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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer in einer ersten Richtung langgestreckten flexiblen Leiterplatte für ein Batteriemodul, wobei ein flexibler, elektrisch isolierender Träger bereitgestellt wird und eine Leiterbahnanordnung mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn auf dem Träger angeordnet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Leiterplatte für ein Batteriemodul,
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Solche flexiblen Leiterplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden zum Beispiel auch als FPC (Flexible Printed Circuits) bezeichnet. Durch ihre flexible Ausgestaltung sind diese Leiterplatten also nicht starr, sondern biegbar, zum Beispiel ähnlich einem biegbaren Band, und können sich so deutlich einfacher unterschiedlichen Oberflächengeometrien anpassen. Vor allem als Zellkontaktierungssystem oder Teil eines solchen werden solche flexiblen Leiterplatten häufig eingesetzt. Die flexiblen Leiterplatten können dann entsprechend Messleitungen oder Sensorleitungen aufweisen, die durch die oben genannte Leiterbahnanordnung bereitgestellt werden können. Diese Sensorleitungen können dann mit den Zellen eines Batteriemoduls verbunden beziehungsweise kontaktiert werden. Um also die notwendigen Informationen für ein Batteriemanagementsystem zu liefern, werden über Sensoren die Betriebsparameter von der Batterie abgegriffen, zum Beispiel Temperatur, Spannung und so weiter. Dieser Abgriff erfolgt heute entweder über das genannte FPC oder über einen Kabelsatz, wobei sich zunehmend das FPC durchsetzt, weil es zuverlässig arbeitet und einfach zu montieren ist. Es bietet gegenüber einem Kabelsatz, je nach Ausführung, auch leichte Kostenvorteile. Die Informationen, die von der Batterie über das Zellkontaktierungssystem abgegriffen worden sind, können dann weiterverarbeitet werden.
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Allerdings hat ein solches FPC beziehungsweise eine flexible Leiterplatte bislang den Nachteil, dass sie dennoch relativ teuer in ihrer Herstellung ist, was durch teure Materialien und viele einzelne Fertigungsprozesse bedingt ist. Das Grundmaterial für das FPC ist typischerweise PEN (Polyethylennaphthalat), was relativ teuer ist. Alternativ kann auch Kapton verwendet werden, was ebenfalls relativ kostspielig ist. Zur Erzeugung der Leiterbahnanordnung wird zumindest gemäß internem Stand der Technik eine Kupferfolie verwendet. Um die Kupferfolie und das Grundmaterial miteinander zu verbinden, wird ein Spezialklebstoff verwendet. Nach der Fertigung dieses Laminats aus Kupfer, Grundmaterial und Klebstoff kommt ein Ätzverfahren zum Einsatz, um die Leiterbahnstrukturen in die Kupferschicht auf dem Laminat einzuätzen. Anschließend kann auch eine Deckfolie aufgebracht werden und das FPC anschließend mit diversen Komponenten bestückt werden, zum Beispiel mit den Sensoren. Hierbei kommt z.B. ein Laser-Scheißprozess zum Einsatz, ebenso wie beim Anordnung und Befestigen der Leiterplatte am Batteriemodul.
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Die FPC-Herstellung ist mit einem sehr hohen Ausschuss behaftet und der komplexe Fertigungsprozess bringt diverse Qualitätsprobleme mit sich. Ein weiteres Problem bei flexiblen Leiterplatten für Batteriemodule besteht zudem darin, dass diese hinsichtlich ihrer Fertigungslänge limitiert sind. Allerdings kommen in einem Kraftfahrzeug bisweilen immer größere Batteriemodule zum Einsatz, die sich beispielsweise auch über mehrere Meter hinweg erstrecken können. Derart lange flexible Leiterplatten sind bislang jedoch nicht prozesssicher herzustellen.
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Die
US 2021/0057708 A1 beschreibt ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, die in einem elektrisch isolierenden Modulgehäuse mit einem Gehäuseboden angeordnet sind. Weiterhin ist eine integrierte elektrische Verbindungsplatinenanordnung am Modulgehäuse befestigt, die eine zentrale Abdeckung umfasst, die im Abstand zur Gehäusebasis angeordnet ist, mehrere Stromschienenverbinder, die an Endwänden befestigt sind und mit den elektrischen Anschlüssen der Batteriezellen verbunden sind. Weiterhin kann eine integrierte Schaltung an der zentralen Abdeckung montiert sein. Diese kann mit mehreren Erfassungsvorrichtungen, zum Beispiel mit Strom-, Spannungs- und Temperatursensoren, ausgestattet sein. Weiterhin kann eine flexible elektrische Leiteranordnung mit mehreren elektrischen Leiterbahnen vorgesehen sein, die von einer elektrisch isolierenden Leiterbahnfolie getragen wird, und die die flexible Leiterplatte und die Sensorvorrichtung über die Stromschienenverbinder mit den Batteriezellen verbindet.
