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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturfühler zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle, auf eine Batteriezelle sowie auf ein Verfahren zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle.
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Die Temperaturüberwachung von Batteriezellen in einem Batteriemodul oder Batteriepack ist für die Lebensdauer und den optimalen Betrieb und ebenso für die Sicherheitsüberwachung von Lithium-Ionen-Zellen eine wichtige Größe.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 20 2007 011 399 U1 ein Batterieüberwachungssystem mit einer, in die Batteriesäure einer Batteriezelle eintauchenden Sonde, die einen Temperatursensor aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Temperaturfühler zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle, eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Zur Temperaturüberwachung einer Batteriezelle können thermoelektrische Spannungen an einer Kontaktstelle mit der Batteriezelle genutzt werden. Dabei kann die Kontaktstelle integraler Bestandteil eines Temperaturfühlers sowie der Batteriezelle sein. Auf diese Weise kann die Temperatur der Batteriezelle unmittelbar und unverzögert erfasst werden. Der Temperaturfühler kann ein Thermoelement darstellen oder Teil eines Thermoelements sein. Die thermoelektrischen Spannungen an der Kontaktstelle können zusätzlich oder alternativ zur Temperaturüberwachung zur Batteriediagnose verwendet werden.
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Durch die Auswertung von thermoelektrischen Spannungen an der Kontaktstelle kann die Temperatur schnell und kostengünstig detektiert werden. Die Temperatur der Batteriezelle kann zur Zellüberwachung und Diagnose verwendet werden. Die notwendigen Messleitungen können leicht ohne Zusatzkomponenten angebracht werden, da die Zuleitung Teil des Temperaturfühlers selbst und somit beispielsweise Teil einer Messsonde selbst sein kann. Durch einen Temperaturfühler gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ist eine einfache und schnelle Applikation der Leitungen sowie eine schnelle Erfassung der Temperatur am Messort mit geringer Zeitverzögerung im Vergleich zu aufgeklebten Thermoelementen möglich. Somit ist es nicht erforderlich, Temperaturen direkt an der Batteriezelle über ein träges Ansprechverhalten aufweisende externe Temperatursensoren zu messen und einer Auswerteeinheit zuzuführen, wofür ein Anbringen von Temperatursensoren direkt an der Batteriezelle erforderlich wäre. Vorteilhafterweise zeigt ein Temperaturfühler, wie er nachfolgend näher beschrieben wird, ein sehr schnelles Ansprechverhalten auf.
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Ein Temperaturfühler zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle weist die folgenden Merkmale auf:
einen ersten elektrischen Leiter mit einem ersten Ende zum Verbinden des ersten Leiters mit einem Element der Batteriezelle und mit einem zweiten Ende zum Anschließen des ersten Leiters an einen ersten Eingang einer Messeinrichtung; und
einen zweiten elektrischen Leiter mit einem ersten Ende zum Verbinden des zweiten Leiters mit dem Element der Batteriezelle, und mit einem zweiten Ende zum Anschließen des zweiten Leiters an einen zweiten Eingang der Messeinrichtung, wobei der erste Leiter über das Element elektrisch leitfähig mit dem zweiten Leiter verbunden ist und zwischen dem zweiten Ende des ersten Leiters und dem zweiten Ende des zweiten Leiters eine die Temperatur repräsentierende und durch die Messeinrichtung erfassbare Spannung anliegt, wenn das erste Ende des ersten Leiters und das erste Ende des zweiten Leiters elektrisch leitfähig mit dem Element verbunden sind.
