DE102016003988A1

DE102016003988A1 - Baugruppe

Info

Publication number: DE102016003988A1
Application number: DE102016003988.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hamma; Daniel Moosmann; Matthias Reckermann
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2016-10-13
Also published as: DE102016003987A1; EP3281497A1; WO2016162459A1; WO2016162460A1; EP3281499A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe (1) mit einer Leiterplatte (2) und mit einem elektrischen Widerstandselement (3), insbesondere in der Art eines Shunts zur Strommessung. Das Widerstandselement (3) steht mit der Leiterplatte (2) in elektrischer und/oder mechanischer Verbindung. Zwischen dem Widerstandselement (3) und der Leiterplatte (2) ist ein in etwa U-förmiges Adapterelement (4) zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements (3) mit der Leiterplatte (2) angeordnet, wobei vorzugsweise das Adapterelement (4) mittels SMD-Löten mit einer Kontaktstelle (5) der Leiterplatte (2) verlötet ist. In einer anderen Ausführung ist das Widerstandselement (3) in die Leiterplatte (2) integriert angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 4.
Eine solche elektrische Baugruppe kann in einer Batterie beziehungsweise einem Akkumulator verwendet werden, insbesondere in einer solchen Batterie, in der große Ströme auftreten und/oder in der Wärmeenergie entsteht. Beispielsweise kann bei der Baugruppe in vorteilhafter Weise eine Leiterplatte an die Pole der Batterie kontaktiert werden, wobei die Leiterplatte als Träger für ein Schaltelement dienen kann. Eine solche Baugruppe eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
Eine solche elektrische Baugruppe umfasst eine Leiterplatte und ein elektrisches Widerstandselement, wobei das Widerstandselement insbesondere in der Art eines Shunts zur Strommessung ausgestaltet sein kann. Das Widerstandselement steht mit der Leiterplatte in Verbindung. Am Widerstandselement entsteht während des Betriebs der Baugruppe aufgrund des fließenden Stroms Wärme, die wiederum zur Beeinträchtigung der Baugruppe führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Baugruppe derart auszugestalten, dass die entstehende Wärme weitgehend abgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen elektrischen Baugruppe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder 4 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist das Widerstandselement mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte auf der Leiterplatte und/oder in die Leiterplatte integriert angeordnet. In vorteilhafter Weise wird die am Widerstandselement entstehende Wärme auf die Leiterplatte übergeleitet, wobei die Wärme anschließend in einfacher sowie effizienter Weise von der Leiterplatte abführbar ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer weiteren Ausgestaltung kann ein in etwa U-förmiges Adapterelement zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements mit der Leiterplatte zwischen dem Widerstandselement und der Leiterplatte angeordnet sein. Das Widerstandselement und/oder das Adapterelement können in einfacher fertigungstechnischer Weise mittels SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte bestückbar sein. In funktionssicherer Art und Weise kann das Adapterelement mittels Löten, insbesondere SMD-Löten, an einer Kontaktstelle der Leiterplatte befestigbar sein. Gegebenenfalls auftretende mechanische Spannungen, beispielsweise solche die durch die Wärmeeinwirkung entstehen, können dabei in zuverlässiger Art und Weise von dem U-förmigen Adapterelement aufgenommen werden.
