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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einfüllen einer Wärmeleitmasse in einen Zwischenraum zwischen ein Batteriemodul und eine Gehäusewand eines Batteriegehäuses durch eine Injektionsöffnung in der Gehäusewand mittels einer Injektionsvorrichtung, die einen Injektionskopf mit einer Austrittsöffnung zum Ausgeben der Wärmeleitmasse aufweist. Dabei wird vor dem Einfüllen der Wärmeleitmasse in den Zwischenraum die Austrittsöffnung an der Injektionsöffnung auf einer dem Batteriemodul abgewandten ersten Seite der sich in einer Ausgangsposition befindlichen Gehäusewand positioniert und der Injektionskopf an einen die Injektionsöffnung umgebenden Bereich der ersten Seite der Gehäusewand gedrückt. Weiterhin wird die Wärmeleitmasse in den Zwischenraum eingefüllt. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Injektionsanordnung.
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Um bei Elektrofahrzeugen die bei der Schnellladung und beim Leistungsabruf in den Hochvolt-Batterien entstehende Wärme abführen zu können, kommt zwischen Batteriemodul und Kühlboden eine Wärmeleitpaste, der sogenannte Gapfiller, zum Einsatz, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Wärmeleitmasse bezeichnet wird. Hierbei besteht zum einen die Möglichkeit, bei der Montage der Hochvolt-Batterie zuerst in das noch leere Batteriegefache den Gapfiller raupenförmig zu applizieren und dann durch das Aufsetzen und Absenken des Batteriemoduls langsam in die Fläche zu verdrücken. Eine weitere Möglichkeit ist durch das sogenannte Gapfiller-Injektionsverfahren bereitgestellt. Hierbei wird zunächst das Batteriemodul in das leere Batteriegefache gesetzt und verschraubt oder anderweitig am Batteriegehäuse befestigt. In den entstehenden Spalt zwischen Batteriemodul und einer Gehäusewand, wie beispielsweise dem Gehäuseboden, wird dann der Gapfiller injiziert. Bei der Gapfillerinjektion kann der Gapfiller entweder am Rand eines Batteriemoduls von oben injiziert werden oder an einer beliebigen Position von unten durch den Kühlboden, genauer gesagt durch eine Öffnung im Kühlboden, die vorliegend als Injektionsöffnung bezeichnet wird. Erfolgt die Injektion beispielsweise mittig unter einem Batteriemodul, so ist dies bauraumbedingt nur von unten möglich und hat den großen Vorteil, dass die Fließweglänge des Gapfillers zur vollständigen Benetzung und Ausfüllung der Kavität, das heißt des Zwischenraums zwischen dem Batteriemodul und dieser Gehäusewand, nur halb so groß ist. Das hat Vorteile in der Taktzeit und in der niedrigeren Druckbeaufschlagung während der Injektion.
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Als Kühlboden werden oftmals dünne Platten aus einer weichen Aluminiumlegierung eingesetzt. Dies bringt bei der Gapfillerinjektion von unten, das heißt bei einer Injektion durch eine Injektionsöffnung im Kühlboden, Nachteile mit sich. Sobald der Injektionskopf nämlich auf eine vorgesehene Öffnung auf dem Kühlboden andockt, wird dann aufgrund des zur Dichtheit nötigen Anpressdrucks der Kühlboden elastisch verformt. Im schlechtesten Fall wird der Kühlboden so weit verdrückt, dass es zum Kontakt zu den Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen kommt. Dann kann kein Gapfiller mehr eingebracht werden.
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Die
DE 10 2018 220 626 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Fertigungseinrichtung zum Fertigen einer Batterie, wobei in einem bereitgestellten Batteriegehäuse wenigstens ein Batteriemodul positioniert und befestigt ist, sodass es wenigstens einen in einem Gehäuseboden des Batteriegehäuses vorgesehenen Spalt überdeckt. Der Gehäuseboden wird dann entlang des Spalts nach außen aufgebogen, wodurch eine Kavität zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden vergrößert wird. Durch den Spalt hindurch wird dann ein viskoser wärmeleitender Füllstoff in die Kavität eingebracht. Einschließend wird das Aufbiegen des Gehäusebodens durch Zurückdrücken des Gehäusebodens in Richtung des Batteriemoduls rückgängig gemacht.