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Eine Batteriezelle kann ein elektrochemischer Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie in chemischer Form sein. Beispielsweise kann es sich bei der Lithium-Ionen-Zelle um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln. Mehrere Batteriezellen können zu einer Batterie zusammengeschlossen werden. In entsprechender Weise kann der Temperaturfühler auch zum Erfassen einer Temperatur einer Batterie eingesetzt werden. Aufgrund eines Innenwiderstands der Batteriezelle und/oder Prozesswärme von elektrochemischen Prozessen in der Batteriezelle kann die Batteriezelle eine Temperatur aufweisen, die von einer Umgebungstemperatur verschieden ist. Ein elektrischer Leiter des Temperaturfühlers kann beispielsweise ein metallischer Draht oder eine Leiterbahn sein. Der Leiter ist elektrisch leitfähig. Wenn zwischen zwei gegenüberliegenden Enden des elektrischen Leiters ein Temperaturgefälle besteht, bildet sich ein thermoelektrisches Spannungsgefälle in dem Leiter aus. Der erster Leiter kann an ein elektrisch leitfähiges Element der Batteriezelle angeschlossen werden. Das Element kann ein Bestandteil der Batteriezelle sein. Aufgrund einer Einbindung des Elements in die Batteriezelle kann das Element die Temperatur oder annähernd die im Inneren der Batteriezelle herrschende Temperatur aufweisen. Der zweiter Leiter kann ebenfalls an das Element angeschlossen werden, um einen offenen Stromkreis durch die Leiter und das Element zu bilden. Der Stromkreis kann durch die Messeinrichtung geschlossen werden. Die Messeinrichtung kann ausgebildet sein, um eine Spannungsmessung durchzuführen. Da das Element und die mit ihm verbundenen ersten Enden der Leiter auf einem gemeinsamen Spannungspotenzial liegen, können an den gegenüberliegenden zweiten Enden der Leiter unterschiedliche Spannungspotenziale durch die Messeinrichtung abgegriffen und ausgewertet werden. Die abgreifbaren Spannungspotenziale sind abhängig von dem Temperaturgefälle in den Leitern. Auf diese Weise kann aus dem von der Messeinrichtung abgegriffenen Spannungspotenzial auf die Temperatur der Batteriezelle geschlossen werden.
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Der erste und der zweite Leiter können auch als Sensorleitungen bezeichnet werden. Der erste und der zweite Leiter können direkt zu einer Auswerte-Elektronik führen, die nahe an der Batteriezelle platziert ist oder platziert werden kann. Die Auswerte-Elektronik kann auf einer Leiterplatte, einer Stanzgitter-Struktur oder einem Schaltungsträger angeordnet sein. Dabei ergeben sich Leitungslängen der beiden Leiter im Bereich von mehreren Millimetern oder von einem bis mehreren Zentimetern. Beispielsweise können Leitungslängen zwischen 20mm und 100mm realisiert werden. Die genannten Werte der Leitungslängen sind jedoch nur beispielhaft gewählt und können auch kürzer oder länger sein. Die Leitungslängen hängen insbesondere stark von den konstruktiven Randbedingungen ab.
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Der Temperaturfühler kann das Element der Batteriezelle aufweisen. Dabei können das erste Ende des ersten Leiters und das erste Ende des zweiten Leiters elektrisch leitfähig mit dem Element verbunden sein. Die ersten Enden der Leiter können fest mit dem Element verbunden sein. Beispielsweise können die ersten Enden an das Element gefügt, beispielsweise angeschweißt sein. Eine Schweißverbindung kann ohne Zusatzstoffe ausgeführt sein, beispielsweise mittels eines Laserschweißprozesses. Durch einen Verzicht auf Zusatzstoffe kann eine Anzahl von Materialien im Stromkreis verringert werden und eine verlässliche Aussage über die Temperatur der Batteriezelle erreicht werden.
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Das Element kann ein erstes leitfähiges Material sowie ein, von dem ersten Material unterschiedliches zweites leitfähiges Material aufweisen. Dabei kann das erste Ende des ersten Leiters mit dem ersten Material verbunden sein, und das erste Ende des zweiten Leiters kann mit dem zweiten Material verbunden sein. Die Materialien können unmittelbar leitend miteinander verbunden sein. Die Materialien können in einem Wärmestrom angeordnet sein, der eine thermoelektrische Spannung zwischen den Materialien verursachen kann. Die thermoelektrische Spannung kann über die Leiter abgegriffen werden. Die thermoelektrische Spannung kann in den Leitern verstärkt werden. Somit erfolgt ein Abgriff einer Thermospannung an einer art-ungleichen Verbindung. Vorteilhafterweise können die Leiter art-gleich ausgeführt sein, also beispielsweise aus dem gleichen Material bestehen.
