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Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse zur Aufnahme eines Batteriemoduls, wobei das Batteriegehäuse einen Gehäuseboden aufweist. Des Weiteren gehören zur Erfindung auch eine Batteriemodulanordnung mit einem solchen Batteriegehäuse, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Einbringen eines Wärmeleitelements in ein Batteriegehäuse zur Aufnahme eines Batteriemoduls.
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Heutige Hochvolt-Batteriespeichersysteme für Elektrofahrzeuge müssen hohe Anforderungen an die Dichtigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Salzbelastung und so weiter erfüllen. Diese können nur durch aufwendige Dichtmaßnahmen sichergestellt werden. Zudem ist die thermische Anbindung der Zellen an eine Kühlstruktur für die Funktion der Batterie essentiell. Dazu werden thermisch leitfähige Pasten, oder im Allgemeinen Wärmeleitelemente, sogenannte Gapfiller bzw. thermische Interface-Materialien (TIM) eingesetzt. Zum Einbringen eines solchen Wärmeleitelements wird dieses in das Batteriegehäuse, insbesondere auf den Gehäuseboden appliziert und anschließend werden die Module eingeschraubt. Dabei wird das Wärmeleitelement verpresst und verteilt sich idealerweise gleichmäßig auf dem Gehäuseboden zwischen dem Boden und der jeweiligen Batteriemodule. Eine Kühleinrichtung wird dann üblicherweise unterseitig am Batteriegehäuseboden angeordnet. Da Batteriegehäuse üblicherweise deutliche Unebenheiten im Boden und somit große Toleranzen aufweisen, kann durch die Verwendung solcher Wärmeleitpasten bzw. durch solche Wärmeleitelemente die Wärmeabfuhr von den Modulen über die Paste, den Batteriegehäuseboden an die Kühleinrichtung verbessert werden.
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Bei diesen Verfahren zum Einbringen von Gapfillern bzw. Wärmeleitelementen in Batteriegehäuse besteht jedoch das Problem, dass durch das nahezu geschlossene System die geforderte Spaltfüllung bzw. Benetzung beim Setzvorgang nicht überwacht und sichergestellt werden kann. Ein undefinierter Gapfilleraustritt führt dabei zu Materialverschwendung, sowie zu zusätzlichem Fahrzeuggewicht. Zudem ist bei einem eventuellen Bodenverzug keine gleichmäßige Verteilung möglich. Auch entstehen durch die hohen Fließwege hohe Bodendrücke, die zur Modulschädigung führen können. Darüber hinaus führen hohe Kontaktdrücke beim Setzen zu weichen Schraubverbindungen beim Befestigen der Batteriemodule, beim Setzen. Dies kann wiederum zu aufwendiger und kostenintensiver Nacharbeit führen, da sich das Gapfillermaterial nach gewisser Zeit noch etwas setzt und sich die Schraubverbindungen dann entsprechend lockern.
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Die
US 2011/0064997 A1 beschreibt eine einschlagsresistente Batterie, die eine erhöhte Resistenz gegen Feuer oder Explosion verursacht durch ein Auftreffen des Projektils aufweisen soll. Zu diesem Zweck kann die Batterie ein Gehäuse mit einem selbstversiegelnden lonomer-Material aufweisen.
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Weiterhin beschreibt die
WO 2016/053416 A1 ein Batteriemodul mit mehreren in einem Batteriegehäuse angeordneten Batteriezellen. Um zu ermöglichen, dass Wasser oder andere Flüssigkeit, die sich innerhalb des Gehäuses sammeln kann, aus dem Gehäuse entfernt werden kann, kann das Gehäuse kleine Löcher, Öffnungen oder Druckablässe aufweisen, die sich zum Beispiel unter der Gewichtskraft der sich am Boden sammelnden Flüssigkeit öffnen, wodurch das Wasser abfließen kann.
