DE10214368B4

DE10214368B4 - Energiespeichermodul und dessen Verwendung für ein Elektrogerät

Info

Publication number: DE10214368B4
Application number: DE10214368A
Authority: DE
Inventors: Stefan Roepke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-03-30
Filing date: 2002-03-30
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2022-03-31
Also published as: CN1449071A; US20030223474A1; DE10214368A1; JP2003307457A; GB0307241D0; US6984065B2; CN100472877C; GB2387232A; GB2387232B

Abstract

Energiespeichermodul mit mindestens einer Akku-Zelle (10) und einer Meßanordnung zur Messung der Temperatur der Akku-Zelle (10), mit einem Trägerelement (14) für eine elektrische Schaltung und einem mit der Akku-Zelle (10) thermisch verbundenen Temperatursensor (12), wobei der Temperatursensor (12) an dem Trägerelement (14) angebracht ist und der Temperatursensor (12) gegenüber dem Trägerelement (14) thermisch isoliert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul mit mindestens einer Akku-Zelle und einer Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Elektrogerät mit einem solchen Energiespeichermodul gemäß Anspruch 10.
Es ist bekannt, zur Messung der Temperatur einer ein Meßobjekt darstellenden Akku-Zelle einen Temperatursensor einzusetzen, wie beispielsweise einen sogenannten NTC-Widerstand (Negative Temperature Coefficient). Der Temperatursensor ist hierbei mittels eines beispielsweise aus Aluminium bestehenden, wärmeleitfähigen Klebebands an einer Akku-Zelle befestigt, wobei die Akku-Zelle zuvor von ihrer Papierisolation befreit wurde, um einen möglichst guten Wärmeübergang von der Akku-Zelle auf den Temperatursensor zu erreichen. Hierbei ist der Temperatursensor über ein Kabel mit einer elektrischen Auswertungsschaltung verbunden, die üblicherweise auf einer Platine als Trägerelement angeordnet ist.

Des Weiteren ist aus DE 41 23 361 eine Messanordnung zur Messung der Temperatur einer Akkumulatorbatterie mit einem Meßobjekt, einem Trägerelement für eine elektrische Schaltung und einem mit dem Meßobjekt thermisch verbundenen Temperatursensor, welcher an dem Trägerelement angebracht ist, bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der Temperaturmessung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, den Temperatursensor direkt an dem Trägerelement anzubringen, so daß vorteilhaft auf eine Kabelverbindung zwischen dem Temperatursensor und dem Trägerelement verzichtet werden kann.

Hierbei ist der Temperatursensor thermisch mit der Akku-Zelle verbunden, um einen guten Wärmeübergang von der Akku-Zelle auf den Temperatursensor zu bewirken. Unter einem Temperatursensor sollen alle Bauteile verstanden werden, mittels denen auf eine Temperatur geschlossen werden kann.

Vorzugsweise ist der Temperatursensor gegenüber dem Trägerelement, wie beispielsweise der Platine einer elektronischen Schaltung, thermisch isoliert, damit die Temperaturmessung nicht durch die im Betrieb oftmals auftretende Erwärmung des Trägerelements verfälscht wird. Die thermische Isolation kann beispielsweise durch einen Luftspalt zwischen dem Temperatursensor und dem Trägerelement erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, zwischen dem Temperatursensor und dem Trägerelement ein separates Isolationselement anzuordnen, das aus einem thermisch isolierenden Material besteht. Beispielsweise kann das Isolationselement aus Schaumstoff, Papier, Pappe, Kunststoff oder Gummi bestehen, jedoch sind auch andere Materialien möglich, die eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen.

In einer Variante der Erfindung erfolgt die thermische Anbindung des Temperatursensors an die Akku-Zelle dadurch, daß der Temperatursensor die Akku-Zelle direkt berührt.

Gemäß einer anderen Variante der Erfindung ist dagegen zur thermischen Anbindung des Temperatursensors an die Akku-Zelle ein separates Wärmeleitelement vorgesehen, das einerseits den Temperatursensor und andererseits die Akku-Zelle berührt. Dies bietet den Vorteil, daß auch ein konstruktionsbedingter Abstand zwischen dem Temperatursensor und der Akku-Zelle überbrückt werden kann.

