DE102022113603A1

DE102022113603A1 - Thermisches Interface-Material, Batterieanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102022113603A1
Application number: DE102022113603.5A
Authority: DE
Inventors: Marc Gormanns; Martin Simon
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermisches Interface-Material (18) zum thermischen Koppeln eines Batteriemoduls (12) und einer Kühleinrichtung (16), wobei das thermische Interface-Material (18) in einem viskosen Zustand bereitstellbar und aushärtbar ist, wobei das thermische Interface-Material (18) eine Matrix (44) und in der Matrix (44) aufgenommene Partikel (46, 46a) aufweist, die eine gegenüber der Matrix (44) höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen. Dabei weisen die Partikel (46, 46a) eine von einer rein konvexen Oberflächengeometrie verschiedene, zumindest teilweise konkave Oberflächengeometrie auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Interface-Material zum thermischen Koppeln eines Batteriemoduls und einer Kühleinrichtung, wobei das thermische Interface-Material in einem viskosen Zustand bereitstellbar und aushärtbar ist, und wobei das thermische Interface-Material eine Matrix und in der Matrix aufgenommene Partikel aufweist, die eine gegenüber der Matrix höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung mit einem solchen thermischen Interface-Material und ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung.
Bei der Herstellung von Kraftfahrzeugbatterien, insbesondere Hochvolt-Batterien, werden Batteriemodule, die wiederum jeweils mehrere Batteriezellen umfassen können, in ein Batteriegehäuse eingesetzt. Ein Boden des Batteriegehäuses kann dabei gleichzeitig als Kühleinrichtung fungieren. Um dabei die Batteriemodule möglichst gut thermisch an einen solchen Kühlboden anzubinden, wird zwischen das Batteriemodul und einem solchen Kühlboden typischerweise ein thermisches Interface-Material eingebracht. Dieses kann auch als Gapfiller, das heißt als Spaltfüller, Wärmeleitmasse, Wärmeleitpaste, Wärmeleitmedium oder ähnliches bezeichnet werden. Zum Einbringen des thermischen Interface-Materials in den Zwischenraum zwischen ein solches Batteriemodul und der durch den Gehäuseboden bereitgestellten Kühleinrichtung kann zum Beispiel zunächst das Wärmeleitmedium, das heißt das thermische Interface-Material, auf den Gehäuseboden aufgebracht werden und anschließend das Batteriemodul darauf gesetzt werden und über Verpressung kann das Wärmeleitmedium in der Fläche verteilt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht auch in der Verwendung eines so genannten Injektionsverfahrens. Dabei wird zuerst das Batteriemodul in das Batteriegehäuse eingesetzt und verschraubt. Erst anschließend wird das thermische Interface-Material eingebracht bzw. injiziert. Dies erfolgt mittels Injektion des thermischen Interface-Materials in eine über Dichtungen klar abgegrenzte Kavität zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden. Bei beiden Vorgehensweisen ist es von Vorteil, wenn das Wärmeleitmedium, das heißt das thermische Interface-Material, sowohl vor der Injektion als auch nach der Injektion homogene Wärmeleiteigenschaften hat. Damit sich das thermische Interface-Material durch Verpressen oder auch bei der Injektion möglichst einfach in der Fläche verteilen kann, ist es zudem von Vorteil, wenn das Interface-Material eine möglichst geringe Viskosität aufweist. Gerade bei der Injektion ist eine geringe Viskosität von Vorteil, denn hierdurch lässt sich umso zuverlässiger sicherstellen, dass die beiden Fügepartner auch zuverlässig vom thermischen Interface-Material benetzt werden. Allerdings geht eine niedrige Viskosität aktuell mit einer schlechten Absetzstabilität einher. Zur Bereitstellung einer möglichst hohen thermischen Leitfähigkeit eines solchen thermischen Interface-Materials werden üblicherweise einer viskosen Matrix zusätzliche wärmeleitende Partikel zugesetzt. Gerade bei einer sehr niedrigen Viskosität der Matrix setzen sich diese Partikel sehr schnell schwerkraftbedingt am Boden ab, d.h. noch bevor das Material ausgehärtet ist. Eine homogene Verteilung der Partikel innerhalb der Matrix ist damit nicht möglich. Folglich ist keine Gapfillerschicht mit homogener Wärmeleitfähigkeit bereitstellbar.
