DE102022209760A1

DE102022209760A1 - Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher

Info

Publication number: DE102022209760A1
Application number: DE102022209760.2A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Grauer; Christoph Klee; Marc-Alexandre SEIBERT; Andrej Stepanov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2024-03-21
Also published as: WO2024056857A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit (16) für einen elektrischen Verbraucher (10) mit zumindest einer ersten Energiespeicherzelle (20), zumindest einem ersten Temperatursensor (82) zur Erfassung einer Temperatur (T) der zumindest einen ersten Energiespeicherzelle (20) und einer Leiterplatte (58) zur Aufnahme des zumindest einen ersten Temperatursensors (82). Es wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine erste Temperatursensor (82) und die Leiterplatte (58), insbesondere vollständig, von einer temperaturleitfähigen Vergussmasse (60) umgeben sind, wobei die temperaturleitfähige Vergussmasse (60) derart ausgestaltet ist, dass sie mit der zumindest einen ersten Energiespeicherzelle (20), insbesondere an der Stelle des zumindest einen ersten Temperatursensors (82), in einen thermischen Kontakt tritt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Die Energiespeichereinheit umfasst zumindest eine erste Energiespeicherzelle, zumindest einem ersten Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur der zumindest einen ersten Energiespeicherzelle und eine Leiterplatte zur Aufnahme des zumindest einen ersten Temperatursensors.
Stand der Technik
Eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern wird mit fest integrierten Energiespeichereinheiten (auch als Akkus oder Akkupacks bezeichnet) oder vom Bediener werkzeuglos wechselbaren Energiespeichereinheiten (im Folgenden als Wechselakkupacks bezeichnet) betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel bestehen derartige Energiespeichereinheiten aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Batteriespannung bzw. -kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen (Li-lon) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen. Andererseits erfordern derartige Zellen zur Vermeidung elektrischer Fehlerzustände auch das Einhalten enger Spezifikationen bezüglich des maximalen Lade- und Entladestroms, der Spannung und der Temperatur. Liegt zum Beispiel die erfasste Temperatur außerhalb vorgegebener Grenzwerte, so wird der Entlade- oder Ladevorgang der Energiespeichereinheit unterbrochen oder zumindest eingeschränkt.
In modernen, akkubetriebenen elektrischen Verbrauchern wird die Zellspannung der parallel geschalteten Energiespeicherzellen eines so genannten Zell-Clusters der Energiespeichereinheit beispielsweise durch eine Überwachungseinheit ausgewertet. Unter dem Begriff „Zellspannung“ soll demnach nicht ausschließlich die Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle, sondern auch die eines aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen bestehenden Zell-Clusters verstanden werden. Ein derartiges so genanntes Single-Cell-Monitoring (SCM) ist beispielsweise aus der WO 20043386 A1 bekannt, in der zudem ein gefährlicher Betrieb eines Wechselakkupacks im Fehlerfall durch eine redundante Überwachung ausgeschlossen wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine besonders robuste und zuverlässige Temperaturerfassung in einer Energiespeichereinheit für einen sicheren Betrieb in Verbindung mit einer möglichst einfachen Herstellung der Energiespeichereinheit zu erzielen.
Vorteile der Erfindung
Zur Lösung der obigen Aufgabe ist vorgesehen, dass der zumindest eine erste Temperatursensor und die Leiterplatte, insbesondere vollständig, von einer temperaturleitfähigen Vergussmasse umgeben sind, wobei die Vergussmasse derart ausgestaltet ist, dass sie mit der zumindest einen ersten Energiespeicherzelle, insbesondere an der Stelle des zumindest einen ersten Temperatursensors, in einen thermischen Kontakt tritt. Mit besonderem Vorteil kann so eine einfache und kostengünstige Herstellung der Energiespeichereinheit in Verbindung mit einer zuverlässigen und sicheren Temperaturüberwachung ermöglicht werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischen Verbraucher mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit sowie ein System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine ausgebildeten elektrischen Verbraucher und zumindest einer als ein Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeichereinheit. Als elektrischer Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen jedoch grundsätzlich alle mittels einer Energiespeichereinheit, wie z.B. einem Wechselakkupack oder einem fest integrierten Akkupack, versorgbaren Geräte mit einer elektrischen Last verstanden werden. Die elektrische Last kann dabei als eine überwiegend induktive Last in Gestalt eines elektromotorischen Antriebs ausgebildet sein. Ebenso sind überwiegend ohmsche oder kapazitive Lasten denkbar. Als elektromotorische Antriebe kommen insbesondere elektrisch kommutierte Elektromotoren (so genannte EC- bzw. BLDC-Motoren) in Frage, deren einzelne Phasen über zumindest einen Leistungstransistor per Pulsweitenmodulation zur Steuerung bzw. Regelung ihrer Drehzahl und/oder ihres Drehmoments angesteuert werden. In diesem Zusammenhang ist die Erfindung auf akkubetriebene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs anwendbar. Dabei kann das elektrische Bearbeitungsgerät sowohl als Handwerkzeugmaschine als auch als stationäre Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Werkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Zellpoliermaschinen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Gebläse, Roboter-Breaker und -Bagger oder dergleichen, sowie Messgeräte, wie Laser-Entfernungsmesser, Wandscanner, etc., in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc., und elektrisch angetrieben Stra-ßen- und Schienenfahrzeuge, wie z.B. E-Bikes, E-Scooter, Pedelecs, Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge, etc., sowie Flugzeuge und Schiffe mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit anwendbar.
Die Spannungsklasse der Energiespeichereinheit ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen in der Energiespeichereinheit integrierten Energiespeicherzellen und ist in der Regel ein ganzzahliges Vielfaches (>= 1) der Spannung der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-lon, Li-Zellpolymer, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeichereinheiten mit Ni-Cd-, Ni-Mh-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Energiespeichereinheiten und -zellen, z.B. neben Rundzellen auch prismatische Zellen, Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden. Die Gleichspannungswerte richten sich in erster Linie nach den typischen Zellspannungen der verwendeten Energiespeicherzellen. So sind z.B. für Pouch-Zellen und/oder Zellen mit anderer elektrochemischer Zusammensetzung Spannungswerte möglich, die von denjenigen der mit Li-lon-Zellen ausgestatteten Energiespeichereinheiten abweichen.
Ist die Energiespeichereinheit als Wechselakkupack ausgebildet, kann sie über eine elektromechanische Schnittstellen des Wechselakkupacks mit einer entsprechend komplementären, elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers bzw. des Ladegeräts kraft- und/oder formschlüssig lösbar verbunden werden. Unter einer „lösbaren Verbindung“ soll insbesondere eine werkzeuglos - also von Hand - lösbare und herstellbare Verbindung verstanden werden. Die Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen und ihrer Aufnahmen zur kraft- und/oder formschlüssig lösbaren Verbindung sollen nicht Gegenstand dieser Erfindung sein. Ein Fachmann wird je nach Leistungs- bzw. Spannungsklasse eines elektrischen Verbrauchers und/oder eines Wechselakkupacks eine geeignete Ausführungsform für die elektromechanische Schnittstelle wählen, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind daher nur exemplarisch zu verstehen. So können insbesondere auch Schnittstellen mit mehr als den dargestellten elektrischen Kontakten zum Einsatz kommen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zumindest eine erste Temperatursensor auf einer Leiterplattenschicht der Leiterplatte angeordnet ist und die Vergussmasse auf einer der Leiterplattenschicht gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte im Bereich des zumindest einen ersten Temperatursensors eine Ausnehmung, insbesondere zur thermischen Isolierung der Leiterplatte oder des zumindest einen ersten Temperatursensors von einem Gehäuse der Energiespeichereinheit oder des elektrischen Verbrauchers, aufweist. In besonders vorteilhafter Weise kann dadurch die Wärmekapazität in unmittelbarer Nähe des Temperatursensors verringert werden, um Temperatureinflüsse weiterer Bauelemente und/oder des Gehäuses der Energiespeichereinheit oder des elektrischen Verbrauchers auf den Temperatursensor zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Die Ausnehmung kann derart ausgebildet sein, dass zwischen der Vergussmasse und dem Gehäuse ein Hohlraum gebildet ist, der zumindest im Bereich des zumindest einen ersten Temperatursensors einen Abstand der Vergussmasse zum Gehäuse definiert. Somit kann eine etwaige Beeinträchtigung der Temperaturmessung durch auf das Gehäuse einwirkenden Temperatureinflüsse weiter reduziert oder vermieden werden.
