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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs und ein Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung noch ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem solchen Batteriemodul.
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Heutige Hochvolt-Batteriespeichersysteme für Elektrofahrzeuge müssen hohe Anforderungen an die Dichtigkeit gegen Umwelteinflüsse, wie Feuchtigkeit, Salzbelastung und dergleichen erfüllen. Diese Anforderungen können nur durch aufwändige Dichtmaßnahmen sichergestellt werden. Dazu werden beispielsweise sowohl ein Unterfahrschutz, alle Kabel, Kühlwasserrohre und Deckel von Hochvoltbatterien mit teilweise mehreren Dichtlinien abgedichtet.
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Die Dichtungen müssen Alterungsstabil sein, prozesssicher aufgebracht werden und nach der Fertigstellung der Hochvoltbatterie auf ihre Funktion geprüft werden. Dies führt sowohl bei der Materialentwicklung als auch in der Produktion und im Kundendienstfall zu hohen Aufwendungen. Zudem führen bereits geringe Schwankungen bei der Maßhaltigkeit von Bauteilen zu Undichtigkeiten und aufwändigen Nacharbeitungsmaßnahmen.
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Im Falle eines Versagens von einzelnen Zellen solcher Hochvoltbatterien und einem gegebenenfalls damit verbundenen Brand in der Hochvoltbatterie muss zum Schutz von Fahrzeuginsassen zudem üblicherweise ein Deckel der Hochvoltbatterie mit brandhemmenden Matten oder Beschichtungen versehen werden. Diese löschen beziehungsweise hemmen einen Brand, um ein Übergreifen auf andere Zellen zu verhindern und Fahrzeuginsassen zu schützen.
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Beispielsweise bei Kabeln eingesetzte Formdichtungen können üblicherweise nur auf klar definierten Oberflächen eingesetzt werden. Bei Deckeln von Hochvoltbatterien, Kühlungen von Hochvoltbatterien und einem Unterfahrschutz sind solch definierte Oberflächen normalerweise nicht gegeben. In solchen Bereichen ist üblicherweise eine Dichtung aus Schweißnähten, Schweißnahtabdichtung und unterschiedlichen Oberflächenlegierungen erforderlich. Dies ist mit Formdichtungen nicht beziehungsweise nur mit einer sehr aufwändigen Bearbeitung dieser Bereiche möglich.
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Oftmals werden auch viskose Dichtungen während der Batteriemontage aufgetragen. Diese Dichtungen bauen eine gewisse Haftung zu Oberflächen auf. Dies führt zu hohen Aufwendungen in der Fertigung und auch im Kundendienstfall. Zudem werden Deckel von Hochvoltbatterien bei der Demontage bei der Verwendung solcher viskosen Dichtungen üblicherweise beschädigt und müssen danach getauscht werden.
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Zur Sicherstellung eines Brandschutzes werden auf Deckeln von Hochvoltbatterien üblicherweise Brandschutzmatten beziehungsweise Brandschutzschichten aufgebracht. Dies führt zu hohen Aufwendungen in der Produktion und erfordert zusätzliche Fertigungstakte beziehungsweise Fertigungszeiten.
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Die
WO 2017/139826 A1 zeigt eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, die in einem Gestell oder einem Gehäuse untergebracht sind. Einzelne Batteriezellen sind dabei mittels eines brandhemmenden beziehungsweise brandschützenden Materials umgeben.
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Die
DE 10 2016 100 223 A1 zeigt einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicher mindestens eine Speicherzelle aufweist, die zumindest teilweise von einem hitzequellfähigen Brandschutzmaterial umgeben ist.
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Die
DE 10 2016 207 446 A1 beschreibt ein Hochspannungs-Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen. Eine Intumeszenz Schicht befindet sich auf mindestens einem ausgewählten Bauteil der Batteriezellen, Kühlrippen oder Rahmen, der die Batteriezellen und Kühlrippen hält.
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Die
DE 10 2016 215 131 B3 beschreibt einen Akkumulator für ein Fahrzeug, wobei eine Oberfläche des Akkumulators oder eine Innenseite eines Gehäuses des Akkumulators eine intumeszierende Schicht aufweist, die bei Überschreitung einer Grenztemperatur aufschäumt und eine thermisch isolierende Schicht bildet.
