WO2020200470A1 - Verfahren zum herstellen einer thermischen schnittstelle in einer batterie für ein kraftfahrzeug und batterie für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer thermischen schnittstelle in einer batterie für ein kraftfahrzeug und batterie für ein kraftfahrzeug Download PDF

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WO2020200470A1
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battery module
conducting material
transfer surface
battery
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Stefan Seidl
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Lisa Dräxlmaier GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a thermal
  • thermal interface materials or gap fillers that is to say very generally heat conducting materials
  • Batteries for motor vehicles usually include several battery modules in which several battery cells are often combined. Battery modules of this type are received by receiving structures, for example in the form of battery frames or the like. Such receiving structures can have heat transfer surfaces, for example in the form of partition plates as an intermediate layer, cooling plates, other cooling structures or, in general, heat sinks, via which excess heat is to be dissipated from the battery cells and thus from the battery modules to a cooling system of the battery. Due to manufacturing tolerances, there are different shapes and positions of bulkhead plates in batteries, for example,
  • heat-conducting material is associated with a high use of material and thus high costs. In addition, this also represents a waste of resources and thus leads to a poor environmental balance.
  • heat-conducting materials have a density of mostly more than 2 g / cm 3 , so they have a relatively high weight that the motor vehicle in question must carry over its service life, which has a correspondingly negative effect on the energy balance of the motor vehicle.
  • the battery module can, for example, have one or more battery cells that are electrically conductively connected to one another, e.g. on a lithium-ion basis. Other cell technologies are of course also possible.
  • the battery can be, for example, a high-voltage battery for an electrically driven motor vehicle.
  • the receiving structure can be, for example, a battery frame or the like.
  • the heat transfer surface can be, for example, a bulkhead plate, a cooling plate or some other cooling structure or, quite generally, a heat sink.
  • a heat conducting material is applied to the heat transfer surface and / or the
  • Battery module side applied according to a specified dosage.
  • the heat conducting material is used to fill a gap between the heat transfer surface and the battery module side that is present in the intended installation position and can be accommodated in the receiving area of the receiving structure.
  • the battery module is assembled while pressing the applied heat-conducting material, after which the pressed heat-conducting material fills the gap and forms the thermal interface between the battery module side and the heat transfer surface.
  • At least one recess is in the
  • the recess serves as a reservoir for excess heat-conducting material when the heat-conducting material is pressed.
  • the battery module side can be, for example, a housing part of the battery module.
  • Thermally conductive material therefore serves as a so-called gap filler or thermal interface material.
  • Pressing the heat-conducting material as a reservoir for excess heat-conducting material serves.
  • the fact that an arrangement and the volume of the at least one recess are adapted or specified to the specified dosage of the heat-conducting material means that an excessive increase in force when pressing the applied heat-conducting material can be avoided with only a minimal influence on the degree of wetting with regard to the heat-conducting material.
  • the recess is made relatively narrow, so that a lot of the
  • Heat transfer surface is also available for the actual heat transfer.
  • the at least one depression or also several of the depressions can be provided so that particularly short flow paths for respective flow fronts of the
  • Thermally conductive material can be ensured during the pressing. Due to the short flow paths, which are maintained at least until the heat transfer surface is completely wetted, it can be ensured that during
  • Thermal conductive materials used in battery systems which serve as gap fillers, are usually quite viscous due to a relatively high filler content for heat conduction and are therefore difficult to compress. For example, when pressing a
  • Form of application for the heat-conducting material can be selected, which is a favorable initial
  • Distribution of the heat conducting material for example, guaranteed on the heat transfer surface. As long as the thermally conductive material is not yet used during pressing
  • the heat-conducting material can usually still be pressed with relatively little force, but if the heat-conducting material is pressed over the entire surface, the flow fronts between the battery module side and the heat transfer surface converge and are extinguished thus mutually exclusive. In that case, only very long flow paths would remain for the heat conducting material to the outside, so that a very high force would have to be applied for further pressing. Because the at least one recess is provided, which serves as a reservoir for excess heat-conducting material, this mentioned increase in force can be largely prevented.
  • the invention is based, in particular, on the knowledge that as soon as the heat-conducting material is pressed, it completely fills the space between the battery module side and the heat-transfer surface before the intended installation position is reached, the force required to achieve the intended installation position, i.e. the force still to be applied to continue pressing the heat-conducting material , increases very sharply. In terms of process technology, this can hardly be influenced. Also different application images with regard to the application of the heat conducting material and Different setting speeds, at least in the technically relevant area, only have an influence on the development of force as long as the heat-conducting material flows, i.e.
  • the at least one recess according to the invention, when the applied heat-conducting material is pressed, it is possible to prevent excessive forces from occurring, for example on the battery module side and / or the battery module, until the intended installation position of the battery module is reached
  • the metered amount is specified in such a way that, with maximum utilization of a tolerance range relating to a gap volume, the gap is completely filled by the heat-conducting material after it has been pressed.
  • the tolerance range with regard to the gap volume can result, for example, from dimensional tolerances and positional tolerances in the case of individual components of the battery, especially the battery module and the receiving structure.
  • the dosing amount is specified in such a way that it is at least so high that, given the maximum possible gap volume of the gap, it is after the pressing of the
  • Thermally conductive material is completely filled by this. Owing to
  • Manufacturing tolerances, positional tolerances and the like can namely occur and also be allowed for the heat transfer surface and / or the battery module side to have certain undulations, for example, and certain positional tolerances exist with regard to connection points and the like.
  • the dosing amount can be specified, for example, so that even with the maximum possible gap height and thus with the maximum possible gap volume of the gap, this after the pressing of the
  • Thermally conductive material is completely filled by this. It can also be provided that the dosing amount is specified with a certain excess amount, so that even with maximum utilization of the tolerance range regarding the gap volume, the gap is completely filled by the gap after the compression of the heat-conducting material and also part of the heat-conducting material in the at least one as a reservoir serving well flows. In this way it can be ensured in any case that the best possible degree of wetting of the heat transfer surface and the battery module side is achieved.
  • Another possible embodiment of the invention provides that the arrangement of the recess is specified in a manner coordinated with a specified application pattern of the heat-conducting material. In this way, particularly short flow paths can be ensured when the heat-conducting material is pressed with respect to the respective flow fronts of the heat-conducting material. This can ensure that the lowest possible forces when
  • the application image provides several lines of the heat-conducting material running next to one another, several of the depressions being produced as grooves running parallel next to the lines provided.
  • the depressions can be produced in the form of grooves or the like.
  • the grooves or the grooves can be designed in such a way that venting to the outside is also possible via these during the pressing of the heat-conducting material. This can prevent air inclusions from remaining inside the heat-conducting material, which would otherwise increase the thermal resistance in the thermal interface produced.
  • the application image provides several parallel lines or beads of the heat-conducting material, in which case the depressions are provided so that they always alternate with the linear application image in the intended installation position of the battery module.
  • the depressions are provided so that they always alternate with the linear application image in the intended installation position of the battery module.
  • the application image provides several juxtaposed points of the heat-conducting material, with several of the depressions being produced as depressions between the intended points.
  • the application image it is also possible for the application image to provide a kind of point grid for the heat-conducting material. Said depressions, which are designed as depressions, can then be provided in the respective intermediate spaces of the grid of points can.
  • An alternating arrangement of said troughs and points of the heat-conducting material also ensures short flow fronts with the advantages already mentioned above.
  • the heat transfer surface can, for example, belong to a cooling plate, which can be part of the receiving structure.
  • the cooling plate can be produced, for example, in the form of an extruded aluminum profile.
  • Individual cooling channels of the cooling plate can thus be produced very easily, and the at least one recess in the receiving area can also be produced very easily.
  • an alternative possible embodiment of the invention provides that the at least one depression is produced by means of an embossing process.
