DE102020113951B3 - Battery module for a battery and a motor vehicle with a battery and a corresponding manufacturing process for this - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mittels Verguss realisiertes Batteriemodul (10) für eine Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs (14). Das Batteriemodul (10) umfasst mehrere Batteriezellen (16) sowie eine Kühleinrichtung (28). Ein erster Hohlraum zwischen der Kühleinrichtung (28) und einer Unterseite (18) jeder der Batteriezellen (16) ist mit einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Vergussmaterial (38a) ausgefüllt. Ein zweiter Hohlraum, der eine Seitenfläche (22) jeder der Batteriezellen (16) umhüllt, ist mit einem thermisch isolierenden zweiten Vergussmaterial (38b) ausgefüllt. Ferner ist ein dritter Hohlraum, der eine Oberseite (20) mit zwei elektrischen Anschlüssen (24) jeder der Batteriezellen (16) und einen jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder (26) umhüllt, mit einem dritten Vergussmaterial (38c) ausgefüllt. Außerdem umfasst das Batteriemodul (10) zumindest ein Befestigungselement (32a) zum Befestigen des und/oder zum Krafteinleiten in das Batteriemodul (10).The invention relates to a battery module (10) implemented by means of encapsulation for a battery (12) of a motor vehicle (14). The battery module (10) comprises several battery cells (16) and a cooling device (28). A first cavity between the cooling device (28) and an underside (18) of each of the battery cells (16) is filled with a heat-conducting and electrically insulating first potting material (38a). A second cavity, which envelops a side surface (22) of each of the battery cells (16), is filled with a thermally insulating second potting material (38b). Furthermore, a third cavity, which encloses an upper side (20) with two electrical connections (24) of each of the battery cells (16) and a respective cell connector (26) arranged thereon, is filled with a third potting material (38c). In addition, the battery module (10) comprises at least one fastening element (32a) for fastening and / or for introducing force into the battery module (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie. Das Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen sowie eine Kühleinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Batteriemoduls.The invention relates to a battery module for a battery and to a motor vehicle with such a battery. The battery module comprises several battery cells and a cooling device. The invention also relates to a method for producing such a battery module.

Eine Batterie im Sinne der Erfindung umfasst ein Batteriemodul, das eine Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen aufweist. Diese können jeweils beispielsweise als eine prismatische Zelle, eine Rundzelle oder als eine Pouch-Zelle ausgestaltet sein. Eine solche Batteriezelle stellt hierbei bevorzugt eine Spannung im Bereich zwischen 3,5 und 4,0 Volt bereit. Insbesondere weist das jeweilige Batteriemodul eine Vielzahl an elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen auf, wobei eine Zelle-zu-Zelle-Verbindung mittels eines Zellverbinders realisiert sein kann, der an den elektrischen Anschlüssen der jeweiligen Batteriezelle angeordnet ist. Bevorzugt sind die Batteriezellen zu zumindest einem Zellstapel aneinander angeordnet und von einem Modulgehäuse ummantelt. Ein oder mehrere solcher Batteriemodule können wiederum in einem Batteriegehäuse der Batterie angeordnet sein. Die Batterie ist bevorzugt als eine sogenannte Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) ausgebildet, die dazu eingerichtet ist, eine elektrische Spannung im Bereich von mehr als 60 Volt, insbesondere im Bereich von mehreren 100 Volt, bereitzustellen. Diese kann beispielsweise in einem zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug eingesetzt werden, wo sie eine elektrische Energie zum Antreiben und/oder Versorgen des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Um ein derart angetriebenes Kraftfahrzeug besonders effizient und sicher betreiben zu können, werden hohe Anforderungen (z.B. Energiegehalt, Dichtigkeit und/oder Festigkeit) an die Batterie gestellt. Hierdurch steigen ein Bauraumverbrauch und ein Montageaufwand beim Fertigen der Batterie.A battery in the sense of the invention comprises a battery module which has one battery cell or several battery cells. These can each be designed, for example, as a prismatic cell, a round cell or as a pouch cell. Such a battery cell preferably provides a voltage in the range between 3.5 and 4.0 volts. In particular, the respective battery module has a multiplicity of electrically interconnected battery cells, wherein a cell-to-cell connection can be implemented by means of a cell connector which is arranged at the electrical connections of the respective battery cell. The battery cells are preferably arranged next to one another to form at least one cell stack and encased in a module housing. One or more such battery modules can in turn be arranged in a battery housing of the battery. The battery is preferably designed as a so-called high-voltage battery (HV battery), which is set up to provide an electrical voltage in the range of more than 60 volts, in particular in the range of several 100 volts. This can be used, for example, in an at least partially electrically driven motor vehicle, where it provides electrical energy for driving and / or supplying the motor vehicle. In order to be able to operate a motor vehicle driven in this way particularly efficiently and safely, high demands (e.g. energy content, tightness and / or strength) are placed on the battery. This increases the space consumption and the assembly effort when manufacturing the battery.

Um einen Bauraum effizient zu nutzen und den Montageaufwand zu reduzieren, können beispielsweise Zwischenräume innerhalb des Batteriemoduls und/oder der Batterie vergossen werden. Hierzu sind aus dem Stand der Technik bereits mehrere Möglichkeiten bekannt.In order to use installation space efficiently and to reduce the assembly effort, for example intermediate spaces within the battery module and / or the battery can be potted. Several possibilities for this are already known from the prior art.

Beispielsweise offenbart die DE 10 2015 219 280 A1 ein Herstellungsverfahren eines Batteriesystems. Hierbei werden Batteriezellen in einem Innenraum eines Batteriesystemgehäuses oder einer Vergussform positioniert und zumindest teilweise mit mindestens einer Vergussmasse (z.B. Einphasen- oder Zweiphasen-Verguss) vergossen.For example, the DE 10 2015 219 280 A1 a manufacturing method of a battery system. In this case, battery cells are positioned in an interior of a battery system housing or a potting mold and are at least partially potted with at least one potting compound (for example single-phase or two-phase potting).

Die US 2018/0223070 A1 beschreibt, dass ein Zwischenraum zwischen Batteriezellen innerhalb eines Batteriemodulgehäuses durch einen syntaktischen Silikonschaumgummi ausgefüllt ist, der ein Silikongummibindemittel und hohlen Glasperlen aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Silikonschaumgummi das Batteriemodulgehäuse und/oder die mehreren Batteriezellen umhüllen.The US 2018/0223070 A1 describes that a space between battery cells within a battery module housing is filled by a syntactic silicone foam rubber that has a silicone rubber binder and hollow glass beads. Alternatively or additionally, the silicone foam rubber can enclose the battery module housing and / or the plurality of battery cells.

Aus der US 2015/0188205 A1 ist bekannt, in Durchgangslöchern eines Batteriegehäuses mehrere Batterien anzuordnen und einen Zwischenraum mit wärmeleitenden Klebstoff (z.B. Epoxidharz) zu vergießen, um eine Wärmeübertragung von den Batterien durch das Gehäuse zu erhöhen.From the US 2015/0188205 A1 It is known to arrange a plurality of batteries in through holes of a battery housing and to encapsulate an intermediate space with thermally conductive adhesive (eg epoxy resin) in order to increase heat transfer from the batteries through the housing.

Beispielsweise offenbart die DE 10 2016 100 882 A1 eine Kraftfahrzeugbatterie, mit deren Hilfe ein Kraftfahrzeug elektrifiziert werden kann und insbesondere ein Hybrid- oder Batterieelektro-Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann.For example, the DE 10 2016 100 882 A1 a motor vehicle battery, with the help of which a motor vehicle can be electrified and, in particular, a hybrid or battery electric motor vehicle can be electrically driven.

Die DE 10 2016 211 122 A1 offenbart ein Batteriemodul, umfassend eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle, einen Zellverbinder, welcher einen Anschlusspol der ersten Batteriezelle mit einem Anschlusspol der zweiten Batteriezelle elektrisch leitfähig verbindet, und einen Wärmetauscher, welcher an dem Zellverbinder angeordnet ist und mitdiesem thermisch gekoppelt ist.The DE 10 2016 211 122 A1 discloses a battery module comprising a first battery cell, a second battery cell, a cell connector which electrically conductively connects a terminal of the first battery cell to a terminal of the second battery cell, and a heat exchanger which is arranged on the cell connector and is thermally coupled to it.