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Die
DE 10 2017 000 265 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemodulträgers zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Innenseitig am Batteriemodulträger werden Brandschutztextilien integriert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher auf einfache und zuverlässige Weise eine Abdichtung eines Batteriemoduls für eine Hochvoltbatterie sichergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs sowie durch ein Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs werden Batteriezellen in einem zumindest eine Injektionsöffnung aufweisenden Batteriemodulgehäuse angeordnet und miteinander verschaltet. Danach wird das Batteriemodulgehäuse geschlossen und anschließend wird ein brandhemmendes und elektrisch isolierendes Dichtmittel durch die Injektionsöffnung in das geschlossene Batteriemodulgehäuse eingebracht, und zwar bis im Batteriemodulgehäuse vorhandene Zwischenräume vom Dichtmittel ausgefüllt sind und das Batteriemodulgehäuse nach außen durch das Dichtmittel abgedichtet ist.
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Bei der Herstellung des Batteriemoduls können neben den Batteriezellen auch erforderliche Verkabelungen, Sensoren und weitere Elemente zunächst im Batteriemodulgehäuse angeordnet werden, bevor dieses geschlossen und danach das brandhemmende und elektrisch isolierende Dichtmittel injiziert wird. Durch das Injizieren beziehungsweise Einbringen des Dichtmittels werden sämtliche Elemente des Batteriemoduls innerhalb des Batteriemodulgehäuses gegenüber der Umwelt abgedichtet. Abgedichtet bedeutet in diesem Fall zumindest, dass das Batteriemodulgehäuse nach außen durch das Dichtmittel flüssigkeitsdicht abgedichtet ist. Das injizierte Dichtmittel erfüllt eine Dichtfunktion und eine elektrische Isolierung, insbesondere der Batteriezellen gegenüber der Umwelt, wobei das Dichtmittel zudem eine Brandschutzfunktion und vorzugsweise auch eine thermische Isolierung übernimmt.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, ein dichtes beziehungsweise abgedichtetes Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie besonders einfach herzustellen. Dadurch kann auf gesonderte Dichtungen bei Kabeln, Deckeln und weiteren Komponenten des Batteriemoduls verzichtet werden. Zudem kann auch auf einen gesonderten Brandschutz des Batteriemoduls verzichtet werden.
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Ferner ist es möglich, Kühlfunktionen innerhalb des Batteriemoduls integral auszubilden, ohne diese gesondert abdichten zu müssen. Zudem ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch nicht mehr erforderlich, die Batteriemodule auf Dichtigkeit in der Produktion zu überprüfen.
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Insgesamt ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, zusätzliche Herstelltakte, Fertigungszeiten und entsprechende Herstellkosten in der Batterieproduktion einzusparen. Falls die erfindungsgemäß hergestellten Batteriemodule zu einer zusammenhängenden Hochvoltbatterie verschaltet werden, ist es zudem nicht mehr erforderlich, dass ein Batteriegehäuse der gesamten Hochvoltbatterie auf aufwändige Weise abgedichtet werden muss. Die erfindungsgemäß hergestellten Batteriemodule als solche sind schon gegenüber Umwelteinflüssen abgedichtet. Ferner ist es auch möglich, die erfindungsgemäß hergestellten Batteriemodule einzeln verteilt, beispielsweise integral in eine Fahrzeugstruktur verbaut, unterzubringen. Denn die erfindungsgemäß hergestellten Batteriemodule sind wie gesagt für sich genommen schon hinreichend dicht, sodass diese keine zusätzliche Umhausung, beispielsweise in Form eines herkömmlichen Batteriegehäuses, benötigten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als das Dichtmittel ein Schaum verwendet wird, welcher beim oder zumindest nach dem Einbringen in das Batteriemodulgehäuse unter Ausfüllen der Zwischenräume aushärtet. Dies trägt erheblich zur Reduktion des Gesamtgewichtes des Batteriemoduls bei. Der Schaum expandiert spätestens nach der Injektion und dichtet das Batteriemodul zur Umwelt hin ab.