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Die oben beschriebenen Probleme bleiben weiterhin bestehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine flexible Leiterplatte bereitzustellen, die möglichst einfach und kostengünstig sind, und die eine Fertigung von Leiterplatten auch mit sehr großen Längen erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Leiterplatte mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figur.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer in einer ersten Richtung langgestreckten flexiblen Leiterplatte für ein Batteriemodul wird ein flexibler, elektrisch isolierender Träger bereitgestellt und eine Leiterbahnanordnung mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn auf dem Träger angeordnet. Dabei wird die mindestens eine Leiterbahn mittels eines additiven Aufbringungsverfahrens auf dem elektrisch isolierenden Träger aufgebracht.
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Bei einem additiven Aufbringungsverfahren wird also nicht zuerst eine großflächige elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht, aus welcher dann die gewünschte Leiterbahnanordnung durch Ätzen oder ein anderen Abtragungsverfahren erzeugt wird, indem Teile dieser Schicht wieder abgetragen werden, sondern es kann durch ein additives Aufbringungsverfahren die mindestens eine Leiterbahn als Ganzes aufgebracht werden, ohne Teile davon wieder abtragen zu müssen. Beispiele für solche additiven Aufbringungsverfahren sind Druckverfahren, um gedruckte Leiterbahnen zu erzeugen. Die Nutzung solcher additiven Aufbringungsverfahren zum Erzeugen der mindestens einen Leiterbahn auf dem Träger hat enorme Vorteile für die Herstellung der flexiblen Leiterplatte. Zum einen muss zum Bereitstellen der Leiterbahnanordnung kein Ätzprozess verwendet werden. Daraus ergeben sich die Vorteile, dass sich dadurch der Fertigungsprozess deutlich einfacher gestaltet und dies wiederum zu einem geringeren Ausschuss führt. Außerdem kann kostintensives Leiterbahnmaterial, insbesondere Kupfer, eingespart werden. Darüber hinaus ist es möglich, nicht nur die Leiterbahnen mittels eines solchen additiven Prozesses auf dem Träger direkt aufzubringen, sondern auch einige oder alle Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren, direkt auf den Träger aufzudrucken, wie später näher beschrieben. Dadurch kann ein nachträgliches Bestücken der Leiterplatte mit Sensoren durch Anlöten oder Anschweißen oder einem anderen Prozess mit starker lokaler Hitzeentwicklung vermieden werden. Dies ermöglicht wiederum die Verwendung von günstigerem Grundmaterial für den Träger, da keine Anforderungen des Materials an kurzfristige Hitzebeständigkeit für Soldering oder Laserschweißen mehr notwendig ist. Insgesamt wird hierdurch eine Gesamtkostenreduktion von zirka 75 Prozent gegenüber herkömmlich gefertigten FPCs ermöglicht. Alle Vorteile herkömmlicher FPCs bleiben dennoch bestehen, zum Beispiel die Erschütterungsunempfindlichkeit, sowie die Flexibilität. Außerdem ist es nunmehr möglich, insbesondere wiederum dadurch bedingt, dass der nachträgliche Ätzprozess entfallen kann, dass eine solche flexible Leiterbahn sehr lange in ihrer Ausdehnung in ihrer ersten Richtung gefertigt werden kann. Die Leiterbahnen können dabei in beliebiger Länge auf das flexible elektrisch isolierende Trägermaterial aufgedruckt werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise auch die Verwendung für sehr große Batteriemodule.
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Der Träger ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gefertigt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Träger aus einem thermoplastischen Kunststoff bereitgestellt, insbesondere aus PET (Polyethylenterephthalat). Der Träger kann also beispielsweise aus PET (Polyethylenterephthalat) gefertigt sein. Dieses Material ist um einen Faktor 5 günstiger als beispielsweise PEN.
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Der Träger weist im Allgemeinen eine Länge in der ersten Richtung und beispielsweise eine Breite in einer dazu senkrechten zweiten Richtung auf, sowie eine Dicke in einer dazu senkrechten dritten Richtung, wobei die Dicke die kleinste Abmessung des Trägers darstellt. Diese kann sich im Bereich weniger Mikrometer oder Millimeter bewegen.
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Die mindestens eine elektrisch leitfähige Leiterbahn kann als Messleitung beziehungsweise als Sensorleitung fungieren. Zu diesem Zweck kann sie sich beispielsweise über einen Großteil oder auch über die gesamte Leiterplatte in der ersten Richtung erstrecken.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die mindestens eine Leiterbahn mittels einer elektrisch leitfähigen Tinte auf den flexiblen Träger aufgedruckt. Mit anderen Worten besteht die letztendlich auf den Träger aufgedruckte Leiterbahn aus dieser elektrisch leitfähigen Tinte. Eine solche Tinte wird auch als Ink bezeichnet. Damit ist die mindestens eine elektrisch leitfähige Leiterbahn als gedruckte Leiterbahn bereitgestellt. Als Tinte ist dabei zum Beispiel eine Silber-Ink oder eine Kupfer-Ink sehr vortei lhaft.