Ergänzend kann auf der Leiterplatte ein weiterer Temperatursensor angeordnet sein, der von dem ersten Temperatursensor derart beabstandet ist, dass er die Temperatur einer weiteren Energiespeicherzelle erfasst, wobei der weitere Temperatursensor derart von der Vergussmasse umgeben ist, dass sie mit der weiteren Energiespeicherzelle, insbesondere an der Stelle des weiteren Temperatursensors, in einen thermischen Kontakt tritt. Somit können mehrere Energiespeicherzellen im Sinne eines thermischen Single Cell Monitorings überwacht und ggf. bei Über- bzw. Unterschreitung vorgegebener Temperaturgrenzwerte separat über entsprechende Schaltelemente auf der Leiterplatte deaktiviert werden.
Zur Optimierung der thermischen Leitfähigkeit zwischen Temperatursensor und Energiespeicherzelle, sind die thermischen Kontaktflächen der Vergussmasse an eine Außenkontur der Energiespeicherzelle angepasst. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als zylinderförmige Rundzellen ausgebildet, so ergibt sich eine optimierte Leitfähigkeit, wenn die thermischen Kontaktflächen der Vergussmasse eine dazu komplementäre, insbesondere konkave, Form aufweisen, um eine möglichst große Oberfläche zu bilden, die die Temperatur der Energiespeicherzellen an den Temperatursensoren weiterleitet. Zudem gestattet ein derartiger Formschluss eine vereinfachte Montage der Leiterplatte, da die entsprechend vorgeformte Vergussmasse eine reproduzierbare Positionierung an den Energiespeicherzellen bewirkt.
Eine alternative oder ergänzende Möglichkeit zur Reduzierung oder Vermeidung der Beeinträchtigung der Temperaturmessung durch auf das Gehäuse einwirkenden Temperatureinflüsse ist möglich, indem die Vergussmasse an einer der zumindest einen ersten Energiespeicherzelle abgewandten Seite zumindest einen vorstehenden Anlagepunkt für das Gehäuse der Energiespeichereinheit oder des elektrischen Verbrauchers zur Bildung eines Luftspalts zwischen Gehäuse und Vergussmasse aufweist. Der Luftspalt kann auch durch zwei Anlagepunkte der Vergussmasse gebildet werden, wobei die Temperatursensoren in Wesentlichen mittig zwischen den beiden Anlagepunkten angeordnet sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vergussmasse als ein elastisches Thermoplast ausgebildet ist. Eine derartiges Thermoplast kann beispielsweise durch ein so genanntes Low-Pressure-Molding hergestellt werden. Dabei wird die Leiterplatte samt ihrer elektrischen Anschlusspunkte in eine Negativ-Gussform eingelegt, die anschließend mit einem heißen, viskosen Polymer gefüllt wird. Nach dem Erkalten des Polymers entsteht dann eine robuste und teilweise elastische Hülle, die einen sehr guter Schutz gegen Korrosionen, hervorgerufen durch Feuchtigkeit, Fingerabdrücken oder dergleichen, gewährleistet. Durch die Elastizität des Thermoplasts können Toleranzen zwischen der Leiterplatte bzw. dem Temperatursensor und der Energiespeicherzelle ausgeglichen werden, was die thermische Leitfähigkeit verbessert.
Um die Bauform der Energiespeichereinheit möglichst kompakt zu halten, ist die von der Vergussmasse umgebene Leiterplatte derart an zwei benachbarten Energiespeicherzellen angeordnet, dass sie nicht über eine durch die beiden Energiespeicherzellen in einem Querschnitt gebildete Hüllkurve hervorsteht.
In der Regel sind die elektrischen Zellpole zumindest zweier Energiespeicherzellen der Energiespeichereinheit über zumindest einen Zellverbinder elektrisch leitend in einer Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden. Die elektrische Anbindung der Zellverbinder an die elektrischen Zellpole erfolgt dabei mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, beispielsweise durch Löten, Kaltschwei-ßen oder dergleichen. Die Zellverbinder sind als flache Stanzbleche bzw. - laschen ausgebildet, die ihrerseits elektrisch mit einer Leiterplatte (PCB - Printed Circuit Board) der Energiespeichereinheit zur Überwachung der Energiespeicherzellen über elektrische Anschlusspunkte der Leiterplatte verbunden sind. Die elektrische Verbindung zwischen den Anschlusspunkten der Leiterplatte und den Zellverbindern erfolgt ebenfalls stoffschlüssig mittels elektrischer Kabel, Flachbandleitungen, Bonddrähte, Stanzgitter oder dergleichen. Zum Teil kommen auch flexible Leiterplatten (FPC) zum Einsatz.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Aufgabe daher darin gesehen werden, eine besonders robuste elektrische Anbindung einzelner Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinheit an die Leiterplatte in Verbindung mit einer möglichst einfachen Herstellung der Energiespeichereinheit zu erzielen.
Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass die Leiterplatte samt der elektrischen Anschlusspunkte, insbesondere vollständig, von einer Vergussmasse umgeben ist. Auf diese Weise kann einerseits ein guter Schutz der elektrischen Verbindungen zwischen Leiterplatte und Zellverbinder vor Verschmutzungen und Nebenschlüssen erzielt und anderseits ein aufwändiges und fehleranfälliges Löten während der Montage der Energiespeichereinheit vermieden werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vergussmasse aus einem Low-Pressure-Molding-Thermoplast gebildet ist. Beim Low-Pressure-Molding wird die Leiterplatte samt ihrer elektrischen Anschlusspunkte in eine Negativ-Gussform eingelegt, die anschließend mit einem heißen, viskosen Polymer gefüllt wird. Nach dem Erkalten des Polymers entsteht dann eine robuste und teilweise elastische Hülle, die einen sehr guter Schutz gegen Korrosionen, hervorgerufen durch Feuchtigkeit, Fingerabdrücke oder dergleichen, gewährleistet. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Vergussmasse mit entsprechenden Vorteilen aus einer Silikonmasse gebildet ist.
Ergänzend weist zumindest einer der Zellverbinder einen elektrischen Abgriff für eine Einzelzellüberwachung (Single Cell Monitoring - SCM) der Energiespeicherzellen auf. Da während der Montage der Energiespeichereinheit keine zusätzliche stoffschlüssige Verbindung für den SCM-Abgriff mehr notwendig ist, ist dieser zumindest teilweise gegen Verschmutzungen und/oder Korrosionen geschützt, so dass das Risiko einer unerwünschten Entladung der Energiespeichereinheit oder einzelner Energiespeicherzellen deutlich reduziert werden kann.
