WO2015135696A1 - Sensorgehäuse für ein sensorelement zum erfassen zumindest einer physikalischen eigenschaft einer energiespeicherzelle, sensor, energiespeichersystem und verfahren zum herstellen eines solchen sensorgehäuses - Google Patents

Sensorgehäuse für ein sensorelement zum erfassen zumindest einer physikalischen eigenschaft einer energiespeicherzelle, sensor, energiespeichersystem und verfahren zum herstellen eines solchen sensorgehäuses Download PDF

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WO2015135696A1
WO2015135696A1 PCT/EP2015/052162 EP2015052162W WO2015135696A1 WO 2015135696 A1 WO2015135696 A1 WO 2015135696A1 EP 2015052162 W EP2015052162 W EP 2015052162W WO 2015135696 A1 WO2015135696 A1 WO 2015135696A1
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sensor
housing
film
energy storage
electrolyte
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PCT/EP2015/052162
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Daniel Pantel
Nicola Mingirulli
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01K1/10—Protective devices, e.g. casings for preventing chemical attack
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    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Sensor housing for a sensor element for detecting at least one physical property of an energy storage cell, sensor
  • the present invention relates to a sensor housing for a
  • Sensor element for detecting at least one physical property of an energy storage cell, a sensor, an energy storage system and a method for producing such a sensor housing.
  • An operating state of battery cells for electric vehicles can currently be monitored by means of externally mounted sensors.
  • a voltage or a temperature of the battery cells can be detected.
  • a more accurate measurement or measurement of novel parameters such as a pressure in the battery cells can be of importance.
  • Sensor housing for a sensor element for detecting at least one physical property of an energy storage cell, a sensor, a
  • a sensor housing for a sensor element for detecting at least one physical property of an energy storage cell in particular a sensor housing with a housing design for sensors, such as pressure sensors, gas sensors or microphones that require media access, has the following features: a housing element with a recess for receiving the sensor element; a film disposed on the housing member to cover the recess; an adhesive layer disposed between the housing member and a film edge of the film to secure the film edge to the housing member; and an electrolyte-impermeable protective layer, which is applied at least on a portion of the adhesive layer extending between the housing element and the film edge.
  • a sensor element can be understood as an electronic component which is designed to detect at least one physical property of an energy storage cell.
  • a physical property for example, a voltage, a temperature or a pressure within the energy storage cell can be understood.
  • For detecting the pressure can be arranged within an outer shell of the energy storage cell, a liquid-soaked role and inert gas. The pressure of the shielding gas is then measured.
  • An energy storage cell may be understood to mean an electrolyte-containing cell for providing electrical energy.
  • the energy storage cell may be a battery, that is to say a primary cell or a rechargeable secondary cell, or an accumulator. Under a housing member having a recess may be a
  • the shell-like element of the sensor housing are understood, in which the Sensor element can be arranged in front of the sensor element
  • the recess may be covered with an electrolyte-impermeable film to prevent, for example, penetration of a liquid electrolyte of the energy storage cell into the recess.
  • the film may be, for example, a
  • An adhesive layer can be understood as meaning a layer of an adhesive.
  • An electrolyte-impermeable protective layer may be applied to a portion of the adhesive layer to prevent penetration of the electrolyte by the adhesive layer.
  • a protective layer can be understood as meaning a layer of an electrolyte-impermeable material, such as aluminum, or of an electrolyte-impermeable combination of different materials.
  • the present approach is based on the finding that a sensor housing can be covered with an electrolyte-impermeable film.
  • Typical materials used for example for a pressure sensor and its packaging do not withstand the electrolyte for the required service life (experimental result).
  • the base material silicon, the metallizations, the bond between the sensor and the housing, polymides applied to protect the sensor and the gel applied as a pressure transducer are unstable. That it is necessary to perform a "media separation" to ensure on the one hand the function of the sensor and on the other hand the function of the energy storage cell. The cell chemistry can easily be poisoned if
  • the film may be glued to the sensor housing.
  • Sensor housing and the film electrolyte-tight can seal a
  • the foil may be made of an electrolyte-impermeable material. In this case, the
  • Protective layer may be arranged only in the edge region of the film. Alternatively, the protective layer may extend over the entire surface of the film. In this case, the film may also be made of an electrolyte-permeable material.
  • the portion of the adhesive layer may protrude beyond the edge of the film. This makes it possible to enlarge a surface of the subregion. Thus, that can
  • Applying the protective layer can be simplified to the sub-area.
  • the subregion of the adhesion layer can be formed into a bevel in order to produce a stepless transition between the housing element and the film edge.
  • air inclusions during application of the protective layer can be avoided, and in particular non-conforming deposition methods such as physical vapor deposition, chemical vapor deposition can be used.
  • the housing element may be made of a duroplastic.
  • a thermoset may be understood to mean a plastic which is curable but not meltable in heat.
  • the protective layer can be realized as a layer stack with at least two partial layers.
  • a layer stack can be understood as meaning a composite of several sub-layers.
  • a thickness of the protective layer can be adapted very flexibly to different environmental conditions.
  • the reason for a double-layer system may be that it can be leveled with the first part-layer and sealed with the second part-layer.
