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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschirmung elektromagnetischer Störungen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Vorrichtungen zur Abschirmung von elektromagnetischen Störungen sind beim Einsatz von elektrischen und elektronischen Bauteilen und Leitern allgemein bekannt und üblich. Häufig werden dazu Gitter aus elektrisch leitenden Materialien als Faraday-Käfige eingesetzt oder es werden die entsprechenden Bauteile durch ein elektrisch leitendes Gehäuse umgeben. All dies ist entsprechend schwer und aufwändig in der Herstellung, außerdem muss aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Bauteile häufig eine elektrisch isolierende Zwischenschicht eingesetzt werden, um beispielsweise bei einem Kontakt mit unterschiedlichen elektrischen Bauteilen und/oder Leitern durch die Abschirmung keinen Kurzschluss zu verursachen. Besonders kritisch ist dies dann, wenn zusätzlich zur elektromagnetischen Abschirmung eine Abfuhr von Wärme notwendig ist, da hier eine direkte Berührung mit einer möglichst gut wärmeleitenden Schicht unerlässlich ist, was jedoch typischerweise für elektrisch isolierende Schichten nicht gilt.
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Neben dem Einsatz von Faraday-Käfigen und metallischen Abschirmgehäusen können auch elektrisch leitende Kompositmaterialien, Harze oder Silikone zum Einsatz kommen, beispielsweise indem die entsprechenden Trägermaterialien mit elektrisch leitenden Füllstoffen wie Pulvern, Fasern oder Vergleichbarem versehen werden. Diese weisen aber einerseits eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit als beispielsweise metallische Gehäuse auf und haben andererseits das Problem, dass sie dennoch elektrisch leitfähig sind, also vergleichbar wie die elektrisch leitenden Bauteile entsprechend isoliert werden müssen. Beispielsweise kann hierzu auf die
US 6,849,800 B2 , die
US 5,968,600 A , die
US 2019/0159371 A1 , die
DE 69934 344 T2 , die
EP 2 802 626 B1 oder auch die
US 2019/0343020 A1 hingewiesen werden, wobei die Letzte ein Kühlelement für Elektronikbauteile zeigt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Abschirmung von elektromagnetischen Störungen zwischen einem elektrischen Leiter und/oder elektrischen oder elektronischen Bauteilen und einem Kühlelement mit einer Abschirmschicht zwischen dem Leiter und/oder den Bauteilen und dem Kühlelement gegenüber den Aufbauten aus dem Stand der Technik zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es so, dass die Abschirmschicht aus einem oder mehreren der Materialien Nitride, Carbide, Oxide, Silikate und/oder Diamant besteht.
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Anders als im Stand der Technik werden solche Materialien jedoch nicht als Füllstoffe und Bestandteil eines Lacks, eines Harzes oder dergleichen verwendet, sondern die Abschirmschicht besteht aus diesen Materialien alleine. Sie können auf einem Substrat geträgert sein, wobei beispielsweise auch das Kühlelement als Substrat bzw. Träger dienen kann, wie es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist. Es sind jedoch auch selbsttragende Aufbauten in der Art von Wafern aus den entsprechenden Materialien denkbar. Diese Materialien haben den ganz entscheidenden Vorteil, dass sie einerseits dielektrisch und damit quasi elektrisch isolierend sind, und dass sie andererseits neben sehr guten Eigenschaften zur Abschirmung von elektromagnetischen Interferenzen auch die Möglichkeit einer sehr guten Wärmeleitung bieten. Sie können damit als einzelne Abschirmschicht beispielsweise zwischen Leiter und ein Kühlelement eingesetzt werden, wobei die Leiter beispielsweise die Ableiter von Batteriezellen oder anderen Bauteilen, insbesondere leistungselektronischen Bauteilen sein können. Dabei können beide unterschiedlichen Pole über ein Kühlelement und die zwischen dem Kühlelement und den Leitern oder Bauteilen angeordnete Zwischenschicht direkt kontaktiert werden. Damit ist einerseits eine gute Wärmeleitung bei guter elektromagnetischer Abschirmung andererseits und ausreichender elektrischer Isolierung zwischen den die Abschirmschicht kontaktierenden Leitern und/oder Bauteilen möglich.
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Als Materialien eignen sich insbesondere Bor- oder Aluminiumnitrid, Wolfram- oder Siliciumcarbid, Aluminium- oder Magnesiumoxid und aus dem Bereich der Silikate insbesondere Schichtsilikate sowie der bereits angesprochene Diamant.
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Die Abschirmschicht kann, wenn sie auf ein Substrat aufgetragen ist, beispielsweise durch eine Plasmabeschichtung, insbesondere eine Kaltplasmabeschichtung oder auch ein Bedampfen realisiert werden. Auch andere chemische oder elektrochemische Techniken sind denkbar, ebenso wie Verfahren zum mechanischen Beschichten eines Substrats mit dem entsprechenden Material, zB. Ein Aufwalzen.
