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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriemodulvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Batteriemodulvorrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Batteriemodulvorrichtung.
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Zur automatisierten Herstellung von Hochvolt-Batteriespeichersystemen für elektrisch betreibbare Kraftfahrzeugzeuge (battery electric vehicles; kurz: BEV) erfolgt häufig eine thermische Koppelung zwischen Batteriemodulen und einem Temperiersystem. Die thermische Koppelung übernehmen dabei meist sogenannte Thermal-Interface-Materialien (kurz: TIM bzw. TI-Materialien), welche neben deren eigentlicher Hauptfunktion des Wärmetransfers (Wärmeab- bzw. -zuführung) aus den Batteriemodulen auch eine Funktion des Toleranzausgleichs zur Überbrückung eines Spalts zwischen thermisch miteinander zu koppelnder Flächen übernehmen. Bei den TIM's wird heute hauptsächlich zwischen sogenannten „Gappads“ und sogenannten pastenförmigen „Gapfillern“ unterschieden. Die Herausforderung bei der Realisierung des Temperiersystems mittels TIM's besteht darin, prozess- und materialseitige Randbedingungen miteinander derart zu kombinieren, dass eine effiziente Temperierleistung bei gleichzeitig möglichst geringer Komplexität von Prozessen, wie beispielsweise Montageprozessen ermöglicht ist.
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„Gappads“ werden häufig als bereits fertig zugeschnittene, „wärmeleitende Matten“ bei der Montage von Batteriemodulvorrichtungen in einen sich ergebenden Spalt zwischen den Batteriemodulen und einem Batteriegehäuse eingelegt. Aufgrund viskoelastischer Eigenschaften der Gappads ist eine einfache Handhabbarkeit bei deren Montage gegeben. Auch lässt sich mit Gappads ein definiertes und reproduzierbares „Auftragsbild“ von TI-Materialien realisieren. Durch ein anschließendes Setzen und Montieren der Batteriemodule am Batteriegehäuse wird eine Kontaktierung mit einer Mindestwärmeleitfähigkeit zwischen jeweiligen, thermisch aktiven Flächen der Batteriemodule und des Batteriegehäuse sichergestellt.
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„Gapfiller“ stellen Wärmeleitpasten dar, welche im Vorfeld der Montage von Batteriemodulen auf eine der thermisch anzubindenden Flächen (des jeweiligen Batteriemoduls bzw. des Batteriegehäuses) gemäß eines definierten Applikationsbildes (z.B. raupenförmig, flächig) aufgebracht werden. Während des Setz- und Fügeprozesses der Batteriemodule am Batteriegehäuse wird der Gapfiller durch dabei auftretende Montagekräfte (beispielsweise Spannkräfte) derart verpresst, dass ein geforderter Mindestbenetzungsflächenbereich der thermisch anzubindenden (aktiven) Flächen zur Wärmeübertragung in ausreichendem Maße mit dem Gapfiller benetzt und somit eine ausreichende Wärmeübertragung durch Wärmeleitung erreicht wird. Dabei lassen sich verschieden große Spaltmaße ausgleichen.
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Allgemein kann über Gappads bzw. Gapfiller dann ein Wärmetransfer in Form von Wärmeleitung zwischen den Batteriemodulen und dem Batteriegehäuse erfolgen.
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Beim Verpressen des Gapfillers können Kräfte entstehen, welche sowohl auf das Batteriemodul selbst, als auch über einen Modulboden des Batteriemoduls aufgrund von Deformationserscheinungen des Modulbodens auf jeweilige Auflagepunkte eines sogenannten Batteriegefaches wirken. Die Kombination aus sich überlagernden Spannungen und deformierter Auflagepunkte führt zu komplexen Lastfällen bei der Montage, welche sich wiederum massiv auf die Komplexität des Montageprozesses zur Fixierung der Batteriemodule auswirken. Zum Verständnis des Prozessablaufes müssen daher diverse Parameter, wie die Fließeigenschaften des Gapfillers, die Art des Auftrags des Gapfillers (Verteilung, Applikationsbild), eine real vorherrschende Spalthöhe (Toleranzkette), sowie jeweils Fügeparameter analysiert werden. Dabei zeigt sich, dass die Beherrschung aller Einflussfaktoren im realen Montageprozess schwer darstellbar und mit großem Prüf- und Justierungsaufwand verbunden ist.
