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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer elektronischen Baugruppe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Gemäß den Ansprüchen 8, 9 und 10 betrifft dieselbe ferner eine elektronische Baugruppe, eine Batterie mit der besagten Kühlungsanordnung oder elektronischen Baugruppe sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Aus der
DE 10 2011 103 993 A1 ist eine Batterie mit einer Mehrzahl Batterieeinzelzellen bekannt, welche über eine sogenannte Hybrid-Folie, bestehend aus einer Polymerfolie zur elektrischen Isolierung und Toleranzausgleichselementen aus einem Polymerschaum, mit einem Kühlelement thermisch verbunden sind. Hierdurch soll bei elektrischer Isolierung der Batteriezellen zum Kühlelement ein ausreichender Wärmeübergang sowie ein Ausgleich von Maßtoleranzen erzielbar sein. Um den Wärmeübergang noch weiter zu verbessern wird ferner vorgeschlagen, zwischen den Batterieeinzelzellen, den Toleranzausgleichselementen und dem mit der Isolationsfolie verbundenen Kühlelement eine wärmeleitende Vergussmasse anzuordnen.
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Darüber hinaus ist es aus der
DE 10 2011 103 993 A1 bekannt, anstelle der vorgenannten Anordnung eine sogenannte Hybrid-Matte vorzusehen, welche ein kompressibles Wärmeleitmaterial aufweist, insbesondere ein gefülltes Soft-Silikon. Diese vergleichsweise dicke Hybrid-Matte soll sowohl die Aufgabe der Vergussmasse, als auch der vorbeschriebenen Hybrid-Folie und der Toleranzausgleichselemente übernehmen.
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Eine derartige Hybrid-Matte birgt jedoch sowohl prozesstechnische Risiken bei der Montage als auch funktionale Risiken. So können zum einen bei der Montage Lufteinschlüsse nicht ausgeschlossen werden, die sich negativ auf die Wärmeleitfähigkeit auswirken würden. Darüber hinaus ist beim Montieren eine Flächenlast zu verzeichnen, die zu einem kritischem Kraftaufwand beim Verpressen der Hybrid-Matte und in der Folge durch die wirkenden Montagekräfte zu einer nachteiligen mechanischen Überlastung einer zu kühlenden elektronischen Baugruppe oder eines zu kühlenden elektronischen Bauteils führen kann. Ferner ist davon auszugehen, dass über die Lebenszeit der elektronischen Baugruppe bzw. des elektronischen Bauteils gesehen, die Isolationsfunktion gegen Feuchtigkeit und/oder Kondenswasser nicht ausreichend oder nur mit zusätzlichem Aufwand, wie Verkleben, gesichert werden kann. Schließlich wurde in der Praxis festgestellt, dass am Markt erhältliche Hybrid-Matten der gattungsgemäßen Art lediglich eine relativ geringe Verformbarkeit ermöglichen, die durch eine Erhöhung der Verpresskräfte kompensiert werden muss, um die bestimmungsgemäßen Funktionen bzw. Eigenschaften desselben zu erreichen. Die am Markt erhältlichen Materialien sind ausschließlich plastisch, jedoch nicht elastisch verformbar.
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Bei weicherem Material ist aufgrund zu verzeichnender größerer Bauteiltoleranzen ein prozesssicheres Aufbringen der besagten Hybrid-Matte durch definierte Montagekräfte schwierig. Eine etwaige Überschreitung der maximal zulässigen Komprimierung kann dazu führen, dass im späteren Montageschritt die Funktion des Toleranzausgleichs nicht mehr gewährleistet werden kann. Eine Kontrolle der funktionsgerechten Lage der Hybrid-Matte nach dem Stand der Technik bzw. ein Ausschluss der Überschreitung der maximal zulässigen Komprimierung im Betriebssystem ist nicht prozesssicher durchführbar. Härteres Material hat demgegenüber eine dauerhafte Verspannung der elektronischen Baugruppe oder des elektronischen Bauteils zur Folge, mit dem Ergebnis einer oben bereits erwähnten nachteiligen mechanischen Überlastung desselben/derselben. Hier setzt die nachfolgend beschriebene Erfindung an.
