EP4519930A1 - Batterieüberwachungssensor - Google Patents

Batterieüberwachungssensor

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Publication number
EP4519930A1
EP4519930A1 EP23719795.9A EP23719795A EP4519930A1 EP 4519930 A1 EP4519930 A1 EP 4519930A1 EP 23719795 A EP23719795 A EP 23719795A EP 4519930 A1 EP4519930 A1 EP 4519930A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit board
sensor module
subspace
battery
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23719795.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Masoud Habibi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4519930A1 publication Critical patent/EP4519930A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/20—Pressure-sensitive devices

Definitions

  • Battery-based drive systems are becoming increasingly important. Large electric batteries have a risk of triggering a highly exothermic chemical reaction if they become defective. If a local short circuit of the internal electrodes occurs in a lithium-ion cell, for example due to contamination or damage, a short-circuit current can heat up the area around the damaged area to such an extent that the surrounding areas are also affected. This releases the energy stored in the cell in a short time. This process is also known as thermal runaway. Thermal runaway of a single lithium-ion cell typically takes about 20 to 60 seconds. Due to the thermal coupling of individual battery cells, cells adjacent to the damaged cell can also thermally runaway, which dramatically increases the heat development and can destroy the entire battery in just a few minutes. Battery monitoring sensors are therefore used to detect damage to a battery as quickly as possible and to initiate countermeasures.
  • Battery monitoring sensors are known that use pressure measurement to monitor the battery condition. When a battery pack undergoes thermal runaway, there is a sharp increase in pressure in the first few seconds, which then drops steeply. At the same time, strong gas emissions occur. A temperature increase occurs with a delay of a few seconds. A battery voltage drop often occurs later after gas emissions begin.
  • Battery monitoring sensors known in the prior art based on a pressure measurement have a sensor housing with a housing interior, a circuit board arranged in the housing interior and a pressure sensor module arranged on the circuit board.
  • a gas inlet channel for a gas mixture released by the battery is formed on the housing, wherein the gas inlet channel has an inlet opening for connection to the battery and wherein an end of the gas inlet channel facing away from the inlet opening opens into a first subspace of the housing interior, the first subspace through the Circuit board is separated from a second subspace of the housing interior, wherein a first surface area of the circuit board provided with the pressure sensor module faces the first subspace and the pressure sensor module is arranged in the first subspace.
  • Such a basic structure of the battery monitoring sensor corresponds to the structure of a pressure sensor device known, for example, from DE 102015222 115 A1, the pressure sensor device known from this document additionally having a temperature sensor, which is not absolutely necessary for a battery monitoring sensor.
  • the pressure sensor modules integrated into the battery monitoring sensor can have an ASIC or microprocessor and enable pressure monitoring in combination with a so-called wake-up function. If the pressure of a gas mixture inside a battery is constantly monitored, constant power consumption by a monitoring sensor connected to the battery puts a strain on the battery.
  • the ASIC makes it possible to switch off the sensor current and activate it at intervals and wake up the control unit if necessary.
  • Such pressure sensor modules are already known in the prior art.
  • the invention relates to a battery monitoring sensor for monitoring the condition of a battery, comprising a sensor housing with a housing interior, a circuit board arranged in the housing interior with a pressure sensor module arranged on the circuit board, a gas inlet channel formed on the housing for a gas mixture released by the battery, the gas inlet channel an inlet opening for connection the battery and wherein an end of the gas inlet channel facing away from the inlet opening opens into a first subspace of the housing interior, the first subspace being separated from a second subspace of the housing interior by the circuit board, wherein a first surface area of the circuit board provided with the pressure sensor module is in the first subspace faces and the pressure sensor module is arranged in the first subspace.
  • at least one further sensor module for detecting a gas component contained in the gas mixture is arranged on the first surface area of the circuit board provided with the pressure sensor module in the first subspace.
  • the battery monitoring sensor according to the invention uses at least one additional sensor module for monitoring the battery, which is integrated into the battery monitoring sensor.
  • the first subspace can be relatively easily separated from the second subspace of the housing interior in a gas-tight manner by gluing, this advantageously ensures that the pressure sensor module and the at least one further sensor module are in direct contact with a gas mixture contained in the first subspace and emanating from the battery can stand, while all other electronic components of an evaluation and / or control circuit arranged on the circuit board as well as the electrical connection elements of the circuit board are arranged outside the first subspace in the second subspace and are therefore not in contact with the gas mixture of the battery. Corrosion or etching of these components is therefore impossible.