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Weiterhin beschreibt die
DE 2238352 A1 ein galvanisches Element, welches aus einem mit einem Verschlussdeckel versehenen Becher besteht, der in seinem Inneren gegenpolige Elektroden trägt, die von einem flüssigen, organischen Elektrolyten umgeben sind. Um den Elektrolyten einfacher in das galvanische Element einbringen zu können, weist der Verschlussdeckel ein durchsteckbares, die Injektion des Elektrolyten in den Becher gestattendes Dichtelement auf, das durch seine Eigenelastizität die Injektionsöffnung selbsttätig zu schließen vermag.
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Das Bestreben, die beim Einbringen einer Wärmeleitpaste zwischen einem Batteriegehäuseboden und den Batteriemodulen auftretenden oben genannten Probleme zu beseitigen oder zumindest zu mindern, bleibt weiterhin bestehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batteriegehäuse, eine Batteriemodulanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Einbringen eines Wärmeleitmaterials in ein Batteriegehäuse zur Aufnahme eines Batteriemoduls bereitzustellen, die eine möglichst effiziente Möglichkeit zur Einbringung eines Wärmeleitmaterials in ein Batteriegehäuse bereitstellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriegehäuse, durch eine Batteriemodulanordnung, durch ein Kraftfahrzeug und durch ein Verfahren zum Einbringen eines Wärmeleitmaterials in ein Batteriegehäuse mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse zur Aufnahme eines Batteriemoduls weist einen Gehäuseboden auf, der zumindest eine Injektionsöffnung aufweist, durch welche mittels einer Injektionsvorrichtung ein Wärmeleitmaterials in das Batteriegehäuse in einer ersten Richtung durch den Gehäuseboden injizierbar ist. Weiterhin weist das Batteriegehäuse ein elastisch komprimierbares Dichtelement auf, welches im Bereich der mindestens einen Injektionsöffnung angeordnet ist, und das dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Injektionsöffnung zu verschließen. Dabei ist das Dichtelement weiterhin dazu ausgelegt, ab einer vorgebbaren in die erste Richtung wirkenden Injektionskraft beim Injizieren des Wärmeleitmaterials die Injektionsöffnung durch elastisches Komprimieren des Dichtelements freizugeben, und in Abwesenheit der Injektionskraft die Injektionsöffnung durch Ausdehnen des Dichtelements wieder zu verschließen.
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Durch ein solches Batteriegehäuse wird es vorteilhafterweise ermöglicht, das Wärmeleitmaterial von unten durch den Gehäuseboden zu injizieren. Das Wärmeleitmaterial kann somit vorteilhafterweise direkt unter ein sich bereits im Batteriegehäuse befindliches Batteriemodul eingespritzt werden. Dabei können vorteilhafterweise auch mehrere solche Injektionsöffnungen mit jeweiligen Dichtelementen vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Verteilung des Wärmeleitmaterials auf besonders einfache Weise. Zudem muss eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeleitmaterials nicht mehr durch Verpressen der Batteriemodule erfolgen. Durch die Injektion von unten entfällt also das aufwendige Modulesetzen und Verpressen des Gapfillers mit dem beschriebenen Schraubvorgang, der aufwendig und kostenintensiv nachgearbeitet werden muss. Dadurch können zudem Prozesszeiten eingespart werden, die durch das Setzen eines Batteriemoduls mit gleichzeitiger Verpressung des Wärmeleitmaterials verursacht werden. Durch diese deutlich effizientere und gleichmäßigere Applikationsmöglichkeit des Wärmeleitmaterials lassen sich zudem vorteilhafterweise besonders kleine Spaltbreiten zwischen einem Batteriemodul und dem Gehäuseboden erreichen, was dazu führt, dass deutlich weniger Masse des Wärmeleitmaterials benötigt wird, wodurch wiederum eine Kosten- und Gewichtseinsparung erreicht werden kann.