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Das Element kann ein erstes elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Der zweite Leiter kann ein, von dem ersten Material unterschiedliches zweites elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Das erste Ende des ersten Leiters und das erste Ende des zweiten Leiters können mit dem ersten Material verbunden sein. Das Spannungspotenzial kann an einer Verbindungsstelle des ersten Materials und des zweiten Materials gleich sein. Das Spannungsgefälle kann in dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter unterschiedlich sein. An den zweiten Enden der Leiter können unterschiedliche Spannungspotenziale abgegriffen werden. Somit erfolgt ein Abgriff einer Thermospannung an einer artgleichen Verbindung über art-ungleiche Leiter. Dies ist vorteilhaft, wenn nur ein aus einem Material bestehendes Element der Batteriezelle zur Anbringung der Leiter zur Verfügung steht.
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Das erste elektrisch leitfähige Material und das zweite elektrisch leitfähige Material können unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen. Beispielsweise können die unterschiedlichen Materialien Aluminium und Kupfer sein. Dadurch kann mittels Standard-Materialien ein Thermoelement unmittelbar aus dem thermisch mit der Batteriezelle gekoppelten Element der Batteriezelle erzeugt werden.
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Das Element kann als ein elektrischer Batterieanschluss der Batteriezelle ausgeführt sein. Ein Batterieanschluss kann ein Pol der Batteriezelle sein. Der Batterieanschluss kann eine metallische Verbindung von einer Außenseite der Batteriezelle in ein Inneres der Batteriezelle sein. Der Batterieanschluss kann näherungsweise die gleiche Temperatur aufweisen, wie das Innere der Batteriezelle.
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Das Element kann als elektrisch leitfähiges Gehäuse der Batteriezelle ausgeführt sein. Ein Gehäuse der Batteriezelle kann auf einer Innenseite unmittelbar in Kontakt zu einem Speichermedium der Batteriezelle stehen. Auf einer Außenseite des Gehäuses kann unter Verwendung der beiden Leiter eine Temperatur erfasst werden, die unmittelbar mit einer Temperatur des Speichermediums korreliert.
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Das zweite Ende des ersten Leiters und alternativ oder ergänzend das zweite Ende des zweiten Leiters kann thermisch von der Batteriezelle entkoppelt sein.
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Die zweiten Enden können so angeordnet sein, dass sie ein anderes Temperaturniveau aufweisen, als die Batteriezelle. Die zweiten Enden können beispielsweise an einer Wärmesenke angeordnet sein, um eine große Temperaturdifferenz in den Leitern zu ermöglichen.
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Der Temperaturfühler kann die Messeinrichtung zum Messen der Spannung aufweisen. Dabei kann der erste Anschluss der Messeinrichtung mit dem zweiten Ende des ersten Leiters elektrisch leitfähig verbunden sein und der zweite Eingang der Messeinrichtung kann mit dem zweiten Ende des zweiten Leiters elektrisch leitfähig verbunden sein. Unter einer Messeinrichtung kann beispielsweise ein Voltmeter verstanden werden. Die Messeinrichtung kann einen großen Innenwiderstand aufweisen. Die Messeinrichtung kann als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein. Die Messeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, ein temperaturbezogenes Signal, beispielsweise eine elektrische Spannung für eine Auswerteeinheit bereitzustellen. Die Auswerteeinheit kann ausgebildet sein, um basierend auf dem temperaturbezogenen Signal einen Temperaturwert der Temperatur der Batteriezelle zu bestimmen. Somit kann die Messeinrichtung im Zusammenhang mit den Leitern als ein Messgerät angesehen werden.
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Eine Batteriezelle weist die folgenden Merkmale auf:
ein galvanisches Element; und
einen Temperaturfühler gemäß dem hier vorgestellten Ansatz, wobei das Element thermisch mit dem galvanischen Element gekoppelt ist.
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Ein galvanisches Element kann eine elektro-chemische Zelle der Batteriezelle sein. Die Batteriezelle kann mehrere galvanische Elemente aufweisen. Das galvanische Element kann eine Außenhülle aufweisen. Das Element der Batteriezelle, das mit den Leitern des Temperaturfühlers verbunden ist, kann beispielsweise ein Pol der Batteriezelle sein, der die Außenhülle durchdringt, oder das Element kann ein elektrisch leitender Teil einer Außenhülle oder eines Gehäuses der Batteriezelle sein.