  • the two partial layers can be made of different materials.
  • the sensor housing can with at least one other
  • electrolyte-impermeable protective layer at least on the
  • the depression can be filled with a gel.
  • a gel a gelatinous mass can be understood.
  • the gel may be an insulating material.
  • the gel may be configured to mechanically couple the film to the sensor element.
  • the gel can act as a pressure transmitter.
  • an oil can be used as a pressure transmitter.
  • a corresponding sensor has the following features: a sensor housing according to one of the previously described
  • Embodiments and a sensor element for detecting at least one physical property of an energy storage cell, wherein the sensor element is arranged in the recess of the sensor housing.
  • the sensor element can be realized, for example, as a pressure sensor.
  • a pressure sensor can be understood as meaning a sensor for detecting a pressure of an external environment of the sensor. Such a pressure sensor can be used, for example, to detect a battery internal pressure with high reliability.
  • a failure rate of the sensor can be reduced to a minimum and the cell chemistry is not affected.
  • An energy storage system has the following features: at least one energy storage cell; and at least one sensor according to any of the ones described herein
  • the senor can be arranged so that the sensor has access to the internal pressure of the energy storage cell.
  • An energy storage system can be understood as a system for converting chemical energy into electrical energy.
  • the energy storage system may be configured to supply an electric motor of a motor vehicle with electrical energy.
  • an operating state of the energy storage cell can be monitored with great accuracy and reliability.
  • the present approach provides a method of manufacturing a sensor according to an embodiment described herein, the method comprising the steps of:
  • a housing member having a recess for receiving the sensor element and a film
  • evaluation electronics for example an ASIC
  • Fig. La is a schematic representation of a sensor according to a
  • FIG. 1b shows a detail of the representation of a sensor shown in FIG. 1a according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart of a method of manufacturing a sensor according to an embodiment of the present invention.
  • favorable embodiments of the present invention are the same or similar for the elements shown in the various figures and similar acting
  • the sensor 100 comprises a sensor housing 105.
  • the sensor housing 105 has a housing element 110 with a recess 115.
  • the housing element 110 is realized by way of example as a cuboid shell.
  • One of the bottom surface opposite opening of the recess 115 is through here
  • Sensor 100 thus comprises, in addition to sensor housing 105, one or more sensor elements 120 and possibly one or more sensor chips, which comprise, for example, evaluation electronics.
  • a joining region 130 marked with a circle between the film edge 127 and the housing element 110 is shown enlarged in a separate illustration in FIG. 1b.
  • FIG. 1b shows a detailed view of the joining area 130 from FIG. 1a according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Adhesive layer 135 formed from an adhesive. A facing away from the recess 115 portion 137 of the adhesive layer 135 is provided with a
  • the protective layer 140 also extends in the enlarged representation of the joining region 130 over a partial section of the housing element 110 and over a partial section of the foil 125.
  • a surface of the sensor 100 formed by the housing element 110 and the foil 125 can be completely separated from the surface
  • Protective layer 140 may be covered. By the protective layer 140 is the
  • the partial region 137 of the adhesive layer 135 projects beyond the film edge 127.
  • the portion 137 thus acts as an edge 137 extending along the film edge 127, which is sealed by the protective layer 140.
  • the protective layer 140 ensures the tightness and takes over the sealing function.
  • the adhesive fixes the film mechanically and is even in the best case resistant but not tight.
  • the edge 137 may be formed to provide a transition between the housing member 110 and the film edge 127. In Fig. Lb, the edge 137 is formed into a flat slope, which has a stepless transition between the
  • the sensor element 120 is realized in FIG. 1 by way of example as a pressure sensor.
  • the recess 115 is filled with a gel, which enables a mechanical coupling of the film 125 with the sensor element 120.
  • a pressure exerted on the film 125 from the outside for example an internal pressure of a battery cell, can be transmitted via the gel to the sensor element 120.
  • the environmental conditions within a battery cell are usually not suitable for traditional packaging materials such as molding compound, printed circuit board or PCB, adhesives or gels.
  • traditional packaging materials such as molding compound, printed circuit board or PCB, adhesives or gels.
  • an electrolyte-tight and resistant housing 110 is used whose media access, i. H. whose open side is protected by a foil 125.
  • a connection between the electrolyte protective sheet 125 and the electrolyte-resistant and sealed sensor housing 110 is sealed electrolyte-tight.
  • a connection can be realized by welding.
  • the sensor housing may have a metal contact element, also called metal lead, which allows an electrical connection to an outside world of the housing.
  • a resulting metal-plastic compound can be fluidly sealed when using thermoplastics as housing material only with great effort.
  • thermoset plastic Since thermosets are not weldable, the connection between the cover film and housing is designed here as an adhesive bond.
  • a chemically resistant and electrolyte-tight sensor package 110 is made according to an embodiment of any thermosetting plastic and provided for a pressure measurement.
  • the protective layers 140 are made of suitable metals such as aluminum, copper or nickel or realized as a metal layer stack. Furthermore, the protective layers 140 are alternately coated with further layers, such as parylene or dielectrics, to suppress pin hole permeation.