  • the surface area of the circuit board that closes this first subspace can also be used without any special Measures have a high chemical resistance to the gas mixture.
  • the battery can release large amounts of gas in a short period of time.
  • Sensors for detecting a gas component contained in the gas mixture detect the change in the composition of a gas mixture in a significantly longer time interval than the time interval required for pressure detection, which is in the range of milliseconds.
  • the sensor data from such sensors for the detection of gas components can require complex evaluation, which can be carried out in a control unit.
  • a pressure sensor module can, for example, reliably record three pressure values in 3 milliseconds in a very simple manner, determine average values from them and compare them with threshold values and then switch to sleep mode for 91 milliseconds before the next pressure measurement is carried out. This means, for example, with a data rate of 10Hz and therefore data every 100ms, the pressure curve can be monitored and the battery can be protected at the same time.
  • short-term pressure changes in the pressure detected by the battery monitoring sensor in the first subspace connected to the gas inlet channel can also have a cause other than a defect in the battery.
  • a vehicle in which the battery is installed passing through a tunnel can cause a short-term change in pressure.
  • the additional detection of a gas component contained in the gas mixture advantageously enables plausibility checks using the battery monitoring sensor according to the invention.
  • the gas mixture in the battery housing changes relatively quickly. This preferably produces large amounts of carbon dioxide.
  • the emission of other explosive gases such as hydrogen is also possible.
  • the sensor module for detecting a gas component contained in the gas mixture can deliver a lower data rate (for example every 10 seconds).
  • an evaluation of the data in a control unit may be required.
  • the battery monitoring sensor can activate the further sensor module and possibly also, for example, a control device connected to the battery monitoring sensor and cause the change in a gas component to be detected, for example in a time interval of 10 seconds.
  • the result can be used to evaluate the pressure change. For example, if the CO2 concentration in the gas mixture of the battery increases while the pressure increases at the same time, this indicates damage to the battery. If the battery is damaged, the control unit can be switched on to initiate countermeasures.
  • the further sensor module can advantageously be, for example, a hydrogen sensor module which monitors the concentration of hydrogen in the gas mixture of the battery. Since there is a risk of an explosive gas mixture being created if there is a hydrogen leak from the battery, the detection of hydrogen is of particular value as a warning sign.
  • the further sensor module can also be a CO2 sensor module, for example.
  • the production of large amounts of carbon dioxide can indicate thermal runaway of the battery.
  • a particularly advantageous embodiment is in which the battery monitoring sensor in the first subspace has both a hydrogen sensor module and a CO2 sensor module in addition to the pressure sensor module arranged on the first surface area of the circuit board.
  • both the detection of the hydrogen concentration and the detection of the carbon dioxide content can be used to check the plausibility of the pressure sensor signal, which leads to a particularly reliable assessment of damage to the battery.
  • the pressure sensor module and the at least one further sensor module can, for example, be arranged separately on the circuit board as discrete sensor modules or also combined in a common sensor module.
  • the pressure sensor module and the at least one further sensor module can be soldered onto the first surface area of the circuit board as surface-mountable components.
  • Such components are easy and inexpensive to assemble on the circuit board, which can reduce manufacturing costs.
  • a gas-tight and space-saving separation of the first subspace and the second subspace can be achieved in a simple manner by bonding the printed circuit board in a gas-tight manner on one side to an inner wall of the housing interior surrounding the gas inlet channel.
  • a region of a second side of the circuit board arranged within the circumferential inner wall can form the first surface region and a second surface region of this second side arranged outside the inner wall can be arranged in the second subspace.
  • electronic components of an evaluation and/or control circuit such as capacitors or electrical resistors, can preferably also be arranged in the second subspace on the second surface area of the circuit board.
  • this makes it possible for no larger components to be fitted on a first side of the circuit board opposite the second side, so that the distance of the second side from a housing cover and the overall height of the battery monitoring sensor can be reduced.
  • Connection elements of the circuit board for example metallization surfaces, can be arranged on the first side of the circuit board in the second subspace and can be electrically contacted with the contact elements of the sensor housing via bonding wire connections.
  • the contacting technology does not require a large overall height, so that a housing cover arranged above the first side of the circuit board can have a low overall height.