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Bei dieser Vorgehensweise wird der Gehäuseboden gleich mehrmals verformt. Dies stellt eine hohe Beanspruchung des Gehäusebodens dar. Gerade das Zurückdrücken des Gehäusebodens, wenn der Füllstoff sich bereits in der Kavität befindet, erfordert hohe Kräfte auf den Gehäuseboden. Um diese zu reduzieren, könnte ein Füllstoff mit niedriger Viskosität verwendet werden, was jedoch wiederum die Abdichtung der Injektionsöffnung erschwert, die sich aufgrund der langen, spaltähnlichen Ausbildung ohnehin schwierig gestaltet. Zudem lässt sich hierbei die in die Kavität idealerweise einzubringende Füllmenge nicht genau oder nur schwierig ermitteln. Wird beispielsweise so viel Füllstoff in die Kavität eingebracht, bis diese vollständig mit dem Füllstoff befüllt ist, so stellt dies letztendlich zu viel Füllstoff dar, da sich die Kavität durch das Zurückdrücken des Gehäusebodens wieder verkleinert. Würde weniger Füllstoff eingebracht werden, so besteht die Gefahr, dass die Kavität selbst nach dem Zurückdrücken des Gehäusebodens nicht vollständig mit dem Füllstoff befüllt ist. Entsprechend muss zur Gewährleistung einer vollständigen Befüllung der Kavität immer eine gewisse Menge überschüssigen Füllstoffs in Kauf genommen werden, was unnötige Kosten und mehr Gewicht verursacht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Injektionsanordnung bereitzustellen, die ein für die beteiligten Bauteile möglichst schonendes Einbringen einer Wärmeleitmasse in einen Zwischenraum zwischen dem Batteriemodul und ein Batteriegehäuse und gleichzeitig eine möglichst zuverlässige Ausfüllung des Zwischenraums mit der Wärmeleitmasse ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Injektionsanordnung 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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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einfüllen einer Wärmeleitmasse in einen Zwischenraum zwischen dem Batteriemodul und eine Gehäusewand eines Batteriegehäuses durch eine Injektionsöffnung in der Gehäusewand mittels einer Injektionsvorrichtung, die einen Injektionskopf mit einer Austrittsöffnung zum Ausgeben der Wärmeleitmasse aufweist, wird vor dem Einfüllen der Wärmeleitmasse in den Zwischenraum die Austrittsöffnung an der Injektionsöffnung auf einer dem Batteriemodul abgewandten ersten Seite der sich in einer Ausgangsposition befindlichen Gehäusewand positioniert und der Injektionskopf an einen die Injektionsöffnung umgebenden Bereich der ersten Seite der Gehäusewand gedrückt. Weiterhin wird die Wärmeleitmasse in den Zwischenraum eingefüllt. Zudem wird vor dem Einfüllen der Wärmeleitmasse eine Zugeinrichtung mit der ersten Seite der Gehäusewand gekoppelt, wobei der Injektionskopf an den Bereich der ersten Seite der Gehäusewand zumindest zum Teil dadurch gedrückt wird, dass der Bereich durch die mit der ersten Seite gekoppelten Zugeinrichtung in Richtung des Injektionskopfes gezogen wird, um die Gehäusewand in ihrer Ausgangsposition zu halten.
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Die Zugeinrichtung wird also vorteilhafterweise nicht dazu verwendet, um die Kavität, das heißt den Zwischenraum zwischen dem Batteriemodul und der Gehäusewand, zunächst zu vergrößern und anschließend wieder zu verkleinern, sondern, um die Gehäusewand während der Injektion der Wärmeleitmasse im Wesentlichen in ihrer Ausgangsposition zu halten. Dies ist deutlich schonender für die Gehäusewand, da diese weder elastisch noch plastisch deformiert wird oder eine solche Deformation zumindest äußerst gering ausfällt, und ermöglicht zudem eine gute Abdichtung der Injektionsöffnung während des Injektionsvorgangs, da der Injektionskopf mit der Austrittsöffnung dennoch an den Bereich der ersten Seite der Gehäusewand gedrückt werden kann. Zudem kann der Zwischenraum hierdurch deutlich genauer vollständig ausgefüllt werden, da der Einfüllvorgang einfach, sobald der Zwischenraum bestimmungsgemäß befüllt ist, beendet werden kann. Eine nachträgliche Veränderung des Volumens des Zwischenraums, insbesondere durch Bewegen der Gehäusewand, erfolgt nicht mehr. Die Höhe des zu befüllenden Zwischenraums, d.h. der Abstand zwischen der Gehäusewand und dem Batteriemodul, bleibt also auch während des Injektionsvorgangs definiert konstant. Dadurch wird die Robustheit des Injektionsprozesses deutlich erhöht. Außerdem wird eine ausreichend hohe Anpresskraft zur Sicherstellung der Dichtheit aufgebracht, ohne dass dies irgendwelche nachteiligen Auswirkungen und Deformationen der Gehäusewand nach sich zieht.
