CN111326690B - 电池壳体，电池模块系统，机动车和引入导热元件的方法 - Google Patents

电池壳体，电池模块系统，机动车和引入导热元件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于接纳电池模块(14)的电池壳体(12)，电池壳体(12)具有壳体底部(12b)，壳体底部(12b)具有至少一个注射口(12c)，通过该注射口可以借助于注射设备(19)将导热材料(20)穿过壳体底部(12b)沿第一方向注射到电池壳体(12)中，电池壳体(12)具有可弹性压缩的密封元件(18)，该密封元件被布置在至少一个注射口(12c)的区域中以及被设计为用于封闭至少一个注射口(12c)，密封元件(18)被设计为用于，从可预定的沿第一方向起作用的注射力(Fi)开始在注射导热材料(20)时，通过弹性压缩密封元件(18)来开启注射口(12c)，以及在没有注射力(Fi)时通过密封元件(18)的膨胀来重新封闭注射口(12c)。

Description

电池壳体，电池模块系统，机动车和引入导热元件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于接纳电池模块的电池壳体，其中，电池壳体具有壳体底部。此外，本发明还包括一种具有这种电池壳体的电池模块系统，一种机动车以及一种用于将导热元件引入用于接纳电池模块的电池壳体中的方法。
背景技术
当今的用于电动汽车的高压电池存储系统必须满足对密封性的高要求，以抵抗诸如湿气、盐负荷等环境影响。这只能通过复杂的密封措施来确保。另外，电池单体与冷却结构的热连接对于电池的功能是必不可少的。为此，使用导热膏或通常的导热元件，即所谓的间隙填充物或热界面材料(TIM)。为了引入这种导热元件，将其施加在电池壳体中，尤其是施加在壳体底部上，然后将模块拧紧。在这种情况下，导热元件被压缩并且理想地均匀地分布在底部与相应的电池模块之间的壳体底部上。然后通常在电池壳体底部的底侧上布置冷却装置。由于电池壳体通常在底部具有明显的不平整度并因此具有大的公差，因此通过使用这种导热膏或通过这种导热元件，可以改善从模块经由膏体、电池壳体底部到冷却装置的散热。
然而，在这些用于将间隙填充物或导热元件引入电池壳体中的方法中，存在以下问题：不能通过几乎封闭的系统来监测和确保在下沉过程中所需的间隙填充或润湿。未确定的间隙填充物溢出在此导致了材料浪费以及额外的车辆重量。另外，在可能的底部变形的情况下，不能实现均匀分布。也通过高流动路径产生高的底部压力，这可能导致模块损坏。此外在下沉时的高接触压力会导致在固定电池模块时、在安装时软的螺栓连接。这又可能导致复杂且昂贵的返工，因为间隙填充物材料经过一段时间后仍略微下沉，并且螺栓连接随后相应地松动。
US 2011/0064997 A1描述了一种耐冲击电池，该电池应具有对由弹丸的冲击引起的着火或爆炸的增强的抵抗力。为此，电池可以包括具有自密封的离聚物-材料的壳体。
此外，WO 2016/053416 A1描述了一种电池模块，其具有布置在电池壳体中的多个电池单体。为了使可能积聚在壳体内的水或其它液体从壳体中移出，壳体可以具有小孔、开口或泄压口，它们例如在聚集在底部的液体的重力作用下打开，由此水可以流出。
此外，DE 2238352 A1描述了一种电镀电池，该电镀电池由带有封闭盖的杯形件组成，该杯形件在其内部承载了相反极性的电极，这些电极被液体的有机电解质包围。为了能够将电解质更容易地引入电镀电池中，封闭盖具有允许将电解质注射到杯形件中的、可刺穿的密封元件，该密封元件通过其自身的弹性能够自动封闭注射口。
仍然需要继续努力消除或至少减轻在电池壳体底部与电池模块之间引入导热膏时出现的上述问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电池壳体、一种电池模块系统、一种机动车以及一种用于在用于接纳电池模块的电池壳体中引入导热材料的方法，它们提供了将导热材料引入电池壳体中的尽可能有效的方案。