Vor diesem Hintergrund ist es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul für eine Batterie der eingangs genannten Art mit einem geringen Bauraumverbrauch und verminderten Montageaufwand bereitzustellen. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen.Against this background, it is therefore the object of the present invention to provide a battery module for a battery of the type mentioned at the beginning with a low installation space requirement and reduced assembly costs. Furthermore, it is the object of the present invention to provide a motor vehicle with such a battery and a corresponding manufacturing method.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous further developments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass steigende Anforderungen (z.B. Energiegehalt, Dichtigkeit und/oder Festigkeit) an die Batterie einen Bauraumverbrauch sowie einen Montageaufwand für die Batterie bzw. ein entsprechendes Batteriemodul hierfür erhöhen. Der Bauraumverbrauch kann beispielsweise dadurch bedingt sein, dass einzelne funktionale Komponenten einen definierten Raum (Volumen) innerhalb der Batterie einnehmen und jeweils eine fertigungsbedingte Toleranz aufweisen. Um die Batterie bzw. das Batteriemodul entsprechend den Anforderungen zu fertigen, ist eine Vielzahl an Fertigungsschritten erforderlich (z.B. elektrisches und/oder thermisches Isolieren der Batteriezellen zueinander, etc.). Diese können teilweise einen großen Bauaufwand bedeuten (z.B. Laserschweißen eines Batteriemodulgehäuses). Dem kann durch die Erfindung entgegengewirkt werden. The invention is based on the knowledge that increasing requirements (for example energy content, tightness and / or strength) on the battery increase installation space consumption and assembly costs for the battery or a corresponding battery module for this purpose. The installation space consumption can be due, for example, to the fact that individual functional components take up a defined space (volume) within the battery and each have a production-related tolerance. In order to manufacture the battery or the battery module in accordance with the requirements, a large number of manufacturing steps are required (for example electrical and / or thermal insulation of the battery cells from one another, etc.). these can in some cases mean a lot of construction work (e.g. laser welding of a battery module housing). This can be counteracted by the invention.

Durch die Erfindung ist ein Batteriemodul für eine Batterie der eingangs genannten Art eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen sowie eine Kühleinrichtung für die Batteriezellen. Jede der Batteriezellen ist jeweils von einer Unterseite, einer Oberseite mit zwei elektrischen Anschlüssen für einen jeweiligen Zellverbinder und einer Seitenfläche begrenzt. Jede der Batteriezellen, die insbesondere als prismatische Zellen ausgebildet sein können, weist die Unterseite zum Anordnen an der Kühleinrichtung sowie die zur Unterseite gegenüberliegende Oberseite auf. Seitlich, d. h. zwischen der Oberseite und der Unterseite, ist jede der Batteriezellen von der Seitenfläche umhüllt. In Abhängigkeit von einer Bauart der jeweiligen Batteriezelle (z.B. prismatische, Rund- oder Pouch-Zelle) und einer dadurch vorgegebenen Form kann die Seitenfläche eine Mantelfläche eines Zylinders darstellen, der eine runde und/oder eine eckige Grundfläche aufweist. Um die Batteriezellen elektrisch miteinander zu verbinden, können die beiden elektrischen Anschlüsse über den jeweiligen Zellverbinder entsprechend eines vorgegebenen Schaltplans elektrisch leitend miteinander verbunden, d. h. kontaktiert werden. Der jeweilige Zellverbinder kann beispielsweise als eine Stromschiene realisiert sein. Beim Betreiben der Batteriezellen kann Wärme entstehen, die von den Batteriezellen über die Kühleinrichtung abgeführt werden kann. Die Kühleinrichtung, die beispielsweise als ein Plattenwärmetauscher ausgebildet sein kann, kann hierzu thermisch leitend über die Unterseite der jeweiligen Batteriezelle verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der Kühleinrichtung bei Bedarf Wärme zugeführt werden. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung einen Strangpressprofilabschnitt oder ein gelötetes Doppelblech umfassen.The invention provides a battery module for a battery of the type mentioned at the beginning of a motor vehicle. The battery module comprises several battery cells and a cooling device for the battery cells. Each of the battery cells is delimited by an underside, an upper side with two electrical connections for a respective cell connector and a side surface. Each of the battery cells, which can in particular be designed as prismatic cells, has the lower side for arrangement on the cooling device and the upper side opposite to the lower side. Laterally, d. H. between the top and the bottom, each of the battery cells is enveloped by the side surface. Depending on the type of battery cell (e.g. prismatic, round or pouch cell) and a given shape, the side surface can represent a lateral surface of a cylinder that has a round and / or angular base. In order to electrically connect the battery cells to one another, the two electrical connections can be connected to one another in an electrically conductive manner via the respective cell connector in accordance with a predetermined circuit diagram. H. to be contacted. The respective cell connector can be implemented as a busbar, for example. When the battery cells are operated, heat can be generated which can be dissipated from the battery cells via the cooling device. The cooling device, which can be designed as a plate heat exchanger, for example, can for this purpose be connected in a thermally conductive manner via the underside of the respective battery cell. Alternatively or additionally, heat can be supplied by means of the cooling device, if required. For example, the cooling device can comprise an extruded profile section or a soldered double sheet.

Innerhalb des Batteriemoduls können die Batteriezellen zur Kühleinrichtung sowie zueinander beabstandet angeordnet sein. Dadurch sind ein erster Hohlraum zwischen der Kühleinrichtung und der Unterseite jeder der Batteriezellen und ein zweiter Hohlraum, der die Seitenfläche jeder der Batteriezellen umhüllt, ausgebildet. Der zweite Hohlraum kann somit von einem Abstand zwischen zwei der Batteriezellen und alternativ oder zusätzlich zwischen einer der Batteriezellen und einer Kontur, d.h. einem Umriss des Batteriemoduls definiert, d.h. vorgegeben sein. Die Kontur des Batteriemoduls kann beispielsweise während einer Fertigung des Batteriemoduls von einem Werkzeug und/oder einem Batteriemodulgehäuse vorgegeben sein. Diese Hohlräume, d. h. der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum, sind mit einem jeweiligen Vergussmaterial, d.h. einem ersten Vergussmaterial und einem zweiten Vergussmaterial, ausgefüllt. Insbesondere kann das jeweilige Vergussmaterial als ein Duroplast (z.B. gehärtetes Kunstharz) und/oder ein Elastomer (z.B. Silikon) ausgebildet sein, das während der Fertigung flüssig ist und zum Bereitstellen des Batteriemoduls aushärten, d.h. vernetzen. Insbesondere kann das jeweilige Vergussmaterial zwei voneinander unterschiedliche Werkstoffe einer selben Art, d.h. zwei unterschiedliche Duroplaste oder zwei unterschiedliche Elastomere, umfassen. Beispielsweise kann es sich bei dem Duroplast um ein Reaktionsharz auf Epoxid- und/oder Polyurethanbasis handeln, die durch Kettenpolymerisation und/oder Polyaddition bei geringer Temperatur und Atmosphärendruck aushärten. Dabei kann das jeweilige Vergussmaterial dazu dienen, die Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls zu befestigen. Zusätzlich kann das jeweilige Vergussmaterial eine von einer Befestigungsfunktion abweichende Funktion aufweisen. Diese Funktion kann beispielsweise durch Zugabe eines entsprechenden Füllstoffes realisiert sein. Um eine Wärmeleitung und eine elektrische Isolierung des mit dem ersten Vergussmaterial ausgefüllten ersten Hohlraums zwischen den Batteriezellen und der Kühleinrichtung bereitzustellen, umfasst das erste Vergussmaterial daher einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Füllstoff. Hierzu können beispielsweise halb-/metallische Partikel aus einem Aluminium-, Silizium- oder Borwerkstoff eingebettet sein. Dadurch kann besonders effizient Wärme von den Batteriezellen zur Kühleinrichtung übertragen werden und umgekehrt. Beispielsweise kann mittels des ersten Vergussmaterials eine Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 3 Watt pro Meter und Kelvin sowie eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von kleiner 5 Kilovolt pro Millimeter bereitgestellt sein. Dabei kann besonders vorteilhaft auf ein Anbringen eines kostenintensiven Wärmeleitmaterials verzichtet werden. Um eine Wärmeleitung zwischen zwei der Batteriezellen und alternativ oder zusätzlich zwischen von einer der Batteriezellen nach außen in eine Umgebung des Batteriemoduls zu verhindern oder zu begrenzen, kann das zweite, den zweiten Hohlraum ausfüllende Vergussmaterial einen thermisch isolierenden zweiten Füllstoff aufweisen. Der zweite Füllstoff kann beispielsweise Hohlkugeln aus Glas, Keramik und/oder Kunststoff umfassen, die zusätzlich eine Dichte des zweiten Vergussmaterials verringern und/oder bei Aufblähen (Swelling) einer der Batteriezellen nachgeben. Dabei kann auch eine Wärmeübertragung ausgehend von zumindest einer der Batteriezellen an die Umgebung des Batteriemoduls über die Seitenfläche der jeweiligen der Batteriezellen verhindert werden. Durch das erste und zweite Vergussmaterial kann bereits ein Zweiphasen-Verguss realisiert sein.Within the battery module, the battery cells can be arranged at a distance from the cooling device and from one another. As a result, a first cavity between the cooling device and the bottom of each of the battery cells and a second cavity that envelops the side surface of each of the battery cells are formed. The second cavity can thus be defined, i.e. predetermined, by a distance between two of the battery cells and, alternatively or additionally, between one of the battery cells and a contour, i.e. an outline of the battery module. The contour of the battery module can, for example, be predetermined by a tool and / or a battery module housing during manufacture of the battery module. These cavities, i.e. H. the first cavity and the second cavity are filled with a respective potting material, i.e. a first potting material and a second potting material. In particular, the respective potting material can be designed as a thermoset (e.g. hardened synthetic resin) and / or an elastomer (e.g. silicone) that is liquid during manufacture and that hardens, i.e. cross-links, to provide the battery module. In particular, the respective potting material can comprise two different materials of the same type, i.e. two different thermosets or two different elastomers. For example, the thermoset can be a reaction resin based on epoxy and / or polyurethane, which cures by chain polymerization and / or polyaddition at low temperature and atmospheric pressure. The respective potting material can serve to fasten the battery cells within the battery module. In addition, the respective potting material can have a function that deviates from a fastening function. This function can be implemented, for example, by adding an appropriate filler. In order to provide heat conduction and electrical insulation of the first cavity filled with the first potting material between the battery cells and the cooling device, the first potting material therefore comprises a thermally conductive and electrically insulating first filler. For this purpose, for example, semi / metallic particles made of an aluminum, silicon or boron material can be embedded. As a result, heat can be transferred particularly efficiently from the battery cells to the cooling device and vice versa. For example, a thermal conductivity of 1 to 3 watts per meter and Kelvin and an electrical breakdown strength of less than 5 kilovolts per millimeter can be provided by means of the first potting material. In this case, it is particularly advantageous to dispense with the application of an expensive heat-conducting material. In order to prevent or limit heat conduction between two of the battery cells and alternatively or additionally between one of the battery cells to the outside into the surroundings of the battery module, the second potting material filling the second cavity can have a thermally insulating second filler. The second filler can include, for example, hollow spheres made of glass, ceramic and / or plastic, which additionally reduce the density of the second potting material and / or give way when one of the battery cells swells. In this case, heat transfer from at least one of the battery cells to the surroundings of the battery module via the side surface of the respective battery cells can also be prevented. A two-phase potting can already be implemented by the first and second potting material.