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Dichtmittel einen als Brandschutz dienenden Intumeszenz-Bildner umfasst, welcher unter Hitzeeinwirkung aufschäumt und eine Flammenausbreitung behindert. Intumeszente Materialien beziehungsweise Intumeszenz-Bildner nehmen unter Hitzeeinwirkung an Volumen zu und entsprechend an Dichte ab. Dadurch, dass das Dichtmittel den Intumeszenz-Bildner umfasst, kann ein besonders guter Brandschutz bei dem Batteriemodul realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass durch die Injektionsöffnung ein Wärmeleitmaterial eingebracht wird, welches zumindest einen zur Temperierung des Batteriemoduls dienenden Bereich ausfüllt. Bei dem Wärmeleitmaterial handelt es sich um einen so genannten Gap-Filler, welcher die Temperierung des Batteriemoduls begünstigt. Gap-Filler minimieren den thermischen Widerstand zwischen elektronischen Bauteilen und Kühlgehäusen oder Kühlkörpern. Durch ihre Komprimierbarkeit und ihre gute Formanpassung füllen sie vollständig und dauerhaft die durch Toleranzen, Bauhöhenunterschiede oder unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene Luftspalte aus. Als elastische Materialien üben sie selbst einen Druck auf Grenzflächen aus. Dadurch wird die thermische Anbindung für Spaltmaße auch im Millimeterbereich und bei geringem Druck optimiert. Durch Einbringung des Wärmeleitermaterials kann also beispielsweise eine zuverlässige Kühlung und allgemein eine Temperierung des Batteriemoduls verbessert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der zur Temperierung des Batteriemoduls dienende Bereich Kühlkanäle aufweist, welche vom Wärmeleitmaterial umschlossen werden. Der zur Temperierung des Batteriemoduls dienende Bereich umfasst vorzugsweise auch einen Teilbereich der Batteriezellen. Dadurch kann eine besonders gute Wärmeübertragung zwischen dem Inneren des Batteriemoduls, insbesondere von den Batteriezellen, und einem die Kühlkanäle durchströmenden Kühlmedium erzielt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Wärmeleitmaterial vor dem Dichtmittel durch die Injektionsöffnung eingebracht wird. Befinden sich die besagten Kühlkanäle beispielsweise in einem Bodenbereich des Batteriemoduls kann so sichergestellt werden, dass das Wärmeleitmaterial die Kühlkanäle vollständig umgibt, und zwar bevor das Dichtmittel durch die Injektionsöffnung eingebracht wird. Der zur Temperierung des Batteriemoduls dienende Bereiche kann dadurch besonders zuverlässig und vollständig mittels des eingebrachten Wärmeleitmaterials ausgefüllt werden, was die Temperierbarkeit des hergestellten Batteriemoduls begünstigt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Wärmeleitmaterial und das Dichtmittel aus demselben Basispolymer hergestellt werden, sodass das Wärmeleitmaterial und das Dichtmittel nach Einbringen in das Batteriemodulgehäuse einen gemeinsamen Dichtverbund ausbilden. Beispielsweise kann das Wärmeleitmaterial aus Silikon hergestellt sein, wobei das Dichtmittel ein Silikonschaum ist. Dadurch, dass das Wärmeleitmaterial und das Dichtmittel aus demselben Basispolymer hergestellt werden beziehungsweise sind, können diese zuverlässig eine chemische Verbindung miteinander eingehen, infolgedessen der besagte gemeinsame Dichtverbund entsteht, welcher vor dem Injizieren des Dichtmittels und des Wärmeleitmaterials vorhandene Zwischenräume innerhalb des Batteriemoduls zuverlässig und vollständig ausfüllen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Dichtmittel zur Brandhemmung dienende, zumindest im Wesentlichen gleichmäßig im Dichtmittel verteilte Graphitpartikel enthält. Die Graphitpartikel verteilen sich dabei bei der Injektion des Dichtmittels in das Batteriemodulgehäuse gleichmäßig innerhalb der vorhandenen Zwischenräume. Dadurch kann eine besonders zuverlässige brandhemmende Wirkung beim hergestellten Batteriemodul erzielt werden.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs umfasst mehrere in einem zumindest eine Injektionsöffnung aufweisenden Batteriemodulgehäuse angeordnete und miteinander verschaltete Batteriezellen, wobei ein brandhemmendes und elektrisch isolierendes Dichtmittel vorhandene Zwischenräume innerhalb des geschlossenen Batteriemodulgehäuses ausfüllt und das Batteriemodulgehäuse nach außen abdichtet. Sämtliche Zwischenräume zwischen verschiedensten Elementen beziehungsweise Komponenten des Batteriemoduls werden also durch das brandhemmende und elektrisch isolierende Dichtmittel ausgefüllt, infolgedessen das Batteriemodulgehäuse nach außen zuverlässig abgedichtet wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls und umgekehrt anzusehen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst das erfindungsgemäße Batteriemodul oder eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Perspektivansicht eines schematisch dargestellten Batteriemoduls für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs; und in
- 2 eine schematische Seitenschnittansicht des Batteriemoduls, wobei mehrere Batteriezellen zu erkennen sind und Zwischenräume innerhalb des Batteriemoduls von einem brandhemmenden, elektrisch isolierenden Dichtmittel sowie im Bereich von Kühlkanälen von einem Wärmeleitmaterial ausgefüllt sind.
