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DE10214366A1 - Meßanordnung - Google Patents

Meßanordnung

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DE10214366A1
DE10214366A1 DE2002114366 DE10214366A DE10214366A1 DE 10214366 A1 DE10214366 A1 DE 10214366A1 DE 2002114366 DE2002114366 DE 2002114366 DE 10214366 A DE10214366 A DE 10214366A DE 10214366 A1 DE10214366 A1 DE 10214366A1
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DE
Germany
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heat sink
temperature sensor
measuring arrangement
temperature
arrangement according
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DE2002114366
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Stefan Roepke
Rainer Glauning
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Priority to KR1020030019392A priority patent/KR101074274B1/ko
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Meßanordnung, insbesondere zur Temperaturmessung in einem Akku-Pack, mit mindestens einer Zelle (10) zur Speicherung elektrischer Energie, mindestens einem mit der Zelle (10) thermisch verbundenen Kühlkörper (12) zur Kühlung der Zelle (10) und mindestens einem Temperatursensor (14). Es wird vorgeschlagen, daß der Temperatursensor (14) thermisch mit dem Kühlkörper (12) verbunden ist.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur Temperaturmessung in einem Akku-Pack für eine Handwerkzeugmaschine.
  • Bei modernen Handwerkzeugmaschinen erfolgt die Stromversorgung oftmals durch aufladbare Akku-Packs, was vorteilhaft einen netzunabhängigen, mobilen Betrieb ermöglicht. Derartige Akku-Packs bestehen aus mehreren elektrisch zusammengeschalteten Zellen, die elektrische Energie speichern, wobei sich diese Zellen sowohl beim Entladen während des normalen Betriebs als auch während des Aufladens stark erwärmen, was im Extremfall zu einer Beschädigung des Akku-Packs führen kann. Es ist deshalb bekannt, die Temperatur eines Akku-Packs zu messen, um derartige thermische Überlastungen zu verhindern. Hierzu wird ein Temperatursensor, wie beispielsweise ein sogenannter NTC (Negative Temperature Coefficient), mittels eines wärmeleitfähigen Klebebandes an einer einzelnen Zelle befestigt, die zuvor von ihrer Papierisolation befreit wurde, um eine gute thermische Anbindung zu erreichen. Beim Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur kann dann im einfachsten Fall der Betrieb bzw. der Ladevorgang abgebrochen werden, um eine Überhitzung zu verhindern.
  • Es ist weiterhin bekannt, die Zellen des Akku-Packs durch einen Kühlkörper zu kühlen, um einer Überhitzung entgegenzuwirken, wobei der Kühlkörper üblicherweise mit den einzelnen Zellen thermisch verbunden ist und aus einem Material mit einer großen thermischen Leitfähigkeit besteht, um die in den Zellen während des Entlade- bzw. Ladevorgangs entstehende Verlustwärme gut abführen zu können.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung umfaßt demgegenüber die technische Lehre, den Temperatursensor thermisch mit dem Kühlkörper zu verbinden, so daß die erfindungsgemäße Meßanordnung die Temperatur des Kühlkörpers erfaßt.
  • Vorteilhaft an diesem Meßprinzip ist die hohe Genauigkeit der Temperaturmessung, da indirekt die Temperatur mehrerer Zellen berücksichtigt wird, wodurch lokale Temperaturunterschiede kompensiert werden.
  • Darüber hinaus ist die thermische Kontaktierung des Kühlkörpers wesentlich einfacher als die thermische Kontaktierung einer einzelnen Zelle, die zuvor von ihrer Papierisolation befreit werden muß.
  • Die thermische Anbindung des Temperatursensors an den Kühlkörper kann direkt erfolgen, indem der Temperatursensor den Kühlkörper berührt.
  • Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, daß die thermische Anbindung des Temperatursensors an den Kühlkörper indirekt erfolgt, indem zwischen dem Temperatursensor und dem Kühlkörper ein Wärmeleitelement angeordnet ist, das einerseits den Kühlkörper und andererseits den Temperatursensor berührt.