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Diese vorteilhafte Injektion des Wärmeleitmaterials von unten in das Batteriegehäuse wird nun vorteilhafterweise durch das Dichtelement ermöglicht, welches sich beim Einspritzen des Wärmeleitmaterials durch die Injektionskraft bzw. dem beim Einspritzen auf dieses Dichtelement wirkenden Injektionsdruck komprimiert und dadurch die Injektionsöffnung freigibt. Nach der Injektion des Wärmeleitmaterials, wenn also kein Wärmeleitmaterial mehr eingespritzt wird und damit einhergehend auch keine Injektionskraft bzw. kein Druck in der ersten Richtung auf dieses Dichtelement mehr wirkt, so dehnt dieses sich wiederum aus und verschließt damit selbsttätig die Injektionsöffnung. Dadurch kann nämlich vorteilhafterweise das applizierte Wärmeleitmaterial nicht wieder aus dem Batteriegehäuse, insbesondere durch den Gehäuseboden durch die zumindest eine Injektionsöffnung entweichen, zum Beispiel herausfließen. Durch ein solches elastisch komprimierbares Dichtelement wird erst in vorteilhafterweise eine solche Injektion des Wärmeleitmaterials von unten in das Batteriegehäuse ermöglicht, woraus wiederum die oben beschriebenen Vorteile resultieren. Die Erfindung hat damit zudem den großen Vorteil, dass sich ein solches Dichtkonzept auf minimalem Bauraum umsetzen lässt, insbesondere wobei kein zusätzlicher Bauraum erforderlich ist. Hierdurch kann der im Kraftfahrzeug zur Verfügung stehende Bauraum, welcher letztendlich die Reichweite bestimmt, optimal ausgenutzt werden. Zudem lassen sich das Dichtelement sowie die Injektionsöffnung besonders kostengünstig umsetzen und das Dichtkonzept erfordert zudem keine Steuerung von außen. Auch bei einer Unterbrechung der Injektion oder einem Druckabfall schließt das Dichtelement selbsttätig. Auch ist keine zusätzliche Anlagentechnik zum Dichten erforderlich. Insgesamt wird so ein besonders effizientes Einbringen eines Wärmeleitmaterials in ein Batteriegehäuse ermöglicht.
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Bei dem injizierten Wärmeleitmaterial kann es sich beispielsweise um einen Gapfiller handeln bzw. um ein thermisches Interfacematerial, wie beispielsweise eine wärmeleitende Flüssigkeit oder auch eine Wärmeleitpaste oder eine sonstige Wärmeleitmasse. Insbesondere kommt aber jedes flüssige oder pastöse Material mit guten Wärmeleiteigenschaften in Frage, das heißt mit einer Wärmeleitfähigkeit, die zumindest höher ist als die von Luft. Als Injektionsvorrichtung kommt beispielsweise eine Art Spritze oder Ähnliches in Frage, mittels welcher das Wärmeleitmaterial durch die Injektionsöffnung in das Batteriegehäuse eingespritzt werden kann. Im Allgemeinen kann jedoch auch hier zum Injizieren des Wärmeleitmaterials jede beliebige Einspritzvorrichtung verwendet werden.
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Das Einspritzen des Wärmeleitmaterials erfolgt insbesondere in einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuseboden und dem Batteriemodul. Dabei erfolgt die Injektion des Wärmeleitmaterials also vorzugsweise, wenn das Batteriemodul in das Batteriegehäuse bereits eingesetzt und montiert ist. Der Gehäuseboden kann dabei weiterhin eine erste Seite sowie eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite, die eine Außenwand bereitstellt, aufweisen. Die erste Seite ist dann entsprechend, wenn das Batteriemodul in das Batteriegehäuse eingesetzt ist, dem Batteriemodul zugewandt. Entsprechend führt die erste Richtung von der zweiten Seite, das heißt von der Außenseite des Gehäusebodens in Richtung der ersten Seite, das heißt in Richtung des Inneren des Batteriegehäuses.
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Weiterhin ist das Batteriegehäuse bei der Injektion des Wärmeleitmaterials vorzugsweise derart ausgerichtet, dass die erste Seite des Gehäusebodens wie oben definiert eine Oberseite des Gehäusebodens darstellt, das heißt also eine der Erde abgewandte Seite, und die zweite Seite des Gehäusebodens eine Unterseite, das heißt eine der Erde zugewandte Seite.