  • an embossing process For example, it is possible that at least part of the receiving structure and / or the battery module side is produced by deep drawing. During the deep-drawing process or a subsequent process, said embossing process can be provided around the at least one depression
  • the recess in the battery module side is produced in such a way that it protrudes into at least one intermediate space between adjacent cells of the battery module.
  • the battery module side can, for example, be part of a separate housing module which surrounds said cells, which in turn can have their own cell housing. It is also possible for the respective cell housing of the neighboring cells to be part of the
  • the battery module to have a type of open structure which comprises at least the one recess that is in a
  • the at least one depression can also be implemented very easily on the battery module side.
  • cell interstices that are already present can be used effectively to provide said reservoir or additional volume for the absorption of excess heat-conducting material.
  • Another possible embodiment of the invention provides that the at least one depression is deeper than wide and / or deeper than long. As a result, very little area is lost for heat transfer and at the same time enough can be done
  • the width and / or length of the recess can be selected so that it is adapted to the viscosity of the
  • Thermally conductive material this can flow or be pressed into the recess without a significant increase in pressure. It is also possible for the depression, starting from an opening through which the heat-conducting material can flow into the depression, to widen as the depth of the depression increases. This can make a particularly large
  • the opening through which the heat-conducting material can flow into the depression could also be designed in the shape of a drop. In this case, too, a good ratio is achieved between the volume of the depression and the area still available for heat transfer. It is also possible that a specific ratio is specified between the area of the heat transfer surface and the volume of the at least one depression or also the total volume of all depressions (if there are several).
  • the battery according to the invention for a motor vehicle comprises at least one battery module and at least one receiving structure with a heat transfer surface
  • the battery comprises a heat conducting material, which fills a gap between the heat transfer surface and the battery module side and a thermal interface between the
  • the receiving area and / or the battery module side has at least one as a reservoir for excess
  • the method according to the invention can also be embodiments or embodiments resulting therefrom in the case of the battery.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a detail from a battery for a motor vehicle with a battery module arranged on a receiving structure, a heat conducting material serving as a thermal interface material or as a gap filler being arranged between the battery module and the receiving structure;
  • Fig. 2 is a schematic representation showing the pressing of the between the
  • Battery module and the receiving structure arranged heat conducting material shows, as a result of which the receiving structure bends;
  • Fig. 3 shows a further schematic representation of the process of pressing the
  • Thermally conductive material wherein a plurality of recesses are provided within the receiving structure, which serve as a reservoir for receiving excess thermal conductive material.
  • a battery 10 for a motor vehicle is partially in a schematic
  • the battery 10 can have several battery modules 12, only one of the battery modules 12 being shown schematically in the present case.
  • the battery 10 can have several battery modules 12, only one of the battery modules 12 being shown schematically in the present case.
  • Battery modules 12 can, for example, comprise several lithium-ion cells which are interconnected and which are arranged in a housing of the battery module 12 (not shown in detail). Furthermore, a heat transfer surface 14 can be seen which belongs to a receiving structure, not designated in any more detail here, for receiving the battery module 12.
  • the heat transfer surface 14 can be, for example, a bulkhead or a housing side with a heat sink or
  • the heat-conducting material 18 is a thermal interface material or a so-called gap filler.
  • the heat conducting material 18 serves to ensure the best possible thermal connection and thus heat transfer from the battery module 12 to the heat transfer surface 14. For this, it is important, among other things, that the said gap between the bottom 16 of the battery module 12 and the
  • Heat transfer surface 14 is filled as possible free of air inclusions.
  • Tolerance range 20 with regard to a shape of the underside 16 of the battery module 12 is shown schematically here.
  • a tolerance range 22 with regard to a shape of the heat transfer surface 14 is likewise indicated schematically.
  • connection points 24, 26 on the underside 16 of the battery module 12 and in the area of the heat transfer surface 14 are indicated schematically.
  • Connection points 24, 26 are also permitted certain tolerance ranges 28, 30.
  • Fig. 2 is a compression of the heat conducting material 18, which is between the
  • Battery module 12 and the heat transfer surface 14 is shown in a schematic sectional view.
  • the heat transfer surface 14 can belong to a cooling plate (not designated in more detail), which has a plurality of cooling channels 40.
  • heat conducting material 18 was applied to the heat transfer surface 14 in the form of several lines or beads.
  • the battery module 12 is then pushed or pressed in the direction of the heat transfer surface 14.
  • the heat-conducting material 18 is also pressed, which can be seen in this schematic illustration from the fact that the initially circular lines or beads, according to which the heat-conducting material 18 was initially applied, are first pressed flat and then flow together to form a cohesive mass.
  • Heat transfer surface 14 belongs, can deform.
  • the deformation or deformation of the heat transfer surface 14 is only shown schematically here.
  • a disadvantage of such a deformation is that the heat-conducting material 18 does not have a uniform thickness after the battery module 12 has been placed. That works negatively on the removal of excess heat from the battery module 12, in particular from cells contained in the battery module 12 in the direction of the heat transfer surface 14.
  • FIG. 3 a pressing of the applied heat-conducting material 18 is again shown schematically.
  • the aforementioned receiving structure 42 has now been provided with a reference symbol for the first time.
  • the receiving structure 42 comprises said
  • the receiving area 44 comprises the previously mentioned heat transfer surface 14
  • Receiving area 44 several depressions 46 have been produced. These depressions 46 serve as a reservoir for excess heat-conducting material, which can be left over when the heat-conducting material 18, which is again applied linearly here, is pressed.
  • the receiving structure 42 can comprise a cooling plate (not designated in more detail), which is indicated schematically with the aid of a plurality of cooling channels 40. For the sake of clarity, not all cooling channels 40 have been provided with reference symbols.
  • the heat conducting material 18 is in accordance with a predetermined dosage
  • the heat-conducting material 18 is applied linearly in the present case in the form of several beads running parallel to one another, which according to the present illustration extend into the image plane.
  • the individual depressions 46 are designed in the form of grooves or grooves, which also extend into the plane of the drawing.
  • gap height 34 which is then associated with the corresponding metering volume 36, 38.
  • a gap 48 between the heat transfer surface 14 and the underside 16 of the battery module 12 can be different.
  • Dosing amount with regard to the heat conducting material 18 is specified so that even with maximum utilization of the tolerance ranges 20, 22, 28, 30 and a corresponding maximum gap volume of the gap 48, this after the pressing of the Thermally conductive material 18 is completely filled by this.
  • Depressions 46 take place - as can be seen here - matched to a predetermined one
  • the application image provides several lines of the heat-conducting material 18 running next to one another, several of the recesses 46 being produced as grooves running parallel to the lines provided.
  • the cooling channels 40 and also the depressions 46 can be produced, for example, in the course of an extrusion process.
  • the battery module 12 is mounted by pressing the applied heat-conducting material 18 onto the battery module 12 by exerting a corresponding force.
  • the battery module 12 is therefore moved in the direction of the heat transfer surface 14.
  • the individual lines or beads of the heat-conducting material 18 are pressed together. As a result, the individual lines or beads of the heat-conducting material 18 flow into one another and when the battery module 12 is further pressed or moved in the direction of
  • the arrangement of the depressions 46 is selected so as to be coordinated with the selected application pattern of the heat-conducting material 18.
  • the application image shown in FIG. 3 with the multiple lines of the heat-conducting material 18 running next to one another is to be understood purely as an example.
  • the arrangement of the recesses 46 and the shape of the recesses 46 are also possible.
  • the application image provides several juxtaposed points of the heat-conducting material 18, with several of the recesses 46 between the intended points - different from the present illustration - made as troughs and not as continuous strands, grooves or the like.
  • Thermally conductive material 18 can be applied linearly or in a caterpillar shape as well as punctiformly. If all or some of the depressions 46 are made trough-shaped, they can be made, for example, by means of an embossing process. This can be particularly useful if at least part of the receiving structure 42 is produced by deep drawing.
