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Die Erfindung betrifft ein thermisches Interface-Material für eine Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs zur Einbringung zwischen eine Batteriezelle der Batterieanordnung und eine Temperiereinrichtung der Batterieanordnung in einem nicht ausgehärteten Zustand des thermischen Interface-Materials. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung mit einem solchen thermischen Interface-Material, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung.
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Um bei Elektrofahrzeugen die bei der Schellladung und beim Leistungsabbruch in den Hochvoltbatterien entstehende Wärme abführen zu können, kommt oftmals zwischen Batteriemodul beziehungsweise den Batteriezellen und einem Kühlboden ein thermisches Interface-Material zum Einsatz, welches in Form einer Wärmeleitpaste, dem sogenannten Gapfiller, bereitgestellt werden kann. Durch dieses thermische Interface-Material werden entsprechend Lücken zwischen den Batteriezellen und dem Kühlboden geschlossen, sodass Wärme effizienter von den Batteriezellen abgeführt werden kann. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, das thermische Interface-Material in eine solche Batterieanordnung einzubringen. Beispielsweise kann dieses zunächst auf den Kühlboden raupenförmig appliziert werden und dann durch das Aufsetzen und Absenken des Batteriemoduls langsam in die Fläche verdrückt werden. Auch kann ein Batteriemodul zunächst im Gehäuse montiert und befestigt werden, und es kann anschließend zwischen dem Gehäuseboden beziehungsweise dem Kühlboden und dem Batteriemodul in den Spalt zwischen die Batteriezellen und dem Kühlboden das thermische Interface-Material eingespritzt werden. In beiden Fällen wird das thermische Interface-Material in nicht ausgehärteter Form bereitgestellt und zwischen eine Batteriezelle und den Kühlboden eingebracht und härtet anschließend aus. Das Gapfillermaterial sollte für unterschiedliche Situationen jeweils möglichst optimale Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist das heutige Gapfillermaterial oftmals für sehr hohe thermische Belastungen der Batteriesysteme ausgelegt. Das Optimum des Gapfillers bezogen auf die Performance im Fahrzeug wird so aber nur selten abgerufen und benötigt. Insgesamt ist es also bislang schwierig oder nicht möglich, ein Gapfillermaterial bereitzustellen, welches an alle möglichen unterschiedlichen Situationen optimal angepasst ist.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 11 2018 005 226 T5 eine härtbare Zusammensetzung, die eine Polyamidzusammensetzung umfassend ein Polyamid beinhaltet. Das Polyamid umfasst ein tertiäres Amid im Gerüst davon und weist eine endständige Amingruppe auf. Die härtbare Zusammensetzung umfasst auch eine Epoxyzusammensetzung, die ein Epoxyharz beinhaltet. Eine solche Zusammensetzung kann beispielsweise als Lückenfüller bei Batterieanordnungen verwendet werden. Durch die Zusammensetzung sollen eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine gute Überlappungsscherhaftfestigkeit, eine gute Zugfestigkeit, eine gute Reißdehnung für Zähigkeit und gute Dämpfungseigenschaften und vor dem Härten eine geringe Viskosität gewährleistet werden.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2019 208 805 B3 ein Verfahren zum Einbringen einer wärmeleitfähigen Füllmasse in einen Zwischenraum unterschiedlicher Höhe, der zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil ausgebildet wird. Dabei ist es vorgesehen, dass der Anteil eines in der Füllmasse enthaltenen wärmeleitenden Füllstoffs in Abhängigkeit von der Höhe des Zwischenraums variiert wird. Dadurch lässt sich beispielsweise trotz variierender Spalthöhe eine möglichst homogene Wärmeabfuhr bereitstellen.