  • the sensor housing can have a lower housing part with a top side and a housing cover part placed on the top side.
  • the lower housing part can have a trough-shaped recess on its top, with the circumferential inner wall protruding in a simple manner from the base of the recess in the direction of the lid.
  • the circuit board can be glued to the circumferential inner wall in such a gas-tight manner that the circuit board runs approximately at the height of the top side of the lower housing part.
  • the gas inlet channel can, for example, open into the first subspace at the bottom of the recess.
  • a connecting piece receiving the gas inlet channel can be arranged on a side of the lower housing part opposite the housing cover or on a side wall of the lower housing part.
  • a battery monitoring sensor is understood to mean a sensor device which can be arranged on a battery housing to monitor the condition of a battery in such a way that the gas inlet channel of the device can direct a gas mixture generated by the battery and its pressure into the sensor interior.
  • the battery monitoring sensor it is possible, for example, to provide the battery monitoring sensor with a connecting piece which can be inserted into the battery housing. Gases released by the battery cells, as well as the pressure of the gas mixture, can reach the interior of the housing of the battery monitoring sensor via the gas inlet channel contained in the connecting piece. Therefore, these gases and the pressure are also present there and can be evaluated with appropriate sensors.
  • the battery monitoring sensor has its own housing with electrical connections and can be attached as a separate component to a battery or to a battery housing.
  • a housing interior is understood to mean a space of the battery monitoring sensor, which is surrounded by a one-piece or multi-part housing and which is closed except for a gas inlet channel.
  • a gas mixture is understood to mean a mixture of gases which can contain several different gases or, in borderline cases, only a single gas. In particular, it acts is about the outgassing of a battery, which can be present within a battery housing.
  • a sensor module is understood to mean a module which can be fitted as a component on a circuit board and contains at least one sensor element.
  • the sensor module can contain a sensor circuit or evaluation circuit or parts thereof.
  • the sensor module can have a microprocessor or an ASIC (application-specific integrated circuit).
  • the ASIC can be arranged together with the sensor element in a molded housing.
  • the sensor module can have a carrier substrate on which the ASIC and the sensor element are arranged.
  • the carrier substrate can be provided with electrical connections on an exposed side.
  • the pressure sensor module, the hydrogen sensor module and the CCh sensor module can be assembled on the circuit board as three discrete components.
  • a pressure sensor module is understood to mean a sensor module which has at least one pressure sensor element.
  • the pressure sensor element can comprise a semiconductor material and, for example, have a membrane which is elastically deflected or deformed when pressure is applied. The deformation of the membrane can be detected using electronic elements, for example a Wheatstone bridge circuit.
  • a hydrogen sensor module has a sensor element that is suitable for detecting hydrogen in a gas.
  • Hydrogen is a highly volatile gas, so the structure of a hydrogen sensor often differs from the structure of other gas sensors.
  • the hydrogen sensor module can have a hydrogen sensor based on thermal conductivity measurements, as described in the
  • the hydrogen sensor module may be suitable for measuring the hydrogen concentration in a gas.
  • the CO2 sensor module can have sensor elements that are suitable for detecting carbon dioxide in a gas mixture.
  • CO2 available on the market Sensor modules use sensor elements based on infrared measurements and optoelectronic evaluations, capacity measurements or chemical sensor elements. Other more complex measurement methods are also known.
  • the CO2 sensor module can be designed to detect the concentration of carbon dioxide in a gas mixture. Similar 5 or similarly constructed sensors can also be used to detect gas components other than 002.
  • FIG. 1 shows a cross section through a first exemplary embodiment of a battery monitoring sensor according to the invention
  • Figure 2 shows an example of a pressure sensor module
  • FIG. 3 shows an example of a sensor module for detecting a gas component contained in the gas mixture
  • FIG 4a is a top view of the battery monitoring sensor shown in cross section in Figure 1 with the housing cover removed, 25
  • Figure 4b is a view of the underside of the battery monitoring sensor from Figure 4,
  • FIG. 5 shows a top view of a second exemplary embodiment of a battery monitoring sensor according to the invention, 30
  • Figure 6 shows a top view of a third exemplary embodiment of a battery monitoring sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cross section through a first exemplary embodiment of a battery monitoring sensor 1 according to the invention.
