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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung eine Trägerplatte und mindestens ein Batteriemodul mit einer das Batteriemodul bezüglich einer ersten Richtung begrenzenden bestimmten Modulseite aufweist, wobei das Batteriemodul derart in Bezug auf die Trägerplatte angeordnet ist, dass die bestimmte Modulseite der Trägerplatte zugewandt ist, und wobei die Batterieanordnung eine Wärmeleitmattenanordnung mit einer Wärmeleitmatte aufweist, die zwischen der Trägerplatte und der bestimmten Modulseite angeordnet ist.
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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 ein Thermal-Interface-Material („TIM“) zum Einsatz. Dabei handelt es sich klassischerweise um viskose Gapfiller, das heißt viskose Spaltfüller. Aber auch so genannte Gappads beziehungsweise Wärmeleitmatte sind denkbar. Die TIMs sollten idealerweise vielfältige Funktionen vereinen: Neben der Hauptanforderung der Wärmeleitfähigkeit zur Abfuhr von Wärmeenergie aus den Batteriemodulen sollten die TIMs auch fähig sein, gewisse Spalttoleranzen ausgleichen zu können. Hierfür ist eine definierte Kompressibilität von Vorteil.
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Die
DE 10 2021 002 803 A1 beschreibt eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, die ein Batteriegehäuse und wenigstens ein Zellmodul aufweist, welches auf einer Bodenplatte des Batteriegehäuses angeordnet ist. Das wenigstens eine Zellmodul umfasst ein Zellmodulgehäuse und eine Mehrzahl von in dem Zellmodulgehäuse angeordneten Batteriezellen. Ein Boden des Zellmodulgehäuses ist mittels einer Klebemasse mit der Bodenplatte des Batteriegehäuses verbunden. Das Zellmodulgehäuse ist mittels eines weiteren Klebstoffs mit einer Seitenwand des Batteriegehäuses verbunden. Hierbei weist der weitere Klebstoff eine höhere Scherfestigkeit auf als die zwischen dem Boden und der Bodenplatte angeordnete Klebemasse. Dadurch kann bei einer erforderlichen Demontage das Zellmodulgehäuse leichter vom Batteriegehäuse getrennt werden.
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Nichts desto weniger erschwert die Verwendung von viskosen und auszuhärtenden TIMs die Demontage von Batteriemodulen.
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Ein weiteres Thema, was im Zusammenhang mit Hochvolt-Batterien von Relevanz ist, ist die Abführung von Gasen aus der Batterie im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle. Derartige Ventinggase sollten idealerweise so aus dem Batteriegehäuse abgeführt werden, dass diese sich nicht im Batteriegehäuse verteilen können und gegebenenfalls in Kontakt mit den Zellpolen gelangen können, da diese hierdurch Kurzschlüsse verursachen können. Eine sichere und effiziente Ausgestaltung eines solchen Gasabführpfads wäre daher ebenfalls wünschenswert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterieanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die einerseits eine möglichst einfache und effiziente thermische Anbindung eines Batteriemoduls an eine Trägerplatte erlauben und andererseits auch für ein möglichst hohes Maß an Sicherheit im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle sorgen können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhaft Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug weist eine Trägerplatte und mindestens ein Batteriemodul mit einer das Batteriemodul bezüglich einer ersten Richtung begrenzenden bestimmten Modulseite auf, wobei das Batteriemodul derart in Bezug auf die Trägerplatte angeordnet ist, dass die bestimmte Modulseite der Trägerplatte zugewandt ist. Weiterhin umfasst die Batterieanordnung eine Wärmeleitmattenanordnung mit einer Wärmeleitmatte, die zwischen der Trägerplatte und der bestimmten Modulseite angeordnet ist. Dabei weist die Wärmeleitmattenanordnung mindestens eine auf der Wärmeleitmatte angeordnete Dichtspur zur Abdichtung der bestimmten Modulseite gegenüber der Trägerplatte auf.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle die so aus der Batteriezelle austretenden Ventinggase in Richtung der Trägerplatte und insbesondere auch durch diese hindurch aus der Batterieanordnung heraus abzuführen. Die Trägerplatte, die im Folgenden zum Teil auch einfach als Träger bezeichnet wird, kann dabei beispielsweise als Boden eines Batteriegehäuses bereitgestellt sein. Damit ist der Weg, über den ein solches Ventinggas aus dem Batteriegehäuse heraus abgeführt wird, vorteilhafterweise äußerst kurz. Um dabei gleichzeitig sicherstellen zu können, dass ein solches aus einer Zelle austretendes Ventinggas nicht in andere Bereiche des Batteriegehäuses gelangen kann, weist nunmehr vorteilhafterweise die zwischen der bestimmten Modulseite und der Trägerplatte angeordnete Wärmeleitmatte gleichzeitig eine Dichtspur auf. Dies beruht wiederum auf der Erkenntnis, dass herkömmliche Wärmeleitmatten, ohne diese mit den angrenzenden Kontaktseiten, nämlich der bestimmten Modulseite und der Trägerplatte, verkleben zu müssen, keine sonderlich guten Dichteigenschaften aufweisen. Durch das Vorsehen einer zusätzlichen Dichtspur kann die Wärmeleitmattenanordnung dagegen vorteilhafterweise mit sehr guten Dichteigenschaften versehen werden. Dadurch kann wiederum erreicht werden, dass aus einer Zelle austretendes Ventinggas nicht in andere Bereiche des Batteriegehäuses durch die Wärmeleitmatte hindurch gelangen kann, sozusagen senkrecht zur ersten Richtung und damit senkrecht zur eigentlichen Abführrichtung des Ventinggases. Dadurch kann die Sicherheit im Zusammenhang mit einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle deutlich gesteigert werden.
