DE102021204696A1

DE102021204696A1 - Gehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen und einer Vielzahl elektronischer Komponenten

Info

Publication number: DE102021204696A1
Application number: DE102021204696.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2022-11-10
Also published as: CN115334792A; US20220359940A1

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Gehäuse (100) zur Aufnahme von Batteriezellen und einer Vielzahl elektronischer Komponenten (111, 113, 115). Das Gehäuse (100) umfasst ein Elektronikgehäuse (101) zur Aufnahme der Vielzahl elektronischer Komponenten (111, 113, 115), ein Zellgehäuse (103) zur Aufnahme der Batteriezellen und mindestens einen Kühlmittelpfad (145) zum Temperieren des Gehäuses (100). In dem Elektronikgehäuse (101) ist ein Trennelement (121) angeordnet, dass das Elektronikgehäuse (101) in mindestens zwei Bereiche (115, 117) zur Aufnahme jeweiliger elektronischer Komponenten (111, 113, 115) der Vielzahl elektronischer Komponenten (111, 113, 115) trennt, wobei das Trennelement (121) jeweilige Bereiche (115, 117) der mindestens zwei Bereiche (115, 117) gegeneinander elektromagnetisch abschirmt, und wobei das Trennelement (121) thermisch mit dem mindestens einen Kühlmittelpfad (145) gekoppelt ist, um thermische Energie von den jeweiligen elektronischen Komponenten (111, 113, 115) auf in dem mindestens einen Kühlmittelpfad (145) strömendes Kühlmittel zu übertragen.

Description

Stand der Technik
Einzelne Batteriezellen werden insbesondere für Anwendungen im Fahrzeugbereich zu Batteriemodulen zusammengeschaltet. Batteriemodule werden zu Batterien bzw. Batteriesystemen zusammengeschaltet.
Aufgrund der Vielzahl an verschiedenen Fahrzeugbauräumen sind variable Modulgrößen erforderlich, um vorhandenen Bauraum optimal auszunutzen.
Zur Steuerung einer Energieaufnahme bzw. Energieabgabe eines Batteriesystems sind elektronische Komponenten, wie bspw. ein DC-DC Wandler, ein Zellkontaktierungssystem und eine Leistungselektronik bzw. ein sog. „DC-Breaker“ nötig.
Diese elektronischen Komponenten erzeugen jeweils unabhängige elektromagnetische Felder, die sich störend auf die Funktion weiterer elektronischer Komponenten auswirken können. Entsprechend geht eine Verkleinerung eines Bauraums zur Anordnung der elektronischen Komponenten mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für Fehler in den elektronischen Komponenten einher.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Gehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen und einer Vielzahl elektronischer Komponenten sowie ein Batteriesystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die vorgestellte Erfindung dient zum robusten Betrieb eines Batteriesystems. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung zum robusten Betrieb eines Batteriesystems in einem Fahrzeug.
Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Gehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen und einer Vielzahl elektronischer Komponenten vorgestellt. Das Gehäuse umfasst ein Elektronikgehäuse zur Aufnahme der Vielzahl elektronischer Komponenten, ein Zellgehäuse zur Aufnahme der Batteriezellen und mindestens einen Kühlmittelpfad zum Temperieren des Gehäuses, wobei in dem Elektronikgehäuse ein Trennelement angeordnet ist, dass das Elektronikgehäuse in mindestens zwei Bereiche zur Aufnahme jeweiliger elektronischer Komponenten der Vielzahl elektronischer Komponenten trennt, wobei das Trennelement jeweilige Bereiche der mindestens zwei Bereiche gegeneinander elektromagnetisch abschirmt, und wobei das Trennelement thermisch mit dem mindestens einen Kühlmittelpfad gekoppelt ist, um thermische Energie von den jeweiligen elektronischen Komponenten auf in dem mindestens einen Kühlmittelpfad strömendes Kühlmittel zu übertragen.
Unter einem Kühlmittelpfad ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Pfad, insbesondere ein Kanalsystem, entlang dessen ein Kühlmittel geführt wird, zu verstehen. Bspw. kann ein Kühlmittelpfad ein Kühlkreislauf sein.
Das vorgestellte Gehäuse basiert auf zwei Teilgehäusen, sodass jeweilige Batteriezellen einer Batterie in dem erfindungsgemäß vorgesehenen Zellgehäuse räumlich und thermisch von elektronischen Komponenten in dem erfindungsgemäß vorgesehenen Elektronikgehäuse getrennt sind.
Weiterhin sieht die vorgestellte Erfindung vor, dass das Elektronikgehäuse in mehrere Bereiche geteilt wird, um mehrere elektronische Komponenten, wie bspw. einen DC-DC Wandler, einen DC-Breaker und ein Batteriemanagementsystem thermisch und elektromagnetisch getrennt voneinander zu betreiben.
