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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung, insbesondere zur Verwendung in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
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In der Leistungselektronik, beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, werden elektrische und/oder elektronische Bauteile, die hohe elektrische Ströme führen, miteinander verbunden. Aufgrund der hohen elektrischen Ströme müssen stromführende Elemente, durch die die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile miteinander verbunden sind, entsprechend geringe elektrische Widerstände aufweisen und somit große Querschnitte haben. So wird Strom in solchen Anordnungen beispielsweise über Stromschienen, die auch Busbars genannt werden, geführt und die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile über Stromschienen miteinander verbunden.
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Zur Verbindung von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen untereinander werden Stromschienen, die elektrische Anschlüsse der elektrischen und/oder elektronischen Bauteile bilden, elektrisch miteinander verbunden. Dabei überlappen die Stromschienen und sind in dem Bereich, in dem sie überlappen, miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt oder verschweißt. Fließen hohe Ströme über die Verbindung, ist die Einhaltung eines geringen elektrischen Materialwiderstandes und die Einhaltung eines geringen elektrischen Kontaktwiderstand zur Minimierung der elektrischen Gesamtverlustleitung essenziell. Bei kraftschlüssigen Verbindungen, also beispielsweise beim Verschrauben, werden Stromschienen lediglich aufeinandergedrückt. An der Verbindungsstelle befindet sich jeweils eine Grenzschicht mit Oxiden und Verunreinigungen, die zu einem erhöhten Überganswiderstand führt, wodurch wiederum elektrische Verluste entstehen, die zu einer zusätzlichen Erwärmung der Verbindungsstelle führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Verbindungsanordnung, insbesondere zur Verwendung in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, vorgeschlagen. Die Verbindungsanordnung umfasst eine erste Stromschiene zur elektrischen Kontaktierung eines ersten elektrischen und/oder elektronischen Bauteils und eine zweite Stromschiene zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten elektrischen und/oder elektronischen Bauteils, wobei die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene in einem Überlappbereich überlappen und in dem Überlappbereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene in dem Überlappbereich mittels eines Verbindungselements aneinander befestigt sind, wobei zwischen der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene eine Lotschicht angeordnet ist.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs den Vorteil auf, dass der Übergangswiderstand zwischen dem ersten en Stromschiene und dem zweiten en Stromschiene bei einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Stromschienen deutlich reduziert ist. Durch die Lotschicht wird der Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen stark reduziert bzw. nahezu komplett eliminiert. Die Lotschicht kann beispielsweise im Fertigungsprozess, nach dem kraftschlüssigen Verbinden der beiden Stromschienen, auf die Stromschienen aufgeschmolzen werden. Weiterhin kann beispielsweise auch die Eigenerwärmung der Stromschienen, und die Erwärmung durch den noch vorhanden Übergangswiderstand ausgenutzt werden, um die Lotschicht im normalen Betrieb aufzuschmelzen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Lotschicht eine große Fläche zwischen den Stromschienen verbunden werden kann. Hingegen ist bei rein kraftschlüssigen Verbindungen, also beispielsweise bei nur miteinander verschraubten Stromschienen, der elektrisch wirksame Querschnitt zwischen den Fügepartnern auf die Stelle der Krafteinleitung begrenzt. So bildet sich bei Schraubverbindungen ein Kraftkegel aus, der nahezu der Größe des Schraubenkopfes entspricht. Über die Stelle der Krafteinleitung hinaus besteht lediglich ein schlechter oder kein elektrischer Kontakt zwischen den Stromschienen. Durch die Lotschicht zwischen den Stromschienen hingegen kann der gesamte Bereich, in dem die Stromschienen überlappen, für die elektrische Verbindung zwischen den Stromschienen genutzt werden und so ein deutlich geringerer Übergangswiderstand erzielt werden. Die mechanische Verbindung durch das Verbindungselement dient dann nicht mehr der elektrischen Verbindung zwischen den Busbars, sondern einzig der mechanischen Verbindung.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Lotschicht mit der ersten Stromschiene und/oder mit der zweiten Stromschiene stoffschlüssig verbunden ist. So wird der elektrische Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen vorteilhaft reduziert. Das Verbindungselement dient nur noch der mechanischen Verbindung zwischen den Stromschienen.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass sich die Lotschicht flächig zwischen der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene erstreckt. So wird eine großflächige Verbindung und damit ein geringer Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen erreicht.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass das Verbindungselement durch eine erste Ausnehmung in der ersten Stromschiene und durch eine zweite Ausnehmung in der zweiten Stromschiene hindurchragt.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass sich die Lotschicht flächig um die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung herum zwischen der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene, insbesondere über den gesamten Überlappbereich, erstreckt. So wird eine großflächige Verbindung und damit ein geringer Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen erreicht.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die erste Stromschiene und/oder die zweite Stromschiene aus Kupfer ausgebildet sind.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Lotschicht als Beschichtung auf der ersten Stromschiene und/oder der zweiten Stromschiene ausgebildet ist. So kann das Lot als Beschichtung zwischen den Stromschienen bereitgestellt werden und dann auf die jeweils andere Stromschiene aufgeschmolzen werden.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Lotschicht durch Wärme, die mittels durch die Verbindungsanordnung fließenden Stroms zwischen den Stromschienen erzeugt wird, an die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene angeschmolzen ist. So müssen bei der Fertigung der Verbindungsanordnung die beiden Stromschienen nur mechanisch aneinander befestigt werden. Das Aufschmelzen der Lotschicht auf die Stromschienen kann dann beispielsweise auch beim ersten Betrieb der Verbindungsvorrichtung erfolgen.