  • depressions 46 are produced on the underside 16 of the battery module 12. This can take place as an alternative or in addition to the depressions 46 in the receiving area 44.
  • Such depressions 46 on the underside 16 can for example be produced in such a way that they are in at least one intermediate space between adjacent cells of the
  • Battery module 12 protrude. In this case, too, it is possible to keep the forces occurring when pressing the heat-conducting material 18 low and to reduce them considerably in comparison to the case shown in FIG. 2.
  • the depressions 46 By appropriately arranging the depressions 46 in a favorable manner, a sharp increase in setting forces when the heat-conducting material 18 is pressed can be prevented. In addition, uncontrolled leakage and distribution of the heat-conducting material 18 can be prevented. In addition, depending on the design, the depressions 46 can also be added contribute to the fact that trapped air can escape during the compression of the heat-conducting material 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer thermischen Schnittstelle in einer Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte: Bereitstellen wenigstens eines Batteriemoduls (12) und wenigstens einer Aufnahmestruktur (42) mit einem eine Wärmeübertragungsfläche (14) aufweisenden Aufnahmebereich (44) zum Aufnehmen einer Batteriemodulseite (16) des Batteriemoduls (12) in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage; Aufbringen eines Wärmeleitmaterials (18) auf die Wärmeübertragungsfläche (14) und/oder die Batteriemodulseite (16) entsprechend einer vorgegebenen Dosiermenge, welches zum Ausfüllen eines in der bestimmungsgemäßen Einbaulage vorhandenen Spalts (48) zwischen der Wärmeübertragungsfläche (14) und der Batteriemodulseite (16) dient; Montieren des Batteriemoduls (12) unter Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials (18), wonach das verpresste Wärmeleitmaterial (18) den Spalt (48) ausfüllt und die thermische Schnittstelle zwischen der Batteriemodulseite (16) und der Wärmeübertragungsfläche (14) bildet; wobei vor dem Aufbringen des Wärmeleitmaterials (18) wenigstens eine Vertiefung (46) im Aufnahmebereich (44) und/oder in der Batteriemodulseite (16) mit einem auf die vorgegebene Dosiermenge des Wärmeleitmaterials (18) abgestimmten Volumen hergestellt wird, die beim Verpressen des Wärmeleitmaterials (18) als Reservoir für überschüssiges Wärmeleitmaterial (18) dient. Zudem betrifft die Erfindung eine Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug.

Description

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER THERMISCHEN SCHNITTSTELLE IN EINER BATTERIE FÜR EIN KRAFTFAHRZEUG UND BATTERIE FÜR EIN KRAFTFAHRZEUG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer thermischen
Schnittstelle in einer Batterie für ein Kraftfahrzeug sowie eine Batterie für ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
In Batteriesystemen von Kraftfahrzeugen werden üblicherweise sogenannte thermische Interface-Materialien bzw. Gapfiller, ganz allgemein also Wärmeleitmaterialen, zur
Wärmeabfuhr und zum Toleranzausgleich bei vorhandenen Spalten verwendet. Um den Wärmeübergang bei sämtlichen Toleranzlagen sicherzustellen, erfolgt die Dosierung solcher Wärmeleitmaterialen in der Regel auf das maximal mögliche Spaltmaß und damit meistens auf einen relativ hohen Überfüllgrad bezüglich einer Nominal- und vor allem einer
Minimaltoleranz.
Üblicherweise umfassen Batterien für Kraftfahrzeuge mehrere Batteriemodule, in denen oftmals mehrere Batteriezellen zusammengefasst sind. Derartige Batteriemodule werden von Aufnahmestrukturen, beispielsweise in Form von Batterierahmen oder dergleichen aufgenommen. Solche Aufnahmestrukturen können Wärmeübertragungsflächen, beispielsweise in Form von Schottplatten als Zwischenschicht, Kühlplatten, anderweitige Kühlstrukturen oder ganz allgemein Wärmesenken, aufweisen, über welche überschüssige Wärme von den Batteriezellen und somit von den Batteriemodulen zu einem Kühlsystem der Batterie abgeführt werden soll. Aufgrund von Fertigungstoleranzen ergeben sich bei Batterien beispielsweise unterschiedliche Formen und Lagen von Schottplatten,
Batterierahmen, Unterseiten von Batteriemodulen und unterschiedliche Positionen von Anbindungspunkten an Batterierahmen und Batteriemodulen. Dadurch, dass oftmals ein gewisser Überfüllgrad an Wärmeleitmaterial, also in Form von thermischem Interface-Material oder Gapfiller, in Kauf genommen wird, können teilweise sehr hohe Kräfte beim Montieren, vor allem beim Setzen, der Batteriemodule auftreten, wenn diese das bereits aufgetragene Wärmeleitmaterial verpressen und verdrängen. Zudem kann es auch passieren, dass sehr lange Prozesszeiten in Kauf genommen werden müssen, da das Verpressen des bereits aufgetragenen Wärmeleitmaterials nur sehr langsam möglich ist, um die dabei auftretenden Kräfte gering zu halten und die Strukturen, insbesondere die betreffenden Batteriemodule und Aufnahmestrukturen für Batteriemodule, nicht zu beschädigen. Bei einer zu geringen Befüllung mit Wärmeleitmaterial, also wenn der zu befüllende Spalt nicht ausreichend mit dem Wärmeleitmaterial ausgefüllt wurde, bestünde das Risiko einer sehr schlechten thermischen Performance des zugehörigen Kühlsystems. Eine Unterdosierung mit Wärmeleitmaterial ist also ebenfalls unvorteilhaft.
Weiterhin ist die Überfüllung mit Wärmeleitmaterial mit einem hohen Materialeinsatz und damit hohen Kosten verbunden. Außerdem stellt dies auch eine Ressourcenverschwendung dar und führt so zu einer schlechten Umweltbilanz. Zudem weisen üblicherweise eingesetzte Wärmeleitmaterialien eine Dichte von zumeist mehr als 2 g/cm3 auf, haben also ein relativ hohes Gewicht, welches das betreffende Kraftfahrzeug über seine Lebensdauer mittragen muss, was sich entsprechend negativ auf die Energiebilanz des Kraftfahrzeugs auswirkt.
Beschreibung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher wenigstens eine thermische Schnittstelle in einer Batterie für ein Kraftfahrzeug möglichst effektiv hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer thermischen Schnittstelle in einer Batterie für ein Kraftfahrzeug sowie durch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer thermischen Schnittstelle in einer Batterie für ein Kraftfahrzeug werden wenigstens ein Batteriemodul und wenigstens eine Aufnahmestruktur mit einem eine Wärmeübertragungsfläche aufweisenden
Aufnahmebereich zum Aufnehmen einer Batteriemodulseite des Batteriemoduls in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage bereitgestellt. Das Batteriemodul kann beispielsweise eine oder auch mehrere miteinander elektrisch leitend verbundene Batteriezellen aufweisen, z.B. auf Lithium-Ionen-Basis. Andere Zelltechnologien sind natürlich ebenfalls möglich. Bei der Batterie kann es sich beispielsweise um eine Hochvolt-Batterie für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug handeln. Bei der Aufnahmestruktur kann es sich zum Beispiel um einen Batterierahmen oder dergleichen handeln. Bei der Wärmeübertragungsfläche kann es sich beispielsweise um eine Schottplatte, eine Kühlplatte oder auch um eine anderweitige Kühlstruktur oder ganz allgemein um eine Wärmesenke handeln.
