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Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung. Die Leiterplattenanordnung weist eine Leiterplatte auf, die über eine flexible, verformbare und/oder nachgiebige Verbindung mit einer Grundplatte verbunden ist. Des Weiteren ist Gegenstand der Erfindung eine Verwendung der Leiterplattenanordnung in einer Batterie, einer Junction Box und/oder in einem Wandler. Zudem ist Gegenstand der Erfindung eine Batterie mit der erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung.
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Leiterplattenanordnungen sind grundsätzlich bekannt. Die Leiterplatte wird in der Regel auf einen Leiterplattenträger und/oder auf eine Kühlplatte angeordnet. Die Kühlplatte und/oder der Leiterplattenträger weisen in der Regel gegenüber der Leiterplatte eine erhöhte Steifigkeit auf, damit die Leiterplatte vor Biegungen und/oder Verformungen geschützt ist. Es kann vorkommen, dass die Grundplatte, auf der die Leiterplatte angeordnet ist, nicht nur zum Kühlen Verwendung findet, sondern beispielsweise auch dazu eingerichtet und/oder ausgebildet ist, mechanischen Spannungen bzw. Kräfte innerhalb einer Batterie bzw. Batteriezelle aufzunehmen. Mit anderen Worten kann die Grundplatte auch eine Druckplatte sein. Derartige Druckplatten sind erhöhten Spannungen ausgesetzt, sodass sich diese auch zumindest bereichsweise lokal verformen können. Bei einer auf der Druckplatte angeordneten Leiterplatte können Verformungen der Druckplatte Auswirkungen auf die Leiterplatte haben. Durch eine Verformung der Druckplatte kann auch eine Verformung der Leiterplatte einhergehen, wodurch die Leiterzuge der Leiterplatte oder die auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen Bausteine beschädigt werden können.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Leiterplattenanordnung anzugeben, bei der Beschädigungen der Leiterplatte reduziert werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen, wobei jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen kann, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Leiterplattenanordnung, aufweisend eine Grundplatte, eine auf der Grundplatte angeordnete Leiterplatte, wobei die Leiterplatte eine die Leiterplatte durchdringende Aufnahmeöffnung aufweist, eine zumindest abschnittsweise in die Aufnahmeöffnung eingreifende Befestigungshülse, die zumindest bereichsweise aus einem dauerelastischen Material ausgebildet ist und die eine die Befestigungshülse durchdringende Ausnehmung aufweist, ein zumindest abschnittsweise in die Ausnehmung eingreifendes Befestigungsmittel, das die Leiterplatte mit der Grundplatte verbindet.
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Mit anderen Worten ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass eine Leiterplattenanordnung, vorzugsweise für eine Batterie, eine Junction Box, und/oder einen Wandler, bereitgestellt wird. Die Leiterplattenanordnung weist eine Grundplatte auf. Die Grundplatte kann vorzugsweise aus einem Metall ausgebildet sein. Denkbar ist, dass die Grundplatte vorzugsweise eine Druckplatte und/oder eine Kühlplatte ist. Auf der Grundplatte ist eine Leiterplatte angeordnet. Die Leiterplatte kann vorzugsweise eine Mehrlagenleiterplatte sein. Für gewöhnlich weist die Leiterplatte wenigstens eine Leiterbahn und/oder einen Leiterzug aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. In der Leiterplatte ist eine die Leiterplatte durchdringende Aufnahmeöffnung ausgebildet. Die Aufnahmeöffnung erstreckt sich vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Leiterplatte. Besonders bevorzugt ist die Aufnahmeöffnung randgeschlossen ausgebildet. In der Aufnahmeöffnung ist eine Befestigungshülse angeordnet. Die Befestigungshülse ist zumindest bereichsweise aus einem dauerelastischen Material ausgebildet. Das dauerelastische Material kann ein Polymer, insbesondere ein Elastomer, sein. Denkbar ist auch, dass das dauerelastische Material elastomerbasiert und/oder polymerbasiert ist. Weiterhin weist die Befestigungshülse eine in Längsrichtung der Befestigungshülse verlaufende randgeschlossene Ausnehmung auf. Durch die randgeschlossene Ausnehmung ist ein Befestigungsmittel geführt und mit der Grundplatte mittelbar oder unmittelbar verspannt. Unmittelbar bedeutet, dass das Befestigungsmittel direkt mit der Grundplatte, beispielsweise über eine Schraubverbindung verspannt wird. Hierzu kann vorzugsweise eine Gewindebohrung in der Grundplatte vorgesehen sein. Das Befestigungsmittel kann vorzugsweise eine in die