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Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Lotschicht aus einer zwischen den Stromschienen angeordneten und auf die Stromschienen aufgeschmolzenen Folie ausgebildet ist.
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Weiterhin erfindungsgemäß wird eine elektrische und/oder elektronische Baugruppe umfassend eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung vorgeschlagen. Die elektrische und/oder elektronische Baugruppe umfasst weiterhin ein erstes elektrisches und/oder elektronisches Bauteil und ein zweites elektrisches und/oder elektronisches Bauteil, wobei die erste Stromschiene als elektrischer Anschluss des ersten elektrischen und/oder elektronischen Bauteils ausgebildet ist und die zweite Stromschiene als elektrischer Anschluss des zweiten elektrischen und/oder elektronischen Bauteils ausgebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
- 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 100 mit einem Ausführungsbeispiel der Verbindungsanordnung 1. Die Verbindungsanordnung 1 kann bei allen Anwendungen, bei denen hohe Ströme über Kontaktverbindungen geführt und Leistungsverluste geringgehalten werden müssen, zum Einsatz kommen. Die Verbindungsanordnung 1 kann beispielsweise in Systemen, die hohe Ströme führen, beispielsweise in der Leistungselektronik, beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Verbindungsanordnung 1 in der Leistungselektronik, bei Wandlern oder Batterien eingesetzt werden.
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Die Verbindungsanordnung 1 umfasst eine erste Stromschiene 11, die beispielsweise ein elektrischer Anschluss eines ersten elektrischen und/oder elektronischen Bauteils 10 sein kann. Weiterhin umfasst die Verbindungsanordnung 1 eine zweite Stromschiene 21, die beispielsweise ein elektrischer Anschluss eines zweiten elektrischen und/oder elektronischen Bauteils 20 sein kann. Die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile 10, 20 können beispielsweise Inverter, Umrichter, DC/DC-Wandler, Kondensatoren, wie beispielsweise Zwischenkreiskondensatoren, Batterien oder beispielsweise auch andere elektronische und/oder elektrische Bauteile, die in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen Anwendung finden, sein oder umfassen.
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Das erste elektrische und/oder elektronische Bauteil 10 ist mit dem zweiten elektrischen und/oder elektronischen Bauteil 20 elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten elektrischen und/oder elektronischen Bauteil 10 mit dem zweiten elektrischen und/oder elektronischen Bauteil 20 ist über die Stromschienen 11, 21 hergestellt. Dazu sind die erste Stromschiene 11 mit der zweiten Stromschiene 21 elektrisch leitend verbunden.
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Die Stromschienen 11, 21 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, ausgebildet. Kupfer weist einen vorteilhaft geringen Materialwiderstand auf. Die erste Stromschiene 11 ist aus dem gleichen Material wie die zweite Stromschiene 21 ausgebildet. Die Stromschienen 11, 21 sind, zumindest in dem Bereich, in dem sie überlappen, eben ausgebildet. Die Stromschienen 11, 21 weisen in dem Überlappungsbereich 5 ebene Auflageflächen auf, die einander zugewandt sind. Die Auflageflächen der Stromschienen 11, 21 sind miteinander verbunden, so dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Stromschienen 11, 21 hergestellt ist. Die Stromschienen 11, 21 sind bezüglich ihrer Erstreckungsebenen planparallel zueinander angeordnet. Unter einer Stromschiene 11, 21 wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung ein elektrisch leitender Leiter, beispielsweise eine elektrisch leitende Leiste oder ein elektrisch leitender Streifen, verstanden. In 1 ist ein Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsebene der Stromschienen 11, 21 dargestellt. Eine Stromschiene kann somit beispielsweise eine Busbar sein. Die Stromschienen 11, 21 können beispielsweise gebogen oder gekrümmt sein oder auch kurven- oder stufenartig verlaufen. Die Stromschienen 11, 21 sind aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer, gefertigt. Die Stromschienen 11, 21 sind beispielsweise einstückig ausgebildet. Die Stromschienen 11,21 sind beispielsweise durchgehend aus dem gleichen Material ausgebildet. Die Stromschienen 11,21 sind beispielsweise als Stanzteile ausgebildet. In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede der Stromschienen 11, 21 eine über eine Längserstreckung der Stromschienen 11, 21 beispielsweise senkrecht zur Stromrichtung konstante Dicke der Stromschiene 11, 21 auf. Weiterhin weist in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel jede der Stromschienen 11, 21 eine über eine Längserstreckung der Stromschienen 11, 21 beispielsweise senkrecht zur Stromrichtung konstante Breite der Stromschiene 11, 21 auf.