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Gleichzeitig erlaubt es die Verwendung einer Wärmeleitmatte, die insbesondere nicht mit den angrenzenden Komponenten verklebt werden muss, dass die Batterieanordnung bei Bedarf, zum Beispiel im Reparaturfall oder ähnliches, wieder einfach demontiert werden kann. Somit können also vorteilhafterweise die Vorteile von Wärmeleitmatten gegenüber viskosen thermischen Interface-Materialien genutzt werden, um durch die vorgesehene Dichtspur gleichzeitig eine sehr gute dichtende Funktion durch die Wärmeleitmatte bereitgestellt werden beziehungsweise durch die Wärmeleitmattenanordnung, so dass die Sicherheit im Falle eines thermischen Events gesteigert werden kann, da hierdurch eine deutlich verbesserte Abführung von Ventinggasen ermöglicht wird.
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Bei einer Wärmeleitmatte handelt es sich im Allgemeinen um ein nicht viskoses Bauteil, insbesondere im Gegensatz zu einer viskosen Wärmeleitmasse, die auch als Gapfiller bezeichnet wird. Die Wärmeleitmatte wird also in fester Form bereitgestellt und auch in fester Form bei der Herstellung der Batterieanordnung zwischen Trägerplatte und dem Batteriemodul eingebracht. Die Wärmeleitmatte ist weiterhin zumindest zum Teil kompressibel ausgebildet, zumindest bezüglich einer Druckeinwirkung oder Krafteinwirkung in oder entgegen der ersten Richtung. Dadurch kann die Wärmeleitmatte kleine Höhentoleranzen in der ersten Richtung zwischen der Trägerplatte und dem Batteriemodul sehr gut ausgleichen. Die Wärmeleitmatte kann dabei unter Beibehaltung ihres Gesamtvolumens komprimierbar ausgebildet werden. Bei Druckeinwirkung auf eine lokale Stelle der Wärmeleitmatte wird so ein bestimmtes Volumen der Wärmeleitmatte zu einer anderen Richtung hin verdrängt. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Wärmeleitmatte so ausgebildet ist, dass sich ihr Volumen im Falle einer lokalen Kompression der Wärmeleitmatte verringert. Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitmatte aus einem Schaummaterial ausgebildet oder umfasst ein Schaummaterial. Das Schaummaterial kann zum Beispiel als ein Kunststoffschaum bereitgestellt sein. Insbesondere kann der Schaum dabei als ein offenporiger Schaum ausgebildet sein oder auch als ein geschlossenporiger Schaum ausgebildet sein. Ein geschlossenporiger Schaum hat dabei eine bessere Dichtwirkung gegenüber den entweichenden Gasen im Schadfall. Die Wärmeleitmatte kann darüber hinaus auch mit einer wärmeleitenden Schicht und/oder einer wärmeleitenden Folie ausgebildet sein. Diese kann mit der Schaumschicht verwoben sein, um eine verbesserte Wärmeleitung in beziehungsweise entgegen der ersten Richtung zu ermöglichen. Eine solche wärmeleitende Schicht und/oder Folie kann zum Beispiel durch eine Graphitschicht bereitgestellt sein. Weiterhin kann die Wärmeleitmatte zum Beispiel mit einer Dicke bezüglich der ersten Richtung von 1 bis 5 Millimeter ausgebildet sein. Dies ist besonders vorteilhaft, um die typischerweise in der ersten Richtung auftretenden Höhentoleranzen auszugleichen.