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Nichtsdestoweniger wäre es weiterhin wünschenswert, noch bessere Anpassungsmöglichkeiten des thermischen Interface-Materials an unterschiedliche Situationen bereitstellen zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein thermisches Interface-Material, eine Batterieanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung bereitzustellen, die eine möglichst gute Situationsanpassung erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein thermisches Interface-Material, eine Batterieanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes thermisches Interface-Material für eine Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs dient zur Einbringung zwischen eine Batteriezelle der Batterieanordnung und eine Temperiereinrichtung der Batterieanordnung in einem nicht ausgehärteten Zustand des thermischen Interface-Materials. Dabei ist das thermische Interface-Material in einem ausgehärteten Zustand derart ausgebildet, dass, wenn mindestens ein bestimmter Zustandsparameter einen Parameterwert in einem ersten definierten Wertebereich annimmt, das thermische Interface-Material einen ersten Materialzustand aufweist, und wenn der Parameterwert sich in mindestens einem zweiten definierten Wertebereich befindet, das thermische Interface-Material mindestens einen zweiten Materialzustand aufweist, der sich vom ersten Materialzustand unterscheidet.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass das thermische Interface-Material so ausgestaltet werden kann, dass dieses lastabhängig unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. Um ein Beispiel zu nennen, kann das thermische Interface-Material beispielsweise so ausgestaltet sein, dass dieses von einem elektrisch isolierenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand wechseln kann. Die unterschiedlichen Materialzustände, die das thermische Interface-Material dabei einnehmen kann, müssen dabei jedoch nicht notwendigerweise Auswirkung auf dessen elektrische Eigenschaften haben, sondern können auch zusätzlich oder alternativ andere Eigenschaften des thermischen Interface-Materials, zum Beispiel mechanische Eigenschaften und/oder thermische Eigenschaften, beeinflussen beziehungsweise bestimmen. Dieses Potential wird aktuell bei thermischen Interface-Materialen nicht ausgeschöpft. Die Erfindung mach sich nun diese Erkenntnis zunutze, um ein thermisches Interface-Material bereitzustellen, welches eine deutlich bessere Situationsanpassung erlaubt. Dessen Eigenschaften können nunmehr vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom Zustandsparameter verändert und zum Beispiel der Situation angepasst werden. Ist beispielsweise aktuell ein hoher Kühlbedarf zur Kühlung der Batteriezellen der Batterieanordnung gefordert, so kann das thermische Interface-Material so eingestellt werden, dass dieses besonders gute thermisch leitfähige Eigenschaften aufweist. Sind die Umgebungstemperaturen sehr niedrig und wurde das Kraftfahrzeug beispielsweise gerade gestartet, sodass die Hochvoltbatterie ebenfalls sehr kalt ist, so kann es dagegen sehr vorteilhaft sein, wenn das thermische Interface-Material möglichst gut thermisch isolierend eingestellt wird. Dadurch kann die Batterie schneller auf ihre optimale Betriebstemperatur gebracht werden. Darüber hinaus gibt es noch zahlreiche weitere Anpassungsmöglichkeiten des thermischen Interface-Materials. Während also im Stand der Technik versucht wird, das thermische Interface-Material für alle möglichen Situationen optimal auszulegen, ist es durch die vorliegende Erfindung nunmehr vorteilhafterweise möglich, die Eigenschaften des thermischen Interface-Materials angepasst auf eine jeweilige Situation zu ändern. Dies erlaubt eine deutlich effizientere Auslegung des thermischen Interface-Materials und erlaubt zudem deutlich mehr Anpassungsmöglichkeiten an unterschiedliche Situationen, die mitunter auch gegensätzliche Eigenschaften des thermischen Interface-Materials, wie zum Beispiel möglichst gut thermisch leitfähig und möglichst gut thermisch isolierend, erfordern können.
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Das thermische Interface-Material kann im Allgemeinen auch als Gapfiller beziehungsweise Lückenfüller oder Wärmeleitkomponente beziehungsweise Leitwärmematerial bezeichnet werden. Ein solches thermisches Interface-Material ist zum Zeitpunkt der Einbringung in eine Batterieanordnung nicht ausgehärtet und beispielsweise zähflüssig oder pastös und weist im Allgemeinen eine hohe Viskosität auf. Nach dem Einbringen an seine bestimmungsgemäße Position zwischen die zumindest eine Batteriezelle und die Temperiereinrichtung härtet das thermische Interface-Material aus. Mit anderen Worten ist es dazu ausgelegt, auszuhärten und sich dabei zu verfestigen. Das thermische Interface-Material kann dabei auch eine klebende Wirkung haben, sodass im ausgehärteten Zustand die mindestens eine Batteriezelle an der Temperiereinrichtung über das thermische Interface-Material angeklebt ist.