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Ein Verfahren zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle weist die folgenden Schritte auf:
Abgreifen einer temperaturabhängigen elektrischen Spannung zwischen einem ersten leitfähigen Material und einem, von dem ersten Material verschiedenen, zweiten leitfähigen Material, wobei die Temperatur an einem Element der Batteriezelle erfasst wird, und das Element zumindest das erste Material aufweist; und
Ermitteln der Temperatur unter Verwendung der elektrischen Spannung.
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Unter einer temperaturabhängigen elektrischen Spannung kann eine thermoelektrische Spannung aufgrund des Seebeckeffekts verstanden werden. Die Spannung kann eine Temperatur an einem Kontaktpunkt der Materialien repräsentieren. Die Temperatur kann unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift ermittelt werden. Eine Verarbeitungsvorschrift kann beispielsweise einen nichtlinearen Verlauf einer Spannungskennlinie des Temperaturfühlers ausgleichen, um ein weiterverarbeitbares Signal zu erhalten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Temperaturfühlers zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3a und 3b Darstellungen eines Batterieanschlusses und eines damit verschweißten Zellverbinders als Bestandteile eines Temperaturfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung eines Temperaturfühlers zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung eines Temperaturfühlers zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine Darstellung einer Batteriezelle mit einem Temperaturfühler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter 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.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Temperaturfühlers 100 zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Temperaturfühler weist einen ersten elektrischen Leiter 102 und einen zweiten elektrischen Leiter 104 auf. Der erste elektrische Leiter 102 weist ein erstes Ende 102a und ein gegenüberliegendes zweites Ende 102b auf. Das erste Ende 102a des ersten Leiters 102 ist zum Verbinden des ersten Leiters 102 mit einem Element 106 der Batteriezelle vorgesehen. Das zweite Ende 102b des ersten Leiters 102 ist zum Anschließen eines ersten Eingangs 108a einer Messeinrichtung 108 an den ersten Leiter 102 vorgesehen. Der zweite elektrische Leiter 104 weist ein erstes Ende 104a und ein gegenüberliegendes zweites Ende 104b auf. Das erste Ende 104a des zweiten Leiters 104 ist zum Verbinden des zweiten Leiters 104 mit dem Element 106 der Batteriezelle vorgesehen. Das zweite Ende 104b des zweiten Leiters 104 ist zum Anschließen eines zweiten Eingangs 108b der Messeinrichtung 108 an den zweiten Leiter 104 vorgesehen.
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Wenn das erste Ende 102a des ersten Leiters 102 und das erste Ende 104a des zweiten Leiters 104 elektrisch leitfähig mit dem Element 106 verbunden sind, ist der erste Leiter 102 über das Element 106 elektrisch leitfähig mit dem zweiten Leiter 104 verbunden. Dann liegt zwischen dem zweiten Ende 102b des ersten Leiters 102 und dem zweiten Ende 104b des zweiten Leiters 104 eine durch die Messeinrichtung 108 erfassbare Spannung an, die die Temperatur des Elements 106 repräsentiert.
