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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkleben einer wärmeaktiven Einheit mit einem Wärmeleitelement. Die Erfindung betrifft ebenso eine zugehörige Verklebung.
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Stand der Technik
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Für den Einsatz in Hochvoltzellen werden Batteriezellen zu Modulen zusammengebaut und in das Batteriegehäuse eingebaut. Wegen der Erwärmung im Betrieb müssen die Batteriezellen gekühlt werden. Dazu werden die Batteriezellen thermisch an einen Kühler angekoppelt. Die Böden der Batteriezellen werden mit einem Wärmeleitelement verklebt. Zum Ausgleich von Toleranzen wird ein pastöses Material verwendet.
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Zum Verkleben wird ein Kleber auf das Wärmeleitelement aufgetragen. Hierfür wird der Kleber in Form von Raupen, also einzelnen Strängen auf das Wärmeleitelement aufgetragen. Anschließend wird das Wärmeleitelement an die zu einem Modul zusammengefassten Batteriezellen gepresst.
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Nachteilig daran ist, dass vor allem am Beginn und am Ende der Raupen das Aufbringen ungenau ist, das heißt es kann zu viel oder zu wenig Kleber aufgebracht werden. Zuviel aufgetragener Kleber kann abtropfen und zu Verunreinigungen in der Produktion führen. Zuwenig aufgebrachter Kleber kann die thermische Kopplung zwischen den Batteriezellen und dem Wärmeleitelement verschlechtern oder die Stabilität der Verklebung senken.
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Durch Zusätze im Kleber, die die thermische Leitung des Klebers verbessern, werden Dosierköpfe, die zum Aufbringen der Raupen genutzt werden, angegriffen.
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Um ein Heraustropfen des Klebers zu vermeiden, hat der Kleber eine relativ hohe Viskosität. Dies erfordert hohe Kräfte zum Verpressen und verschlechtert die Verteilung des Klebers. Aufgabe der Erfindung ist es die vorgenannten Nachteile zu reduzieren, wenn nicht gar zu vermeiden.
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Die Lösung dieser Aufgabe findet sich insbesondere in den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterentwicklungen an. Weitere Einzelheiten finden sich in der Beschreibung und den Figuren.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Verkleben einer wärmeaktiven Einheit, insbesondere einer Batteriezelle, mit einem Wärmeleitelement. Wenngleich im Regelfall eine Mehrzahl wärmeaktiver Einheiten mit dem Wärmeleitelement zu verkleben ist, ist die Erfindung auch für das Verkleben einer einzigen wärmeaktiven Einheit geeignet.
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Unter einer wärmeaktiven Einheit sollen jedwede Bauteile verstanden werden, denen Wärme zugeführt oder entnommen werden soll, bei denen also eine gute Wärmeleitung zu einem Wärmeleitelement gefordert sein kann. Im Regelfall handelt es sich um Bauteile die gekühlt werden sollen, also um wärmeabgebende Einheiten. Der Hauptanwendungsfall sind die bereits eingangs beschriebenen Batteriezellen.
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Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in ein Trägermaterial Kleber eingebracht wird und die wärmeaktive Einheit und das Wärmeleitelement aneinander gebracht werden, wobei sich das Trägermaterial zwischen Wärmeleitelement und wärmeaktiver Einheit befindet.
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Das Einbringen des Klebers in das Trägermaterial kann auf vielfältige Weise erfolgen. Generell besteht der Vorteil, dass das Trägermaterial den Kleber aufnehmen und für eine gleichmäßige Verteilung des Klebers sorgen kann. Damit wird erreicht, dass genügend Kleber vorhanden ist um eine gute Klebwirkung und eine gute thermische Kopplung zu erreichen, während zugleich verhindert wird, dass überschüssiger Kleber abtropft. Da das Trägermaterial den Kleber bindet, kann auch ein vergleichsweise flüssiger Kleber verwendet werden. Dies wiederum vereinfacht es den Kleber einzubringen.
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Das aneinander Bringen von wärmeaktiver Einheit und Wärmeleitelement kann durch ein aneinander Drücken erfolgen. Im Allgemeinen ist aber keine hohe Kraft erforderlich.