Vorzugsweise ist das Wärmeleitelement nachgiebig oder elastisch. Dies bietet zum einen den Vorteil, daß sich das Wärmeleitelement an fertigungsbedingte Toleranzen des Abstan des zwischen dem Temperatursensor und der Akku-Zelle anpassen kann. Zum anderen ermöglicht die Nachgiebigkeit des Wärmeleitelements einen innigen Flächenkontakt mit dem Temperatursensor bzw. mit der Akku-Zelle, wodurch der Wärmeübergangswiderstand verringert und die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Beispielsweise kann das Wärmeleitelement aus Gummi, Kunststoff, Klebstoff, Schaumstoff oder Kombinationen dieser Materialien bestehen, jedoch sind auch andere Materialzusammensetzungen des Wärmeleitelements möglich.

Gemäß einer Variante der Erfindung besteht das Wärmeleitelement aus einem elektrisch isolierenden Material. Dies bietet zum einen den Vorteil, daß unerwünschte Kriechströme über das Wärmeleitelement verhindert werden. Zum anderen wird auf diese Weise sichergestellt, daß das Wärmeleitelement bei einer Lösung seiner Befestigung keinen elektrischen Kurzschluß verursacht.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß das Wärmeleitelement durch eine Klebeverbindung mit dem Temperatursensor und/oder der Akku-Zelle verbunden ist, wobei vorzugsweise ein wärmeleitfähiger Klebstoff verwendet wird. Diese Befestigungsart bietet den Vorteil eines innigen Wärmekontakts zwischen dem Wärmeleitelement und dem Temperatursensor bzw. der Akku-Zelle. Zum anderen ermöglicht eine Klebeverbindung neben der thermischen Anbindung gleichzeitig auch eine mechanische Befestigung des Wärmeleitelements, so daß auf ein separates Befestigungselement für das Wärmeleitelement verzichtet werden kann.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Form des Wärmeleitelements an seiner dem Temperatursensor zugewandten Seite an die Form des Temperatursensors angepaßt ist. In gleicher Weise kann auch die Form des Wärmeleitelements an seiner der Akku-Zelle zugewandten Seite an die Form der Akku-Zelle angepaßt sein. Eine derartige Formanpassung erfolgt vorzugsweise so, daß die effektive Kontaktfläche zwischen dem Wärmeleitelement und dem Temperatursensor bzw. der Akku-Zelle vergrößert wird, was zu einem guten Wärmeübergang beiträgt und damit die Meßgenauigkeit erhöht.

Der Wärmeübergang kann noch dadurch verbessert werden, daß das Wärmeleitelement eine Aufnahme für den Temperatursensor aufweist, wobei die Aufnahme vorzugsweise eine Innenform aufweist, die an die Außenform des Temperatursensors angepaßt ist. Vorzugsweise nimmt die Aufnahme den Temperatursensor hierbei paßgenau auf, um einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Wärmeleitelement und dem Temperatursensor zu erreichen.

In einer Variante der Erfindung ist zur Verbesserung des Wärmeübergangs zusätzlich vorgesehen, daß der Temperatursensor, das Wärmeleitelement und/oder die Akku-Zelle an den Kontaktflächen mit Wärmeleitpaste bestrichen ist.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Isolationselement plattenförmig bzw. flach ist und einfach zwischen dem Temperatursensor und dem Trägerelement eingelegt wird. Vorzugsweise weist das Isolationselement hierbei Durchführungen für Leiterbeine des Temperatursensors auf, so daß das Isolationselement durch die Leiterbeine des Temperatursensors auch mechanisch fixiert wird.

Der hier verwendete Begriff eines Wärmeleitelements ist allgemein zu verstehen und umfaßt alle Bauteile, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Vorzugsweise besteht das Wärmeleitelement jedoch aus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Luft, Kunststoff, dem Material des Trägerelements, dem Material des Temperatursensors und/oder dem Material der Zelle selbst.

Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Energiespeichermodul, wie beispielsweise ein Akku-Pack, mit einer erfindungsgemäßen Meßanordnung.