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Das beschriebene Verfahren kann dabei beispielsweise Teil eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie, insbesondere einer Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, darstellen. Eine solche Hochvolt-Batterie kann dabei nicht nur ein Batteriemodul, sondern auch mehrere solcher Batteriemodule aufweisen. Zur Ausfüllung der Zwischenräume zwischen jeweiligen weiteren Batteriemodulen und der Gehäusewand kann ganz analog verfahren werden. Die Batteriemodule können wiederum jeweils mehrere Batteriezellen umfassen, die zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können. Weiterhin können die Batteriezellen als Pouchzellen, prismatische Batteriezellen oder Rundzellen bereitgestellt sein. Die mehreren Batteriemodule können dabei in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet sein. Zum Zeitpunkt des Einfüllens der Wärmeleitmasse in den Zwischenraum befindet sich das Batteriemodul bevorzugt also in einem bereits am Batteriegehäuse befestigten Zustand. Ein Befestigen des Batteriemoduls am Batteriegehäuse kann zum Beispiel mittels Verschrauben realisiert sein. Die einzelnen Aufnahmebereiche zur Aufnahme der jeweiligen Batteriemodule am Batteriegehäuse können optional durch Trennwände des Batteriegehäuses voneinander separiert sein. Das Batteriegehäuse kann zum Beispiel eine Batteriewanne umfassen, sowie einen Deckel zum Verschließen der Batteriewanne. Bei der Gehäusewand des Batteriegehäuses kann es sich grundsätzlich um jede beliebige Wand des Batteriegehäuses handeln, zum Beispiel um einen Gehäuseboden, um eine Seitenwand, um eine optionale Trennwand zwischen zwei Aufnahmebereichen oder um den Gehäusedeckel. Bevorzugt stellt die Gehäusewand einen Gehäuseboden oder einen Gehäusedeckel dar. Weiterhin kann die Gehäusewand gleichzeitig als Kühlwand fungieren. Durch das Einbringen der Wärmelei^tmasse in den Zwischenraum kann dann eine gute thermische Anbindung des Batteriemoduls an eine solche Kühlwand bereitgestellt werden. Diese Kühlwand kann zum Beispiel an eine Kühleinrichtung angebunden sein oder selbst mit von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanälen ausgebildet sein. Die erste Seite der Gehäusewand stellt die dem Batteriemodul abgewandte Seite der Gehäusewand dar. Eine gegenüberliegende dem Batteriemodul zugewandte Seite der Gehäusewand kann entsprechend als zweite Seite der Gehäusewand definiert sein. Die erste Seite der Gehäusewand kann einen Außenseite des Batteriegehäuses darstellen.
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Bei der Wärmeleitmasse handelt es sich um den eingangs genannten Gapfiller. Die Wärmeleitmasse kann auch als thermisches Interface-Material bezeichnet werden. Die Wärmeleitmasse weist eine thermische Leitfähigkeit auf, die größer ist als die von Luft. Das Ausfüllen von Zwischenräumen und Luftspalten mit einer solchen Wärmeleitmasse verbessert somit die thermische Anbindung zwischen den betreffenden Bauteilen, vorliegend dem Batteriemodul und der Gehäusewand. Die Wärmeleitmasse befindet sich zum Zeitpunkt des Einfüllens in den Zwischenraum in einem viskosen Zustand, z.B. in einem flüssigen oder zähflüssigen Zustand, und erst nachdem diese in den Zwischenraum eingefüllt wurde, härtet diese aus bzw. wird optional durch aktive Maßnahmen ausgehärtet.
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Grundsätzlich kann die Injektionsöffnung in der Gehäusewand, die die Gehäusewand insbesondere vollständig durchdringt, jede beliebige Geometrie aufweisen, ist jedoch bevorzugt nicht länglich ausgestaltet, sondern weist eine im Wesentlichen gleiche Länge und Breite auf. Beispielsweise kann die Injektionsöffnung als quadratisches oder bevorzugt rundes Injektionsloch ausgeführt sein. Bezüglich einer Injektionsrichtung, in welcher die Wärmeleitmasse durch die Injektionsöffnung in den Zwischenraum injiziert wird, ist das Batteriemodul bevorzugt oberhalb der Injektionsöffnung angeordnet. Diese Injektionsrichtung kann zum Beispiel eine erste Richtung definieren. Bezüglich einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung orientiert ist, kann sich die Injektionsöffnung zum Beispiel mittig unterhalb des Batteriemoduls befinden. Dies hat die eingangs bereits beschriebenen Vorteile in der Taktzeit und in der niedrigeren Druckbeaufschlagung während der Injektion, da die Fließweglänge des Gapfillers beziehungsweise der Wärmeleitmasse im Allgemeinen zur vollständigen Benetzung und Ausfüllung des Zwischenraums nur halb so groß ist. Dabei ist es zudem auch denkbar, dass nicht nur eine solche Injektionsöffnung pro Batteriemodul