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Die Erfindung betrifft Leiterplatte, umfassend eine in der Leiterplatte eingebettete Hochstromleiterbahn.
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Derartige Leiterplatten, die auch als High Voltage Printed Curcuit Boards (HV-PCB) bezeichnet werden, sind bereits bekannt. Sie unterscheiden sich von konventionellen, für Niederspannungsanwendungen vorgesehenen Leiterplatten dadurch, dass eine in die Leiterplatte eingebettete Hochstromleiterbahn zur Führung hoher Ströme mit einer Effektivstromstärke von typischerweise mehr als 100 Ampere ausgebildet ist.
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Ist jedoch eine präzise Überwachung dieser Stromstärke erforderlich, so werden zusätzliche Messeinrichtungen und diesen nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung benötigt, wobei Letztere aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit typischerweise auf separaten Niederspannungsleiterplatten angeordnet werden. Dies nimmt erheblichen Bauraum in Anspruch, der insbesondere in Kraftfahrzeugen mit Hochvoltbordnetzen für Antriebseinrichtungen nur in geringem Umfang zur Verfügung steht.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte, insbesondere bauraumsparende, Leiterplatte für Hochspannungsanwendungen anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Leiterplatte der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hochstromleiterbahn in einem Hochspannungsabschnitt der Leiterplatte angeordnet und ein vom Hochspannungsabschnitt getrennter Niederspannungsabschnitt vorgesehen ist, umfassend zwei den Niederspannungsabschnitt vom Hochspannungsabschnitt abschirmende Schirmlagen und eine zwischen den Schirmlagen eingebettete Signalverarbeitungseinrichtung.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, in eine einstückige Leiterplatte sowohl einen die Hochstromleiterbahn umfassenden Hochspannungsabschnitt als auch einen zusätzlichen Niederspannungsabschnitt, der die elektromagnetisch hochempfindliche Signalverarbeitungseinrichtung geschirmt aufnimmt, zu integrieren. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Leiterplatte kann mithin auf separate, beabstandet angeordnete Niederspannungsleiterplatten verzichtet werden. Insbesondere im Automobilbereich kann die erfindungsgemäße Leiterplatte auch bislang verwendete, bauraumintensive Stromschienenanordnungen, sogenannte Busbars, ersetzen. Vorteilhafterweise wird so eine besonders bauraumsparende Anordnung der Hochstromleiterbahn und der Signalverarbeitungseinrichtung bei gleichzeitiger Gewährleistung elektromagnetischer Verträglichkeit realisiert. Die Leiterplatte kann zudem an projekt- und/oder anwendungsspezifische Anforderungen flexibel angepasst sowie aufwandsarm und in hohen Stückzahlen produziert werden.
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Der Niederspannungsabschnitt und der Hochspannungsabschnitt beschreiben dabei insbesondere überschneidungsfreie und/oder unzusammenhängende Abschnitte über die Länge und Breite der Leiterplatte. Die Leiterplatte selbst weist zudem einen elektrisch isolierenden Trägerkörper, beispielsweise aus Epoxid, auf.
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Die zweckmäßigerweise aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, insbesondere Kupfer, gebildete Hochstromleiterbahn zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass sie zur Führung von Strömen mit Effektivstromstärken von wenigstens 100 A, bevorzugt wenigstens 150 A, ausgebildet ist. Sie kann beispielsweise eine Querschnittsfläche von wenigstens 1 mm2, bevorzugt wenigstens 2 mm2, und/oder eine Breite von wenigstens 2 mm, bevorzugt wenigstens 4 mm, und/oder eine Dicke von wenigstens 0,2 mm, bevorzugt wenigstens 0,5 mm, aufweisen. Die Leiterplatte kann auch wenigstens eine zusätzliche eingebettete Hochstromleiterbahn aufweisen, wobei die Hochstromleiterbahnen in unterschiedlichen Lagen des Hochspannungsabschnitts eingebettet sein können.