Zusätzlich weist das Batteriemodul einen dritten Hohlraum auf, der die Oberseite mit den beiden elektrischen Anschlüssen jeder der Batteriezellen und den jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder umhüllt. Der dritte Hohlraum ist mit einem dritten Vergussmaterial ausgefüllt, dass füllstofflos ist oder einen dritten Füllstoff aufweist, der von dem ersten Füllstoff und dem zweiten Füllstoff verschieden ist. Somit sind die beiden elektrischen Anschlüsse sowie die Oberseite jeder der Batteriezellen sowie der jeweilige die Batteriezellen elektrisch verbindende Zellverbinder von dem dritten Vergussmaterial eingebettet. Das dritte Vergussmaterial kann wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten und dem zweiten Vergussmaterial als aushärtendes Duroplast vorliegen. Liegt der dritte Füllstoff vor, kann dieser beispielsweise Verstärkungsfasern und/oder daraus gefertigte Faserhalbzeuge (z.B. Gewebe, Matten) umfassen, sodass der dritte Vergusswerkstoff als ein Faserverbundkunststoff ausgebildet sein kann. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise als Glasfasern und/oder als Polyamidfasern (z.B. Kevlar) ausgebildet sein. Alternativ kann das dritte Vergussmaterial auf eine Füllstoffzugabe verzichten. Vorteilhafterweise kann durch das dritte Vergussmaterial für das Batteriemodul und die zugehörigen Komponenten (Batteriezellen, Kühleinrichtung, erstes und zweites Vergussmaterial) eine tragende Struktur bereitgestellt werden.In addition, the battery module has a third cavity, the top side with the two electrical connections of each of the battery cells and the respective ones arranged thereon Cell connector encased. The third cavity is filled with a third potting material that is filler-free or has a third filler that is different from the first filler and the second filler. The two electrical connections and the top of each of the battery cells and the respective cell connector electrically connecting the battery cells are thus embedded by the third potting material. As already in connection with the first and the second potting material, the third potting material can be present as a hardening thermoset. If the third filler is present, it can, for example, comprise reinforcing fibers and / or semi-finished fiber products made therefrom (eg fabric, mats) so that the third potting material can be designed as a fiber composite plastic. The reinforcing fibers can be designed as glass fibers and / or as polyamide fibers (for example Kevlar), for example. Alternatively, the third potting material can dispense with the addition of filler. A supporting structure can advantageously be provided by the third potting material for the battery module and the associated components (battery cells, cooling device, first and second potting material).

Durch einen derartigen Dreiphasen-Verguss ergibt sich der Vorteil, dass ein Bauraum reduziert sowie eine Anzahl an Fertigungsschritten vermindert werden kann. Dies kann beispielsweise aus einem Verzicht auf eine elektrische und/oder thermische Isolierung zwischen den Batteriezellen resultieren. Des Weiteren können Kosten der Fertigung verringert werden, da beispielsweise auf Wärmeleitmaterial zwischen den Batteriezellen und der Kühleinrichtung verzichtet werden kann.Such a three-phase encapsulation results in the advantage that installation space can be reduced and a number of production steps can be reduced. This can result, for example, from dispensing with electrical and / or thermal insulation between the battery cells. In addition, manufacturing costs can be reduced since, for example, there is no need for heat-conducting material between the battery cells and the cooling device.

Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das dritte Vergussmaterial das zweite Vergussmaterial zumindest teilweise umhüllt, sodass das dritte Vergussmaterial das Batteriemodul nach außen parallel zur Oberseite und zur Seitenfläche jedes der Batteriezellen bedeckt. Somit begrenzt das dritte Vergussmaterial das Batteriemodul gegen die Umgebung. Insbesondere können alle bis auf eine Seite des Batteriemoduls von dem dritten Vergussmaterial bereitgestellt werden, wobei die eine davon ausgenommene Seite von der Kühleinrichtung gebildet sein kann. Beispielsweise kann der dritte vom dritten Vergussmaterial auszufüllende Hohlraum als eine Wanne ausgestaltet sein. Die Wanne kann dazu ausgebildet sein, sämtliche Komponenten des Batteriemoduls bis auf die Kühleinrichtung aufzunehmen, d. h. zu umhüllen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf das Batteriemodulgehäuse vollständig verzichtet werden kann und dadurch auch jene dem Batteriemodulgehäuse zugeordnete Fertigungsschritte (z.B. Verkleben der Batteriezellen mit dem Batteriemodulgehäuse sowie dessen Herstellung mittels Schweißen) hinfällig sind.An advantageous embodiment provides that the third potting material at least partially envelops the second potting material, so that the third potting material covers the battery module on the outside parallel to the top and to the side surface of each of the battery cells. The third potting material thus limits the battery module from the environment. In particular, all but one side of the battery module can be provided by the third potting material, wherein the one side which is excluded from it can be formed by the cooling device. For example, the third cavity to be filled by the third potting material can be designed as a trough. The tub can be designed to accommodate all components of the battery module except for the cooling device, i. H. to envelop. This results in the advantage that the battery module housing can be completely dispensed with and the manufacturing steps associated with the battery module housing (e.g. gluing the battery cells to the battery module housing and manufacturing it by means of welding) are no longer necessary.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass an einer der Batteriezellen, die das Batteriemodul nach außen begrenzt, ein Befestigungselement zum Krafteinleiten in das und/oder zum Befestigen des Batteriemoduls parallel zu der Seitenfläche jeder der Batteriezellen angeordnet ist. Somit kann zwischen der einen das Batteriemodul nach außen begrenzenden der Batteriezellen und der Umgebung des Batteriemoduls das Befestigungselement positioniert sein. Das Befestigungselement kann beispielsweise als ein metallischer Rohrabschnitt (Hülse) ausgebildet sein, wobei innerhalb des Batteriemoduls eine Längserstreckungsrichtung des Befestigungselements parallel zu der Seitenfläche jeder der Batteriezellen ist. Über das Befestigungselement kann das Batteriemodul besonders einfach mechanisch angebunden werden, beispielsweise an ein Batteriegehäuse der Batterie und/oder das Kraftfahrzeug.A further advantageous embodiment provides that a fastening element for introducing force into and / or for fastening the battery module is arranged parallel to the side surface of each of the battery cells on one of the battery cells that delimit the battery module to the outside. The fastening element can thus be positioned between the one of the battery cells which delimits the battery module outwardly and the surroundings of the battery module. The fastening element can be designed, for example, as a metallic tube section (sleeve), with a direction of longitudinal extent of the fastening element being parallel to the side surface of each of the battery cells within the battery module. The battery module can be mechanically connected in a particularly simple manner via the fastening element, for example to a battery housing of the battery and / or the motor vehicle.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Befestigungselement umgossen ist. Insbesondere kann das Befestigungselement entlang einer das Befestigungselement begrenzenden Mantelfläche vollumfänglich umhüllt sein. Mittels des vergossenen Befestigungselements kann besonders vorteilhaft die Krafteinleitung in das Batteriemodul realisiert sein. Dabei kann zumindest eine Stirnseite des Befestigungselements ohne Hülle vorliegen. Dabei ist das Befestigungselement von dem zweiten Vergussmaterial und dem dritten Vergussmaterial umhüllt. Somit bleibt das Befestigungselement beim Einbringen des ersten Vergussmaterials unberücksichtigt, sodass beim Fertigen das Befestigungselement flexibel davor oder danach positioniert werden kann. Alternativ ist das Befestigungselement von dem ersten Vergussmaterial und dem zweiten Vergussmaterial und dem dritten Vergussmaterial umgossen. Somit grenzt das Haltelement an alle drei Vergussmaterialien an. Dadurch kann die Mantelfläche eine besonders großflächige Anbindung die Vergussmaterialien aufweisen.Another advantageous embodiment provides that the fastening element is encapsulated. In particular, the fastening element can be completely encased along a lateral surface delimiting the fastening element. The introduction of force into the battery module can be implemented particularly advantageously by means of the encapsulated fastening element. At least one end face of the fastening element can be present without a shell. The fastening element is encased by the second potting material and the third potting material. The fastening element is thus not taken into account when the first potting material is introduced, so that the fastening element can be flexibly positioned before or after it during manufacture. Alternatively, the fastening element is encapsulated by the first potting material and the second potting material and the third potting material. The retaining element thus adjoins all three potting materials. As a result, the outer surface can have a particularly large-area connection to the potting materials.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Batteriemodul das Befestigungselement und zumindest ein weiteres Befestigungselement aufweist. Somit liegen in dem Batteriemodul zwei oder mehr Befestigungselemente vor. Dadurch kann das Batteriemodul besonders vorteilhaft an mehreren Stellen über die Befestigungselemente befestigt werden. Hierzu sind das Befestigungselement und das zumindest eine weitere Befestigungselement an einander entgegengesetzten Seiten und/oder an einander entgegengesetzten Ecken des Batteriemoduls angeordnet. Beispielsweise kann das Batteriemodul eine prismatische Form mit einer rechteckigen Grundfläche und vier Seiten, wobei jeweils zwei der vier Seiten zueinander parallel angeordnet sind, aufweisen. Dabei kann das Befestigungselement an einer linken Seite und das zumindest eine weitere Befestigungselement an einer der linken Seite gegenüberliegenden rechten Seite positioniert sein. Alternativ oder zusätzlich können die beiden Befestigungselemente jeweils in denjenigen Ecken liegen, die eine Diagonale der Grundfläche bilden.Another advantageous embodiment provides that the battery module has the fastening element and at least one further fastening element. Thus, there are two or more fastening elements in the battery module. As a result, the battery module can be fastened particularly advantageously at several points via the fastening elements. For this purpose, the fastening element and the at least one further fastening element are arranged on mutually opposite sides and / or at mutually opposite corners of the battery module. For example, the battery module can have a prismatic shape with a rectangular base and four sides, with two of the four sides being arranged parallel to each other. The fastening element can be positioned on a left-hand side and the at least one further fastening element can be positioned on a right-hand side opposite the left-hand side. Alternatively or additionally, the two fastening elements can each lie in those corners which form a diagonal of the base area.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform hierzu sieht vor, dass zwischen dem Haltelement und dem zumindest einen weiteren Haltelement ein flächiges Verstärkungselement parallel zu der Seitenfläche jeder der Batteriezellen angeordnet ist. Das Verstärkungselement kann beispielsweise eine Platte oder ein Blech sein, wobei das Verstärkungselement vollflächig oder mit zumindest einem Winkel (Eckprofil) ausgebildet sein kann. Hierdurch kann eine mechanische Festigkeit des Batteriemoduls besonders einfach durch Anordnung des Verstärkungselements erhöht werden.A further advantageous embodiment of this provides that a flat reinforcing element is arranged between the holding element and the at least one further holding element parallel to the side surface of each of the battery cells. The reinforcement element can for example be a plate or a sheet metal, wherein the reinforcement element can be designed over the entire surface or with at least one angle (corner profile). As a result, the mechanical strength of the battery module can be increased in a particularly simple manner by arranging the reinforcing element.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest zwei der drei Vergussmaterialien eine gleiche Matrix aufweisen. Als Matrix wird hierbei ein Grundmaterial des jeweiligen Vergussmaterials bezeichnet. Dadurch kann beim Ausfüllen von zumindest zwei der drei Hohlräume die gleiche Matrix verwendet werden, wobei gegebenenfalls einer der drei Füllstoffe zugefügt ist. Dadurch kann ein Verguss des Batteriemoduls besonders einfach und schnell realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Vergussmaterial als den ersten Füllstoff Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und/oder Bornitrit umfassen. Dadurch kann besonders effizient und kostengünstig die Wärmeleitfähigkeit und eine elektrische Isolierfunktion des ersten Vergussmaterials bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das zweite Vergussmaterial ungeschäumt, d. h. ohne Zugabe eines Treibmittels, vorliegt und als zweiten Füllstoff mehrere geschlossene Hohlkörper aufweist. Die Hohlkörper können beispielsweise Hohlkugeln aus Glas, Keramik und/oder Kunststoff sein. Dadurch, dass das zweite Vergussmaterial ungeschäumt vorliegt, kann ein Vorliegen offener Poren innerhalb des zweiten Vergussmaterials verhindert und eine Dichtigkeit des zweiten Vergussmaterials gegen einen Eintritt von Fremdkörpern (z.B. Schmutz, Salz) und/oder Feuchte sichergestellt sein.Another advantageous embodiment provides that at least two of the three potting materials have the same matrix. A base material of the respective potting material is referred to here as a matrix. As a result, the same matrix can be used when filling at least two of the three cavities, one of the three fillers being added if necessary. As a result, the battery module can be potted particularly easily and quickly. Alternatively or additionally, the first potting material can comprise aluminum hydroxide, aluminum oxide, silicon dioxide and / or boron nitrite as the first filler. As a result, the thermal conductivity and an electrical insulating function of the first potting material can be provided in a particularly efficient and cost-effective manner. As an alternative or in addition, it is provided that the second potting material is not foamed, ie. H. without the addition of a propellant, and has a plurality of closed hollow bodies as the second filler. The hollow bodies can, for example, be hollow spheres made of glass, ceramic and / or plastic. Because the second potting material is not foamed, the presence of open pores within the second potting material can be prevented and a tightness of the second potting material against the ingress of foreign bodies (e.g. dirt, salt) and / or moisture can be ensured.