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Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung der mindestens einen Leiterbahn und der Leiterplatte als Ganzes, sowie die Herstellung der Leiterplatte in beliebiger Länge.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Leiterbahnanordnung mehrere Leiterbahnen umfasst, die in dem additiven Aufbringungsverfahren auf den flexiblen Träger aufgebracht, insbesondere mittels der Tinte aufgedruckt werden. Mit anderen Worten können mit dem beschriebenen Druckverfahren zum Bereitstellen gedruckter Leiterbahnen beliebige Leiterbahnanordnungen bereitgestellt werden. Das Aufdrucken der Leiterbahnen kann dabei nacheinander, aber auch gleichzeitig erfolgen. Die Leiterbahnen können dabei in gewünschter Anordnung zueinander aufgedruckt werden, insbesondere um eine gewünschte Schaltungsanordnung bereitzustellen. Soll jede der Leiterbahnen beispielsweise als separate Sensor- oder Messleitung fungieren, so können die einzelnen Leiterbahnen in Längsrichtung verlaufend und senkrecht zur Längsrichtung zueinander beabstandet aufgedruckt werden. Mit anderen Worten müssen sich die Leiterbahnen nicht notwendigerweise berühren und/oder überschneiden.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Leiterbahnen der Leiterbahnanordnung sich in der ersten Richtung erstrecken und z.B. in einer zweiten zur ersten senkrechten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Damit können vorteilhafterweise auf dem Träger vielzählige als Sensorleitungen fungierende Leiterbahnen bereitgestellt werden. Jede dieser Leiterbahnen kann mit mindestens einem Sensor assoziiert sein. Die durch diesen assoziierten Sensor erfassten Sensorsignale können dann über die betreffende Leiterbahn weitergeleitet werden, zum Beispiel bis zu einem Anschlussbereich, an welchen ein Zellmodulcontroller angeschlossen werden kann. Dieser kann die Sensorsignale entsprechend auswerten.
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Dabei ist es weiterhin sehr vorteilhaft, wenn die flexible Leiterplatte in der ersten Richtung eine Länge aufweist, die größer ist als ein Meter, insbesondere die mehrere Meter beträgt. Beispielsweise kann die Leiterplatte in einer Größenordnung von zwei bis drei Metern gefertigt sein beziehungsweise gefertigt werden. Mittels des Druckverfahrens ist dies auf prozesssichere Weise und mit äußerst geringem Ausschuss möglich.
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Damit kann nunmehr eine solche Leiterplatte als Ganzes gefertigt und auch für sehr große Module verwendet werden. Mit anderen Worten muss sich die Leiterplatte nicht aus einzelnen Bauteilen zusammensetzen. Der elektrisch isolierende Träger kann als Trägerfolie bereitgestellt sein, und zwar als einstückig ausgebildete, ununterbrochene Trägerfolie.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein Sensor elektrisch leitend verbunden mit der mindestens einen Leiterbahn auf dem flexiblen Träger aufgebracht, insbesondere ebenfalls in einem Druckverfahren aufgedruckt. Mit anderen Worten wird der mindestens eine Sensor derart aufgebracht, dass er nach dem Aufbringen mit der mindestens einen Leiterbahn elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch können über die Leiterbahn die Sensorsignale des Sensor bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Leiterplatte an einem Batteriemodul geleitet werden. Grundsätzlich ist es möglich, den mindestens einen Sensor in einem Bestückungsverfahren nachträglich, zum Beispiel mittels Soldering oder Laserschweißen, aufzubringen. Bevorzugt wird der mindestens einen Sensor jedoch durch ein Verfahren aufgebracht, bei welchem es nicht so eine so starken lokalen Hitzeentwicklung kommt.
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Daher stellt es einen weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der mindestens eine Sensor dadurch aufgebracht wird, dass er in einen Druckverfahren aufgedruckt wird oder mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs aufgeklebt wird. Bei mehreren Sensoren können unterschiedlichen Aufbringungsverfahren verwendet werden.