该目的通过具有根据相应独立权利要求所述特征的电池壳体、电池模块系统、机动车以及用于将导热材料引入电池壳体中的方法来实现。本发明的有利的实施方案是从属权利要求的、说明书的和附图的主题。
根据本发明的用于接纳电池模块的电池壳体具有壳体底部，该壳体底部具有至少一个注射口，导热材料可以通过该注射口沿第一方向借助于注射设备穿过壳体底部被注射到电池壳体中。此外，电池壳体具有可弹性压缩的密封元件，该密封元件被布置在至少一个注射口的区域中，并且该密封元件被设计为用于封闭至少一个注射口。在这种情况下，密封元件还被设计为用于，在注射导热材料时，从沿第一方向起作用的可预定的注射力开始，通过弹性压缩密封元件来开启注射口，并在没有注射力时通过使密封元件膨胀来重新封闭注射口。
通过这种电池壳体，可以有利地实现从下方穿过壳体底部注射导热材料。因此，可以有利地将导热材料直接注射到已经位于电池壳体中的电池模块下方。在这种情况下，有利地也可以设置多个这种具有相应的密封元件的注射口。这允许以特别简单的方式特别均匀地分配导热材料。此外，不再需要通过按压电池模块来均匀分配导热材料。通过从下方注射也就可以省去昂贵的模块设置，并避免使用上述螺旋过程压紧间隙填充物，该螺旋过程必须被耗时又昂贵地重新加工。由此还可以节省处理时间，该处理时间是由于在同时压缩导热材料的情况下设置电池模块而产生的。通过导热材料的这种明显更有效且更均匀的应用可能性，还可以有利地实现电池模块与壳体底部之间的特别小的间隙宽度，这导致了所需的导热材料的尺寸明显减小，从而也可以节省成本和重量。
在此可以有利地通过密封元件实现从下方到电池壳体中的导热材料的这种有利的注射，该密封元件在导热材料的注射时由于注射力或者说在注射时作用于该密封元件上的注射压力而压缩并由此开启注射口。在注射导热材料后，也就是说如果不再注射导热材料，并且进而随之而来没有注射力或没有压力沿第一方向再作用于该密封元件上，则该密封元件重新膨胀并进而自动封闭注射口。即施加的导热材料由此可以有利地不重新从电池壳体、尤其是穿过壳体底部穿过至少一个注射口逸出、例如流出。借助于这种可弹性压缩的密封元件，仅有利地使得导热材料从下方向电池壳体中的这种注射成为可能，由此还产生上述优点。因此，本发明还具有很大的优点，即这种密封方案可以在最小的结构空间内实现，尤其是不需要额外的结构空间。由此可以最佳地利用在机动车中可供使用的结构空间，该结构空间最终确定有效范围。另外，密封元件和注射口可以特别经济地实现，并且密封方案也不需要外部控制。即使在注射中断或压力下降时，密封元件也会自动关闭。而且，不需要额外的设备技术来密封。总的来说，在电池壳体中可以特别有效地引入导热材料。
注射的导热材料例如可以是间隙填充物或热界面材料，例如导热液体或导热膏或另一导热物料。然而，尤其考虑使用各种具有良好导热率的液态或糊状材料，即其导热率至少高于空气的导热率。作为注射设备，例如考虑使用一种注射器等，借助于该注射器可以将导热材料通过注射口注射到电池壳体中。然而，通常在此也可以使用各种任意的注射设备来注射导热材料。
导热材料的注射尤其发生在壳体底部与电池模块之间的间隙中。因此，优选当已经将电池模块插入并安装在电池壳体中时，进行导热材料的注射。壳体底部还可以具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，该第二侧提供外壁。随后，当电池模块被插入电池壳体中时，第一侧则相应地朝向电池模块。相应地，第一方向从第二侧开始，即从壳体底部的外侧开始沿第一侧的方向，即沿电池壳体的内部的方向延伸。
此外，电池壳体优选在注射导热材料时如此对准，使得壳体底部的第一侧如上文定义地代表壳体底部的上侧，即背离地面的一侧，而壳体底部的第二侧则代表下侧，即朝向地面的一侧。