Durch die Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie ein Batteriemodul aufweist. Bei dem Batteriemodul handelt es sich vorzugsweise um eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug als ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ausgebildet, wobei eine Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug von der Batterie bereitgestellt werden kann. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als ein Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The invention also provides a motor vehicle with a battery, the battery having a battery module. The battery module is preferably an embodiment of the battery module according to the invention. In particular, the motor vehicle is designed as an electric vehicle or a hybrid vehicle, wherein drive energy for the motor vehicle can be provided by the battery. The motor vehicle is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the motor vehicle according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the battery module according to the invention and vice versa. For this reason, the corresponding developments of the motor vehicle according to the invention are not described again here.

Durch die Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Bei dem Batteriemodul handelt es sich vorzugsweise um eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Das Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen, die jeweils von einer Unterseite, einer Oberseite mit zwei elektrischen Anschlüssen für einen jeweiligen Zellverbinder und einer Seitenfläche begrenzt sind. Ferner umfasst das Batteriemodul eine Kühleinrichtung für die Batteriezellen. In einem ersten Schritt werden die Batteriezellen an der Kühleinrichtung positioniert. Beispielsweise können die Batteriezellen mittels eines Montagerahmens, der als ein Gitter ausgebildet sein kann, innerhalb einer Vergussform angeordnet werden. Des Weiteren kann ein elektrisches Verbinden der Batteriezellen erfolgen, wobei an den beiden elektrischen Anschlüssen an der Oberseite jeder der Batteriezellen der jeweilige Zellverbinder angeordnet werden kann. In einem zweiten Schritt wird ein erster Hohlraum zwischen der Kühleinrichtung und der Unterseite jeder der Batteriezellen mit einem ersten Vergussmaterial ausgefüllt, wobei das erste Vergussmaterial einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Füllstoff aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann auch zunächst der erste Hohlraums an der Kühleinrichtung mit dem ersten Vergussmaterial ausgefüllt werden, wobei hierbei der erste Hohlraum von der Kühleinrichtung und der Unterseite jeder der zu positionierenden Batteriezellen vorgegeben ist, und anschließend jede der Batteriezellen an der Kühleinrichtung angeordnet werden. Dabei können die Batteriezellen beispielsweise in die bereits aufgetragene erste Vergussmasse eingepresst werden. Nach dem Ausfüllen des ersten Hohlraums wird ein zweiter Hohlraum in einem nachfolgenden Schritt, der die Seitenfläche jeder der Batteriezellen umhüllt, mit einem zweiten Vergussmaterial ausgefüllt, wobei das zweite Vergussmaterial einen thermisch isolierenden zweiten Füllstoff umfasst. Nach dem Ausfüllen des zweiten Hohlraums wird ein dritter Hohlraum mit einem dritten Vergussmaterial in einem nachfolgenden Schritt ausgefüllt. Der dritte Hohlraum umhüllt die Oberseite mit den zwei elektrischen Anschlüssen jeder der Batteriezellen und den jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder. Das dritte Vergussmaterial ist füllstofflos oder weist einen dritten Füllstoff auf, der von dem ersten Füllstoff und dem zweiten Füllstoff verschieden ist.The invention also provides a method for producing a battery module for a battery of a motor vehicle. The battery module is preferably an embodiment of the battery module according to the invention. The battery module comprises a plurality of battery cells, each of which is delimited by an underside, an upper side with two electrical connections for a respective cell connector and a side surface. The battery module further comprises a cooling device for the battery cells. In a first step, the battery cells are positioned on the cooling device. For example, the battery cells can be arranged within a casting mold by means of a mounting frame, which can be designed as a grid. Furthermore, the battery cells can be electrically connected, with the respective cell connector being able to be arranged at the two electrical connections on the upper side of each of the battery cells. In a second step, a first cavity between the cooling device and the underside of each of the battery cells is filled with a first potting material, the first potting material having a thermally conductive and electrically insulating first filler. Alternatively or additionally, the first cavity on the cooling device can also be filled with the first potting material, the first cavity being predetermined by the cooling device and the underside of each of the battery cells to be positioned, and then each of the battery cells being arranged on the cooling device. For example, the battery cells can be pressed into the first potting compound that has already been applied. After the first cavity has been filled, a second cavity, which envelops the side surface of each of the battery cells, is filled with a second potting material in a subsequent step, the second potting material comprising a thermally insulating second filler. After the second cavity has been filled, a third cavity is filled with a third potting material in a subsequent step. The third cavity envelops the top with the two electrical connections of each of the Battery cells and the respective cell connector arranged thereon. The third potting material has no filler or has a third filler that is different from the first filler and the second filler.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass vor oder nach dem Ausfüllen des ersten Hohlraums an einer der Batteriezellen, die das Batteriemodul nach außen begrenzt, ein Befestigungselement zum Krafteinleiten in das und/oder zum Befestigen des Batteriemoduls parallel zu der Seitenfläche jeder der Batteriezellen angeordnet wird. Dadurch kann eine Fertigung des Batteriemoduls besonders flexibel gestaltet sein, wobei das Befestigungselement in Abhängigkeit davon, ob eine Anbindung an das erste Vergussmaterial erforderlich ist oder darauf verzichtet werden kann, positioniert werden kann.An advantageous embodiment provides that before or after filling the first cavity on one of the battery cells that delimit the battery module to the outside, a fastening element for introducing force into and / or for fastening the battery module is arranged parallel to the side surface of each of the battery cells. As a result, the battery module can be manufactured in a particularly flexible manner, with the fastening element being able to be positioned as a function of whether a connection to the first potting material is required or can be dispensed with.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the method according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the battery module according to the invention and vice versa. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Batteriemoduls einer Batterie für ein Kraftfahrzeug bei einem ersten Fertigungsschritt;
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls bei einem zweiten Fertigungsschritt;
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls bei einem dritten Fertigungsschritt; und
  • 4 eine schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls bei einem vierten Fertigungsschritt und in einem hergestellten Zustand.
Exemplary embodiments of the invention are described below. This shows:
  • 1 a schematic sectional view of a battery module of a battery for a motor vehicle in a first manufacturing step;
  • 2 a schematic sectional view of the battery module in a second manufacturing step;
  • 3rd a schematic sectional view of the battery module in a third manufacturing step; and
  • 4th a schematic sectional view of the battery module in a fourth manufacturing step and in a manufactured state.

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.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention in each case independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to include combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.

Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung beispielhaft ein Batteriemodul 10 für eine Batterie 12 eines schematisch angedeuteten Kraftfahrzeugs 14 bei einem ersten Fertigungsschritt S1. Das Batteriemodul 10 umfasst sieben in x-Richtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen 16, die jeweils von einer Unterseite 18, einer Oberseite 20 und einer Seitenfläche 22 begrenzt sind. Die Batteriezellen 16 können innerhalb eines nicht dargestellten Werkzeugs (Vergussform) mittels eines nicht dargestellten Montagerahmens (Gitter) positioniert sein. An der Oberseite 20 (d.h. in z-Richtung) sind zwei elektrischen Anschlüsse 24 angeordnet, die zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen 16 über jeweilige Zellverbinder 26 verbunden sind, wobei vorliegend lediglich einer der zwei Anschlüsse 24 und einer der Zellverbinder 26 dargestellt sind. Die Batteriezellen 16 sind jeweils mit ihrer Unterseite 18 (d.h. Ursprung der z-Richtung) zu einer Kühleinrichtung 28 beanstandet angeordnet, wobei die Kühleinrichtung 28 in x-Richtung sieben Kühlkanäle 30 aufweist, die zum Ab-/Zuführen von Wärme von einem Kühlmedium durchströmt werden können. Parallel zu der Seitenfläche 22 jeder der Batteriezellen 16 sind zwei als Hülsen ausgebildete Befestigungselemente 32a, 32b angeordnet, die das Batteriemodul 10 seitlich jeweils links und rechts nach außen begrenzen und somit an zwei einander entgegengesetzten Seiten 34a, 34b des Batteriemoduls 10 angeordnet sind. Des Weiteren ist eine Injektionslanze 36 für die weiteren Fertigungsschritte S2-S4 gezeigt. Der Übersicht halber sind jeweils nur eine der Batteriezellen 16, einer der elektrischen Anschlüsse 24 und einer der Kühlkanäle 30 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.The 1 shows an example of a battery module in a schematic sectional illustration 10 for one battery 12th of a schematically indicated motor vehicle 14th in a first production step S1. The battery module 10 comprises seven battery cells arranged next to one another in the x-direction 16 each from a bottom 18th , a top 20th and a side face 22nd are limited. The battery cells 16 can be positioned within a tool (casting mold), not shown, by means of a mounting frame (grid), not shown. At the top 20th (ie in the z-direction) are two electrical connections 24 arranged for electrically connecting the battery cells 16 via respective cell connectors 26th are connected, in the present case only one of the two connections 24 and one of the cell connectors 26th are shown. The battery cells 16 are each with their bottom 18th (ie origin of the z-direction) to a cooling device 28 spaced apart, the cooling device 28 seven cooling channels in the x direction 30th which can be flowed through by a cooling medium for removing / supplying heat. Parallel to the side face 22nd each of the battery cells 16 are two fastening elements designed as sleeves 32a , 32b arranged that the battery module 10 laterally to the left and right to the outside and thus on two opposite sides 34a , 34b of the battery module 10 are arranged. There is also an injection lance 36 shown for the further production steps S2-S4. For the sake of clarity, there is only one of the battery cells 16 , one of the electrical connections 24 and one of the cooling channels 30th provided with corresponding reference numerals.