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Als Substrat kann dabei insbesondere das Kühlelement bzw. eine den elektrischen Leitern und/oder Bauteilen zugewandte Fläche des Kühlelements dienen. Insbesondere beim Einsatz eines geeigneten Substrats ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich, diese Abschirmschicht durch eine Oberflächenbehandlung des Substrats herzustellen. So kann beispielsweise die Oberfläche des entsprechenden Materials verändert werden. Insbesondere kann beim Beispiel eines Kühlelements oder Substrats aus Aluminium dessen Oberfläche in Aluminiumoxid (Al2O3) umgewandelt werden.
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Wie bereits erwähnt kann eine besonders günstige Ausgestaltung der Vorrichtung es vorsehen, dass die Leiter und/oder Bauteile als Ableiter von Batterieeinzelzellen oder Leistungselektronik insbesondere in einer Batterie und hier insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, vorgesehen sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine erste mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Batterie in einer Darstellung mit drei Ansichten;
- 2 eine weitere mögliche Ausführungsform einer Batterie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3 eine dritte mögliche Ausführungsform einer Batterie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in drei Ansichten; und
- 4 eine vierte mögliche Batterie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei Ansichten.
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Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abschirmung von elektromagnetischen Störungen anhand ihres Einsatzes in verschiedenen Typen von Batterien, welche insbesondere als Traktionsbatterien in Fahrzeugen zum Einsatz kommen sollen, beschrieben. Sie kann jedoch genauso gut in anderen elektrischen und elektronischen Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere zur Abschirmung von elektrischen Leitern und/oder elektrischen oder elektronischen Bauteilen, insbesondere Bauteilen der Leistungselektronik.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dabei zur Abschirmung von elektromagnetischen Störungen und damit letztlich zur Steigerung der sogenannten elektromagnetischen Verträglichkeit EMV. Vor allem im Fahrzeugeinsatz ist es zwingend notwendig, eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen und Interferenzen zu schaffen, weil diese zu Fehlfunktionen in Steuergeräten und Rechnern des Fahrzeugs führen könnten. Werden diese beispielsweise zur Steuerung von Fahrfunktionen direkt oder mittelbar eingesetzt, ginge mit einer unzureichenden Abschirmung ein hohes Sicherheitsrisiko einher. Dies betrifft einerseits die Abschirmung gegen die sogenannte Electromagnetic Noise (EMC) als auch gegen die sogenannte Electromagnetic Interference (EMI). Im Deutschsprachigen werden diese typischerweise mit dem Begriff EMV für elektromagnetische Verträglichkeit zusammengefasst.
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Zur Steigerung der elektromagnetischen Verträglichkeit ist dafür eine Vorrichtung zur Abschirmung von elektromagnetischen Störungen notwendig. Diese ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine Abschirmschicht 1 ausgebildet. In der Darstellung der 1 ist in einer schematischen Darstellung eine Batterie 2 gezeigt. Dabei ist links eine Seitenansicht, in der Mitte eine Frontansicht und rechts eine Draufsicht auf diese Batterie 2 zu erkennen. Die Batterie 2 besteht aus mehreren Batterieeinzelzellen 3, von welchen jeweils nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Wie es aus der in der Mitte dargestellten Frontansicht zu erkennen ist, handelt es sich bei den Batterieeinzelzellen 3 hier um im Wesentlichen rechteckige Zellen, welche beispielsweise mit einem starren Gehäuse oder mit einem Foliengehäuse als sogenannte Pouch-Zellen ausgebildet sein können. Aus diesen rechteckigen Zellen ragen zwei Zellableiter 4, 5 auf einer Seite der Zellen heraus, wobei hier beispielhaft der mit 4 bezeichnete Zellableiter für den Pluspol der Zelle und der mit 5 bezeichnete Zellableiter für den Minuspol der Zelle steht. Die Pole sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel über zwei elektrische Sammelschienen 6, 7 untereinander kontaktiert, hier insbesondere in einer elektrischen Parallelverschaltung der Batterieeinzelzellen 3. In direktem und insbesondere wärmeleitendem Kontakt hierzu folgt dann die Abschirmschicht 1 und auf diese ein Wärmetauscher als Kühlelement 8. Dieser kann insbesondere von einem Kühlmedium, beispielsweise einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium, durchströmt sein und nimmt einerseits Abwärme der Batterieeinzelzellen 3 auf und kann bei Bedarf auch Wärme eintragen, um die Batterieeinzelzellen 3 beispielsweise bei einem Kaltstart eines Fahrzeugs bei widrigen Umgebungsbedingungen aufzuwärmen.