Zum Trennen des Elektronikgehäuses in mehrere Bereiche umfasst das vorgestellte Gehäuse ein Trennelement, wie bspw. ein Blech, insbesondere ein Aluminiumblech, das zum einen als thermischer Leiter wirkt, sodass mit dem Trennelement verbundene elektronische Komponenten durch das Trennelement mit einem Kühlmittel thermisch gekoppelt und entsprechend erwärmt bzw. entwärmt werden können. Zum anderen wirkt das Trennelement als elektromagnetische Abschirmung bzw. elektromagnetische Barriere, sodass eine Auswirkung elektromagnetischer Felder jeweiliger elektronischer Komponenten aufeinander durch das Trennelement minimiert wird.
Zum Ausbilden der elektromagnetischen Abschirmung ist das Trennelement mit dem Elektronikgehäuse elektrisch leitend verbunden. Entsprechend werden in das Trennelement eintretende elektromagnetische Wellen in das Elektronikgehäuse abgeleitet.
Weiterhin ist das erfindungsgemäß vorgesehene Trennelement an einen Kühlmittelpfad des vorgestellten Gehäuses thermisch gekoppelt, sodass dem Trennelement eine Doppelfunktion zukommt, nämlich ersten die elektromagnetische Abschirmung und zweitens die Temperierung von elektronischen Komponenten. Dabei kann der Kühlmittelpfad als zentraler Kühlmittelpfad zur Temperierung von Batteriezellen und elektronischen Komponenten in dem vorgestellten Gehäuse ausgestaltet sein. Alternativ kann das vorgestellte Gehäuse mehrere Kühlmittelpfade umfassen, wobei das Trennelement mit einem oder mehreren dieser Kühlmittelpfade thermisch gekoppelt ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Trennelement über mindestens eine mechanische Schnittstelle mechanisch mit dem Elektronikgehäuse gekoppelt ist, und das Trennelement über mindestens eine von der mechanischen Schnittstelle verschiedene thermische Schnittstelle thermisch mit dem Elektronikgehäuse gekoppelt ist.
Mittels verschiedener Schnittstellen zur thermischen und mechanischen bzw. elektrischen Kopplung des erfindungsgemäß vorgesehenen Trennelements mit dem Elektronikgehäuse können diese jeweils unabhängig voneinander ausgelegt werden, sodass eine thermische Schnittstelle für thermische Bedingungen optimiert und eine mechanische bzw. elektrische Schnittstelle für mechanische bzw. elektrische Bedingungen optimiert ausgestaltet werden kann. Entsprechend besteht bei der Auslegung der jeweiligen Schnittstellen kein Zielkonflikt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Trennelement über eine metallische Verbindung an der mindestens einen mechanischen Schnittstelle angeordnet ist, um das Trennelement mit dem Elektronikgehäuse elektrisch zu koppeln.
Eine metallische Verbindung des Trennelements mit dem Elektronikgehäuse kann bspw. durch eine metallische Schraube erreicht werden, die sowohl das Trennelement als auch das Elektronikgehäuse kontaktiert. Ferner kann das Trennelement Kontaktflächen aufweisen, an denen eine metallische Oberfläche, wie bspw. eine beschichtungsfreie Fläche eines Blechs, bereitgestellt wird, um eine entsprechende Kontaktfläche des Gehäuses zu kontaktieren.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mindestens eine mechanische Schnittstelle eine an dem Elektronikgehäuse umlaufend gebildete Rippenanordnung umfasst, wobei jeweilige Rippen der Rippenanordnung als Verschraubungsaufnahmen ausgebildet sind.
Durch eine Rippenanordnung, d. h. sich wiederholende Ausstülpungen bzw. Verdickungen an einem Rand des Elektronikgehäuses, können besonders mechanisch stabile Schnittstellen zur mechanischen Verbindung mit dem Trennelement bereitgestellt werden. Dabei kann ein Abstand zwischen jeweiligen Rippen derart gewählt werden, dass ein Spalt zwischen dem Trennelement und dem Elektronikgehäuse minimiert wird, sodass eine besonders gute elektrische Kopplung von Trennelement und Elektronikgehäuse erreicht wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mindestens eine thermische Schnittstelle Gegenkoppler zur thermischen Kopplung mit Kopplern des Trennelements umfasst, wobei die Gegenkoppler zwischen jeweiligen Rippen der Rippenanordnung und/oder umlaufend um jeweilige Rippen ausgebildet sind.