  • the layers or layer stacks may be made by thin film coating techniques.
  • the protective layer 140 can either be applied over the entire surface of a sensor surface of the sensor 100 or selectively applied over the adhesive seam 137, with an overlap on thermosetting plastic and film 140. In this case, the influence of the protective layer 140 on a pressure measurement is reduced and, in principle, thicker layers 140 can be applied.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an energy storage system 200 according to an embodiment of the present invention.
  • Energy storage system 200 includes by way of example an energy storage cell 205.
  • the energy storage system 200 may also be embodied with two or more energy storage cells 205 connected to one another.
  • the energy storage system 200 may also be embodied with two or more energy storage cells 205 connected to one another.
  • Energy storage cell 205 is configured to provide electrical energy using an electrolyte in energy storage cell 205.
  • the energy storage cell 205 is embodied by way of example with two electrically conductive contact elements 210.
  • the senor 100 shown in FIG. 1 is arranged within a housing of the energy storage cell 205.
  • the sensor 100 may be configured to measure a battery internal pressure of the energy storage cell 205.
  • Sensor housing and a arranged in the sensor housing gel or oil transferred to the sensor element and detected by the sensor element. Due to the electrolyte-resistant sealing of the sensor housing is
  • the sensor element can for Power supply be connected for example via electrical lines with the electrically conductive contact elements 210.
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method 300 for producing a sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the sensor may be, for example, the sensor shown in FIG.
  • the method 300 includes a step 305 of providing a
  • Sensor element for detecting at least one physical property of an energy storage cell, a housing member having a recess for
  • the sensor element is arranged in the recess.
  • an adhesive layer is arranged on the housing element and / or on a film edge of the film.
  • the housing member or film may already be provided together with the adhesive layer, or the adhesive layer may be used as an additional
  • Adhesive layer member provided and disposed between the housing member and the film.
  • the film is attached to the
  • the method 300 includes a step 325 of applying a
  • the protective layer is applied at least on a portion of the adhesive layer extending between the housing element and the film edge of the film.
  • the electrolyte-impermeable protective layer is further applied, for example, over the edge of the film, over the entire film or to a region of the housing element adjoining the adhesive layer.
  • the method 300 includes the
  • an electrolyte-resistant and -tight foil 125 for example a
  • thermoset housing 110 plastic-coated aluminum foil, glued to a thermoset housing 110, wherein an adhesive seam 137 extends at a shallow angle. This will be a
  • Adhesive layer 135 applied at a shallow angle. Subsequently, one or more layers 140 of electrolyte-dense material are deposited by a coating process, such as a chemical
  • CVD Chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • the lOmbar limit is due to the gel boiling point and may therefore have a different value for other gels or oils.
  • the coating is not limited to thin-film process, but it can
  • spraying methods are also used.
  • multiple parylene and aluminum are applied.
  • As a coating only aluminum can be used or other multilayers to a penetration of the
  • a surface of the entire component 100 can be coated.
  • Resistant adhesive can be dispensed with. Due to the flat adhesive seam 137, a conformal deposition process is not necessarily required for the electrolyte-tight materials.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorgehäuse (105) für ein Sensorelement (120) zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle (205). Das Sensorgehäuse (105) umfasst ein Gehäuseelement (110) mit einer Vertiefung (115) zum Aufnehmen des Sensorelements (120), eine Folie (125), die an dem Gehäuseelement (110) angeordnet ist, um die Vertiefung (115) abzudecken, eine Haftschicht (135), die zwischen dem Gehäuseelement (110) und einem Folienrand (127) der Folie (125) angeordnet ist, um den Folienrand (127) an dem Gehäuseelement (110) zu befestigen, sowie schließlich eine elektrolytundurchlässige Schutzschicht (140), die zumindest auf einem sich zwischen dem Gehäuseelement (110) und dem Folienrand (127) erstreckenden Teilbereich (137) der Haftschicht (135) aufgebracht ist.

Description

Beschreibung Titel
Sensorgehäuse für ein Sensorelement zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle, Sensor,
Energiespeichersystem und Verfahren zum Herstellen eines solchen
Sensorgehäuses
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorgehäuse für ein
Sensorelement zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle, auf einen Sensor, auf ein Energiespeichersystem sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensorgehäuses.
Ein Betriebszustand von Batteriezellen für Elektrofahrzeuge, etwa von Lithium- Ionen- Batterien, kann gegenwärtig mittels extern angebrachter Sensoren überwacht werden. Hierbei kann beispielsweise eine Spannung oder eine Temperatur der Batteriezellen erfasst werden. Im Zuge der fortschreitenden Entwicklung von Batteriezellen kann eine genauere Messung oder eine Messung neuartiger Messgrößen wie beispielsweise eines Drucks in den Batteriezellen von Bedeutung sein.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein
Sensorgehäuse für ein Sensorelement zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle, ein Sensor, ein
Energiespeichersystem sowie schließlich ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensorgehäuses gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Sensorgehäuse für ein Sensorelement zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle, insbesondere ein Sensorgehäuse mit einem Gehäusedesign für Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, Gassensoren oder Mikrofone, die einen Medienzugang benötigen, weist die folgenden Merkmale auf: ein Gehäuseelement mit einer Vertiefung zum Aufnehmen des Sensorelements; eine Folie, die an dem Gehäuseelement angeordnet ist, um die Vertiefung abzudecken; eine Haftschicht, die zwischen dem Gehäuseelement und einem Folienrand der Folie angeordnet ist, um den Folienrand an dem Gehäuseelement zu befestigen; und eine elektrolytundurchlässige Schutzschicht, die zumindest auf einem sich zwischen dem Gehäuseelement und dem Folienrand erstreckenden Teilbereich der Haftschicht aufgebracht ist.