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Die den Oberbegriff der geltenden Ansprüche 1 und 8 bildende
DE 10 2010 030 936 A1 beschreibt eine Fahrzeug-Elektronikanordnung zur Verwendung in einem Fahrzeug, welche eine Wärmesenke umfasst. Auf einer Oberfläche der Wärmesenke ist ein durch einen umlaufenden Steg gebildetes Reservoir angeordnet. In das Reservoir wird in einem Fluid-Zustand eine thermische Schnittstellenschicht gegossen und durch eine Platine mit elektronischen Unter-Komponenten abgedeckt, so dass ein inniger Kontakt zwischen der thermischen Schnittstellenschicht, der Platine und den Unter-Komponenten entsteht. Nach dem Aushärten bildet die thermische Schnittstellenschicht eine thermisch leitende Schicht mit elastomeren Eigenschaften aus.
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Aus der
DE 10 2015 215 011 A1 ist ein thermisches/elektrisches Kontaktelement, umfassend einen Kühlkörper und einen Schaltungsträger, bekannt. Der Kühlkörper sowie der Schaltungsträger weisen kontaktierbare Oberflächenbereiche aus einem Grundmaterial zur Übertragung von Wärme/Strom auf. Die Oberflächenbereiche weisen ferner eine erste Formtoleranz auf. Zur Verbesserung der Formtoleranz ist auf den Oberflächenbereichen eine thermisch/elektrisch leitfähige Toleranzausgleichsschicht aufgebracht, so dass dann kontaktierende Oberflächenbereiche eine im Vergleich zur ersten Formtoleranz reduzierte, zweite Formtoleranz aufweisen. So wird der Einsatz eines Wärmeleitmediums mit konstanter Schichtdicke als Kontaktpartner zwischen den Toleranzausgleichsschichten möglich.
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In der
EP 2 800 198 A1 wird ein Batteriemodul mit nebeneinander angeordneten Batteriezellen beschrieben. Ein Boden der Batteriezellen weist eine wärmeleitfähige Ausgleichsbeschichtung auf, die einen Versatz zwischen den Batteriezellen ausgleicht. Die Ausgleichsbeschichtung umfasst ein ausgehärtetes Elastomer, das mit wärmeleitendem Material gefüllt ist.
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Schließlich ist der
DE 10 2014 208 529 A1 eine Kühlereinheit für ein Batteriemodul zu entnehmen. Die Kühlereinheit weist einen Kühler auf, an dessen Unter- und/oder Oberseite eine kompressible Wärmeleitmasse vorhanden ist, die mit dem Kühler durch Aushärten stoffschlüssig verbunden ist. Die Wärmeleitmasse ist elektrisch isolierend und elastisch kompressibel.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe derselben, eine Anordnung zur Kühlung einer elektronischen Baugruppe zu schaffen, vermittels welcher die vorstehend beschriebenen nachteiligen Umstände des Standes der Technik vermieden, zumindest jedoch wirkungsvoll gemindert sind. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe derselben, eine elektronische Baugruppe hierzu zur Verfügung zu stellen. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe derselben, eine Batterie mit der besagten Kühlungsanordnung oder elektronischen Baugruppe zur Verfügung zu stellen. Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe derselben, ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie zur Verfügung zu stellen.
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Bei der Anordnung zur Kühlung einer elektronischen Baugruppe einer Batterie eines Fahrzeugs, mit einem Kühlelement und mit einem Mittel zur zumindest mittelbaren thermischen Kontaktierung der elektronischen Baugruppe am Kühlelement, ist das Mittel zur thermischen Kontaktierung durch ein mit der elektronischen Baugruppe integral ausgebildetes, elastomeres Kunststoffmaterial mit wärmeleitenden Eigenschaften gebildet.
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Durch diese Maßnahme ist bei sicherem Toleranzausgleich während der Montage der elektronischen Baugruppe eine sichere thermische Kontaktierung derselben zumindest mittelbar am Kühlelement ermöglicht. Im Vergleich mit herkömmlichen, von Dritten bereitgestellten Hybrid-Matten der eingangs beschriebenen Art, welche einer bestimmten Anpassung, insbesondere einer bestimmten Auswahl und/oder eines bestimmten Zuschnitts während der Montage der elektronischen Baugruppe bedürfen, eröffnet die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung eine breitere Gestaltungsmöglichkeit des Mittels zur thermischen Kontaktierung bei gemindertem Material- und Montageaufwand. Dies wird durch die Möglichkeit erreicht, Prozessparameter, wie Materialmenge, Materialhöhe etc. direkt im Inhouse-Prozess anpassen zu können.