beziehungsweise pro Aufnahmebereich vorgesehen ist, sondern es können auch mehrere Injektionsöffnungen in der Gehäusewand, insbesondere bezüglich der ersten Richtung unterhalb des Batteriemoduls, vorgesehen sein. Entsprechend können auch mehrere Injektionsköpfe mit jeweiligen Austrittsöffnungen vorgesehen sein, die ganz analog wie zur Injektionsvorrichtung beschrieben die zugeordnete Injektionsöffnung anfahren können und gegen die erste Seite der Gehäusewand gedrückt werden können, indem eine korrespondierende Zugeinrichtung die Gehäusewand in Richtung des Injektionskopfes zieht. Dabei muss sich die Gehäusewand nicht notwendigerweise bewegen beziehungsweise nicht signifikant bewegen. Die Zugkraft, die durch die Zugeinrichtung aufgebracht wird, wird durch den Injektionskopf aufgenommen bzw. kompensiert. Damit befindet sich die Gehäusewand im Gleichgewicht und verharrt während des Einfüllens in ihrer Ausgangsposition. Der Bereich der ersten Seite der Gehäusewand, gegen welchen der Injektionskopf gedrückt wird, kann darüber hinaus ein sehr kleiner Bereich sein und sich z.B. auch nur auf einen die Injektionsöffnung umgebenden Rand beschränken oder auf einen Bereich mit einer Außenkontur die einen maximalen Abstand von wenigen Zentimetern zu diesem Rand aufweist, insbesondere maximal im einstelligen Zentimeterbereich oder auch weniger.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zugeinrichtung mindestens eine mit einem Unterdruck beaufschlagbare Saugeinheit auf, die mit der ersten Seite der Gehäusewand gekoppelt wird und die mit dem Unterdruck beaufschlagt wird, sodass eine in Richtung der mindestens einen Saugeinheit wirkende Zugkraft bereitgestellt wird, mittels welcher der Bereich der ersten Seite der Gehäusewand in Richtung des Injektionskopfes gezogen wird. Die Ausgestaltung mit mindestens einer Saugeinheit ist dabei sehr vorteilhaft, da sich hierdurch die Kopplung mit der Gehäusewand sehr einfach gestaltet. Auch ein Entkoppeln, insbesondere nach Beendigung des Einfüllvorgangs der Wärmeleitmasse, kann einfach dadurch bereitgestellt werden, indem die Saugeinheit nicht mehr mit dem Unterdruck beaufschlagt wird. Dadurch kann diese wieder einfach und rückstandslos vom Batteriegehäuse entfernt werden. Außerdem muss hierfür keinerlei mechanische Kopplungsmöglichkeit an der Gehäusewand selbst oder irgendeine Art spezielle Ausbildung der Gehäusewand bereitgestellt werden. Somit lässt sich also vorteilhafterweise die Gehäusewand, wie beispielsweise das Blech des Kühlbodens, mittels einer als Unterdruckvorrichtung ausgestalteten Zugeinrichtung während der Injektion von den Batteriezellen beziehungsweise dem Batteriemodul wegziehen beziehungsweise von einer Deformation in Richtung des Batteriemoduls abhalten. Die mit dem Unterdruck beaufschlagbare Saugeinheit kann zum Beispiel am Injektionskopf selbst angebracht beziehungsweise montiert sein. Die mit dem Unterdruck beaufschlagbare Saugeinheit kann also ähnlich wie ein Saugnapf ausgebildet sein. Mit dem Injektionskopf wird dann eine Art Saugnapf auf das die Gehäusewand bereitstellende Blech gedockt, welche einen Unterdruck erzeugt beziehungsweise mit Unterdruck beaufschlagt wird. Das Andocken kann mit einer leichten Deformation der Gehäusewand in Richtung des Batteriemoduls einhergehen. Dieser kann jedoch einfach wieder kompensiert werden, indem dann die komplette Injektionsvorrichtung, das heißt der Injektionskopf mit der mindestens einen Saugeinheit, wieder eine definierte Distanz zurückfährt und dabei mittels der Saugeinheit, also zum Beispiel des Saugnapfes, das Blech mitbewegt, insbesondere wieder in seine Ausgangsposition. Dadurch ist zum einen wieder ein mit Gapfiller zu befüllender Spalt definiert und zum anderen ist eine ausreichende Anpressung des Injektionskopfes auf das Injektionsloch beziehungsweise den dieses unmittelbar umschließenden Bereichs der ersten Seite gewährleistet.
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Indem beispielsweise die mindestens eine Saugeinheit am Injektionskopf montiert ist, lässt sich diese, wenn sie in der ersten Seite der Gehäusewand platziert wird, sehr nahe am Injektionskopf positionieren. Dadurch lässt sich die vom Injektionskopf auf die Gehäusewand ausgeübte Anpresskraft auf besonders vorteilhafte Weise durch eine korrespondierende Zugkraft der Zugeinrichtung kompensieren. Daher ist es auch hier bevorzugt, dass die mindestens eine Saugeinheit möglichst nahe am Injektionskopf mit der ersten Seite der Gehäusewand koppelt. Auch hier kann ein Abstand der mindestens einen Saugeinheit zur Injektionsöffnung maximal wenige Zentimeter betragen.