Schließlich umfaßt die Erfindung auch ein Elektrogerät mit einem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Meßanordnung in Handbohrmaschinen, Ortungsgeräten, elektrischen Schleifgeräten, elektrisch betriebenen Handsägen, Akku-Schraubern und ähnlichen Geräten eingesetzt werden, um die Temperatur der Akku-Zellen zu messen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßanordnung zur Erfassung der Temperatur einer Akku-Zelle,
2a ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung sowie
2b das Wärmeleitelement der in 2a dargestellten Meßanordnung sowie
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung.
Die 1 und 3 betreffen keine unter Anspruch 1 fallende Ausgestaltung.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 zeigt eine Meßanordnung zur Messung der Temperatur einer Zelle 10 eines Akku-Packs für eine Handbohrmaschine oder ein ähnliches Elektrogerät.
Hierzu weist die Meßanordnung einen Temperatursensor 12 in Form eines NTC-Widerstands (Negative Temperature Coefficient) auf, dessen elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist und damit durch eine Widerstandsmessung die Bestimmung der Temperatur ermöglicht.
Die eigentliche Messung erfolgt durch eine zur Vereinfachung nicht dargestellte herkömmliche Meßschaltung, die auf einer Platine 14 angeordnet ist.
Zur elektrischen Verbindung des Temperatursensors 12 mit der Meßschaltung weist der Temperatursensor 12 zwei Leiterbeine 16 auf, die durch entsprechende Lötaugen in der Platine 14 hindurchgesteckt sind, wobei die Leiterbeine 16 auf der dem Temperatursensor 12 abgewandten Seite der Platine 14 mit Leiterbahnen verlötet sind.
Die thermische Verbindung des Temperatursensors 12 mit der Zelle 10 erfolgt hierbei durch ein quaderförmiges Wärmeleitelement 18 aus einem gut wärmeleitfähigen Gummi. Das Wärmeleitelement 18 berührt hierbei auf der einen Seite flächig die Oberfläche der Zelle 10 und auf der anderen Seite flächig die Oberfläche des Temperatursensors 12, so daß das Wärmeleitelement 18 die von der Zelle 10 erzeugte Wärme an den Temperatursensor 12 abführt. Aufgrund des guten Wärmeüber gangs von der Zelle 10 über das Wärmeleitelement 18 auf den Temperatursensor 12 stimmen die Temperaturen der Zelle 10 und des Temperatursensors 12 nahezu vollständig überein, so daß der Meßfehler sehr klein ist.
Darüber hinaus ist das Wärmeleitelement 18 nachgiebig und elastisch, so daß sich die Außenkontur des Wärmeleitelements 18 gut an die Außenkontur der Zelle 10 und des Temperatursensors 12 anpaßt. Diese Formanpassung führt zu einer Vergrößerung der Kontaktflächen und damit zu einer Verringerung des Wärmeübergangswiderstands zwischen dem Wärmeleitelement 18 und der Zelle 10 bzw. dem Temperatursensor 12.
Neben dieser Verbesserung des Wärmeübergangs ermöglicht die Nachgiebigkeit des Wärmeleitelements 18 auch vorteilhaft einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen, die sich in einem unterschiedlichen Abstand zwischen der Zelle 10 und dem Temperatursensor 12 äußern.
Die 2a und 2b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, das weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so daß im folgenden für übereinstimmende Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung zu 1 verwiesen wird.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der konstruktiven Ausbildung eines Wärmeleitelements 18', das wie das Wärmeleitelement 18 in 1 den Temperatursensor 12 thermisch mit der Zelle 10 verbindet.
So ist die der Zelle 10 zugewandte Oberfläche 20 des Wärmeleitelements 18' bereits in dem in 2b dargestellten vormontierten Zustand konkav gekrümmt, wobei der Krümmungsradius der Oberfläche 20 des Wärmeleitelements 18' auf der der Zelle 10 zugewandten Seite gleich dem Krümmungsradius der Oberfläche der Zelle 10 ist. Dies bietet den Vorteil, daß die Kontaktfläche zwischen der Zelle 10 und dem Wärmeleitelement 18' vergrößert wird, was zu einem geringeren Wärmeübergangswiderstand und damit zu einer größeren Meßgenauigkeit führt.
Eine weitere Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß das Wärmeleitelement 18' auf der dem Temperatursensor 12 zugewandten Seite eine Aufnahme 22 für den Temperatursensor 12 aufweist. Die Aufnahme 22 besteht im wesentlichen aus einer halbkugelförmigen Vertiefung in dem Wärmeleitelement 18', wobei die Innenkontur der Aufnahme 22 an die Außenkontur des Temperatursensors 12 angepaßt ist, so daß der Temperatursensor 12 und das Wärmeleitelement 18 in einem innigen Wärmekontakt stehen.
Schließlich weist dieses Ausführungsbeispiel noch die Besonderheit auf, daß zwischen dem Temperatursensor 12 und der Platine 14 eine wärmeisolierende Platte 24 angeordnet ist, die weitgehend verhindert, daß die Temperaturmessung durch die von der Platine 14 ausgehende Wärme verfälscht wird. Die mechanische Fixierung der Platte 24 erfolgt hierbei durch die Leiterbeine 16 des Temperatursensors 12, indem die Leiterbeine 16 durch entsprechende Bohrungen in der Platte 24 hindurchgeführt werden.
3 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, das weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so daß im folgenden für übereinstimmende Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung zu 1 verwiesen wird.
Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht im Wesentlichen in einem andersartigen Wärmeleitelement 18'', das aus einem wärmeleitfähigen Klebstoff besteht.
Dies bietet zum einen den Vorteil, daß sich die Oberfläche des Wärmeleitelements 18'' auch kleinen Unebenheiten in der Oberfläche der Zelle 10 bzw. des Temperatursensors 12 anpaßt, wodurch die effektive Kontaktfläche vergrößert und der Wärmeübergang verbessert wird.
Zum anderen ermöglicht die thermische Verbindung durch einen Klebstoff auch eine Anpassung an unterschiedliche Abstände zwischen dem Temperatursensor 12 und der Zelle 10.