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Die Messeinrichtung 108 ist ausgebildet, um die Spannung zu erfassen und ein der Spannung entsprechendes Spannungssignal auszugeben. Das Spannungssignal kann von einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, um der von der Messeinrichtung 108 erfassten Spannung einen Temperaturwert zuzuordnen, der die Temperatur der Batteriezelle repräsentiert. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um basierend auf der erfassten Spannung ein Diagnosesignal bereitzustellen, beispielsweise wenn die erfasste Spannung einen Schwellwert unterschreitet, erreicht oder überschreitet. Die Auswerteeinrichtung kann Teil der Messeinrichtung 108 sein oder mit der Messeinrichtung 108 gekoppelt sein.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt des Abgreifens 202 und einen Schritt des Ermittelns 204 auf. Im Schritt des Abgreifens 202 wird eine temperaturabhängige elektrische Spannung zwischen einem ersten leitfähigen Material und einem, von dem ersten Material verschiedenen, zweiten leitfähigen Material abgegriffen. Die Temperatur wird an einem Element der Batteriezelle erfasst, das das zumindest das erste Material aufweist. Im Schritt des Ermittelns 204 wird die Temperatur unter Verwendung der elektrischen Spannung und unter Umständen unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift ermittelt. Die Verarbeitungsvorschrift kann eine Zuordnung zwischen elektrischen Spannungswerten, die beispielsweise von der anhand von 1 beschriebenen Messeinrichtung erfasst und bereitgestellt werden und zugeordneten Temperaturwerten der Batteriezelle umfassen. Die Schritte 202, 204 des Verfahrens können beispielsweise von dem anhand von 1 beschriebenen Temperaturfühler ausgeführt werden. Die 3a und 3b zeigen Darstellungen eines Batterieanschlusses 300 und eines damit verschweißten Zellverbinders 302 als Bestandteile eines Temperaturfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist ein Aufbau einer Kontaktstelle des Zellverbinders (302) an den Batterieanschluss (300) gezeigt.
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3a zeigt eine Schnittdarstellung durch eine gemeinsame Mittelebene des Batterieanschlusses 300 und des Zellverbinders 302.
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Der Batterieanschluss 300 ist in einem hier dargestellten Teilbereich als Vollzylinder aus Metall ausgeführt. Der Batterieanschluss 300 bindet ein galvanisches Element einer in 3a nicht dargestellten Batteriezelle elektrisch leitfähig an. Dazu ist der Batterieanschluss 300 dazu vorgesehen, aus einem Gehäuse der Batteriezelle heraus zu ragen. Der Batterieanschluss 300 ist mit dem Zellverbinder 302 verbunden, um die Batteriezelle mit zumindest einer hier nicht dargestellten weiteren Batteriezelle elektrisch zu verschalten. Der Zellverbinder 302 ist als rechteckige Platte ausgeführt und weist in einem dargestellten Abschnitt ein quer angeordnetes Durchgangsloch auf, das im Durchmesser dem Batterieanschluss 300 entspricht. Der Batterieanschluss ist in dem Durchgangsloch angeordnet und durch eine Schweißnaht 304 mit dem Zellverbinder 302 stoffschlüssig verbunden. Durch die Schweißnaht 304 sind beide Bauteile besonders gut elektrisch leitend miteinander verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schweißnaht als um das Durchgangsloch umlaufende Laserschweißnaht 304 ausgeführt.
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Der Batterieanschluss 300 durchdringt den Zellverbinder 302 und schließt auf einer Oberseite des Zellverbinders 302 plan mit dem Zellverbinder 302 ab. Die Schweißnaht 304 ist von der Oberseite in eine Fügestelle zwischen dem Batterieanschluss 300 und dem Zellverbinder 302 eingebracht.
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3b zeigt eine Draufsicht auf den Batterieanschluss 300 und den Zellverbinder 302, wie sie in 3a beschrieben sind. Am Zellterminal ist der Batterieanschluss 300, gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein zylinderischer Bolzen aus Al- oder Cu-Werkstoffen, mit einem Zellverbinder 302, gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus Al- oder Cu-Werkstoffen, kontaktiert. Vorzugsweise wird diese Verbindung über einen Laserschweißprozess oder ein anderes stoffschlüssiges Fügeverfahren hergestellt oder der Anschlussbolzen 300 wird über eine Steckverbindung, beispielsweise ein Ultraschall unterstütztes Einpressen, mit dem Zellverbinder 302 verbunden.
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Wird hierbei eine art-ungleiche Verbindung hergestellt, bei der der Batterieanschluss und der Zellverbinder aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise aus unterschiedlichen Metallen bestehen, so entsteht an der Fügeverbindung 304 eine thermoelektrische Spannung. Beispielsweise kann der Batterieanschluss 300 aus Aluminium und der Zellverbinder 302 kann aus Kupfer hergestellt sein. Im Falle von Aluminium Kupfer, mit den Seebeckkoeffizienten Al = 3,5 μV/K und Cu = 6,5 μV/K, kann hier eine Spannung von 3 μV/K Temperaturerhöhung abgegriffen werden, wie es nachfolgend anhand von 4 näher beschrieben wird.