In einer anderen Ausgestaltung, und zwar in einer Art von „Pin-in-Paste”-Ausführung, kann ein in etwa L-förmiges Adapterelement zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements mit der Leiterplatte zwischen dem Widerstandselement und der Leiterplatte angeordnet sein. Das Widerstandselement und/oder das Adapterelement können in einfacher fertigungstechnischer Weise mittels THT(Through Hole Technology)-Bestückung und/oder SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte bestückbar sein. In funktionssicherer Art und Weise kann das Adapterelement mittels Löten an einer Kontaktstelle der Leiterplatte befestigbar sein. Gegebenenfalls auftretende mechanische Spannungen, beispielsweise solche die durch die Wärmeeinwirkung entstehen, können dabei in zuverlässiger Art und Weise von dem L-förmigen Adapterelement aufgenommen werden.
Bei der Leiterplatte kann es sich in weiterer Ausgestaltung um eine Hochstromleiterplatte handeln. Beispielsweise kann eine solche Hochstromleiterplatte mit in die Leiterplatte eingebetteten massiven Kupferelementen zur Leitung eines hohen Stroms versehen sein. Gerade die ansonsten bei solchen Hochstromleiterplatten aufgrund der hohen Ströme auftretende große Wärmeenergie wird bei der erfindungsgemäßen Baugruppe in sicherer und zuverlässiger Weise abgeführt, so dass eine Zerstörung der Baugruppe wirksam verhindert ist. Die Funktionssicherheit einer solchen, eine Hochstromleiterplatte umfassenden Baugruppe ist mit Hilfe der Erfindung beträchtlich verbessert.
Zur weiteren Steigerung der Effizienz für die Wärmeabfuhr von der erfindungsgemäßen Baugruppe kann wenigstens eine Wärmesenke in wärmeleitender Verbindung zu einer Leiterbahn und/oder einer Kontaktstelle der Leiterplatte an der Leiterplatte angeordnet sein. In zweckmäßiger und kostengünstiger Weise kann die Wärmesenke aus einer Metallplatte bestehen.
Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist nachfolgendes festzustellen.
In elektromechanischen Steuergeräten ergibt sich oft die Situation, dass elektrische Ströme gemessen werden müssen. In elektrischen Anlagen fließen dann große elektrische Ströme, beispielsweise von bis zu 1.000 A. Diese Ströme verursachen bereits bei sehr geringen elektrischen Widerstanden deutliche Verlustleistungen. Ein typischer Shunt-Widerstand hat einen Wert von ca. 300 μOhm, so dass eine beträchtliche Verlustleistung von beispielsweise I²·R = 1.000² A·300 μOhm = 300 W entsteht. Deshalb ist es wichtig, dass diese Widerstände in ein gutes Wärmemanagement integriert sind.
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, die entstehende Wärmeenergie gut und/oder zuverlässig abzuleiten. Dies kann man am besten erreichen, wenn man diese Widerstände mechanisch spannungsfrei in das System integriert.
Es gibt zum einen die Möglichkeit, die Widerstände mit herkömmlichen Prozessen auf eine Hochstromleiterplatte zu platzieren und zu befestigen. Der Shunt-Widerstand kann als SMD(Surfache Mounted Device)-Bauteil bestückt und entsprechend gültiger sowie zuverlässiger Prozesse auf die Leiterplatte gelötet werden. Der Shunt-Widerstand kann ebenso als THT(Through Hole Technology)-Bauteil ausgestaltet sein, jedoch in einer „Pin-in-Paste”-Ausführung wie ein SMD-Bauteil bestückt werden und entsprechend gültiger sowie zuverlässiger Prozesse auf die Leiterplatte gelötet werden. Die alternative Lösung dazu ist zum anderen, diesen Widerstand direkt in die Leiterplatte zu integrieren, wodurch man beste und leistungsfähige thermische Eigenschaften erzielt. Diese Widerstände kann man dann vollständig elektrisch isolieren, wodurch man für die Anordnung von Wärmesenken vollständige Freiheiten hat. Geschaffen ist somit eine ein Widerstandselement umfassende Hochstromleiterplatte und/oder Leiterplatte mit verbesserten thermischen Eigenschaften.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in Folgendem:

– Es wirken keine durch die Wärmeenergie erzeugten mechanischen Kräfte auf den Shunt-Widerstand.
– Die Herstellung der Leiterplattenbaugruppe kann mit Standardprozessen erfolgen.
– Es ist eine gute elektrische Anbindung gegeben.
– Die elektrische Verbindungstechnik hat definierte Übergangswiderstände, die prozesssicher über die vollständige Produktlaufzeit sind.
– Es ist eine gute thermische Anbindung mit der SMD(Surface Mounted Device)- und/oder der THT(Through Hole Technology)-Lösung gegeben.
– Es ist eine sehr gute thermische Anbindung bei der Shunt-Integration in die Leiterplatte gegeben.
– Das thermische Management kann gut und produktspezifisch umgesetzt werden.
– Es ist eine beständige Verbindungstechnik geschaffen.
– Es bestehen gute Überwachungsmöglichkeiten in der Fertigung der Baugruppe.

Ausführungsbeispiele der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 eine elektrische Baugruppe in Seitenansicht sowie in Draufsicht,
2 einen Detailausschnitt aus 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 einen Detailausschnitt aus 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
4 die elektrische Baugruppe in Seitenansicht sowie in Draufsicht bei einer weiteren Ausführung.
In 1 ist eine elektrische Baugruppe 1 zu sehen, die eine Leiterplatte 2 und ein elektrisches Widerstandselement 3 umfasst. Insbesondere ist das elektrische Widerstandselement 3 in der Art eines Shunts zur Strommessung vorgesehen. Das Widerstandselement 3 steht mit der Leiterplatte 2 in Verbindung. Hierbei ist das Widerstandselement 3 mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte 2 auf der Leiterplatte 2 und/oder integriert in die Leiterplatte 2 angeordnet. Weiter steht ein Bauelement 6 mit der Leiterplatte 2 in Verbindung, wobei es sich bei dem Bauelement 6 um ein elektromechanisches Bauelement, und zwar um einen elektrischen Schaltkontakt, beispielsweise in der Art eines Relais handelt.
In einer ersten Ausführung gemäß 2 ist ein in etwa U-förmiges Adapterelement 4 zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements 3 mit der Leiterplatte 2 zwischen dem Widerstandselement 3 und der Leiterplatte 2 angeordnet. Vorliegend ist jeweils ein Adapterelement 4 beidseitig am Widerstandselement 3 angeordnet. Das Widerstandselement 3 und/oder das Adapterelement 4 ist dann mittels SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte 2 bestückbar. Das Adapterelement 4 ist mittels Löten, und zwar bevorzugterweise SMD-Löten, an einer Kontaktstelle 5 der Leiterplatte 2 befestigt. In einer zweiten Ausführung gemäß 3 ist das Widerstandselement 3 mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte 2 in die Leiterplatte 2 integriert angeordnet.
Eine nochmals weitere Ausführung ist in 4 zu sehen. Hier ist zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements 3 mit der Leiterplatte 2 ein in etwa L-förmiges Adapterelement 4' zwischen dem Widerstandselement 3 und der Leiterplatte 2 angeordnet, und zwar jeweils beidseitig am Widerstandselement 3. Das Widerstandselement 3 und/oder das Adapterelement 4' ist mittels THT(Through Hole Technology)-Bestückung und/oder SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte 2 bestückbar. Anschließend ist das Adapterelement 4' mittels Löten an einer Kontaktstelle 5 der Leiterplatte 2 befestigbar.
Bei der Leiterplatte 2 kann es sich um eine Hochstromleiterplatte handeln. Hierfür können in die Leiterplatte 2 massive Kupferelemente zur Leitung eines hohen Stroms eingebettet sein. Aufgrund des hohen fließenden Stroms entsteht eine gewisse Wärme im Schaltkontakt 6 sowie im Widerstandselement 3. Der Wärmefluss 7 kann, wie in 1 zu sehen ist, zumindest zum Teil auf die Leiterplatte 2 und von dort beispielsweise über Kühlkörper 8 in der Art von Wärmesenken abgeleitet werden. Hierfür ist wenigstens eine Wärmesenke 8 in wärmeleitender Verbindung zu einer Leiterbahn und/oder einer Kontaktstelle 5 der Leiterplatte 2 an der Leiterplatte 2 angeordnet. Die Wärmesenke 8 besteht beispielsweise aus einer Metallplatte.
Die erfindungsgemäße Baugruppe 1 kann im Batteriesystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die erfindungsgemäße Baugruppe 1 auch in Hausgeräten, Audiogeräten, Videogeräten, Telekommunikationsgeräten o. dgl. Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

1: (elektrische) Baugruppe
2: Leiterplatte
3: (elektrisches) Widerstandselement
4: Adapterelement (U-förmig)
4': Adapterelement (L-förmig)
5: Kontaktstelle
6: Bauelement/Schaltkontakt
7: Wärmefluss
8: Wärmesenke/Kühlkörper

Claims

Elektrische Baugruppe umfassend eine Leiterplatte (2) und ein elektrisches Widerstandselement (3), insbesondere in der Art eines Shunts zur Strommessung, wobei das Widerstandselement (3) mit der Leiterplatte (2) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (3) mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte (2) auf der Leiterplatte (2) angeordnet ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in etwa U-förmiges Adapterelement (4) zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements (3) mit der Leiterplatte (2) zwischen dem Widerstandselement (3) und der Leiterplatte (2) angeordnet ist, dass vorzugsweise das Widerstandselement (3) und/oder das Adapterelement (4) mittels SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte (2) bestückbar ist, und dass weiter vorzugsweise das Adapterelement (4) mittels Löten, insbesondere SMD-Löten, an einer Kontaktstelle (5) der Leiterplatte (2) befestigbar ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein in etwa L-förmiges Adapterelement (4') zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements (3) mit der Leiterplatte (2) zwischen dem Widerstandselement (3) und der Leiterplatte (2) angeordnet ist, dass vorzugsweise das Widerstandselement (3) und/oder das Adapterelement (4') mittels THT(Through Hole Technology)-Bestückung und/oder SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte (2) bestückbar ist, und dass weiter vorzugsweise das Adapterelement (4') mittels Löten an einer Kontaktstelle (5) der Leiterplatte (2) befestigbar ist.
Elektrische Baugruppe umfassend eine Leiterplatte (2) und ein elektrisches Widerstandselement (3), insbesondere in der Art eines Shunts zur Strommessung, wobei das Widerstandselement (3) mit der Leiterplatte (2) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (3) mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte (2) in die Leiterplatte (2) integriert angeordnet ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Leiterplatte (2) um eine Hochstromleiterplatte, insbesondere mit in die Leiterplatte (2) eingebetteten massiven Kupferelementen zur Leitung eines hohen Stroms, handelt.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wärmesenke (8) in wärmeleitender Verbindung zu einer Leiterbahn und/oder einer Kontaktstelle (5) der Leiterplatte (2) an der Leiterplatte (2) angeordnet ist, und dass vorzugsweise die Wärmesenke (8) aus einer Metallplatte besteht.