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Der erzeugte Unterdruck, mit welchem die Saugeinheit beaufschlagt wird, stellt dabei einen gegenüber dem Umgebungsdruck verringerten Druck dar. Die Saugeinheit kann dabei mit einer anschmiegsamen Sauglippe ausgebildet sein, die dicht mit der ersten Seite des Gehäusebodens abschließen kann. Der Bereich, in welchem die Saugeinheit an der ersten Seite des Gehäusebodens oder im Allgemeinen an der Gehäusewand andockt, ist entsprechend bevorzugt eben ausgestaltet. Dies erleichtert die Aufrechterhaltung des erzeugten Unterdrucks.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Zugkraft auch magnetisch erzeugt bzw. aufgebracht werden, was zum Beispiel bei einer als Stahldeckel oder Stahlwand ausgebildeten Gehäusewand vorteilhaft ist, oder wenn die Gehäusewand aus einem anderen magnetischen oder magnetisierbaren Material ist. Daher kann es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Zugeinrichtung mindestens einen Magneten aufweist, der mit der ersten Seite der Gehäusewand magnetisch gekoppelt wird, und der eine in Richtung des mindestens einen Magnets wirkende Zugkraft bereitgestellt, mittels welcher der Bereich der ersten Seite der Gehäusewand in Richtung des Injektionskopfes gezogen wird. Der mindestens eine Magnet ist dann bevorzug als Elektromagnet ausgebildet. Dann ist die magnetische Zugkraft vorteilhafterweise einstellbar und kann gezielt aktiviert und deaktiviert werden, so dass sich der mindestens eine Magnet auch wieder einfach von der Gehäusewand entfernen lässt. Demgegenüber hat jedoch die Ausbildung der Zugeinrichtung mit einer Saugeinheit den Vorteil, dass diese sich unabhängig vom Material der Gehäusewand verwenden lässt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Gehäusewand durch die in Richtung der mindestens einen Saugeinheit wirkende Zugkraft, die von der Zugeinrichtung bereitgestellt wird, während die Wärmeleitmasse in den Zwischenraum eingefüllt wird, in einer bestimmten Position gehalten wird. Dies gilt insbesondere auch in gleicher Weise, wenn die Zugkraft magnetisch aufgebracht wird. Das Gleichgewicht zwischen der Anpresskraft des Injektionskopfes und der Zugkraft auf die Gehäusewand kann somit während des gesamten Injektionsprozesses aufrecht erhalten werden. Dadurch ist während des Injektionsprozesses eine konstante Spalthöhe des durch den Zwischenraum bereitgestellten Spalts zwischen der Gehäusewand und dem Batteriemodul bereitgestellt. Diese Spalthöhe korrespondiert insbesondere auch zu einer finalen Spalthöhe des dann mit der Wärmeleitmasse befüllten Spalts beziehungsweise korrespondiert zur finalen Schichthöhe der Wärmeleitmassenschicht zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden beziehungsweise der Gehäusewand. Nachdem also die Wärmeleitmasse in den Zwischenraum eingefüllt wurde, wird die Gehäusewand nicht mehr in Richtung des Batteriemoduls bewegt, sondern weiterhin in ihrer bestimmten Position belassen. Diese korrespondiert insbesondere zur eingangs genannten Ausgangsposition der Gehäusewand. Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Gehäusewand während des Einfüllens der Wärmeleitmasse in den Zwischenraum mittels der Zugeinrichtung in der bestimmten Position gehalten wird, die der Ausgangsposition der Gehäusewand entspricht, bevor die Austrittsöffnung des Injektionskopfes an der Injektionsöffnung positioniert wurde und bevor die Zugeinrichtung mit der ersten Seite der Gehäusewand gekoppelt wurde. Dadurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass die Gehäusewand im Zuge des Injektionsprozesses so wenig wie möglich deformiert wird. Eine kleine Deformation kann mit dem Andocken des Injektionskopfes und der Saugeinheit einhergehen, die jedoch durch die Saugeinheit und ihre Positionierung wieder unmittelbar kompensiert werden kann. Beispielsweise kann zunächst der Injektionskopf an die Injektionsöffnung herangefahren werden, sodass die Austrittsöffnung des Injektionskopfes mit der Injektionsöffnung koppelt, jedoch ohne dass der Injektionskopf dabei bereits gegen die erste Seite der Gehäusewand gedrückt wird. Anschließend kann die Zugeinrichtung an die erste Seite der Gehäusewand andocken und diese in Richtung des Injektionskopfes ziehen, während dieser seine Position beibehält. Die Position des Injektionskopfes legt damit gleichzeitig auch die finale Zugposition der Gehäusewand fest und sorgt dafür, dass die Gehäusewand nicht übermäßig in Richtung des Injektionskopfes, das heißt über ihre Ausgangsposition hinaus, gezogen werden kann. Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die bestimmte Position durch einen durch den Injektionskopf bereitgestellten Anschlag definiert ist. Somit lässt es sich auf sehr einfache und effiziente Weise realisieren, dass die Gehäusewand während des Injektionsprozesses im Wesentlichen immer in ihrer Ausgangsposition gehalten wird.