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In einer Ausführungsform ist das Wärmeleitelement ein Wärmeleitblech oder ist Teil eines Kühlers. Es ist sehr verbreitet, so auch im eingangs geschilderten Stand der Technik, Wärmeleitbleche einzusetzen. Diese werden an einen Kühler angeschlossen, also thermisch daran gut gekoppelt, so dass die Wärme abgeführt werden kann. Es ist aber auch möglich dass das Wärmeleitelement Teil des Kühlers ist. So kann der Kühler beispielsweise durch eine mit Kühlmittel durchströmte Platte gebildet werden. Werden die wärmeaktiven Einheiten nun auf das Wärmeleitelement geklebt, bildet die den wärmeaktiven Einheiten zugewandte Seite des Kühlers ein Wärmeleitelement.
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Auch bei Ausbildung des Wärmeleitelements als separates Bauteil muss es sich nicht ein Wärmeleitblech handeln. Auch ein gut wärmeleitendes anderes Material, etwa eine Keramik kommt in Betracht.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Einbringen von Kleber durch Eintauchen des Trägermaterials in ein Kleberbad mit Kleber. Dadurch kann in einfacher Weise Kleber sehr gleichmäßig eingebracht werden. Das Trägermaterial nimmt dabei eine definierte Menge an Kleber auf, die vom Kleber und vom Trägermaterial abhängt. Damit kann durch eine geeignete Auswahl von Kleber und Trägermaterial sichergestellt werden, dass einerseits eine gute Klebwirkung erzielt wird und andererseits kein überschüssiger Kleber abtropft. Neben den eingangs geschilderten Nachteilen des Abtropfens ist auch daran zu denken, dass überschüssiger Kleber zu unnötigem Materialverbrauch führt, der aus ökologischen wie ökonomischen Gründen zu vermeiden ist.
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In einer Ausführungsform wird das Trägermaterial durchlaufend durch das Kleberbad geführt. So kann das Trägermaterial etwa von einer Rolle abgerollt werden und durch das Kleberbad gezogen werden. Anschließend kann das Trägermaterial zugeschnitten werden. Im Normalfall ist es sinnvoll wenn das Trägermaterial die gleiche Größe aufweist wie das Wärmeleitelement. Dies ist aber nicht zwingend. So ist es auch möglich dass das Wärmeleitelement nicht vollflächig mit Trägermaterial bedeckt ist, wiewohl dies im Normallfall sinnvoll ist. Ebenso kann das Trägermaterial auf die Größe der wärmeaktiven Einheit ausgerichtet sein.
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Es ist auch möglich das Trägermaterial zunächst auf das Wärmeleitelement aufzukleben, etwa mit einer niedrigen Menge Kleber, und anschließend, das Wärmeleitelement mit dem aufgeklebten Trägermaterial in das Kleberbad einzutauchen.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Einbringen von Kleber in das Trägermaterial, indem das Trägermaterial mit Kleber besprüht wird. Dies setzt freilich voraus, dass der Kleber keine zu hohe Viskosität aufweist. Wie dargelegt ist dies bei Verwendung eines Trägermaterials ohne weiteres möglich. Das Besprühen kann dadurch erfolgen, dass Trägermaterial mit geeigneter Geschwindigkeit an einer entsprechenden Sprüheinrichtung vorbei bewegt wird.
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Als Sprüheinrichtung kann eine Anordnung von Sprühköpfen dienen. Wird ein geeigneter und definierter Druck des Klebers aufrechterhalten, so wird eine definierte Rate an Kleber versprüht. Zusammen mit der Wahl einer geeigneten Geschwindigkeit, mit der das Trägermaterial an der Sprüheinrichtung vorbei bewegt wird, kann die gewünschte Menge Trägermaterial eingebracht werden. Freilich kann auch die Sprüheinrichtung bewegt werden.
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Sprühköpfe sind lediglich ein Beispiel, es sind auch andere Sprüheinrichtungen denkbar.
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In einer Ausführungsform wird bei der Auswahl des Klebers auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit geachtet. Freilich geht es hierbei nicht um die Wärmeleitfähigkeit des Klebers an sich, sondern um die Wärmeleitfähigkeit der Verklebung. Zu beachten ist zunächst, dass die Wärmeleitfähigkeit des ausgehärteten Klebers zu beachten ist, sofern ein Kleber verwendet, wird, der aushärtet, wie dies zumeist der Fall ist.