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Weiterhin ist es vorteilhat, wie bereits erwähnt, wenn der Gehäuseboden mehrere Injektionsöffnungen und jeweilige zugeordnete Dichtelemente aufweist. Diese Injektionsöffnungen und zugeordneten Dichtelemente können dabei gleichartig ausgebildet sein. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, das Wärmeleitmaterial durch mehrere Löcher im Gehäuseboden gleichzeitig zu applizieren und dabei besonders gleichmäßig über den Gehäuseboden und zwischen dem Gehäuseboden und dem mindestens einen Batteriemodul zu verteilen. Darüber hinaus kann das Batteriegehäuse auch zur Aufnahme mehrerer Batteriemodule ausgebildet sein. Dabei kann für ein jeweiliges Batteriemodul beispielsweise ein eigens vorgesehener Bereich oder Fach im Batteriegehäuse vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann das Batteriegehäuse als Gefache bereitgestellt sein. Gerade wenn das Batteriegehäuse zur Aufnahme mehrerer Batteriemodule ausgebildet ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Batteriegehäuse bzw. der Gehäuseboden mehrere Injektionsöffnungen, zum Beispiel nur eine oder mindestens eine pro Batteriemodul, sowie jeweilige zugeordnete Dichtelement aufweist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement dazu ausgelegt, in Abwesenheit der Injektionskraft im zumindest zum Teil komprimierten Zustand eine Kraft entgegen der ersten Richtung auf einen die zumindest eine Injektionsöffnung umschließenden Bereich des Gehäusebodens auszuüben und dadurch die Injektionsöffnung zu verschlie-ßen. Mit anderen Worten befindet sich das Dichtelement auch dann, wenn keine Injektionskraft auf das Dichtelement ausgeübt wird und das Dichtelement somit die Öffnung verschließt, zumindest zum Teil im komprimierten Zustand. Das Dichtelement ist somit vorgespannt und übt damit eine durch diese Teilkompression bedingte Kraft auf den die Injektionsöffnung umschließenden Bereich des Gehäusebodens aus, wodurch die Öffnung besonders dicht verschlossen werden kann. Das Dichtelement kann beispielsweise aus einer Art Schaum gefertigt sein. Weiterhin kann das Dichtelement einen Durchmesser oder Abmessungen aufweisen, die entsprechend größer sind als diejenigen der Injektionsöffnung, sodass das Dichtelement in einem die Injektionsöffnung verschließenden Zustand dieses Injektionsöffnung vollständig überdeckt und auf einem die Injektionsöffnung vollständig umlaufenden Randbereich des Gehäusebodens auch vollständig aufliegt und insbesondere die besagte Kraft auf den Gehäuseboden ausübt. Wird das Wärmeleitmaterial injiziert, so muss eine Injektionskraft auf das Dichtelement aufgebracht werden, die also entsprechend größer ist als die durch das Dichtelement auf den Gehäuseboden ausgeübte Kraft. Dadurch wird das Dichtelement zusammengedrückt, das heißt also noch mehr komprimiert, und das Wärmeleitmaterial kann durch die Injektionsöffnung einfließen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Injektionsöffnung einen Durchmesser zwischen einschließlich 5 mm und einschließlich 10 mm auf. Gerade in diesem Durchmesserbereich ist genügend Raum gegeben, um mittels der Injektionsvorrichtung ein Wärmeleitmaterial durch die Injektionsöffnung zu injizieren und um andererseits durch das Dichtelement diese Injektionsöffnung mit möglichst wenig Materialaufwand zuverlässig verschließen zu können, wenn das Wärmeleitmaterial nicht oder nicht mehr injiziert wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriegehäuse eine Abstützeinrichtung auf, die in einem Abstand zur Injektionsöffnung angeordnet ist, wobei das Dichtelement zwischen der Abstützeinrichtung und der zumindest einen Injektionsöffnung angeordnet ist, und wobei die Abstützeinrichtung das Dichtelement abstützt, wenn das Dichtelement durch die Injektionskraft komprimiert wird. Wird also das Wärmeleitmaterial durch die Injektionsöffnung injiziert, so wird das Dichtelement komprimiert und gegen diese Abstützeinrichtung gedrückt. Dadurch kann vorteilhafterweise das Dichtelement in seiner Position gehalten werden.