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zugeinrichtung mehrere der mindestens einen Saugeinheit auf, wobei die mehreren Saugeinheiten zum Koppeln der Zugeinrichtung auf der ersten Seite verteilt um den Bereich der ersten Seite der Gehäusewand herum angeordnet werden. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige Zugkraft um die Injektionsöffnung herum in Richtung des Injektionskopfes bereitgestellt werden. Die Anpresskraft des Injektionskopfes gegen die Gehäusewand lässt sich durch die Zugkraft somit besonders symmetrisch kompensieren. Beispielsweise kann die Zugeinrichtung zwei Saugeinheiten aufweisen, die bezüglich der zweiten Richtung, die zur ersten Richtung, nämlich der Injektionsrichtung, senkrecht ist, auf gegenüberliegenden Seiten der Injektionsöffnung angeordnet werden. Die Zugeinrichtung kann auch drei Saugeinheiten aufweisen, die in Form eines regelmäßigen Dreiecks um die Injektionsöffnung herum angeordnet werden. Die Zugeinrichtung kann auch mehr als drei Saugeinheiten aufweisen, die dann vorzugsweise ebenfalls in Form eines regelmäßigen Vielecks um die Injektionsöffnung herum angeordnet werden. Dadurch lässt sich eine besonders gleichmäßige Kraftverteilung bereitstellen. Dies gilt wiederum auch in gleicher Wiese für eine Ausbildung der Zugeinrichtung mit mehreren Magneten, die dann die gleiche Funktion übernehmen wie die Saugeinheiten und auch wie zu den Saugeinheiten beschrieben angeordnet sein können. Im Übrigen sind allgemein die zuvor und auch die im Folgenden noch mit Bezug auch die mindestens eine Saugeinheit beschriebenen Ausgestaltungen analog auch für den mindestens einen Magneten, insbesondere Elektromagneten umsetzbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Saugeinheit derart ausgebildet, dass sie den Bereich geschlossen, insbesondere ringförmig, umläuft, wenn die Zugeinrichtung mit der ersten Seite gekoppelt ist. Die Zugeinrichtung kann also pro Injektionsöffnung zum Beispiel auch nur eine einzelne Saugeinheit umfassen, die entsprechend zum Beispiel ringförmig ausgebildet ist und im mit der ersten Seite der Gehäusewand gekoppelten Zustand entsprechend die Injektionsöffnung ringförmig und geschlossen umläuft. Auch hierdurch lässt sich vorteilhafterweise eine gleichmäßige Zugkraft, die insbesondere symmetrisch in Bezug auf die Injektionsöffnung ist, bereitstellen. Lokale Deformationen im Bereich der Injektionsöffnung durch asymmetrische Zugkräfte lassen sich damit ebenfalls vorteilhafterweise vermeiden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Zugeinrichtung nach dem Einfüllen der Wärmeleitmasse vom Batteriegehäuse entkoppelt, und insbesondere auch die Injektionsvorrichtung von der Injektionsöffnung entfernt. Dadurch wird also eine Batterieanordnung bereitgestellt, an welcher keine Teile der Injektionsvorrichtung oder der Zugeinrichtung verbleiben. Das Entfernen der Zugeinrichtung kann insbesondere wie bereits beschrieben einfach durch Aufheben des Unterdrucks erfolgen. Der Gehäuseboden oder im Allgemeinen die Gehäusewand verbleibt dann entsprechend in ihrer Position, insbesondere in ihrer Ausgangsposition, wie sie letztendlich auch am Ende des Injektionsvorgangs vorgelegen hat.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Injektionsanordnung zum Einfüllen einer Wärmeleitmasse in einen Zwischenraum zwischen ein Batteriemodul und eine Gehäusewand eines Batteriegehäuses durch eine Injektionsöffnung in der Gehäusewand, wobei die Injektionsanordnung eine Injektionsvorrichtung umfasst, die einen Injektionskopf mit einer Austrittsöffnung zum Ausgeben der Wärmeleitmasse aufweist, wobei die Injektionsanordnung dazu ausgelegt ist, vor dem Einfüllen der Wärmeleitmasse in den Zwischenraum die Austrittsöffnung an der Injektionsöffnung auf einer dem Batteriemodul abgewandten ersten Seite der Gehäusewand zu positionieren und den Injektionskopf an einen die Injektionsöffnung umgebenden Bereich der ersten Seite der Gehäusewand zu drücken. Weiterhin ist die Injektionsanordnung dazu ausgelegt, die Wärmeleitmasse in den Zwischenraum mittels des mit seiner Austrittsöffnung an der Injektionsöffnung positionierten Injektionskopfes durch die Injektionsöffnung einzufüllen. Dabei weist die Injektionsanordnung eine Zugeinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, vor dem Einfüllen der Wärmeleitmasse mit der ersten Seite der in einer Ausgangsposition befindlichen Gehäusewand zu koppeln und den Injektionskopf an den Bereich der ersten Seite der Gehäusewand zumindest zum Teil durch ein Ziehen des Bereichs in Richtung des Injektionskopfes zu drücken, um die Gehäusewand in ihrer Ausgangsposition zu halten.