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Ferner ist zu beachten, dass auch die thermische Kopplung des Klebers an das wärmeaktive Element und das Wärmeleitelement zu beachten ist. Würde etwa ein Kleber mit an sich hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet, der nicht vollflächig mit der wärmeaktiven Einheit verbunden wäre, so könnte die gesamte Wärmeleitung von der wärmeaktiven Einheit zum Wärmeleitelement schlechter sein als bei einem Kleber mit an sich etwas niedriger Wärmeleitfähigkeit, aber besserer Kopplung an die wärmeaktive Einheit. Freilich ist zumeist bei jedem Kleber die Verbindung zu den zu verklebenden Teilen schon deshalb gut, um eine starke Verklebung zu erreichen.
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Selbstverständlich kann ein Kleber mit hoher Wärmeleitfähigkeit auch dadurch erreicht werden, dass einem bekannten Kleber Zusätze beigemengt werden, welche die Wärmeleitfähigkeit verbessern. Die obigen Betrachtungen sind freilich auch dann zu beachten.
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In einer Ausführungsform wird Trägermaterial aus Vlies gewählt, wobei insbesondere ein Volumenvlies, wie es derzeit unter anderem von der Firma Sandler vertrieben wird, in Frage kommt. Dieses ist aus 100 % Polyester und hat bei einer Stärke von 1 cm ein Flächengewicht von ca. 120 g/m2. Bisher wird dieses Vlies für das Innere von Tages- und Krabbeldecken, Schlafsäckchen, Anoraks und dergleichen verwendet.
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Ein anderes besonders in Frage kommendes Vlies ist ein Trennvlies. Dabei handelt es sich um ein wasserdurchlässiges Geotextil aus mechanisch verfestigtem Vliesstoff. Es kann zu 100% aus Polypropylen bestehen. Bisher wird es sehr häufig im Gartenbau, Landschaftsbau und Reitplatzbau zum trennen, stabilisieren und schützen verwendet. Das luft- und wasserdurchlässige Trennvlies hat sich als Trennlage bei Verwendung von Bodengittern, Bodenwaben, Kieswaben, Kiesgitter, Paddockplatten und Paddockgittern bewährt. Dabei ist ein Flächengewicht von 110 g/m2 verbreitet.
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Vlies lässt sich leicht verarbeiten und ist gut geeignet Kleber – wie auch andere Flüssigkeiten – aufzunehmen. Vlies ist oft preiswert erhältlich und hat ein niedriges Gewicht. Gerade bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen, wie etwa beim Verkleben von Batteriezellen an einem Wärmeleitelement, spielt das Gewicht eine wichtige Rolle, da jedes zusätzliche Gewicht zu einem erhöhten Energiebedarf beim Betrieb des Kraftfahrzeugs führt.
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Beansprucht wird auch eine Verklebung zwischen einer wärmeaktiven Einheit, insbesondere einer Batteriezelle, und einem Wärmeleitelement. Die Verklebung zeichnet sich dadurch aus, dass Trägermaterial, in das Kleber eingebracht ist, zwischen der wärmeaktiven Einheit und dem Wärmeleitelement angeordnet ist.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obenstehenden Ausführungen zum zugehörigen Verfahren verwiesen.
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In einer Ausführungsform ist die Verklebung mit einem oben geschilderten Verfahren hergestellt.
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Geschützt werden soll auch eine Anordnung von wärmeaktiven Einheiten mit der geschilderten Verklebung. Ebenso soll ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Verklebung oder einer Anordnung von wärmeaktiven Einheiten geschützt werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1a mehrere Batteriezellen, die mit einem Trägermaterial, in das Kleber eingebracht ist, an ein durch ein Wärmeleitblech gebildetes Wärmeleitelement geklebt werden sollen,
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1b eine Alternative zu 1a, bei der das Wärmeleitelement Teil eines Kühlers ist.
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2 einen Aufbau um Trägermaterial durch ein Kleberbad zu ziehen und so Kleber einzubringen,
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3a und 3b einen Aufbau um in Trägermaterial, das an einem Wärmeleitelement angebracht ist, Kleber aus einem Kleberbad einzubringen.
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In 1a sind mehrere Batteriezellen 1 zu erkennen. Bei den Batteriezellen 1 handelt es sich um wärmeaktive Einheiten, da diese beim Laden und im Betrieb Wärme abgeben. Es handelt sich mithin um wärmeabgebende Einheiten. In der 1a unterhalb schließt sich ein als Trägermaterial dienendes Vlies 2 an. In das Vlies 2 ist in 1a nicht zu erkennender Kleber 6 eingebracht. An das Vlies 2 schließt sich ein als Wärmeleitelement dienendes Wärmeleitblech 3 an. Auf der dem Vlies 2 abgewandten Seite des Wärmeleitblechs 3 schließt sich ein Kühler 4 an.