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Unter einer Dichtspur soll dabei eine linienförmige Dichtung aus einem ausgehärteten beziehungsweise aushärtbaren Dichtmaterial verstanden werden, welches zumindest zum Teil elastisch komprimierbar ist. Eine solche Dichtspur kann hinsichtlich ihres geometrischen Verlaufs beliebig ausgebildet sein. Die Dichtspur kann dabei auf der Seite der Wärmeleitmatte angeordnet sein, die der bestimmten Modulseite zugewandt ist und/oder auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmeleitmatte, die dem Träger zugewandt ist. Auch kann beidseitig auf der Wärmeleitmatte eine solche Dichtspur angeordnet sein, insbesondere bezüglich der ersten Richtung direkt übereinander oder auch versetzt zueinander, wobei zum Bereitstellen der abdichtenden Funktion eine einseitige Aufbringung einer solchen Dichtspur ausreichend ist. Das für die Dichtspur verwendete Dichtmaterial kann zum Beispiel ein PU (Polyurethan)-Schaum und/oder ein Silikon sein oder ein beliebig anderes dichtendes Material. Bei der Herstellung der Wärmeleitmattenanordnung kann ein solches Dichtmaterial zur Bildung der Dichtspur direkt auf eine Seite der Wärmeleitmatte appliziert werden und dort aushärten. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Wärmeleitmattenanordnung. Zur Erhöhung der Dichtfunktion können auch mehrere parallel zueinander verlaufende Dichtspuren vorgesehen sein. Um durch eine solche Dichtspur die Wärmeabfuhr nicht übermäßig zu beeinträchtigen, ist es bevorzugt, die Anzahl an Dichtspuren möglichst gering zu halten, zum Beispiel nur eine oder zwei, insbesondere geschlossene, Dichtspuren vorzusehen.
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Die Trägerplatte kann beispielsweise gleichzeitig als eine Kühleinrichtung ausgebildet sein. Eine solche Kühleinrichtung kann beispielsweise mit von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanälen ausgebildet sein. Daher ist es sehr vorteilhaft, das Batteriemodul thermisch gut an die Trägerplatte anzubinden, da so eine besonders effiziente Wärmeabfuhr an die Kühleinrichtung bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus kann die Trägerplatte gleichzeitig auch als Boden eines Batteriegehäuses bereitgestellt sein, oder je nach Anordnung in einem Kraftfahrzeug auch als Deckel eines solchen Batteriegehäuses. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung befindet sich die Trägerplatte bezüglich der Fahrzeughochachse bei einer bestimmungsgemäßen Anordnung der Batterieanordnung in einem Kraftfahrzeug unterhalb des Batteriemoduls und fungiert dabei gleichzeitig als Gehäuseboden. Die Batterieanordnung kann also auch ein Batteriegehäuse aufweisen, dessen Boden durch die Trägerplatte bereitgestellt ist. In einem solchen Batteriegehäuse können zudem nicht nur ein Batteriemodul, sondern auch mehrere Batteriemodule angeordnet sein. Jedes der Batteriemodule umfasst mindestens eine Batteriezelle und vorzugsweise mehr als nur eine Batteriezelle, insbesondere vielzählige Batteriezellen. Diese können im Allgemeinen als prismatische Zellen, Pouchzellen oder Rundzellen ausgebildet sein. Zudem können die Batteriezellen zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Die Batteriezellen können zum Beispiel derart zu einem Batteriemodul zusammengefasst sein, dass mehrere Batteriezellen in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die Stapelrichtung kann dann entsprechend senkrecht zur ersten Richtung ausgerichtet sein. Die Batteriezellen eines Batteriemoduls können zudem in einem Modulgehäuse aufgenommen sein. Dieses kann zum Beispiel als die Zellen umlaufender Spannrahmen ausgebildet sein. Die bestimmte Modulseite wird dabei jedoch zumindest teilweise durch entsprechende Unterseiten der vom Batteriemodul umfassten Batteriezellen bereitgestellt. Dies ist besonders vorteilhaft, da so ein aus einer Zelle austretenden Ventinggas sehr einfach aus dem Batteriemodul entweichen kann, ohne durch eine Modulgehäusekomponente daran gehindert zu werden. Die Batterieanordnung kann im Übrigen als eine Hochvolt-Batterie ausgestaltet sein. Bezüglich einer bevorzugten Einbaulage im Kraftfahrzeug stellt die bestimmte Modulseite eine Unterseite des Batteriemoduls dar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Dichtspur so ausgestaltet, dass ein erster Bereich zwischen der Trägerplatte und der bestimmten Modulseite gegenüber einem zweiten Bereich in der Umgebung des Batteriemoduls, das sich nicht zwischen der bestimmten Modulseite und der Trägerplatte befindet, abgedichtet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da so zum Beispiel die Zellpole der mindestens einen Batteriezelle des Batteriemoduls in diesem zweiten Bereich oder zumindest an diesen zweiten Bereich angrenzend angeordnet sein können. Die Ableitung der Gase aus einer thermisch durchgehenden Zelle kann dagegen über den ersten Bereich erfolgen. Dadurch dass die Dichtspur nunmehr den ersten Bereich gegenüber dem zweiten Bereich abdichtet, können diese Gase nicht in die Umgebung des Batteriemoduls gelangen und somit zum Beispiel auch