此外，如已经提到的那样，有利的是，壳体底部具有多个注射口和相应配属的密封元件。这些注射口和配属的密封元件可以类似地形成。由此可以有利地实现，同时通过壳体底部中的多个孔施加导热材料，并且将导热材料特别均匀地分布在壳体底部上以及在壳体底部与至少一个电池模块之间。此外，电池壳体也可以被设计为用于接纳多个电池模块。在这种情况下，例如可以在电池壳体中为相应的电池模块设有专门设置的区域或隔层。换句话说，电池壳体可以被提供为隔层。特别是当电池壳体被设计为用于接纳多个电池模块时，特别有利的是，电池壳体或壳体底部具有多个注射口，例如对于每个电池模块具有仅一个或至少一个注射口，以及具有相应配属的密封元件。
在本发明的另一有利的设计方案中，密封元件被设计为用于，在没有注射力时在至少部分压缩的状态下，在壳体底部的、包围至少一个注射口的区域上施加与第一方向相反的力，并由此封闭注射口。换句话说，当没有注射力施加在密封元件上并且密封元件因此关闭开口时，密封元件也至少部分地处在压缩状态下。密封元件因此被预加应力并且因此在壳体底部的、包围注射口的区域上施加由该部分压缩引起的力，由此可以特别紧密地封闭开口。密封元件可以例如由一种泡沫制成。此外，密封元件的直径或尺寸可以相应地大于注射口的直径或尺寸，使得密封元件在封闭该注射口的状态下完全覆盖该注射口，并且也完全贴靠在壳体底部的、完全包围注射口的边缘区域上并且尤其是施加所述力到壳体底部上。如果注射导热材料，则必须向密封元件上施加注射力，该注射力也就相应地大于由密封元件施加在壳体底部上的力。由此压紧密封元件，也就是说仍进一步压缩密封元件，并且导热材料可以经过注射口流入。
在本发明的另一有利的设计方案中，至少一个注射口的直径在5mm——包括5mm本身——与10mm——包括10mm本身——之间。则恰好在该直径范围内提供了足够的空间，以便借助于注射设备穿过注射口注射导热材料以及另一方面在没有或不再注射导热材料时能够通过密封元件以尽可能小的材料花费可靠地封闭该注射口。
在本发明的另一有利的设计方案中，电池壳体具有支承装置，该支承装置被布置成与注射口相距一定距离，其中，密封元件被布置在支承装置与至少一个注射口之间，并且其中，当密封元件通过注射力被压缩时，支承装置支承该密封元件。即如果通过该注射口注射导热材料，则密封元件被压缩并且朝着该支承装置被挤压。由此可以有利地使密封元件保持在其位置中。
为了进一步稳定密封元件的定位，还特别有利的是，密封元件以其背离至少一个注射口的那一侧固定在支承装置上。例如，密封元件能够以背离注射口的侧粘合在支承装置上或者另外地固定在支承装置上。
在此特别有利的时，支承装置由电池模块的下侧提供，如稍后将更详细描述的那样，因为由此省去了额外的构件，从而可以节省结构空间。
此外，本发明还涉及一种电池模块系统，其具有：根据本发明的电池壳体或其设计方案之一；以及带有至少一个电池单体的至少一个电池模块，其中，电池模块被布置在电池壳体中。
因此，针对根据本发明的电池壳体及其设计方案描述的优点同样也适用于根据本发明的电池模块系统。
因此，电池模块包括至少一个电池单体。这样的电池单体可以被设计为例如锂离子电池。然而，电池模块优选地包括多个电池单体，诸如布置在电池组中的电池单体系统。
如已经描述的那样，电池壳体也可以被设计为用于接纳多个电池模块。例如，电池壳体可以具有多个腔室，其可以可选地通过隔板彼此隔开，其中，相应的腔室被设计为用于接纳电池模块。然后可以将一个或多个带有配属的密封元件的注射口布置在分配给腔室的相应的壳体底部中。
在电池模块系统的一个特别优选的实施方案中，至少一个电池模块的、朝向壳体底部的底部提供支承装置。换句话说，因此可以将配属于注射口的密封元件固定在、例如粘合在电池模块的底部上。在注射导热材料之前，将电池模块插入并固定在电池壳体中，从而电池模块的底部具有至壳体底部的一距离，该距离尤其小于在未压缩状态下密封元件的高度，并且位于电池模块的底部上的密封元件覆盖并封闭配属的注射口。通过将电池模块固定在电池壳体中，密封元件也相应地被预加应力并且因此被相应地压在壳体底部的、包括注射口在内的区域上。