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Das oben genannte Druckverfahren ermöglicht es nicht nur, Leiterbahnen auf den Träger zu drucken, sondern insbesondere auch Sensoren aufzudrucken. Gerade bei Temperatursensoren ist ein solches Druckverfahren einfach möglich. Daher stellt der Sensor, der aufgedruckt wird, bevorzugt einen Temperatursensor dar. Ein Temperatursensor kann zum Beispiel bevorzugt als NTC (Negative Temperature Coefficient)-Sensor ausgebildet sein, oder auch als PTC (Positive Temperature Coefficient)-Sensor, und einen elektrischen Widerstand umfassen, der sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert. Ein solcher Widerstand kann also entsprechend ebenfalls mittels des beschriebenen Druckverfahrens, beziehungsweise im Allgemeinen durch das oben beschriebene additive Aufbringverfahren, auf den Träger aufgebracht beziehungsweise aufgedruckt werden. Ein derartiges Aufbringen beziehungsweise Aufdrucken ist dabei deutlich schonender für das Trägermaterial, das entsprechend weniger temperaturbeständig ausgebildet sein kann. Dies ermöglicht wieder die Verwendung von zum Beispiel PET als Trägermaterial, was eine deutlich kostengünstigere Herstellung der Leiterplatte ermöglicht.
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Falls noch Bausteine, zum Beispiel weitere Sensoren, die insbesondere von Temperatursensoren verschieden sein können, benötigt werden, die bislang noch nicht in einem Druckverfahren auf ein Substrat aufgedruckt werden können, können diese alternativ auch im Nachhinein bestückt werden. Dabei ist bevorzugt, dass diese Bestückung unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs erfolgt. Dies ist ebenfalls besonders schonend im Gegensatz zum Löten oder Schweißen. Auch Bausteine, insbesondere Sensoren wie die Temperatursensoren, die sich auch auf den Träger drucken lassen, können alternativ über den elektrisch leitfähigen Klebstoff aufgebracht werden.
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Auch kann die Leiterplatte mit mehreren Sensoren hergestellt werden, wobei manche davon aufgedruckt werden und manche davon durch ein Bestückungsverfahren aufgebracht werden, insbesondere unter Verwendung des elektrisch leitfähigen Klebstoffs. Ein Bestückungsverfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass Anschlüsse der betreffenden zu bestückenden Bauteile mit einer oder mehreren der Leiterbahnen, die bereits auf dem Träger angeordnet sind, elektrisch leitend, zum Beispiel durch den elektrisch leitfähigen Klebstoff, oder auch Löten, Schweißen, Laserschweißen oder ähnlichem, verbunden werden. Beispielsweise können Temperatursensoren auf den Träger aufgedruckt werden, während Stromsensoren und Spannungssensoren bestückt werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass alle Sensoren aufgedruckt werden.
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Weiterhin können die Sensoren derart aufgebracht werden, dass jede der Leiterbahnen elektrisch leitend mit mindestens einem der Sensoren verbunden wird. Somit kann für jeden Sensor eine durch die entsprechend verbundene Leiterbahn bereitgestellte Signalleitung bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird an mindestens einem Ende des Trägers bezogen auf die erste Richtung eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen an eine Steuereinheit des Batteriemoduls angebracht. Die Anschlusseinrichtung kann sich dabei in mehrere Anschlusselemente gliedern. Beispielsweise können mehrere Leiterbahnen der Leiterbahnanordnung zu diesem Ende des Trägers geführt sein und dort in ein entsprechendes Anschlusselement münden. Die Anschlusselemente können elektrisch voneinander isoliert sein. An jedem Anschlusselement kann dann das entsprechende Sensorsignal im Falle einer Sensormessung bereitgestellt werden. Die Anschlusseinrichtung kann entsprechend mit einer Steuereinheit des Batteriemoduls verbunden werden. Die Steuereinheit kann zum Beispiel als Zellmodulcontroller ausgestaltet sein.
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Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Batteriemodul nur an einem Ende eine solche Steuereinheit aufweist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die auf dem Träger angeordneten Leiterbahnen alle zum gleichen Ende geführt sind und dort in ein Anschlusselement zur Bereitstellung der Anschlusseinrichtung münden. Denkbar ist es auch, dass das Batteriemodul an zwei gegenüberliegenden Enden eine solche Steuereinheit aufweist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn zum Beispiel ein Teil der Leiterbahnen zum einen Ende des Trägers geführt ist, und ein anderer Teil der Leiterbahnen zum gegenüberliegenden Ende des Trägers geführt ist, an dem sich ebenfalls eine zweite Anschlusseinrichtung, umfassend zum Beispiel mehrere elektrisch isolierte Anschlusselemente, befindet. Diese kann an die zweite Steuereinheit des Batteriemoduls angeschlossen werden. Außerdem ist es denkbar, dass der Träger eine vom ersten zum zweiten Ende führende durchgehende Leiterbahn aufweist. Diese kann die beiden Anschlusseinrichtungen, die sich an den beiden Enden des Trägers befinden, miteinander elektrisch leitend verbinden. Dadurch können die beiden Steuereinheiten in einem am Batteriemodul angeordneten Zustand der Leiterplatte miteinander elektrisch leitend verbunden werden. Somit können die von der einen Steuereinheit erfassten Sensorsignale an die andere der beiden Steuereinheiten weitergeleitet werden. Die Steuereinheit, die dann die Signale von der anderen Steuereinheit empfängt, kann diese Signale wiederum zu einem übergeordneten Batteriemanagementsteuergerät weiterleiten. Dadurch reduziert sich insgesamt der Verkabelungsaufwand, da nicht beide Steuergeräte des Batteriemoduls separat an dieses übergeordnete Steuergerät angebunden werden müssen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung mit einem Batteriemodul und mit einer Leiterplatte. Dabei wurde die Leiterplatte gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren oder eine seiner Ausführungsformen hergestellt, insbesondere wie dieses bereits zuvor beschrieben wurde.