Unter einem Sensorelement kann ein elektronisches Bauelement verstanden werden, das ausgebildet ist, um zumindest eine physikalische Eigenschaft einer Energiespeicherzelle zu erfassen. Unter einer physikalischen Eigenschaft kann beispielsweise eine Spannung, eine Temperatur oder ein Druck innerhalb der Energiespeicherzelle verstanden werden. Zum Erfassen des Drucks kann innerhalb einer Außenhülle der Energiespeicherzelle eine mit Flüssigkeit getränkte Rolle und Schutzgas angeordnet sein. Gemessen wird dann der Druck des Schutzgases. Unter einer Energiespeicherzelle kann eine ein Elektrolyt enthaltende Zelle zum Bereitstellen elektrischer Energie verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei der Energiespeicherzelle um eine Batterie, also eine Primärzelle oder eine wiederaufladbare Sekundärzelle, auch Akkumulator handeln. Unter einem Gehäuseelement mit einer Vertiefung kann ein
schalenartiges Element des Sensorgehäuses verstanden werden, in dem das Sensorelement angeordnet werden kann, um das Sensorelement vor
Umwelteinflüssen oder mechanischen Belastungen zu schützen. Die Vertiefung kann mit einer elektrolytundurchlässigen Folie abgedeckt sein, um beispielsweise ein Eindringen eines flüssigen Elektrolyts der Energiespeicherzelle in die Vertiefung zu verhindern. Bei der Folie kann es sich beispielsweise um eine
Metallfolie oder eine Verbundfolie mit einer Metallschicht und einer
Kunststoffschicht handeln. Unter einer Haftschicht kann eine Schicht aus einem Klebstoff verstanden werden. Auf einem Teilbereich der Haftschicht kann eine elektrolytundurchlässige Schutzschicht aufgebracht sein, um ein Eindringen des Elektrolyts durch die Haftschicht zu verhindern. Unter einer Schutzschicht kann eine Schicht aus einem elektrolytundurchlässigen Material wie etwa Aluminium oder aus einer elektrolytundurchlässigen Kombination verschiedener Materialien verstanden werden.
Der vorliegende Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Sensorgehäuse mit einer elektrolytundurchlässigen Folie abgedeckt sein kann. Typische, beispielsweise für einen Drucksensor und seine Verpackung verwendete Materialien halten dem Elektrolyten nicht für die geforderte Lebensdauer stand (experimentelles Ergebnis). Das Grundmaterial Silizium, die Metallisierungen, die Klebung zwischen Sensor und Gehäuse, zum Schutz des Sensors aufgebrachte Polymide und das als Druckübertrager aufgebrachte Gel sind unbeständig. D.h. es ist erforderlich, eine„Medientrennung" durchzuführen, um einerseits die Funktion des Sensors zu gewährleisten und andererseits die Funktion der Energiespeicherzelle. Die Zellchemie kann leicht vergiftet werden, wenn
Sensormaterialien angelöst werden. Beispielsweise kann die Folie hierbei mit dem Sensorgehäuse verklebt sein. Um eine Klebefläche zwischen dem
Sensorgehäuse und der Folie elektrolytdicht zu versiegeln, kann eine
Außenkante der Klebefläche, also ein nicht von der Folie bedeckter Teil der Klebefläche, mit einer elektrolytundurchlässigen Schutzschicht überzogen sein.
Dies bietet den Vorteil, dass auf die Verwendung eines speziellen
elektrolytfesten, d.h. gegen die Inhaltsstoffe des Elektrolyts beständig und dichten Klebstoffs, der gegenwärtig nicht verfügbar ist, verzichtet werden kann. Dadurch können die Herstellungskosten des Sensorgehäuses besonders niedrig gehalten werden. Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann die Folie aus einem elektrolytundurchlässigen Material sein. In diesem Fall kann die
Schutzschicht lediglich im Randbereich der Folie angeordnet sein. Alternativ kann sich die Schutzschicht über die gesamte Oberfläche der Folie erstrecken. In diesem Fall kann die Folie auch aus einem elektrolytdurchlässigen Material gefertigt sein.
Der Teilbereich der Haftschicht kann über den Folienrand hinausragen. Dadurch lässt sich eine Oberfläche des Teilbereichs vergrößern. Somit kann das
Aufbringen der Schutzschicht auf den Teilbereich vereinfacht werden.