  • the battery monitoring sensor 1 comprises a sensor housing 2, which in the present exemplary embodiment has a lower housing part 3, preferably made of plastic, and a housing cover part 4 placed thereon, preferably also made of plastic.
  • the housing cover part 4 can be fastened with its peripheral edge in a groove in the lower housing part 3 using an adhesive 25.
  • the sensor housing 2 has a housing interior 10 that is sealed except for a gas inlet channel 7 and is divided into a first subspace 11 and a second subspace 12 by a circuit board 6 arranged therein.
  • the lower housing part 3 can have a flat top 14, into which a trough-shaped recess 13 is embedded.
  • the gas inlet channel 7 can open into the recess 13.
  • the gas inlet channel 13 can, for example, run within a connecting piece 9, which can protrude from the lower side of the lower housing part 3.
  • the connecting piece 9 can also be arranged laterally on the lower housing part 3 and the gas inlet channel 7 can run in a channel in the bottom of the recesses up to a desired junction.
  • the gas inlet channel 7 has an inlet opening 71 at its end facing away from the confluence point.
  • the gas inlet channel 7 is designed to be coupled to a battery.
  • the connecting piece 9 can be inserted into an installation opening in a battery housing, not shown.
  • a circumferential sealing ring 8 arranged on the connecting piece 9 can seal the installation opening of the battery.
  • Electrical contact elements 15 formed on the lower housing part 3 for connection to a control device run from a plug part 5 formed on the lower housing part into the housing interior 10.
  • the contact elements 15 can be injected as stamped grid parts into the plastic of the lower housing part 3.
  • an inner wall 31 surrounding the point where the gas inlet channel 7 opens into the housing interior can protrude in the direction of the cover 4.
  • the circuit board 6 has a flat first side 61 and a flat second side 62 opposite the first side 61.
  • the circuit board 6 is glued gas-tight with the second side 62 to an end face of the inner wall 31 surrounding the gas inlet channel 7 using an adhesive 17.
  • the circuit board 6 is, for example, glued gas-tight to the circumferential inner wall 31 in such a way that the circuit board 6 runs approximately at the height of the top side 14 of the lower housing part 3.
  • Connection elements 64 of the circuit board 6 can be arranged as contact metal coatings on the opposite first side 61 of the circuit board and can be electrically contacted with the contact elements 15 of the sensor housing 2 via bonding wire connections 16.
  • the area of the second side 62 of the circuit board 6 arranged within the circumferential inner wall 31 forms a first surface area 65, while a second surface area 66 of the second side 62 is arranged outside the inner wall 31 in the housing interior 10 .
  • the housing interior 10 is divided in this way by the circuit board 6 into a first subspace 11, which is delimited by the first surface area 65, the inner wall 31 and the base 18, and a second subspace 12, which is limited by the inside of the housing cover part 12, the first side 61 of the circuit board 6 and the part of the recess 13 surrounding the inner wall 31.
  • Electronic components 63 of an evaluation and/or control circuit of the battery monitoring sensor can be arranged in the second subspace 12 on the second surface area 66 of the circuit board 6.
  • the overall height of the housing cover part 4 can therefore be very low, since the housing cover part 4 only covers the bonding wire connections 16, which protrude beyond the first side 61 of the circuit board 6.
  • the first surface area 65 of the circuit board 6 facing the first subspace 11 is provided with a pressure sensor module 20.
  • the pressure sensor module 20 can be constructed as shown in FIG. 2 and have a carrier substrate 201 on which an AISC 206 is arranged, which is contacted with the carrier substrate 201 via bonding wire connections.
  • the carrier substrate 202 can in turn be electrically connected to electrical connections 207 on the underside of the pressure sensor module 20 via conductor tracks (not shown) in the carrier substrate 201.
  • a mold housing 202 is also arranged on the carrier substrate 201, which has a pressure supply channel 205, at the bottom of which the pressure sensor element 204 is located.
  • the pressure supply channel 202 can be completely or partially filled with a gel 203.
  • the pressure sensor module can be soldered onto the first surface area 65 of the circuit board 6 as a surface-mountable component via the connections 207.
  • two further sensor modules 21 for detecting a gas component contained in the gas mixture are arranged on the first surface area 65 of the circuit board 6 provided with the pressure sensor module 20 in the first subspace 11.
  • the further sensor modules 21 can be a hydrogen sensor module 22 and a CO2 sensor module 23.