Weiterhin ist vorgesehen, dass zumindest einer der Zellverbinder einen Toleranzausgleich zur Anpassung an eine Länge der Energiespeicherzellen aufweist. Da die elektrische Verbindung der Zellverbinder zur Leiterplatte bereits bei deren Bestückung erfolgt und die einzelnen Bauteile jeweils feste Längen aufweisen, ergibt sich durch den Toleranzausgleich die Möglichkeit, etwaige Längentoleranzen der Energiespeicherzellen, der Leiterplatte und/oder ihrer Verbindungsstellen auszugleichen. Dabei kann der Toleranzausgleich des Zellverbinders parallel zu einer Längsachse der jeweiligen Energiespeicherzelle als ein U-förmiger, ein zickzack- oder wellenförmiger Falz ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher, mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen, wobei jede Energiespeicherzelle zwei elektrische Zellpole aufweist und die elektrischen Zellpole zumindest zweier Energiespeicherzellen über zumindest einen Zellverbinder elektrisch leitend in einer Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind, und mit einer Leiterplatte, die zumindest einen elektrischen Anschlusspunkt zur elektrisch leitenden Verbindung des zumindest einen Zellverbinders aufweist. Mit den eingangs erwähnten Vorteilten wird der zumindest eine Zellverbinder in einem Verfahrensschritt zunächst mit dem elektrischen Anschlusspunkt elektrisch, insbesondere stoffschlüssig, verbunden. In nachfolgenden Verfahrensschritten wird die Leiterplatte dann samt des zumindest einen elektrischen Anschlusspunkts mit einer Vergussmasse, insbesondere vollständig, vergossen und parallel einer Längsachse der Energiespeicherzellen angeordnet, um den zumindest einen Zellverbinder mit den elektrischen Zellpolen zumindest zweier Energiespeicherzellen stoffschlüssig zu verbinden. Unter einer stoffschlüssigen Verbindung soll im Kontext der Erfindung insbesondere eine elektrische Verbindung verstanden werden, die durch Löten, Kaltschweißen oder dergleichen erzeugt wurde.
In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ergänzend vorgesehen, dass die Leiterplatte vor dem Vergießen mit der Vergussmasse mittels einer flexiblen Leitung, insbesondere einem mehradrigen Flachbandkabel, mit zumindest einer weiteren Leiterplatte elektrisch verbunden wird. Die weitere Leiterplatte kann beispielsweise eine Mehrzahl elektrischer Kontakte der elektromechanischen Schnittstelle der als Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeichereinheit zur Kontaktierung mit dem Elektrischer Verbraucher oder einem Ladegerät aufweisen. Nach dem Vergießen mit der Vergussmasse werden die Leiterplatte und die zumindest eine weitere Leiterplatte dann in einem Verfahrensschritt im Wesentlichen rechtwinklig zueinander um die Energiespeicherzellen angeordnet. Statt einer flexiblen Leitung kann die weitere Leiterplatte auch als flexible Leiterplatte ausgebildet und direkt mit der Leiterplatte elektrisch, insbesondere stoffschlüssig, verbunden sein.
In einer weiteren, alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Aufgabe darin gesehen werden, eine besonders einfache und genaue Temperaturerfassung einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Energiespeicherzelle der Energiespeichereinheit, für einen sicheren Betrieb der Energiespeichereinheit zu erzielen.
Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass der zumindest eine erste Temperatursensor zur thermischen Kopplung mit der zumindest einen Energiespeicherzelle an der Seitenkante oder auf der Leiterplattenschicht direkt neben der Seitenkante angeordnet ist. Da die Genauigkeit der Temperaturerfassung abhängig ist von der Wärmeleitfähigkeit zwischen der Energiespeicherzelle und dem Temperatursensor, ermöglich die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise, die beim Lade- oder Entladevorgang entstehende Wärme gezielt und möglichst verlustarm von der Energiespeicherzelle an den Temperatursensor zu übertragen. Gleichzeitig ist die vorgeschlagene Lösung sehr kostengünstig, zumal keine separaten Montagevorrichtungen oder Klebeverbindungen notwendig sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Leiterplatte eine Leiterplattenebene aufspannt, wobei eine Längsachse der zumindest einen Energiespeicherzelle, insbesondere einer Mehrzahl von parallel angeordneten Energiespeicherzellen, senkrecht zu der Leiterplattenebene ausgerichtet ist. Zudem kann die Seitenkante zumindest im Bereich des zumindest einen Temperatursensors an eine Außenkontur der zumindest einen Energiespeicherzelle angepasst sein. Ergänzend oder alternativ weist die Seitenkante zumindest einen Kontaktpunkt mit der zumindest einen Energiespeicherzelle auf. Auf diese Weise ist ein optimaler thermischer Kontakt des an der Seitenkante positionierten Temperatursensors in Abhängigkeit von der äußeren Kontur der zumindest einen Energiespeicherzelle erzielbar.
Weiterhin kann der thermische Kontakt zwischen dem zumindest einen Temperatursensor und der zumindest einen Energiespeicherzelle dadurch verbessert werden, dass die Leiterplatte in der Umgebung des zumindest einen ersten Temperatursensors zumindest eine Aussparung aufweist, die eine Federkraft der Seitenkante gegenüber der zumindest einen Energiespeicherzelle derart bewirkt, dass die zumindest eine Energiespeicherzelle die Seitenkante und/oder die Aussparung im montierten Zustand der Leiterplatte durch eine Druckkraft verformt. Im Falle einer Verformung der Seitenkante, ist diese bevorzugt in der Leiterplattenebene gestaucht ausgebildet. Durch die Druckkraft und die dieser entgegen wirkenden Federkraft, wird der zumindest eine Temperatursensor stets optimal an der Energiespeicherzelle gehalten. Weiterhin kann die Aussparung eine thermische Entkopplung des zumindest einen Temperatursensors von der restlichen Leitplatte bewirken.
Mit besonderem Vorteil ist der zumindest eine erste Temperatursensor als ein SMD-Bauelement ausgebildet, das auf der zumindest einen Leiterplattenschicht oder direkt in einer Aussparung der Seitenkante angeordnet ist. SMD-Bauelemente sind sehr kompakt ausgestaltet und erlauben daher eine besonders platzsparende und in der Serienfertigung kostengünstige Montage.
Die thermische Kopplung kann weiterhin dadurch verbessert werden, dass die Seitenkante zumindest in der unmittelbaren Umgebung des zumindest einen ersten Temperatursensors eine thermisch leitfähige Beschichtung aufweist.
Eine ergänzende Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein weiterer Temperatursensor an der Seitenkante oder einer weiteren Seitenkante der Leiterplatte angeordnet ist, wobei der weitere Temperatursensor derart von dem ersten Temperatursensor beabstandet ist, dass er die Temperatur einer weiteren Energiespeicherzelle, insbesondere weitestgehend unabhängig von der ersten Energiespeicherzelle, erfasst. Somit können mehrere Energiespeicherzellen im Sinne eines thermischen Single Cell Monitorings überwacht und ggf. bei Über- bzw. Unterschreitung vorgegebener Temperaturgrenzwerte separat über entsprechende Schaltelemente auf der Leiterplatte deaktiviert werden.