Des Weiteren kann der Teilbereich der Haftschicht zu einer Schräge ausgeformt sein, um einen stufenlosen Übergang zwischen dem Gehäuseelement und dem Folienrand herzustellen. Dadurch können unter Umständen Lufteinschlüsse beim Aufbringen der Schutzschicht vermieden werden, und insbesondere nicht konforme Abscheideverfahren wie Physikalische Gasphasenabscheidung, Chemische Gasphasenabscheidung genutzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuseelement aus einem Duroplast gefertigt sein. Unter einem Duroplast kann ein in Hitze härtbarer, aber nicht schmelzbarer Kunststoff verstanden werden. Durch die Verwendung eines Duroplasts als Gehäusematerial kann mit geringem Kostenaufwand ein elektrolyt- oder fluiddichtes Gehäuseelement realisiert werden.
Die Schutzschicht kann als ein Schichtstapel mit zumindest zwei Teilschichten realisiert sein. Unter einem Schichtstapel kann ein Verbund aus mehreren Teilschichten verstanden werden. Somit kann eine Dicke der Schutzschicht sehr flexibel an unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst werden.
Der Grund für ein Doppelschichtsystem kann darin bestehen, dass mit der ersten Teilschicht eingeebnet und mit der zweiten Teilschicht abgedichtet werden kann. Dabei können die zwei Teilschichten aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Beispielsweise können die erste Teilschicht aus einem Metall und die zweite Teilschicht aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polymer, gefertigt sein.
Das Sensorgehäuse kann mit zumindest einer weiteren
elektrolytundurchlässigen Schutzschicht vorgesehen sein, die zumindest auf den
Teilbereich der Haftschicht aufgebracht ist. Durch diese Ausführungsform ist eine Dichtheit des Teilbereichs gegen Elektrolyte über einen langen Zeitraum hinweg gewährleistet. Ferner kann die Vertiefung mit einem Gel verfüllt sein. Unter einem Gel kann eine gallertartige Masse verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Gel um ein isolierendes Material handeln. Vorteilhafterweise kann das Gel ausgebildet sein, um die Folie mit dem Sensorelement mechanisch zu koppeln. Somit kann das Gel als Druckmittler fungieren. Alternativ kann auch ein Öl als Druckübertrager eingesetzt werden.
Ein entsprechender Sensor weist die folgenden Merkmale auf: ein Sensorgehäuse gemäß einer der vorangehend beschriebenen
Ausführungsformen; und ein Sensorelement zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle, wobei das Sensorelement in der Vertiefung des Sensorgehäuses angeordnet ist.
Hierbei kann das Sensorelement beispielsweise als Drucksensor realisiert sein. Unter einem Drucksensor kann ein Sensor zum Erfassen eines Drucks einer Außenumgebung des Sensors verstanden werden. Ein solcher Drucksensor kann beispielsweise verwendet werden, um einen Batterieinnendruck mit hoher Zuverlässigkeit zu erfassen. Durch eine elektrolytdichte Versiegelung des
Drucksensors kann eine Ausfallrate des Sensors auf ein Minimum reduziert werden und die Zellchemie wird nicht beeinträchtigt.
Ein Energiespeichersystem weist die folgenden Merkmale auf: zumindest eine Energiespeicherzelle; und zumindest einen Sensor gemäß einer der hier beschriebenen
Ausführungsformen, wobei der Sensor in und/oder an der Energiespeicherzelle angeordnet ist, um zumindest eine physikalische Eigenschaft der
Energiespeicherzelle zu erfassen.
Dabei kann der Sensor so angeordnet sein, dass der Sensor Zugang zum Innendruck der Energiespeicherzelle hat.
Unter einem Energiespeichersystem kann ein System zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie verstanden werden. Beispielsweise kann das Energiespeichersystem ausgebildet sein, um einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Mittels des Sensors kann ein Betriebszustand der Energiespeicherzelle mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit überwacht werden.
Schließlich schafft der vorliegende Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Sensorelements zum Erfassen zumindest einer
physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle, eines Gehäuseelements mit einer Vertiefung zum Aufnehmen des Sensorelements und einer Folie;
Anordnen des Sensorelements in der Vertiefung und gegebenenfalls Anordnen einer Auswerteelektronik, beispielsweise eines ASICs, in der Vertiefung, falls die Auswerteelektronik nicht beispielsweise in einem das Sensorelement bildenden Drucksensorchip integriert ist;
Anordnen der Folie an dem Gehäuseelement, um die Vertiefung abzudecken, wobei eine Haftschicht zwischen dem Gehäuseelement und einem Folienrand der Folie angeordnet wird, um den Folienrand an dem Gehäuseelement zu befestigen; und Aufbringen einer elektrolytundurchlässigen Schutzschicht zumindest auf einem sich zwischen dem Gehäuseelement und dem Folienrand erstreckenden Teilbereich der Haftschicht. Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. la eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. lb ein Ausschnitt aus der in Fig. la gezeigten Darstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. la zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 umfasst ein Sensorgehäuse 105. Das Sensorgehäuse 105 weist ein Gehäuseelement 110 mit einer Vertiefung 115 auf. Das Gehäuseelement 110 ist beispielhaft als eine quaderförmige Schale realisiert. Auf einer Bodenfläche der Vertiefung 115 sind ein Sensorelement 120 und ein Element 122 angeordnet. Eine der Bodenfläche gegenüberliegende Öffnung der Vertiefung 115 ist durch eine hier
elektrolytundurchlässige Folie 125 abgedeckt. Hierbei ist ein Folienrand 127 der Folie 125 an dem Gehäuseelement 110 befestigt. Die Folie 125 kann beispielsweise als eine beschichtete Aluminiumfolie ausgeführt sein. Der Begriff Sensor 100 umfasst somit neben dem Sensorgehäuse 105, ein oder mehrere Sensorelemente 120 und gegebenenfalls einen oder mehrere Sensorchips, die beispielsweise eine Auswerteelektronik umfassen.