Die DE 10 2019 110 807 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Temperieren beziehungsweise Erwärmen einer Batterie, mit einem Latentwärmespeicher, der ein Speichermedium einschließt und mit der Batterie in wärmeleitendem Kontakt steht. Ein Auslöser sitzt im Speichermedium des Latentwärmespeichers. Durch den Auslöser kann eine exotherme Kristallisation des Speichermediums ausgelöst werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein thermisches Interface-Material bereitzustellen, welches auch bei geringer Viskosität möglichst homogene Wärmeleiteigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein thermisches Interface-Material, eine Batterieanordnung 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.
Ein erfindungsgemäßes thermisches Interface-Material zum thermischen Koppeln eines Batteriemoduls und einer Kühleinrichtung ist in einem viskosen Zustand bereitstellbar und aushärtbar, wobei das thermische Interface-Material eine Matrix und in der Matrix aufgenommene Partikel aufweist, die eine gegenüber der Matrix höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen. Dabei weisen die Partikel eine von einer rein konvexen Oberflächengeometrie verschiedene, zumindest teilweise konkave Oberflächengeometrie auf.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich Partikel mit zumindest teilweiser konkaver Oberflächengeometrie deutlich einfacher gegenseitig verkanten und verhaken können. Damit können die Partikel wiederum schwerkraftbedingt nicht so einfach nach unten sinken, sondern verkanten sich gegenseitig und bilden dadurch größere kristallähnliche Strukturen oder Gitter bzw. Vernetzen sich. Dadurch lässt sich die Absetzstabilität des thermischen Interface-Materials enorm steigern. Die Partikel verteilen sich damit, zumindest so lange sich das thermische Interface-Material im viskosen Zustand befindet, deutlich homogener innerhalb der Matrix, was zu einer deutlich homogeneren Wärmeleitfähigkeit des thermischen Interface-Materials führt, und zudem auch die thermische Leitfähigkeit deutlich steigert, da sich durch das Verkanten und ineinander Verhaken der einzelnen Partikel deutlich mehr Kontaktpunkte zwischen den Partikeln und somit über die gesamte Schicht des thermischen Interface-Materials hinweg bereitstellen lassen. Somit lässt sich ein effizienter Wärmeleitpfad durch die gesamte Interface-Materialschicht bereitstellen.
Unter einer Matrix soll dabei ein Trägermaterial bzw. eine Trägersubstanz verstanden werden. Die Matrix des thermischen Interface-Materials befindet sich dabei ebenfalls im viskosen Zustand, wenn sich das thermische Interface-Material im viskosen Zustand befindet. Beim Aushärten des thermischen Interface-Materials härtet entsprechend auch die Matrix aus. Die in der Matrix enthaltenen Partikel dagegen verbleiben immer im festen Zustand, d.h. auch wenn sich das thermische Interface-Material im viskosen Zustand befindet. Durch die in der Matrix aufgenommenen Partikel lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des thermischen Interface-Materials gegenüber der der reinen Matrix deutlich erhöhen. Die Matrix kann zum Beispiel ein Silikon sein oder eine Matrix auf Silikonbasis oder ähnliches.
Beim thermischen Interface-Material handelt es sich darüber hinaus vorzugsweise um kein Phasenwechselmaterial im eigentlichen Sinne. Mit anderen Worten führt das thermische Interface-Material in seiner bestimmungsgemäßen Anordnung in einer Batterieanordnung und während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Batterieanordnung keinen Phasenwechsel aus. In seiner bestimmungsgemäßen finalen Anordnung in einer Batterieanordnung, insbesondere einer Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, befindet sich das thermische Interface-Material dann entsprechend zwischen dem Batteriemodul und der Kühleinrichtung, und zwar im ausgehärteten und damit festen Zustand. In diesem festen Zustand verbleibt entsprechend dann auch das thermische Interface-Material bis zum Ende der Lebensdauer der Batterie, zumindest sofern die Batterie bestimmungsgemäß betrieben wird und zum Beispiel nicht überhitzt oder ähnliches. Durch die in der Matrix aufgenommenen Partikel lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des thermischen Interface-Materials gegenüber der der reinen Matrix deutlich erhöhen. Die Matrix kann zum Beispiel ein Silikon sein oder eine Matrix auf Silikonbasis oder ähnliches.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Partikel aus einem metallischen Material gebildet, insbesondere aus Aluminium und/oder Aluminiumoxid. Metalle, gerade Aluminium oder Aluminiumoxid, weisen eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit auf. Dadurch kann vorteilhafterweise ein thermisches Interface-Material mit einer sehr hohen thermischen Leitfähigkeit bereitgestellt werden. Neben den beschriebenen Partikeln mit der zumindest teilweise konkaven Oberflächengeometrie ist es optional auch denkbar, dass in der Matrix noch weitere Partikel, zum Beispiel mit rein konvexen Oberflächengeometrien aufgenommen sind. Dies ist jedoch weniger bevorzugt, da dies wiederum die Absetzstabilität mindern würde. Nichts desto weniger ist es jedoch auch denkbar, dass die Matrix verschiedene Partikel aufweist beziehungsweise dass in der Matrix verschiedene Partikel aufgenommen sind, die alle eine zumindest teilweise konkave Oberflächengeometrie aufweisen, sich jedoch hinsichtlich zumindest einer weiteren Eigenschaft unterscheiden, zum Beispiel hinsichtlich ihrer Größe, Dichte, hinsichtlich ihres Materials, oder ähnliches.