Thermische Gegenkoppler, wie bspw. Taschen zur Aufnahme von thermischen Kopplern, wie bspw. Laschen, können einen thermischen Pfad bilden, der thermische von dem Trennelement zu einem jeweiligen Kühlmittel führt. Dabei können die Gegenkoppler eine für jeweilige Koppler spezifische Form haben, um bspw. eine Anordnung von sogenannten „Gap-Fillern“ oder anderen Zusatzmaterialien an den thermischen Kopplern zu ermöglichen und einen entsprechend optimierten thermischen Kontakt zu dem Trennelement zu ermöglichen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Trennelement direkt mit zumindest einer der in dem Elektronikgehäuse angeordneten elektronischen Komponenten thermisch gekoppelt ist, um die zumindest eine thermisch mit dem Trennelement gekoppelte elektronische Komponente thermisch mit dem in dem mindestens einen Kühlmittelpfad strömenden Kühlmittel zu koppeln, und das Elektronikgehäuse direkt mit zumindest einer weiteren der in dem Elektronikgehäuse angeordneten elektronischen Komponente thermisch gekoppelt ist, um die zumindest eine thermisch mit dem Elektronikgehäuse gekoppelte elektronische Komponente mit dem in dem mindestens einen Kühlmittelpfad strömenden Kühlmittel zu koppeln.
Durch eine direkte thermische Kopplung einer ersten elektronischen Komponente mit dem Elektronikgehäuse und eine indirekte thermische Kopplung einer weiteren elektronischen Komponente mit dem Elektronikgehäuse über das Trennelement können verschiedene thermische Zonen in dem Elektronikgehäuse bereitgestellt werden, durch die verschiedene elektronische Komponenten mit einem jeweils spezifischen Wirkungsgrad entwärmt bzw. erwärmt werden können. Entsprechend kann derselbe Kühlmittelpfad zum Temperieren von elektronischen Komponenten mit unterschiedlicher Abwärme verwendet werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Trennelement eine Ausnehmung mit einer elektromagnetisch abgeschirmten elektrischen Schnittelle zur elektrischen Verbindung zwischen jeweiligen mittels des Trennelementes voneinander abgetrennter elektrischer Komponenten umfasst.
Um eine elektrische Kommunikation von jeweiligen durch das Trennelement getrennten elektronischen Komponenten zu ermöglichen, kann eine elektrische Schnittstelle vorgesehen sein, die sich durch eine Öffnung bzw. Ausnehmung in dem Trennelement erstreckt. Dabei kann die elektrische Schnittstelle selbst elektromagnetisch abschirmend sein und bspw. eine elektromagnetische abgeschirmte Steckverbindung oder eine Direktkontaktierung jeweiliger Platinen der elektronischen Komponenten umfassen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Elektronikgehäuse eine elektrische Schnittstelle zur Kommunikation mit einem außerhalb des Gehäuses befindlichen System umfasst.
Zur Kommunikation mit einem externen System, wie bspw. einem Antriebssystem eines Fahrzeugs, kann das Elektronikgehäuse eine elektrische Schnittstelle umfassen, die aus dem Gehäuse herausführt bzw. aus einer Umgebung des vorgestellten Gehäuses zugänglich ist.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Trennelement mehrfach gebogen ist, um einen Raum zur Aufnahme einer elektronischen Komponente bei maximaler Steifigkeit bereitzustellen.
Durch räumliche Biegungen des Trennelements kann ein Raum geschaffen werden, der eine jeweilige elektronische Komponente umgibt, sodass diese bspw. bei einem Unfall eines entsprechenden Fahrzeugs besonders gut gegen Beschädigungen geschützt ist.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Batteriesystem mit einer Batterie und einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Gehäuses.
Das vorgestellte Batteriesystem dient insbesondere als Traktionsbatterie zur Versorgung eines Antriebs eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Gehäuses,
2 eine seitlich geschnittene Darstellung des Gehäuses aus 1,
3 eine Darstellung von Bestandteilen eines Elektronikgehäuses des Gehäuses aus 1,
4 eine Detaildarstellung eines Basisteils des Elektronikgehäuses aus 3,
5 das Elektronikgehäuse aus 3 mit einer elektronischen Komponente,
6 das Elektronikgehäuse aus 3 mit einem Trennelement und einer weiteren elektronischen Komponente,
7 eine Detaildarstellung von mechanischen und thermischen Schnittstellen des Elektronikgehäuses aus 3,
8 eine Detaildarstellung des Trennelements aus 6,
9 eine seitlich geschnittene Darstellung des Elektronikgehäuses aus 3,
10 eine seitlich geschnittene Darstellung des Gehäuses aus 1,
11 eine weitere Ansicht des Elektronikgehäuses aus 3,
12 eine Detaildarstellung einer elektrischen Schnittstelle des Elektronikgehäuses aus 3,
13 eine Darstellung eines Kraftverlaufs durch das Elektronikgehäuse aus 3 bei einer mechanischen Belastung,
14 eine Darstellung eines Wärmeleitpfades durch das Elektronikgehäuse aus 3.
15 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Batteriesystems.

In 1 ist ein Gehäuse 100 dargestellt, das Gehäuse 100 umfasst ein Elektronikgehäuse 101 zur Aufnahme elektronischer Komponenten, ein Zellgehäuse 103 zur Aufnahme von Batteriezellen, und einen Kühlmittelpfad mit einem Kühlmitteleintritt 105, einem Kühlmittelaustritt 107 und einer Verbindungsleitung 109 zum Austauschen von Kühlmittel zwischen dem Elektronikgehäuse 101 und dem Zellgehäuse 103.