nicht in Kontakt mit den Zellpolen oder Zellverbindern gelangen. Die Wahrscheinlichkeit für ein thermisches Durchgehen weiterer Zellen kann dadurch vermindert werden. Eine thermische Entkopplung der Zellen untereinander lässt sich hierdurch ebenfalls einfacher realisieren. Ein thermisches Durchgehen weiterer Zellen durch Kurzschlüsse, die durch das Ventinggas, welches mit Zellpolen in Kontakt tritt, verursacht sind, kann dabei ebenso verhindert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmeleitmattenanordnung weder mit dem Träger noch mit dem Batteriemodul mittels einer Klebung, insbesondere weder mit dem Träger noch mit dem Batteriemodul materialschlüssig, verbunden. Mit anderen Worten soll die Wärmeleitmattenanordnung weder mit dem Träger, das heißt der Trägerplatte, verklebt sein, noch mit dem Batteriemodul, noch über irgendeine andere materialschlüssige Verbindung verbunden sein. Dies ermöglicht eine deutlich einfachere Demontage, zum Beispiel im Reparaturfall. Beispielsweise kann die Wärmeleitmattenanordnung einfach auf den Träger aufgelegt und dann das Batteriemodul daraufgesetzt, und zum Beispiel mit dem Träger verschraubt werden. Dadurch wird eine gewisse Anpresskraft des Batteriemoduls gegen den Träger erreicht, der gleichzeitig auch eine sichere Abdichtung durch die zwischen dem Träger und der bestimmten Modulseite befindliche Dichtspur ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die die Dichtspur als eine den ersten Bereich geschlossen umlaufende Dichtspur ausgebildet. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle werden die aus dieser Batteriezelle austretenden Ventinggase bevorzugt durch den ersten Bereich hindurch aus dem Batteriegehäuse hinausgeführt. Dadurch dass der erste Bereich von der Dichtspur geschlossen umlaufen ist, können die abzuführenden Ventinggase sicher davon abgehalten werden, in den oben definierten zweiten Bereich zu gelangen. Dies ermöglicht also ein sicheres Abführen der Gase aus dem Batteriegehäuse.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Dichtspur entlang eines Randbereichs der bestimmten Modulseite verlaufend ausgebildet. Die Dichtspur kann dabei den Randbereich der bestimmten Modulseite geschlossen umlaufen. Die Anordnung der Dichtspur im Randbereich der bestimmten Modulseite ist dabei besonders vorteilhaft, da sich die Dichtspur dabei bezüglich der ersten Richtung unterhalb der Seitenwände des Batteriemoduls befindet. Diese weisen bezüglich einer Krafteinwirkung in oder entgegen z-Richtung eine deutlich höhere Stabilität auf als zum Beispiel die Batteriezellen im Bereich ihrer Zellböden. Damit kann das Batteriemodul beim Zusammenbau beziehungsweise bei der Herstellung der Batterieanordnung mit deutlich höheren Kräften gegen die Trägerplatte gedrückt werden, ohne Gefahr zu laufen, dass die Dichtspur die bestimmte Modulseite beschädigt. Durch höhere Anpressdrücke kann sich wiederum eine verbesserte Dichtfunktion bereitstellen lassen. Grundsätzlich sind aber auch andere Positionen für die Dichtspur denkbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Batteriezelle eine erste Seite auf, die zumindest einen Teil der bestimmten Modulseite bereitstellt, wobei die mindestens eine Batteriezelle eine freigebbare Zellentgasungsöffnung aufweist, die an der ersten Seite der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, wobei der erste Bereich nur einen Teil des Zwischenraums zwischen der bestimmten Modulseite und dem Träger umfasst, wobei die Zellentgasungsöffnung an den ersten Bereich angrenzt. Der erste Bereich des Zwischenraums zwischen der bestimmten Modulseite und dem Träger kann zum Beispiel als der Bereich definiert sein, der direkt an die freigebbare Zellentgasungsöffnung der Batteriezelle beziehungsweise aller freigebbaren Zellentgasungsöffnungen von allen vom Batteriemodul umfassten Batteriezellen angrenzt. Der erste Bereich erstreckt sich sozusagen unterhalb des Batteriemoduls in Längsrichtung des Batteriemoduls, das heißt in Stapelrichtung der nebeneinander gestapelten Batteriezellen. Dabei erstreckt sich der erste Bereich über alle Zellentgasungsöffnungen dieser in der Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen des Batteriemoduls hinweg. Die Anordnung der freigebbaren Zellentgasungsöffnungen auf den jeweiligen ersten Seiten der Batteriezellen, die also der Trägerplatte zugewandt ist, ist dabei besonders vorteilhaft, da sich der Entgasungspfad aus dem Batteriegehäuse hinaus besonders kurz gestaltet, und zudem die Gase von der Fahrgastzelle weg aus dem Batteriegehäuse herausgeleitet werden können. Die Einleitung der Gase in einen Bereich unterhalb der durch die Trägerplatte bereitgestellten Kühleinrichtung ist zudem vorteilhaft, um dies zur Abkühlung der Gase zu nutzen und zur thermischen Entkopplung von den übrigen Zellen. Durch die vorgesehene Wärmeleitmattenanordnung kann hierdurch zudem sichergestellt werden, dass die durch den ersten Bereich hindurchgeleiteten Gase dabei nicht in den zweiten Bereich gelangen können, da diese beiden Bereiche durch die Dichtspur sicher voneinander