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Bei der Batterieanordnung, bei welcher das thermische Interface-Material vorzugsweise zum Einsatz kommt, kann es sich beispielsweise um eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug handeln. Eine solche Hochvoltbatterie kann darüber hinaus mehrere Batteriezellen umfassen. Diese können wiederum zu mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sein. Mit anderen Worten kann eine Hochvoltbatterie mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Weiterhin kann die Batterieanordnung auch ein Gehäuse umfassen, in welchem die mindestens eine Batteriezelle angeordnet ist. Der Gehäuseboden kann beispielsweise durch die Temperiereinrichtung bereitgestellt sein. Beispielsweise kann der Gehäuseboden selbst als eine solche Temperiereinrichtung ausgebildet sein. Zum Beispiel kann es sich beim Gehäuseboden des Batteriegehäuses um einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlboden handeln. Die Temperiereinrichtung kann aber auch an beliebig anderer Stelle zur Kühlung der Batteriezellen beziehungsweise im Allgemeinen zum Temperieren der Batteriezellen angeordnet sein. Beispielsweise kann die Temperiereinrichtung bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der Batterieanordnung in einem Kraftfahrzeug oberhalb der Batteriezellen angeordnet sein, zum Beispiel unterhalb eines Deckels des Batteriegehäuses, und/oder in diesen integriert sein. Auch Seitenbereiche der Batteriezellen oder Zwischenbereiche zwischen Zellen oder Modulen können mit einer solchen Temperiereinrichtung gekühlt werden. Das thermische Interface-Material eignet sich nicht nur dazu, zwischen einer Batteriezelle und einer Temperiereinrichtung angeordnet zu werden, sondern grundsätzlich zwischen einer Batteriezelle und einer weiteren Komponente der Batterieanordnung, die auch von einer Kühleinrichtung verschieden sein kann, falls dies vorteilhaft ist. Eine Anordnung zwischen einer Oberseite einer Batteriezelle und einem Gehäusedeckel ist beispielsweise vorteilhaft, wenn durch das thermische Interface-Material zusätzlich ein Brandschutz bereitgestellt werden soll, wie dies später näher erläutert wird. Dabei kann der Deckel auch mit einer Temperiereinrichtung ausgebildet sein.
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Bei der Temperiereinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine mit einem Kühlmedium, zum Beispiel Wasser, durchströmbare Komponente, da hierdurch eine besonders effiziente Kühlung bereitgestellt werden kann. Die Batteriezelle kann zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Zusätzlich kann es sich bei der Batteriezelle um eine prismatische Batteriezelle, eine Pouch-Zelle oder eine Rundzelle handeln.
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Das thermische Interface-Material ist weiterhin vorzugsweise so ausgebildet, dass sich der erste Materialzustand im Wesentlichen nicht verändert, wenn der Parameterwert des Zustandsparameters innerhalb des ersten Wertebereichs variiert oder zumindest deutlich weniger stark als beim Übergang zum zweiten Wertebereich. Zudem kann das thermische Interface-Material auch so ausgebildet sein, dass der zweite Materialzustand im Wesentlichen nicht variiert, wenn der Parameterwert innerhalb des zweiten Wertebereichs variiert. Mit anderen Worten kann die Zustandsänderung vom ersten zum zweiten Materialzustand eine nicht konstante, insbesondere auch diskontinuierliche, Zustandsänderung darstellen, die beispielsweise bei Überschreiten oder Unterschreiten eines bestimmten Schwellwerts zwischen dem ersten und zweiten Wertebereich stattfindet. Dieser Schwellwert kann beispielsweise auch die Bereichsgrenze zwischen dem ersten und zweiten Wertebereich darstellen, insbesondere eine gemeinsame Bereichsgrenze. Bei einer Zustandsänderung soll es sich also nicht lediglich um beispielsweise eine Änderung der Dichte abhängig von der Temperatur oder eine Längenausdehnung abhängig von der Temperatur handeln.