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Im Allgemeinen wird unter einer Baugruppe ein in sich geschlossener, aus zwei oder mehr Einzelteilen oder Baugruppen niederer Ordnung bestehender Gegenstand verstanden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung fällt unter dem Begriff besagter Baugruppe jedoch auch ein separat verbautes elektronisches Bauteil respektive Einzelteil, welches erfindungsgemäß zur thermischen Kontaktierung ein integral mit demselben ausgebildetes, elastomeres Kunststoffmaterial mit wärmeleitenden Eigenschaften aufweist. Demnach werden durch die Erfindung nicht nur besagte elektronische Baugruppen sondern auch separat verbaute elektronische Bauteile bzw. Einzelteile mit erfasst. Darüber hinaus wird unter einem integral mit der elektronischen Baugruppe ausgebildeten, elastomeren Kunststoffmaterial ein Kunststoffmaterial verstanden, welches vorab, d.h., vor der Montage der elektronischen Baugruppe bzw. des elektronischen Bauteils in der Batterie stoffschlüssig mit der elektronischen Baugruppe oder dem elektronischen Bauteil verbunden ist/wird und nicht zerstörungsfrei von derselben/demselben lösbar ist.
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Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
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Danach weist das elastomere Kunststoffmaterial neben toleranzausgleichenden und wärmeleitenden Eigenschaften auch elektrisch isolierende und dichtende Eigenschaften auf, wodurch eine im Stand der Technik favorisierte separate bzw. separat hergestellte Isolationsfolie entbehrlich ist. Im Hinblick auf den Stand der Technik resultiert hieraus insbesondere geminderter Herstellungs- und/oder Montageaufwand.
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Das besagte Kunststoffmaterial wird nach einem Kunststoff-Umformverfahren, nach einem Merkmal der Erfindung einem Spritzgieß-Verfahren an der elektronischen Baugruppe angebracht. Durch ein derartiges Fügefahren ist ein an die aktuellen Bedingungen, insbesondere im Hinblick auf eine aktuell zu verzeichnende Toleranzkette, besonders angepasstes Mittel zur thermischen Kontaktierung auch unmittelbar vor der Montage der elektronische Baugruppe darstellbar.
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Gemäß einer praxisnahen Ausführung der Erfindung sind die wärmeleitenden Eigenschaften des elastomeren Kunststoffmaterials bevorzugt durch wärmeleitende Additive im elastomeren Kunststoffmaterial erreicht, die weiter bevorzugt durch Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) gebildet sind.
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Was das elastomere Kunststoffmaterial anbelangt, weist dieses bevorzugt ein Polymer mit dichtenden und klebenden Eigenschaften, beispielsweise Polyurethan auf.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung einer elektronischen Baugruppe, welche elektronische Bausteine eines Batteriemanagementsystems (BMCe = Battery Management Controller extended) sowie ein Trägerelement für die besagten elektronischen Bausteine aufweist, wobei das elastomere Kunststoffmaterial der vorbeschriebenen Art bevorzugt am besagten Trägerelement angeordnet ist.
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Die elektronische Baugruppe, welche ein Mittel zur thermischen Kontaktierung derselben an einem Kühlelement, insbesondere eines Kühlsystems der Batterie des Fahrzeugs, aufweist, zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass das Mittel zur thermischen Kontaktierung durch ein mit der elektronischen Baugruppe integral ausgebildetes elastomeres Kunststoffmaterial mit wärmeleitenden Eigenschaften gebildet ist.
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Im Vergleich mit herkömmlichen, von Dritten bereitgestellten Hybrid-Matten der eingangs beschriebenen Art zur thermischen Kontaktierung einer elektronischen Baugruppe an einem Kühlelement, welche einer bestimmten Anpassung, insbesondere einer bestimmten Auswahl und/oder eines bestimmten Zuschnitts während der Montage der elektronischen Baugruppe bedürfen, eröffnet dieses erfindungsgemäße Mittel zur thermischen Kontaktierung eine breitere Gestaltungsmöglichkeit desselben im Umformwerkzeug bei gemindertem Material- und Montageaufwand durch Einstellbarkeit der Umformparameter inklusive Anpassung der Materialmenge.
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Die Erfindung betrifft auch einen Batterie, mit einer Kühlungsanordnung oder mit einer elektronischen Baugruppe der vorbeschriebenen Art.