separiert sind und zueinander abgedichtet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Dichtspur an den ersten Bereich angrenzend und diesen geschlossen umlaufend ausgebildet. Der erste Bereich soll dabei wie oben definiert nur einen Teilbereich des Zwischenraums zwischen der bestimmten Modulseite und der Trägerplatte umfassen, und zwar den Bereich, an den die Zellentgasungsöffnungen angrenzen. In diesem Beispiel verläuft die Dichtspur entsprechend sehr nahe an den Zellentgasungsöffnungen. Auch dies ermöglicht ein zuverlässiges Abdichten des ersten Bereichs gegenüber des oben definierten zweiten Bereichs. Grundsätzlich kann zwischen diesen beiden möglichen Verläufen der Dichtspur, nämlich direkt an den ersten Bereich angrenzend oder im Randbereich der bestimmten Modulseite verlaufend, auch jede beliebige Zwischenposition für den Verlauf der Dichtspur vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmeleitmatte einen ersten Wärmeleitmattenbereich und einen zweiten Wärmeleitmattenbereich auf, die durch einen Freiraum in einer zweiten Richtung voneinander beabstandet sind, wobei der erste Bereich den Freiraum umfasst. Die zweite Richtung kann dabei senkrecht zur ersten Richtung ausgerichtet sein, und insbesondere auch senkrecht zur oben definierten Stapelrichtung. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann also direkt unterhalb der Zellentgasungsöffnungen ein Freibereich beziehungsweise Freiraum in der Wärmeleitmatte vorgesehen sein. Dieser Freiraum gliedert sozusagen die Wärmeleitmatte in zwei Wärmeleitmattenbereiche bezüglich der definierten zweiten Richtung. Die beiden Wärmeleitmattenbereiche können aber auch durch zwei separate Wärmeleitmatten bereitgestellt sein. Dieser Freiraum erleichtert den Gasdurchtritt des aus einer thermisch durchgehenden Zelle aus der betreffenden Zellentgasungsöffnung austretenden Gases.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmeleitmatte eine den Freiraum überdeckende Schutzfolie auf. Dadurch kann im Nichtentgasungsfall die freigebbare Zellentgasungsöffnung zusätzlich vor Schmutz oder Verunreinigung geschützt werden. Dabei kann sich die Schutzfolie bezüglich der zweiten Richtung nur über an den Freiraum angrenzende Randbereiche des ersten und zweiten Wärmeleitmattenbereichs erstrecken oder über den gesamten ersten und zweiten Wärmeleitmattenbereich. Mit anderen Worten kann die Schutzfolie beispielsweise nur lokal vorgesehen sein, um gerade den Freiraum und die unmittelbar angrenzenden Randbereiche der Wärmeleitmattenbereiche zu überdecken, sie kann sich aber auch großflächig über die gesamte Wärmeleitmatte erstrecken und dabei also den gesamten ersten und zweiten Wärmeleitmattenbereich überdecken. Die zweite Variante ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Wärmeleitmatte oder deren Bereiche selbst nicht oder zumindest nicht vollständig elektrisch isolierend ausgebildet sind. Dann kann die Schutzfolie, die bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, insbesondere aus einem Kunststoff, zusätzlich eine elektrische Isolierung bereitgestellt werden. Die Schutzfolie ist dabei bezüglich der ersten Richtung im Allgemeinen deutlich dünner ausgestaltet als die Wärmeleitmatte. Die Folie kann zum Beispiel aus PE (Polyethylen) oder PET (Polyethylenterephtalat) ausgebildet sein oder aus einem beliebigen anderen Kunststoffmaterial.
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Weiterhin ist die Folie bevorzugt mit Bersteigenschaften, z.B. einer Sollbruchstelle, im Bereich des von der Schutzfolie überdeckten Freiraums ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Folie so ausgebildet, dass diese im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle und im Falle eines Austretens von Ventinggasen aus der Batteriezelle birst, um dadurch den Weg für das Ventinggas durch die Folie in beziehungsweise entgegen der ersten Richtung freizugeben. Diese Bersteigenschaften können einfach durch eine geringe Dicke der Folie in der ersten Richtung bereitgestellt werden oder optional auch durch eine gezielte Schwächung der Folie in dem den Freiraum überdeckenden Bereich der Folie. Eine solche gezielte Schwächung kann in Form einer Ritzung, Perforation, Materialschwächung oder ähnliches bereitgestellt sein. Auch die darunterliegende Trägerplatte kann mit einer entsprechenden Schwächung ausgebildet sein, um den Durchtritt von Ventinggasen zu erleichtern.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei eine Trägerplatte, mindestens ein Batteriemodul mit einer das Batteriemodul bezüglich einer ersten Richtung begrenzenden bestimmten Modulseite, und eine Wärmeleitmattenanordnung mit einer Wärmeleitmatte bereitgestellt werden, und der Träger, das Batteriemodul und die Wärmeleitmattenanordnung derart zueinander angeordnet werden, dass die bestimmte Modulseite der Trägerplatte zugewandt ist und die Wärmeleitmatte zwischen der Trägerplatte und der bestimmten Modulseite angeordnet ist. Dabei wird die bestimmte Modulseite gegenüber der Trägerplatte mittels einer auf der Wärmeleitmatte angeordneten Dichtspur abgedichtet.