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst die Verbindungsanordnung 1 weiterhin ein Verbindungselement 30. Das Verbindungselement 30 stellt eine mechanische Verbindung zwischen der ersten Stromschiene 11 und der zweiten Stromschiene 21 her. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 30 als Schraubverbindungselement ausgebildet. Das Verbindungselement 30 umfasst beispielsweise eine Schraube 31 und eine Schraubenmutter 33. Die Schraube 31 ist im dem Überlappbereich 5, in dem die Stromschienen 11, 21 überlappen, durch die Stromschienen 11, 21 hindurchgeführt. Dazu ist in der ersten Stromschiene 11 eine erste Ausnehmung 12 ausgebildet und in der zweiten Stromschiene 21 eine zweite Ausnehmung 22 ausgebildet. Die Schraube 31 ragt durch die erste Ausnehmung 12 der ersten Stromschiene 11 und durch die zweite Ausnehmung 22 der zweiten Stromschiene 21 hindurch. An einem ersten Ende der Schraube 31 ist ein Kopf ausgebildet. An dem von dem ersten Ende der Schraube 31 abgewandten zweiten Ende der Schraube 31 ist eine Schraubmutter 33 auf ein Gewinde der Schraube 31 aufgeschraubt. Die Schraube 31 und die Schraubmutter 33 drücken somit die erste Stromschiene 11 und die zweite Stromschiene 21 aufeinander. Dabei ist die erste Stromschiene 11 mit der zweiten Stromschiene 21 in Kontakt, so dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Stromschienen 11, 21 hergestellt ist. Wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Verbindungselement 30 zusätzlich zur Schraube 31 und zur Schraubmutter 33 eine oder mehrere Unterlegscheiben 32 umfassen, die beispielsweise unter den Kopf der Schraube 31 oder unter die Schraubenmutter 33 untergelegt sein können. Das Verbindungselement 30 kann beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Stahl gefertigt sein.
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Die Verbindungsanordnung 1 umfasst weiterhin wenigstens eine Lotschicht 40. Die Lotschicht 40 ist zwischen den Stromschienen 11, 21 angeordnet. Die Lotschicht 40 stellt die elektrische Verbindung zwischen der ersten Stromschiene 11 und der zweiten Stromschiene 21 her. Die Lotschicht 40 kann beispielsweise eine durchgehend zusammenhängende Schicht sein. Die Lotschicht 40 kann aber auch eine in mehrere voneinander getrennte Bereiche unterteilte Lotschicht 40 sein. Die Lotschicht 40 ist um die erste Ausnehmung 12 herum und/oder um die zweite Ausnehmung 22 herum angeordnet. Die Lotschicht 40 erstreckt sich flächig auf der ersten Stromschiene 11 und der zweiten Stromschiene 21 in dem Überlappbereich 5. Die Lotschicht 40 steht in direktem stoffschlüssigen Kontakt mit der ersten Stromschiene 11 und der zweiten Stromschiene 21 .vDie Lotschicht 40 ist auf der ersten Stromschiene 11 und/oder auf der zweiten Stromschiene 21 aufgeschmolzen. Die Lotschicht 40 haftet an der ersten Stromschiene 11 und/oder an der zweiten Stromschiene 21 stoffschlüssig an. Die Lotschicht 40 kann beispielsweise durch Zwischenlage einer Folie zwischen die Stromschienen 11, 21 zwischen den Stromschienen 11, 21 und Aufschmelzen der Folie auf die Stromschienen 11, 21 entstehen. Die Lotschicht 40 kann auch als Beschichtung auf der ersten Stromschiene 11 und/oder der zweiten Stromschiene 21 ausgebildet sein und dann auf die jeweils andere Stromschiene 11, 21 aufgeschmolzen werden. Die Lotschicht 40 ist aus einem niedrigschmelzenden Lot ausgebildet. Beispielsweise kann die Lotschicht 40 als niedrig schmelzendes Zinn ausgebildet sein. Das Lot der Lotschicht 40 kann im Fertigungsprozess, nach dem kraftschlüssigen Verbinden, auf die Stromschienen 11, 21 aufgeschmolzen werden. Das Lot der Lotschicht 40 kann aber beispielsweise auch durch die Eigenerwärmung der Stromschienen 11, 21, indem die Erwärmung durch den noch vorhanden Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen 11, 21 im Betrieb der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 100 ausgenutzt wird, um das Lot im normalen Betrieb aufzuschmelzen.
Das Lot der Lotschicht 40 beinhaltet beispielsweise ein Flussmittel. Das Flussmittel stellt beim Ausschmelzen der Lotschicht 40 auf die erste Leiterschiene 11 und/oder auf die zweite Leiterschiene 21 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Lotschicht 40 und dem Material der Stromschienen 11, 21, beispielsweise Kupfer, her. Durch die Lotschicht wird eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt, welche den Übergangswiderstand zwischen den Stromschienen 11, 21 nahezu eliminiert. Der Kraftschluss durch das Verbindungselement 30 dient dann nur noch der mechanischen Fixierung der Stromschienen 11, 21 aneinander und nicht mehr der elektrischen Verbindung zwischen den Stromschienen 11, 21.
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Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