Um eine Verfälschung der Temperaturerfassung zu reduzieren oder zu vermeiden, kann zudem vorgesehen sein, dass die Leiterplatte in der Umgebung des zumindest einen ersten Temperatursensors und/oder des weiteren Temperatursensors zumindest eine weitere Aussparung zur thermischen Entkopplung aufweist.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 13 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: einen als Bohrhammer ausgestalteten elektrischer Verbraucher nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
2: einen als Multitool ausgestalteten elektrischer Verbraucher nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
3: eine als 12V-Wechselakkupack ausgestaltete Energiespeichereinheit nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
4: eine als 18V-Wechselakkupack ausgestaltete Energiespeichereinheit nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
5: ein erstes Ausführungsbeispiel des Innenteils der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit in einer perspektivischen Ansicht vor (5a) und nach seiner Montage (5b),
6: eine Detailansicht des Innenteils der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit gemäß 5,
7: einen Zellverbinder der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit gemäß der 5 und 6 in einer perspektivischen Ansicht,
8: einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit auf ungefährer Höhe der halben Länge der Energiespeichereinheit,
9: eine Detailansicht des Innenteils der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit gemäß der 5 bis 8 in einer perspektivischen Ansicht,
10: ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit in einer Frontalansicht,
11: Detailansichten diverser alternativer Ausgestaltungsformen (11a bis 11d) einer Leiterplatte der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit gemäß 10,
12: eine Detailansicht einer weiteren Ausgestaltungsform der Leiterplatte der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit gemäß 10 und
13: Detailansichten diverser alternativer Ausgestaltungsformen (13a bis 13d) einer Seitenkante der Leiterplatte der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit gemäß 10.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist exemplarisch ein elektrischer Verbraucher 10 dargestellt, der als ein Bohrhammer 12 mit einem Gehäuse 14 ausgebildet ist. Neben einem nicht näher gezeigten Schlagwerk, das über einen ebenfalls nicht näher gezeigten Elektromotor, insbesondere einem bürstenlosen Gleichstrommotor (Electrically Commuted - EC bzw. Brushless Direct Current - BLDC), angetrieben wird, ist in dem Gehäuse 14 des Bohrhammers 12 eine Energiespeichereinheit 16 zur Energieversorgung des Elektromotors und einer diesen ansteuernden Elektronik (nicht dargestellt) angeordnet, wobei die Energiespeichereinheit 16 als ein fest integrierter, vom Bediener nicht wechselbarer Akkupack 18 ausgebildet ist. Der Akkupack 16 kann eine einzelne Energiespeicherzelle 20 oder eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 20 (vgl. 5, 8 und 10) umfassen. Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Batteriespannung U_Batt der Energiespeichereinheit 18 in der Regel aus einem ganzzahligen Vielfachen (>= 1) der Einzel- bzw. Zellspannungen U_Cell der Energiespeicherzellen 20 in Abhängigkeit von ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen 20 als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeichereinheiten 18 mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
Die Drehzahl und/oder das Drehmoment des als EC-Motor ausgebildeten Elektromotors kann beispielsweise mittels der Elektronik und einem von dieser angesteuerten Inverter (z.B. eine aus Halbleiterschaltern bestehende H-Brücke, B6-Brücker oder dergleichen) per Pulsweitenmodulation (PWM) in Abhängigkeit von einem Hauptschalter 22 gesteuert oder geregelt werden. Da dem Fachmann die Funktionsweise einer PWM-Ansteuerung bekannt ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Zudem sind ohne Einschränkung der Erfindung auch andere Steuer- oder Regelverfahren für entsprechende Elektromotoren bekannt.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen elektrischen Verbraucher 10 in Gestalt eines elektromotorisch angetriebenen Multitools 24. Statt eines einzelnen Hauptschalters 22 ist dieser in einen auf der Oberseite des Gehäuses 14 angeordneten, reinen An-Aus-Schalter und einen seitlich am Gehäuse 14 angeordneten Drehzahlregler aufgeteilt. Ein weiterer, wesentlicher Unterschied zu dem in 1 dargestellten Bohrhammer 12 liegt in der Wechselbarkeit der als Wechselakkupack 26 ausgebildeten Energiespeichereinheit 16. Zur werkzeuglos - also von Hand - lösbaren Verbindung mit dem Multitool 24 weist der Wechselakkupack 26 eine elektromechanische Schnittstelle 28 (vgl. hierzu die nachfolgenden Ausführungen gemäß der 3 und 4) auf, die in eine als Einsteckaufnahme ausgebildete, elektromechanische Schnittstelle 30 des Multitools 24 einsteckbar ist. Ist der Wechselakkupack 26 vollständig eingesteckt, kann er das Multitool 26 bzw. dessen Elektromotor und Elektronik mit der benötigten Batteriespannung U_Batt versorgen. Unter einem eingesteckten Wechselakkupack 26 soll insbesondere ein Wechselakkupack 26 verstanden werden, dessen elektromechanische Schnittstelle 28 im mit dem elektrischen Verbraucher 10 verbundenen Zustand mit der entsprechend komplementären, elektromechanischen Schnittstelle 30 des elektrischen Verbrauchers 10 verbunden ist.
Es sei nochmals angemerkt, dass die Erfindung auch auf elektrische Verbraucher anwendbar ist, die rein ohmsche und/oder kapazitive, elektrische Lasten aufweisen, so dass die hier gezeigten Elektrowerkzeugmaschinen lediglich exemplarisch zu verstehen sind und primär zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Arten von Energiespeichereinheiten 20 und ihrer Anwendung dienen sollen.
In den 3 und 4 sind zwei unterschiedliche Wechselakkupacks 26 in perspektivischen Ansichten gezeigt. Die Wechselakkupacks 26 unterscheiden sich neben ihrer charakteristischen Form insbesondere in ihrer Batteriespannung U_Batt, Kapazität sowie in ihren elektromechanischen Schnittstellen 28.
3 zeigt einen Wechselakkupack 26 mit einer Batteriespannung U_Batt von 10,8 V (nominell 12 V). Der Wechselakkupack 26 weist ein Gehäuse 14 auf, in welchem drei zylinderförmige Energiespeicherzellen 20 (vgl. 5 und 8) mit einer jeweiligen Zellspannung U_Cell von 3,6 V angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der Wechselakkupack 26 ist derart ausgebildet, dass er in den in 2 gezeigten, als Multitool 24 ausgebildeten elektrischen Verbraucher 10 werkzeuglos lösbar eingesteckt werden kann.
Der Wechselakkupack 26 weist an einem Ende einen elektrischen Kontaktteil 32 der elektromechanischen Schnittstelle 28 auf, der zwei elektrische Kontakte 34, die als Energieversorgungskontakte 36 ausgebildet sind, und drei weitere, als Signal- bzw. Datenkontakte 38 ausgebildete elektrische Kontakt 34 umfasst. Über die Energieversorgungskontakte 36 kann der elektrische Verbraucher 10 bzw. das Multitool 24 einerseits mit Energie versorgt werden. Andererseits ist hierüber auch ein Aufladen des Wechselakkupack 26 mittels eines nicht gezeigten Ladegeräts möglich. Über die Signal- bzw. Datenkontakte 38 können dem elektrischen Verbraucher 10 bzw. dem Ladegerät Informationen zu diversen Betriebsparametern des Wechselakkupacks 26, wie beispielsweise der Batteriespannung U_Batt, den Zellspannungen U_Cell, einer im Wechselakkupack 26 gemessenen Temperatur T, eines Lade- oder Entladestroms I, einer Kodierung oder dergleichen, zur dortigen Auswertung übermittelt werden. Anhand dieser Betriebsparameter kann die Elektronik des elektrischen Verbrauchers 10 bzw. des Ladegeräts den Entlade- bzw. Ladevorgang steuern bzw. regeln.