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Injektionsanordnung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zugeinrichtung mindestens eine mit einem Unterdruck beaufschlagbare Saugeinheit und/oder mindestens einen Magneten auf, die bzw. der am Injektionskopf beweglich relativ zum Injektionskopf montiert ist. Dies erlaubt vorteilhafterweise die Positionierung der Saugeinheit sehr nahe am Injektionskopf, insbesondere sehr nahe an der Injektionsöffnung, die mit der Austrittsöffnung des Injektionskopfes während des Injektionsvorgangs gekoppelt ist. Dadurch lässt sich die Gehäusewand mit minimalem Kraftaufwand und maximaler Effizienz gegen den Injektionskopf ziehen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Injektionsanordnung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Injektionsanordnung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Zu der Erfindung gehört auch die Steuervorrichtung für die Injektionsanordnung. Die Steuervorrichtung kann die Injektionsvorrichtung und die Zugeinrichtung steuern und hierzu 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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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 Batteriemoduls und einer Gehäusewand mit Injektionsöffnung und einer Injektionsanordnung zum Befüllen eines Zwischenraums zwischen dem Batteriemodul und der Gehäusewand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung des Befüllens eines Zwischenraums zwischen einem Batteriemodul und einer Gehäusewand mit einer Injektionsvorrichtung gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel; und
- 3 eine schematische Darstellung des Befüllens des Zwischenraums zwischen dem Batteriemodul und der Gehäusewand mit einer Injektionsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1.
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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 eines Batteriemoduls 10 und einer Gehäusewand 12 eines Batteriegehäuses 14 mit einer Injektionsöffnung 16, durch welche ein Zwischenraum 18 zwischen dem Batteriemodul 10 und der Gehäusewand 12 mittels einer Injektionsanordnung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Wärmeleitmasse befüllt werden soll. Die Gehäusewand 12 weist dabei eine dem Batteriemodul 10 abgewandte erste Seite 12a auf. Das Batteriemodul 10 kann mehrere Batteriezellen 22 umfassen. Das Batteriemodul 10 kann optional zudem ein vorliegend nicht näher dargestelltes Modulgehäuse aufweisen. Die Gehäusewand 12 des Batteriegehäuses 14 kann zum Beispiel einen Deckel eines Batteriegehäuses oder auch einen Boden eines Batteriegehäuses 14 darstellen. Die dargestellte Lage von Batteriemodul 10 und Gehäusewand 12 muss dabei nicht notwendigerweise zur bestimmungsgemäßen Einbaulage in einem Kraftfahrzeug korrespondieren. Beispielsweise kann ein Einfüllen der Wärmeleitmasse in den Zwischenraum 18 auch kopfüber erfolgen. Die Injektionsöffnung 16 kann zum Beispiel kreisförmig ausgebildet sein und bezüglich der x- und/oder y-Richtung mittig über oder unter dem Batteriemodul 10 positioniert sein, insbesondere bezüglich einer Injektionsrichtung unter dem Batteriemodul 10, wobei die Injektionsrichtung zur hier dargestellten z-Richtung korrespondiert. Die Injektionsanordnung 20 umfasst nun einerseits einen Injektionskopf 24, welcher eine Austrittsöffnung 24a bereitstellt, durch welche eine Wärmeleitmasse aus dem Injektionskopf 24 austreten kann. Mit dem Injektionskopf 24 kann die Injektionsöffnung 16 auf der erste Seite 12a der Gehäusewand 12 angefahren werden und anschließend kann die Wärmeleitmasse über die Austrittsöffnung 24a ausgegeben werden und damit durch die Injektionsöffnung 16 in den Zwischenraum 18 eingefüllt werden.
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Bei einer Injektionsvorrichtungen 26 gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispeil, wie eine solche exemplarisch in 2 veranschaulicht ist, besteht das Problem, dass diese mit einer gewissen Anpresskraft gegen die Gehäusewand 12 gedrückt werden muss, um dicht den Bereich der Injektionsöffnung 16 abzuschließen. Da Gehäusewände eines Batteriegehäuses, gerade wenn sie als Kühlboden ausgestaltet sind, lediglich als dünnes Blech bereitgestellt sind, führt dies unweigerlich dazu, dass sich eine solche Gehäusewand 12 wie in 2 dargestellt in Richtung des Batteriemoduls 10 verbiegt. Selbst wenn es sich bei dieser Deformation um eine elastische Deformation handelt, besteht die Gefahr, dass die Gehäusewand 12 so weit verdrückt wird, dass es zum Kontakt zu den Batteriezellen 22 kommt. Dann kann kein Gapfiller mehr eingebracht werden.