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Dies trifft auch für Gappads zu, bei welchen entsprechende Verpresskräfte aufgrund von im Vergleich zu Gapfillern schlechterer Verpressbarkeit noch deutlich über denjenigen von Gapfillern liegen.
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Bei der Applikation von TI-Materialien besteht zudem eine Kernforderung einer fehlerfreien Füllung des Spaltes, wonach Poren bzw. Gaseinschlüsse (Lufteinschlüsse) ebenso wie nicht gefüllte Spaltbereiche (Fehlstellen) vermieden werden sollen. Eine Prüfung ist bei den oben beschriebenen Prozessen in der Regel nur durch Zerstörung möglich.
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Aus der
DE 10 2007 010 751 A1 ist eine Batterie mit einem Gehäuse, das einen Boden und eine Seitenwand umfasst, bekannt. In dem Gehäuse ist ein Zellverbund von Zellen angeordnet, welcher mit einer Vergussmasse in dem Gehäuse befestigt ist. Die Vergussmasse reicht von dem Zellverbund bis zur Innenseite der Seitenwand. Hierbei dient ein, den Zellverbund umgebendes Hüllblech als Gießform beim Einfüllen der Vergussmasse.
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Die
DE 10 2015 219 280 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriesystems, bei welchem Batteriezellen in einem Innenraum einer Vergussform positioniert und mit mindestens einer Vergussmasse vergossen werden.
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Aus der
DE 10 2011 118 383 A1 ist eine Fahrzeugbatterieanordnung zum Aufnehmen von mehreren longitudinalen Batteriezellen bekannt, welche in einem Rahmen parallel bezüglich ihrer Längsachsen angeordnet sind. Die Fahrzeugbatterieanordnung weist eine Leiterplatte zum elektrischen Koppeln von Batteriezellenenden sowie eine Kühlplatte und eine Spaltfüllschicht auf. Die Spaltfüllschicht umfasst ein wärmeleitendes Material.
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Die
DE 10 2015 013 509 A1 zeigt eine Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten, zylindrischen Einzelzellen, welche in einer Vergussform angeordnet sind. Zwischenräume zwischen den Einzelzellen und der Vergussform sind dabei mittels einer Vergussmasse ausgefüllt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Batteriemodulvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchen mechanische Spannungen, Gaseinschlüsse in einem Zwischenraum zur Aufnahme von Wärmeleitmedium sowie eine unvollständige Füllung mit Wärmeleitmedium aufwandsarm unterbunden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Batteriemodulvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriemodulvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen zumindest eines Gehäuseelements der Batteriemodulvorrichtung sowie wenigstens eines Batteriemoduls der Batteriemodulvorrichtung;
- - Montieren des wenigstens einen Batteriemoduls an dem zumindest einen Gehäuseelement unter Ausbildung zumindest eines, sich zwischen einem Elementbereich des zumindest einen Gehäuseelements und dem wenigstens einen Batteriemodul, erstreckenden Zwischenraums, welcher durch wenigstens ein zwischen dem Elementbereich und dem wenigstens einen Batteriemodul angeordnetes Dichtelement der Batteriemodulvorrichtung zumindest bereichsweise begrenzt und abgedichtet wird;
- - Einleiten eines Wärmeleitmediums in den zumindest einen Zwischenraum über wenigstens eine Einfüllöffnungsanordnung.
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Von Vorteil ist hierbei, dass bei diesem Verfahren das Einleiten des Wärmeleitmediums in den Zwischenraum getrennt von dem Montieren des Batteriemoduls an dem Gehäuseelement erfolgen, und somit das Einleiten des Wärmeleitmediums entkoppelt von der Montage durchgeführt werden kann. Durch diese Entkoppelung können komplizierte Überlagerungen verschiedener Spannungs- und Dehnungszustände an der Batteriemodulvorrichtung vermieden werden. Das Verfahren kann also die prozesssichere und reproduzierbare Montage von Batteriemodulen erleichtern. Beim Montieren des Batteriemoduls kann dieses mit dem Gehäuseelement gefügt, also beispielsweise verschraubt werden. Dadurch, dass das Einleiten des Wärmeleitmediums von dem Montieren getrennt (entkoppelt) werden kann, kann also ein besonders spannungsarmes und insbesondere von dem Wärmeleitmedium unbeeinflusstes Fügen erfolgen.