Ein Wärmeleitmaterial wird auf die Wärmeübertragungsfläche und/oder die
Batteriemodulseite entsprechend einer vorgegebenen Dosiermenge aufgebracht. Das Wärmeleitmaterial dient zum Ausfüllen eines in der bestimmungsgemäßen Einbaulage vorhandenen Spalts zwischen der Wärmeübertragungsfläche und der Batteriemodulseite, die im Aufnahmebereich der Aufnahmestruktur aufgenommen werden kann. Das Batteriemodul wird unter Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials montiert, wonach das verpresste Wärmeleitmaterial den Spalt ausfüllt und die thermische Schnittstelle zwischen der Batteriemodulseite und der Wärmeübertragungsfläche bildet.
Vor dem Aufbringen des Wärmeleitmaterials wird wenigstens eine Vertiefung im
Aufnahmebereich und/oder in der Batteriemodulseite mit einem auf die vorgegebene Dosiermenge des Wärmeleitmaterials abgestimmten Volumen hergestellt, wobei die
Vertiefung beim Verpressen des Wärmeleitmaterials als Reservoir für überschüssiges Wärmeleitmaterial dient. Vor dem Aufbringen kann zum Beispiel bedeuten, dass die
Vertiefung gleich bei der Herstellung des Aufnahmebereichs und/oder der Batteriemodulseite hergestellt wird. Genauso gut ist es aber auch möglich, dass besagte Vertiefung bzw.
besagte Vertiefungen auch nachträglich noch hergestellt werden. Bei der Batteriemodulseite kann es sich zum Beispiel um ein Gehäuseteil des Batteriemoduls handeln. Das
Wärmeleitmaterial dient also als sogenannter Gapfiller bzw. thermisches Interface-Material.
Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass besagte Vertiefung im
Aufnahmebereich und/oder in der Batteriemodulseite vorgesehen wird, welche beim
Verpressen des Wärmeleitmaterials als Reservoir für überschüssiges Wärmeleitmaterial dient. Dadurch, dass eine Anordnung und das Volumen der wenigstens einen Vertiefung auf die vorgegebene Dosiermenge des Wärmeleitmaterials angepasst erfolgt bzw. vorgegeben wird, kann bei einem nur minimalen Einfluss auf einen Benetzungsgrad hinsichtlich des Wärmeleitmaterials ein überhöhter Kraftanstieg beim Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials vermieden werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Vertiefung relativ schmal ausgebildet wird, sodass besonders viel der
Wärmeübertragungsfläche auch zur eigentlichen Wärmeübertragung bereitsteht.
Vor allem kann die wenigstens eine Vertiefung oder auch mehrere der Vertiefungen so vorgesehen werden, dass besonders kurze Fließwege für jeweilige Fließfronten des
Wärmeleitmaterials während des Verpressens sichergestellt werden können. Durch die kurzen Fließwege, die zumindest bis zum Erreichen der vollständigen Benetzung der Wärmeübertragungsfläche erhalten bleiben, kann sichergestellt werden, dass beim
Verpressen keine übermäßig hohen Kräfte auftreten. Sofern der eigentliche Spalt zwischen der Wärmeübertragungsfläche und der Batteriemodulseite schon vollständig durch das Wärmeleitmaterial ausgefüllt wurde, kann überschüssiges Wärmeleitmaterial einfach in die zumindest eine Vertiefung ausweichen bzw. in diese fließen, welche als Reservoir für das überschüssige Wärmeleitmaterial dient. Ein starker Kraftanstieg, welcher normalerweise aus einer Überfüllung des Spalts resultieren würde, kann also vermieden werden. Zudem kann die Vertiefung auch so hergestellt werden, dass durch diese bzw. über diese Luft kontrolliert nach außen geleitet werden kann, sodass Lufteinschlüsse innerhalb des Wärmeleitmaterials verhindert werden können.
Durch das Vorsehen der wenigstens einen Vertiefung, welche als Reservoir für
überschüssiges Wärmeleitmaterial dient, kann also ein starker Anstieg sogenannter Setzkräfte, speziell bei großflächigen Anwendungen, beim Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials vermieden werden. Zudem kann auch verhindert werden, dass das Wärmeleitmaterial während des Verpressens unkontrolliert an bestimmten Stellen der Batterie austritt bzw. sich unkontrolliert verteilt. Zudem ist es wie erwähnt auch möglich, Lufteinschlüsse innerhalb des Wärmeleitmaterials zu verhindern. Aufwendige Messsysteme mit beispielsweise einem toleranzgeregelten Auftragsverfahren, bei welchen beispielsweise das Spaltmaß vorher vermessen wird, können entfallen. Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass bei Batterien bzw.
Batteriesystemen eingesetzte Wärmeleitmaterialien, welche als Gapfiller dienen, in der Regel aufgrund eines relativ hohen Füllstoffgehaltes zur Wärmeleitung recht zähflüssig und daher schwierig zu verpressen sind. Beispielsweise kann beim Verpressen eine
Auftragsform beim Wärmeleitmaterial gewählt werden, welche eine günstige initiale
Verteilung des Wärmeleitmaterials beispielsweise auf der Wärmeübertragungsfläche gewährleistet. Solange das Wärmeleitmaterial beim Verpressen noch nicht
zusammengeflossen ist und somit eine relativ große Anzahl von Fließfronten vorhanden ist, lässt sich das Wärmeleitmaterial in der Regel noch mit verhältnismäßig wenig Kraft verpressen, wird im weiteren Verlauf jedoch das Wärmeleitmaterial vollflächig verpresst, laufen die Fließfronten zwischen der Batteriemodulseite und der Wärmeübertragungsfläche zusammen und löschen sich damit gegenseitig aus. In dem Fall würden nur sehr lange Fließwege für das Wärmeleitmaterial nach außen bleiben, sodass zum weiteren Verpressen eine sehr hohe Kraft aufgebracht werden müsste. Dadurch, dass die wenigstens eine Vertiefung vorgesehen wird, welche als ein Reservoir für überschüssiges Wärmeleitmaterial dient, kann dieser erwähnte Kraftanstieg weitestgehend verhindert werden.
Auch bei großflächigen Anwendungen hinsichtlich der Wärmeübertragungsfläche und der Batteriemodulseite kann also das Auftreten von Kräften beim Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials verhindert werden, welche ansonsten zu Schäden an der Batteriestruktur führen könnten, beispielsweise an einzelnen Batteriezellen oder auch an einer Kühlung. Somit können beim erfindungsgemäßen Verfahren auch Deformationen, beispielsweise Durchbiegungen in einem mittleren Bereich der Wärmeübertragungsfläche, was eine inhomogene Schichtdicke beim Wärmeleitmaterial zur Folge hätte, vermieden werden.
Dadurch kann der thermische Widerstand bei der thermischen Schnittstelle geringgehalten werden.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass sobald beim Verpressen des Wärmeleitmaterials dieses den Zwischenraum zwischen der Batteriemodulseite und der Wärmeübertragungsfläche noch vor Erreichen der bestimmungsgemäßen Einbaulage vollständig ausfüllt, die Kraft zum Erreichen der bestimmungsgemäßen Einbaulage, also die noch aufzubringende Kraft zum weiteren Verpressen des Wärmeleitmaterials, sehr stark zunimmt. Verfahrenstechnisch kann darauf kaum Einfluss genommen werden. Auch unterschiedliche Auftragsbilder im Hinblick auf den Auftrag des Wärmeleitmaterials und unterschiedliche Setz-Geschwindigkeiten, zumindest im technisch relevanten Bereich, zeigen nur einen Einfluss auf die Kraftentwicklung solange das Wärmeleitmaterial fließt, das heißt, solange durch das gewählte Auftragsbild noch Fließfronten ausgebildet sind, nicht aber beim Auftreten einer Überfüllung des Bereichs zwischen der Wärmeübertragungsfläche und der Batteriemodulseite. Auch der Einfluss der Temperaturen zeigt keinen signifikanten Einfluss, obwohl höhere Temperaturen zu einer niedrigeren Viskosität und dadurch zu einer besseren Fließfähigkeit des als Gapfiller dienenden Wärmeleitmaterials führen.