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Die Abschirmschicht 1 kann hier beispielsweise aus Bornitrid oder Wolframcarbid ausgebildet sein. Sie kann eigenständig oder auf einem hier nicht dargestellten Substrat aufgetragen sein. Insbesondere kann auch der Wärmetauscher 8, also das Kühlelement für die Batterieeinzelzellen 3 als Substrat dienen. Eine denkbare Lösung wäre es hier zum Beispiel, den Wärmetauscher 8 aus Aluminium auszubilden und seine den Ableitern 4, 5 bzw. den sie verbindenden Sammelschienen 6, 7 zugewandte Seite mit einer Schicht aus Aluminiumoxid zu versehen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Oberflächenbehandlung des Wärmetauschers 8 erfolgen. Auch andere Schichten sind hier denkbar, beispielsweise können über Bedampfungsverfahren, Plasmaspritzen oder dergleichen Schichten aus den gewünschten Materialien aufgetragen werden. Die Auswahl des geeigneten Materials kann dabei in Abhängigkeit der geforderten Parameter erfolgen. So haben die erfindungsgemäßen Materialien unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der elektromagnetischen Abschirmung einerseits und der Wärmeleitfähigkeit andererseits. Eine geeignete Materialauswahl entsprechend des gewünschten Einsatzzwecks kann dann in Abhängigkeit der benötigten Abschirmung und Wärmeleitung erfolgen, um so immer eine ideale Funktion zu gewährleisten.
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Gleichzeitig ist es so, dass die Abschirmschicht 1 dielektrisch, also elektrisch isolierend ausgebildet ist, sodass auch die gleichzeitige Kontaktierung dieser Schicht durch beide Stromsammler 6, 7 unkritisch ist und nicht zu einem Kurzschluss führt.
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In der Darstellung der 1 in der Seitenansicht ganz links sind dabei außerdem mit 9 bezeichnete Pfeile eingezeichnet, welche den Wärmeübergang aus dem Inneren der Batterieeinzelzellen über deren Zellableiter 4, 5 und die Abschirmschicht 1 in den Wärmetauscher 8 als Kühlelement zeigen. In der Draufsicht in der 1 rechts ist dabei die Abschirmschicht 1 mit angedeutet, auf die Darstellung des Wärmetauschers 8 wurde verzichtet.
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Der Aufbau in 2 variiert nun lediglich den konkreten Aufbau der Batterieeinzelzellen 1. Von diesen ist hier lediglich eine einzige dargestellt. Sie ist auch hier als rechteckige Batteriezelle 3 ausgebildet, welche ihren einen Ableiter 4 auf der einen Längsseite und den anderen Ableiter 5 auf der anderen Längsseite aufweist. Dementsprechend sind hier auch zwei getrennte Wärmetauscher 8 und Abschirmschichten 1 vorhanden, ansonsten entspricht der Aufbau bezüglich der Abschirmschichten 1 dem so im Wesentlichen bereits in 1 beschriebenen Aufbau.
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In der Darstellung der 3 wird dieser Aufbau nochmals variiert, indem eine Batterie 2 dargestellt ist, welche nun in runden Gehäusen aufgenommene Batterieeinzelzellen 3 zeigt. Diese haben ihre einen Ableiter 4 oben und die anderen Ableiter unten, sodass links in der Darstellung der 3 eine Draufsicht und eine Ansicht von unten dargestellt ist, um die jeweiligen Ableiter 4, 5 und die Stromsammler 6, 7 entsprechend sichtbar zu machen. In der 3 rechts ist dann wieder eine Seitenansicht zu erkennen, bei welcher die Ableiter 4 bzw. der Stromsammler 6 mit einem oben angeordneten Wärmetauscher 8 über die Abschirmschicht 1 wärmeleitend kontaktiert werden und dementsprechend die Ableiter 5 und der Stromsammler 7 unterhalb der Batterieeinzelzellen 2 analog.
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Abschließend ist in der Darstellung der 4 ein Aufbau einer Batterie zu erkennen, welcher sich im Wesentlichen wieder an dem Aufbau in der Darstellung der 1 orientiert. Der Unterschied ist, dass hier die Batterieeinzelzellen 3 ebenfalls rund ausgebildet sind, wobei sie ihren Ableiter 4, 5 für den Plus- und für den Minuspol jeweils auf einer Seite aufweisen, sodass die entsprechenden Ableiter 4, 5 und Sammelschienen 6, 7 wiederum auf derselben Seite der Batterieeinzelzellen liegen und über eine einzige Abschirmschicht 1 mit einem einzigen Wärmetauscher 8 in der oben schon beschriebenen Art und Weise verbunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6849800 B2 [0003]
- US 5968600 A [0003]
- US 2019/0159371 A1 [0003]
- DE 69934344 T2 [0003]
- EP 2802626 B1 [0003]
- US 2019/0343020 A1 [0003]