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Durch das Einleiten des Wärmeleitmediums über die Einfüllöffnungsanordnung, welche eine Einfüllöffnung oder mehrere Einfüllöffnungen aufweisen kann, kann eine gezielte Ausbreitung einer aus dem Wärmeleitmedium gebildeten Fließfront in dem Zwischenraum erreicht werden. Dadurch können Gaseinschlüsse in dem Zwischenraum ebenso wie eine unvollständige Füllung des Zwischenraums mit dem Wärmeleitmedium verringert werden. Die Einfüllöffnungsanordnung kann als Angusskanalanordnung ausgestaltet sein, über welche das Einleiten des Wärmeleitmediums erfolgen kann. Die Einfüllöffnung bzw. Einfüllöffnungen kann/können dementsprechend als Angusskanal bzw. als Angusskanäle ausgebildet sein. Über die Angusskanalanordnung bzw. die Angusskanäle kann ein besonders zielgerichtetes und blasenfreies Befüllen des Zwischenraums mit dem Wärmeleitmedium erfolgen.
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Das Dichtelement kann bevorzugt aus einem in Schaumform auftragbaren Dichtwerkstoff gebildet sein. Dadurch kann eine besonders flexibel an jeweilige Konturen des Batteriemoduls bzw. des Gehäuseelements angepasste Abdichtung erfolgen. Alternativ kann das Dichtelement auch als Dichtring, beispielsweise als Kunststoff-Dichtring oder als Metall-Dichtring ausgebildet sein.
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Ein Beispiel für das „bereichsweise Begrenzen“ kann beispielsweise vorliegen, wenn sich eine Dichtungs-Durchgangsöffnung durch das Dichtelement erstreckt. Die Dichtungs-Durchgangsöffnung kann als die Einfüllöffnung zum Einleiten des Wärmeleitmediums verwendet werden. Die Dichtungs-Durchgangsöffnung kann dazu unmittelbar in den Zwischenraum münden. Dadurch kann ein spanendes Herstellen der Einfüllöffnung entfallen.
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Das Dichtelement kann vor dem Montieren des Batteriemoduls an jeweiligen Modulrändern des Batteriemoduls angeordnet werden. Dies ermöglicht eine aufwandsarme, gleichzeitige Montage des Dichtelements zusammen mit dem Batteriemodul sowie eine besonders günstige Verformung des Dichtelements in Abhängigkeit von montagebedingten Kräften und Abständen zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseelement. Dadurch kann eine besonders günstige Abdichtung des Zwischenraums erzielt werden.
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Das Dichtelement kann den Zwischenraum bevorzugt vollständig umfangsseitig umgeben, sodass der Zwischenraum als geschlossene Kavität ausgebildet werden kann, in welche nach dem Montieren das Einleiten des Wärmeleitmediums erfolgen kann, ohne dass es zu einem unvorteilhaften Herausdrücken des Wärmeleitmediums an Zwischenraum rändern des Zwischenraums kommt.
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Das Einleiten des Wärmeleitmediums kann bevorzugt durch Injizieren des Wärmeleitmediums erfolgen. Dadurch kann eine besonders bedarfsgerechte Dosierung des Wärmeleitmediums erfolgen. Besonders bevorzugt wird eine Düse verwendet um das Einleiten des Wärmeleitmedium gezielt durchführen zu können.
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In vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass ein Medienstrom des Wärmeleitmediums bei dessen Einleiten in den zumindest einen Zwischenraum zumindest im Wesentlichen parallel zu dem Elementbereich und/oder zu dem wenigstens einen Batteriemodul einströmt. Hierzu kann beispielsweise eine gewinkelte Düse verwendet werden, über welche das Einleiten des Wärmeleitmedium in den Zwischenraum erfolgen kann.
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Die Düse kann in vorteilhafter Weise an eine Geometrie der Einfüllöffnungsanordnung angepasst sein, sodass beispielsweise ein Öffnungsquerschnitt einer Einfüllöffnung zumindest im Wesentlichen einer Düsenöffnung der Düse entspricht. Über die Düsenöffnung kann das Wärmeleitmedium in die Einfüllöffnung eintreten und somit das Einleiten des Wärmeleitmediums in den Zwischenraum erfolgen.
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Die Düse kann beispielsweise durch einen Roboter geführt werden, sodass eine besonders hohe Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit beim Einleiten des Wärmeleitmediums gegeben ist.