在此进一步优选的是，密封元件在这种情况下——亦即在封闭注射口的状态下——具有高度，也就是说垂直于壳体底部，该高度相比于其在未压缩状态下的高度降低了大约三分之一。由此一方面密封元件被足够地预加应力，以便可靠地封闭注射口，尤其也在注射了导热材料之后，以及以便同时当导热材料应该穿过注射口被注入时，仍足够地屈服，以便开启该开口。如果在电池模块下方在壳体底部中设有多个注射口，则也可以在电池模块的底部上相应地布置多个密封元件。
本发明还涉及一种具有根据本发明的电池模块系统或其设计方案之一的机动车。根据本发明的机动车优选地被构造为汽车，特别是被构造为乘用车或载货汽车，或者被构造为乘用客车或摩托车。
对于根据本发明的电池壳体及其设计方案所提及的优点以及对于根据本发明的电池模块系统及其设计方案所提及的优点以相同的方式适用于根据本发明的机动车。
此外，本发明还涉及一种用于将导热材料引入用于接纳电池模块的电池壳体中的方法，其中，电池壳体具有壳体底部，壳体底部具有至少一个注射口，借助于注射设备将导热材料通过该注射口沿第一方向穿过壳体底部注射到电池壳体中。在此，电池壳体具有可弹性压缩的密封元件，该密封元件被布置在至少一个注射口的区域中，并且密封元件在注射导热材料时从可预定的沿第一方向起作用的注射力开始，通过弹性压缩密封元件来开启注射口，以及在没有注射力时，尤其在注射导热材料之后，通过密封元件的膨胀来重新封闭注射口。
对于根据本发明的电池壳体及其设计方案所提及的优点以及对于根据本发明的电池模块系统及其设计方案所提及的优点以相同的方式也适用于根据本发明的方法。
本发明还包括根据本发明的方法的改进方案，其具有如已经结合根据本发明的电池壳体和根据本发明的电池模块系统的改进方案所描述的相同的特征。因此，此处不再描述根据本发明的方法的相应的改进方案。
本发明还包括所描述的实施方案的特征的组合。
附图说明
在下文中描述了本发明的实施例。对此示出：
图1示意性示出根据本发明的一个实施例的电池壳体系统，该电池壳体系统具有电池壳体和插入到电池壳体中的电池模块，以及用于注射导热材料的注射口和配属的、封闭注射口的密封元件；
图2示意性示出根据本发明的一个实施例的图1中的在注射导热材料期间的电池模块系统，其中，密封元件被压缩并开启注射口；以及
图3示意性示出根据本发明的一个实施例的图1中的在不存在注射力时在注射导热材料之后的电池模块系统，使得密封元件通过膨胀来自动重新关闭注射口。
在下文中阐释的实施例是本发明的优选实施方案。在该实施例中，实施方案的所述组件分别代表本发明的各个、可视作彼此独立的特征，这些特征分别也彼此独立地改进了本发明。因此，本公开文献应该也包括除了所示出的实施方案特征组合以外的其它内容。此外，所描述的实施方案也可以通过本发明的已经描述的其它特征来补充。
在附图中，相同的附图标记分别表示功能上相同的元件。
具体实施方式
图1示意性示出具有电池壳体12以及插入到电池壳体12中的电池模块14的电池模块系统10，在此仅示例性地示出了该电池壳体的一部分。在该示例中，电池模块14具有多个电池单体16，尤其是示例性地具有七个电池单体，为了清楚起见，其中仅一个电池单体具有附图标记。另外，电池模块14被布置在电池壳体12的配属于该电池模块14的腔室12a中。此外，电池壳体12可以包括用于相应的电池模块14的多个这种腔室12a。此外，电池壳体12包括底部12b。此处，在该壳体底部12b中存在至少一个注射口12c。该注射口12c在此有利地通过布置在其上方的密封元件18封闭。该密封元件18可以例如由泡沫密封件提供，该泡沫密封件例如由聚氨酯泡沫或任一种其它合适的泡沫制成。通常，密封元件18是可弹性压缩的。如图所示，该密封元件18被布置在电池模块14与壳体底部12b之间，特别是在电池模块14的底部14a与壳体底部12b之间。