Ein mit einem Kreis markierter Fügebereich 130 zwischen dem Folienrand 127 und dem Gehäuseelement 110 ist in einer separaten Abbildung in Fig. lb vergrößert dargestellt.
Fig. lb zeigt eine Detailansicht des Fügebereichs 130 aus Fig. la gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Zwischen dem Gehäuseelement 110 und dem Folienrand 127 ist eine
Haftschicht 135 aus einem Klebstoff ausgebildet. Ein von der Vertiefung 115 abgewandter Teilbereich 137 der Haftschicht 135 ist mit einer
elektrolytundurchlässigen Schutzschicht 140 überzogen. Die Schutzschicht 140 erstreckt sich in der vergrößerten Darstellung des Fügebereichs 130 ferner über einen Teilabschnitt des Gehäuseelements 110 sowie über einen Teilabschnitt der Folie 125. Beispielsweise kann eine durch das Gehäuseelement 110 und die Folie 125 gebildete Oberfläche des Sensors 100 vollständig von der
Schutzschicht 140 abgedeckt sein. Durch die Schutzschicht 140 ist die
Vertiefung 115 elektrolytdicht versiegelt.
Gemäß dem in Fig. lb gezeigten Ausführungsbeispiel ragt der Teilbereich 137 der Haftschicht 135 über den Folienrand 127 hinaus. Der Teilbereich 137 fungiert somit als ein sich entlang des Folienrands 127 erstreckender Rand 137, der durch die Schutzschicht 140 versiegelt ist. Die Schutzschicht 140 gewährleistet die Dichtigkeit und übernimmt die Dichtfunktion. Der Kleber fixiert die Folie mechanisch und ist selbst im besten Fall beständig aber nicht dicht. Der Rand 137 kann ausgeformt sein, um einen Übergang zwischen dem Gehäuseelement 110 und dem Folienrand 127 herzustellen. In Fig. lb ist der Rand 137 zu einer ebenen Schräge geformt, die einen stufenlosen Übergang zwischen dem
Gehäuseelement 110 und dem Folienrand 127 herstellt. Der Rand 137 kann jedoch auch mit einer Rundung oder stufenartig ausgeführt sein. Das Sensorelement 120 ist in Fig. 1 beispielhaft als ein Drucksensor realisiert. Hierbei ist die Vertiefung 115 mit einem Gel verfüllt, das eine mechanische Kopplung der Folie 125 mit dem Sensorelement 120 ermöglicht. Somit kann ein von außen auf die Folie 125 ausgeübter Druck, beispielsweise ein Innendruck einer Batteriezelle, über das Gel auf das Sensorelement 120 übertragen werden.
Die Umweltbedingungen innerhalb einer Batteriezelle eignen sich meist nicht für klassische Verpackungsmaterialien wie Moldmasse, Leiterplatten (printed circuit board oder PCB), Klebstoffe oder Gele. Beispielsweise kann es beim Einbringen neuer Materialien in die Batteriezelle zu chemischen Reaktionen mit einem Elektrolyten kommen und somit eine Zellstabilität gefährdet werden.
Um dies zu verhindern, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein elektrolytdichtes und -beständiges Gehäuse 110 verwendet, dessen Medienzugang, d. h. dessen offene Seite, mit einer Folie 125 geschützt ist. Hierbei ist eine Verbindung zwischen der Elektrolytschutzfolie 125 und dem elektrolytbeständigen und -dichten Sensorgehäuse 110 elektrolytdicht versiegelt.
Bei einem herkömmlichen Sensorgehäuse aus einem Thermoplast und einer Folie aus einem kompatiblen Thermoplast kann eine solche Verbindung durch Schweißen realisiert sein. Das Sensorgehäuse kann jedoch ein metallisches Kontaktelement, auch Metalllead genannt, aufweisen, das eine elektrische Verbindung zu einer Außenwelt des Gehäuses ermöglicht. Eine dadurch entstehende Metall- Kunststoff- Verbindung kann beim Einsatz von Thermoplasten als Gehäusematerial nur mit großem Aufwand fluidisch abgedichtet werden.
Eine solche fluidisch dichte Verbindung zwischen Metalllead und Kunststoff kann durch die Verwendung eines Duroplasts als Kunststoff erzielt werden. Da Duroplaste nicht schweißbar sind, ist die Verbindung zwischen Abdeckfolie und Gehäuse hierbei als Klebeverbindung ausgeführt.