Weiterhin kann das thermische Interface-Material so ausgestaltet sein, dass dieses passiv oder aktiv aushärtet. Unter einem passiven Aushärten soll dabei das Aushärten im Laufe der Zeit verstanden werden, ohne dass hierfür irgendwelche zusätzlichen aktiven Aushärtungsmaßnahmen vorgesehen werden müssen. Solche aktiven Aushärtungsmaßnahmen sind zum Beispiel Aushärten mittels Licht, z. B. UV-Licht.
Partikel, die eine rein konvexe Oberflächengeometrie aufweisen, sind zum Beispiel würfelförmige Partikel oder kugelförmige Partikel oder ähnliches. Solche Partikel weisen also Krümmungen oder Ecken auf, die ausschließlich nach außen gerichtet sind, während ihre Oberfläche jedoch keinerlei nach innen gerichtete Vertiefungen aufweist. Dagegen weist eine zumindest teilweise konkave Oberflächengeometrie eine Krümmung oder auch Ecken auf, die nach innen gerichtet sind. Beispiele für derartige konkave Oberflächengeometrien werden nachfolgend näher erläutert. Darunter fallen unter anderem spanförmige, spiralförmige , sternförmige, flockenförmige bzw. schneeflockenförmige Oberflächengeometrien.
Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn die Partikel spanförmig ausgebildet sind. Die Partikel können sozusagen als Späne bereitgestellt sein. Solche Späne können prinzipiell beliebig gekrümmt oder auch mehrfach gekrümmt oder gewunden oder gerollt sein. Die Partikel können also hinsichtlich ihrer Geometrie herkömmlichen Holzspänen oder Hobelspänen ähneln. Derartige Späne sind herstellungstechnisch sehr einfach zu realisieren. Ein weiterer großer Vorteil solcher Späne, neben der Tatsache, dass sich solche spanförmigen Partikel ebenfalls sehr leicht ineinander verhaken oder gegenseitig verkanten, ist, dass solche spanförmigen Partikel auch eine gewisse Elastizität oder Biegsamkeit aufgrund ihrer Geometrie aufweisen. Eine solche Elastizität beziehungsweise Biegsamkeit, egal ob reversibel oder nicht, hat den großen Vorteil, dass gerade an Engstellen beim Einfüllen des thermischen Interface-Materials in den Zwischenraum zwischen Batteriemodul und Kühlboden zumindest temporär und lokal eine Erniedrigung der Viskosität des thermischen Interface-Materials bereitstellbar ist. Die Partikel blockieren also solche Engstellen nicht, sondern können aufgrund ihrer Elastizität oder Deformierbarkeit einfach durch solche Engstellen gepresst werden. Damit lassen sich vorteilhafterweise Eigenschaften wie eine niedrige Viskosität des thermischen Interface-Materials mit einer sehr hohen Absetzstabilität kombinieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Partikel schneeflockenförmig und/oder sternförmig ausgebildet und/oder weisen Äste und/oder Verästelungen auf. Die Formgebung der Partikel kann also beispielsweise der einer Schneeflocke oder der eines Sterns ähneln, insbesondere 2D oder sogar 3D. Die von einem Zentrum des Partikels abstehenden Äste oder Verästelungen liegen also beispielsweise bei einer 2D-Geometrie in einer Ebene, bei einer 3D-Geometrie dagegen nicht. Durch eine derartige Partikelgeometrie lässt sich ein gegenseitiges Verhaken und Verkanten der Partikel zueinander auf besonders effiziente und zuverlässige Weise bereitstellen. Die Wärmeleitfähigkeit des thermischen Interface-Materials kann hierdurch vor allem im ausgehärteten Zustand maximiert werden, da hierdurch eine besonders homogene Verteilung der Partikel innerhalb der Matrix erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein jeweiliger Partikel so ausgebildet, dass Abschnitte des Partikels relativ zueinander biegbar oder abbrechbar sind, insbesondere ab einem bestimmten Druck des thermischen Interface-Materials. Wie bereits zu den spanförmigen Partikeln beschrieben, lässt sich auch durch eine solche biegbare oder abbrechbare Ausgestaltung einzelner Abschnitte des Partikels eine gewisse Elastizität oder Deformierbarkeit der Partikel bereitstellen. Hierdurch kann wiederum gerade an Engstellen die Viskosität des thermischen Interface-Materials erniedrigt werden. Dies verbessert die Fließeigenschaften, ohne die Absatzstabilität zu beeinträchtigen. Dies ist gerade für das eingangs beschriebene Injektionsverfahren besonders von Vorteil, kann aber in gleicher Weise auch beim eingangs beschriebenen Verfahren des Verpressens des thermischen Interface-Materials durch Aufsetzen des Batteriemoduls vorteilhaft zum Einsatz kommen.
Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn die Abschnitte durch verschiedene Verästelungen und/oder Äste des Partikels bereitgestellt sind. Das heißt also, auch wenn die Partikel wie oben beschrieben sternförmig oder schneeflockenförmig und insbesondere mit Ästen oder Verästelungen ausgeführt sind, so lässt es sich auf einfache Weise bewerkstelligen, dass diese einzelnen Äste oder Arme eines solchen einzelnen Partikels zueinander einfach deformiert beziehungsweise relativ zueinander bewegt werden können, und zum Beispiel zusammengedrückt oder abgeknickt werden können. Auch können gegebenenfalls einzelne solcher Abschnitte abgebrochen werden. Durch all dies lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass ein Verstopfen von Engstellen vermieden werden kann.
Ob oder um wie viel die einzelnen Abschnitte relativ zueinander biegbar sind oder wann gegebenenfalls Abschnitte abbrechen, kann wiederum vom Druck des thermischen Interface-Materials abhängen. Gerade an Engstellen, zum Beispiel beim eingangs beschriebenen Injektionsverfahren, können lokal sehr hohe Drücke auftreten. Gerade an diesen Engstellen lässt es sich damit vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass die Fließeigenschaften des thermischen Interface-Materials durch das Verbiegen oder Abbrechen der einzelnen Abschnitte der Partikel zumindest lokal und temporär verbessert werden können. Dadurch kann das thermische Interface-Material auch einfach durch solche Engstellen gelangen.
Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Abschnitte des jeweiligen Partikels derart relativ zueinander biegbar oder abbrechbar sind, dass eine Viskosität des thermischen Interface-Materials ab dem bestimmten Druck zumindest lokal und/oder temporär änderbar ist. Der Übergang kann aber auch fließend beziehungsweise kontinuierlich sein. Mit anderen Worten kann sich die Viskosität des thermischen Interface-Materials mit zunehmendem Druck verringern. Dies ist dann wiederum dadurch bedingt, dass sich die einzelnen Abschnitte der jeweiligen Partikel umso mehr relativ zueinander verbiegen, je höher der Druck des thermischen Interface-Materials ist. Gerade bei einem Verbiegen der einzelnen Äste, Verästelungen oder Arme der Partikel ist es zudem denkbar, dass sich die Viskosität wieder erhöht, wenn der Druck vermindert wird. Mit anderen Worten kann dieser Vorgang auch reversibel sein. Die einzelnen Abschnitte eines Partikels können reversibel zueinander verbiegbar sein. Die Partikel sind also in gewisser Weise elastisch deformierbar. Dies hat den großen Vorteil, dass die Partikel auch nach Passieren einer Engstelle wieder in ihre Ausgangsform zumindest näherungsweise zurückkehren können, wodurch auch weiterhin die gute Absetzstabilität gewährleistet wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Partikel als Mikropartikel ausgebildet und weisen jeweils maximale Abmessungen auf, die kleiner sind als ein Millimeter, und insbesondere in einem Bereich von einschließlich 50 µm bis 200 µm liegen. Die Partikel können dabei auch verschieden groß sein. Mit anderen Worten können in der Matrix auch verschieden großen solcher Partikel aufgenommen sein.
Derart kleine Partikel haben den großen Vorteil, dass sie sehr leicht sind, was sich wiederum positiv auf eine hohe Absetzstabilität auswirkt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen thermischen Interface-Material oder einer seiner Ausgestaltungen. Darüber hinaus weist die Batterieanordnung ein Batteriemodul und eine Kühleinrichtung auf, wobei das thermische Interface-Material in einem Zwischenraum zwischen dem Batteriemodul und der Kühleinrichtung angeordnet ist und diesen ausfüllt.