Auf einem dem Ende mit dem elektrischen Kontaktteil 32 der elektromechanischen Schnittstelle 28 gegenüberliegenden Ende des Wechselakkupacks 26 ist ein mechanischer Kontaktteil 40 zur werkzeuglos lösbaren mechanischen Verbindung des Wechselakkupacks 26 mit dem elektrischen Verbraucher 10 angeordnet. Der mechanische Kontaktteil 40 umfasst zwei federnde Rastnasen 42, die kraft- und formschlüssig mit dem Gehäuse 14 des elektrischen Verbrauchers 10 verbindbar sind. In der Regel ist im Ladegerät kein entsprechendes Verrasten notwendig, so dass die Rastnasen 42 dort nicht genutzt werden. Es ist aber denkbar, dass der Wechselakkupack 26 auch beim Ladevorgang im Ladegerät verrastet wird.
In 4 ist ein Wechselakkupack 26 mit einer Batteriespannung U_Batt von 18 V gezeigt. In dem Gehäuse 14 des Wechselakkupacks 26 sind zehn zylinderförmige Energiespeicherzellen 20 in zwei Lagen angeordnet. Jeweils zwei Energiespeicherzellen 20 sind parallel zu einem Zell-Cluster geschaltet. Die insgesamt fünf Zell-Cluster sind dann in Reihe geschaltet, so dass sich mit einer Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V die resultierende Batteriespannung U_Batt von 18 V ergibt. Auf der Außenfläche des Gehäuses 14 des Wechselakkupacks 26 ist eine Ladezustandsanzeige 44 angeordnet, über die der Ladezustand anzeigbar ist. Die elektromechanische Schnittstelle 28 des Wechselakkupacks 26 weist zwei Führungsschienen 46 auf, die beim Einschieben in korrespondierende Führungsnuten der elektromechanischen Schnittstelle 30 des elektrischen Verbrauchers 10 bzw. des Ladegeräts geführt werden. Zudem ist ein Verriegelungselement 48 vorgesehen, das zur Verriegelung des Wechselakkupacks 26 am elektrischen Verbraucher 10 ausgebildet ist. Das Verriegelungselement 48 ist als schwenkbares und federnd gelagertes Rastmittel ausgebildet, das am Ende des Einschiebvorgangs selbsttätig einrastet. Die Entriegelung des eingeschobenen Wechselakkupacks 26 kann über das Betätigen eines mechanischen Betätigungselements (nicht dargestellt) erfolgen, das auf einer der Ladezustandsanzeige 44 gegenüberliegenden Seite des Wechselakkupacks 26 angeordnet ist. Der elektrische Kontaktteil 32 der elektromechanischen Schnittstelle 28 ist zwischen den beiden Führungsschienen 46 angeordnet und weist eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 34 zur Energie- und Datenübertragung entsprechend dem in 3 gezeigten Wechselakkupack 26 auf. Dabei ist insbesondere der Signal- bzw. Datenkontakt 38 als eine Spule ausgebildet, die die Betriebsparameter induktiv zum elektrischen Verbraucher 10 überträgt. Als elektrischer Kontakt 34 soll demnach auch ein Kontakt verstanden werden, der eine berührungslose Energie- und/oder Datenübertragung ermöglicht.
5a zeigt den Innenteil des in 3 dargestellten Wechselakkupacks 26 vor dessen Montage. Der Wechselakkupack 26 umfasst drei Li-Ion-Energiespeicherzellen 20, die derart angeordnet sind, dass ihr Querschnitt eine im Wesentlichen dreieckförmige Außenkontur aufweist (vgl. hierzu auch 8). Jede Energiespeicherzelle 20 weist ihrerseits einen positiven und einen negativen Zellpol 50 an ihren Stirnseiten auf. In 5b ist der Wechselakkupack 26 nach dem Zusammenfügen des Innenteils dargestellt. Im Unterschied zu 3 weist der elektrische Kontaktteil 32 der elektromechanischen Schnittstelle 28 nur zwei statt drei Signal- bzw. Datenkontakte 38 auf. Die drei Energiespeicherzellen 20 werden mittels zweier Zellverbinder 52 in Reihe geschaltet, so dass sich mit einer Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V eine Batteriespannung U_Batt von 10,8 V ergibt.
Jeder Zellverbinder 52 ist als ein flaches Stanzblech ausgebildet, das gemäß 6 einerseits stoffschlüssig, beispielsweise mittels Löten, an einem ersten Ende 54 mit einem elektrischen Anschlusspunkt 56 einer Leiterplatte 58 elektrisch verbunden wird. Nachfolgend wird die Leiterplatte 58 samt ihrer elektrischen Anschlusspunkte 56 und den Enden 54 der Zellverbinder 52 mit einer Vergussmasse 60, insbesondere vollständig, vergossen. Die Vergussmasse 60 kann beispielsweise aus einem Low-Pressure-Molding-Thermoplast gebildet sein. Beim Low-Pressure-Molding wird die Leiterplatte 58 samt ihrer elektrischen Anschlusspunkte 56 in eine Negativ-Gussform eingelegt, die anschließend mit einem hei-ßen, viskosen Polymer gefüllt wird. Nach dem Erkalten des Polymers entsteht dann eine robuste und teilweise elastische Hülle, die einen sehr guter Schutz gegen Korrosionen, hervorgerufen durch Feuchtigkeit, Fingerabdrücke oder dergleichen, gewährleistet. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Vergussmasse 60 aus einer Silikonmasse gebildet ist. 6 zeigt die Leiterplatte 58 samt ihrer elektrischen Anschlusspunkte 56 und den Enden 54 der Zellverbinder 52 nach dem Vergießen mit der Vergussmasse 60 in einer seitlichen Schnittdarstellung, wobei die Vergussmasse 60 zur besseren Veranschaulichung des Innenlebens gestrichelt dargestellt ist.
In einem nachfolgenden Schritt wird die vergossene Leiterplatte 58 mit Bezug auf 5a und 5b parallel einer Längsachse 62 der Energiespeicherzellen 20 angeordnet. Schließlich werden die als flache Stanzbleche bzw. -laschen ausgebildeten Zellverbinder 52 entsprechend 5b am Ende des Zusammenfügens des Innenteils stoffschlüssig per Kaltschweißverfahren über entsprechende Kontaktierungspunkte 64 (vgl. auch 7) mit den Zellpolen 50 der Energiespeicherzellen 20 verbunden.