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Bevorzugt kann als das Wärmeleitmedium ein flüssiges TIM (TI-Material) oder eine Mischung aus mehreren TIMs verwendet werden. TIMs passen sich bei deren Einleiten besonders gut einer Formgebung des Zwischenraums an, sodass eine besonders vollständige Füllung des Zwischenraums mit dem Wärmeleitmedium erfolgen kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Elementbereich, das wenigstens eine Batteriemodul sowie das wenigstens eine Dichtelement beim Einleiten des Wärmeleitmediums mit einem Mediendruck beaufschlagt. Dies ist von Vorteil, da hierdurch Gas bzw. Luft besonders gründlich aus dem Zwischenraum herausgedrückt werden kann. Dabei ist klar, dass der Mediendruck größer ist als ein schwerkraftbedingter Druck, den das Medium durch dessen Gewichtskraft ausübt. Insgesamt kann das Dichtelement also ein Austreten des Wärmeleitmediums aus dem Zwischenraum unterbinden, wenn das Einfüllen des Wärmeleitmediums druckbeaufschlagt erfolgt. Mit anderen Worten kann das Dichtelement auch dann eine zuverlässige Abdichtung des Zwischenraums gegenüber einem Austreten des Wärmeleitmediums ermöglichen, wenn das Einleiten des Wärmeleitmediums mit einem im Vergleich zu einem Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) erhöhten Mediendruck erfolgt und dadurch das Wärmeleitmedium in den Zwischenraum hineingepresst wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Ausbildung des zumindest einen Zwischenraums als Spalt, insbesondere als flächiger, Spalt. Dies ist von Vorteil, da durch den Spalt, insbesondere wenn dieser flächig ausgebildet ist, eine besonders gleichmäßige Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung erfolgen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als das zumindest eine Gehäuseelement eine Batteriewanne oder ein Fahrzeugkarosserieteil des Kraftfahrzeugs oder ein Systemelement eines Temperiersystems des Kraftfahrzeugs verwendet. Dies ist von Vorteil, da die Batteriewanne durch deren Wannenform einen zumindest bereichsweisen, umfangsseitigen Schutz des Batteriemoduls bildet. Dementsprechend kann der Elementbereich dann als Batteriewannenboden (kurz: Wannenboden) ausgebildet sein. Wenn das Gehäuseelement als Fahrzeugkarosserieteil ausgebildet ist, kann dieses beispielsweise als Karosseriebodenstrukturteil ausgebildet sein, sodass auf ein zusätzliches Verwenden einer Gehäusewanne verzichtet werden kann, wodurch sich Gewichtseinsparungen ergeben können. Wenn das Gehäuseelement als Systemelement des Temperiersystems ausgebildet ist, so kann beispielsweise auf zusätzliche Kühl- oder Heizstrukturen zum Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul verzichtet werden.
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Das Temperiersystem kann zur aktiven Temperierung (Kühlung und/oder Erwärmung) des wenigstens einen Batteriemoduls verwendet werden. Bei der aktiven Temperierung kann ein Umströmen des Gehäuseelements mit einem Temperiermedium erfolgen, sodass eine besonders effektive und bedarfsgerechte Kühlung oder Erwärmung des Batteriemoduls erzielt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Wärmeleitmedium bei dessen Einleiten über eine, sich zumindest bereichsweise in dem zumindest einen Zwischenraum sowie über das wenigstens eine Batteriemodul und/oder das zumindest eine Gehäuseelement erstreckende Fließkanalanordnung in dem zumindest einen Zwischenraum verteilt. Dies ist von Vorteil, da somit eine gezielte Steuerung einer aus dem Wärmeleitmedium gebildeten Fließfront innerhalb des Zwischenraums erfolgen kann. Dadurch kann eine besonders vollständige und blasenfreie Füllung des Zwischenraums mit dem Wärmeleitmedium erzielt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vor oder während des Einleitens des Wärmeleitmediums ein Unterdruck in dem zumindest einen Zwischenraum erzeugt. Dies ist von Vorteil, da hierdurch das Wärmeleitmedium infolge des Unterdrucks (Vakuum) in den Zwischenraum gesaugt werden kann. Dadurch kann das Befüllen des Zwischenraums mit dem Wärmeleitmedium beschleunigt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird während des Einleitens des Wärmeleitmediums Gas, insbesondere Luft, über wenigstens eine Auslassöffnung der Batteriemodulvorrichtung aus dem zumindest einen Zwischenraum verdrängt und an eine Umgebung des zumindest einen Zwischenraums geleitet. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein besonders schnelles Befüllen des Zwischenraums erfolgen und eine übermäßige Druckbelastung der Batteriemodulvorrichtung vermieden werden kann, zumal über die Auslassöffnung Gas, bzw. Luft aus dem Zwischenraum an die Umgebung abgeführt werden kann. Die Auslassöffnung kann auch als Überlauf ausgebildet sein, über welchen überschüssiges Wärmeleitmedium aus dem Zwischenraum heraus gelangen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird während des Einleitens des Wärmeleitmediums durch einen Überlaufsensor detektiert, ob das Wärmeleitmedium über die wenigstens eine Auslassöffnung an die Umgebung geleitet wird. Dies ist von Vorteil, da der Überlaufsensor eine besonders bedarfsgerechte Dosierung des Wärmeleitmediums ermöglicht. Detektiert der Überlaufsensor ein sich anbahnendes Austreten des Wärmeleitmediums aus der wenigstens einen Auslassöffnung, so kann das Einleiten infolge des Detektierens sofort gestoppt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei jedem Einleitvorgang nur eine minimal notwendige Menge des Wärmeleitmediums appliziert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Einleiten des Wärmeleitmediums über zumindest eine langlochförmige Einfüllöffnung der Einfüllöffnungsanordnung. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein besonders großflächiges Einleiten des Wärmeleitmediums erfolgen kann. Das Befüllen des Zwischenraums mit dem Wärmeleitmedium kann dadurch besonders vollständig und zügig erfolgen.
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Denkbar ist auch, dass sich die Einfüllöffnung über eine gesamte Breite oder Länge des Zwischenraums erstreckt, sodass sich eine besonders günstige Verteilung des Wärmeleitmediums in dem Zwischenraum ergibt. Dadurch können unerwünschte Gaseinschlüsse im Zwischenraum weitgehend vermieden werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bewirkt das Einleiten des Wärmeleitmediums eine zumindest bereichsweise Deformation des zumindest einen Gehäuseelements und/oder des wenigstens einen Batteriemoduls, wodurch der zumindest eine Zwischenraum wenigstens während des Einleitens des Wärmeleitmediums zumindest bereichsweise aufgeweitet wird. Dies ist von Vorteil, da somit während des Einleitens des Wärmeleitmediums eine Vergrößerung des Zwischenraums erfolgt, wodurch der Zwischenraum mit geringerem Aufwand und damit besonders zügig mit dem Wärmeleitmedium befüllt werden kann.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriemodulvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens ein Batteriemodul, welches an zumindest einem Gehäuseelement der Batteriemodulvorrichtung montiert und dadurch zumindest ein, sich zwischen einem Elementbereich des zumindest einen Gehäuseelements und dem wenigstens einen Batteriemodul, erstreckender Zwischenraum ausgebildet ist. Gemäß der Erfindung ist der zumindest eine Zwischenraum durch wenigstens ein zwischen dem Elementbereich und dem wenigstens einen Batteriemodul angeordnetes Dichtelement der Batteriemodulvorrichtung zumindest bereichsweise begrenzt und abgedichtet und in dem zumindest einen Zwischenraum ist ein über wenigstens eine Einfüllöffnungsanordnung der Batteriemodulvorrichtung in den zumindest einen Zwischenraum eingeleitetes Wärmeleitmedium enthalten. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Batteriemodulvorrichtung und umgekehrt.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriemodulvorrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriemodulvorrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer in Seitenansicht dargestellten Batteriemodulvorrichtung für ein Kraftfahrzeug;
- 2 eine schematische Unteransicht der in 1 gezeigten Batteriemodulvorrichtung;
- 3 eine schematische Unteransicht einer Variante der Batteriemodulvorrichtung;
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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 und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. 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, 2 und 3 dienen zur Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Batteriemodulvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug 100. Das Kraftfahrzeug 100 ist vorliegend lediglich in 1 schematisch durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
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Bei der Herstellung der Batteriemodulvorrichtung 10 erfolgt zunächst ein Bereitstellen eines Gehäuseelements 20 der Batteriemodulvorrichtung 10 sowie eines Batteriemoduls 40 der Batteriemodulvorrichtung 10. Das Gehäuseelement 20 ist vorliegend als Batteriewanne ausgebildet. An einander gegenüberliegenden Enden des Batteriemoduls 40 weist das Batteriemodul 40 jeweilige Stirnkappen 44 auf. Das Gehäuseelement 20 weist an einem Elementbereich 24 eine thermisch aktive Fläche 22 auf, wohingegen das Batteriemodul 40 eine thermisch aktive Fläche 42 aufweist.