Insbesondere durch das erfindungsgemäße Vorsehen der wenigstens einen Vertiefung ist es also möglich, beim Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials zu verhindern, dass bis zum Erreichen der bestimmungsgemäßen Einbaulage des Batteriemoduls keine zu hohen Kräfte auftreten, welche beispielsweise die Batteriemodulseite und/oder die
Wärmeübertragungsfläche deformieren würden.
Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Dosiermenge so vorgegeben wird, dass bei maximaler Ausnutzung eines Toleranzbereichs betreffend ein Spaltvolumen des Spalts dieser nach dem Verpressen des Wärmeleitmaterials vollständig von diesem ausgefüllt wird. Der Toleranzbereich betreffend das Spaltvolumen kann sich beispielsweise durch Maßtoleranzen und Lagetoleranzen bei einzelnen Komponenten der Batterie, vor allem beim Batteriemodul und der Aufnahmestruktur, ergeben. Mit anderen Worten wird die Dosiermenge also so vorgegeben, dass diese zumindest so hoch ist, dass bei maximal möglichem Spaltvolumen des Spalts dieser nach dem Verpressen des
Wärmeleitmaterials vollständig von diesem ausgefüllt wird. Aufgrund von
Fertigungstoleranzen, Lagetoleranzen und dergleichen kann es nämlich Vorkommen und auch erlaubt sein, dass die Wärmeübertragungsfläche und/oder die Batteriemodulseite beispielsweise gewisse Welligkeiten aufweisen, gewisse Lagetoleranzen vorhanden sind hinsichtlich Anbindungspunkten und dergleichen. Die Dosiermenge kann beispielsweise so vorgegeben werden, dass selbst bei der maximal möglichen Spalthöhe und somit bei maximal möglichen Spaltvolumen des Spalts dieser nach dem Verpressen des
Wärmeleitmaterials vollständig von diesem ausgefüllt wird. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Dosiermenge mit einer gewissen Übermenge vorgegeben wird, sodass auch bei maximaler Ausnutzung des Toleranzbereichs betreffend das Spaltvolumens des Spalts dieser nach dem Verpressen des Wärmeleitmaterials vollständig von diesem ausgefüllt wird und zudem noch ein Teil des Wärmeleitmaterials in die zumindest eine als Reservoir dienende Vertiefung fließt. Dadurch kann in jedem Fall sichergestellt werden, dass ein möglichst guter Benetzungsgrad der Wärmeübertragungsfläche und der Batteriemodulseite realisiert wird.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Anordnung der Vertiefung abgestimmt auf ein vorgegebenes Auftragsbild des Wärmeleitmaterials vorgegeben wird. Dadurch können besonders kurze Fließwege beim Verpressen des Wärmeleitmaterials hinsichtlich jeweiliger Fließfronten des Wärmeleitmaterials sichergestellt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass möglichst geringe Kräfte beim
Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials bis zum Erreichen der
bestimmungsgemäßen Einbaulage des Batteriemoduls auftreten.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Auftragsbild mehrere nebeneinander verlaufende Linien des Wärmeleitmaterials vorsieht, wobei mehrere der Vertiefungen als parallel neben den vorgesehenen Linien verlaufende Nuten hergestellt werden. Mit anderen Worten ist es also möglich, dass die Vertiefungen in Form von Rillen oder dergleichen hergestellt werden. Die Nuten bzw. die Rillen können so ausgebildet sein, dass über diese auch noch eine Entlüftung während des Verpressens des Wärmeleitmaterials nach außen hin möglich ist. Dadurch kann verhindert werden, dass Lufteinschlüsse innerhalb des Wärmeleitmaterials enthalten bleiben, die ansonsten den thermischen Widerstand in der hergestellten thermischen Schnittstelle erhöhen würden. Beispielsweise ist es möglich, dass das Auftragsbild mehrere parallel nebeneinander verlaufende Linien bzw. Raupen des Wärmeleitmaterials vorsieht, wobei in dem Fall die Vertiefungen so vorgesehen werden, dass diese in der bestimmungsgemäßen Einbaulage des Batteriemoduls sich immer mit dem linienförmigen Auftragsbild abwechseln. Somit können besonders kurze Fließfronten mit den zuvor erwähnten Vorteilen erzielt werden.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Auftragsbild mehrere nebeneinander angeordnete Punkte des Wärmeleitmaterials vorsieht, wobei mehrere der Vertiefungen zwischen den vorgesehenen Punkten als Mulden hergestellt werden. Mit anderen Worten ist es auch möglich, dass das Auftragsbild eine Art Punkteraster für das Wärmeleitmaterial vorsieht. In jeweiligen Zwischenräumen des Punkterasters können dann die besagten Vertiefungen vorgesehen sein, welche als Mulden ausgebildet sein können. Eine abwechselnde Anordnung besagter Mulden und Punkte des Wärmeleitmaterials sorgt ebenfalls für kurze Fließfronten mit den vorstehend bereits genannten Vorteilen.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Teil der Aufnahmestruktur sowie die wenigstens eine Vertiefung im Aufnahmebereich mittels eines Strangpressverfahrens hergestellt werden. Die Wärmeübertragungsfläche kann zum Beispiel zu einer Kühlplatte gehören, die Bestandteil der Aufnahmestruktur sein kann. Die Kühlplatte kann beispielsweise in Form eines Aluminium-Strangpressprofils hergestellt werden.
Einzelne Kühlkanäle der Kühlplatte können so ganz einfach hergestellt werden, wobei zudem die wenigstens eine Vertiefung im Aufnahmebereich ebenfalls ganz einfach hergestellt werden können.
Eine alternative mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Vertiefung mittels eines Prägevorgangs hergestellt wird. Beispielsweise ist es möglich, dass zumindest ein Teil der Aufnahmestruktur und/oder die Batteriemodulseite durch Tiefziehen hergestellt wird. Während des Tiefziehvorgangs oder einem nachgelagerten Vorgang kann der besagte Prägevorgang vorgesehen sein, um die wenigstens eine Vertiefung
herzustellen. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, eine muldenförmige Vertiefung oder mehrere muldenförmige Vertiefungen ganz einfach herzustellen.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vertiefung in der Batteriemodulseite so hergestellt wird, dass diese in zumindest einen Zwischenraum zwischen benachbarten Zellen des Batteriemoduls hineinragt. Die
Batteriemodulseite kann zum Beispiel Bestandteil eines gesonderten Gehäusemoduls sein, welches die besagten Zellen umgibt, die ihrerseits eigene Zellgehäuse aufweisen können. Es ist auch möglich, das jeweilige Zellgehäuse der benachbarten Zellen Bestandteil der
Batteriemodulseite sind. Grundsätzlich ist es also möglich, dass das Batteriemodul eine Art offene Struktur aufweist, welche zumindest die eine Vertiefung umfasst, die in einen
Zwischenraum zwischen benachbarten Zellen des Batteriemoduls hineinragt. Auf diese Weise lässt sich die wenigstens eine Vertiefung auch ganz einfach batteriemodulseitig realisieren. Vor allem können hierbei ohnehin vorhandene Zellzwischenräume effektiv genutzt werden, um besagtes Reservoir bzw. Zusatzvolumen für die Aufnahme von überschüssigem Wärmeleitmaterial bereitzustellen. Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Vertiefung tiefer als breit und/oder tiefer als lang ist. Dadurch geht besonders wenig Fläche zur Wärmeübertragung verloren und gleichzeitig kann dennoch ausreichend viel
überschüssiges Wärmeleitmaterial aufgenommen werden. Die Breite und/oder Länge der Vertiefung kann so gewählt werden, dass angepasst an die Viskosität des
Wärmeleitmaterials dieses ohne einen signifikanten Druckanstieg in die Vertiefung fließen bzw. gepresst werden kann. Auch ist es möglich, dass die Vertiefung sich ausgehend von einer Öffnung, durch welche das Wärmeleitmaterial in die Vertiefung fließen kann, mit zunehmender Tiefe der Vertiefung verbreitert. Dadurch kann ein besonders großes
Reservoir geschaffen werden, wobei gleichzeitig durch die relativ kleine Öffnung recht wenig Fläche zur Wärmeübertragung verlorengeht. Es ist auch möglich, dass die Öffnung, durch welche das Wärmeleitmaterial in die Vertiefung fließen kann, einen kleineren Querschnitt aufweist als ein maximaler Querschnitt der Vertiefung. Beispielsweise könnte die Vertiefung auch tropfenförmig ausgebildet sein. Auch in dem Fall wird ein gutes Verhältnis zwischen dem Volumen der Vertiefung und der noch zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Fläche erzielt. Es ist auch möglich, dass ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Fläche der Wärmeübertragungsfläche und dem Volumen der wenigstens einen Vertiefung oder auch dem Gesamtvolumen aller Vertiefungen (wenn es mehrere sind) vorgegeben wird.