  • Fig. 3 shows the basic structure of a sensor module 21 for detecting the gas component.
  • the sensor module 21 can have electrical connection elements 209 on its underside. On the opposite top side, the sensor module can have a detection opening 208 for the entry of the gas component to be detected.
  • Fig. 1 it can be seen that the pressure sensor module 20 soldered onto the circuit board, the hydrogen sensor module 22 and the CO2 sensor module 23 are in direct contact with a gas mixture contained in the first subspace 11, while all other electronic components 63 arranged on the circuit board 6 are one Evaluation and/or control circuit as well as the connection elements 64 are arranged outside the first subspace 11 and therefore protected from the gas mixture in the second subspace 12.
  • FIG. 4a shows a top view of the battery monitoring sensor 1 shown in cross section in FIG.
  • the flat design of the sensor housing 2 can be clearly seen in FIG. 4a.
  • Fig. 4b shows the underside of the same battery monitoring sensor 1, which can be arranged on a battery.
  • this exemplary embodiment there is one Connection piece 9, in which the gas inlet channel runs, is arranged on the underside of the battery monitoring sensor 1.
  • the circumferential sealing ring 8 arranged in a circumferential groove on the connecting piece 9 can seal the installation opening of the battery. Therefore, access to three sensor modules is advantageously sealed with just one sealing ring 8.
  • FIGS. 5 and 6 Further exemplary embodiments of the battery monitoring sensor 1 according to the invention are shown in FIGS. 5 and 6.
  • the exemplary embodiments of FIGS. 5 and 6 differ from the exemplary embodiment in FIG. 1 essentially in the arrangement of the connecting piece 9, which is formed laterally on the housing in both exemplary embodiments.
  • the connecting piece 9 can also be omitted since the sensor housing 2 in FIGS. 5 and 6 can be inserted as a plug-in sensor into an installation opening in the battery.
  • the inlet opening 71 can be integrated into the side wall of the lower housing part 3.
  • the inlet opening 71 in Fig. 5 leads to a gas inlet channel 7, which runs within the lower housing part 3 and opens into the first subspace 11, similar to the base 18 of the recess 13 there.
  • the sensor housing 2 in FIG. 5 has a flange 40 which is provided with openings for fastening the sensor housing 2. Between the flange 40 and the cover part 4, a circumferential sealing ring 81 is provided on the sensor housing 2, which serves to seal the installation opening.
  • the flange 41 is made wider than in Fig. 5.
  • a circumferential seal 82 is embedded in the flange. The seal surrounds the lower housing part 3 and the housing cover part 4 at a distance. When the sensor housing 2 is screwed on, the seal 82 is pressed against the associated battery housing and seals the installation opening.

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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

Beschreibung
Titel
Baterieüberwachungssensor
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 102015222 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 CCh-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 102005 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 5 oder gleichartig aufgebaute Sensoren können auch zur Erfassung von anderen Gaskomponenten als 002 verwandt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen 10
Nachfolgend werden mögliche Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines 15 erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors,
Figur 2 ein Beispiel für eine Drucksensormodul,
Figur 3 ein Beispiel für ein Sensormodul zur Detektion einer in dem 20 Gasgemisch enthaltenen Gaskomponente,
Figur 4a eine Draufsicht auf den in Figur 1 im Querschnitt dargestellten Batterieüberwachungssensors bei abgenommenen Gehäusedeckel, 25
Figur 4b eine Ansicht auf die Unterseite des Batterieüberwachungssensor aus Figur 4,
Figur 5 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors, 30
Figur 6 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssensors.
35
Ausführungsformen der Erfindung Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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. Fig. 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 Fig 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.
Fig. 4a zeigt eine Draufsicht auf den in Figur 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 Fig. 4a ist die flache Bauweise des Sensorgehäuses 2 gut erkennbar.
Fig. 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 Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt. Die Ausführungsbeispiele von Fig. 5 und Fig. 6 unterscheiden sich von dem Ausführungsbeispiel in Fig. 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 Fig. 5 und Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 6 ist der Flansch 41 breiter ausgeführt als in Fig. 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.

Claims

Ansprüche
1. 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.
2. Batterieüberwachungssensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensormodul (21) ein Wasserstoffsensormodul (22) ist.
3. Batterieüberwachungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensormodul (21) ein CO2-Sensormodul (23) ist.
4. 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. 5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
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