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Beispielsweise kann es auch sein, dass die Zustandsänderung irrreversibel ist, insbesondere in eine vorbestimmte Richtung. Beispielsweise kann es sein, dass, wenn der Parameterwert vom ersten Wertebereich in den zweiten Wertebereich übergeht, das thermische Interface-Material den Materialzustand vom ersten Materialzustand in den zweiten Materialzustand wechselt, dann jedoch nicht mehr in den ersten Materialzustand zurückkehren kann, selbst wenn der Parameter wieder einen Parameterwert im ersten Wertebereich annimmt. Folglich kann das thermische Interface-Material so ausgebildet sein, dass es nur dann den ersten Materialzustand aufweist, wenn der Parameterwert im ersten Wertebereich liegt und falls sich zusätzlich das thermische Interface-Material zuvor nicht bereits im zweiten Materialzustand befunden hat. Das thermische Interface-Material kann aber auch so ausgestaltet sein, dass es beliebig oft reversibel zwischen dem ersten Materialzustand und dem zweiten Materialzustand wechseln kann. Darüber hinaus kann das thermische Interface-Material auch mehrere verschiedene Materialzustände als nur zwei verschiedene aufweisen. Der Wechsel zwischen diesen verschiedenen Materialzuständen kann auch von mehr als nur einem Zustandsparameter abhängig sein. Zudem kann das thermische Interface-Material so ausgelegt sein, dass es in Abhängigkeit von einem ersten Zustandsparameter vom ersten Materialzustand in den zweiten Materialzustand wechseln kann, und in Abhängigkeit von einem zweiten vom ersten verschiedenen Zustandsparameter von einem dritten Materialzustand in einen vierten Materialzustand wechseln kann. Damit einhergehend können sich unterschiedliche Eigenschaften, z.B. thermische, mechanische oder elektrische, des Interface-Material ändern.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das thermische Interface-Material im zweiten Materialzustand eine gegenüber dem ersten Materialzustand veränderte thermischen Leitfähigkeit auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da nicht in jeder Situation eine maximal mögliche thermische Leitfähigkeit erforderlich ist. Beim Laden der Batteriezellen oder beim Leistungsabruf entsteht üblicherweise viel Wärme, die von den Batteriezellen abgeführt werden muss. Entsprechend ist es sehr vorteilhaft, wenn in solchen Situationen das thermische Interface-Material zwischen den Batteriezellen und der Temperiereinrichtung, die in dieser Situation die Batteriezellen kühlt, eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Hierdurch kann die Wärmeabfuhr besonders effizient gestaltet werden. In einer anderen Situation bei beispielsweise sehr niedrigen Umgebungstemperaturen und zum Beispiel zu Beginn einer Fahrt mit dem Kraftfahrzeug, welches die Batterieanordnung mit dem thermischen Interface-Material umfasst, kann es vorteilhaft sein, wenn das thermische Interface-Material stattdessen einen thermisch isolierenden Zustand einnimmt. Hierdurch können die Batteriezellen zumindest temporär zunächst erwärmt werden, beispielsweise auf eine optimale Betriebstemperatur. Dann kann das thermische Interface-Material wieder in einen Materialzustand mit höherer thermischer Leitfähigkeit wechseln. Dies erlaubt eine besonders vorteilhafte Situationsanpassung. Auch kann das thermische Interface-Material bereichsweise in unterschiedlichen Materialzuständen sein, beispielsweise wenn dieses dazu ausgebildet ist, angesteuert zu werden, um den Materialzustand zu wechseln. So kann auch innerhalb der Batterieanordnung eine bereichsweise unterschiedlich starke Kühlleistung für die Batteriezellen je nach Bedarf und/oder deren Position bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das thermische Interface-Material im zweiten Materialzustand eine gegenüber dem ersten Materialzustand veränderte elektrische Leitfähigkeit auf. Auch dies erlaubt sehr vorteilhafte Anpassungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann das thermische Interface-Material im normalen Betriebszustand elektrisch isolierend ausgebildet sein. Dies erhöht die Sicherheit innerhalb der Batterieanordnung. Im Falle eines Defekts oder wenn beispielsweise eine schnelle Entladung der Batterie erforderlich ist, kann das thermische Interface-Material in den elektrisch leitfähigen Zustand wechseln, um so beispielsweise zusätzlich die Batteriezellen über das thermische Interface-Material zu entladen. Auch kann umgekehrt das thermische Interface-Material im normalen Betriebszustand im elektrisch leitfähigen Zustand sein, zum Beispiel wenn es in diesem Zustand eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist. Kommt es zu einem Unfall oder sonstigen Fehler innerhalb der Batterie, kann das thermische Interface-Material in den elektrisch isolierenden Zustand wechseln, um die Sicherheit zu erhöhen. Auch hier sind zahlreiche weitere Ausgestaltungen denkbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das thermische Interface-Material im zweiten Materialzustand eine gegenüber dem ersten Materialzustand veränderte mechanische Eigenschaft auf. Diese kann beispielsweise eine Elastizität des thermischen Interface-Materials betreffen, eine Biegesteifigkeit, eine plastische Verformbarkeit, eine Zugfestigkeit, eine Druckfestigkeit und so weiter. Dies erlaubt es beispielsweise, das thermische Interface-Material im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs bei einem Aufprall in einem Materialzustand zu betreiben bzw. bereitzustellen, welcher sehr gute Crasheigenschaften besitzt. Beispielsweise kann dieser Materialzustand eine deutlich robustere oder steifere Ausprägung des thermischen Interface-Materials bedingen als in einem anderen Materialzustand im Normalbetrieb, oder auch eine deutlich elastischere Ausbildung, um die Crashenergie besser abbauen zu können.