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Außerdem ist es bevorzugt, dass die Leiterplatte am Batteriemodul zumindest bereichsweise mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff angeklebt wird. Insbesondere erfolgt über das Ankleben mittels des elektrisch leitfähigen Klebstoffs automatisch auch ein Kontaktieren mindestens eines Sensors der Leiterplatte an einer Batteriezelle des Batteriemoduls, zum Beispiel an einem Zellpol der Batteriezelle oder an einem Zellverbinder zum elektrisch leitenden Verbinden zweier Zellpole unterschiedlicher Batteriezellen. Mit anderen Worten können die zuvor beschriebenen Sensoren oder zumindest manche davon, die sich auf der Leiterplatte befinden, jeweils separat über einen Anbindungsbereich, der durch den elektrisch leitfähigen Klebstoff bereitgestellt ist, mit einer entsprechenden Kontaktstelle am Batteriemodul kontaktiert werden. Damit kann zum Kontaktieren auch hier der Löt- oder Schweißprozess beziehungsweise ein Laserschweißprozess entfallen. Dies ist wiederum deutlich schonender für die Leiterplatte. Dies ermöglicht wiederum die Verwendung des bereits beschriebenen kostengünstigeren Materials für den Träger.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird, die Leiterplatte mittels eines Spannrahmens an das Batteriemodul angepresst. Als Alternative oder zusätzlich zum Ankleben der Leiterplatte am Modul mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs besteht also auch die Möglichkeit, die gefertigte Leiterplatte in einen Rahmen einzuspannen und mittels Druck an das Modul zu kontaktieren. Der Rahmen kann dabei gleichzeitig auch als Spannrahmen dienen, um den Zellstapel des Batteriemoduls in Stapelrichtung zu verspannen. Durch die Spannkraft wird auch die zwischen dem Rahmen und dem Zellstapel angeordnete Leiterplatte gegen den Zellstapel gedrückt und dadurch die Sensoren mit den betreffenden Zellen automatisch kontaktiert. An diesen Kontaktstellen kann dabei zusätzlich noch optional unterstützend der elektrisch leitfähige Klebstoff verwendet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen auf, wobei die Leiterplatte derart am Batteriemodul angeordnet wird, dass die erste Richtung zur Stapelrichtung korrespondiert und sich die Leiterplatte im Wesentlichen über den gesamten Zellstapel in Stapelrichtung erstreckt. Die Leiterplatte überdeckt damit vorteilhafterweise alle vom Batteriemodul umfassten Batteriezellen. Damit können Sensor- und Messwerte von allen Zellen über die Leiterplatte erfasst werden. Mit anderen Worten kann damit der gesamte Zellstapel und jede einzelne Zelle des Zellstapels messtechnisch mittels der Leiterplatte erfasst werden.
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Dabei kann es zudem vorgesehen sein, dass mehrere der Zellen oder auch jede Zelle über den oben beschriebenen elektrisch leitfähigen Klebstoff mit der Leiterplatte kontaktiert ist bzw. kontaktiert wird.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Leiterplatte so gefertigt wird, dass sie nach dem Drucken der Leiterbahnen auf den Träger mit einer elektrischen Isolierung, zum Beispiel einer elektrisch isolierenden Folie oder Beschichtung, derart versehen wird, dass sich die Leiterbahnen zwischen dieser elektrischen Isolierung von dem Träger befinden. Mit anderen Worten können die Leiterbahnen oberseitig, das heißt auf einer dem Träger abgewandten Seite, durch eine elektrisch isolierende Beschichtung oder Isolierschicht bedeckt werden. Stellen, die elektrisch leitend an zum Beispiel das Batteriemodul über den elektrisch leitfähigen Klebstoff angebunden werden sollen, sowie die zu den Anschlusseinrichtungen oder zur Anschlusseinrichtung gehörenden Anschlusselemente können dabei freigehalten werden, das heißt diese werden nicht von einer elektrischen Isolierung bedeckt. Die Isolierung kann auch gezielt nur lokal dort aufgebracht werden, wo die Leiterbahnen angeordnet sind. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, die Leiterplatte derart an dem Batteriemodul anzuordnen, dass die Seite des Trägers, auf welcher die Leiterbahnanordnung angeordnet ist, dem Batteriemodul zugewandt ist. Durch die beschriebene elektrische Isolierung besteht damit auch kein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Leiterbahnen und dem Batteriemodul, außer an den gewünschten Kontaktstellen, die bevorzugt durch die Sensoren oder zumindest manche der Sensoren bereitgestellt sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Leiterplatte für ein Batteriemodul, die als eine in der ersten Richtung langgestreckte, flexible Leiterplatte ausgebildet ist, die einen flexiblen, elektrisch isolierenden Träger und eine auf dem Träger angeordnete Leiterbahnanordnung mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn aufweist. Dabei ist die mindestens eine Leiterbahn als additiv gefertigte, insbesondere gedruckte Leiterbahn auf dem Träger aufgebracht. Mit anderen Worten ist die auf dem Träger aufgebrachte Leiterbahn als additiv gefertigte, insbesondere gedruckte Leiterbahn ausgebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäßen Verfahren und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Leiterplatte.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leiterplatte, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leiterplatte hier nicht noch einmal beschrieben.