Gewindebohrung eingreifende selbstfurchende Schraube sein. Mittelbar bedeutet, dass das Befestigungsmittel vorzugsweise über eine Mutter gekontert ist und somit die Leiterplatte auf der Grundplatte befestigt ist. Über das dauerelastische Material kann die Leiterplatte derart flexibel auf der Leiterplatte angebunden werden, dass vorzugsweise geringe Verformungen der Grundplatte aufgenommen und nicht in die Leiterplatte eingeleitet werden. Somit kann die Leiterplatte vorzugsweise von Verformungen der Grundplatte bzw. des Leiterplattenträgers entkoppelt werden. Auf diese Weise können Beschädigungen und/oder Defekte der Leiterplatte reduziert werden. Des Weiteren kann über die flexible Lagerung der Leiterplatte auf der Druckplatte eine dämpfende Lagerung der Leiterplatte erzielt werden. Somit kann die Leiterplatte vorzugsweise von Vibrationen entkoppelt werden. Zudem können auch Toleranzen über die flexible Lagerung ausgeglichen werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Leiterplatte mittelbar und/oder unmittelbar auf der Grundplatte angeordnet ist. Bei einer mittelbaren Anordnung der Leiterplatte auf der Grundplatte ist vorzugsweise vorgesehen, dass zwischen der Leiterplatte und der Grundplatte eine Isolationsschicht und/oder ein thermisches Interface angeordnet ist. Das thermische Interface kann auch als thermisches Interface Material (TIM) bezeichnet werden. Das thermische Interface Material kann beispielsweise als ein Pad bzw. Kissen ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch, dass das thermische Interface Material als Masse dosiert die Grundplatte und/oder die Leiterplatte aufgetragen wird. Über das thermische Interface kann die thermische Anbindung der Leiterplatte an die Grundplatte optimiert werden. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung der Leiterplatte erhöht werden. Über die Isolationsschicht kann vorzugsweise eine elektrische Isolierung zwischen der Leiterplatte und der Grundplatte, sofern diese aus einem Metall ausgebildet ist, bereitgestellt werden. Des Weiteren weisen das thermische Interface und/oder die Isolationsschicht in der Regel eine reduzierte Steifigkeit auf, so dass Verformungen der Grundplatte über das thermische Interface und/oder die Isolationsschicht geringfügig kompensiert werden können. Bei einer unmittelbaren Anordnung der Leiterplatte auf der Grundplatte ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Grundplatte im direkten Kontakt zumindest mit der Befestigungshülse ist. Somit können aus der Grundplatte resultierende Verformungen unmittelbar über die Befestigungshülse kompensiert werden. Denkbar ist folglich, dass die Leiterplatte vollständig mittelbar auf der Grundplatte angeordnet ist. Vorstellbar ist aber auch, dass die Leiterplatte vollständig unmittelbar auf der Grundplatte befestigt ist. Vorstellbar ist aber auch, dass die Leiterplatte zumindest abschnittsweise mittelbar und abschnittsweise unmittelbar auf der Leiterplatte angeordnet ist. Somit kann vorgesehen sein, dass das die Isolationsschicht und/oder das thermische Interface bereichsweise auf der Druckplatte angeordnet ist. In Bereich der Befestigungshülse liegt die Druckplatte unmittelbar an der Befestigungshülse an. Das thermische Interface kann vorzugsweise in einer Nut der Druckplatte lokal bzw. bereichsweise angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Befestigungshülse eine innere Hülse und eine zur inneren Hülse beabstandet angeordnete äußere Hülse aufweist, wobei in einem Ringspalt zwischen der inneren Hülse und der äußeren Hülse das dauerelastische Material ausgebildet ist. Das dauerelastische Material ist vorzugsweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit der inneren Hülse und/oder der äußeren Hülse verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann eine Klebeverbindung sein. Die formschlüssige Verbindung kann vorzugsweise dadurch ermöglich werden, dass auf einer Außenseite des dauerelastischen Materials, die der inneren Hülse und/oder der äußeren Hülse zugewandt ist, eine Kontur und/oder Profilierung ausgebildet ist. Auf einer inneren Mantelfläche der inneren Hülse und/oder der äußeren Hülse, die dem dauerelastischen Material zugewandt ist, ist eine entsprechende Gegenkontur ausgebildet. Durch die innere Hülse verläuft die Aufnahmeöffnung. Anders ausgedrückt bildet eine in radialer Richtung der inneren Hülse nach innen gerichtete innere Mantelfläche eine Wandung der Aufnahmeöffnung. Eine in radialer Richtung der äußeren Hülse nach außen gerichtete äußere Mantelfläche ist im Kontakt mit der Leiterplatte.