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Ferner betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, mit einer solchen Batterie.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
- 1 äußerst schematisch ein Fahrzeug, welches eine Batterie mit einer Kühlungsanordnung der gattungsgemäßen Art aufweist,
- 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Batterie nach 1 mit besagter Kühlungsanordnung nach dem Stand der Technik,
- 3 eine Schnittdarstellung der Kühlungsanordnung nach 2 (Stand der Technik),
- 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer elektronischen Baugruppe der Kühlungsanordnung nach 2 bzw. 3 (Stand der Technik),
- 5 eine perspektivische Einzeldarstellung eines Trägerelements der elektronischen Baugruppe einer erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung oder Batterie zum Zeitpunkt der Ausbildung eines erfindungswesentlichen Mittels zur thermischen Kontaktierung am besagten Trägerelement, und
- 6 das Trägerelement nach 5 in einer weiteren perspektivischen Einzeldarstellung mit verbessertem Blick auf das erfindungswesentliche Mittel zur thermischen Kontaktierung sowie komplettiert um diverse weitere Bauteile der elektronischen Baugruppe.
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1 zeigt zunächst ein Fahrzeug 1, vorliegend einen Personenkraftwagen, mit einem Elektromotor 2 als Antriebsmotor und mit einer Batterie 3. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel handelt sich somit um ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug 1 mit einer Traktions- bzw. Hochvoltbatterie. Durch die Erfindung mit erfasst ist jedoch insbesondere auch ein sogenanntes Hybrid- oder Plug-in-Hybridfahrzeug, welches neben einem oder mehreren Elektromoren 2 auch einen Verbrennungsmotor aufweist (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Die Batterie 3 weist gemäß 2 eine Mehrzahl Zellmodule 4 auf, welche ihrerseits jeweils aus zumindest einer, vorzugsweise aus zwei oder mehr, nicht zeichnerisch dargestellten, untereinander elektrisch zusammengeschalteten elektrochemischen Speicherzellen gebildet sind. Die Zellmodule 4 sind auf einem Gehäuseboden 5 einer Unterschale 6 eines Batteriegehäuses 7 angeordnet. Komplettiert ist das Batteriegehäuse 7 mit einem Gehäusedeckel 8, welcher mit der Unterschale 6 fluiddicht verbunden, beispielsweise verschraubt ist/wird.
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Außenseitig des Batteriegehäuses 7 ist am Gehäuseboden 5 desselben ein Kühlelement 9 zur Kühlung der Batterie 3 respektive der im Batteriegehäuse 7 angeordneter elektronischen Komponenten vorgesehen. Das Kühlelement 9 ist plattenförmig ausgebildet und weist zumindest einen Kühlungskanal 10 auf, welcher in ein nicht zeichnerisch dargestelltes Kühlungssystem des Fahrzeugs 1 eingebunden ist. Zur aktiven Kühlung zirkuliert im besagten zumindest einen Kühlungskanal 10 ein Kühlungsfluid, welches beispielsweise ein an sich bekanntes Kühlmittel oder Kältemittel sein kann. Die Zellmodule 4 sind unter Vermittlung des Gehäusebodens 5 sowie gegebenenfalls einer an sich bekannten Wärmeleitpaste und/oder zumindest eines an sich bekannten Wärmeleitpads mit dem Kühlelement 9 thermisch verbunden (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Zusätzlich zu den Zellmodulen 4 sind innerhalb des Batteriegehäuses 7 angeordnete elektronische Baugruppen 11 und/oder nicht zeichnerisch dargestellte elektronische Bauteile (Einzelteile) vorhanden, welche ebenfalls einer Kühlung bedürfen. Die Erfindung wird nachfolgend beispielgebend anhand besagter elektronischer Baugruppen 11 beschrieben.
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Die 2 bis 4 zeigen insoweit elektronische Baugruppen 11, welche elektronische Bausteine 12 eines Batteriemanagementsystems (BMCe = Battery Management Controller extended) der Batterie 3 sowie jeweils ein vorliegend gehäuseartiges Trägerelement 13 für dieselben aufweisen. Derartige Baugruppen 11 werden in der Fachwelt gelegentlich auch als BMCe-Boxen bezeichnet, wobei vorliegend eine BMCe-Minus-Box und eine BMCe-Plus-Box vorgesehen sind. Die vorliegend als BMCe bezeichneten elektronischen Baugruppen weisen elektrische und elektronische Komponenten bzw. Bausteine 12, wie Sicherung, Relais, Shunt und dgl. mehr auf, welche nach Schaltplan mittels Stromschienen 14 untereinander elektrisch verbunden sind
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Die Trägerelemente 13 der elektronischen Baugruppen 11 weisen gemäß diesem Ausführungsbeispiel jeweils integral mit denselben ausgebildete Stromschienen 14 aus bevorzugt Kupfer oder einer Kupferlegierung auf. Ferner bilden sie eine Kontaktfläche 15 zur Abstützung und zur mittelbaren thermischen Kontaktierung am Kühlelement 9 aus (vgl. insbes. 3 und 4).