Die erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens ein Batteriemodul und wenigstens eine Aufnahmestruktur mit einem eine Wärmeübertragungsfläche
aufweisende Aufnahmebereich, in welchem eine Batteriemodulseite des Batteriemoduls in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage aufgenommen ist. Des Weiteren umfasst die Batterie ein Wärmeleitmaterial, welches einen Spalt zwischen der Wärmeübertragungsfläche und der Batteriemodulseite ausfüllt und eine thermische Schnittstelle zwischen der
Batteriemodulseite und der Wärmeübertragungsfläche bildet. Der Aufnahmebereich und/oder die Batteriemodulseite weist wenigstens eine als Reservoir für überschüssiges
Wärmeleitmaterial dienende Vertiefung auf. Besagte Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Verfahrens können auch Ausführungsformen bzw. daraus resultierende Ausführungsformen bei der Batterie sein.
Weitere mögliche Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Kurze Figurenbeschreibung
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts von einer Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einem ein an einer Aufnahmestruktur angeordnetem Batteriemodul, wobei zwischen dem Batteriemodul und der Aufnahmestruktur ein als thermisches Interface-Material bzw. als Gapfiller dienendes Wärmeleitmaterial angeordnet ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche das Verpressen des zwischen dem
Batteriemodul und der Aufnahmestruktur angeordneten Wärmeleitmaterials zeigt, in Folge dessen sich die Aufnahmestruktur verbiegt; und in
Fig. 3 eine weitere schematische Darstellung des Vorgangs des Verpressens des
Wärmeleitmaterials, wobei innerhalb der Aufnahmestruktur mehrere Vertiefungen vorgesehen sind, welche als Reservoir zum Aufnehmen von überschüssigem Wärmeleitmaterial dienen.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
Eine Batterie 10 für ein Kraftfahrzeug ist ausschnittsweise in einer schematischen
Seitenansicht in Fig. 1 gezeigt. Die Batterie 10 kann mehrere Batteriemodule 12 aufweisen, wobei vorliegend nur eines der Batteriemodule 12 schematisch dargestellt ist. Die
Batteriemodule 12 können beispielsweise mehrere miteinander verschaltete Lithium-Ionen- Zellen umfassen, die in einem nicht näher dargestellten Gehäuse des Batteriemoduls 12 angeordnet sind. Des Weiteren ist eine Wärmeübertragungsfläche 14 zu erkennen, welche zu einer hier nicht näher bezeichneten Aufnahmestruktur zum Aufnehmen des Batteriemoduls 12 gehört. Bei der Wärmeübertragungsfläche 14 kann es sich beispielsweise um eine Schottwand oder auch um eine Gehäuseseite mit einer Wärmesenke bzw.
Kühlplatte handeln.
Zwischen einer Unterseite 16 des Batteriemoduls 12 und der Wärmeübertragungsfläche 14 ergibt sich in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage des Batteriemoduls 12 ein hier nicht näher bezeichneter Spalt, welcher weitestgehend mit einem Wärmeleitmaterial 18 ausgefüllt ist. Bei dem Wärmeleitmaterial 18 handelt es sich um ein thermisches Interface-Material bzw. um einen sogenannten Gapfiller. Das Wärmeleitmaterial 18 dient dazu, eine möglichst optimale thermische Anbindung und somit Wärmeübertragung von dem Batteriemodul 12 zur Wärmeübertragungsfläche 14 zu gewährleisten. Dafür ist es unter anderem wichtig, dass der besagte Spalt zwischen der Unterseite 16 des Batteriemoduls 12 und der
Wärmeübertragungsfläche 14 möglichst lufteinschlussfrei ausgefüllt wird.
Fertigungsbedingt ist es üblicherweise nicht möglich, die Batteriemodule 12 und
insbesondere auch die Wärmeübertragungsfläche 14 immer exakt gleich herzustellen. Allein auch schon aus Kostengründen werden daher gewisse Toleranzen vorgegeben bzw. erlaubt, innerhalb welcher sich Maßschwankungen, Lageschwankungen und Formschwankungen beim Batteriemodul 12 und der Wärmeübertragungsfläche 14 einstellen dürfen. Ein
Toleranzbereich 20 hinsichtlich einer Form der Unterseite 16 des Batteriemoduls 12 ist hier schematisch eingezeichnet. Genauso ist ein Toleranzbereich 22 hinsichtlich einer Form der Wärmeübertragungsfläche 14 schematisch angedeutet.
Es können sich also unterschiedliche Welligkeiten bzw. Vorwölbungen an der Unterseite 16 und an der Wärmeübertragungsfläche 14 ergeben, die rein fertigungstechnisch auftreten können und innerhalb der Toleranzbereiche 20, 22 auch geduldet werden. Des Weiteren sind jeweilige Anbindungspunkte 24, 26 an der Unterseite 16 des Batteriemoduls 12 und im Bereich der Wärmeübertragungsfläche 14 schematisch angedeutet. Bei den
Anbindungspunkten 24, 26 sind ebenfalls gewisse Toleranzbereiche 28, 30 zulässig.
Insbesondere können sich hinsichtlich der Anbindungspunkte 24, 26 gewisse
Lagetoleranzen ergeben. Aufgrund der verschiedenen Toleranzbereiche 20, 22, 28, 30 ergibt sich ein gewisser Spielraum im Hinblick auf die Größe und Form des besagten Spalts, welcher mittels des Wärmeleitmaterials 18 auszufüllen ist. Schematisch sind eine minimale Spalthöhe 32 und eine maximale Spalthöhe 34 eingezeichnet, welche sich bei Ausreizung sämtlicher
Toleranzen ergeben können. Entsprechend der minimalen bzw. maximalen Spalthöhe 32, 34 ergibt sich auch ein entsprechendes Dosiervolumen 36 bei kleinstmöglichem Spalt und ein Dosiervolumen 38 bei maximaler Größe des Spalts.
In Fig. 2 ist ein Verpressen des Wärmeleitmaterials 18, das sich zwischen dem
Batteriemodul 12 und der Wärmeübertragungsfläche 14 befindet, in einer schematischen Schnittansicht dargestellt. Die Wärmeübertragungsfläche 14 kann zu einer nicht näher bezeichneten Kühlplatte gehören, welche mehrere Kühlkanäle 40 aufweist. Das
Wärmeleitmaterial 18 wurde im vorliegend gezeigten Fall in Form von mehreren Linien bzw. Raupen auf die Wärmeübertragungsfläche 14 aufgetragen. Danach wird das Batteriemodul 12 in Richtung der Wärmeübertragungsfläche 14 gedrückt bzw. gepresst. In Folge dessen wird auch das Wärmeleitmaterial 18 verpresst, was man in dieser schematischen Darstellung daran erkennt, dass die zuerst kreisförmigen Linien bzw. Raupen, gemäß welchen das Wärmeleitmaterial 18 initial aufgebracht wurde, zunächst platt gedrückt werden und anschließend zu einer zusammenhängenden Masse zusammenfließen.