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In diesem Zusammenhang liegt eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin, dass eine Materialsteifigkeit der inneren Hülse und der äußeren Hülse größer ist als eine Materialsteifigkeit des dauerelastischen Materials. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die innere Hülse und/oder die äußere Hülse aus einem Metall ausgebildet sind. Das Metall der inneren Hülse und der äußeren Hülse können gleich aber auch voneinander verschieden sein. Mit anderen Worten kann über die äußere Hülse eine steife und sichere Verbindung zwischen der Befestigungshülse und der Leiterplatte bereitgestellt werden. Über das durch die innere Hülse geführte Befestigungsmittel, das zumindest abschnittsweise auf der inneren Hülse unmittelbar und/oder mittelbar aufliegt, kann eine steife und sichere Anbindung der Leiterplatte an die Grundplatte erfolgen. Die Flexibilität zwischen der Grundplatte und der Leiterplatte wird durch das dauerelastische Material erzielt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die äußere Hülse einen in radialer Richtung der Hülse nach außen gerichteten Vorsprung aufweist, der auf einer Außenseite der Leiterplatte aufliegt oder in einen die Aufnahmeöffnung umgebenden Falz eingreift. Der Vorsprung ist vorzugsweise umlaufend ausgebildet. Die Außenseite der Leiterplatte ist auf einer der Grundplatte abgewandten Seite der Leiterplatte ausgebildet. Über den Vorsprung kann eine Anpresskraft in die Leiterplatte eingeleitet werden, um diese über das Befestigungsmittel auf der Grundplatte zu fixieren. Wenn der Vorsprung in die Falz der Leiterplatte eingreift, kann die Bauhöhe der Leiterplattenfixierung in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Leiterplatte reduziert werden. Somit kann der Bauraum der Leiterplattenanordnung reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Höhe der inneren Hülse kleiner ist als eine Höhe der äußeren Hülse. Die innere Hülse und die äußere Hülse sind vorzugsweise bündig zu einer Innenseite der Leiterplatte angeordnet, wobei die Innenseite der Leiterplatte der Grundplatte zugewandt ist. Die Höhe der inneren Leiterplatte und die Höhe der äußeren Hülse beziehen sich jeweils auf dessen Längsrichtung. Die Längsrichtung der inneren Hülse und die Längsrichtung der äußeren Hülse sind in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Leiterplatte ausgerichtet. Durch die reduzierte Höhe der inneren Hülse kann vorzugsweise ein Kopf des Befestigungsmittels bündig mit der Außenseite der Leiterplatte abschließen, wodurch eine reduzierte Bauhöhe der elastischen Anbindung der Leiterplatte an die Grundplatte ermöglicht werden kann.
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In diesem Zusammenhang ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass in dem dauerelastischen Material eine Vertiefung zur Aufnahme eines Kopfes des Befestigungsmittels ausgebildet ist. Die Vertiefung und/oder der bereichsweise Rücksprung des dauerelastischen Material schließt vorzugsweise bündig mit einer äußeren Stirnseite der inneren Hülse ab. Die äußere Stirnseite der inneren Hülse ist der Grundplatte abgewandt.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Batterie, einer Junction Box und/oder einem Wandler eines Kraftfahrzeugs. Die Batterie ist vorzugsweise dazu eingerichtet und/oder ausgebildet einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs Strom zu Verfügung zu stellen. Die Junction Box kann auch als Anschlusskasten für die Batterie bezeichnet werden. Vorzugsweise ist in dem Anschlusskasten ein Batteriemanagementsystem der Batterie angeordnet. Der Wandler kann auch als Gleichstromrichter oder Converter, insbesondere DC-DC Converter, bezeichnet werden.
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Batterie mit der erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung.