为了稳定密封元件18的位置，尤其是在导热材料的注射期间，并且尤其也为了简化电池模块14在电池壳体12中的安装，密封元件18优选地被固定在电池模块14的下侧14a或底部14a上。因此，在将电池模块14插入电池壳体12中并例如拧紧之前，该密封元件18——可选地也可以是多个密封元件18——被布置在电池模块14的底部14a上，特别是在预定位置处，该预定位置在电池模块14插入电池壳体12中的状态下对应于相应的注射口12c的位置。换句话说，在一个步骤中，在制造模块时在随后的注射点——也就是说注射口12c——的区域中，设置有泡沫密封件或通常是密封元件18。
此外，该密封元件18优选地略大于注射口12c的直径，以便能够可靠地密封该开口，特别是在引入导热材料之后。此外有利的是，密封元件18的几何形状与配属的注射口12c的几何形状匹配，或者它们是相同的。原则上，各种期望的几何形状，例如三角形、四边形、矩形、椭圆形、或者任意自由形式的几何形状都是可以考虑的，然而，开口12c和密封元件18优选是圆的、即圆形的，因为这在流体动力学并且制造技术上是特别有利的，并且后面描述的注射器19优选地具有带有圆形横截面的注射插管或注射管。
当将电池模块14拧入电池壳体12中时，泡沫密封件、也就是说至少一个密封元件18被轻微地压缩，并且进而为了其随后的功能而被施加了必要的预加应力。随后，如图2所示，设计为注射器19的注射设备向注射点移动，即向至少一个注射口12c移动，并开始注射。在这种情况下，注射器19这样向至少一个注射口12c移动，使得其以围绕该开口12c的区域紧密地封闭壳体底部12b。在注射开始时，注射压力或者说由待通过注射器19施加的导热材料20施加到密封元件18上的注射力Fi增大，直至密封元件18被压缩，尤其是被进一步压缩，并且由此开启注射口12c。流入电池壳体12中的间隙填充物、也就是说导热材料20压缩密封件、即密封元件18。在图2中，通过箭头22表明密封材料20的流入。这些箭头22还指示了在导热材料20的注射期间导热材料20的流动方向。
只要保持注射压力，间隙填充物或通常的导热材料20就在电池模块14下方流动。这允许导热材料20均匀地分布在电池模块14的底部14a与壳体底部12b之间的间隙中。导热材料20的粘度越低，这种分布就更简单和更均匀。由于导热材料20的低粘度，也可以将该导热材料显著更容易地引入和分配到该间隙中，由此可以显著降低为此所需的压力。这又是特别有利的，因为高压可能损坏电池模块14。仅通过设置密封元件18，才可能使用具有特别低粘度的这种导热材料20。因为注射完成并且注射压力下降，所以泡沫膨胀回到其原始位置，即密封元件18重新膨胀，如图3中示意性所示。因此，注射器19在注射之后即缩回，而密封件、即密封元件18重新膨胀。由此密封元件18重新封闭注射孔或者说注射口12c。密封元件18在此不完全膨胀、而是仅部分膨胀。这是通过使模块底部14a与壳体底部12b之间的间隙宽度小于完全膨胀的密封元件18的高度来实现的，该高度在该图中平行于第一方向延伸，即沿图2中注射力Fi的方向延伸。由此，即使在注射之后，密封元件18也被部分地压缩，并且因此向壳体底部12b的包围配属的注射口12c的区域上施加了由这种部分压缩所引起的力Fd。因此，间隙填充物——即使不具有低粘度——也不会回流或者说穿过注射口12c从壳体底部12b溢出。
此外，冷却板——特别是冷却剂可以流过的冷却板——也可以在下侧布置在该壳体底部12b上，也就是说在壳体底部12b的与电池模块14对置的侧上。例如被粘上。因此，现在可以以特别有效的方式将热量从电池模块14经由导热材料20和壳体底部12b传递至冷却板并且将热量输出。
总体上，这些示例示出了如何能够通过本发明提供一种密封方案，用于在将导热材料、尤其是间隙填充物从下方注射到电池壳体中之后自动地密封注射口，该密封方案产生了最小化的成本并且不引起结构空间损失，并且有利地不需要外部控制。在注射中断或压力下降时，则密封件会因膨胀而自动关闭。从而可以实现在电池模块与壳体底部之间特别有效地引入导热材料。由此可以提高注射过程本身的效率，并且甚至可以完全省去复杂的模块设置以及间隙填充物的压缩。由此可以显著地缩短处理时间，并且此外还可以显著减少间隙宽度，这又实现了节省间隙填充物，从而节省重量和成本。