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Der Niederspannungsabschnitt zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass entlang der Hochrichtung der Leiterplatte eine erste Schirmlage, der Trägerkörper und eine zweite Schirmlage angeordnet sind, wobei innerhalb einer Aussparung des Trägerkörpers die Signalverarbeitungseinrichtung angeordnet ist. Ober- und unterhalb der Signalverarbeitungseinrichtung und von an die Signalverarbeitungseinrichtung angrenzenden Bereichen des Trägerkörpers erstrecken sich mithin die Schirmlagen jeweils in Längs- und Querrichtung der Leiterplatte. Die Schirmlagen können insbesondere Oberflächenabschnitte des Trägerkörpers bedecken. Es ist aber auch denkbar, dass die Schirmlagen im Trägerkörper vollständig oder teilweise eingebettet sind. Die Schirmlagen sind bevorzugt aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, insbesondere Kupfer, gebildet, um eine gute elektromagnetische Abschirmung zu erzielen. Zweckmäßigerweise sind die Schirmlagen kapazitiv oder galvanisch mit einem Referenzpotential koppelbar. Selbstverständlich kann die Leiterplatte einen zumindest abschnittsweise die Oberfläche des Trägerkörpers und/oder die Schirmlagen bedeckenden isolierenden Lacküberzug aufweisen.
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Zweckmäßigerweise ist die Signalverarbeitungseinrichtung galvanisch getrennt von der Hochstromleiterbahn beabstandet. Mit anderen Worten ist der geringste Abstand zwischen der Hochstromleiterbahn und der Signalverarbeitungseinrichtung in Längs- und Querrichtung der Leiterplatte derart gewählt, dass eine ausreichende galvanische Entkopplung gewährleistet ist. Der Abstand zwischen der Signalverarbeitungseinrichtung und der Hochstromleiterbahn kann beispielsweise wenigstens 4 mm betragen, wodurch typischerweise eine galvanische Trennung bei einem Potentialunterschied von bis zu 400 V realisiert wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Leiterplatte wird es zudem bevorzugt, wenn zumindest abschnittsweise innerhalb des Niederspannungsabschnitts eingebettete, mit der Signalverarbeitungseinrichtung kontaktierte Messleiterbahnen vorgesehen sind, welche mit einem Messsignale für die Signalverarbeitungseinrichtung bereitstellenden Ausgang wenigstens eines Messmittels für eine Stromstärke entlang der Hochstromleiterbahn elektrisch leitend verbindbar oder verbunden sind. Die Messleiterbahnen können sich entlang derselben Lage erstrecken, in der auch die Signalverarbeitungseinrichtung eingebettet ist, und dazu ausgebildet sein, Messsignale mit Pegeln in der Größenordnung von 1 μV bis 100 mV zu führen. Sie müssen daher nur einen sehr geringen Leiterquerschnitt aufweisen. Wenigstens eine oder alle Messleiterbahnen können sich dabei auch jenseits des Niederspannungsabschnitts, also insbesondere auch außerhalb des durch die Schirmlagen abgeschirmten Bereichs der Leiterplatte in Richtung der Hochstromleiterbahn erstrecken.
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Es ist zudem von Vorteil, wenn die Hochstromleiterbahn unterbrochen ist, wobei an der Hochstromleiterbahn erste Anschlüsse zum Verbinden der Unterbrechung durch ein Messmittel und an den Messleiterbahnen zweite Anschlüsse für den Ausgang des Messmittels vorgesehen sind. An den ersten Anschlüssen kann mithin das Messmittel in die Hochstromleiterbahn eingeschleift werden, welches die Stromstärke entlang der Hochstromleiterbahn erfasst. Die zweiten Anschlüsse können als Durchkontaktierungen (Vias) von den Messleiterbahnen zur Oberfläche des Trägerköpers ausgebildet sein. Das Messmittel selbst kann an den ersten Anschlüssen, beispielsweise durch Löten, an der Leiterplatte befestigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein Messmittel im Hochspannungsabschnitt eingebettet und der Ausgang des Messmittels mit den Messleiterbahnen verbunden ist.
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Bei der die Messleitungen aufweisenden Leiterplatte ist das Messmittel bevorzugt ein Nebenschlusswiderstand oder ein Hallsensor. Insbesondere ein Nebenschlusswiderstand eignet sich sehr gut für eine Einbettung in den Trägerkörper.