  • Das Wärmeleitelement kann beispielsweise aus Wärmeleitpaste, wärmeleitfähigem Gummi, wärmeleitfähigem Klebstoff, wärmeleitfähigem Schaumstoff oder einer Kombination dieser Materialien bestehen.
  • Ferner ist es im Rahmen der Erfindung theoretisch auch möglich, daß der Temperatursensor die Temperatur des Kühlkörpers berührungslos mißt, indem beispielsweise ein Strahlungssensor verwendet wird, der die von dem Kühlkörper abgegebene Wärmestrahlung erfaßt.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Temperatursensor direkt auf einer Leiterplatte angeordnet, so daß zusätzliche Leitungen zur elektrischen Kontaktierung des Temperatursensors entfallen. Die Leiterplatte wird dann im Betrieb so angeordnet, daß der Temperatursensor den Kühlkörper in der vorstehend beschriebenen Weise direkt oder indirekt berührt.
  • In einer anderen Variante der Erfindung ist der Temperatursensor jedoch durch eine elektrische Leitung oder einen Lichtleiter mit einer separaten Auswertungseinheit verbunden. Dies bietet den Vorteil eines großen konstruktiven Gestaltungsspielraums bei der Positionierung des Temperatursensors, da keine Rücksicht auf die räumliche Anordnung der Auswertungseinheit genommen werden muß.
  • Eine andere Variante der Erfindung sieht dagegen vor, daß der Temperatursensor durch eine drahtlose Übertragungsverbindung mit der Auswertungseinheit verbunden ist, um die gemessene Temperatur zu übertragen. Beispielsweise kann hierzu eine Funkverbindung, eine optische Nachrichtenverbindung, eine akustische Nachrichtenverbindung oder eine auf Druckänderungen beruhende Nachrichtenverbindung eingesetzt werden.
  • Die drahtlose Übertragung der gemessenen Temperatur ist insbesondere in einer Variante der Erfindung vorteilhaft, in der der Temperatursensor in den Kühlkörper eingekapselt oder in dem Kühlköroer versenkt ist.
  • Eine Variante der Erfindung sieht ferner mehrere Temperatursensoren vor, die an unterschiedlichen Stellen thermisch mit dem Kühlkörper verbunden sind. Dies bietet den Vorteil, daß lokale Temperaturschwankungen innerhalb des Kühlkörpers bei der Auswertung des Meßergebnisses berücksichtigt werden können.
  • Darüber hinaus ist in einer Variante der Erfindung zur Verbesserung der thermischen Verbindung zwischen dem Temperatursensor und dem Kühlkörper vorgesehen, daß der Kühlkörper eine Aufnahme für den Temperatursensor aufweist. Die Aufnahme kann beispielsweise aus einer Vertiefung in dem Kühlkörper bestehen, deren Innenform an die Außenform des Temperatursensors so angepaßt ist, daß der Temperatursensor paßgenau in die Aufnahme eingeführt werden kann. Auf diese Weise wird die effektive Kontaktfläche zwischen dem Temperatursensor und dem Kühlkörper vergrößert und der Wärmeübergangswiderstand verringert.
  • Vorzugsweise reicht die Aufnahme in dem Kühlkörper hierbei bis in eine Tiefe, in der die Temperatur des Kühlkörpers wesentlich größer ist als an der Oberfläche des Kühlkörpers. Dies bietet den Vorteil, daß der Temperatursensor wirklich die Kerntemperatur des Akku-Packs mißt, die meist wesentlich größer als die Oberflächentemperatur ist. Die Aufnahme in dem Kühlkörper reicht deshalb vorzugsweise bis in eine Tiefe, in welcher der Temperaturunterschied zu der Maximaltemperatur innerhalb des Kühlkörpers kleiner als 10% des maximalen Temperaturunterschieds innerhalb des Kühlkörpers ist.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind - wie bereits vorstehend angedeutet - mehrere Zellen vorgesehen, wobei die einzelnen Zellen thermisch mit dem Kühlkörper verbunden sind. Dies bietet zum einen den schon erwähnten Vorteil, daß Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen bei der Auswertung des Meßergebnisses ausgeglichen werden können. Zum anderen dient der Kühlkörper hierbei nicht nur zur Kühlung der einzelnen Zellen, sondern auch zur Balancierung des Temperaturniveaus der einzelnen Zellen, indem Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen ausgeglichen werden. So geben heißere Zellen einen Teil ihrer Wärmeenergie über den Kühlkörper an kältere Zellen ab, wodurch lokale Temperaturspitzen geglättet werden.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem Temperatursensor um einen temperaturabhängigen Widerstand, wie beispielsweise einen PTC (Positive Temperature Coefficient) oder einen NTC (Negative Temperature Coefficient), jedoch ist die Erfindung auch mit anderen Typen von Temperatursensoren realisierbar.