Das thermische Interface-Material befindet sich dabei im ausgehärteten Zustand. Insbesondere kann die Kühleinrichtung dabei auch durch einen Teil eines Batteriegehäuses bereitgestellt sein, zum Beispiel durch einen Gehäuseboden und/oder einen Gehäusedeckel. Die Kühleinrichtung ist darüber hinaus bevorzugt plattenförmig ausgebildet und weist von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle auf. In das Batteriegehäuse können zudem nicht nur ein solches Batteriemodul aufgenommen sein, sondern mehrere Batteriemodule. Ein jeweiliges Batteriemodul kann zum Beispiel mehrere Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Darüber hinaus können auch die Batteriezellen verschiedene Geometrien aufweisen und zum Beispiel als Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouchzellen ausgebildet sein. Zwischen einem jeden Batteriemodul und der, zum Beispiel gemeinsamen, Kühleinrichtung kann das beschriebene thermische Interface-Material in einem entsprechenden Zwischenraum zwischen dem betreffenden Batteriemodul und der Kühleinrichtung angeordnet sein. Durch eine solche Batterieanordnung kann zum Beispiel eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt sein.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung, wobei ein Batteriemodul, eine Kühleinrichtung und ein thermisches Interface-Material bereitgestellt werden, das Batteriemodul relativ zur Kühleinrichtung derart angeordnet wird, dass sich zwischen dem Batteriemodul und der Kühleinrichtung ein Zwischenraum befindet, wobei das thermische Interface-Material im viskosen Zustand in zumindest einen Teil der Batterieanordnung derart eingebracht wird, dass das thermische Interface-Material, wenn das Batteriemodul relativ zur Kühleinrichtung angeordnet wurde, im Zwischenraum angeordnet ist und diesen ausfüllt. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass als das thermische Interface-Material eine viskose Matrix mit darin enthaltenen Partikeln, die eine von einer rein konvexen Oberflächengeometrie verschiedene, zumindest teilweise konkave Oberflächengeometrie aufweisen, eingebracht wird.
Dabei kann das thermische Interface-Material insbesondere in den Zwischenraum eingebracht werden, nachdem das Batteriemodul relativ zur Kühleinrichtung angeordnet wurde oder auch bereits vorher. Beispielsweise kann das thermische Interface-Material dabei auch erst zunächst auf die Kühleinrichtung aufgebracht werden und anschließend erst das Batteriemodul relativ zur Kühleinrichtung angeordnet werden, während hierdurch gleichzeitig das thermische Interface-Material in der Fläche verpresst wird, so dass es letztendlich den beschriebenen Zwischenraum zwischen dem Batteriemodul und der Kühleinrichtung ausfüllt. Die für das thermische Interface-Material und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterieanordnung sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
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.
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.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung während des Herstellungsverfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung während eines weiteren Herstellungsverfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Batterieanordnung, insbesondere des in einem Zwischenraum zwischen Batteriemodul und Kühleinrichtung eingebrachten thermischen Interface-Materials, gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel;
4 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen thermischen Interface-Materials in einem Behälter gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel;
5 eine schematische Darstellung eines thermischen Interface-Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine Detailansicht des mit dem thermischen Interface-Material befüllten Zwischenraums der Batterieanordnung aus 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
8 eine schematische Darstellung eines thermischen Interface-Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Behälter.

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.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 10 während der Herstellung gemäß einem ersten Herstellungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel umfasst die Batterieanordnung ein Batteriemodul 12 und ein Batteriegehäuse 14 zur Aufnahme des Batteriemoduls 12. Dabei kann ein Boden 14a des Batteriegehäuses 14 gleichzeitig auch als Kühleinrichtung 16, sprich als Kühlboden 16, ausgebildet sein. Um entsprechend das Batteriemodul 12 möglichst gut thermisch an diese Kühleinrichtung 16 anzubinden, weist die Batterieanordnung 10 weiterhin ein thermisches Interface-Material 18 auf. Gemäß diesem Beispiel wird das thermische Interface-Material 18 auf die Kühleinrichtung 16 aufgebracht, bevor das Batteriemodul 12 eingesetzt wird. Anschließend wird das Batteriemodul 12 in das Batteriegehäuse 14, das zum Beispiel in Form einer Wanne bereitgestellt sein kann, eingesetzt. Weiterhin wird dabei das Batteriemodul 12 in Richtung des Kühlbodens 16 gepresst. Damit einhergehend verteilt sich das thermische Interface-Material 18 in der Fläche zwischen dem Batteriemodul 12 und dem Kühlboden 16 und füllt damit einen Zwischenraum 20 letztendlich im eingesetzten Zustand des Batteriemoduls 12 vollständig aus.