Je stärker das Wärmeleitmaterial 18 verpresst wird, desto mehr Kraft muss aufgebracht werden, um das Batteriemodul 12 weiter in Richtung der Wärmeübertragungsfläche 14 zu bewegen. Vor allem wenn einzelne Fließfronten des Wärmeleitmaterials 18 nicht mehr vorhanden sind, weil das Wärmeleitmaterial 18 zu einer einzigen zusammenhängenden Masse zusammenfließt, steigt die erforderliche Kraft erheblich an, welche aufgebracht werden muss, um das Batteriemodul 12 weiter in Richtung der Wärmeübertragungsfläche 14 zu drücken.
Sowohl das Batteriemodul 12 als auch die Wärmeübertragungsfläche 14 bzw. die zugehörige nicht näher bezeichnete Aufnahmestruktur, zu welcher die
Wärmeübertragungsfläche 14 gehört, können sich dabei deformieren. Vorliegend ist nur schematisch die Deformierung bzw. Verformung der Wärmeübertragungsfläche 14 dargestellt. Nachteilig an einer solchen Deformation ist, dass das Wärmeleitmaterial 18 nach dem Setzvorgang des Batteriemoduls 12 keine gleichmäßige Dicke aufweist. Das wirkt sich negativ auf die Abfuhr von überschüssiger wärme vom Batteriemodul 12, insbesondere von im Batteriemodul 12 enthaltenen Zellen in Richtung der Wärmeübertragungsfläche 14 aus.
In Fig. 3 ist wiederum schematisch ein Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials 18 dargestellt. Vorliegend ist erstmalig die erwähnte Aufnahmestruktur 42 nun mit einem Bezugszeichen versehen worden. Die Aufnahmestruktur 42 umfasst besagten
Aufnahmebereich 44 für die Unterseite 16 des Batteriemoduls 12. Der Aufnahmebereich 44 umfasst die zuvor bereits erwähnte Wärmeübertragungsfläche 14, wobei im
Aufnahmebereich 44 mehrere Vertiefungen 46 hergestellt worden sind. Diese Vertiefungen 46 dienen als Reservoir für überschüssiges Wärmeleitmaterial, welches beim Verpressen des hier wiederum linienförmig aufgetragenen Wärmeleitmaterials 18 übrig bleiben kann. Die Aufnahmestruktur 42 kann eine nicht näher bezeichnete Kühlplatte umfassen, was anhand von mehreren Kühlkanälen 40 schematisch angedeutet ist. Der Übersichtlichkeit halber wurden nicht alle Kühlkanäle 40 mit Bezugszeichen versehen.
Das Wärmeleitmaterial 18 wird entsprechend einer vorgegebenen Dosiermenge
aufgetragen, im vorliegend gezeigten Beispiel auf der Wärmeübertragungsfläche 14. Das Wärmeleitmaterial 18 wird vorliegend linienförmig in Form von mehreren parallel zueinander verlaufenden Raupen aufgetragen, welche sich gemäß der vorliegenden Darstellung in die Bildebene hinein erstrecken. Die einzelnen Vertiefungen 46 sind in Form von Rillen bzw. Nuten ausgebildet, welche sich ebenfalls in die Bildebene hinein erstrecken.
Im Zusammenhang mit Fig. 1 wurde bereits erläutert, dass aufgrund der unterschiedlichen Toleranzbereiche 20, 22, 28, 30 sich die minimale Spalthöhe 32 bzw. die maximale
Spalthöhe 34 einstellen kann, was dann mit dem entsprechenden Dosiervolumen 36, 38 einhergeht. Je nach Zusammenspiel der Toleranzbereiche 20, 22, 28, 30 kann also ein Spalt 48 zwischen der Wärmeübertragungsfläche 14 und der Unterseite 16 des Batteriemoduls 12 unterschiedlich ausfallen.
Ganz allgemein besteht in der bestimmungsgemäßen Einbaulage des Batteriemoduls 12 der Spalt 48 zwischen der Wärmeübertragungsfläche 14 und der Unterseite 16. Die
Dosiermenge hinsichtlich des Wärmeleitmaterials 18 wird so vorgegeben, dass selbst bei maximaler Ausnutzung der Toleranzbereiche 20, 22, 28, 30 und einem entsprechenden maximalen Spaltvolumen des Spalts 48 dieser nach dem Verpressen des Wärmeleitmaterials 18 vollständig von diesem ausgefüllt wird. Die Anordnung der
Vertiefungen 46 erfolgt - wie hier zu erkennen - abgestimmt auf ein vorgegebenes
Auftragsbild des Wärmeleitmaterials 18. Im vorliegend gezeigten Fall sieht das Auftragsbild mehrere nebeneinander verlaufende Linien des Wärmeleitmaterials 18 vor, wobei mehrere der Vertiefungen 46 als parallel neben den vorgesehenen Linien verlaufenden Nuten hergestellt wurden. Die Kühlkanäle 40 und auch die Vertiefungen 46 können beispielsweise im Zuge eines Strangpressverfahrens hergestellt werden.
Das Batteriemodul 12 wird montiert, indem das aufgebrachte Wärmeleitmaterial 18 durch entsprechende Kraftausübung auf das Batteriemodul 12 verpresst wird. Das Batteriemodul 12 wird also in Richtung der Wärmeübertragungsfläche 14 bewegt. Dabei werden die einzelnen Linien bzw. Raupen des Wärmeleitmaterials 18 zusammengepresst. Dadurch fließen die einzelnen Linien bzw. Raupen des Wärmeleitmaterials 18 ineinander und beim weiteren Verpressen bzw. Bewegen des Batteriemoduls 12 in Richtung der
Wärmeübertragungsfläche 14 fließt überschüssiges Wärmeleitmaterial 18 in die als
Reservoir dienenden Vertiefung 46.
Überschüssig bedeutet insbesondere, dass die bestimmungsgemäße Einbaulage des Batteriemoduls 12 erreicht und der sich dann einstellende Spalt 48 bereits vollständig von dem Wärmeleitmaterial 18 ausgefüllt wurde und darüber hinaus immer noch eine gewisse Menge des Wärmeleitmaterials 18 übrig ist. Über die Vertiefungen 46 kann auch innerhalb des Wärmeleitmaterials 18 eingeschlossene Luft entweichen. Dafür können die Vertiefungen 46 so verlaufen, dass die in nicht näher dargestellten Öffnungen münden, über welche Luft nach außen gelangen kann.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 gezeigten Fall treten im hier gezeigten Fall also wesentlich geringere Kräfte beim Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials 18 auf. Denn bis die bestimmungsgemäße Endlage des Batteriemoduls 12 erreicht wurde, bei welcher sich der Spalt 48 zwischen der Unterseite 16 und der Wärmeübertragungsfläche 14 einstellt, kann eventuell überschüssiges Wärmeleitmaterial 18 ganz einfach in die Vertiefungen 46 ausweichen. Selbst wenn einzelne Linien des Wärmeleitmaterials 18 zusammenfließen sollten, ist es in dem Fall nicht so wie in Fig. 2 gezeigt, dass irgendwann eine große zusammenhängende Masse des Wärmeleitmaterials 18 vor Erreichen der
bestimmungsgemäßen Einbaulage verdrängt werden muss. Zum einen treten dadurch relativ geringe Kräfte im Vergleich zu dem in Fig. 2 gezeigten Fall auf. Zum anderen kann dadurch auch verhindert werden, dass sich unerwünschte Deformationen am Batteriemodul 12 und/oder an der Aufnahmestruktur 42 ergeben.