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4 zeigt eine Darstellung eines Temperaturfühlers 100 zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist ein Abgriff einer Thermospannung an einer art-ungleichen Verbindung dargestellt.
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Der Temperaturfühler 100 weist einen ersten Leiter 102, einen zweiten Leiter 104, ein Element 106 einer Batteriezelle und ein Spannungsmessgerät 108 auf. Der erste Leiter 102 ist elektrisch leitend mit dem Element 106 und dem Spannungsmessgerät 108 verbunden. Das Element 106 ist elektrisch leitend mit dem zweiten Leiter 104 verbunden. Der zweite Leiter 104 ist elektrisch leitend mit dem Spannungsmessgerät 108 verbunden. Zusammen bilden die Bestandteile einen geschlossenen Stromkreis. Die Leiter 102, 104 sind in diesem Ausführungsbeispiel Drähte. Die Leiter 102, 104 können art-gleich sein, d. h. aus dem gleichen Material hergestellt sein. Das Element 106 ist ein elektrisch leitender Bestandteil einer Batteriezelle und als Batterieanschluss 300 und Zellverbinder 302, wie in 3 beschrieben ausgeführt. Der Batterieanschluss 300 weist ein erstes leitfähiges Material mit einem ersten Seebeckkoeffizienten auf. Der Zellverbinder 302 weist ein zweites elektrisch leitfähiges Material mit einem zweiten Seebeckkoeffizienten auf. Das erste Material ist von dem zweiten Material verschieden. Der Batterieanschluss 300 ist mit dem Zellverbinder 302 durch eine Laserschweißnaht 304 stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden. Der erste Leiter 102 ist mit dem Batterieanschluss 300 verbunden, der zweite Leiter 104 ist mit dem Zellverbinder 302 verbunden. Der Batterieanschluss 300 leitet Wärme, die aufgrund von chemischen Prozessen und/oder aufgrund des Innenwiderstands innerhalb der Batteriezelle entsteht aus der Batteriezelle nach außen. Der Zellverbinder 302 leitet die Wärme ab. Dadurch besteht ein Wärmestrom durch die Fügestelle 304 zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material. Innerhalb des ersten Materials bildet sich ein wärmebedingtes erstes Spannungsgefälle aus. Ebenso bildet sich innerhalb des zweiten Materials ein wärmebedingtes zweites Spannungsgefälle aus. Die Spannungsgefälle sind unterschiedlich und sind durch den Seebeckkoeffizienten des jeweiligen Materials charakterisiert. An der Fügestelle 304 weisen das erste Material und das zweite Material zwangsweise ein identisches Spannungspotenzial auf, da die Materialien leitend miteinander verbunden sind. An den Stellen, an denen der erste Leiter 102 und der zweite Leiter mit dem Element 106 verbunden sind, besteht daher jeweils ein unterschiedliches Spannungspotenzial. Eine Differenz der Spannungspotenziale wird durch das Messgerät 108 über die Leiter 102 und 102 als Thermospannung U abgegriffen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel können in einer art-ungleichen Verbindung (beispielsweise Al und Cu), wie in 4 dargestellt, die Messleitungen 102, 104 aufgeschweißt werden. Bei einem Stromfluss durch die Verbindung, also dem Stromfluss über den Batterieanschluss 300 zum Zellverbinder 302 oder umgekehrt, stellt sich ein Temperaturgradient an der Verbindungsstelle 304 ein. Dieser Temperaturgradient ist proportional zum fließenden Strom (Peltier-Effekt). Dieser Temperaturgradient kann durch Messung der Thermospannung an der Kontaktstelle 304 gemessen werden, sodass dann indirekt auch auf den Stromfluss durch die Fügestelle 304 und damit durch den Zellverbinder 302 oder den Batterieanschluss 300 geschlossen werden kann.
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5 zeigt eine Darstellung eines Temperaturfühlers 100 zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist ein Abgriff einer Thermospannung an einer art-gleichen Verbindung über art-ungleiche Zuleitungsdrähte in Form der Leiter 102, 104 dargestellt.