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Das thermische Interface-Material kann darüber hinaus so ausgestaltet sein, dass es beim Übergang vom ersten in den zweiten Materialzustand mehrere Eigenschaften gleichzeitig ändert, insbesondere eine der gerade genannten Eigenschaften, wie thermische Leitfähigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit und/oder eine mechanische Eigenschaft. Das thermische Interface-Material kann beispielsweise auch so ausgestaltet sein, dass es bei Erhitzung über einen bestimmten Temperaturschwellwert, vorzugsweise mehrere hundert Grad, zu einer keramischen Platte wird. Dies eignet sich besonders gut als Brandschutzmaßnahme. Erreicht werden kann dies, indem das thermische Interface-Material beispielsweise eine Kunststoffmatrix, zum Beispiel eine Silikonmatrix, mit einem Füllstoff aufweist, der keramische Partikel umfasst. Diese Zusammensetzung synthetisiert sich zu einer Keramik bei Überschreiten einer bestimmten Schwelltemperatur. Aber auch die anderen beschriebenen Eigenschaften lassen sich besonders gut umsetzen, wenn das thermische Interface-Material grundsätzlich eine Matrix mit einem oder mehreren Füllstoffen umfasst. Die Matrix stellt dabei vorzugsweise eine Kunststoffmatrix dar, vorzugsweise mit langkettigen Kunststoffmolekülen.
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Diese eignen sich besonders gut, um abhängig von einem Zustandsparameter die Eigenschaften des thermischen Interface-Materials zu ändern, da solche langkettigen Kunststoffmoleküle in verschiedenen Formen, zum Beispiel zerknäult oder entwirrt und glatt, vorliegen können. Durch Füllstoffe lassen sich auf einfache Weise ebenfalls variable oder variierbare Eigenschaften des thermischen Interface-Materials bereitstellen und umsetzen. Füllstoffe, die zum Beispiel mit Graphen beschichtet sind, zeigen richtungsabhängige Eigenschaften auf. Diese können im entsprechenden Lastfall entsprechend ausgelegt und eingebracht werden. Durch z.B. eine gezielte Viskositäts- und Kunststoffmoleküleinstellung der Matrix, eine scherungsinduzierte Orientierung von Polymerketten und/oder durch die Füllstoffe und/oder deren Beschichtung selbst kann dem System aus Matrix und Füllstoff eine neue mechanische Eigenschaft verliehen werden. Auch der Brandschutz innerhalb der Batterie kann durch den Gapfiller weiter verbessert werden, da, wie beschrieben, das Gapfillermaterial im Falle einer Verbrennung auch für eine thermisch isolierende Keramifizierung der Matrix und der Füllstoffe ausgelegt werden kann. Das thermische Interface-Material kann auch so ausgestaltet werden, dass, wenn zum Beispiel eine Spannung am thermischen Interface-Material anliegt, sich die Füllstoffe in der Matrix so ausrichten, dass eine den Anforderungen entsprechende elektrische Leitfähigkeit auftritt und sonst nicht. Das heißt, gleichzeitig ist der Gapfiller ohne das Anlegen dieser Spannung elektrisch isolierend. Parallel zu diesen elektrischen Eigenschaften kann der Gapfiller weiterhin thermisch leitend sein. Durch das Konzept mit einer Matrix und Füllstoffen lassen sich vorteilhafterweise vielzellige variierbare Eigenschaften des thermischen Interface-Materials einstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, stellt der mindestens eine Zustandsparameter mindestens einen aus folgender Gruppe dar: eine Temperatur, eine elektrische Spannung, einen Druck, eine Kraft. Mit anderen Worten kann das thermische Interface-Material seinen Materialzustand und damit seine thermischen und/oder elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von einer sich verändernden Temperatur ändern, in Abhängigkeit von einer an das thermische Interface-Material angelegten elektrischen Spannung und/oder in Abhängigkeit von einem auf das thermische Interface-Material einwirkenden Druck oder einer Kraft, wie beispielsweise auch bei einem Aufprall des Kraftfahrzeugs im Falle eines Unfalls.