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Des Weiteren soll auch ein Batteriemodul bzw. eine Batterieanordnung mit einem Batteriemodul und einer an diesem angeordneten erfindungsgemäßen Leiterplatte oder einer ihrer Ausführungsformen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Auch einen Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer oder mehrerer solcher Batterieanordnungen soll zur Erfindung gehören. Auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batterieanordnung und insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einer Hochvolt-Batterie soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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Hierzu zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 10 mit einer flexiblen Leiterplatte 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 10 umfasst in diesem Beispiel mehrere in einer Stapelrichtung S nebeneinander angeordnete Batteriezellen 14, die zum Beispiel als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein können, oder alternativ auch als Pouchzellen oder Rundzellen. Außerdem können die Batteriezellen 14 zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Weiterhin können die Batteriezellen 14 durch einen umlaufenden Spannrahmen miteinander verspannt sein, der vorliegend jedoch nicht dargestellt ist. Die Stapelrichtung S korrespondiert zudem vorliegend zu der dargestellten x-Richtung. Das Batteriemodul kann beidseitig in x-Richtung durch Endplatten eines solchen Spannrahmens begrenzt sein. An diesen Endplatten kann ein Zellmodulcontroller 16 angeordnet sein. In diesem Beispiel umfasst das Batteriemodul 10 zwei Zellmodulcontroller 16, 18, von denen jeweils einer an einem jeweiligen Ende des Batteriemoduls 10 bezogen auf die x-Richtung angeordnet ist. Diese Zellmodulcontroller 16, 18 sind dazu ausgelegt, diverse Messgrößen der Batteriezellen 14 zu erfassen und an ein übergeordnetes Steuergerät 20, zum Beispiel ein Batteriemanagementsystem, weiterzuleiten. Zum Erfassen dieser Messgrößen ist die Leiterplatte 12 vorgesehen. Die Leiterplatte 12 ist dabei so angeordnet, dass sie alle Batteriezellen 14 des Moduls 10 überdeckt.
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Die Leiterplatte 12 bildet zusammen mit dem Batteriemodul 10 eine Batterieanordnung 22. Das Batteriemodul 10 beziehungsweise die Batterieanordnung 22 kann zum Beispiel eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug bereitstellen bzw. von einer solchen Hochvolt-Batterie umfasst sein. Die Hochvolt-Batterie kann dabei auch mehrere solcher Batterieanordnungen 22 mit jeweiligen Batteriemodulen 10 und korrespondierend an diesen angeordneten Leiterplatten 12 aufweisen. Zur Batterieanordnung 22 bzw. der Hochvolt-Batterie kann auch das übergeordnete Steuergerät 20 gehören. Die Leiterplatte 12 ist nunmehr einerseits als eine flexible Leiterplatte ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Leiterplatte 12 flexibel biegbar ist. Die Leiterplatte weist ein erstes Ende 12a und ein zweites Ende 12b auf. Am ersten Ende 12a weist die Leiterplatte 12 eine Anschlusseinrichtung 24 mit mehreren Anschlusselementen 24a auf und am zweiten Ende 12b der Leiterplatte 12 ist eine zweite Anschlusseinrichtung 26 angeordnet, die ebenfalls mehrere Anschlusselemente 26a aufweist. Die ersten Anschlusselemente 24a können mit dem ersten Zellmodulcontroller 16 gekoppelt sein, insbesondere an jeweilige Eingänge des Zellmodulcontrollers 16 elektrisch angeschlossen sein, und entsprechend können die zweiten Anschlusselemente 26a an jeweilige Eingänge des zweiten Zellmodulcontrollers 18 angeschlossen sein.