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Um die Positionierung des Dichtelements weiter zu stabilisieren ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn das Dichtelement mit seiner der mindestens einen Injektionsöffnung abgewandten Seite an der Abstützvorrichtung befestigt ist. Beispielsweise kann das Dichtelement mit der der Injektionsöffnung abgewandten Seite an der Abstützvorrichtung angeklebt oder anderweitig befestigt sein.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Abstützvorrichtung durch eine Unterseite eines Batteriemoduls bereitgestellt ist, wie dies später näher beschrieben wird, da hierdurch auf zusätzliche Bauteile verzichtet und dadurch Bauraum gespart werden kann.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Batteriemodulanordnung mit einem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse oder einer seiner Ausgestaltungen und mit mindestens einem Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle, wobei das Batteriemodul im Batteriegehäuse angeordnet ist.
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Die für das erfindungsgemäße Batteriegehäuse und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise auch für die erfindungsgemäße Batteriemodulanordnung.
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Ein Batteriemodul umfasst also mindestens eine Batteriezelle. Eine solche Batteriezelle kann zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst das Batteriemodul jedoch mehrere Batteriezellen, wie zum Beispiel eine in einem Zellpack angeordnete Batteriezellenanordnung.
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Wie bereits ebenfalls beschrieben kann das Batteriegehäuse auch zur Aufnahme mehrerer Batteriemodule ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Batteriegehäuse mehrere Kammern aufweisen, die optional durch Trennwände voneinander separiert sein können, wobei eine jeweilige Kammer zur Aufnahme eines Batteriemoduls ausgelegt ist. In einem jeweiligen einer Kammer zugeordneten Gehäuseboden können dann eine oder mehrere Injektionsöffnungen mit zugeordneten Dichtelementen angeordnet sein.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Batteriemodulanordnung stellt ein Boden des mindestens einen Batteriemoduls, welcher dem Gehäuseboden zugewandt ist, die Abstützvorrichtung bereit. Mit anderen Worten kann also ein einer Injektionsöffnung zugeordnetes Dichtelement an einem Boden des Batteriemoduls befestigt sein, zum Beispiel angeklebt sein. Vor dem Injizieren des Wärmeleitmaterials wird das Batteriemodul in das Batteriegehäuse eingesetzt und befestigt, sodass der Boden des Batteriemoduls einen Abstand zum Gehäuseboden aufweist, der insbesondere geringer ist als eine Höhe des Dichtelements im unkomprimierten Zustand, und das am Boden des Batteriemoduls befindliche Dichtelement die zugeordnete Injektionsöffnung überdeckt und verschließt. Durch die Befestigung des Batteriemoduls im Batteriegehäuse wird also entsprechend auch das Dichtelement vorgespannt und drückt somit entsprechend auf den die Injektionsöffnung einschließenden Bereich des Gehäusebodens.