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2 und 3 zeigen eine Unteransicht auf die Batteriemodulvorrichtung 10, wobei das Gehäuseelement 20 zum besseren Verständnis des Verfahrens in 2 und 3 nicht vollständig dargestellt ist.
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Auch wenn nachfolgend lediglich auf ein Batteriemodul 40 Bezug genommen wird, so ist klar, dass auch eine Mehrzahl an Batteriemodulen 40 verwendet werden kann.
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Ein Montieren des Batteriemoduls 40 an dem Gehäuseelement 20 erfolgt unter Ausbildung eines, sich zwischen dem Elementbereich 24 des Gehäuseelements 20 und dem Batteriemodul 40, erstreckenden Zwischenraums 60, welcher durch ein zwischen dem Elementbereich 24 und dem Batteriemodul 40 angeordnetes Dichtelement 80 der Batteriemodulvorrichtung 10 zumindest bereichsweise begrenzt und abgedichtet wird. Dadurch kann der Zwischenraum 60 als geschlossene Kavität ausgebildet werden, welcher durch das Dichtelement 80 sowie durch die thermisch aktiven Flächen 22, 42 des Gehäuseelements 20 bzw. des Batteriemoduls 40 begrenzt ist.
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Das Dichtelement 80 begrenzt den spaltförmigen Zwischenraum 60 umfangsseitig, wie in 2 und 3 erkennbar ist. Beim Montieren des Batteriemoduls 40 an dem Gehäuseelement 20 erfolgt ein Verschrauben des Batteriemoduls 40 an dem Gehäuseelement 20 mittels jeweiliger, in 2 und 3 angedeuteter Schrauben 14.
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Nach dem Montieren erfolgt ein Einleiten eines Wärmeleitmediums 90 in den Zwischenraum 60 über eine Einfüllöffnungsanordnung 70. Um das Wärmeleitmedium 90 einzuleiten, wird an der Einfüllöffnungsanordnung 70 eine Düse 110 angesetzt mittels welcher das Wärmeleitmedium 90 mit einem Mediendruck beaufschlagt in den Zwischenraum 60 gepresst wird. Der Elementbereich 24, das Batteriemodul 40 sowie das Dichtelement 80 werden somit beim Einleiten des Wärmeleitmediums 90 mit dem Mediendruck beaufschlagt.
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1, 2 und 3 zeigen jeweils den Vorgang des Einleitens des Wärmeleitmediums 90, bei welchem das Wärmeleitmedium 90 eine Fließfront 56 ausbildet, entlang welcher sich das Wärmleitmedium 90 in dem Zwischenraum 60 ausbreitet. Nach erfolgtem Einleiten des Wärmeleitmediums 90 kann eine Wärmeabfuhr einer Wärmemenge Q von der thermisch aktiven Fläche 42 des Batteriemoduls 40 über das Wärmeleitmedium 90 zur thermisch aktiven Fläche 22 des Gehäuseelements 20 oder umgekehrt erfolgen. Von dem Gehäuseelement 20 aus kann die Wärmemenge Q an eine Umgebung U abgeführt werden.
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2 zeigt exemplarisch das Wärmeleitmedium 90 bei dessen Einleiten über eine, sich zumindest bereichsweise in dem zumindest einen Zwischenraum 60 sowie über das wenigstens eine Batteriemodul 40 und zusätzlich oder alternativ über das zumindest eine Gehäuseelement 20 erstreckende Fließkanalanordnung 50. Über die Fließkanalanordnung 50, welche mehrere Fließkanäle 52, 54 umfassen kann, kann das Wärmeleitmedium 90 vollständig und blasenfrei in dem Zwischenraum 60 verteilt werden.
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Während des Einleitens des Wärmeleitmediums 90 wird Gas in Form von Luft, über wenigstens eine Auslassöffnung 76 der Batteriemodulvorrichtung 10 aus dem Zwischenraum 60 verdrängt und an die Umgebung U des Zwischenraums 60 geleitet.
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Zudem wird vor oder während des Einleitens des Wärmeleitmediums 90 ein Unterdruck in dem zumindest einen Zwischenraum 60 erzeugt. Hierzu kann beispielsweise in dem Zwischenraum 60 enthaltenes Gas (Luft) über die wenigstens eine Auslassöffnung 76 vor oder während des Einleitens des Wärmeleitmediums 90 aus dem Zwischenraum 60 abgesaugt werden. Hierzu kann beispielsweise eine hier nicht weiter dargestellte Vakuumpumpe verwendet werden.