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Wenngleich in der Darstellung in der Fig. die Leiterplatte 12 als in einer Ebene liegend illustriert ist, so kann die Leiterplatte 12 durch ihre flexible Ausbildung auch nicht eben ausgebildet sein. Insbesondere kann diese im Bereich der Enden des Zellstapels um die Kanten des Zellstapels herum geführt sein, zum Beispiel in Richtung der hier dargestellten y-Richtung. Die Leiterplatte 12 kann also mit ihren Enden 12a, 12b in y-Richtung ein Stück weit in Richtung der jeweiligen Zellmodulcontroller 16, 18 geführt sein, um an diese dort angeschlossen zu sein.
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Auf der Leiterplatte 12 befindet sich zudem eine Leiterbahnanordnung 28. Diese umfasst mehrere Leiterbahnen 30. Die jeweiligen Leiterbahnen 30 erstrecken sich dabei im Wesentlichen in x-Richtung, das heißt in Stapelrichtung S über die Leiterplatte 12. Dabei sind die Leiterbahnen 30 auf einem flexiblen elektrisch isolierenden Träger 32 der Leiterplatte 12 angeordnet. Die Leiterbahnen 30 können dabei in x-Richtung unterschiedlich lang ausgebildet sein, außerdem müssen diese nicht notwendigerweise geradlinig in x-Richtung verlaufen, sondern können auch gekrümmt oder gebogen verlaufen. Außerdem können die Leiterbahnen 30 voneinander beabstandet sein und dadurch elektrisch voneinander isoliert sein oder sie können auch Kreuzungspunkte oder ähnliches aufweisen, um eine komplexere Schaltungsanordnung bereitzustellen. Außerdem können die Leiterbahnen 30 elektrisch leitend mit Sensoren 34 verbunden sein, wobei in diesem Beispiel jede der Leiterbahnen 30 mit einem solchen Sensor 34 elektrisch leitend verbunden ist. Die jeweiligen Sensoren 34 sind also entsprechend ebenfalls auf dem elektrisch isolierenden Träger 32 angeordnet. Dabei kann pro Leiterbahn 30, insbesondere pro einzelner Leiterbahn 30, mindestens ein solcher Sensor 34 vorgesehen sein. Es können aber auch mehrere Sensoren 34 mit einer einzelnen Leiterbahn 30 gekoppelt sein. Die Leiterbahnen 30 dienen damit als Messleitungen, über welche die Sensorsignale, die von den Sensoren 34 erfasst werden, an die entsprechenden Zellmodulcontroller 16, 18 übermittelt werden können. Beispielsweise besteht auch die Möglichkeit, eine der Leiterbahnen 30 durchgehend von einem der zweiten Anschlusselemente 26a bis zu einem der ersten Anschlusselemente 24a auszubilden. Damit können die vom zweiten Zellmodulcontroller 18 erfassten Messsignale an den ersten Zellmodulcontroller 16 übermittelt werden. Dieser kann die Messsignale des zweiten Zellmodulcontrollers 18 an das übergeordnete Steuergerät 20 weiterleiten. Dadurch kann eine separate Verkabelung des zweiten Zellmodulcontrollers 18 mit dem Steuergerät 20 eingespart werden.
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Bei den Sensoren 34 kann es sich zum Beispiel um Temperatursensoren, Spannungssensoren und/oder Stromsensoren oder auch andere Sensoren handeln. Die Sensoren 34 können zudem an den Batteriezellen 14 angeordnet sein, insbesondere elektrisch isoliert an den Batteriezellen 14 angeordnet sein oder elektrisch leitend mit den Batteriezellen 14 verbunden sein, insbesondere mit den Zellpolen gekoppelt sein oder mit anderen Bauteilen, die elektrisch leitend mit den Zellpolen verbunden sind, zum Beispiel die Zellverbinder, die vorliegend jedoch ebenfalls nicht dargestellt sind. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, dass die Leiterplatte 12 derart am Batteriemodul 10 angeordnet ist, dass die Seite des Trägers 32, auf welcher die Leiterbahnen 30 mit den Sensoren 34 angeordnet sind, dem Batteriemodul 10 zugewandt ist. Dabei ist es entsprechend vorteilhaft, wenn die Leiterplatte 12 entsprechend noch eine elektrische Isolierung oder Isolierschicht aufweist, sodass die jeweiligen Leiterbahnen 30 zwischen dem elektrisch isolierenden Träger 32 und dieser Isolierschicht angeordnet sind. Dabei muss sich nicht notwendigerweise eine gemeinsame Isolierschicht über alle Leiterbahnen 30 erstrecken, sondern es kann jede Leiterbahn 30 einzeln durch eine solche Isolierschicht bedeckt sein. Dadurch kann elektrisch isolierendes Material gespart werden. Da manche der Sensoren 34, zum Beispiel Strom und/oder Spannungssensoren, elektrisch leitend mit den Zellen 14 kontaktiert werden sollen, ist es vorteilhaft, entsprechende Kontaktierungsbereich 36 von einer solchen elektrisch isolierenden Beschichtung auszusparen.