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Bevorzugt ist es dabei weiterhin, dass das Dichtelement in dieser Situation, das heißt in einem die Injektionsöffnung verschließenden Zustand eine Höhe aufweist, das heißt senkrecht zum Gehäuseboden, welche um ca. ein Drittel gegenüber seiner Höhe im unkomprimierten Zustand reduziert ist. Dadurch ist das Dichtelement einerseits ausreichend vorgespannt, um die Injektionsöffnung sicher zu verschließen, insbesondere auch nach der Injektion des Wärmeleitmaterials, und um gleichzeitig noch ausreichend nachzugeben, wenn das Wärmeleitmaterial durch die Injektionsöffnung injiziert werden soll, um diese Öffnung freizugeben. Sind mehrere Injektionsöffnungen im Gehäuseboden unterhalb des Batteriemoduls vorgesehen, so können entsprechend auch mehrere Dichtelemente am Boden des Batteriemoduls angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriemodulanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die für das erfindungsgemäße Batteriegehäuse und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile sowie die für die erfindungsgemäße Batteriemodulanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Einbringen eines Wärmeleitmaterials in ein Batteriegehäuse zur Aufnahme eines Batteriemoduls, wobei das Batteriegehäuse einen Gehäuseboden aufweist, der zumindest eine Injektionsöffnung umfasst, durch welche mittels einer Injektionsvorrichtung das Wärmeleitmaterial in das Batteriegehäuse in einer ersten Richtung durch den Gehäuseboden injiziert wird. Dabei weist das Batteriegehäuse ein elastisch komprimierbares Dichtelement auf, welches im Bereich der mindestens einen Injektionsöffnung angeordnet ist, und welches ab einer vorgebbaren in die erste Richtung wirkenden Injektionskraft beim Injizieren des Wärmeleitmaterials die Injektionsöffnung durch elastisches Komprimieren des Dichtelements freigibt und in Abwesenheit der Injektionskraft, insbesondere nach der Injektion des Wärmeleitmaterials, die Injektionsöffnung durch Ausdehnen des Dichtelements wieder verschließt.
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Auch hier gelten die für das erfindungsgemäße Batteriegehäuse und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile sowie die für die erfindungsgemäße Batteriemodulanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäße Batteriegehäuse und der erfindungsgemäßen Batteriemodulanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batteriegehäuseanordnung mit einem Batteriegehäuse und einem in das Batteriegehäuse eingesetzten Batteriemodul sowie einer Injektionsöffnung zur Injektion eines Wärmeleitmaterial und einem zugeordneten und die Injektionsöffnung verschließenden Dichtelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung der Batteriemodulanordnung aus 1 während der Injektion des Wärmeleitmaterials, wobei das Dichtelement komprimiert wird und die Injektionsöffnung freigibt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung der Batteriemodulanordnung aus 1 nach der Injektion des Wärmeleitmaterials in Abwesenheit der Injektionskraft, sodass das Dichtelement durch Expansion die Injektionsöffnung selbsttätig wieder verschließt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriemodulanordnung 10 mit einem Batteriegehäuse 12, von welchem hier exemplarisch nur ein Teil dargestellt ist, sowie einem Batteriemodul 14, welches in das Batteriegehäuse 12 eingesetzt ist. Das Batteriemodul 14 weist in diesem Beispiel mehrere Batteriezellen 16 auf, insbesondere exemplarisch sieben Batteriezellen, von denen nur eine aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen ist. Darüber hinaus ist das Batteriemodul 14 in einer diesem Batteriemodul 14 zugeordneten Kammer 12a des Batteriegehäuses 12 angeordnet. Das Batteriegehäuse 12 kann darüber hinaus mehrere solcher Kammern 12a für jeweilige Batteriemodule 14 aufweisen. Weiterhin umfasst das Batteriegehäuse 12 einen Boden 12b. In diesem Gehäuseboden 12b befindet sich nunmehr zumindest eine Injektionsöffnung 12c. Diese Injektionsöffnung 12c ist nunmehr vorteilhafterweise durch ein darüber angeordnetes Dichtelement 18 verschlossen. Dieses Dichtelement 18 kann beispielsweise durch eine Schaumdichtung, zum Beispiel aus einem Polyurethanschaum oder irgendeinem anderen geeigneten Schaum, bereitgestellt sein. Im Allgemeinen ist das Dichtelement 18 dabei elastisch komprimierbar. Wie dargestellt ist diese Dichtelement 18 zwischen dem Batteriemodul 14 und dem Gehäuseboden 12b angeordnet, insbesondere zwischen einem Boden 14a des Batteriemoduls 14 und dem Gehäuseboden 12b. Zur Stabilisierung der Position des Dichtelements 18, insbesondere während der Injektion eines Wärmeleitmaterials und insbesondere auch zur Vereinfachung des Einbaus der Batteriemodule 14 in das Batteriegehäuse 12 wird das Dichtelement 18 vorzugsweise an der Unterseite 14a bzw. an dem Boden 14a des Batteriemoduls 14 befestigt. Bevor das Batteriemodul 14 also in das Batteriegehäuse 12 eingesetzt und zum Beispiel verschraubt wird, wird dieses Dichtelement 18, optional auch mehrere Dichtelemente 18, am Boden 14a des Batteriemoduls 14 angeordnet, insbesondere an vorbestimmten Positionen, die im in das Batteriegehäuse 12 eingesetzten Zustand des Batteriemoduls 14 zur Position der jeweiligen Injektionsöffnungen 12c korrespondieren. Mit anderen Worten werden in einem Schritt bei der Produktion der Module im Bereich der späteren Injektionspunkte, d.h. der Injektionsöffnungen 12c, Schaumdichtungen bzw. im Allgemeinen die Dichtelemente 18 aufgebracht.