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Darüber hinaus wird während des Einleitens des Wärmeleitmediums 90 durch einen Überlaufsensor 12 detektiert, ob das Wärmeleitmedium 90 über die wenigstens eine Auslassöffnung 76 an die Umgebung U geleitet wird.
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Das Einleiten des Wärmeleitmediums 90 kann über zumindest eine runde Einfüllöffnung 72 und zusätzlich oder alternativ über eine langlochförmige Einfüllöffnung 74 der Einfüllöffnungsanordnung 70 erfolgen. Die langlochförmige Einfüllöffnung 74 ist schematisch in 2 und 3 angedeutet. Ebenso kann auch die Auslassöffnung 76 langlochförmig sein, wie in 3 gezeigt ist.
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Die Einfüllöffnung 72 bzw. 74 kann ebenso wie die Auslassöffnung 76 durch jeweilige Aussparungen in dem Dichtelement 80 gebildet sein. Dadurch kann die Einfüllöffnung 72 bzw. 74 und zusätzlich oder alternativ die Auslassöffnung 76 durch das Gehäuseelement 20, das Batteriemodul 40 sowie durch das Dichtelement 80 begrenzt sein, wie in 3 angedeutet ist. Dadurch kann beispielsweise auf ein spanendes Herstellen der jeweiligen Öffnung 72, 74, 76 verzichtet und insbesondere ein zu den Flächen 22, 42 paralleles und damit widerstandsarmes Einleiten des Wärmeleitmediums 90 in den Zwischenraum 60 erfolgen.
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Die Einfüllöffnung 72 kann zur besonders schnellen Befüllung des Zwischenraums 60 auch mittig, beispielsweise an dem Elementbereich 24, angeordnet sein, sodass sich die Fließfront 56 radial nach außen hin ausbreitet, wie in 3 gezeigt ist. In 3 ist zur besseren Erkennbarkeit der Fließfront 56 lediglich die Einfüllöffnung 72 als Teil des Gehäuseelements 20 gezeigt, wobei dementsprechend in 3 auf die Darstellung weiterer Bereiche des Gehäuseelements 20 verzichtet wurde. Im Bereich der Stirnkappen 44 des Batteriemoduls 40 können auch zwei einander gegenüberliegende Auslassöffnungen 76 angeordnet sein, über welche beim Einleiten des Wärmeleitmediums 90 Luft aus dem Zwischenraum 60 verdrängt werden kann, wie ebenfalls in 3 gezeigt ist. Generell kann die Anzahl der Einfüllöffnungen 72 variieren.
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Das Einleiten des Wärmeleitmediums 90 kann eine zumindest bereichsweise Deformation des Gehäuseelements 20 und zusätzlich oder alternativ des Batteriemoduls 40 bewirken, wodurch der Zwischenraum 60 wenigstens während des Einleitens des Wärmeleitmediums 90 zumindest bereichsweise aufgeweitet werden kann.
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Zur gezielten Steuerung der Fließfront 56 und Steigerung einer Geschwindigkeit des Einleitens (Injektionsgeschwindigkeit) bei gleichzeitig niedrigem Mediendruck des Wärmeleitmediums 90 können allgemein an den Flächen 22, 42, einem Batteriekasten und/oder dem Batteriemodul 40, Fließkanäle 52, 54 eingebracht werden, wie in 2 dargestellt. Diese Fließkanäle 52, 54 ermöglichen eine zielgerichtete und blasenfreie Füllung des Zwischenraums 60 (Kavität).