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Ein Batteriemodul 1 für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs ist in einer schematischen Perspektivansicht in 1 gezeigt. Das Batteriemodul 1 umfasst ein nur teilweise dargestelltes Batteriemodulgehäuse 2, in welchem mehrere hier nicht dargestellte Batteriezellen 3 angeordnet und elektrisch leitend miteinander verschaltet sind. Ein Deckel des Batteriemodulgehäuses 2 ist hier nicht dargestellt.
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Am Batteriemodulgehäuse 2 sind mehrere Befestigungslaschen 4 mit jeweiligen Schraublöchern 5 ausgebildet. Zudem werden hier nicht näher erkennbare Zwischenräume innerhalb des Batteriemoduls 1 durch ein elektrisch isolierendes und brandhemmendes Dichtmittel 6 ausgefüllt, welches das Batteriemodulgehäuse 2 und somit das gesamt Batteriemodul 1 nach außen, also gegenüber der Umwelt, abdichtet. In einem unteren Bereich des Batteriemoduls 1 ist zudem noch ein Wärmeleitmaterial 7 in Form eines Gap-Fillers vorhanden, welcher zur verbesserten Temperierung des Batteriemoduls 1 dient.
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In 2 ist das Batteriemodul 1 in einer schematischen Seitenschnittansicht gezeigt. Hier sind die zuvor erwähnten Batteriezellen 3 zu erkennen, welche mittels einer Stromschiene 8 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Stromschiene 8 verbindet dabei einzelne Zellkontakte 9 der Batteriezellen 3 elektrisch leitend miteinander. In 1 sind zudem noch zwei elektrische Kontaktierungen 10 zu erkennen, welche dazu dienen, das Batteriemodul 1 mit weiteren hier nicht dargestellten Batteriemodulen elektrisch leitend zu verschalten. Die elektrischen Kontaktierungen 10 selbst sind ebenfalls dicht ausgeführt, da diese vom brandhemmenden und elektrisch isolierenden Dichtmittel 6 umgeben sind.
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In einem unteren Bereich 11 des Batteriemoduls 1, welcher zur Temperierung des Batteriemoduls 1 dient, sind mehrere Kühlkanäle 12 vorgesehen. Diese Kühlkanäle 12 sind vollständig von dem als Gap-Filler ausgebildeten Wärmeleitmaterial 7 umgeben. Dadurch kann eine besonders gute Wärmeübertragung von den Batteriezellen 3 auf ein innerhalb den Kühlkanälen 12 fließendes Kühlmedium übertragen werden.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen des Batteriemoduls 1 näher erläutert. Zunächst werden die Batteriezellen 3 in dem Batteriemodulgehäuse 2 angeordnet. Das Batteriemodulgehäuse 2 umfasst einen hier nicht dargestellten Deckel, welcher eine Injektionsöffnung aufweist. Neben den Batteriezellen 3 können beispielsweise auch hier nicht näher dargestellte Verkabelungen, Sensoren und Steuereinheiten innerhalb des Batteriemodulgehäuses 2 angeordnet werden.
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Anschließend wird der hier nicht dargestellte Deckel des Batteriemodulgehäuses 2 geschlossen, infolgedessen das Batteriemodulgehäuse 2 geschlossen wird. Anschließend wird das brandhemmende und elektrisch isolierende Dichtmittel 6 durch die besagte Injektionsöffnung des hier nicht dargestellten Deckels des Batteriemodulgehäuses 2 eingebracht, bis im Batteriemodulgehäuse 2 vorhandene Zwischenräume zwischen den einzelnen Elementen des Batteriemoduls 1 vom Dichtmittel 6 ausgefüllt sind und das Batteriemodulgehäuse 2 und somit das Batteriemodul 1 nach außen durch das Dichtmittel 6 abgedichtet ist.