  • Schließlich umfaßt die Erfindung auch eine Handwerkzeugmaschine mit einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, wie beispielsweise eine Handbohrmaschine, einen Akku-Schrauber oder ein Handschleifgerät.
    • Zeichnung
  • 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:
  • Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßanordnung mit einem Temperatursensor,
  • Fig. 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung mit einem Kühlkörper mit einer Aufnahme für den Temperatursensor,
  • Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung mit mehreren Temperatursensoren sowie
  • Fig. 4 eine erfindungsgemäße Meßanordnung mit einer drahtlosen Temperaturmessung.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung dient zur Temperaturmessung in einem Akku-Pack für eine Handwerkzeugmaschine, wobei es sich bei der Handwerkzeugmaschine beispielsweise um eine Handbohrmaschine oder einen Akku-Schrauber handeln kann.
  • Der Akku-Pack weist hierzu mehrere wieder aufladbare Zellen 10 zur Speicherung elektrischer Energie auf, wobei die Zellen 10 elektrisch zusammengeschaltet sind, damit der Akku-Pack die gewünschte elektrische Spannung und Kapazität bereitstellt.
  • Die Zellen 10 sind in einem Kühlkörper 12 aus Aluminium angeordnet, der mehrere Funktionen erfüllt, wie im folgenden beschrieben wird.
  • Zum einen dient der Kühlkörper zur mechanischen Befestigung der Zellen 10. Hierzu weist der Kühlkörper 12 mehreren zylindrische Bohrungen auf, in welche die Zellen 10 eingeschoben sind, so daß die Zellen 10 den Kühlkörper 12 an ihrer gesamten Mantelfläche berühren.
  • Zum anderen hat der Kühlkörper 12 die Aufgabe, die Zellen 10 während des Lade- bzw. Entladevorgangs zu kühlen, um eine Überhitzung der Zellen 10 durch die in den Zellen 10 entstehende Verlustwärme zu verhindern. Der Kühlkörper 12 weist deshalb eine relativ große Oberfläche und eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so daß die in den Zellen 10 entstehende Verlustwärme an die Oberfläche des Kühlkörpers 12 gelangt und dort vorrangig durch Konvektion abgeführt wird. Die große Kontaktfläche zwischen den Zellen 10 und dem Kühlkörper 12 führt hierbei vorteilhaft zu einem geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen den Zellen 10 und dem Kühlkörper 12, wodurch ein guter Wärmeübergang von den Zellen 10 auf den Kühlkörper 12 gewährleistet ist.
  • Darüber hinaus hat der Kühlkörper 12 auch die Aufgabe, Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen 10 auszugleichen, indem der Kühlkörper 12 Wärmeenergie von den heißeren Zellen an die kälteren Zellen abführt. Auf diese Weise werden lokale Temperaturunterschiede innerhalb des Akku-Packs ausgeglichen, was ebenfalls einer Überhitzung entgegenwirkt.
  • Schließlich dient der Kühlkörper 12 auch selbst als Wärmesenke, indem der Kühlkörper 12 Wärmeenergie von den Zellen 10 aufnimmt. Dieser Mechanismus ist insbesondere dann wichtig, wenn die Zellen 10 jeweils nur kurz belastet werden, da die Belastungsdauer dann nicht ausreicht, um die Oberfläche des Kühlkörpers 12 so weit aufzuheizen, daß der Kühlkörper 12 in nennenswertem Umfang Wärmeenergie an die Umgebung abgeben kann. Die Wärmekapazität des Kühlkörpers 12 ist deshalb so groß, daß die von den Zellen 10 erzeugte Verlustwärme bei kurzzeitigen Belastungen nur zu einer geringen Erwärmung des Kühlkörpers 12 führt.