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Für das Verfahren können Dosieranlagen oder Klebeanlagen mit einer angepassten Applikationsdüse als Düse 110 zum Einleiten des Wärmeleitmediums 90 verwendet werden. Des Weiteren ist die Verwendung speziell angepasster Düsen 110 (z. B. Flachdüsen) denkbar, mit welchen schwer zugängliche Angussöffnungen (Einfüllöffnungen 72, 74) zwischen Batteriemodul 40 und Batteriewanne 20 erreichbar sind. Eine Dosiergeschwindigkeit (Gewindigkeit, mit welcher das Wärmeleitmedium in den Zwischenraum 60 gepresst werden kann) des Wärmeleitmediums 90 während des Einfüllens hängt von dem Mediendruck (Dosierdruck) bzw. von einer gewählten Viskosität des eingesetzten Wärmeleitmediums 90 ab. Limitiert ist die Dosiergeschwindigkeit durch die Einhaltung von Grenzwerten für den maximal zulässigen Dosierdruck (Mediendruck). Im Optimalfall ist das Gesamtsystem aus Materialeigenschaften des Wärmeleitmediums 90 und der Prozesseigenschaften so ausgelegt, dass während der Füllung der Kavität (Zwischenraum 60) eine leichte elastische Deformation des Batteriewannenbodens (Elementbereich 24) erfolgt. Hierdurch erfährt das Wärmeleitmedium 90 (TIM) in der Phase der Aushärtung ständig einen moderaten Gegendruck, welcher eine optimale Benetzung der thermisch aktiven Flächen 22, 42 mit dem Wärmeleitmedium 90 gewährleistet und eine etwaige lokale Ablösung des Wärmeleitmediums 90 (TIM) während dessen Aushärtungsprozesses verhindert.
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Das Einleiten, insbesondere Injizieren, des Wärmeleitmediums 90 kann besonders prozesssicher erfolgen, wenn als das Wärmeleitmedium 90 ein niederviskoses TIM mit einer Viskosität kleiner 100 Pa*s, verwendet wird. Das Wärmeleitmedium 90 kann ein mit Füllstoffen versehenes 1-Komponenten (1K) oder Mehr-Komponenten (beispielsweise 2K, 3K, 4K und dergleichen) Material mit entsprechender Wärmeleitfähigkeit sein. Die Viskosität dieser Materialien steht dabei in einem direkten Zusammenhang mit den Injektionsdrücken (Mediendruck) und damit den erreichbaren Injektionsgeschwindigkeiten bzw. minimalen Spaltmaßen des als Spalt ausgebildeten Zwischenraums 60. Die Viskosität des eingesetzten Wärmeleitmediums 90 (TIM) wird bevorzugt derart eingestellt, dass eine prozesssichere Injektion realisierbar ist. Besonders vorteilhaft ist, wenn sich die Viskosität das Wärmeleitmedium 90 nach dem Einleiten (nach dem Injektionsprozess) derart stark erhöht, dass eine ausreichende Standfestigkeit des Wärmeleitmediums 90 in dem Zwischenraum 60 (Kavität) gegeben ist.
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Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine Substitution von aus dem Stand der Technik bekannten Prozessen durch einen Gieß- bzw. Injektionsprozess mit speziell angepassten niederviskosen TIMs. Hiermit lässt sich eine Entkopplung der Prozessschritte „Applikation TIM“ (Einleiten des Wärmeleitmediums 90) und „Montage Batteriemodul“ (Montage des Batteriemoduls 40) erreichen, was zu einer deutlichen Komplexitätsreduzierung und einer niedrigeren Taktzeit führt.
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Von Vorteil ist dabei, dass somit eine bekannte Prozesskombination aus Modulverschraubung, Gapfillerauftrag und Gapfillerverdrängung aufgelöst wird, wodurch Einzelprozesse besser beherrschbar sind. Zudem kann eine Reduzierung der Taktanzahl und -zeit durch schnellere und einfachere Verschraubung mehrerer Batteriemodule 40 auf Anlage erfolgen. Darüber hinaus kann eine aufwändige Ermittlung eines geeigneten Applikationsbildes entfallen. Das Verfahren gestattet ebenfalls eine Reduktion der Mindestspalthöhe (Höhe des Zwischenraums 60). Des Weiteren sind Materialeinsparungen an Wärmeleitmedium 90 sowie eine Steigerung der Systemperformance möglich.
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Durch das Verfahren können im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Prozessen eine höhere Prozesssicherheit durch „InProcess-Überwachung“ des Injektionsprozesses (Einleiten), eine Verkürzung der Prozesszeit („Offenzeit“) des TIM im Vergleich zu herkömmlichen Gapfillern sowie eine dynamische und bedarfsgerechte Anpassung der Injektionsmenge erfolgen (notwendige Injektionsmenge kann mittels des Überlaufsensors 12 inline gesteuert werden). Des Weiteren ist durch das Verfahren eine prozesssichere Nacharbeitslösung gegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010751 A1 [0009]
- DE 102015219280 A1 [0010]
- DE 102011118383 A1 [0011]
- DE 102015013509 A1 [0012]