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Wenn die Batteriezellen 1 an das Wärmeleitblech 3 gedrückt werden, ergibt sich aufgrund des Klebers 6, der im Vlies 2 eingebracht ist, eine Verklebung. Damit wird eine gute Wärmeleitung von den Batteriezellen 1 über das Vlies 2, in das der Kleber 6 eingebracht ist, zum Wärmeleitblech 3 erreicht.
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Vom Wärmeleitblech 3 wird die Wärme in den Kühler 4 abtransportiert. Bei dem Kühler kann es sich um eine Rohrschlange handeln, die am Wärmeleitblech 3 angebracht ist. Da im Wärmeleitblech 3 funktionsgemäß die Wärmeleitung gut ist, genügt es, wenn die Rohrschlange nur eine überschaubare Kontaktfläche mit dem Wärmeleitblech 3 aufweist.
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1b unterscheidet sich von 1a dadurch, dass kein Wärmeleitblech vorhanden ist. Das Wärmeleitelement ist vielmehr ein flächiges Teil des Kühlers 4.
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Vor dem in 1a und 1b gezeigten Verkleben ist es erforderlich den Kleber 6 in das Vlies 2 einzubringen. Hierzu ist ein in 2 dargestellter Kleberbehälter 5 vorgesehen. Der Kleberbehälter weist eine mit dem Kleber 6 gefüllte Kleberwanne auf, so dass sich ein Kleberbad 7 ausbildet.
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Das Vlies 2 wird durch das mit Kleber 6 gefüllte Kleberbad 7 geführt. Bei Betrachtung von 2 erfolgt dies von links nach rechts.
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Das Vlies 2 wird sodann auf die Größe des Wärmeleitblechs 3 zugeschnitten. Dies soll in 2 dadurch angezeigt werden, dass das Wärmeleitblech 3 dargestellt ist. Sollte wie in 1b kein Wärmeleitblech zum Einsatz kommen, erfolgt eine Orientierung an der maßgeblichen Fläche des Kühlers 4. An der Ablänglinie 8 erfolgt ein Ablängen, so dass das Vlies 2 die Länge des Wärmeleitblechs 3 erreicht. Die Breite des Vlies 2 wird von vorherein richtig gewählt. Das Vlies 2 kann von einer Rolle abgerollt werden. Auf diese Weise kann eine Serienproduktion in einfacher Weise erreicht werden.
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3a und 3b zeigen eine Alternative zu 2. Zu erkennen ist in 3a wiederum der Kleberbehälter 5, der die mit dem Kleber 6 gefüllte Kleberwanne aufweist, so dass sich ein Kleberbad 7 ergibt. Überhalb ist das Wärmeleitblech 3 zu erkennen, an dem sich das Vlies 2 befindet. Das Vlies 2 ist mit einer nicht dargestellten Vorklebung am Wärmeleitblech 3 befestigt. Diese Vorklebung kann sehr einfach ausgeführt sein, da sie lediglich die Aufgabe das Vlies 2 leicht anzukleben.
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Wie in 3b zu erkennen, wird das am Wärmeleitblech 3 mittels Vorklebung befestigte Vlies 2 in das Kleberbad 7 eingetaucht, so dass der Kleber 6 in das Vlies 2 eingebracht wird. Wie in 3b gezeigt, erfolgt dies vorzugsweise so, dass nur das Vlies 2 und die Seite des Wärmeleitblechs 3, an dem sich das Vlies 2 befindet, mit dem Kleber 6 in Kontakt kommt. Damit werden Verunreinigungen vermieden. Auch das in 3a und 3b gezeigte Verfahren eignet sich grundsätzlich auch für die in 1b gezeigte Variante ohne Wärmeleitblech 3, wobei es sich freilich um einen Kühler 4 handeln muss, der entsprechend handhabbar ist.
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Das Vlies 2, in das der Kleber 6 wie in 2 oder 3 eingebracht worden ist, kann sodann für die in 1a oder 1b gezeigte Verklebung genutzt werden.
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Damit kann in ein Kraftfahrzeug einen kompakter und gewichtssparender Energiespeicher eingebaut werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Vlies
- 3
- Wärmeleitblech
- 4
- Kühler
- 5
- Kleberbehälter
- 6
- Kleber
- 7
- Kleberbad
- 8
- Ablänglinie