2 zeigt ein Batteriemodul 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines weiteren Herstellungsverfahrens. Das Batteriemodul 10 kann dabei wie zuvor beschrieben ausgebildet sein und auch die gleichen Komponenten aufweisen, insbesondere bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. In diesem Beispiel wird nun das Batteriemodul 12 zuerst in das Batteriegehäuse 14 eingesetzt und verschraubt. Dabei wird das Batteriemodul 12 derart in Bezug auf die Kühleinrichtung 16 angeordnet, dass der besagte Zwischenraum 20 zwischen dem Batteriemodul 12 und der Kühleinrichtung 16 verbleibt. Diese Kavität, die durch diesen Zwischenraum 20 bereitgestellt ist, wird mittels einer Dichtung 22 abgedichtet. Diese Dichtung kann sich an der Unterseite des Batteriemoduls 12 befinden oder bereits vor dem Einsetzen des Batteriemoduls 12 auf dem Kühlboden 16 aufgebracht worden sein. Anschließend wird durch eine vorgesehene Einfüllöffnung 24, die auch als Injektionsöffnung 24 bezeichnet werden kann, das thermische Interface-Material 18 in die Kavität 20 eingefüllt, bis diese vollständig befüllt ist.
Üblicherweise sind thermische Interface-Materialien so aufgebaut, dass sie eine Matrix mit darin enthaltenen Partikeln umfassen. Die Partikel dienen dabei der Steigerung der thermischen Leitfähigkeit eines solchen thermischen Interface-Materials. Gleichzeitig ist es für die oben beschriebenen Herstellungsverfahren sehr vorteilhaft, wenn solche thermischen Interface-Materialien eine möglichst geringe Viskosität aufweisen, da sie sich dann besonders gleichmäßig im Zwischenraum verteilen lassen. Diese Anforderung an die Viskosität wirkt sich jedoch negativ auf die Wärmeleitfähigkeit herkömmlicher Interface-Materialien aus, da eine niedrige Viskosität aktuell immer mit einer schlechten Absetzstabilität einhergeht. Dies soll anhand von 3 veranschaulicht werden.
3 zeigt dabei eine schematische Darstellung eines Teils einer Batterieanordnung 26 gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel. Auch diese Batterieanordnung 26 umfasst ein Batteriemodul 28, von welchem hier lediglich die Unterseite zu sehen ist, sowie ein Batteriegehäuse 30 mit einem Kühlboden 30a, und eine im Zwischenraum 32 zwischen dem Batteriemodul 28 und dem Kühlboden 30a eingebrachten Wärmeleitmasse 34. Diese Wärmeleitmasse 34 umfasst wiederum kugelförmige Partikel 36 zur Steigerung der thermischen Leitfähigkeit. Befindet sich die Wärmeleitmasse 34 kurz nach dem Eindringen in den Zwischenraum 32 noch im viskosen Zustand, so setzen sich die Partikel 36 sehr schnell ab und sammeln sich im vorliegenden Fall vor allem im Bereich der Injektionsöffnung 38. Dies führt zu einer sehr inhomogenen Wärmeleitfähigkeit innerhalb dieser Wärmeleitmassenschicht.