Die 2 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in der 1 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine weitere schematische Schnittdarstellung des Batteriemodul 10 bei einem zweiten Fertigungsschritt S2. Zunächst wird ein erster Hohlraum zwischen der Kühleinrichtung 28 und der Unterseite 18 jeder der Batteriezellen 16 mit einem ersten Vergussmaterial 38a ausgefüllt. Das erste Vergussmaterial 38a weist einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Füllstoff (z.B. Aluminiumhydroxid oder Aluminiumoxid) auf. Dabei wird das erste Vergussmaterial 38a über die Injektionslanze 36 in den ersten Hohlraum eingebracht, wobei hierbei die Injektionslanze 36 relativ zu einer Einfüllmenge des ersten Vergussmaterials 38a in z-Richtung bewegt wird, wie mit einem Pfeil P1 angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Fertigungsschritt S2 vor dem ersten Fertigungsschritt S1 durchgeführt werden, wobei der erste Hohlraum von der Kühleinrichtung 28 und der Unterseite 18 jeder der zu positionierenden Batteriezellen 16 vorgegeben ist.The 2 shows with reference to those in connection with those in FIG 1 Components shown and described are a further schematic sectional view of the battery module 10 in a second production step S2. First, there is a first cavity between the cooling device 28 and the bottom 18th each of the battery cells 16 with a first potting material 38a filled out. The first potting material 38a has a thermally conductive and electrically insulating first filler (for example aluminum hydroxide or aluminum oxide). The first potting material 38a via the injection lance 36 introduced into the first cavity, the injection lance 36 relative to a filling amount of the first potting material 38a is moved in the z direction, as indicated by an arrow P1. Alternatively or additionally, the second production step S2 can be performed before the first production step S1 are carried out, the first cavity from the cooling device 28 and the bottom 18th each of the battery cells to be positioned 16 is given.

Die 3 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in den 1-2 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine weitere schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls 10 bei einem dritten Fertigungsschritt S3. Ein zweiter Hohlraum, der die Seitenfläche 22 jeder der Batteriezellen 16 umhüllt, wird mit einem zweiten Vergussmaterial 38b ausgefüllt, dass einen thermisch isolierenden zweiten Füllstoff (z.B. geschlossene Hohlkörper) aufweist. Das zweite Vergussmaterial 38b ist insbesondere ungeschäumt. Beim Einbringen des zweiten Vergussmaterials 38b wird die Injektionslanze 36 relativ zu einer Füllmenge des zweiten Vergussmaterials 38b in z-Richtung verlagert, wie mit einem Pfeil P2 angedeutet ist.The 3rd shows with reference to the in connection with the in the 1-2 The components shown and described are a further schematic sectional illustration of the battery module 10 in a third production step S3. A second cavity that is the side face 22nd each of the battery cells 16 is encased with a second potting material 38b filled in that has a thermally insulating second filler (eg closed hollow body). The second potting material 38b is in particular unfoamed. When introducing the second potting material 38b becomes the injection lance 36 relative to a filling amount of the second potting material 38b shifted in the z-direction, as with an arrow P2 is indicated.

Die 4 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in den 1-4 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine weitere schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls 10 bei einem vierten Fertigungsschritt S4. Ein dritter Hohlraum, der die Oberseite 20 mit den zwei elektrischen Anschlüssen 24 und den jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder 26 umhüllt, wird mit einem dritten Vergussmaterial 38c ausgefüllt. Das dritte Vergussmaterial 38c kann füllstofflos sein oder einen dritten Füllstoff aufweisen, der sich von dem ersten Füllstoff und dem zweiten Füllstoff unterscheidet. Dabei umhüllt das dritte Vergussmaterial 38c das zweite Vergussmaterial 38b wannenartig an den beiden Seiten 34a, 34b des Batteriemoduls 10 sowie einer der Kühleinrichtung 28 gegenüberliegenden Seite des Batteriemoduls 10. Dabei wird die Injektionslanze 36 relativ zu einer ein Füllmenge des dritten Vergussmaterials 38c in z-Richtung bewegt, wie mit einem Pfeil P3 angedeutet ist. Somit zeigt die 4 - abgesehen von der Injektionslanze 36 - das Batteriemodul 10 nach seiner Herstellung.The 4th shows with reference to the in connection with the in the 1-4 The components shown and described are a further schematic sectional illustration of the battery module 10 in a fourth production step S4. A third cavity that is the top 20th with the two electrical connections 24 and the respective cell connector arranged thereon 26th is encased with a third potting material 38c filled out. The third potting material 38c may be filler-free or have a third filler that differs from the first filler and the second filler. The third potting material envelops 38c the second potting material 38b tub-like on both sides 34a , 34b of the battery module 10 as well as one of the cooling device 28 opposite side of the battery module 10 . The injection lance 36 relative to a filling amount of the third potting material 38c moved in the z-direction, as with an arrow P3 is indicated. Thus shows the 4th - apart from the injection lance 36 - the battery module 10 after its manufacture.

Werden die beiden Befestigungselemente 32a, 32b in dem in der 1 gezeigten Fertigungsschritte S1 bereitgestellt, dann werden sie von sämtlichen der drei Vergussmaterialien 38a, 38b, 38c umgossen, wobei die Stirnseiten jeweils frei liegen. Alternativ können die beiden Befestigungselemente 32a, 32b erst zwischen den Fertigungsschritten S2 und S3 angeordnet werden, sodass diese nur von dem zweiten Vergussmaterial 38b und dem dritten Vergussmaterial 38c umgossen werden können. Zum Erhöhen einer Festigkeit kann zwischen den beiden Befestigungselemente 32a, 32b ein nicht dargestelltes flächiges Verstärkungselement, zum Beispiel ein Blech, angeordnet werden. Zumindest zwei der drei Vergussmaterialien 38a, 38b, 38c können dieselbe Matrix (z.B. Epoxidharz) aufweisen.Will the two fasteners 32a , 32b in the in the 1 Production steps S1 shown are provided, then they are made of all of the three potting materials 38a , 38b , 38c encapsulated, the front sides being exposed. Alternatively, the two fasteners 32a , 32b are only arranged between the production steps S2 and S3, so that these only come from the second potting material 38b and the third potting material 38c can be cast around. To increase strength, between the two fastening elements 32a , 32b a flat reinforcing element (not shown), for example a sheet metal, can be arranged. At least two of the three potting materials 38a , 38b , 38c can have the same matrix (e.g. epoxy resin).

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Hochvolt-Batteriespeichersystem (Batterie 12) für das als Elektrofahrzeug (Battery Electric Vehicle) ausgebildete Kraftfahrzeug 14 hohe Anforderungen/ Randbedingungen hinsichtlich Energieinhalt, Dichtigkeit und/oder Sicherheit erfüllen sollen. Um den jeweiligen Randbedingungen zu genügen, ist die Batterie 12 derart aufgebaut, dass sie aus mehreren verschalteten Batteriezellen 16 besteht, die zu einem Batteriemodul 10 zusammengefügt und in ein Batteriegehäuse der Batterie 12 eingebaut werden. Dabei nehmen die Batteriezellen 16 ein Aktivmaterial auf. Das Batteriemodul 10 hat zudem als Aufgabe, eine durch Aufblähen der Batteriezellen 16 bedingte Kraft (Swelling-Kraft) aufzunehmen und diese elektrisch zu isolieren. Das Batteriegehäuse kann eine Betriebslast und/oder eine Crashkraft aufnehmen und schützt somit eine Hochvolt-Elektronik inkl. Batteriezellen 16 mit einem Deckel gegen Schmutz, Salz und/oder Feuchtigkeit.The invention is based on the knowledge that a high-voltage battery storage system (battery 12th ) for the motor vehicle designed as an electric vehicle (Battery Electric Vehicle) 14th to meet high requirements / boundary conditions with regard to energy content, tightness and / or safety. In order to meet the respective boundary conditions, the battery is 12th constructed in such a way that it consists of several interconnected battery cells 16 that consists of a battery module 10 put together and in a battery case of the battery 12th to be built in. In doing so, the battery cells take 16 an active material. The battery module 10 also has the task of inflating the battery cells 16 absorb conditional force (swelling force) and isolate it electrically. The battery housing can absorb an operating load and / or a crash force and thus protects high-voltage electronics including battery cells 16 with a lid against dirt, salt and / or moisture.