Die Leiterplatte 58 kann bei Bedarf vor dem Vergießen mit der Vergussmasse 60 mittels einer flexiblen Leitung 66, insbesondere einem mehradrigen Flachbandkabel 68, mit zumindest einer weiteren Leiterplatte 70 elektrisch verbunden werden. Die weitere Leiterplatte 70 ist dabei insbesondere mit zwei weiteren Stanzblechen 72 verbunden, die zur elektrischen Verbindung des positiven Zellpols 50 der ersten Energiespeicherzelle 20 und des negativen Zellpols 50 der letzten Energiespeicherzelle 20 der Reihenschaltung mit dem positiven bzw. negativen Energieversorgungskontakt 36 der elektromechanischen Schnittstelle 28 dienen. Die beiden Energieversorgungskontakte 36 sind dazu direkt auf der weiteren Leiterplatte 70 aufgelötet, können aber auch mit entsprechenden Kabeln elektrisch verbunden sein. Entsprechendes gilt für die weiteren Stanzbleche 72. Die Leiterplatte 58 und die zumindest eine weitere Leiterplatte 70 werden schließlich nach dem jeweiligen Vergießen mit der Vergussmasse 60 im Wesentlichen rechtwinklig zueinander um die Energiespeicherzellen 20 angeordnet.
Zumindest einer der Zellverbinder 52 weist einen SCM-Abgriff 74 für die Einzelzellüberwachung auf, der einstückig mit dem Zellverbinder 52 verbunden ist und vorzugsweise zwischen dem Ende 54 zur elektrischen Kontaktierung mit der Leiterplatte 58 und den Kontaktierungspunkte 64 zur elektrischen Kontaktierung mit den Zellpolen 50 der Energiespeicherzellen 20 angeordnet ist. Der SCM-Abgriff 74 ist stoffschlüssig, beispielsweise per Löten, mit einem Kabel (nicht gezeigt) verbunden, das seinerseits mit einer SCM-Vorstufe (nicht gezeigt) einer entsprechenden Elektronik verbunden ist, die entweder im Wechselakkupack 26 oder im elektrischen Verbraucher 10, falls dieser gemäß 1 einen fest integrierten Akkupack 18 aufweist, angeordnet ist. Zur Erfassung der einzelnen Zellspannungen U_Cell schaltet die SCM-Vorstufe, beispielsweise über integrierte Transistoren, derart sequenziell zwischen den einzelnen SCM-Abgriffen 74 der Zellverbinder 52 um, dass sie jeweils mit einem positiven und einem negativen Zellpol 50 der zu messenden Energiespeicherzelle 20 verbunden ist. Dabei soll der Begriff Energiespeicherzelle auch ein Zell-Cluster umfassen, da dieses lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 hat, für die Erfassung der Zellspannungen U_Cell aber gleichbedeutend ist.
Die Elektronik des Wechselakkupacks 26 bzw. des elektrischen Verbrauchers 10 kann einen integrierten Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen zur Steuerung oder Regelung des Lade- bzw. Entladevorgangs aufweisen. Ebenso ist denkbar, dass die Steuerung oder Regelung mittels mehrerer Mikroprozessoren oder zumindest teilweise mittels diskreter Bauelemente mit entsprechender Transistorlogik erfolgt. Zudem kann die Elektronik einen Speicher zur Speicherung der Betriebsparameter aufweisen. Da derlei Elektroniken dem Fachmann bekannt sind, soll hierauf nicht weiter eingegangen werden.
In 7 ist einer der Zellverbinder 52 in einer Detailansicht dargestellt. Dieser weist zumindest einen Toleranzausgleich 76 zur Anpassung an eine Länge L der Energiespeicherzellen 20 auf (vgl. 5a und 5b). Dabei ist der Toleranzausgleich 76 des Zellverbinders 52 parallel zu der Längsachse 62 der jeweiligen Energiespeicherzelle 20 als ein U-förmiger Falz 78 ausgebildet, wobei die Orientierung des Falzes 78 in Abhängigkeit der Raumverhältnisse und der Materialstärke des Stanzbleches unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Statt eines U-förmiges Falzes ist auch ein zickzack- oder wellenförmiger Falz denkbar. Da die elektrische Verbindung der Zellverbinder 52 zur Leiterplatte 58 bereits bei deren Bestückung erfolgt und die einzelnen Bauteile jeweils feste Längen aufweisen, ergibt sich durch den Toleranzausgleich 76 die Möglichkeit, etwaige Längentoleranzen der Energiespeicherzellen 20, der Leiterplatte 58 und/oder ihrer Verbindungsstellen 54, 56 auszugleichen.
8 zeigt einen Querschnitt des Wechselakkupacks 26 durch die drei von dem Gehäuse 14 des Wechselakkupacks 26 umgebenen, in einem Dreieck angeordneten Energiespeicherzellen 20. Der gezeigte Schnitt befindet sich ungefähr auf Höhe der halben Länge L der Energiespeicherzellen 20 (vgl. 5). Um die Bauform des Wechselakkupacks 26 möglichst kompakt zu halten, ist die von der Vergussmasse 60 umgebene Leiterplatte 58 derart an zwei benachbarten Energiespeicherzellen 20 angeordnet, dass sie nicht über eine durch die Energiespeicherzellen 20 im Querschnitt gebildete Hüllkurve 80 hervorsteht.
Mittels eines ersten Temperatursensors 82, der vorzugsweise als NTC ausgebildet und in SMD-Bauweise (Surface Mounted Device) auf einer Leiterplattenschicht 84 der Leiterplatte 58 angeordnet ist, kann die Temperatur T zumindest einer der Energiespeicherzellen 20 gemessen und von der Elektronik des Wechselakkupacks 26 bzw. des elektrischen Verbrauchers 10 oder des Ladegeräts ausgewertet werden. Dazu steht der erste Temperatursensor 82 im möglichst engen thermischen Kontakt mit der Energiespeicherzelle 20. Zudem ist er elektrisch mit einem der Signal- bzw. Datenkontakte 38 der elektromechanischen Schnittstelle 28 zur Übertragung der erfassten Temperatur T verbunden. Im Falle eines fest in den elektrischen Verbraucher 10 integrierten Akkupacks 18 kann der erste Temperatursensor 82 auch direkt mit der Elektronik des elektrischen Verbrauchers 10 verbunden sein. Die Leiterplatte 58 und der erste Temperatursensor 82 sind, insbesondere vollständig, von der Vergussmasse 60 umgeben. Zur besonders guten thermischen Anbindung des Temperatursensor 82 an die Energiespeicherzelle 20 ist die Vergussmasse 60 temperaturleitfähig ausgestaltet und tritt, insbesondere an der Stelle des Temperatursensors 82, mit der Energiespeicherzelle 20 in einen thermischen Kontakt.
Neben dem ersten Temperatursensor 82 ist auf der Leiterplatte 58 noch ein weiterer Temperatursensor 86 angeordnet, der von dem ersten Temperatursensor 82 derart beabstandet ist, dass er die Temperatur T einer weiteren Energiespeicherzelle 20 erfasst. Der weitere Temperatursensor 86 ist entsprechend dem ersten Temperatursensor 82 derart von der temperaturleitfähigen Vergussmasse 60 umgeben, dass diese mit der weiteren Energiespeicherzelle 20, insbesondere an der Stelle des weiteren Temperatursensors 86, in einen möglichst guten, thermischen Kontakt tritt. Somit können beide Energiespeicherzellen 30 im Sinne eines thermischen Single Cell Monitorings überwacht und ggf. bei Über- bzw. Unterschreitung vorgegebener Temperaturgrenzwerte separat über entsprechende Schaltelemente auf der Leiterplatte 58, beispielsweise durch die SCM-Vorstufe, deaktiviert werden.