Eine chemisch beständige und gegen Elektrolyt dichte Sensorverpackung 110 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einem beliebigen Duroplast gefertigt und für eine Druckmessung vorgesehen. Hierbei sind Klebenähte 137 und eventuell eine Membran 125 mit
Schutzschichten 140 beschichtet.
Die Schutzschichten 140 sind aus geeigneten Metallen wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Nickel gefertigt oder auch als Metallschichtstapel realisiert. Ferner sind die Schutzschichten 140 abwechselnd mit weiteren Schichten, etwa Parylen oder Dielektrika, aufgetragen, um eine Permeation durch Pin Holes zu unterdrücken. Die Schichten oder Schichtstapel können durch Dünnschichtbeschichtungsverfahren hergestellt sein.
Die Schutzschicht 140 kann entweder vollflächig auf einer Sensoroberfläche des Sensors 100 aufgebracht sein oder selektiv über der Klebenaht 137, mit einem Überlapp auf Duroplast und Folie 140, aufgebracht sein. In diesem Fall ist der Einfluss der Schutzschicht 140 auf eine Druckmessung verringert und es können prinzipiell dickere Schichten 140 aufgetragen werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das
Energiespeichersystem 200 umfasst beispielhaft eine Energiespeicherzelle 205. Das Energiespeichersystem 200 kann auch mit zwei oder mehreren miteinander verschalteten Energiespeicherzellen 205 ausgeführt sein. Die
Energiespeicherzelle 205 ist ausgebildet, um unter Verwendung eines in der Energiespeicherzelle 205 befindlichen Elektrolyts eine elektrische Energie bereitzustellen. Hierzu ist die Energiespeicherzelle 205 beispielhaft mit zwei elektrisch leitfähigen Kontaktelementen 210 ausgeführt.
Beispielhaft ist innerhalb eines Gehäuses der Energiespeicherzelle 205 der in Fig. 1 gezeigte Sensor 100 angeordnet. Der Sensor 100 kann ausgebildet sein, um einen Batterieinnendruck der Energiespeicherzelle 205 zu messen. Dazu kann der Batterieinnendruck über die elektrolytundurchlässige Folie des
Sensorgehäuses und einem in dem Sensorgehäuse angeordneten Gel oder Öl auf das Sensorelement übertragen und von dem Sensorelement erfasst werden. Aufgrund der elektrolytfesten Abdichtung des Sensorgehäuses ist das
Sensorelement vor Beschädigungen durch den Elektrolyt der
Energiespeicherzelle 205 geschützt. Das Sensorelement kann zur Energieversorgung beispielsweise über elektrische Leitungen mit den elektrisch leitfähigen Kontaktelementen 210 verbunden sein.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um den in Fig. 1 gezeigten Sensor handeln.
Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 305 des Bereitstellens eines
Sensorelements zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle, eines Gehäuseelements mit einer Vertiefung zum
Aufnehmen des Sensorelements und einer elektrolytundurchlässigen Folie. In einem Schritt 310 wird das Sensorelement in der Vertiefung angeordnet. In einem weiteren Schritt 315 wird eine Haftschicht an dem Gehäuseelement und/oder an einem Folienrand der Folie angeordnet. Alternativ können das Gehäuseelement oder die Folie bereits zusammen mit der Haftschicht bereitgestellt werden, oder die Haftschicht kann als ein zusätzliches
Haftschichtelement bereitgestellt und zwischen dem Gehäuseelement und der Folie angeordnet werden. In einem Schritt 320 wird die Folie an dem
Gehäuseelement angeordnet, um die Vertiefung abzudecken. Dabei befindet sich die Haftschicht zwischen dem Gehäuseelement und einem Folienrand der Folie, um den Folienrand an dem Gehäuseelement zu befestigen. Schließlich umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 325 des Aufbringens einer
elektrolytundurchlässigen Schutzschicht. Die Schutzschicht wird zumindest auf einem sich zwischen dem Gehäuseelement und dem Folienrand der Folie erstreckenden Teilbereich der Haftschicht aufgebracht. Je nach Ausführungsform wird die elektrolytundurchlässige Schutzschicht ferner beispielsweise über den Folienrand, über die gesamte Folie oder einen an die Haftschicht anschließenden Bereich des Gehäuseelements aufgebracht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 300 dabei die
Unterschritte des Kleber Dispensen, des Setzens des Sensorelements auf den Kleber, des Aushärtens des Klebers, des Herstellens einer elektrischen
Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse, des Vergelens, Aushärtens des Gels, des Dispensens des Klebers auf dem Gehäuserand, des Aufbringens der Folie, des Aushärtens und des Versehens mit der Schutzschicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine elektrolytbeständige und -dichte Folie 125, beispielsweise eine
kunststoffbeschichtete Aluminiumfolie, mit einem Duroplastgehäuse 110 verklebt, wobei eine Klebenaht 137 in einem flachen Winkel verläuft. Hierzu wird eine
Klebstoffschicht 135 in einem flachen Winkel aufgebracht. Anschließend wird eine oder mehrere Schichten 140 mit elektrolytdichtem Material mithilfe eines Beschichtungsverfahrens, beispielsweise einer chemischen
Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, kurz CVD), einer physikalischen Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, kurz PVD) oder einer Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, kurz ALD) bei Drücken größer gleich lOmbar und Temperaturen unter 200 °C aufgebracht. Dabei rührt die lOmbar-Grenze vom Gel-Siedepunkt her und kann daher bei anderen Gelen, oder Ölen einen anderen Wert aufweisen. Die Beschichtung ist dabei nicht auf Dünnschichtverfahren beschränkt, sondern es können
beispielsweise auch Sprühverfahren angewendet werden. Beispielsweise kann zur Verringerung einer Wahrscheinlichkeit von Pin Holes, d. h. von Leerräumen in dünnen Schichten oder Kontaktlöchern, mehrfach Parylen und Aluminium aufgebracht werden. Als Beschichtung kann auch nur Aluminium eingesetzt werden oder andere Mehrfachschichten, um eine Durchdringung der
Metallschichten durch Pin Holes zu erschweren. Hierbei kann eine Oberfläche des gesamten Bauteils 100 beschichtet werden.