In 2 ist der prinzipielle Aufbau des Gehäuses 100 mit elektronischen Komponenten in Form eines DC-DC Wandlers 111, eines DC-Breakers 113 und einem Batteriezellmanagementsystem 115 dargestellt. Das Gehäuse 100 umfasst vorliegend zwei Kühlebenen 117 und 119. Während die erste Kühlebene 117 zur Kühlung elektronischer Komponenten in dem Elektronikgehäuse 101 dient, kühlt die zweite Kühlebene 119 Batteriezellen in dem Zellgehäuse 103.
Die elektronischen Komponenten befinden sich in dem Elektronikgehäuse 101 während das Zellgehäuse 103 mit Batteriezellen befüllt ist.
Durch die unterschiedliche Anforderung an die Entwärmung von DC-DC-Wandler 111 und DC-Breaker 113 ist eine abzuführende Wärmemenge für den DC-DC-Wandler 111 größer als für den DC-Breaker 113, was sich auf eine Ausführung eines Kühlmittelpfades des Gehäuses 100 auswirkt.
Vorliegend ist der DC-DC-Wandler 111 direkt thermisch mit dem Elektronikgehäuse 101 gekoppelt, während der DC-Breaker 113 indirekt über ein Trennelement 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 und entsprechend mit dessen Kühlmittelpfad thermische gekoppelt ist.
Der DC-DC-Wandler 111 und das Batteriezellmanagementsystem 115 wirken als Sender und Empfänger und sind vorliegend gemeinsam im Elektronikgehäuse 101 angeordnet.
In 2 sind ein Bauraum 123 des Elektronikgehäuses 101 für den DC-DC-Wandler 111 und ein Bauraum 125 des Elektronikgehäuses 101 für den DC-Breaker 113 und das Batteriezellmanagementsystem 115 dargestellt. Ohne elektromagnetische Abschirmung kann es aufgrund der beengten Bauräume 123 und 125 zu unerwünschten Wechselwirkungen zwischen den elektronischen Komponenten kommen.
Um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den elektronischen Komponenten zu vermeiden, sind die verschiedenen Bauräume 123 und 125 elektromagnetisch abgeschirmt voneinander ausgeführt. Dazu ist Trennelement 121 elektrisch mit dem Elektronikgehäuse 101 gekoppelt, sodass elektromagnetische Wellen, die in das Trennelement 121 eindringen, in das Elektronikgehäuse 101 abgeleitet werden.
In 3 ist das Elektronikgehäuse 101 mit DC-DC-Wandler 111, DC-Breaker 113 und einem Trennelement 121 dargestellt. Vorliegend wird der DC-DC-Wandler 111 auf der Innenseite des Elektronikgehäuses 101 angeordnet und wird direkt an eine thermische Kontaktfläche des Elektronikgehäuses 101 gekoppelt. Der DC-Breaker 113 sitzt in Z-Richtung unterhalb des DC-DC-Wandlers 111 und wird thermisch indirekt mittels des Trennelements 121 an das Elektronikgehäuse 101 und, dadurch bedingt, an dessen Kühlmittelpfad bzw. ein darin strömendes Kühlmittel gekoppelt. Das Trennelement umfasst hier optionale thermische Verbinder 116, die an thermischen Kopplern 139 des Trennelements 121 angeordnet sind und einen Übergang von Wärmeenergie durch das Trennelements 121 in das Elektronikgehäuse 101 maximieren. Das hier nicht dargestellte Batteriezellmanagementsystem 115 sitzt in Z-Richtung unterhalb des DC-Breakers 113.
In 4 ist eine Gehäuseinnenseite des Elektronikgehäuses 101 mit mechanischen Schnittstellen 129 zur mechanischen Kopplung des DC-DC-Wandlers 111, umlaufende mechanische Schnittstellen 131 zur mechanischen Kopplung des Trennelements 121 sowie thermische Schnittstellen 133 zur thermischen Kopplung des Trennelements 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 dargestellt. Die mechanischen Schnittstellen 131 zur mechanischen Kopplung des Trennelements 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 sind vorliegend beispielhaft als umlaufende Gussrippen und mittig angeordnete Verschraubungspunkte ausgestaltet, in die Aufnahmen zur Aufnahme von Schrauben eingebracht sind.
An den thermischen Kontaktflächen 127 zur thermischen Kopplung des DC-DC-Wandlers 111 mit dem Elektronikgehäuse 101 können thermische Verbindungselemente, wie bspw. sogenannte „Gap-Filier“ oder thermisch leitfähiger Kleber oder sogenannte „Gap-Pads“ angebracht sein. Der DC-DC-Wandler 111 kann bspw. durch Verschrauben seiner Platine mit dem Elektronikgehäuse 101 an mechanischen Schnittstellen 129 mechanisch gekoppelt werden, sodass sich ein sehr kurzer thermischer Pfad von indem Elektronikgehäuse 101 zirkulierendem Kühlmittel zu dem DC-DC-Wandler 111 mit minimierten thermischen Widerständen ergibt.