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Um dies zu verhindern, weist die Injektionsanordnung 20, wie in 1 dargestellt, nun vorteilhafterweise noch eine Zugeinrichtung 28 auf, die im vorliegenden Beispiel als Unterdruckvorrichtung 28 ausgebildet ist. Diese ist nun dazu ausgelegt, das Blech des Kühlbodens 12 oder im Allgemeinen die Gehäusewand während der Injektion von den Batteriezellen 22 wegzuziehen. Zu diesem Zweck kann die Zugeinrichtung 28 eine oder mehrere Saugeinheiten 28a umfassen, die im Folgenden auch als Saugnäpfe bezeichnet werden und die mit einem Unterdruck beaufschlagbar sind, um sich an der Gehäusewand 12 festzusaugen. Dies ist in 3 dargestellt.
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3 zeigt dabei die Injektionsanordnung 20 aus 1 in einem Zustand, in welchem der Injektionskopf 24 an die Injektionsöffnung 16 in einem diese umgebenden bestimmten Bereich 13 der ersten Seite 12a der Gehäusewand 12 angedockt ist und auch die Saugnäpfe 28a an die erste Seite 12a der Gehäusewand 12, die nachfolgend auch einfach Blech 12 genannt wird, angedockt sind. Mittels dieser Saugnäpfe 28a wird entsprechend ein Unterdruck pU erzeugt, durch welchen die Saugnäpfe 28a am Blech 12 anhaften. Dann kann die komplette Injektionsanordnung 20 eine definierte Distanz wieder zurückfahren, zumindest sofern bei diesen Andockvorgängen das Blech 12 etwas in Richtung des Batteriemoduls 10 bewegt wurde. Bei diesem Zurückfahren wird das Blech 12 entsprechend mittels der Saugnäpfe 28a mit weggezogen. Die durch die Saugnäpfe 28a erzeugten Zugkräfte FZ können dabei der vom Injektionskopf 24a bereitgestellten Anpresskraft FA entgegengesetzt sein, sodass das Blech 12 in einer definierten Position im Gleichgewicht gehalten wird. Diese definierte Position korrespondiert insbesondere zur Ausgangsposition A, in welcher sich das Blech 12 vor dem Andocken der Injektionsanordnung 20 befunden hat, wie in 1 dargestellt. Technisch kann die Unterdruckeinrichtung 28 zum Beispiel mit einem handelsüblichen Unterdruckgreifer umgesetzt werden. Dieser kann an der Injektionsvorrichtung 24 vorzugsweise in einem Bereich unmittelbar seitlich des Injektionskopfes 24 befestigt werden. Entweder kann dabei ein großer Saugnapf 28a zum Beispiel ringförmig um den Injektionskopf 24 herum oder seitlich des Injektionskopfes 24 angeordnet werden oder auch mehrere kleinere Saugnäpfe 28a kreisförmig umlaufend um den Injektionskopf herum angeordnet werden. Dies kann abhängig vom Bauraum und von der nötigen Zugkraft FZ, die aufgebracht werden soll, gewählt werden. Die Saugnäpfe 28a ziehen dann wie beschrieben beim Anlegen des Unterdrucks pU den Boden 12 in die zur Materialeinbringung entgegengesetzte Richtung. Unter Materialeinbringung ist dabei die Einbringung der Wärmeleitmasse zu verstehen. Somit ist eine Dichtheit während der Injektion sichergestellt. Über das komplette Bewegen der Injektionsvorrichtung, genauer gesagt der gesamten Injektionsanordnung 20, in die der Materialeinbringung entgegengesetzte Richtung wird der zu befüllende Spalt zwischen Kühlboden 12 und Batteriezellen 22 definiert.
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In dieser Position kann nun die Wärmeleitmasse im viskosen Zustand in den Zwischenraum 18 eingefüllt werden. Dabei kann der Zwischenraum 18 durch Dichtelemente abgedichtet sein, damit die Wärmeleitmasse nicht in unerwünschte Bereiche gelangen kann. Nach Einfüllen der Wärmeleitmasse wird die Injektionsanordnung 20 von der Gehäusewand 12 wieder entkoppelt. Diese verbleibt währenddessen in ihrer Ausgangsposition A. Anschließend härtet die eingefüllte Wärmeleitmasse aus.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Hochvolt-Batterie mittels Gapfillerinjektion und eine Vorrichtung zum sicheren Befüllen durch den Kühlboden bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018220626 A1 [0004]