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Dieses Dichtelement 18 ist weiterhin vorzugsweise geringfügig größer als ein Durchmesser der Injektionsöffnung 12c, um diese Öffnung zuverlässig abdichten zu können, insbesondere nach dem Einbringen des Wärmeleitmaterials. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Geometrie des Dichtelements 18 an eine Geometrie der zugeordneten Injektionsöffnung 12c angepasst ist bzw. diese gleich sind. Grundsätzlich kommt hierbei jede beliebige Geometrie, wie dreieckig, viereckig, rechteckig, oval, oder auch eine beliebige Freiformgeometrie in Frage, vorzugsweise sind jedoch die Öffnung 12c und das Dichtelement 18 rund, d.h. kreisförmig, da dies strömungsdynamisch und fertigungstechnisch besonders vorteilhaft ist und auch der später beschriebene Injektor 19 vorzugsweise eine Einspritzkanüle oder ein Injektionsrohr mit rundem Querschnitt aufweist.
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Beim Verschrauben der Batteriemodule 14 im Batteriegehäuse 12 werden die Schaumdichtungen, das heißt also das zumindest eine Dichtelement 18, leicht komprimiert und somit auf die für ihre spätere Funktion notwendige Vorspannung gebracht. Anschließend fährt eine als Injektor 19 ausgebildete Injektionsvorrichtung die Injektionspunkte, das heißt die mindestens eine Injektionsöffnung 12c, an und startet die Injektion, wie dies in 2 illustriert ist. Der Injektor 19 fährt dabei die mindestens eine Injektionsöffnung 12c derart an, dass dieser mit dem diese Öffnung 12c umgebenden Bereich das Gehäusebodens 12b dicht abschließt. Zu Beginn der Injektion erhöht sich der Injektionsdruck bzw. die durch das durch den Injektor 19 auszubringende Wärmeleitmaterial 20 auf das Dichtelement 18 ausgeübte Injektionskraft Fi, soweit bis das Dichtelement 18 komprimiert wird, insbesondere weiter komprimiert wird, und dadurch die Injektionsöffnung 12c freilegt wird. Der in das Batteriegehäuse 12 einströmende Gapfiller, d.h. das Wärmeleitmaterial 20, komprimiert die Dichtung, d.h. das Dichtelement 18. Das Einströmen des Wärmeleitmaterials 20 ist in 2 durch die Pfeile 22 veranschaulicht. Diese Pfeile 22 weisen zudem in die Fließrichtung des Wärmeleitmaterials 20 beim Injizieren des Wärmeleitmaterials 20.