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Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen 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 einer Wärmeleitmattenanordnung unter Aufbringung der Dichtspur auf eine Wärmeleitmatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnitts- und Explosionsdarstellung einer Batterieanordnung mit einer Wärmeleitmattenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine Batterieanordnung mit einem durchsichtig dargestellten Batteriemodul 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 Wärmeleitmattenanordnung 10 für eine Batteriemodulanordnung 12 (vgl. 3) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere veranschaulicht 1 dabei die Aufbringung einer Dichtspur 14 auf eine von der Wärmeleitmattenanordnung 10 umfassten Wärmeleitmatte 16. In diesem Beispiel ist die Wärmeleitmatte 16 durch eine Kombination einer kompressiblen, insbesondere elastisch komprimierbaren Schaumschicht 16a aus einem Kunststoffschaum und einer thermisch gut leitfähigen Graphitfolie 16b bereitgestellt. Die Graphitfolie 16b ist dabei mit der Schaumschicht 16a verwoben. Damit sind Abschnitte der Schaumschicht 16a und der Graphitfolie 16b in ihrem jeweiligen Verlauf in y-Richtung abwechselnd oben und unten liegend bezogen auf die dargestellte z-Richtung. Die Schaumschicht 16a und die Graphitfolie 16b verlaufen somit in y-Richtung komplementär wellenförmig. Dies erlaubt es, Wärme besonders effizient in oder entgegen z-Richtung abzuführen.
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Die Wärmeleitmatte 16 kann im Allgemeinen eine Dicke von 1 Millimeter bis 5 Millimeter aufweisen. Weiterhin ist die Matte 16 wie beschrieben zu einem gewissen Maß kompressibel. Weiterhin kann das Schaummaterial, das heißt die genannte Schaumschicht 16a, auch selbst die Wärmeleitung übernehmen. Dann muss entsprechend keine zusätzliche wärmeleitende Folie 16b eingearbeitet sein. Alternativ kann aber auch wie vorliegend dargestellt, in das Schaummaterial 16a eine solche wärmeleitende Schicht 16b beziehungsweise eine wärmeleitende Folie 16b wie in diesem Beispiel die Graphitfolie 16b mit eingearbeitet sein.
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In zukünftigen Fahrzeuggenerationen werden zudem immer höhere Anforderungen an eine abdichtende Funktion gestellt: Durch die so genannte Thermal Propagation im Schadensfall kommt es zu einem Gasaustritt aus der schadhaften Batteriezelle. Dieser Gasaustritt soll idealerweise gezielt in so genannte Vents beziehungsweise Berstelemente geleitet werden, um dort gezielt austreten zu können. Bisherige, herkömmliche Wärmeleitmatten weisen, insbesondere im Vergleich zu einer verklebten Gapfillerschicht, keine ausgeprägten Dichteigenschaften aufgrund einer fehlenden Dichtfunktion auf. Das Mattenmaterial wird nicht mit den Wärmepartnern verklebt. Ebenso ist das Wärmeleitmattenmaterial zum so genannte Berstelement ein separates Montagebauteil. Dichtfunktion und Überdruck „Venting“ sind zwei separate Einzelteile, die es zu montieren gilt. Somit können die Vorteile von Wärmeleitmattenmaterialien bislang nicht ausgeschöpft werden, besonders dann, wenn eine abdichtende Funktion in Kombination mit einer solchen Ventingfunktion gefordert wird.
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Die Erfindung beziehungsweise ihre Ausführungsformen ermöglicht es nun vorteilhafterweise, auch eine solche abdichtende Funktion in die Wärmeleitmattenanordnung 10 zu integrieren, insbesondere durch das Vorsehen der bereits erwähnten Dichtspur 14. Um also eine solche Wärmeleitmatte 16 mit einer dichtenden Funktion auszustatten, ist es vorgesehen, zum Beispiel am umlaufenden Rand 18 im äußeren Bereich, das heißt im äußeren Randbereich 18 der Wärmeleitmatte 16, oder auch an einem inneren umlaufenden Rand, wie später näher erläutert, bei einem freigestellten Bereich der Wärmeleitmatte 16 eine Dichtlippe zur Bildung der Dichtspur 14 anzudrucken und/oder anzuspritzen. Das Material der Dichtung beziehungsweise Dichtlippe 14 wird dabei bevorzugt direkt auf die Wärmeleitmatte 16 appliziert und kann dort aushärten. Exemplarisch ist in 1 eine solche Applikationseinrichtung 20 veranschaulicht, mittels welcher das viskose Dichtmaterial auf die Wärmeleitmatte 16 appliziert werden kann. Außerdem ist in 1 links nochmal ein Teil der Wärmeleitmattenanordnung 10 mit der Dichtspur 14 in einem Randbereich einer Ecke der Wärmeleitmattenanordnung vergrößert dargestellt. Für die Dichtung beziehungsweise Dichtlippe 14 sind gängige Materialien wie ein PU-Schaum oder ein Silikon denkbar.