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Zweckmäßigerweise ist die Signalverarbeitungseinrichtung bei einer erfindungsgemäßen Leiterplatte als integrierter Schaltkreis, insbesondere als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), ausgebildet. Dieser realisiert insbesondere eine Auswertungsfunktion für die vom Messmittel bereitgestellten Messsignale und lässt sich in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise in die Leiterplatte einbetten.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass der Hochspannungsabschnitt weitere, die Hochstromleiterbahn zumindest abschnittsweise von der Umgebung der Leiterplatte abschirmende Schirmlagen aufweist. Insbesondere ist die Hochstromleiterbahn analog zur Signalverarbeitungseinrichtung zwischen den Schirmlagen des Hochspannungsabschnitts angeordnet, so dass eine Abstrahlung elektromagnetischer Wellen nach außen unterdrückt wird. Dies verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit der gesamten Leiterplatte gegenüber Ihrer Umgebung, so dass bei geeigneter Auslegung der Schirmlagen auf zusätzliche leitfähige Gehäuse, die herkömmliche Leiterplatten oder die zuvor erwähnten Stromschienen aufnehmen und abschirmen, verzichtet werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Leiterplatte ist es schließlich auch besonders bevorzugt, wenn die Leiterplatte zumindest im Hochspannungsabschnitt eine Biegung aufweist. Die Leiterplatte weist insbesondere eine Biegung von wenigstens 10°, bevorzugt wenigstens 30°, besonders bevorzugt wenigstens 45° auf. Konventionelle Leiterplatten für Niederspannungsanwendungen, die eine solche Biegung aufweisen (sogenannte 3D-PCB) sind grundsätzlich bekannt, so dass sich entsprechende Fertigungsverfahren auf die erfindungsgemäße Leiterplatte übertragen lassen. Durch die Biegung kann die Leiterplatte an ihre Montageumgebung angepasst werden, so dass gerade bei beengten Einbauverhältnissen zusätzlicher Bauraum gespart werden kann.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße Leiterplatte, eine Hochspannungskomponente, welche mit der Hochstromleiterbahn der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist, und eine Steuereinrichtung, welche mit einem Ausgang der Signalverarbeitungseinheit verbunden ist.
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Die Hochspannungskomponente ist bevorzugt eine Hochvoltbatterie oder ein Hochvoltbatteriemodul. Beispielsweise kann die Leiterplatte in einer Battery Junction Box verbaut sein. Die Hochvoltbatterie bzw. das Hochvoltbatteriemodul sind insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Energie für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Leiterplatte lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesem die zuvor genannten Vorteile erzielt werden können.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Leiterplatte;
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2 eine geschnittene Ansicht durch die in 1 gezeigte Leiterplatte entlang einer Linie II-II;
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3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Leiterplatte, bei der ein Hochstromabschnitt zusätzliche Schirmlagen aufweist;
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4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Leiterplatte, die eine Biegung aufweist; und
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5 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt eine nicht maßstabsgetreue, perspektivische Ansicht einer Leiterplatte 1 mit einem Trägerkörper 2 aus einem elektrisch isolierenden Material, wobei die Leiterplatte 1 einen Hochspannungsabschnitt 3 und einen damit überschneidungsfreien Niederspannungsabschnitt 4 aufweist.
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Innerhalb des Hochspannungsabschnitts 3 erstreckt sich eine Hochstromleiterbahn 5, welche aus Kupfer gebildet und zum Führen von Effektivstromstärken bis zu 400 A ausgebildet ist. Die Hochstromleiterbahn 5 ist dabei rein schematisch dargestellt und kann insbesondere mehrere Verzweigungen und externe Anschlussmöglichkeiten aufweisen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können auch mehrere Hochstromleiterbahnen 5 in verschiedenen Lagen der Leiterplatte 1 vorgesehen sein.
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Die Hochstromleiterbahn 5 ist an drei Seiten in den Trägerkörper 2 eingebettet und liegt mithin an einer Seite an der Oberfläche des Trägerkörpers 2 frei. Außerdem ist die Hochstromleiterbahn 5 in einem Bereich 6 unterbrochen, wobei erste Anschlüsse 7 vorgesehen sind, auf die ein Messmittel 8, vorliegend ein Nebenschlusswiderstand, aufgelötet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Messmittel 8 als Hallsensor ausgebildet. Das Messmittel 8 weist einen nicht gezeigten Ausgang zum Abgreifen eines Messsignals auf, welcher mit zweiten Anschlüssen 9 in Form von Durchkontaktierung zu jeweils einer Messleiterbahn 10 verbunden ist.
