der Leiterplatte 6 und den die Innenwand 31 umgebenden Teil der Aussenkung 13 begrenzt wird. Elektronische Bauelemente 63 einer Auswerte- und/oder Steuerschaltung des Batterieüberwachungssensors können in dem zweiten Teilraum 12 auf dem zweiten Oberflächenbereich 66 der Leiterplatte 6 angeordnet sein. Die Bauhöhe des Gehäusedeckelteils 4 kann daher sehr niedrig ausfallen, da das Gehäusedeckelteil 4 nur die Bonddrahtverbindungen 16 abdeckt, welche über die erste Seite 61 der Leiterplatte 6 hervorstehen.
Der dem ersten Teilraum 11 zugewandte erste Oberflächenbereich 65 der Leiterplatte 6 ist mit einem Drucksensormodul 20 versehen. Das Drucksensormodul 20 kann wie in 2 dargestellt aufgebaut sein und ein Trägersubstrat 201 aufweisen, auf dem ein AISC 206 angeordnet ist, der über Bonddrahtverbindungen mit dem Trägersubstrat 201 kontaktiert ist. Das Trägersubstrat 202 kann wiederum über nicht dargestellte Leiterbahnen in dem Trägersubstrat 201 mit elektrischen Anschlüssen 207 auf der Unterseite des Drucksensormoduls 20 elektrisch verbunden sein. Auf der den Kontaktelementen gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats 201 ist ein Drucksensorelement 204 auf dem ASIC angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden. Auf dieser Seite ist auch ein Moldgehäuse 202 auf dem Trägersubstrat 201 angeordnet, welches einen Druckzuführkanal 205 aufweist, an dessen Grund sich das Drucksensorelement 204 befindet. Der Druckzuführkanal 202 kann ganz oder teilweise mit einem Gel 203 gefüllt sein. Das Drucksensormodul kann über die Anschlüsse 207 auf den ersten Oberflächenbereich 65 der Leiterplatte 6 als oberflächenmontierbares Bauelement aufgelötet werden.
Zusätzlich zu dem Drucksensormodul 20 sind zwei weitere Sensormodule 21 zur Detektion einer in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente auf dem mit dem Drucksensormodul 20 versehen ersten Oberflächenbereich 65 der Leiterplatte 6 in dem ersten Teilraum 11 angeordnet. Bei den weiteren Sensormodulen 21 kann es sich um ein Wasserstoffsensormodul 22 und ein CO₂-Sensormodul 23 handeln. 3 zeigt den Grundaufbau eines Sensormoduls 21 zur Detektion der Gaskomponente. Das Sensormodul 21 kann elektrische Anschlusselemente 209 an seiner Unterseite aufweisen. Auf der gegenüberliegenden Oberseite kann das Sensormodul eine Detektionsöffnung 208 für den Eintritt der zu detektierenden Gaskomponente aufweisen.
In 1 ist erkennbar, dass das auf die Leiterplatte aufgelötete Drucksensormodul 20, das Wasserstoffsensormodul 22 und das CO₂-Sensormodul 23 in direktem Kontakt mit einem in dem ersten Teilraum 11 enthaltenen Gasgemisch stehen, während alle übrigen auf der Leiterplatte 6 angeordneten elektronischen Bauelemente 63 einer Auswerte- und/oder Steuerschaltung sowie die Anschlusselemente 64 außerhalb des ersten Teilraums 11 und daher vor dem Gasgemisch geschützt in dem zweiten Teilraum 12 angeordnet sind.
4a zeigt eine Draufsicht auf den in 1 im Querschnitt dargestellten Batterieüberwachungssensors 1 bei abgenommenen Gehäusedeckel 4. Das Sensorgehäuse kann einen seitlichen Befestigungsarm 19 aufweisen, der eine Öffnung zur Durchführung eines Befestigungsmittels aufweist, mit dem das Sensorgehäuse 2 an einer Batterie festlegbar ist. In 4a ist die flache Bauweise des Sensorgehäuses 2 gut erkennbar.