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In diesem Zusammenhang ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Grundplatte eine Druckplatte ist. Die Druckplatte ist vorzugsweise dazu eingerichtet und/oder ausgebildet Batteriezellen vorzuspannen, um vorzugsweise ein Bauchen der Batteriezellen zu unterbinden.
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Es sei bemerkt, dass sämtliche Merkmale, welche vorstehend und nachfolgend in Bezug auf einen Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, gleichermaßen für jeden anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gelten. Im Speziellen können sämtliche Merkmale der Leiterplattenanordnung auch Merkmale der Verwendung und/oder der Batterie sein. Dies gilt auch umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalen zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen, oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1 einen Schnitt durch eine Leiterplattenanordnung gemäß einer ersten Ausgestaltung,
- 2 einen Schnitt durch die Leiterplattenanordnung gemäß einer zweiten Ausgestaltung,
- 3 ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie.
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In 1 ist ein Schnitt durch eine Leiterplattenanordnung LA in einer ersten Ausgestaltung dargestellt. Die Leiterplattenanordnung LA weist eine Grundplatte GP auf. Die Grundplatte GP ist aus einem Metall ausgebildet. Die Grundplatte GP kann als Leiterplattenträger, als Druckplatte und/oder als Kühlplatte dienen. Auf der Grundplatte GP ist eine Leiterplatte LP angeordnet. Die Leiterplatte LP kann einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Für gewöhnlich weist die Leiterplatte LP wenigstens eine Leiterbahn und/oder einen Leiterzug aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Zudem können in der Leiterplatte LP und/oder auf einer Außenseite AS der Leiterplatte LP, die der Grundplatte GP abgewandt ist, elektrische Bausteine (nicht dargestellt), wie Transistoren, MOSFETs und/oder IGBTs angeordnet sein.
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In der Leiterplatte LP ist eine die Leiterplatte LP durchdringende Aufnahmeöffnung AO ausgebildet. Die Aufnahmeöffnung AO erstreckt sich von einer Innenseite IS der Leiterplatte LP, die der Grundplatte GP zugewandt ist, bis zur Außenseite AS in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Leiterplatte LP. Die Aufnahmeöffnung AO ist als randgeschlossene Öffnung ausgebildet. In der Aufnahmeöffnung AO ist eine Befestigungshülse BH angeordnet. Die Befestigungshülse BH weist eine innere Hülse IH und eine zur inneren Hülse IH beabstandet angeordnete äußere Hülse AH auf, wobei in einem Ringspalt RS zwischen der inneren Hülse IH und der äußeren Hülse AH ein dauerelastisches Material DM ausgebildet ist. Das dauerelastische Material DM ist vorzugsweise ein Elastomer. Es ist stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit der inneren Hülse IH und/oder der äußeren Hülse AH verbunden. Durch die innere Hülse IH verläuft in Längsrichtung der inneren Hülse IH eine randgeschlossene Ausnehmung AN. Anders ausgedrückt bildet eine in radialer Richtung der inneren Hülse IH nach innen gerichtete innere Mantelfläche IM eine Wandung der Ausnehmung AN. Eine in radialer Richtung der äußeren Hülse AH nach außen gerichtete äußere Mantelfläche AM ist im Kontakt mit der Leiterplatte LP.
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Durch die randgeschlossene Ausnehmung AN ist ein Befestigungsmittel BM geführt und mit der Grundplatte GP mittelbar oder unmittelbar verbunden. Vorliegend ist das Befestigungsmittel BM eine Schraube mit einem Schraubenkopf SK, wobei die Schraube ausgehend von der Außenseite AS der Leiterplatte LP durch die Ausnehmung AN geführt und direkt mit der Grundplatte GP verschraubt ist.
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Weiterhin ist ersichtlich, dass die äußere Hülse AH einen in radialer Richtung der äußeren Hülse AH nach außen gerichteten Vorsprung VS aufweist, der in eine die Aufnahmeöffnung AO umgebende Falz FA eingreift. Der Vorsprung VS ist umlaufend ausgebildet. Über den Vorsprung VS kann eine Anpresskraft in die Leiterplatte LP eingeleitet werden, um diese über das Befestigungsmittel BM auf der Grundplatte GP zu fixieren. Eine äußere Stirnseite der äußeren Hülse AH und des Vorsprungs VS, die der Grundplatte GP abgewandt ist, schließt bündig mit der Außenseite AS der Leiterplatte LP ab. Auf diese Weise kann die Bauhöhe der Leiterplattenfixierung in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Leiterplatte LP reduziert werden. Somit kann der Bauraum der Leiterplattenanordnung LA reduziert werden.