Durch eine derartige Aufgabenteilung zwischen Komponenten (Batteriezellen 16, Batteriemodul 10 und Batteriegehäuse) der Batterie 12 ist ein Bauraumverbrauch relativ hoch. Denn jede einzelne der Komponenten benötigt einen definierten Raum und zusätzlich ist eine Toleranz der jeweiligen Komponente zur Sicherstellung vorzusehen. Zudem ist ein Herstellungsaufwand des Batteriemoduls 10 hoch. Dieser kann umfassen:

  • - Ummantelung der Batteriezellen 16 zur Sicherstellung einer elektrischen Isolation;
  • - Einfügen einer thermischen Isolationsschicht zwischen den Batteriezellen 16 zur Vermeidung eines thermischen Durchgehens (Thermal Runaway);
  • - Einfügen von Schäumen zwischen den Batteriezellen 16 zur Aufnahme der Swelling-Kraft;
  • - Belasten der Batteriezellen 16 mit Druck;
  • - Verkleben von Batteriezellen 16 mit einem Modulgehäuse;
  • - Verschweißen des Modulgehäuses;
  • - Integration von Lasteinleitungspunkten; und
  • - Einsetzen des Batteriemoduls 10 in einen Batteriekasten der Batterie 12.
Such a division of tasks between components (battery cells 16 , Battery module 10 and battery housing) of the battery 12th space consumption is relatively high. Because each of the components requires a defined space and a tolerance of the respective component must also be provided to ensure this. In addition, there is a manufacturing expense for the battery module 10 high. This can include:
  • - Sheathing of the battery cells 16 to ensure electrical insulation;
  • - Insertion of a thermal insulation layer between the battery cells 16 to avoid thermal runaway;
  • - Insertion of foams between the battery cells 16 to absorb the swelling force;
  • - Loading of the battery cells 16 with pressure;
  • - Bonding of battery cells 16 with a module housing;
  • - welding the module housing;
  • - Integration of load introduction points; and
  • - Inserting the battery module 10 into a battery box of the battery 12th .

Daher ist angedacht, das Batteriemodul 10 durch Verguss herzustellen. Dazu werden die Batteriezellen 16 ohne Beschichtung zueinander positioniert und anschließend mit einem Polymer (Vergussmaterialien 38a, 38b, 38c) vergossen. Dieses Polymer kann durch ein 3/4K-Verguss (Dreiphasen- oder Vierphasenverguss) verschiedene technische Eigenschaften erfüllen. So erfüllt das Polymer (erstes Vergussmaterial 38a) die elektrische Isolation von Zelle zu Zelle, d.h. zwischen den Batteriezellen 16, da das Polymer elektrisch isolierend ist. Zudem kann durch Zumischen von Hohlkugeln das Polymer (zweites Vergussmaterial 38b) im Interface (Kontaktbereich) als ein sogenannter Swellingschaum bzw. als eine thermisch isolierende Isolationsschicht eingesetzt werden. Alternativ kann ein Treibmittel dem Polymer (zweites Vergussmaterial 38b) zugefügt werden. Das Polymer (drittes Vergussmaterial 38c) dient als Krafteinleitung in das Batteriemodul 10. Dazu werden in das Polymer (drittes Vergussmaterial 38c) Inserts (Befestigungselemente 32a, 32b) vergossen, die ein mechanisches Anbinden des Batteriemoduls 10 an das Kraftfahrzeug 14 ermöglichen.Therefore, the battery module is being considered 10 to be produced by potting. This is done by the battery cells 16 positioned to each other without coating and then coated with a polymer (potting material 38a , 38b , 38c ) potted. This polymer can fulfill various technical properties through a 3 / 4K potting (three-phase or four-phase potting). So the polymer (first potting material 38a ) the electrical insulation from cell to cell, ie between the battery cells 16 because the polymer is electrically insulating. In addition, the polymer (second potting material 38b ) can be used in the interface (contact area) as a so-called swelling foam or as a thermally insulating insulation layer. Alternatively, a blowing agent can be added to the polymer (second potting material 38b ) can be added. The polymer (third potting material 38c ) serves as the introduction of force into the battery module 10 . For this purpose, the polymer (third potting material 38c ) Inserts (fasteners 32a , 32b ) encapsulated, which mechanically binds the battery module 10 to the motor vehicle 14th enable.

Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile:

  • - Bauraumreduktion bzw. Steigerung eines Energieinhalts;
  • - Reduktion der Fertigungsschritte (beispielsweise von 8 auf 2 Schritte); und
  • - Kostenreduktion.
This has the following advantages:
  • - Reduction of installation space or increase in energy content;
  • - Reduction of the manufacturing steps (for example from 8 to 2 steps); and
  • - cost reduction.

Zur technischen Umsetzung können folgende Fertigungsschritte S1 bis S4 durchgeführt werden:

  • (S1) Positionieren der Batteriezellen 16 zueinander und Einfahren mit der Injektionslanze 36;
  • (S2) Injektion des ersten Vergussmaterials 38a, das bspw. als ein wärmeleitender Klebstoff (WTL Klebstoff), d.h. Polymer (Matrix) mit dem ersten Füllstoff;
  • (S3) Injektion des zweites Vergussmaterials 38b (Schaum), d.h. Polymer (Matrix) mit dem zweiten Füllstoff (Hohlkugeln); und
  • (S4) Injektion des dritten Vergussmaterials 38c (Schaum), d.h. Polymer (Matrix) ohne Füllstoff.
The following production steps S1 to S4 can be carried out for the technical implementation:
  • (S1) Positioning the battery cells 16 each other and retraction with the injection lance 36 ;
  • (S2) Injection of the first potting material 38a , which, for example, as a thermally conductive adhesive (WTL adhesive), ie polymer (matrix) with the first filler;
  • (S3) Injection of the second potting material 38b (Foam), ie polymer (matrix) with the second filler (hollow spheres); and
  • (S4) Injection of the third potting material 38c (Foam), ie polymer (matrix) without filler.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie das Batteriemodul 10 gehäuselos und mit integralen Lasteinleitungspunkten (drittes Vergussmaterial 38c und Befestigungselemente 32a, 32b) bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how the battery module 10 without housing and with integral load application points (third potting material 38c and fasteners 32a , 32b ) can be provided.

Claims (10)