In 5 ist die Integration des DC-DC Wandlers111 in das Elektronikgehäuse 101 dargestellt. Bevorzugt für die gezeigte Ausführung wird ein Gap Filler zur thermischen Kopplung verwendet.
In 6 ist eine Gehäuseunterseite des Elektronikgehäuses 101 mit integriertem DC-Breaker 113 dargestellt. Das Trennelement 121 ist hier beispielhaft als Aluminiumbiegeteil ausgeführt.
Das Elektronikgehäuse 101 ist hier beispielhaft als Aluminiumdruckgussbauteil ausgeführt.
Die Ausführung des Elektronikgehäuses 101 und des Trennelements 121 aus Aluminiumwerkstoffen hat zum einen den Vorteil, dass beide sich bei thermischer Belastung wegen des gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht gegeneinander verspannen und zum anderen über eine sehr gute thermische Leitfähigkeit verfügen. Dies ist vor allem für die thermische Kopplung des DC-Breakers 113 wichtig, da dieser über einen langen thermischen Pfad bzw. indirekt über das Trennelement 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 thermisch gekoppelt ist.
Selbstverständlich sind auch andere Werkstoffe für das Trennelement 121 denkbar wie bspw. eine Kupferlegierung, die über eine im Vergleich zum Aluminium noch höhere thermische Leitfähigkeit verfügt.
Das Trennelement 121 dient gleichzeitig als sogenannter „Heat-Spreader“, also zum Verteilen einer thermischen Last, die durch die elektronischen Komponenten im Elektronikgehäuse 101 erzeugt wird.
Weiterhin dient das Trennelement 121 kurzzeitig als thermischer Puffer. Dies ist zum einen abhängig von einer Masse des Trennelements 121, zum anderen von einer Wärmekapazität des Trennelements 121.
Bei kurzen Strompulsen, die den DC-Breaker 113 beim Schalten thermisch belasten, führt eine thermische Pufferung durch das Trennelement 121 zu einer reduzierten Erwärmung der elektronischen Komponenten und hat damit direkten Einfluss auf eine Lebensdauer der elektronischen Komponenten. Um diesen Effekt zu optimieren kann der DC-Breaker 113 über eine möglichst große Fläche von thermischen Schnittstellen mit dem Trennelement thermisch gekoppelt werden. Je nach thermischen Anforderungen seitens des DC-Breakers 113 kann eine Anzahl und Größe von thermischen Kopplern an dem Trennelement 121 variiert werden. Die thermischen Koppler, die bspw. als Laschen ausgestaltet sein können, können optional an allen vier Seiten des Trennelements 121 vorgesehen sein.
Das Trennelement 121 ist mechanisch mittels umlaufenden mechanischen Schnittstellen 137, wie bspw. Verschraubungen mit dem Elektronikgehäuse 101 mechanisch gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass das Elektronikgehäuse 101 besonders steif ist und im Falle eines Unfalls bzw. eines äußeren mechanischen Einflusses, eine besonders belastbare Lastebene ausbildet.
Weiterhin wird durch die mechanischen Schnittstellen 121 eine mechanisch zuverlässige Verbindung zwischen dem Elektronikgehäuse und dem Trennelement 121 generiert.
Das Trennelement 121 kann optional Versteifungssicken umfassen, um die Steifigkeit des Elektronikgehäuses 101 weiter zu erhöhen und dessen mechanische Belastbarkeit weiter zu steigern.
Zusätzlich kann eine Dicke des Trennelements 121 erhöht werden. Dies verbessert zum einen dessen Wärmeleitfähigkeit, zum anderen dessen Steifigkeit.
Die thermische Kopplung des Trennelements 121 an das Elektronikgehäuse 101 und damit an das in dem Elektronikgehäuse strömende Kühlmittel bzw. eine entsprechende Wärmesenke, erfolgt bspw. über um 90° umgebogene mechanische Koppler des Trennelements 121. Diese tauchen in entsprechende Gegenkoppler im Elektronikgehäuse 101 ein.
Die thermische Kontaktierung der thermischen Koppler des Trennelements 121 und der Gegenkoppler des Elektronikgehäuses 101 erfolgt bspw. über einen thermisch leitfähigen Kleber oder eine thermisch leitfähige Vergussmasse. Alternativ oder zusätzlich sind sogenannte „Gap-Filler“ oder „Gap-Pads“ denkbar, da die mechanische Kopplung des Trennelements 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 mittels der mechanischen Schnittstellen 137 erfolgt. Entsprechend können zur thermischen Kopplung von Trennelement 121 und Elektronikgehäuse 101 Wärmeleitmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, da diese unabhängig von der mechanischen Kopplung des Trennelements 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 gestaltet bzw. gewählt werden können.