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Der Zustandsparameter kann also beispielsweise einen aktiv steuerbaren Parameter darstellen und/oder einen nicht aktiv steuerbaren Umgebungsparameter.
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Entsprechend stellt es zudem eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der mindestens eine Zustandsparameter einen nicht aktiv steuerbaren Umgebungsparameter darstellt. Entsprechend kann die oben beschriebene Kraft zum Beispiel eine Aufprallkraft oder ein Druck sein, der auf das thermische Interface-Material wirkt und seine Zustandsänderung auslöst, ohne dass eine solche Kraft oder ein solcher Druck gezielt eingestellt worden sind. Die Temperatur kann zum Beispiel eine Außentemperatur darstellen, auf welche das thermische Interface-Material automatisch reagiert und seinen Zustand ändert, zum Beispiel wenn ein bestimmter Schwellwert überschritten oder unterschritten wird. Dies hat den großen Vorteil, dass das thermische Interface-Material seine Zustände automatisch angepasst auf die jeweilige Umgebungssituation passiv einstellen kann, ohne dass hierfür eine aktive Ansteuerung erforderlich ist. Nichtsdestoweniger kann auch eine aktive Ansteuerung vorgesehen sein, wie dies später näher erläutert wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen thermischen Interface-Material oder mit einer seiner Ausgestaltungen. Die für das thermische Interface-Material und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterieanordnung.
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Die Batterieanordnung kann darüber hinaus, wie oben bereits beschrieben, ausgestaltet sein. Die Batterieanordnung kann also beispielsweise mehrere Batteriezellen aufweisen, die zu jeweiligen Batteriemodulen zusammengefasst sein können. Zwischen den Batteriezellen und einer weiteren Komponente der Batterieanordnung, vorzugsweise der Temperiereinrichtung, die zum Beispiel als mit einem Kühlmedium durchströmbarer Kühlboden eines Batteriegehäuses bereitgestellt sein kann, ist das thermische Interface-Material angeordnet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung weist die Batterieanordnung eine Steuereinrichtung zum Steuern des Zustandsparameters auf, um das thermische Interface-Material in den ersten Materialzustand oder den mindestens einen zweiten Materialzustand zu versetzen, insbesondere in Abhängigkeit von einem erfassten aktuellen Zustand der Batterieanordnung, insbesondere der HV-Batterie bzw. deren Batteriemodule und/oder deren Zellen, und/oder des Kraftfahrzeugs und/oder einer erfassten aktuellen Umgebungsgröße. Als Batteriezustandsgrößen, die den aktuellen Zustand der Batterie definieren, können dabei zum Beispiel die Batterietemperatur dienen, die Erfassung eines Batteriedefekts oder Zelldefekts, ein bestimmter Leistungsabruf, ein aktueller Ladezustand der Batteriezellen, ein Ruhezustand der Batterie, die aktuelle Durchführung eines Ladevorgangs zum Laden der Batterie, oder Ähnliches. Eine mögliche Zustandsgröße des Kraftfahrzeugs kann beispielsweise die Detektion eines Aufpralls des Kraftfahrzeugs sein. Auch dies kann eine Änderung des Materialzustands des Interface-Materials initiieren. Auch aktuell erfasste Umgebungsgrößen, wie zum Beispiel eine aktuelle Umgebungstemperatur, eine aktuelle Luftfeuchtigkeit oder Ähnliches, können als Steuerparameter für die Steuereinrichtung dienen. Somit kann aktiv der Materialzustand des thermischen Interface-Materials durch Ansteuerung durch die Steuereinrichtung geändert werden. Dies erlaubt noch deutlich mehr Anpassungsmöglichkeiten. Die Ansteuerung kann zum Beispiel dadurch erfolgen, indem eine bestimmte Spannung an das thermische Interface-Material angelegt wird. Eine Ansteuerung kann auch dadurch erfolgen, indem durch eine Stelleinrichtung eine bestimmte mechanische Spannung auf das thermische Interface-Material ausgeübt wird. Im Allgemeinen kann die Ansteuerung des thermischen Interface-Materials elektrisch, elektronisch, mechanisch, elektromechanisch, thermisch, elektromagnetisch und so weiter erfolgen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung mit einem ausgehärteten thermischen Interface-Material, welches zwischen zumindest einer Batteriezelle der Batterieanordnung und einer Temperiereinrichtung der Batterieanordnung angeordnet ist. Dabei wird in Abhängigkeit von zumindest einem bestimmten Zustandsparameter ein bestimmter Materialzustand von mehreren einstallbaren verschiedenen Materialzuständen des thermischen Interface-Materials eingestellt.