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Der Gapfiller bzw. im Allgemeinen das Wärmeleitmaterial 20 strömt dann unter das Batteriemodul 14, solange der Injektionsdruck aufrechterhalten wird. Dadurch kann sich das Wärmeleitmaterial 20 gleichmäßig im Zwischenraum zwischen dem Boden 14a des Batteriemoduls 14 und dem Gehäuseboden 12b verteilen. Diese Verteilung ist umso einfacher und gleichmäßiger, je geringer die Viskosität des Wärmeleitmaterials 20 ist. Durch eine geringe Viskosität des Wärmeleitmaterials 20 kann dieses auch deutlich einfacher in diesen Zwischenraum eingebracht und verteilt werden, wodurch der dafür erforderliche Druck deutlich geringer ausfallen kann. Dies ist wiederum besonders vorteilhaft, da hohe Drücke das Batteriemodul 14 schädigen könnten. Die Verwendung eines solchen Wärmeleitmaterials 20 mit besonders geringer Viskosität wird erst durch das Vorsehen des Dichtelements 18 ermöglicht. Denn ist die Injektion abgeschlossen, und fällt der Injektionsdruck ab, expandiert der Schaum zurück in seine ursprüngliche Lage, das heißt das Dichtelement 18 dehnt sich wieder aus, wie dies in 3 schematisch dargestellt ist. Der Injektor 19 fährt also nach der Injektion zurück und die Dichtung, d.h. das Dichtelement 18, expandiert wieder. Dadurch verschließt das Dichtelement 18 dabei wieder das Injektionsloch bzw. die Injektionsöffnung 12c. Dabei expandiert das Dichtelement 18 nicht vollständig sondern nur zum Teil. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass die Spaltbreite zwischen dem Modulboden 14a und dem Gehäuseboden 12b kleiner ist als eine Höhe des vollständig ausgedehnten Dichtelements 18, welche sich in dieser Darstellung parallel zur ersten Richtung, d.h. in Richtung der Injektionskraft Fi aus 2, erstreckt. Dadurch ist das Dichtelement 18 auch nach der Injektion noch zum Teil komprimiert und übt so eine durch diese Teilkompression bedingte Kraft Fd auf den die zugeordnete Injektionsöffnung 12c umgebenden Bereich des Gehäusebodens 12b aus. Somit kann kein Gapfiller, auch nicht mit geringer Viskosität, zurückfließen bzw. aus dem Gehäuseboden 12b durch die Injektionsöffnung 12c austreten.
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Weiterhin kann anschließend noch eine Kühlplatte, insbesondere eine mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte, unterseitig, das heißt auf der dem Batteriemodul 14 gegenüberliegenden Seite des Gehäusebodens 12b an diesem Gehäuseboden 12b angeordnet werden. Zum Beispiel angeklebt werden. Somit kann nun Wärme vom Batteriemodul 14 über das Wärmeleitmaterial 20 und den Gehäuseboden 12b an besonders effizient an die Kühlplatte übertragen und abtransportiert werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele wie durch die Erfindung ein Dichtungskonzept zum selbsttätigen Abdichten einer Injektionsöffnung nach Injektion eines Wärmeleitmaterials, insbesondere eines Gapfillers, von unten in ein Batteriegehäuse bereitgestellt werden kann, welches minimale Kosten und keinen Bauraumverlust verursacht, sowie vorteilhafterweise keinerlei Steuerung von außen benötigt. Bei Unterbrechung der Injektion oder einem Druckabfall schließt sich die Dichtung selbsttätig durch Expansion. Damit kann ein besonders effizientes Einbringen eines Wärmeleitmaterials zwischen dem Batteriemodul und einem Gehäuseboden bewerkstelligt werden. Der Injektionsvorgang selbst kann dadurch effizienter gestaltet werden und auch das aufwendige Modulesetzen, einhergehend mit einem Verpressen des Gapfillers kann vollständig entfallen. Dadurch können Prozesszeiten deutlich verkürzt werden und zudem auch deutlich geringere Spaltbereiten erreicht werden, was es wieder ermöglicht, Gapfiller einzusparen und damit auch Gewicht und Kosten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0064997 A1 [0004]
- WO 2016/053416 A1 [0005]
- DE 2238352 A1 [0006]