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2 zeigt weiterhin eine schematische Querschnitts- und Explosionsdarstellung einer Batterieanordnung 12 mit einer Wärmeleitmattenanordnung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Wärmeleitmattenanordnung 10 kann dabei insbesondere wie zuvor beschrieben ausgebildet sein. Diese weist also auch hier eine Wärmeleitmatte 16 mit einer im Randbereich 18 angeordneten umlaufenden und geschlossen Dichtspur 14 auf. In diesem Beispiel ist die Wärmeleitmatte 16 zudem in einen ersten Wärmeleitmattenbereich 22 und einen zweiten Wärmeleitmattenbereich 24 separiert, die durch einen Freibereich 26 in beziehungsweise entgegen x-Richtung voneinander getrennt sind. Die Wärmeleitmattenanordnung 10 kommt dabei derart in einem Batteriemodul 34 zur Anwendung, dass dieser Freibereich 26 bezüglich der dargestellten z-Richtung direkt unterhalb einer freigebbaren Zellentgasungsöffnung 28 einer Batteriezelle 32 liegt, wie in 2 für den über der Wärmeleitmattenanordnung 10 dargestellten Teil einer Batteriezelle 32 illustriert. Der von der Wärmeleitmatte 16 freigestellte Bereich 26, der von einer Berstmembranfolie 30 abgedeckt ist, die vorliegend auch als Schutzfolie 30 bezeichnet wird, kommt über dem Gaskanal zum Liegen, in den die freigebbaren Entgasungsöffnungen 28 der Zellen 32 münden. Da die Wärmeleitmatte 16 nur durch Kompression an Ort und Stelle gehalten wird - mit dichtender und wärmeleitender Funktion - ist der Montageprozess im Nacharbeitsfall reversibel.
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Im bestimmungsgemäß auf der Wärmeleitmattenanordnung 10 angeordneten Zustand der Batteriezelle 32 kontaktiert die Unterseite 32a der Batteriezelle 32, insbesondere die Unterseite 34a des gesamten Moduls 34 die Dichtung 14 und komprimiert diese in z-Richtung und kontaktiert entsprechend auch die nicht von der Dichtung 14 bedeckten Bereiche der Wärmeleitmatte 16, die dadurch ebenfalls zumindest zum Teil komprimiert werden kann, um Höhentoleranzen in z-Richtung auszugleichen. Durch das Vorsehen des Freibereichs 26 wird der Austritt des Ventinggases erleichtert.
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Zum Schutz der freigebbaren Zellentgasungsöffnung 28 ist nun vorteilhafterweise noch die erwähnte Schutzfolie 30 als Teil der Wärmeleitmattenanordnung 10 vorgesehen, die diesen Freibereich 26 überdeckend an der Wärmeleitmatte 16, insbesondere den jeweiligen Wärmeleitmattenbereichen 22, 24 angeordnet ist. In diesem Beispiel erstreckt sich die Schutzfolie 30 nur über einen an den Freibereich 26 angrenzenden Randbereich 22', 24' der jeweiligen Wärmeleitmattenbereiche 22, 24. Denkbar wäre es jedoch auch, dass sich die Folie 30 über die gesamten ersten und zweiten Wärmeleitmattenbereiche 22, 24 und insbesondere über die gesamte Wärmeleitmatte 16 erstreckt. Dies ist sehr vorteilhaft, da durch die Folie 30 eine zusätzlich isolierende Funktion bereitgestellt werden kann. Gerade wenn die Wärmeleitmatte 16 nicht vollständig elektrisch isolierend ausgebildet ist, kann diese elektrisch isolierende Funktion durch die Schutzfolie 30 bereitgestellt werden. Die Folie 30 weist zudem bevorzugt durch die eingestellten Materialeigenschaften beziehungsweise der vorliegenden Dicke der Folie 30 in z-Richtung oder wahlweise einer gezielten Schwächung der Folie 30 die gewünschten Überdruckbersteigenschaften auf. Dadurch kann erreicht werden, dass die Folie im Falle eines Gasaustritts aus einer Zelle birst.