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Der Kontaktfläche 15 eines jeden Trägerelements 13 der betreffenden elektronischen Baugruppe 11 ist nach dem Stand der Technik eine Mittel 16 zur thermischen Kontaktierung zugeordnet, welches zum einen eine Isolationsfolie 17 zur elektrischen Isolierung der elektronischen Baugruppe 11 und zum anderen eine Hybrid-Matte 18 insbesondere der eingangs beschriebenen Art umfasst. Eine derartige Hybrid-Matte 18 wird bereits am Markt beispielsweise unter der Bezeichnung „Gap Pad®“ vertrieben und weist wärmeleitende sowie in Grenzen toleranzausgleichende Eigenschaften auf. Die Nachteile einer daraus gebildeten Anordnung 19 zur Kühlung oder kurz Kühlungsanordnung 19 nach dem Stand der Technik wurden eingangs bereits ausführlich beschrieben.
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Um diesen eingangs bereits beschriebenen nachteiligen Umständen der Kühlungsanordnung 19 nach dem Stand der Technik zu begegnen, weist die elektronische Baugruppe 11 gemäß den 5 und 6 nunmehr ein Mittel 16 zur thermischen Kontaktierung auf, welches durch ein integral mit der elektronischen Baugruppe 11 ausgebildetes elastomeres und demgemäß toleranzausgleichendes Kunststoffmaterial mit wärmeleitenden Eigenschaften gebildet ist.
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Neben den toleranzausgleichenden und wärmeleitenden Eigenschaften weist das besagte Kunststoffmaterial ferner elektrisch isolierende sowie dichtende Eigenschaften auf. Das elastomere Kunststoffmaterial ist hierzu durch ein nach einem an sich bekannten Kunststoff-Umformverfahren, wie beispielsweise einem Kunststoff-Spritzgießverfahren, am Trägerelement 13 angebrachtes Kunststoffmaterial gebildet. Das besagte Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyurethan, weist ein Polymer mit dichtenden und klebenden Eigenschaften auf. Zur Erzielung der besagten wärmeleitenden Eigenschaft weist dieses Kunststoffmaterial ferner wärmeleitende Additive, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) auf. Es ist somit eine sogenannte Hybrid-Baugruppe, bestehend aus der besagten elektronischen Baugruppe 11 und dem mit demselben stoffschlüssig und nicht zerstörungsfrei lösbaren elastomeren Kunststoffmaterial geschaffen.
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5 zeigt zunächst das Trägerelement 13 der elektronischen Baugruppe 11 zum Zeitpunkt der Ausbildung des besagten Mittels 16 zur thermischen Kontaktierung am Trägerelement 13. Dies erfolgt unter Einsatz eines an sich bekannten und demgemäß hier äußerst schematisch dargestellten Umformwerkzeugs 20 in Form beispielsweise eines Spritzgießwerkzeugs, welches formkomplementär der Kontaktfläche 15 des Trägerelements 13 ausgebildet ist. Insoweit wird schmelzflüssiges Kunststoffmaterial der vorbeschriebenen Art auf besagte Kontaktfläche 15 aufgebracht, welches nach dem Abkühlen und Erstarren stoffschlüssig am Trägerelement 13 anhaftet. Aufgrund der stoffschlüssigen Fügeverbindung ist ein sicherer Schutz gegen Feuchtigkeit gegeben.
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6 zeigt demgegenüber das zur elektronischen Baugruppe 11 respektive BMCe-Box um diverse weitere Bauteile, insbesondere besagte elektronische Bausteine 12, komplettierte Trägerelement 13, welches zur Montage in der Batterie 3 bereitgestellt ist.
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Die Materialstärke des elastomeren Kunststoffmaterials (Mittel 16 zur thermischen Kontaktierung) ist derart gewählt, dass unter Berücksichtigung aktuell zu verzeichnender Toleranzketten bei der Montage immer eine gesamtflächige thermische Kontaktierung des Gehäusebodens 5 und damit mittelbar über denselben auch des Kühlelements 9 gewährleistet ist. Um die Anpresskräfte während der Montage zu minimieren, ist darüber hinaus die Oberfläche 21 des angespritzten elastomeren Kunststoffmaterials strukturiert, vorliegend beispielgebend mit einer sägezahnartigen Geometrie ausgebildet (vgl. insbes. 6).