10: Zelle
12: Temperatursensor
14: Platine
16: Leiterbeine
18: Wärmeleitelement
18': Wärmeleitelement
18'': Wärmeleitelement
20: Oberfläche des Wärmeleitelements 18'
22: Aufnahme des Wärmeleitelements 18'
24: Platte

Claims

Energiespeichermodul mit mindestens einer Akku-Zelle (10) und einer Meßanordnung zur Messung der Temperatur der Akku-Zelle (10), mit einem Trägerelement (14) für eine elektrische Schaltung und einem mit der Akku-Zelle (10) thermisch verbundenen Temperatursensor (12), wobei der Temperatursensor (12) an dem Trägerelement (14) angebracht ist und der Temperatursensor (12) gegenüber dem Trägerelement (14) thermisch isoliert ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (12) die Akku-Zelle (10) berührt.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (12) über ein Wärmeleitelement (18, 18', 18'') thermisch mit der Akku-Zelle (10) verbunden ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (18, 18', 18'') nachgiebig und/oder elastisch ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (18, 18', 18'') aus Gummi, Kunststoff, Klebstoff oder Schaumstoff besteht.
Energiespeichermodul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (18, 18', 18'') aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
Energiespeichermodul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (18, 18', 18'') durch eine Klebeverbindung mit der Akku-Zelle (10) und/oder mit dem Temperatursensor (12) verbunden ist.
Energiespeichermodul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Wärmeleitelements (18, 18', 18'') an seiner dem Temperatursensor (12) zugewandten Seite an die Form des Temperatursensors (12) angepaßt ist und/oder daß die Form des Wärmeleitelements (18, 18', 18'') an seiner der Akku-Zelle (10) zugewandten Seite an die Form der Akku-Zelle (10) angepaßt ist.
Energiespeichermodul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (18, 18', 18'') auf seiner dem Temperatursensor (12) zugewandten Seite eine Aufnahme (22) für den Temperatursensor (12) aufweist.
Verwendung eines Energiespeichermoduls nach den Ansprüchen 1 bis 9 für ein Elektrogerät.