4 zeigt nochmal eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Wärmeleitmasse 34, wie diese die zur 3 beschrieben wurde, in einem Behälter 40 mit einem dünnen Röhrchen 42. Auch hier soll veranschaulicht werden, dass sich die Partikel 36 der Wärmeleitmasse 34 im Laufe der Zeit, insbesondere so lange die Wärmeleitmasse 34 noch nicht ausgehärtet ist, zu Boden sinken und sich im unteren Bereich des Behälters 40 absetzen. Durch das Röhrchen 42 soll der Kapillareffekt veranschaulicht werden, gemäß welchem die Grundsubstanz der Wärmeleitmasse 34 dieses Röhrchen 42 nach oben steigt. Dies trifft jedoch auf die Partikel 36 nicht zu. Auch dies führt wiederum dazu, dass im Falle von kleinen Öffnungen, Ritzen oder Spalten in einer Batterieanordnung derartige Ritzen oder Spalten lediglich von der Grundsubstanz des Wärmeleitmaterials 34 befüllt werden, nicht jedoch mit den Partikeln 36. Auch dies trägt zu einer zunehmenden Inhomogenisierung der Wärmeleiteigenschaften bei.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines thermischen Interface-Materials 18 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das thermische Interface-Material weist zum einen eine Matrix 44 und in der Matrix aufgenommene Partikel 46 auf. Die Matrix 44 kann dabei wie bei herkömmlichen Wärmeleitmassen ausgestaltet sein. Die Partikel 46 sind jedoch nunmehr gegenüber den herkömmlicherweise verwendeten Partikeln mit einer veränderten Oberflächengeometrie ausgebildet. Insbesondere sind diese Partikel 46 nun vorteilhafterweise nicht mit einer rein konvexen Oberflächengeometrie ausgestaltet, sondern stattdessen mit einer zumindest teilweise konkaven Oberflächengeometrie. In diesem Beispiel sind die Partikel 46 als eine Art kristalline Partikel 46a, das heißt als eine Art sternförmige Partikel 46a, ausgebildet. Diese Struktur lässt sich zum Beispiel dadurch bestreiten, dass die Partikel 46 ein Zentrum Z und mehrere davon abstehende Arme A oder Verästelungen oder Äste, oder im Allgemeinen Abschnitte A aufweisen. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, dass sich die Partikel 46 relativ zueinander verhaken beziehungsweise verkanten, wodurch die Absetzstabilität enorm erhöht werden können. Außerdem können die Partikel 46 so ausgebildet sein, dass sich die Äste A unter Druck einfach verbiegen, reversibel oder irreversibel, oder zum Teil abbrechen. Im Injektionsprozess beispielsweise knicken dann die kristallinen Äste A an verengten Stellen der Kavität um, wodurch die Viskosität gesenkt oder zumindest niedrig gehalten wird. Große Kavitäten können damit in kurzer Prozesszeit gefüllt werden. Dies ist nun nochmal anhand von 6 und 7 und 8 veranschaulicht.
6 zeigt dabei wiederum eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere korrespondiert die Batterieanordnung 10 zu der, wie diese bereits zur 2 beschrieben wurde. Nunmehr ist lediglich das thermische Interface-Material 18 mit den darin enthaltenen kristallinen beziehungsweise sternförmigen Partikeln 46 näher dargestellt. Durch die Sternform beziehungsweise Schneeflockenform kann eine deutlich verbesserte Absetzstabilität der Partikel 46 bereitgestellt werden. Wie zu sehen ist, sammeln sich entsprechend die Partikel 46, wenn sich das thermische Interface-Material 18 im noch viskosen Zustand befindet, schwerkraftbedingt also eben nicht alle am Boden, was durch das gegenseitige Verkanten und Verhaken der Partikel 46 untereinander verhindert wird. Dadurch entstehen in besonders homogener Weise über die komplette Gapfillerschicht hinweg vielzählige Kontaktpunkte unter den einzelnen Partikeln 46, wodurch eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt wird, und die Wärmeleiteigenschaften der Wärmeleitmasse 18 darüber hinaus auch noch besonders homogen über den gesamten mit Wärmeleitmasse befüllten Zwischenraum 20 bereitgestellt sind.
7 zeigt nochmal eine schematische Darstellung dieses mit dem Interface-Material 18 befüllten Zwischenraum der Batterieanordnung 10 aus 6 im Detail. In diesem Beispiel ist nunmehr der Zwischenraum 20 vollständig mit der Wärmeleitmasse 18 beziehungsweise dem thermischen Interface-Material 18 befüllt. Die Partikel 46 sind wie zu sehen ist sehr homogen über den gesamten Zwischenraum 20 verteilt und sammeln sich nicht am Boden und auch nicht im Bereich der Injektionsöffnung 24.