4b zeigt die Unterseite desselben Batterieüberwachungssensors 1, welche an einer Batterie angeordnet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Anschlussstutzen 9, in dem der Gaseintrittskanal erläuft, auf der Unterseite des Batterieüberwachungssensors 1 angeordnet. Der in einer umlaufenden Nut am Anschlussstutzen 9 angeordnete umlaufende Dichtring 8 kann die Einbauöffnung der Batterie abdichten. Daher wird vorteilhaft mit nur einem Dichtring 8 der Zugang zu drei Sensormodulen abgedichtet.
Weiteren Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors 1 sind in 5 und 6 dargestellt. Die Ausführungsbeispiele von 5 und 6 unterscheiden sich von dem Ausführungsbeispiel in 1 im Wesentlichen durch die Anordnung des Anschlussstutzens 9, der in beiden Ausführungsbeispielen seitlich an dem Gehäuse angeformt ist. Der Anschlussstutzen 9 kann aber auch entfallen, da das Sensorgehäuse 2 in 5 und 6 als Steckfühler in eine Einbauöffnung der Batterie einführbar ist. In diesem Fall kann die Einlassöffnung 71 in die Seitenwand des Gehäuseunterteils 3 integriert werden. Die Einlassöffnung 71 in 5 führt zu einem Gaseintrittskanal 7, der innerhalb des Gehäuseunterteils 3 verläuft und sich ähnlich wie dort am Grund 18 der Aussenkung 13 in den ersten Teilraum 11 öffnet. Weiterhin weist das Sensorgehäuse 2 in 5 einen Flansch 40 auf, der mit Öffnungen zur Befestigung des Sensorgehäuses 2 versehen ist. Zwischen dem Flansch 40 und dem Deckelteil 4 ist ein umlaufender Dichtring 81 an dem Sensorgehäuse 2 vorgesehen, welcher zur Abdichtung der Einbauöffnung dient.
In 6 ist der Flansch 41 breiter ausgeführt als in 5. An einer von dem Steckerteil 5 abgewandten Seite des Flansches 41 ist eine umlaufende Dichtung 82 in den Flansch eingelassen. Die Dichtung umgibt das Gehäuseunterteil 3 und das Gehäusedeckelteil 4 mit Abstand. Beim Aufschrauben des Sensorgehäuses 2 wird die Dichtung 82 an das zugeordnete Batteriegehäuse angepresst und dichtet die Einbauöffnung ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015222115 A1 [0003]
DE 102005058830 B4 [0026]

Claims

Batterieüberwachungssensor zur Überwachung des Zustandes einer Batterie, umfassend ein Sensorgehäuse (2) mit einem Gehäuseinnenraum (10), einer in dem Gehäuseinnenraum (10) angeordneten Leiterplatte (6) mit einem auf der Leiterplatte (6) angeordneten Drucksensormodul (20), einem an dem Gehäuse (2) ausgebildeten Gaseintrittskanal (7) für ein von der Batterie freigesetztes Gasgemisch, wobei der Gaseintrittskanal (7) eine Einlassöffnung (71) zum Anschluss an die Batterie aufweist und wobei ein von der Einlassöffnung (71) abgewandtes Ende des Gaseintrittskanals (7) in einen ersten Teilraum (11) des Gehäuseinnenraums (10) mündet, wobei der erste Teilraum (11) durch die Leiterplatte (6) von einem zweiten Teilraum (12) des Gehäuseinnenraumes (10) getrennt ist, wobei ein mit dem Drucksensormodul (20) versehener erster Oberflächenbereich (65) der Leiterplatte (6) dem ersten Teilraum (11) zugewandt ist und das Drucksensormodul (20) in dem ersten Teilraum (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Drucksensormodul (20) wenigstens ein weiteres Sensormodul (21) zur Detektion einer in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente auf dem mit dem Drucksensormodul (20) versehen ersten Oberflächenbereich (65) der Leiterplatte (6) in dem ersten Teilraum (11) angeordnet ist.
Batterieüberwachungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensormodul (21) ein Wasserstoffsensormodul (22) ist.
Batterieüberwachungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensormodul (21) ein CO₂-Sensormodul (23) ist.
Batterieüberwachungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Drucksensormodul (20) sowohl ein Wasserstoffsensormodul (22) als auch ein CO₂-Sensormodul (23) auf dem mit dem Drucksensormodul (20) versehen ersten Oberflächenbereich (65) der Leiterplatte (6) in dem ersten Teilraum (6) angeordnet sind.
Batterieüberwachungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensormodul (20) und das wenigstens eine weitere Sensormodul (21) separat oder in einem gemeinsamen Sensormodul zusammengefasst auf der Leiterplatte angeordnet sind.
Batterieüberwachungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensormodul (20) und das wenigstens eine weitere Sensormodul (21) als oberflächenmontierbare Bauelemente auf den ersten Oberflächenbereich (65) der Leiterplatte (6) aufgelötet sind.
Batterieüberwachungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (6) eine erste Seite (61) und eine der ersten Seite (61) gegenüberliegende zweite Seite (62) aufweist und dass die Leiterplatte (6) mit der zweiten Seite (62) auf eine den Gaseintrittskanal (7) umlaufende Innenwand (31) des Gehäuseinnenraums (10) gasdicht aufgeklebt ist.
Batterieüberwachungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb der umlaufenden Innenwand (31) angeordneter Bereich der zweiten Seite (62) der Leiterplatte (6) den ersten Oberflächenbereich (65) bildet, dass ein außerhalb der Innenwand (31) angeordneter zweiter Oberflächenbereich (66) der zweiten Seite (62) der Leiterplatte (6) in dem zweiten Teilraum (12) angeordnet ist und dass elektronische Bauelemente (63) einer Auswerte- und/oder Steuerschaltung in dem zweiten Teilraum (12) auf dem zweiten Oberflächenbereich (66) der Leiterplatte (6) angeordnet sind.
Batterieüberwachungssensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlusselemente (64) der Leiterplatte (6) auf der ersten Seite (61) der Leiterplatte (6) in dem zweiten Teilraum (12) angeordnet sind und über Bonddrahtverbindungen (16) mit Kontaktelementen (15) des Sensorgehäuses (2) elektrisch kontaktiert sind.
Batterieüberwachungssensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (2) ein Gehäuseunterteil (3) mit einer Oberseite (14) und ein auf die Oberseite (14) aufgesetztes Gehäusedeckelteil (4) aufweist, dass das Gehäuseunterteil (3) an der Oberseite (14) eine wannenförmige Aussenkung (13) aufweist, wobei die umlaufende Innenwand (31) vom Grund (18) der Aussenkung (13) in Richtung des Deckels (4) absteht, wobei die Leiterplatte (6) auf die umlaufende Innenwand (31) derart gasdicht aufgeklebt ist, dass die Leiterplatte (6) in etwa auf der Höhe der Oberseite (14) des Gehäuseunterteils (3) verläuft.
Batterieüberwachungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensormodul (20) und das wenigstens eine weitere Sensormodul (21) in direktem Kontakt mit einem in dem ersten Teilraum (11) enthaltenen Gasgemisch stehen, während alle übrigen auf der Leiterplatte (6) angeordneten elektronischen Bauelemente (63) einer Auswerte- und/oder Steuerschaltung sowie Anschlusselemente (64) der Leiterplatte (6) außerhalb des ersten Teilraums (11) in dem zweiten Teilraum (12) und getrennt von dem im ersten Teilraum (11) enthaltenen Gasgemisch angeordnet sind.