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Vorzugsweise wird als das Dichtmittel 6 ein Schaum verwendet, wodurch das Gesamtgewicht des Batteriemoduls 1 niedrig gehalten werden kann. Dieser Schaum härtet nach dem Einbringen in das Batteriemodulgehäuse 2 unter Ausfüllen der besagten Zwischenräume aus. Das Dichtmittel 6 kann zudem einen als Brandschutz dienenden Intumeszenz-Bildner enthalten, der unter Hitzeeinwirkung aufschäumt und eine Flammenausbreitung verhindert. Erhitzen sich beispielsweise aufgrund eines Defekts oder einer Fehlfunktion die Batteriezellen 3 übermäßig, so kann der Intumeszenz-Bildner, welcher im Dichtmittel 6 enthalten ist, aufschäumen und eine Flammenausbreitung innerhalb des Batteriemoduls 1 behindern.
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Durch die besagte Injektionsöffnung im hier nicht dargestellten Deckel des Batteriemodulgehäuses 2 kann zudem das Wärmeleitmaterial 7 eingebracht werden, welches den zur Temperierung des Batteriemoduls 1 dienenden Bereich 11 mit den Kühlkanälen 12 ausfüllt. Dabei kann das Wärmeleitmaterial 7 vor dem Dichtmittel 6 durch die Injektionsöffnung eingebracht werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Wärmeleitmaterial 7 in den Bereich 11 gelangt und die Kühlkanäle 12 vollständig umgibt und einen unteren Bereich der Batteriezellen 3 ebenfalls umgibt. Danach kann dann das brandhemmende und elektrisch isolierende Dichtmittel 6 durch die Injektionsöffnung im hier nicht dargestellten Deckel des Batteriemodulgehäuses 2 eingebracht werden, und zwar bis das Dichtmittel 6 sämtliche zuvor noch vorhandenen Zwischenräume im Batteriemodulgehäuse 2 ausfüllt und dadurch das Batteriemodulgehäuse 2 und somit das Batteriemodul 1 zur Umwelt hin abdichtet.
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Das Wärmeleitmaterial 7 und das Dichtmittel 6 können dabei aus demselben Basispolymer hergestellt sein, sodass das Wärmeleitmaterial 7 und das Dichtmittel 6 nach Einbringen in das Batteriemodulgehäuse 2 einen gemeinsamen Dichtverbund ausbilden. Das Wärmeleitmaterial 7 kann beispielsweise aus Silikon hergestellt sein, wobei das Dichtmittel 6 ein Silikonschaum sein kann. Andere Materialien für das Wärmeleitmaterial 7 und das Dichtmittel 6 sind ebenfalls möglich.
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Zudem umfasst das brandhemmende und elektrisch isolierende Dichtmittel 6 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig darin verteilte Graphitpartikel. Die Graphitpartikel wirken brandhemmend, wobei diese sich bei der Injektion beziehungsweise Einbringung in das Batteriemodulgehäuse 2 gleichmäßig darin verteilen.
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Mittels des erläuterten Verfahrens zur Herstellung des Batteriemoduls 1 ist es möglich, auf einfache und zuverlässige Weise eine Abdichtung des Batteriemoduls 1 gegenüber der Umwelt sicherzustellen. Zusätzliche Dichtungen, beispielsweise bei Kabeln, Deckeln und dergleichen, können entfallen. Zudem muss kein gesonderter Brandschutz beim Batteriemodul 1 oder bei einer Hochvoltbatterie vorgesehen werden, zu welcher mehrere der Batteriemodule 1 verschaltet werden können. Auch müssen keine gesonderten Dichtheitsprüfungen bei der Herstellung des Batteriemoduls 1 oder bei der Herstellung einer Hochvoltbatterie aus mehreren der Batteriemodule 1 durchgeführt werden. Insgesamt können dadurch Fertigungstakte und Herstellzeiten bei einer Batterieproduktion eingespart werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/139826 A1 [0008]
- DE 102016100223 A1 [0009]
- DE 102016207446 A1 [0010]
- DE 102016215131 B3 [0011]
- DE 102017000265 A1 [0012]