8 zeigt nochmal eine schematische Darstellung des thermischen Interface-Materials 18 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Behälter 40 mit einem Röhrchen 42, analog wie dies zur 4 und der herkömmlichen Wärmeleitmasse beschrieben wurde. Durch die verbesserte Absetzstabilität verteilen sich die Partikel 46 deutlich homogener über die gesamte Wärmeleitmasse 18. Damit können, wenn die Wärmeleitmasse 18 ausgehärtet ist, sehr homogene Wärmeleiteigenschaften über den gesamten Wärmeleitmassenbereich bereitgestellt werden. Bedingt durch den Kapillareffekt steigt zudem in einem dünnen Röhrchen 42 nicht mehr nur die Matrix 44 nach oben, sondern auch die Partikel 46. Dies führt zu einer sehr homogenen Verteilung der Partikel 46, selbst im Falle kleiner Öffnungen, Ritzen oder ähnliches, die ebenfalls dem Kapillareffekt unterliegen. Damit kann die thermische Kopplung eines Batteriemoduls 12 zu einer Kühleinrichtung 16 deutlich verbessert werden.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung kristalline Partikel für Wärmeleitmedien in Hochvolt-Batteriesystemen bereitgestellt werden können. Durch die Schaffung einer kristallinen Partikelstruktur, das heißt, einer schneeflockenartigen, sternförmigen Oberflächenstruktur durch die Optimierung der Partikelform kann die Absetzstabilität erhöht werden. Damit stützen sich die Partikel in einem Behälter oder auch in einem beliebigen Zwischenraum aneinander ab und erhöhen somit die Absetzstabilität des Wärmeleitmediums. Im Injektionsprozess knicken die kristallinen Äste an verengten Stellen der Kavität um, wodurch die Viskosität gesenkt oder zumindest niedrig gehalten wird. Große Kavitäten können damit in kurzer Prozesszeit gefüllt werden. Außerdem hat die gesamte Gapfillerschicht schlussendlich eine konstante beziehungsweise homogene Wärmeleitfähigkeit, was zu einer Performancesicherung führt. Gegebenenfalls kann die Wärmeleitfähigkeit sogar gesteigert werden, was durch die erhöhte Kontaktfläche von den Partikeln zum Batteriemodul ermöglicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019110807 A1 [0003]

Claims

Thermisches Interface-Material (18) zum thermischen Koppeln eines Batteriemoduls (12) und einer Kühleinrichtung (16), wobei das thermische Interface-Material (18) in einem viskosen Zustand bereitstellbar und aushärtbar ist, wobei das thermische Interface-Material (18) eine Matrix (44) und in der Matrix (44) aufgenommene Partikel (46, 46a) aufweist, die eine gegenüber der Matrix (44) höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (46, 46a) eine von einer rein konvexen Oberflächengeometrie verschiedene, zumindest teilweise konkave Oberflächengeometrie aufweisen.
Thermisches Interface-Material (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (46) spanförmig ausgebildet sind.
Thermisches Interface-Material (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (46, 46a) schneeflockenförmig und/oder sternförmig ausgebildet sind und/oder Äste (A) und/oder Verästelungen (A) aufweisen.
Thermisches Interface-Material (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Partikel (46, 46a) so ausgebildet ist, das Abschnitte (A) des Partikels (46, 46a) relativ zueinander biegbar oder abbrechbar sind, insbesondere ab einem bestimmten Druck des thermischen Interface-Materials (18).
Thermisches Interface-Material (18) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (A) des jeweiligen Partikels (46, 46a) derart relativ zueinander biegbar oder abbrechbar sind, dass eine Viskosität des thermischen Interface-Materials (18) ab dem bestimmten Druck zumindest lokal und/oder temporär änderbar ist.
Thermisches Interface-Material (18) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (A) durch verschiedene Verästelungen (A) und/oder Äste (A) des Partikels (46, 46a) bereitgestellt sind.
Thermisches Interface-Material (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (46, 46a) aus einem metallischen Material gebildet sind, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumoxid.
Thermisches Interface-Material (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (46, 46a) als Mikropartikel (46, 46a) ausgebildet sind und jeweils maximale Abmessungen aufweisen, die kleiner sind als 1 mm, und insbesondere in einem Bereich von einschließlich 50 µm bis 200 µm liegen.
Batterieanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug mit einem thermischen Interface-Material (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) ein Batteriemodul (12) und einen Kühleinrichtung (16) aufweist, wobei das thermische Interface-Material (18) in einem Zwischenraum (20) zwischen dem Batteriemodul (12) und der Kühleinrichtung (16) angeordnet ist und diesen ausfüllt.
Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung (10), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Batteriemoduls (12), einer Kühleinrichtung (16) und eines thermischen Interface-Materials (18); - Anordnen des Batteriemoduls (12) relativ zur Kühleinrichtung (16) derart, dass sich zwischen dem Batteriemodul (12) und der Kühleinrichtung (16) ein Zwischenraum (20) befindet; - Einbringen des thermischen Interface-Materials (18) im viskosen Zustand in zumindest einen Teil der Batterieanordnung (10) derart, dass das thermische Interface-Material (18), wenn das Batteriemodul (12) relativ zur Kühleinrichtung (16) angeordnet wurde, im Zwischenraum (20) angeordnet ist und diesen ausfüllt; dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Interface-Material (18) eine viskose Matrix (44) mit darin enthaltenen Partikeln (46, 46a), die eine von einer rein konvexen Oberflächengeometrie verschiedene, zumindest teilweise konkave Oberflächengeometrie aufweisen, eingebracht wird.