Die thermische Kopplung des DC-Breakers 113 mit dem Trennelement 121 erfolgt bspw. über thermische Schnittstellen 133, in die bspw. sogenannte „Gap-Filler“ oder ein „Gap-Pad“ eingebracht sein können. Zusätzlich oder alternativ ist eine thermische Kopplung des DC-Breakers 113 mit dem Trennelement 121 mittels thermisch leitfähigem Kleber denkbar.
Die mechanische Kopplung des DC-Breakers 113 an das Trennelement 121 erfolgt mittels mechanischer Schnittstellen 137, wie bspw. Verschraubungen, sodass die thermischen Schnittstellen 133 nur die thermische Kopplung übernehmen müssen. Entsprechend können für die thermischen Schnittstellen Wärmeleitmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, da die mechanische Anbindung über die mechanischen Schnittstellen erfolgt.
In 7 sind thermische Gegenkoppler 137 von thermischen Schnittstellen 133 zur thermischen Kopplung des Elektronikgehäuses 101 mit dem Trennelement 121 im Detail gezeigt.
Die thermischen Gegenkoppler 137 sind hier als Taschen ausgestaltet und werden direkt in einem Druckgussprozess zur Herstellung des Elektronikgehäuses 101 hergestellt. Direkt mittig an jeweiligen Taschen befindet sich jeweils eine mechanische Schnittstelle 131, wie bspw. ein Verschraubungsdom zum Verschrauben des Trennelements 121 mit dem Elektronikgehäuse 101.
Bei einer Anordnung des Trennelements 121 an dem Elektronikgehäuse 101 wird in die Taschen des Elektronikgehäuses 101 bspw. eine thermisch leitfähige Vergussmasse eingebracht. Alternativ oder zusätzlich kann ein thermisch leitfähiger Kleber oder ein sogenannter „Gap-Filler“ eingebracht werden. Bei der Anordnung des Trennelements 121 an dem Elektronikgehäuse 101 wechselwirken die Koppler mit den thermischen Gegenkopplern 137, d. h. bspw. die Laschen des Trennelements 121 tauchen in die Taschen des Elektronikgehäuses 101 ein und verdrängen dort befindliche Vergussmasse. Dabei wird das Trennelement 121 durch anziehen einer Schraubverbindung in direkter Nachbarschaft der Taschen in die Vergussmaße eingedrückt und zusätzlich für die Zeit des Aushärtens fixiert. Dadurch sind für den Aushärteprozess keine zusätzlichen Fixierungselemente notwendig. Außerdem wird das Trennelement 121 im Bereich der Taschen mechanisch über die Lebensdauer fixiert und damit ein Versagen der thermischen Kopplung verhindert.
Je nach thermischen Anforderungen an die Entwärmung des DC-Breakers 113 können die Laschen und Taschen umlaufend am Umfang des Trennelements bzw. des Elektronikgehäuses 101 ausgeführt sein.
In 8 ist das Trennelement 121 mit thermischen Kopplern 139 in Form von Laschen und mechanischen Kopplern 141 in Form von Verschraubungspunkten dargestellt.
In 9 ist eine thermische Schnittstelle 133 mit einem Gegenkoppler 137 in Form einer Tasche am Elektronikgehäuse 101 und einem darin eingreifenden thermischen Koppler 137 in Form einer Lasche mit einem Wärmeleitelement 145 des Trennelements 121 sowie eine mechanische Schnittstelle 137 in Form einer Verschraubung dargestellt.
Das Trennelement 121 ist über die mechanische Schnittstelle 131 mit dem Elektronikgehäuse 101 mechanische gekoppelt.
In 10 ist das Trennelement 121 zur elektromagnetischen Abschirmung des Bauraumes 123 für den DC-DC-Wandler 111 gegen den Bauraum 125 für den DC-Breaker 113 mit dem Batteriezellmanagementsystem 115 dargestellt.
Um eine elektromagnetische Abschirmung der beiden Bauräume 123, 125 voneinander zu erreichen, ist das Trennelement 125 über eine metallische Verbindung mit dem Elektronikgehäuse 101 elektrisch gekoppelt. Die elektromagnetische Abschirmung ist abhängig von dem Spalt zwischen dem Elektronikgehäuse 101 und dem Trennelement 121, sowie von Abständen, durch Pfeil 132 angedeutet, jeweiliger mechanischer Schnittstellen 131 zur mechanischen Kopplung von Trennelement 121 und Elektronikgehäuse 101.
Um den Spalt zwischen dem Trennelement 121 und dem Elektronikgehäuse 101 zu schließen bzw. zu minieren, verfügt das Elektronikgehäuse 101 über umlaufende mechanische Schnittstellen 131 in Form einer Gussrippe an der das Trennelement 121 anliegt.