Claims (10)

1.一种用于接纳电池模块(14)的电池壳体(12)，其中，电池壳体(12)具有壳体底部(12b)，
其特征在于，
-壳体底部(12b)具有至少一个注射口(12c)，通过所述至少一个注射口能够借助于注射设备将导热材料(20)穿过壳体底部(12b)沿第一方向注射到电池壳体(12)中，
-其中，电池壳体(12)具有能弹性压缩的密封元件(18)，该密封元件被布置在所述至少一个注射口(12c)的区域中，以及该密封元件被设计为用于封闭所述至少一个注射口(12c)，所述密封元件布置在注射口上方并且以预加应力被压缩在电池模块与壳体底部之间，以及
-其中，密封元件(18)被设计为用于，从能预定的沿第一方向起作用的注射力(Fi)开始在注射导热材料(20)时，通过弹性压缩密封元件(18)来开启注射口(12c)，以及在没有注射力(Fi)时通过密封元件(18)的膨胀来重新封闭注射口(12c)，所述注射力由正施加的导热材料施加到密封元件上。
2.根据权利要求1所述的电池壳体(12)，其特征在于，壳体底部(12b)具有多个注射口(12c)和相应配属的密封元件(18)。
3.根据权利要求1或2所述的电池壳体(12)，其特征在于，密封元件(18)被设计为用于，在没有注射力(Fi)时在至少部分压缩的状态下，将力(Fd)反向于第一方向施加到壳体底部(12b)的、包围所述至少一个注射口(12c)的区域上并由此封闭注射口(12c)。
4.根据权利要求1或2所述的电池壳体(12)，其特征在于，所述至少一个注射口(12c)具有大于等于5mm小于等于10mm的直径。
5.根据权利要求1或2所述的电池壳体(12)，其特征在于，电池壳体(12)具有支承装置，所述支承装置被布置成与注射口(12c)相距一定距离，其中，密封元件(18)被布置在支承装置与所述至少一个注射口(12c)之间，当密封元件(18)通过注射力或注射压力(Fi)被压缩时，支承装置支承该密封元件(18)。
6.根据权利要求5所述的电池壳体(12)，其特征在于，密封元件(18)以其背离所述至少一个注射口(12c)的那一侧固定在支承装置上。
7.一种电池模块系统(10)，其具有：根据权利要求1-6中任一项所述的电池壳体(12)；以及带有至少一个电池单体(16)的至少一个电池模块(14)，其中，电池模块(14)被布置在电池壳体(12)中。
8.根据权利要求7所述的电池模块系统(10)，其特征在于，所述至少一个电池模块(14)的、朝向壳体底部(12b)的底部(14a)提供支承装置。
9.一种机动车，其具有根据权利要求7或8所述的电池模块系统(10)。
10.一种用于将导热材料(20)引入用于接纳电池模块(14)的电池壳体(12)中的方法，其中，电池壳体(12)具有壳体底部(12b)，
其特征在于，
-壳体底部(12b)具有至少一个注射口(12c)，通过所述至少一个注射口借助于注射设备将导热材料(20)穿过壳体底部(12b)沿第一方向(R)注射到电池壳体(12)中，
-其中，电池壳体(12)具有能弹性压缩的密封元件(18)，该密封元件被布置在所述至少一个注射口(12c)的区域中，所述密封元件布置在注射口上方并且以预加应力被压缩在电池模块与壳体底部之间，
-其中，密封元件(18)从能预定的沿第一方向起作用的注射力(Fi)开始在注射导热材料(20)时，通过弹性压缩密封元件(18)来开启注射口(12c)，以及在没有注射力(Fi)时通过密封元件(18)的膨胀来重新封闭注射口(12c)，所述注射力由正施加的导热材料施加到密封元件上。
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