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Entsprechend der Beschreibung zu 4, weist der Temperaturfühler 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Leiter 102, einen zweiten Leiter 104, ein Element 106 einer Batteriezelle und ein Spannungsmessgerät 108 auf. Der erste Leiter 102 ist elektrisch leitend mit dem Element 106 und dem Spannungsmessgerät 108 verbunden. Das Element 106 ist elektrisch leitend mit dem zweiten Leiter 104 verbunden. Der zweite Leiter 104 ist elektrisch leitend mit dem Spannungsmessgerät 108 verbunden. Zusammen bilden die Bestandteile einen geschlossenen Stromkreis. Im Gegensatz zu 4 sind der erste Leiter 102 und der zweite Leiter 104 mit dem Batterieanschluss 300 verbunden. Der Batterieanschluss 300 weist das erste Material auf, während der zweite Leiter 104 das zweite Material aufweist. Der Batterieanschluss 300 und der Zellverbinder 302 weisen in diesem Ausführungsbeispiel das gleiche Material auf, weshalb keine Thermospannung in der Fügestelle 304 entstehen kann. Hier besteht wie in 1 beschrieben ein Wärmegefälle zwischen dem Batterieverbinder 300, an dem die ersten Enden des ersten und des zweiten Leiters 102, 104 befestigt sind, und den zweiten Enden des ersten und zweiten Leiters 102, 104. In den Leitern 102, 104 bestehen unterschiedliche Spannungsgefälle aufgrund der unterschiedlichen Materialien der Leiter 102, 104. An der Kontaktstelle zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material sind die Spannungspotenziale identisch, wodurch zwischen den zweiten Enden der Leiter 102, 104 die Thermospannung U anliegt. Die Thermospannung U repräsentiert die Temperatur des Batterieverbinders 300, der thermisch mit der Batteriezelle gekoppelt ist.
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Ist die Verbindung artgleich, wie in 5 dargestellt, so kann der Zuleitungswerkstoff art-ungleich gestaltet werden, sodass sich an der Kontaktstelle die Thermospannung einstellt. Dazu werden die Thermoleitungen 102, 104 möglichst dicht beieinander positioniert und vorzugsweise mit einem Laserschweißpunkt mit dem Batterieanschluss 300 oder dem Zellverbinder 302 verschweißt. In diesem Fall kann der Werkstoff der Zuleitungen 102 und/oder 104 vorteilhaft so ausgewählt werden, dass sich eine gute stoffschlüssige Verbindung an der Messstelle als auch eine möglichst vorteilhafte Thermospannung ergibt. Vorteilhaft werden hier die Werkstoffe mit einer großen Differenz in den Koeffizienten des Seebeckeffektes gewählt, um größere Spannungen messen zu können.
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Über das gleiche Verfahren (artgleiche Verbindung) kann auch die Temperatur am Zellgehäuse (Housing) gemessen werden. Dazu werden die Leitungspaare 102, 104 direkt auf das Gehäuse oder auf jeden anderen metallischen Punkt, an dem Temperatur gemessen werden soll, aufgeschweißt.
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6 zeigt eine Darstellung einer Batteriezelle 600 mit einem Temperaturfühler 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batteriezelle 600 weist einen ersten Pol 602 und einen zweiten Pol 106 auf. Der zweite Pol 106 ist Bestandteil des Temperaturfühlers 100, der wie in 1 beschrieben, einen ersten Leiter 102, einen zweiten Leiter 104, ein Element 106 der Batteriezelle 600 und eine Messeinrichtung 108 aufweist. Der erste Pol 602 und der zweite Pol 106 sind elektrisch und thermisch mit der Batteriezelle 600 gekoppelt. An dem zweiten Pol 106 ist wie in 5 beschrieben, eine Übergangsstelle von einem ersten Material mit einem ersten Seebeckkoeffizienten zu einem zweiten Material mit einem zweiten Seebeckkoeffizienten angeordnet. Die Übergangsstelle kann auch an einem leitfähigen, thermisch mit der Batteriezelle 600 gekoppelten Gehäuse der Batteriezelle 600 angeordnet sein.
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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 erfindungsgemäße 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007011399 U1 [0003]