Batteriemodul (10) für eine Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs (14), umfassend - mehrere Batteriezellen (16), die jeweils von einer Unterseite (18), einer Oberseite (20) mit zwei elektrischen Anschlüssen (24) für einen jeweiligen Zellverbinder (26) und einer Seitenfläche (22) begrenzt sind, und - eine Kühleinrichtung (28) für die Batteriezellen (16), wobei - ein erster Hohlraum zwischen der Kühleinrichtung (28) und der Unterseite (18) jeder der Batteriezellen (16) mit einem ersten Vergussmaterial (38a) ausgefüllt ist, welches einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Füllstoff aufweist, wobei - ein zweiter Hohlraum, der die Seitenfläche (22) jeder der Batteriezellen (16) umhüllt, mit einem zweiten Vergussmaterial (38b) ausgefüllt ist, welches einen thermisch isolierenden zweiten Füllstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - ein dritter Hohlraum, der die Oberseite (20) mit den zwei elektrischen Anschlüssen (24) jeder der Batteriezellen (16) und den jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder (26) umhüllt, mit einem dritten Vergussmaterial (38c) ausgefüllt ist, wobei das dritte Vergussmaterial (38c) füllstofflos ist oder einen dritten Füllstoff aufweist, der von dem ersten Füllstoff und dem zweiten Füllstoff verschieden ist.A battery module (10) for a battery (12) of a motor vehicle (14), comprising a plurality of battery cells (16), each of which has a bottom side (18) and a top side (20) with two electrical connections (24) for a respective cell connector ( 26) and a side surface (22) are limited, and - a cooling device (28) for the battery cells (16), wherein - a first cavity between the cooling device (28) and the underside (18) of each of the battery cells (16) with a first potting material (38a) is filled, which has a thermally conductive and electrically insulating first filler, wherein - a second cavity that envelops the side surface (22) of each of the battery cells (16) is filled with a second potting material (38b), which is a having thermally insulating second filler, characterized in that - a third cavity which connects the top (20) with the two electrical connections (24) of each of the battery cells (16) and the respective a Nested cell connector (26) is encased, filled with a third potting material (38c), the third potting material (38c) being filler-free or having a third filler that is different from the first filler and the second filler. Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, wobei das dritte Vergussmaterial (38c) das zweite Vergussmaterial (38b) zumindest teilweise umhüllt, sodass das dritte Vergussmaterial (38c) das Batteriemodul (10) nach außen parallel zur Oberseite (20) und zur Seitenfläche (22) jeder der Batteriezellen (16) bedeckt.Battery module (10) Claim 1 , wherein the third potting material (38c) at least partially envelops the second potting material (38b) so that the third potting material (38c) the battery module (10) outwardly parallel to the top (20) and to the side surface (22) of each of the battery cells (16) covered. Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer der Batteriezellen (16), die das Batteriemodul (10) nach außen begrenzt, ein Befestigungselement (32a) zum Krafteinleiten in das und/oder zum Befestigen des Batteriemoduls (10) parallel zu der Seitenfläche (22) jeder der Batteriezellen (16) angeordnet ist.Battery module (10) according to one of the preceding claims, wherein on one of the battery cells (16) which delimits the battery module (10) to the outside, a fastening element (32a) for introducing force into and / or for fastening the battery module (10) parallel to the side surface (22) of each of the battery cells (16) is arranged. Batteriemodul (10) nach Anspruch 3, wobei das Befestigungselement (32a) umgossen ist von: - dem zweiten Vergussmaterial (38b) und dem dritten Vergussmaterial (38c) oder - dem ersten Vergussmaterial (38a) und dem zweiten Vergussmaterial (38b) und dem dritten Vergussmaterial (38c).Battery module (10) Claim 3 , wherein the fastening element (32a) is encapsulated by: - the second encapsulation material (38b) and the third encapsulation material (38c) or - the first encapsulation material (38a) and the second encapsulation material (38b) and the third encapsulation material (38c). Batteriemodul (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Batteriemodul (10) das Befestigungselement (32a) und zumindest ein weiteres Befestigungselement (32b) aufweist und das Batteriemodul (10) eine prismatische Form mit einer rechteckigen Grundfläche und vier Seiten aufweist, wobei das Befestigungselement (32a) und das zumindest eine weitere Befestigungselement (32b) an einander entgegengesetzten Seiten (34a, 34b) und/oder an einander entgegengesetzten Ecken des Batteriemoduls (10) angeordnet sind.Battery module (10) according to one of the Claims 3 or 4th , wherein the battery module (10) has the fastening element (32a) and at least one further fastening element (32b) and the battery module (10) has a prismatic shape with a rectangular base and four sides, the fastening element (32a) and the at least one further Fastening elements (32b) are arranged on opposite sides (34a, 34b) and / or on opposite corners of the battery module (10). Batteriemodul (10) nach Anspruch 5, wobei zwischen dem Befestigungselement (32a) und dem zumindest einen weiteren Befestigungselement (32b) ein flächiges Verstärkungselement parallel zu der Seitenfläche (22) jeder der Batteriezellen (16) angeordnet ist.Battery module (10) Claim 5 wherein between the fastening element (32a) and the at least one further fastening element (32b) a flat reinforcing element is arranged parallel to the side surface (22) of each of the battery cells (16). Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - zumindest zwei der drei Vergussmaterialien (38a, 38b, 38c) eine gleiche Matrix aufweisen, und/oder - das erste Vergussmaterial (38a) als ersten Füllstoff Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und/oder Bornitrid umfasst, und/oder - das zweite Vergussmaterial (38b) ungeschäumt vorliegt und als zweiten Füllstoff mehrere geschlossene Hohlkörper aufweist.Battery module (10) according to one of the preceding claims, wherein - at least two of the three potting materials (38a, 38b, 38c) have the same matrix, and / or - the first potting material (38a) comprises aluminum hydroxide, aluminum oxide, silicon dioxide and / or boron nitride as the first filler, and / or - the second potting material (38b) is unfoamed and has several closed hollow bodies as the second filler. Kraftfahrzeug (14) mit einer Batterie (12), das ein Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.Motor vehicle (14) with a battery (12) which has a battery module (10) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls (10) für eine Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs (14), wobei das Batteriemodul (10) mehrere Batteriezellen (16), die jeweils von einer Unterseite (18), einer Oberseite (20) mit zwei elektrischen Anschlüssen (24) für einen jeweiligen Zellverbinder (26) und einer Seitenfläche (22) begrenzt sind, und eine Kühleinrichtung (28) für die Batteriezellen (16) umfasst, gekennzeichnet durch folgende Schritte: (S1) Positionieren der Batteriezellen (16) an der Kühleinrichtung (28); (S2) Ausfüllen eines ersten Hohlraums an der Kühleinrichtung (28) mit einem ersten Vergussmaterial (38a), welches einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Füllstoff aufweist, wobei der erste Hohlraum von der Kühleinrichtung (28) und der Unterseite (18) jeder der positionierten und/oder zu positionierenden Batteriezellen (16) vorgegeben ist; (S3) Ausfüllen eines zweiten Hohlraums, der die Seitenfläche (22) jeder der Batteriezellen (16) umhüllt, mit einem zweiten Vergussmaterial (38b), welches einen thermisch isolierenden zweiten Füllstoff aufweist, nach dem Ausfüllen des ersten Hohlraums; und (S4) Ausfüllen eines dritten Hohlraums, der die Oberseite (20) mit den zwei elektrischen Anschlüssen (24) jeder der Batteriezellen (16) und den jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder (26) umhüllt, mit einem dritten Vergussmaterial (38c) nach dem Ausfüllen des zweiten Hohlraums, wobei das dritte Vergussmaterial (38c) füllstofflos ist oder einen dritten Füllstoff aufweist, der von dem ersten Füllstoff und dem zweiten Füllstoff verschieden ist.A method for producing a battery module (10) for a battery (12) of a motor vehicle (14), wherein the battery module (10) has a plurality of battery cells (16), each of which has an underside (18) and an upper side (20) with two electrical connections (24) for a respective cell connector (26) and a side surface (22) are limited, and comprises a cooling device (28) for the battery cells (16), characterized by the following steps: (S1) Positioning the battery cells (16) on the cooling device (28); (S2) Filling a first cavity on the cooling device (28) with a first potting material (38a) which has a thermally conductive and electrically insulating first filler, the first cavity of the cooling device (28) and the underside (18) of each of the positioned and / or battery cells (16) to be positioned are specified; (S3) filling a second cavity, which envelops the side surface (22) of each of the battery cells (16), with a second potting material (38b), which has a thermally insulating second filler, after the first cavity has been filled; and (S4) filling a third cavity, which envelops the top (20) with the two electrical connections (24) of each of the battery cells (16) and the respective cell connector (26) arranged thereon, with a third potting material (38c) after filling of the second cavity, wherein the third potting material (38c) is filler-free or has a third filler that is different from the first filler and the second filler. Verfahren nach Anspruch 9 unter Rückbezug auf Anspruch 3, wobei vor oder nach dem Ausfüllen des ersten Hohlraums an einer der Batteriezellen (16), die das Batteriemodul (10) nach außen begrenzen, ein Befestigungselement (32a) zum Krafteinleiten in das und/oder zum Befestigen des Batteriemoduls (10) parallel zu der Seitenfläche (22) jeder der Batteriezellen (16) angeordnet wird.Procedure according to Claim 9 referring back to Claim 3 , wherein before or after the filling of the first cavity on one of the battery cells (16) which delimit the battery module (10) to the outside, a fastening element (32a) for introducing force into and / or for fastening the battery module (10) parallel to the Side surface (22) of each of the battery cells (16) is arranged.
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