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Bei einem entstehenden Überdruck wird der Druck von den Dichtlippen 14 zum Rand hin abgedichtet. Der Druck entweicht durch das berstende Berstmembran 30 in den unteren Bereich des Gaskanals im Unterboden. Bezüglich der z-Richtung unterhalb der Wärmeleitmatte 16 ist zudem ein Träger 35 beziehungsweise eine Trägerplatte 35 z.B. in Form einer Kühlplatte angeordnet. Auch diese kann im Bereich des Freibereichs 26 eine gezielte Schwächung oder Durchbrechung aufweisen. Durch die Dichtspruch 14 wird weiterhin ein erster Bereich 38 zwischen der Modulunterseite 34a und diesem unterhalb der Wärmeleitmattenanordnung 10 angeordneten Träger 35 gegenüber einem zweiten Bereich 40 in der Umgebung des Moduls 34, der sich nicht zwischen dem Modul 34 und dem Träger 35 befindet, abgedichtet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 12 in einer Draufsicht von oben mit durchsichtig dargestellten Batteriezellen 32 als Teil eines Batteriemoduls 34. Die Zellen 32 sind entsprechend gestrichelt dargestellt. Jede dieser Zellen 32 weist zudem wie bereits beschrieben eine freigebbare Zellentgasungsöffnung 28 auf. Diese kann eine Berstmembran in einem Zellgehäuse der jeweiligen Zelle 32 darstellen. Die Zellen 32 sind dabei derart in Bezug auf die Wärmeleitmattenanordnung 10 angeordnet, dass die jeweiligen Zellentgasungsöffnungen 28 der Wärmeleitmattenanordnung 10 zugewandt sind und insbesondere bezüglich der z-Richtung direkt über dem optional von der Schutzfolie 30 überdeckten Freibereich 26 angeordnet sind. Die Geometrie der Wärmeleitmatte 16 beziehungsweise der Wärmeleitmattenanordnung 10 kann dabei auf die Geometrie des Batteriemoduls 34 angepasst sein, insbesondere was die Länge und Breite in x- und y-Richtung betrifft. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine gemeinsame große Wärmeleitmattenanordnung 10 für mehrere solcher Batteriemodule 34 gleichzeitig vorgesehen ist. Dann ist auf der Wärmeleitmattenanordnung 10 beziehungsweise auf der Wärmeleitmatte 16 eine entsprechende Dichtkontur beziehungsweise Dichtspur 14 pro Batteriemodul 34 vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel ist die Dichtspur 14 wiederum einerseits so ausgebildet, dass diese den Randbereich 18 der Wärmeleitmatte 16 vollständig umläuft beziehungsweise im Randbereich 18 der Wärmeleitmatte 16 vollständig umlaufend ausgebildet ist. Der Randbereich 18 korrespondiert dabei zu einem Randbereich des Batteriemoduls 34. Mit anderen Worten verläuft so die Dichtspur 14 im Randbereich 36 des Batteriemoduls 34. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass die Dichtspur 14 an den Freibereich 26 angrenzt und diesen Freibereich 26 geschlossen umlaufend ausgebildet ist.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Dichtlippe für Wärmeleitmatten mit integrierter Berstmembran für die Stopp-Thermal-Propagation-Anforderung bereitgestellt wird. Durch die neuartige Wärmeleitmatte beziehungsweise Wärmeleitmattenanordnung mit Dichtfunktion und insbesondere mit integrierter Berstmembran, werden zahlreiche Prozess- und Produktunwägbarkeiten eliminiert: Zum einen erhalten Wärmeleitmattenmaterialien die vorteilhafte Eigenschaft einer abdichtenden Funktion, was bisher noch nicht der Fall war. Zusätzlich kann die integrierte Funktion der Berstmembran zusätzliche Montageteile ersetzen. Weiterhin ist eine einfache Qualitätssicherung möglich, da sich einerseits die Dichtung direkt am Montagebauteil befindet und andererseits sich die Berstmembran direkt am Montagebauteil befindet. Außerdem ist eine einfache Montage der Wärmeleitmatte möglich, da sich die Dichtung bereits an der Matte selbst befindet, was zudem ein einfaches Händling ermöglicht, da dies ein untrennbares Bauteil bereitstellt. Ermöglicht wird zudem ein reversibler Montageprozess, und ein nachhaltiges Bauteildesign im Bereich der Wärmeleitmattenmaterialien. Außerdem wird auch eine Kostenoptimierung durch Verwendung von funktionsintegrierten Bauteilen ermöglicht. Die neuartige Wärmeleitmatte, das heißt die Wärmeleitmattenanordnung, mit Dichtfunktion mit integrierter Berstmembran wird im Montageprozess zwischen Modulunterseite und Wannenboden, der als Trägerplatte bezeichnet wurde, eingelegt. Dabei ist die Mattengröße bevorzugt auf die Modulgröße angepasst. Durch den Montageprozess wird die Wärmeleitmatte und auch insbesondere die umlaufende Dichtung komprimiert und übernimmt dadurch dichtende und wärmeleitende Aufgaben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021002803 A1 [0003]