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Die für das thermische Interface-Material und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für das Kraftfahrzeug. Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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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 erfindungsgemäßen thermischen Interface-Materials und der erfindungsgemäßen Batterieanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterieanordnung und einem thermischen Interface-Material gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs aus 1 mit dem thermischen Interface-Material in einem zweiten veränderten Materialzustand 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 Kraftfahrzeugs 10 mit einer Batterieanordnung 12 und einem thermischen Interface-Material 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterieanordnung 12 weist dabei mehrere Batteriemodule 16 auf, die jeweils mehrere Batteriezellen 18 umfassen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur jeweils eine Batteriezelle 18 pro Batteriemodul 16 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Weiterhin umfasst die Batterieanordnung 12 ein Batteriegehäuse 20, in welchem die Batteriemodule 16 angeordnet sind. Zudem weist die Batterieanordnung 12 eine Temperiereinrichtung 22 auf, die optional auch als Teil des Gehäuses 20 ausgestaltet sein kann. In diesem Beispiel ist die Temperiereinrichtung 22 mit Kühlkanälen 24 ausgebildet, die von einem Kühlmedium oder im Allgemeinen von einem Temperiermedium durchströmbar sind. Weiterhin ist in diesem Beispiel die Temperiereinrichtung 22 gleichzeitig als oberseitiger Deckel 26 des Gehäuses 20 ausgestaltet. In gleicher Weise könnte die Temperiereinrichtung 22 nicht wie hier dargestellt oberhalb der Batteriemodule 16 bezogen auf die hier dargestellte z-Richtung angeordnet sein, sondern zusätzlich oder alternativ unterhalb der Batteriemodule 16. Mit anderen Worten kann die Temperiereinrichtung 22 auch durch einen als Kühlboden ausgebildeten Boden 28 des Batteriegehäuses 20 bereitgestellt sein. Um die thermische Anbindung der Batteriezellen 18 an die Temperiereinrichtung 22 zu verbessern, ist zwischen den Batteriezellen 18 und der Temperiereinrichtung 22 das thermische Interface-Material 14 angeordnet. Im Batterieherstellprozess wird dieses thermische Interface-Material 14 in nicht ausgehärteter Form zwischen die Batteriemodule 16 und die Temperiereinrichtung 22 eingebracht. Anschließend härtet das thermische Interface-Material 14 aus. In dem vorliegenden Beispiel wird vom ausgehärteten Zustand des thermischen Interface-Materials 14 ausgegangen.
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Das thermische Interface-Material 14 kann grundsätzlich aus einer Matrix 14a mit Füllstoffen 14b gebildet sein. Die Füllstoffe 14b sind im vorliegenden Beispiel als Partikel 14b im thermischen Interface-Material 14 dargestellt. Als Matrix 14a ist dabei insbesondere ein Kunststoff bevorzugt, zum Beispiel ein Polymer. Als Füllstoffe kommen je nach Anwendungsfall verschiedene in Frage, zum Beispiel Keramikpartikel, metallische Partikel, beschichtete beziehungsweise umhüllte Partikel, zum Beispiel mit Graphit beschichtete Füllstoffe 14b, oder Ähnliches. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise ein thermisches Interface-Material 14 bereitstellen, welches dazu ausgelegt ist, in unterschiedlichen Lastzuständen und Lastfällen unterschiedliche Eigenschaften aufzuweisen, insbesondere unterschiedliche thermische und/oder elektrische und/oder mechanische Eigenschaften. Zudem lassen diese Eigenschaften auch lastinduziert anpassen beziehungsweise verändern. Verschiedene Lastfälle können zum Beispiel durch mindestens einen Zustandsparameter P charakterisiert sein. Dieser kann beispielsweise je nach Lastfall unterschiedliche Werte annehmen.