Um eine optimale Anlage des Trennelements 121 an der Gussrippe zu gewährleisten wird in bestimmten Abständen das Trennelement 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 verschraubt. Dadurch wird an den mechanischen Schnittstellen 131 eine sichere elektrische Verbindung geschaffen. Durch die umlaufende Verschraubung sowie die Anlage des Trennelements 121 an den Gussrippen des Elektronikgehäuses 101 wird der Bauraum 123 des DC-DC-Wandlers 111 gegen den Bauraum 125 des DC-Breakers 113 und dem Batteriezellmanagementsystem 115 elektromagnetisch abgeschirmt. Dabei werden die Schraubabstände so gewählt, dass das Trennelement 121 optimal umlaufend an den Rippen anliegt. Außerdem sind die Schraubabstände so gewählt, dass je nach EMV Anforderungen ein sicherer elektrischer Kontakt besteht. Je nach Größe des zulässigen Spaltes zwischen dem Trennelement 121 und den Gussrippen können die Gussrippen sowie die Anschraubaugen am Elektronikgehäuse 101 mechanisch nachbearbeitet werden. Hierbei sind sehr kleine Toleranzen möglich, was zu einer Minimierung des Spaltes und damit zu einer optimalen EMV Abschirmung führt.
Der DC-Breaker 113 ist über Verschraubungen 136 in seiner Platine mit dem Trennelement 121 mechanisch gekoppelt.
Die Platine des DC-Breakers 113 umfasst eine Ausnehmung 134, in die eine Verschraubung zum mechanischen Koppeln des Trennelements 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 eingebracht ist.
Der DC-Breaker 113 muss elektrisch mit dem DC-DC-Wandler 111 verbunden werden. Dafür verfügt das Trennelement 121 unterhalb des DC-Breakers 113 optional über eine elektromagnetisch abgeschirmte elektrischen Schnittelle 147, wie bspw. eine Direktkontaktierung der beiden Platinen des DC-DC-Wandlers 111 und des DC-Breakers 113, die über eine EMV Abschirmung verfügt oder über eine EMV geeignete Steckerverbindung.
In 12 ist eine elektrische Schnittstelle 136 zur Kommunikation des DC-DC-Wandlers 111 mit einem externen System, wie bspw. einer Fahrzeugschnittstelle dargestellt. Diese wird durch eine Aussparung 138 im Elektronikgehäuse 101 innerhalb des abgeschirmten Bauraumes 123 für den DC-DC-Wandler 111 nach außen geführt. Auch die Platine des DS-Wandlers 111 umfasst eine Ausnehmung 140, in die eine Verschraubung zum mechanischen Koppeln des Trennelements 121 mit dem Elektronikgehäuse 101 eingebracht ist.
Ein Pfeil 142 deutet einen Abstand zwischen jeweiligen Verschraubungspunkten der mechanischen Schnittstellen 133 des Elektronikgehäuses an.
In 13 sind Lasteinträge bei einer mechanischen Belastung durch einen Unfall in X- und Y-Richtung durch entsprechende Pfeile dargestellt. Beim Unfall wird die Last zum einen über eine Bodenstruktur am Gehäuse 100 durch eine Sandwichbauweise des Kühlkanals und zum anderen über eine Sandwichstruktur des Kühlkanals am Elektronikgehäuse 101 gedämpft.
Durch das Trennelement 121 wird eine dritte Ebene gebildet, die die Last beim X- und Y- Unfall übertragen kann. Eine Kraftübertragung ist nur möglich, wenn das Trennelement 121 strukturell mit dem Elektronikgehäuse 101 verbunden ist. Dies wird durch die umlaufenden mechanischen Schnittstellen 131 gewährleistet. Damit das Trennelement 121 bei Belastung nicht ausknickt, ist in dessen Mitte eine zentrale mechanische Schnittstelle 151 vorgesehen. Je nach geforderter Solllast kann die Dicke sowie das Material des Trennelements 121 gewählt werden. Bevorzugt wird hier eine hochfeste Aluminium-Knetlegierung eingesetzt. Außerdem können je nach Anforderung zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit Sicken in Längs- und Querrichtung oder diagonal in das Trennelement 121 eingebracht werden.
Außerdem ist es denkbar, dass ein ganzer Bereich des Trennelements 121 in Z-Richtung umgeformt wird in den dann der DC-Breaker 113 integriert wird. Auch dies führt zu einer Aussteifung des Trennelements 121 und verhindert ein Ausknicken bei einem Unfall.
In 14 ist der thermische Pfad für die Entwärmung des DC-DC-Wandlers 111 als auch für den DC-Breaker 113 dargestellt. Der thermische Pfad von der Platine des DC-DC-Wandlers 111 zum Kühlmittel bzw. einer Wärmesenke ist sehr kurz. Die Wärme gelangt von der Platine des DC-Wandlers 111 über einen thermischen Koppler durch die Gehäusewand in den Kühlkanal und damit in das Kühlmittel.