Zur Optimierung der thermischen Leitfähigkeit zwischen den Temperatursensoren 82, 86 und den Energiespeicherzellen 20 sind die thermischen Kontaktflächen 88 der temperaturleitfähigen Vergussmasse 60 an eine Außenkontur 90 der Energiespeicherzellen 20 angepasst. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 20 als zylinderförmige Rundzellen ausgebildet. Somit ergibt sich eine optimierte thermische Leitfähigkeit, wenn die thermischen Kontaktflächen 88 der temperaturleitfähigen Vergussmasse 60 eine dazu komplementäre, konkave Form aufweisen, um eine möglichst große Oberfläche zu bilden, die die Temperatur T der Energiespeicherzellen 20 an die Temperatursensoren 82, 86 weiterleitet. Zudem gestattet ein derartiger Formschluss eine vereinfachte Montage der vergossenen Leiterplatte 58, da die entsprechend vorgeformte Vergussmasse 60 eine reproduzierbare Positionierung an den Energiespeicherzellen 20 bewirkt. Wie bereits eingangs erwähnt, sind auch andere Formen von Energiespeicherzellen 20 denkbar. Entsprechend sollten dann die thermischen Kontaktflächen 88 der temperaturleitfähigen Vergussmasse 60 komplementär dazu ausgestaltet sein.
Gemäß 9 ist auf einer der Leiterplattenschicht 84 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 58 im Bereich der Temperatursensoren 82, 86 jeweils eine Ausnehmung 92 in der Vergussmasse 60 vorgesehen. Die Ausnehmungen 92 dienen insbesondere dazu, eine thermische Isolierung der Leiterplatte 58 bzw. der Temperatursensoren 82, 86 von dem Gehäuse 14 des Wechselakkupacks 26 bzw. des elektrischen Verbrauchers 10 zu erzielen. Dadurch kann die Wärmekapazität in unmittelbarer Nähe der Temperatursensoren 82, 86 verringert werden, um Temperatureinflüsse weiterer Bauelemente und/oder des Gehäuses 14 des Wechselakkupacks 26 bzw. des elektrischen Verbrauchers 10 auf die Temperatursensoren 82, 86 zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Die Ausnehmungen 92 sind derart ausgebildet, dass zwischen der Vergussmasse 60 und dem Gehäuse 14 ein Hohlraum gebildet ist, der zumindest im Bereich der beiden Temperatursensoren 82, 86 einen Abstand der Vergussmasse 60 zum Gehäuse 14 definiert. Somit kann eine etwaige Beeinträchtigung der Temperaturmessung durch auf das Gehäuse 14 einwirkenden Temperatureinflüsse weiter reduziert oder vermieden werden.
Um eine etwaige Beeinträchtigung der Temperaturmessung durch auf das Gehäuse 14 einwirkenden Temperatureinflüsse weiter zu reduzieren oder zu vermeiden, weist die temperaturleitfähige Vergussmasse 60 an der den Energiespeicherzellen 20 bzw. den Temperatursensoren 82, 86 abgewandten Seite zudem zwei vorstehende Anlagepunkte 94 für das Gehäuse 14 des Wechselakkupacks 14 bzw. des elektrischen Verbrauchers 10 zur Bildung eines Luftspalts zwischen Gehäuse 14 und Vergussmasse 60 auf. In bevorzugter Weise sind die beiden Temperatursensoren 82, 86 in Wesentlichen mittig zwischen den beiden Anlagepunkten 94, also in etwa auf Höhe der halben Länge L der Energiespeicherzellen 20 (vgl. 5b), angeordnet.
Die 10 bis 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele zur thermischen Kopplung der Temperatursensoren 82, 86 an die Energiespeicherzellen 20, um eine hohe Genauigkeit der Temperaturerfassung durch eine optimierte Wärmeleitfähigkeit zwischen den Energiespeicherzellen 20 und den Temperatursensoren 82, 86 zu erzielen.
In 10 ist der Temperatursensor 82 zur thermischen Kopplung mit der Energiespeicherzelle 20 auf der Leiterplattenschicht 84 direkt neben einer Seitenkante 96 der Leiterplatte 58 angeordnet. Die Leiterplatte 58 spannt eine Leiterplattenebene 98 auf, die senkrecht zur Längsachse 62 der Energiespeicherzelle 20 ausgerichtet ist. Alternativ ist es auch denkbar, den Temperatursensor 82 direkt in einer entsprechenden Ausnehmung der Seitenkante 96 anzuordnen. Die thermische Kopplung kann zudem verbessert werden, wenn die Seitenkante 96 zumindest in der unmittelbaren Umgebung des Temperatursensors 82 eine thermisch leitfähige Beschichtung 100 aufweist. Ebenso ist es mit Bezug auf das vorherige Ausführungsbeispiel gemäß der 5 bis 9 denkbar, dass die Leiterplatte im Bereich der Seitenkante 96, insbesondere vollständig, von der temperaturleitfähigen Vergussmasse 60 umschlossen ist. Somit kann die beim Lade- oder Entladevorgang entstehende Wärme gezielt und verlustarm von der Energiespeicherzelle 20 an den Temperatursensor 82 übertragen werden. Gleichzeitig ergibt sich eine kostengünstige Montage, da keine separaten Montagevorrichtungen oder Klebeverbindungen notwendig sind. Der Temperatursensor 82 ist als ein SMD-Bauelement ausgebildet, das auf der Leiterplattenschicht 84 oder direkt in der nicht gezeigten Aussparung der Seitenkante 96 angeordnet ist. Dies gestattet eine sehr kleine Bauform und eine gute punktuelle Temperaturmessung in Verbindung mit einer einfachen Serienfertigung.
Die Seitenkante 96 ist im Bereich des Temperatursensors 82 an die Außenkontur 90 der Energiespeicherzelle 20 angepasst. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Energiespeicherzelle 20 als zylinderförmige Rundzelle ausgebildet. Somit ergibt sich eine optimierte thermische Leitfähigkeit, wenn die Seitenkante 96 der Leiterplatte 58 eine dazu komplementäre, konkave Form aufweist. Wie bereits eingangs erwähnt, sind aber auch andere Formen von Energiespeicherzellen 20 denkbar. Entsprechend sollte dann die Seitenkante 96 komplementär dazu ausgestaltet sein.
Einen besonders guten thermische Kontakt zwischen dem Temperatursensor 82 und der Energiespeicherzelle 20 lässt sich ergänzend dadurch erreichen, dass die Leiterplatte 58 in der Umgebung des Temperatursensors 82 zumindest eine Aussparung 102 aufweist. Im montierten Zustand der Leiterplatte 58 verformt die Energiespeicherzelle 20 die Aussparung 102 durch eine entsprechende Druckkraft derart, dass eine Federkraft der Seitenkante 96 gegenüber der Energiespeicherzelle 20 entsteht. Zudem ist es denkbar, dass sich auch die Seitenkante 96 selbst verformt, indem sie durch die Energiespeicherzelle 20 in der Leiterplattenebene 98 gestaucht wird. Insbesondere dann, wenn die Aussparung 102 von zwei Bereichen der Leiterplatte 58 umgeben ist (nicht gezeigt). Durch die Druckkraft und die dieser entgegen wirkenden Federkraft wird der Temperatursensor 82 stets optimal an der Energiespeicherzelle 20 gehalten. Weiterhin kann die Aussparung 102 eine thermische Entkopplung des zumindest einen Temperatursensors 82 von der restlichen Leitplatte 58 bewirken. Die Wirkung der Federkraft und ggf. auch der thermischen Isolation lässt sich durch die Verwendung mehrerer Aussparungen 102 in der Leiterplatte 58 noch verstärken. In den 11a bis 11d sind exemplarisch vier weitere Varianten für eine unterschiedliche Anzahl, Anordnung und/oder Form von Aussparungen 102 gezeigt.