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Im Beispiel in 1 liegt der Parameterwert des Parameters P in einem ersten Wertebereich W1. In diesem Fall weist das thermische Interface-Material 14 einen ersten Materialzustand Z1 auf. In diesem ersten Materialzustand Z1 weist das thermische Interface-Material 14 entsprechend bestimmte elektrische oder thermische oder mechanische Eigenschaften auf. Ändert sich der Zustandsparameter P derart, dass dieser, wie zum Beispiel in 2 dargestellt, entsprechend in einem zweiten, vom ersten verschiedenen Wertebereich W2 liegt, so geht das thermische Interface-Material 14 in einen zweiten Materialzustand Z2 über. Dieser kann dadurch charakterisiert sein, dass das thermische Interface-Material 14 nunmehr gegenüber dem ersten Materialzustand Z1 veränderte mechanische und/oder thermische und/oder elektrische Eigenschaften aufweist.
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Der Zustandsparameter P kann beispielsweise eine Temperatur darstellen. Beispielsweise kann das thermische Interface-Material 14 so ausgestaltet sein, dass dieses im Brandfall zu einer keramischen Platte synthetisiert, was beispielsweise der Darstellung in 2 entsprechen kann. Überschreitet also die Temperatur als Beispiel für den Zustandsparameter P einen bestimmten Schwellwert, verändert das thermische Interface-Material 14 seinen Materialzustand derart, dass eine thermische isolierende Keramifizierung der Matrix und der Füllstoffe entsteht.
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Die Änderung des Zustands Z1, Z2 des thermischen Interface-Materials 14 muss aber nicht notwendigerweise passiv erfolgen, sondern kann zum Beispiel auch durch gezielte Ansteuerung aktiv herbeigeführt werden. Zu diesem Zweck kann die Batterieanordnung 12 die Steuereinrichtung 30 zur Ansteuerung des thermischen Interface-Materials 14 aufweisen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 30 das thermische Interface-Material 14 gezielt mit einer bestimmten Spannung beaufschlagen, um dessen Materialzustand Z1, Z2 zu ändern. Beispielsweise können Füllstoffe, die mit Graphen beschichtet sind, richtungsabhängige Eigenschaften des thermischen Interface-Materials 14 hervorrufen. Liegt zum Beispiel eine Spannung am thermischen Interface-Material 14 an, so richten sich die Füllstoffe 14b in der Matrix 14a so aus, dass eine den Anforderungen entsprechende elektrische Leitfähigkeit auftritt. Gleichzeitig ist das thermische Interface-Material 14 ohne das Anlegen dieser Spannung elektrisch isolierend. Parallel zu diesen elektrischen Eigenschaften kann das thermische Interface-Material 14 weiterhin thermisch leitend sein.
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Abgesehen von diesen Beispielen sind noch vielzählige weitere vorteilhafte Möglichkeiten bereitgestellt, um situationsangepasst die Gapfillereigenschaften zu ändern. Insgesamt kann somit durch die Erfindung der Gapfiller, das heißt das thermische Interface-Material, in seinen Eigenschaften so adaptiv und variabel ausgelegt werden, dass das Material lastbezogen die jeweils optimale Perfomance, die benötigt wird, zur Verfügung stellt. Dies bezieht sich auf etwaige, thermische, mechanische, aber auch elektrische Belastungen, die vor, während und nach dem Betrieb des Fahrzeugs und während der Ladephasen der Hochvoltbatterie in unterschiedlicher Ausprägung auftreten.
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Der große Vorteil der lastinduzierten Eigenschaftsanpassung des Gapfillers besteht in der vielzähligen Anwendbarkeit. So kann zum Beispiel ein und dasselbe Füllstoffkonzept für Gapfillerschichten für unterschiedliche Anforderungen verwendet werden. Liegt zum Beispiel eine Spannung am Gapfiller an, so wird der Gapfiller elektrisch leitfähig, und ohne diese anliegende Spannung ist er elektrisch isolierend.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine lastinduzierte Eigenschaftsanpassung im Gapfiller bereitgestellt werden kann, die eine deutlich besser Situationsanpassung ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112018005226 T5 [0003]
- DE 102019208805 B3 [0004]