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Die Messleiterbahnen 10 erstrecken sich von den zweiten Anschlüssen 9 in den Niederspannungsabschnitt 4, in welchem innerhalb des Trägerkörpers 2 eine als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgebildete Signalverarbeitungseinrichtung 11 eingebettet und mit den Messleiterbahnen 10 kontaktiert ist. Die Signalverarbeitungseinrichtung 11 realisiert eine Auswertungsfunktion für die Messsignale, die die Stromstärke entlang der Hochstromleiterbahn 5 repräsentieren und einen sehr geringen Pegel in der Größenordnung von 1 μV bis 10 mV aufweisen. Um elektromagnetische Einstrahlungen der wesentlich höheren Ströme entlang der Hochstromleiterbahn 5 zu reduzieren ist der Niederspannungsabschnitt 4 oberhalb und unterhalb der Signalverarbeitungseinrichtung 11 an den Oberflächen des Trägerkörpers 2 mit jeweils einer aus Kupfer gebildeten Schirmlage 12 versehen. Des Weiteren ist die Signalverarbeitungseinrichtung 11 galvanisch getrennt von der Hochstromleiterbahn 5 beabstandet, wobei beispielsweise bei einem Potentialunterschied von 400 V ein Abstand von 4 cm eingehalten wird.
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Daneben ist die Signalverarbeitungseinrichtung 11 mit zwei Ausgangsleiterbahnen 13 kontaktiert, die zu ebenfalls als Durchkontaktierungen ausgebildeten dritten Anschlüssen 14 führen, an denen ausgewertete Signale der Signalverarbeitungseinrichtung 11 von außen abgreifbar sind.
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2 zeigt eine geschnittene Ansicht der Leiterplatte 1 entlang der Linie II-II. Ersichtlich ist die Signalverarbeitungseinrichtung 11 beidseitig durch die Schirmlagen 12 von Einstrahlungen der Leiterbahnen 3 abgeschirmt und verläuft mit den Messleiterbahnen 10 und den Anschlussleiterbahnen 13 in einer Lage der Leiterplatte 1.
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Die 3 und 4 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 1, wobei gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit identischen, in den 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen versehen sind.
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3 zeigt eine nicht maßstabsgetreue perspektivische Ansicht einer weiteren Leiterplatte 1, welche sich von der in den 1 und 2 gezeigten Leiterplatte 1 dadurch unterscheidet, dass die Hochstromleiterbahn 5 im Querschnitt vollständig in den Trägerkörper 2 eingebettet und mithin an vier Seiten von diesem umgeben ist. Außerdem ist das Messmittel 8 ebenfalls vollständig in den Trägerkörper 2 eingebettet, wobei dessen erste Ausgänge 9 unmittelbar mit den Messleiterbahnen 10 in einer Lage kontaktiert sind. Neben dem Niederspannungsabschnitt 4 weist auch der Hochspannungsabschnitt 3 jeweils eine oberhalb und unterhalb der Hochstromleiterbahn 5 an der Oberfläche des Trägerkörpers 2 angeordnete weitere Schirmlage 15 auf. Dadurch wird auch die Umgebung der Leiterplatte 1 von der Hochstromleiterbahn 5 abgeschirmt, so dass auf eine Anordnung der Leiterplatte 1 in einem elektrisch leitfähigen Gehäuse im montierten Zustand verzichtet werden kann.
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4 zeigt eine nicht maßstabs- und winkelgetreue perspektivische Ansicht einer weiteren Leiterplatte 1, welche sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, dass sie im Hochspannungsabschnitt 3 eine Biegung aufweist, die sowohl den Trägerkörper 2 als auch die Hochstromleiterbahn 5 umfasst. Durch die Biegung 16 kann die Leiterplatte 1 in beengten Einbausituationen um andere Gegenstände herumgeführt werden. In 4 sind der Niederspannungsabschnitt 4 und das Messmittel 8 lediglich schematisch dargestellt, wobei hier sowohl die gezeigte oberflächenseitige Einbettung der Hochstromleiterbahn 5 mit einen an der Oberfläche angeordneten Messmittel 8 gemäß den 1 und 2 als auch analog zu 3 eine vollständige Einbettung der Hochstromleiterbahn 5 und des Messmittels 8 vorgesehen sein kann.
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5 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 17 mit einer Antriebseinrichtung 18, die von einer als Hochvoltbatterie ausgebildeten Hochspannungskomponente 19 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Hochspannungskomponente 19 ist mit einer Hochstromleiterbahn 5 einer Leiterplatte 1 gemäß einen der vorgenannten Ausführungsbeispiele elektrisch leitfähig verbunden. Daneben weist das Kraftfahrzeug 17 eine Steuereinrichtung 20 in Form eines Batteriesteuergeräts auf, welche über die dritten Anschlüsse 14 der Leiterplatte 1 mit ihrer Signalverarbeitungseinrichtung 11 verbunden ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 17 verbindet die Leiterplatte 1 mehrere als Hochvoltbatteriemodule ausgebildete Hochspannungskomponenten 19. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Hochspannungskomponente 19 ein Umrichter oder ein Ladegerät.