Wesentlich ist, dass die Anordnung der Vertiefungen 46 abgestimmt auf das jeweils gewählte Auftragsbild des Wärmeleitmaterials 18 gewählt wird. Das in Fig. 3 gezeigte Auftragsbild mit den mehreren nebeneinander verlaufenden Linien des Wärmeleitmaterials 18 ist rein beispielhaft zu verstehen. Ebenso die Anordnung der Vertiefungen 46 und die Form der Vertiefungen 46. Beispielsweise ist es auch möglich, dass das Auftragsbild mehrere nebeneinander angeordnete Punkte des Wärmeleitmaterials 18 vorsieht, wobei mehrere der Vertiefungen 46 zwischen den vorgesehenen Punkten - abweichend von der vorliegenden Darstellung - als Mulden hergestellt werden und nicht als durchgängige Stränge, Nuten oder dergleichen.
Auch ist es möglich, unterschiedliche Auftragsbilder zu kombinieren, sodass das
Wärmeleitmaterial 18 sowohl linien- bzw. raupenförmig als auch punktförmig aufgetragen werden kann. Falls alle oder einige der Vertiefungen 46 muldenförmig hergestellt werden, können diese beispielsweise mittels eines Prägevorgangs hergestellt werden. Dies kann sich insbesondere dann anbieten, wenn zumindest ein Teil der Aufnahmestruktur 42 durch Tiefziehen hergestellt wird.
Abweichend von der vorliegenden Darstellung ist es auch möglich, dass eine oder mehrere der Vertiefungen 46 an der Unterseite 16 des Batteriemoduls 12 hergestellt werden. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu den Vertiefungen 46 im Aufnahmebereich 44 erfolgen. Derartige Vertiefungen 46 an der Unterseite 16 können beispielsweise so hergestellt werden, dass diese in zumindest einen Zwischenraum zwischen benachbarten Zellen des
Batteriemoduls 12 hineinragen. Auch in dem Fall ist es möglich, auftretende Kräfte beim Verpressen des Wärmeleitmaterials 18 gering zu halten und im Vergleich zu dem in Fig. 2 gezeigten Fall erheblich zu verringern.
Durch eine entsprechende günstige Anordnung der Vertiefungen 46 kann also ein starker Anstieg von Setzkräften beim Verpressen des Wärmeleitmaterials 18 verhindert werden. Zudem kann ein unkontrolliertes Austreten und Verteilen des Wärmeleitmaterials 18 verhindert werden. Zudem können je nach Gestaltung die Vertiefungen 46 auch dazu beitragen, dass während des Verpressens des Wärmeleitmaterials 18 eingeschlossene Luft entweichen kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Batterie
12 Batteriemodul
14 Wärmeübertragungsfläche
16 Unterseite des Batteriemoduls
18 Wärmeleitmaterial
20 Toleranzbereich hinsichtlich der Form der Unterseite des Batteriemoduls
22 Toleranzbereich hinsichtlich der Form der Wärmeübertragungsfläche
24 Anbindungspunkte des Batteriemoduls
26 Anbindungspunkte im Bereich der Wärmeübertragungsfläche
28 Toleranzbereich im Hinblick auf die Lage der Anbindungspunkte des Batteriemoduls
30 Toleranzbereich im Hinblick auf die Lage der Anbindungspunkte im Bereich der
Wärmeübertragungsfläche
32 minimale Spalthöhe
34 maximale Spalthöhe
36 Dosiervolumen bei Minimalspalt
38 Dosiervolumen bei maximaler Spalthöhe
40 Kühlkanäle
42 Aufnahmestruktur
44 Aufnahmebereich
46 Vertiefungen
48 Spalt

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Herstellen einer thermischen Schnittstelle in einer Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte:
Bereitstellen wenigstens eines Batteriemoduls (12) und wenigstens einer Aufnahmestruktur (42) mit einem eine Wärmeübertragungsfläche (14) aufweisenden Aufnahmebereich (44) zum Aufnehmen einer
Batteriemodulseite (16) des Batteriemoduls (12) in einer
bestimmungsgemäßen Einbaulage;
Aufbringen eines Wärmeleitmaterials (18) auf die Wärmeübertragungsfläche (14) und/oder die Batteriemodulseite (16) entsprechend einer vorgegebenen Dosiermenge, welches zum Ausfüllen eines in der bestimmungsgemäßen Einbaulage vorhandenen Spalts (48) zwischen der Wärmeübertragungsfläche (14) und der Batteriemodulseite (16) dient;
Montieren des Batteriemoduls (12) unter Verpressen des aufgebrachten Wärmeleitmaterials (18), wonach das verpresste Wärmeleitmaterial (18) den Spalt (48) ausfüllt und die thermische Schnittstelle zwischen der Batteriemodulseite (16) und der Wärmeübertragungsfläche (14) bildet;
wobei vor dem Aufbringen des Wärmeleitmaterials (18) wenigstens eine Vertiefung (46) im Aufnahmebereich (44) und/oder in der Batteriemodulseite (16) mit einem auf die vorgegebene Dosiermenge des Wärmeleitmaterials (18) abgestimmten Volumen hergestellt wird, die beim Verpressen des Wärmeleitmaterials (18) als Reservoir für überschüssiges Wärmeleitmaterial (18) dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dosiermenge so vorgegeben wird, dass bei maximaler Ausnutzung eines Toleranzbereichs betreffend ein Spaltvolumen des Spalts (48) dieser nach dem Verpressen des Wärmeleitmaterials (18) vollständig von diesem ausgefüllt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Vertiefung (46) abgestimmt auf ein vorgegebenes Auftragsbild des Wärmeleitmaterials (18) vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Auftragsbild mehrere nebeneinander verlaufende Linien des Wärmeleitmaterials (18) vorsieht, wobei mehrere der Vertiefungen (46) als parallel neben den
vorgesehenen Linien verlaufende Nuten hergestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Auftragsbild mehrere nebeneinander angeordnete Punkte des
Wärmeleitmaterials (18) vorsieht, wobei mehrere der Vertiefungen (46) zwischen den vorgesehenen Punkten als Mulden hergestellt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Teil der Aufnahmestruktur (42) sowie die wenigstens eine Vertiefung (46) im Aufnahmebereich (44) mittels eines Strangpressverfahrens hergestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (46) mittels eines Prägevorgangs hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Teil der Aufnahmestruktur (42) und/oder die Batteriemodulseite (16) durch Tiefziehen hergestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (46) in der Batteriemodulseite (16) so hergestellt wird, dass diese in zumindest einen Zwischenraum zwischen benachbarten Zellen des Batteriemoduls (12) hineinragt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (46) tiefer als breit und/oder tiefer als lang ist.
11. Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend
- wenigstens ein Batteriemodul (12);
wenigstens eine Aufnahmestruktur (42) mit einem eine
Wärmeübertragungsfläche (14) aufweisenden Aufnahmebereich (44), in welchem eine Batteriemodulseite (16) des Batteriemoduls (12) in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage aufgenommen ist;
- ein Wärmeleitmaterial (18), welches einen Spalt (48) zwischen der
Wärmeübertragungsfläche (14) und der Batteriemodulseite (16) ausfüllt und eine thermische Schnittstelle zwischen der Batteriemodulseite (16) und der Wärmeübertragungsfläche (14) bildet;
wobei der Aufnahmebereich (44) und/oder die Batteriemodulseite (16) wenigstens eine als Reservoir für überschüssiges Wärmeleitmaterial (18) dienende Vertiefung (46) aufweist.
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EP4095985A1 (de) * 2021-05-25 2022-11-30 Lisa Dräxlmaier GmbH Batteriemodul für eine traktionsbatterie eines elektrofahrzeugs, traktionsbatterie für ein elektrofahrzeug und verfahren zum herstellen einer solchen traktionsbatterie

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