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Zwischen dem Schraubenkopf SK des Befestigungsmittels BM und der inneren Hülse IH ist vorzugsweise eine Unterlegscheibe US angeordnet, um die über das Befestigungsmittel BM ausgeübte Anpresskraft flächig in die Befestigungshülse BH einzuleiten. Die Unterlegscheibe US ist rein optional und kann je nach Ausbildung des Schraubenkopfes SK auch entfallen.
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Die Leiterplatte LP ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl abschnittsweise mittelbar als auch abschnittsweise unmittelbar auf der Grundplatte GP angeordnet. Bei der mittelbaren Anordnung der Leiterplatte LP auf der Grundplatte GP ist vorgesehen, dass zwischen der Innenseite IS der Leiterplatte LP und der Grundplatte GP eine Isolationsschicht ISS und/oder ein thermisches Interface TIM angeordnet ist. Über das thermische Interface TIM kann die thermische Anbindung der Leiterplatte LP an die Grundplatte GP optimiert werden. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung der Leiterplatte LP erhöht werden. Über die Isolationsschicht ISS kann eine elektrische Isolierung zwischen der Leiterplatte LP und der Grundplatte GP bereitgestellt werden. Das thermische Interface TIM und/oder die Isolationsschicht ISS weisen eine reduzierte Steifigkeit gegenüber der Grundplatte GP auf, so dass Verformungen der Grundplatte GP über das thermische Interface TIM und/oder die Isolationsschicht ISS kompensiert werden können. Bei einer unmittelbaren Anordnung der Leiterplatte LP auf der Grundplatte GP ist vorgesehen, dass die Grundplatte GP im direkten Kontakt zumindest mit der Befestigungshülse BH ist. Somit können aus der Grundplatte GP resultierende Verformungen unmittelbar über die Befestigungshülse BH kompensiert werden. Folglich kann die Leiterplatte LP von Verformungen des Leiterplattenträgers bzw. der Grundplatte GP entkoppelt werden. Auf diese Weise können Beschädigungen und/oder Defekte der Leiterplatte LP reduziert werden.
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In 2 ist ein Schnitt durch die Leiterplattenanordnung LA in einer zweiten Ausgestaltung gezeigt. Um Wiederholungen zu vermeiden werden lediglich auf die Unterschiede zur der aus 2 bekannten Leiterplattenanordnung LA eingegangen.
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Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Leiterplattenanordnung LA ist in der zweiten Ausgestaltung vorgesehen, dass eine Höhe der inneren Hülse IH kleiner ist als eine Höhe der äußeren Hülse AH. Die innere Hülse IH und die äußere Hülse AH sind bündig zur Innenseite IS der Leiterplatte LP angeordnet. Die Höhe der inneren Hülse IH und die Höhe der äußeren Hülse AH beziehen sich jeweils auf die Längsrichtung der jeweiligen Hülse. Die Längsrichtung der inneren Hülse IH und die Längsrichtung der äußeren Hülse AH sind in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Leiterplatte LP ausgerichtet. Ebenso weist das dauerelastische Material DM eine umlaufende Vertiefung bzw. eine Rücksprung RS auf. Die Vertiefung und/oder der bereichsweise Rücksprung RS des dauerelastischen Material DM schließt bündig mit einer äußeren Stirnseite der inneren Hülse IH ab. Die äußere Stirnseite der inneren Hülse IH ist der Grundplatte GP abgewandt. Durch die reduzierte Höhe der inneren Hülse IH kann der Schraubenkopf SK des Befestigungsmittels BM bündig mit der Außenseite AS der Leiterplatte LP abschließen, wodurch eine reduzierte Bauhöhe der elastischen Anbindung der Leiterplatte LP an die Grundplatte GP ermöglicht werden kann.
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In 3 ist eine Kraftfahrzeug KFZ mit einer Batterie BA gezeigt, wobei die Batterie BA dazu eingerichtet ist einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs KFZ, insbesondere einen Traktionsantrieb, mit elektrischer Energie zu versorgen. Die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung LA ist in der Batterie BA angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass die Grundplatte GP dazu eingerichtet ist, Batteriezellen der Batterie BA zu verspannen.