Der thermische Pfad des DC-Breakers 113 ist wie folgt aufgebaut: Die Wärme gelangt von der Platine des DC-Breakers 113 über einen thermischen Koppler in das Trennelement 121. Danach gelangt die Wärme durch die thermischen Koppler 139 des Trennelements 121 in die Gegenkoppler 137 des Elektronikgehäuses 101 und durch die Gehäusewand in den Kühlkanal 145 und damit in das Kühlmittel.
Der DC-Breaker umfasst vorliegend ein Wärmeleitelement 147 zur thermischen Kopplung mit dem Trennelement 121. Analog umfasst vorliegend der DC-DC-Wandler 111 ein Wärmeleitelement 149 zur thermischen Kopplung mit dem Elektronikgehäuse 101.
In 15 ist ein Batteriesystem 200 mit einer Batterie 201 und dem Gehäuse 100 dargestellt.

Claims

Gehäuse (100) zur Aufnahme von Batteriezellen und einer Vielzahl elektronischer Komponenten (111, 113, 115), wobei das Gehäuse (100) umfasst: - ein Elektronikgehäuse (101) zur Aufnahme der Vielzahl elektronischer Komponenten (111, 113, 115), - ein Zellgehäuse (103) zur Aufnahme der Batteriezellen, - mindestens einen Kühlmittelpfad (145) zum Temperieren des Gehäuses (100), wobei in dem Elektronikgehäuse (101) ein Trennelement (121) angeordnet ist, dass das Elektronikgehäuse (101) in mindestens zwei Bereiche (115, 117) zur Aufnahme jeweiliger elektronischer Komponenten (111, 113, 115) der Vielzahl elektronischer Komponenten (111, 113, 115) trennt, wobei das Trennelement (121) jeweilige Bereiche (115, 117) der mindestens zwei Bereiche (115, 117) gegeneinander elektromagnetisch abschirmt, und wobei das Trennelement (121) thermisch mit dem mindestens einen Kühlmittelpfad (145) gekoppelt ist, um thermische Energie von den jeweiligen elektronischen Komponenten (111, 113, 115) auf in dem mindestens einen Kühlmittelpfad (145) strömendes Kühlmittel zu übertragen.
Gehäuse (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (121) über mindestens eine mechanische Schnittstelle (131) mechanisch mit dem Elektronikgehäuse (101) gekoppelt ist, und das Trennelement (121) über mindestens eine von der mechanischen Schnittstelle (131) verschiedene thermische Schnittstelle (133) thermisch mit dem Elektronikgehäuse (101) gekoppelt ist.
Gehäuse (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (121) über eine metallische Verbindung an der mindestens einen mechanischen Schnittstelle (131) angeordnet ist, um das Trennelement (121) mit dem Elektronikgehäuse (101) elektrisch zu koppeln.
Gehäuse (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, die mindestens eine mechanische Schnittstelle (131) eine an dem Elektronikgehäuse (101) umlaufend gebildete Rippenanordnung umfasst, wobei jeweilige Rippen der Rippenanordnung als Verschraubungspunkte ausgebildet sind.
Gehäuse (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine thermische Schnittstelle (133) Gegenkoppler (137) zur thermischen Kopplung mit Kopplern des Trennelements umfasst, wobei die Gegenkoppler (137) zwischen jeweiligen Rippen der Rippenanordnung und/oder umlaufend um jeweilige Rippen ausgebildet sind.
Gehäuse (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (121) direkt mit zumindest einer der in dem Elektronikgehäuse angeordneten elektronischen Komponenten (111, 113, 115) thermisch gekoppelt ist, um die zumindest eine thermisch mit dem Trennelement (121) gekoppelte elektronische Komponente (111, 113, 115) thermisch mit dem in dem mindestens einen Kühlmittelpfad (145) strömenden Kühlmittel zu koppeln, und wobei das Elektronikgehäuse (101) direkt mit zumindest einer weiteren der in dem Elektronikgehäuse (101) angeordneten elektronischen Komponente (111, 113, 115) thermisch gekoppelt ist, um die zumindest eine thermisch mit dem Elektronikgehäuse gekoppelte elektronische Komponente (111, 113, 115) mit dem in dem mindestens einen Kühlmittelpfad (145) strömenden Kühlmittel zu koppeln.
Gehäuse (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (121) eine Ausnehmung (138) mit einer elektromagnetisch abgeschirmten elektrischen Schnittelle (136) zur elektrischen Verbindung zwischen jeweiligen mittels des Trennelementes (121) voneinander abgetrennter elektrischer Komponenten umfasst.
Gehäuse (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikgehäuse (101) eine elektrische Schnittstelle zur Kommunikation mit einem außerhalb des Gehäuses (100) befindlichen System umfasst.
Gehäuse (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (121) mehrfach gebogen ist, um einen Raum zur Aufnahme einer elektronischen Komponente (111, 113, 115) bei maximaler Steifigkeit bereitzustellen.
Batteriesystem (200) mit einer Batterie (201) und einem Gehäuse (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.