  • Weiterhin weist die erfindungsgemäße Meßanordnung einen Temperatursensor 14 auf, der aus einem temperaturabhängigen Widerstand besteht und auf einer Leiterplatte 16 angeordnet ist, wobei sich der Temperatursensor 14 auf der dem Kühlkörper 12 zugewandten Seite der Leiterplatte 16 befindet. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Temperatursensor 14 eine negative Abhängigkeit von der Temperatur auf und wird deshalb auch als NTC (Negative Temperature Coefficient) bezeichnet. Auf der Leiterplatte 16 ist neben dem Temperatursensor 14 eine Meßschaltung angeordnet, wobei zur Vereinfachung nur ein Bauelement 18 der Meßschaltung schematisch dargestellt ist.
  • Die Leiterplatte 16 ist hierbei so angeordnet, daß sich der Temperatursensor 14 im fertig montierten Zustand nahe der Oberfläche des Kühlkörpers 12 befindet. Zwischen dem Temperatursensor 14 und der Oberfläche des Kühlkörpers 12 befindet sich dann ein Wärmeleitelement 20, das aus einem wärmeleitfähigen elastischen Gummi besteht und einerseits den Kühlkörper 12 und andererseits den Temperatursensor 14 berührt.
  • Zum einen ermöglicht das elastische Wärmeleitelement 20 einen Ausgleich von fertigungsbedingten Schwankungen des Abstandes zwischen dem Temperatursensor 14 und dem Kühlkörper 12, so daß die Fertigung und Montage kostengünstig mit relativ großen Toleranzen erfolgen kann.
  • Zum anderen paßt sich das Wärmeleitelement 20 aufgrund seiner Elastizität an Unebenheiten in den Oberflächen des Temperatursensors 14 bzw. des Kühlkörpers 12 an, wodurch die effektive Kontaktfläche vergrößert und der Wärmeübergangswiderstand verringert wird.
  • Der Temperatursensor 14 mißt in diesem Ausführungsbeispiel also die Temperatur des Kühlkörpers 12, die die Temperatur des Akku-Packs relativ genau wiedergibt. Vorteilhaft hierbei ist insbesondere, daß bei der Messung die Temperatur sämtlicher Zellen 10 berücksichtigt wird.
  • Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so daß im folgenden für einander entsprechende Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen wird.
  • Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß ein Kühlkörper 12' vorgesehen ist, der eine Aufnahme für einen Temperatursensor 14' aufweist. Die Aufnahme besteht hierbei aus einer zylindrischen Bohrung in der Oberfläche des Kühlkörpers 12', wobei der Innendurchmesser der Bohrung an den Außendurchmesser des ebenfalls zylindrischen Temperatursensors 14' angepaßt ist, so daß der Temperatursensor 14' paßgenau in die Aufnahme eingeführt werden kann.
  • Die Aufnahme wird hierbei vor dem Einführen des Temperatursensors 14' teilweise mit Wärmeleitpaste gefüllt, so daß sich im montierten Zustand ein inniger Wärmekontakt zwischen dem Temperatursensor 14' und dem Kühlkörper 12' einstellt.
  • Vorteilhaft an dieser Anordnung ist zum einen der gute Wärmekontakt zwischen dem Temperatursensor 14' und dem Kühlkörper 12', da die Kontaktfläche relativ groß ist.
  • Zum anderen erfaßt der Temperatursensor 14' hierbei nicht die Oberflächentemperatur des Kühlkörpers 12', sondern dessen Kerntemperatur, welche die Temperatur der Zellen 10 wesentlich besser wiedergibt.
  • Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so daß im folgenden für einander entsprechende Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung zu Fig. 2 verwiesen wird.
  • Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht unter anderem darin, daß mehrere Temperatursensoren 14.1-14.3 vorgesehen sind, die in entsprechende Aufnahmen an einem Kühlkörper 12" eingeführt sind. Die einzelnen Temperatursensoren 14.1-14.3 sind hierbei an unterschiedlichen Stellen des Kühlkörpers 12" angeordnet, so daß lokale Temperaturspitzen innerhalb des Kühlkörpers 12" berücksichtigt werden können.
  • Ein weiterer Unterschied dieses Ausführungsbeispiels gegenüber den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht darin, daß die Temperatursensoren 14.1-14.3 jeweils durch flexible Leitungen 22 mit einer Auswertungseinheit 24 verbunden sind. Dies bietet den Vorteil eines großen Gestaltungsspielraums bei der Anordnung der Auswertungseinheit 24.
  • Schließlich stimmt auch das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weitgehend mit den vorstehend beschriebenen und in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen überein, so daß ergänzend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
  • Innerhalb eines Kühlkörpers 12''' sind hierbei mehrere Zellen 10 angeordnet, wobei der Kühlkörper 12''' eine Überhitzung der Zellen 10 verhindert, wie bereits vorstehend beschrieben wurde.
  • Zur Temperaturmessung ist hierbei ein Temperatursensor 14" in dem Kühlkörper 12''' eingekapselt, wobei der Temperatursensor 14" mit einem Funksender 26 verbunden ist, der ein die gemessene Temperatur wiedergebendes Funksignal an eine externe Auswertungseinheit 24' überträgt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb auch in den Schutzbereich fallen. 10 Zellen
    12, 12', 12", 12''' Kühlkörper
    14, 14', 14.1-14.3, 14" Temperatursensor
    16 Leiterplatte
    18 Bauelement
    20 Wärmeleitelement
    22 Leitungen
    24, 24' Auswertungseinheit
    26 Funksender

Claims (13)

1. Meßanordnung, insbesondere zur Temperaturmessung in einem Akku-Pack, mit mindestens einer Zelle (10) zur Speicherung elektrischer Energie, mindestens einem mit der Zelle (10) thermisch verbundenen Kühlkörper (12, 12', 12", 12''') zur Kühlung der Zelle (10) und mindestens einem Temperatursensor (14, 14', 14.1-14.3, 14"), dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (14, 14', 14.1-14.3, 14") thermisch mit dem Kühlkörper (12, 12', 12", 12''') verbunden ist.
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (14) durch ein Wärmeleitelement (20) mit dem Kühlkörper (12) verbunden ist.
3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (20) aus Wärmeleitpaste, wärmeleitfähigem Gummi, wärmeleitfähigem Klebstoff und/oder wärmeleitfähigem Schaumstoff besteht.
4. Meßanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (14, 14') auf einer Leiterplatte (16) angeordnet ist.
5. Meßanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (14.1-14.3) durch eine elektrische Leitung (22) oder einen Lichtleiter mit einer Auswertungseinheit (24) verbunden ist.
6. Meßanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (14") durch eine drahtlose Verbindung mit einer Auswertungseinheit (24') verbunden ist.
7. Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtlose Verbindung eine Funkverbindung, eine optische Verbindung, eine akustische Verbindung oder eine auf Druckänderungen beruhende Verbindung ist.
8. Meßanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Temperatursensoren (14.1-14.3) an unterschiedlichen Stellen mit dem Kühlkörper (12") verbunden sind.
9. Meßanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (12', 12") eine Aufnahme für den Temperatursensor (14', 14.1-14.3) aufweist.
10. Meßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme innerhalb des Kühlkörpers (12', 12") in eine Tiefe hineinreicht, in der die Temperatur des Kühlkörpers (12', 12") wesentlich größer ist als an der Oberfläche des Kühlkörpers (12', 12").
11. Meßanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zellen (10) zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen sind, wobei die einzelnen Zellen (10) thermisch mit dem Kühlkörper (12, 12', 12") verbunden sind.
12. Meßanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (14, 14', 14.1-14.3, 14") ein temperaturabhängiger Widerstand ist.
13. Handwerkzeugmaschine mit einer Meßanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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