Mittels einer derart hergestellten Sensorverpackung kann eine Fügedichtigkeit zwischen der Schutzfolie 125 und dem Sensorgehäuse 110 gewährleistet werden. Ferner kann auf die Entwicklung eines elektrolytdichten und
-beständigen Klebers verzichtet werden. Aufgrund der flachen Klebenaht 137 ist ein konformes Abscheideverfahren für die elektrolytdichten Materialien nicht unbedingt erforderlich.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Sensorgehäuse (105) für ein Sensorelement (120) zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle (205), wobei das Sensorgehäuse (105) folgende Merkmale aufweist: ein Gehäuseelement (110) mit einer Vertiefung (115) zum Aufnehmen des Sensorelements (120); eine Folie (125), die an dem Gehäuseelement (110) angeordnet ist, um die Vertiefung (115) abzudecken; eine Haftschicht (135), die zwischen dem Gehäuseelement (110) und einem Folienrand (127) der Folie (125) angeordnet ist, um den
Folienrand (127) an dem Gehäuseelement (110) zu befestigen; und eine elektrolytundurchlässige Schutzschicht (140), die zumindest auf einem sich zwischen dem Gehäuseelement (110) und dem Folienrand (127) erstreckenden Teilbereich (137) der Haftschicht (135) aufgebracht ist.
Sensorgehäuse (105) gemäß Anspruch 1, bei dem die Folie (125) als eine elektrolytundurchlässige Folie ausgeführt ist.
Sensorgehäuse (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Teilbereich (137) der Haftschicht (135) über den Folienrand (127) hinausragt.
Sensorgehäuse (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Teilbereich (137) der Haftschicht (135) zu einer Schräge ausgeformt ist, um einen stufenlosen Übergang zwischen dem
Gehäuseelement (110) und dem Folienrand (127) herzustellen. Sensorgehäuse (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Gehäuseelement (110) aus einem Duroplast gefertigt ist.
Sensorgehäuse (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Schutzschicht (140) als ein Schichtstapel mit zumindest zwei Teilschichten realisiert ist.
Sensorgehäuse (105) gemäß Anspruch 6, bei dem die zwei
Teilschichten aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
Sensorgehäuse (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer weiteren elektrolytundurchlässigen Schutzschicht, die zumindest auf den Teilbereich (137) der Haftschicht (135) aufgebracht ist.
Sensorgehäuse (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Vertiefung (115) mit einem Gel oder Öl verfüllt ist.
Sensor (100) mit folgenden Merkmalen: einem Sensorgehäuse (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und einem Sensorelement (120) zum Erfassen zumindest einer
physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle (205), wobei das Sensorelement (120) in einer Vertiefung (115) des Sensorgehäuses (105) angeordnet ist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 10, bei dem das Sensorelement (120) als ein Drucksensor realisiert ist.
Energiespeichersystem (200) mit folgenden Merkmalen: zumindest einer Energiespeicherzelle (205); und zumindest einem Sensor (100) gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der Sensor (100) in und/oder an der Energiespeicherzelle (205) angeordnet ist, um zumindest eine physikalische Eigenschaft der
Energiespeicherzelle (205) zu erfassen.
Verfahren (300) zum Herstellen eines Sensors (100) gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das Verfahren (300) folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen (305) eines Sensorelements (120) zum Erfassen zumindest einer physikalischen Eigenschaft einer Energiespeicherzelle (205), eines Gehäuseelements (110) mit einer Vertiefung (115) zum Aufnehmen des Sensorelements (120) und einer Folie (125);
Anordnen (310) des Sensorelements (120) in der Vertiefung (115);
Anordnen (320) der Folie (125) an dem Gehäuseelement (110), um die Vertiefung (115) abzudecken, wobei eine Haftschicht (135) zwischen dem Gehäuseelement (110) und einem Folienrand (127) der Folie (125) angeordnet ist, um den Folienrand (127) an dem Gehäuseelement (110) zu befestigen; und
Aufbringen (325) einer elektrolytundurchlässigen Schutzschicht (140) zumindest auf einem sich zwischen dem Gehäuseelement (110) und dem Folienrand (127) erstreckenden Teilbereich (137) der Haftschicht (135).
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