Die Leiterplatte 58 kann gemäß 12 auch derart ausgestaltet sein, dass zur Erfassung der Temperatur T einer weiteren Energiespeicherzelle 20 an einer weiteren Seitenkante 104 der Leiterplatte 58 der weitere Temperatursensor 86 angeordnet ist. Dabei ist der weitere Temperatursensor 86 derart von dem ersten Temperatursensor 82 beabstandet, dass er die Temperatur T der weiteren Energiespeicherzelle 20 weitestgehend unabhängig von der ersten Energiespeicherzelle 20 erfassen kann. Somit können mehrere Energiespeicherzellen 20 im Sinne eines thermischen Single Cell Monitorings überwacht und ggf. bei Über- bzw. Unterschreitung vorgegebener Temperaturgrenzwerte separat über entsprechende Schaltelemente auf der Leiterplatte 58 oder mittels einer Elektronik des elektrischen Verbrauchers 10 deaktiviert werden. Die thermische Kopplung kann analog der ersten Seitenkante 96 verbessert werden, wenn die weitere Seitenkante 104 zumindest in der unmittelbaren Umgebung des weiteren Temperatursensors 86 die thermisch leitfähige Beschichtung 100 aufweist. Einen besonders guten thermische Kontakt zwischen den Temperatursensoren 82, 86 und den Energiespeicherzellen 20 lässt sich ergänzend dadurch erreichen, dass die Leiterplatte 58 auch in der Umgebung des weiteren Temperatursensors 86 zumindest eine Aussparung 102 aufweist, die entsprechend der Aussparung 102 für den ersten Temperatursensor 82 arbeitet.
Statt flächig auf der Außenkontur 90 der zu überwachenden Energiespeicherzellen 20 aufliegender Seitenkanten 96, 104 (vgl. 13a) ist es mit Bezug auf die 13b und 13c auch denkbar, dass die Seitenkanten 96, 104 einen oder zwei Kontaktpunkte 106 zu den jeweiligen Energiespeicherzellen 20 aufweisen. Auf diese Weise ist ein optimaler thermischer Kontakt der an den Seitenkanten 96, 104 positionierten Temperatursensoren 82, 86 in Abhängigkeit vom Radius der Außenkonturen 90 der Energiespeicherzellen 20 erzielbar. Während ein einzelner Kontaktpunkt 106 gemäß 13b insbesondere bei kleinen Radien der Energiespeicherzellen 20 vorteilhaft ist, können Energiespeicherzellen 20 mit größeren Radien gemäß 13b besser über zwei Kontaktpunkte 106 thermisch angebunden werden. Eine weitere Möglichkeit zur thermischen Anbindung zeigt 13d, bei der die Seitenkante 96 bzw. 104 V-förmig ausgestaltet ist und somit für unterschiedliche Radien bzw. Außenkonturen 90 der Energiespeicherzellen 20 stets zwei definierte Kontaktpunkte 106 aufweist.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 13 noch auf die darin gezeigte Form, Anzahl und Größe der Energiespeicherzellen 20 beschränkt ist. Entsprechend kann auch die Anzahl der Temperatursensoren abweichen. Zudem können neben NTC auch PTC und andere Bauformen von Temperatursensoren zum Einsatz kommen. Ebenso ist die Erfindung nicht auf Leiterplatten 58 mit nur einer Leiterplattenschicht 84 beschränkt, sondern kann auch auf so genannte Multi-Layer-PCB angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 20043386 A1 [0003]

Claims

Energiespeichereinheit (16) für einen elektrischen Verbraucher (10) mit zumindest einer ersten Energiespeicherzelle (20), zumindest einem ersten Temperatursensor (82) zur Erfassung einer Temperatur (T) der zumindest einen ersten Energiespeicherzelle (20) und einer Leiterplatte (58) zur Aufnahme des zumindest einen ersten Temperatursensors (82), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Temperatursensor (82) und die Leiterplatte (58), insbesondere vollständig, von einer temperaturleitfähigen Vergussmasse (60) umgeben sind, wobei die temperaturleitfähige Vergussmasse (60) derart ausgestaltet ist, dass sie mit der zumindest einen ersten Energiespeicherzelle (20), insbesondere an der Stelle des zumindest einen ersten Temperatursensors (82), in einen thermischen Kontakt tritt.
Energiespeichereinheit (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Temperatursensor (82) auf einer Leiterplattenschicht (84) der Leiterplatte (58) angeordnet ist und die Vergussmasse (60) auf einer der Leiterplattenschicht (84) gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (58) im Bereich des zumindest einen ersten Temperatursensors (82) eine Ausnehmung (92), insbesondere zur thermischen Isolierung der Leiterplatte (58) und/oder des zumindest einen ersten Temperatursensors (82) von einem Gehäuse (14) der Energiespeichereinheit (16) oder des elektrischen Verbrauchers (10), aufweist.
Energiespeichereinheit (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (92) derart ausgebildet ist, dass zwischen der Vergussmasse (60) und dem Gehäuse (14) ein Hohlraum gebildet ist, der zumindest im Bereich des zumindest einen ersten Temperatursensors (82) einen Abstand der Vergussmasse (60) zum Gehäuse (14) definiert.
Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (58) ein weiterer Temperatursensor (86) angeordnet ist, der von dem ersten Temperatursensor (82) derart beabstandet ist, dass er die Temperatur (T) einer weiteren Energiespeicherzelle (20) erfasst, wobei der weitere Temperatursensor (86) derart von der Vergussmasse (60) umgeben ist, dass sie mit der weiteren Energiespeicherzelle (20), insbesondere an der Stelle des weiteren Temperatursensors (86), in einen thermischen Kontakt tritt.
Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Kontaktflächen (88) der Vergussmasse (60) an eine Außenkontur (90) der Energiespeicherzellen (20) angepasst sind.
Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen (20) als zylinderförmige Rundzellen und die thermischen Kontaktflächen (88) der Vergussmasse (60) dazu komplementär, insbesondere konkav, ausgebildet sind.
Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (60) an einer der zumindest einen ersten Energiespeicherzelle (20) abgewandten Seite zumindest einen vorstehenden Anlagepunkt (94) für ein Gehäuse (14) der Energiespeichereinheit (16) oder des elektrischen Verbrauchers (10) aufweist.
Energiespeichereinheit (16) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (60) zwei Anlagepunkte (94) aufweist, wobei die Temperatursensoren (82, 86) in Wesentlichen mittig zwischen den beiden Anlagepunkten (94) angeordnet sind.
Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (60) als ein elastisches Thermoplast ausgebildet ist.
Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Vergussmasse (60) umgebene Leiterplatte (58) derart an zwei benachbarten Energiespeicherzellen (20) angeordnet ist, dass sie nicht über eine durch die beiden Energiespeicherzellen (20) in einem Querschnitt gebildete Hüllkurve (80) hervorsteht.
Elektrischer Verbraucher (10) mit einer Energiespeichereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine (24) ausgebildeten elektrischen Verbraucher (10) und zumindest einer als ein Wechselakkupack (26) ausgebildeten Energiespeichereinheit (16).