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Üblicherweise sind derartige flexible Leiterbahnen sehr aufwendig und teuer zu fertigen. Dies liegt vor allem daran, dass die Leiterbahnen üblicherweise in einem Ätzprozess hergestellt werden. Zu diesem Zweck wird zunächst eine großflächige Beschichtung auf das Substrat, nämlich den elektrisch isolierenden Träger, aufgebracht, und die Leiterbahnstrukturen werden dann durch einen Ätzprozess erzeugt, in dem Teile dieser Schicht wieder abgetragen werden. Die verbleibenden Bereiche dieser elektrisch leitenden Schicht bilden dann die Leiterbahnen.
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Vorliegend werden die Leiterbahnen 30 nicht in einem Ätzverfahren hergestellt, sondern durch einen additiven Erzeugungsprozess. Insbesondere werden die Leiterbahnen 30 auf den elektrisch isolierenden Träger 32 aufgedruckt. Dies kann auch als Printed Electronics bezeichnet werden. Bei Printed Electronics werden die Leiterbahnen 30 also direkt auf das Grundmaterial, welches durch den Träger 32 bereitgestellt ist, aufgedruckt. Das geschieht also innerhalb eines additiven Prozesses mit einem elektrisch leitenden Ink 38, das heißt einer elektrisch leitenden Tinte 38, die letztendlich die Leiterbahnen 30 bildet. Das über Printed Electronics erstellte Bauteil, nämlich die flexible Leiterplatte 12, kann zudem mit einem elektronisch leitenden Klebstoff beziehungsweise elektrisch leitendem Klebstoff 40 an das Batteriemodul 10 angebracht werden. Der Klebstoff 40 kann dabei an den Kontaktstellen 36 aufgebracht werden, über welche ein elektrisch leitender Kontakt zu Bereichen des Batteriemoduls 10, insbesondere zu den Zellen 14, hergestellt werden soll. Dabei müssen nicht alle Sensoren 34 elektrisch leitend am Modul 10 ankontaktiert werden, sondern beispielsweise auch nur manche der Sensoren 34.
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Außerdem können nicht nur die Leiterbahnen 30 oder im Allgemeinen die Leiterbahnanordnung 28 auf das Substrat 32 aufgedruckt werden, sondern auch alle oder manche der Sensoren 34. Vor allem Temperatursensoren lassen sich einfach in einem Druckverfahren auf das Substrat 32 aufdrucken. Falls noch Bausteine, zum Beispiel weitere Sensoren 34, benötigt werden, die bislang noch nicht in einem Druckverfahren auf ein Substrat aufgedruckt werden können, können diese alternativ auch im Nachhinein bestückt werden. Dabei ist es bevorzugt, dass diese Bestückung ebenfalls unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs erfolgt. Somit lassen sich vorteilhafterweise alle Sensoren 34 ohne ein Schweiß- oder Lötverfahren elektrisch leitend mit den jeweiligen Leiterbahnen 30 verbinden. Dies ist besonders vorteilhaft, da es dadurch ermöglicht wird, als Substrat 32 einen sehr kostengünstigen Kunststoff, zum Beispiel PET, zu verwenden. Dieser muss nicht sonderlich dick und/oder hitzeresistent sein, da zum Fertigen der Leiterplatte 12 und auch zum Anbringen der Leiterplatte 12 am Modul 10 kein Schweißprozess erforderlich ist. Als Alternative zum Ankleben der Leiterplatte 12 am Modul 10 mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs besteht auch die Möglichkeit, die mit Printed Electronics erstellte Leiterplatte 12 in einen Rahmen einzuspannen und mittels Druck an das Modul 10 zu kontaktieren. Als Rahmen kann dabei zum Beispiel auch der oben erwähnte Spannrahmen zum Verspannen des Zellstapels verwendet werden. Die Leiterplatte 12 kann dann zum Beispiel zwischen dem Spannrahmen und dem Batteriemodul 10 an einer Seite des Batteriemoduls 10 eingelegt werden. Der Spannrahmen drückt die Leiterplatte 12 automatisch gegen die Zellen 14, wodurch auch der Kontakt der Sensoren 34 auf der Leiterplatte 12 mit den Zellen 14 hergestellt werden kann. Auch dadurch kann also ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zu den Zellen 14 hergestellt werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Verwendung von Printed Electronics in der Hochvolt-Batterie bereitgestellt werden kann. Hierdurch wird die Bereitstellung einer Zellkontaktierungseinheit in Form der Leiterplatte ermöglicht, die als im additiven Verfahren erstellte Printed Electronics ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2021/0057708 A1 [0005]
