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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie. Das Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen sowie eine Kühleinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Batteriemoduls.
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Eine Batterie im Sinne der Erfindung umfasst ein Batteriemodul, das eine Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen aufweist. Diese können jeweils beispielsweise als eine prismatische Zelle, eine Rundzelle oder als eine Pouch-Zelle ausgestaltet sein. Eine solche Batteriezelle stellt hierbei bevorzugt eine Spannung im Bereich zwischen 3,5 und 4,0 Volt bereit. Insbesondere weist das jeweilige Batteriemodul eine Vielzahl an elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen auf, wobei eine Zelle-zu-Zelle-Verbindung mittels eines Zellverbinders realisiert sein kann, der an den elektrischen Anschlüssen der jeweiligen Batteriezelle angeordnet ist. Bevorzugt sind die Batteriezellen zu zumindest einem Zellstapel aneinander angeordnet und von einem Modulgehäuse ummantelt. Ein oder mehrere solcher Batteriemodule können wiederum in einem Batteriegehäuse der Batterie angeordnet sein. Die Batterie ist bevorzugt als eine sogenannte Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) ausgebildet, die dazu eingerichtet ist, eine elektrische Spannung im Bereich von mehr als 60 Volt, insbesondere im Bereich von mehreren 100 Volt, bereitzustellen. Diese kann beispielsweise in einem zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug eingesetzt werden, wo sie eine elektrische Energie zum Antreiben und/oder Versorgen des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Um ein derart angetriebenes Kraftfahrzeug besonders effizient und sicher betreiben zu können, werden hohe Anforderungen (z.B. Energiegehalt, Dichtigkeit und/oder Festigkeit) an die Batterie gestellt. Hierdurch steigen ein Bauraumverbrauch und ein Montageaufwand beim Fertigen der Batterie.
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Um einen Bauraum effizient zu nutzen und den Montageaufwand zu reduzieren, können beispielsweise Zwischenräume innerhalb des Batteriemoduls und/oder der Batterie vergossen werden. Hierzu sind aus dem Stand der Technik bereits mehrere Möglichkeiten bekannt.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2015 219 280 A1 ein Herstellungsverfahren eines Batteriesystems. Hierbei werden Batteriezellen in einem Innenraum eines Batteriesystemgehäuses oder einer Vergussform positioniert und zumindest teilweise mit mindestens einer Vergussmasse (z.B. Einphasen- oder Zweiphasen-Verguss) vergossen.
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Die
US 2018/0223070 A1 beschreibt, dass ein Zwischenraum zwischen Batteriezellen innerhalb eines Batteriemodulgehäuses durch einen syntaktischen Silikonschaumgummi ausgefüllt ist, der ein Silikongummibindemittel und hohlen Glasperlen aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Silikonschaumgummi das Batteriemodulgehäuse und/oder die mehreren Batteriezellen umhüllen.
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Aus der
US 2015/0188205 A1 ist bekannt, in Durchgangslöchern eines Batteriegehäuses mehrere Batterien anzuordnen und einen Zwischenraum mit wärmeleitenden Klebstoff (z.B. Epoxidharz) zu vergießen, um eine Wärmeübertragung von den Batterien durch das Gehäuse zu erhöhen.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2016 100 882 A1 eine Kraftfahrzeugbatterie, mit deren Hilfe ein Kraftfahrzeug elektrifiziert werden kann und insbesondere ein Hybrid- oder Batterieelektro-Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann.
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Die
DE 10 2016 211 122 A1 offenbart ein Batteriemodul, umfassend eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle, einen Zellverbinder, welcher einen Anschlusspol der ersten Batteriezelle mit einem Anschlusspol der zweiten Batteriezelle elektrisch leitfähig verbindet, und einen Wärmetauscher, welcher an dem Zellverbinder angeordnet ist und mitdiesem thermisch gekoppelt ist.
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Vor diesem Hintergrund ist es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul für eine Batterie der eingangs genannten Art mit einem geringen Bauraumverbrauch und verminderten Montageaufwand bereitzustellen. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass steigende Anforderungen (z.B. Energiegehalt, Dichtigkeit und/oder Festigkeit) an die Batterie einen Bauraumverbrauch sowie einen Montageaufwand für die Batterie bzw. ein entsprechendes Batteriemodul hierfür erhöhen. Der Bauraumverbrauch kann beispielsweise dadurch bedingt sein, dass einzelne funktionale Komponenten einen definierten Raum (Volumen) innerhalb der Batterie einnehmen und jeweils eine fertigungsbedingte Toleranz aufweisen. Um die Batterie bzw. das Batteriemodul entsprechend den Anforderungen zu fertigen, ist eine Vielzahl an Fertigungsschritten erforderlich (z.B. elektrisches und/oder thermisches Isolieren der Batteriezellen zueinander, etc.). Diese können teilweise einen großen Bauaufwand bedeuten (z.B. Laserschweißen eines Batteriemodulgehäuses). Dem kann durch die Erfindung entgegengewirkt werden.
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Durch die Erfindung ist ein Batteriemodul für eine Batterie der eingangs genannten Art eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen sowie eine Kühleinrichtung für die Batteriezellen. Jede der Batteriezellen ist jeweils von einer Unterseite, einer Oberseite mit zwei elektrischen Anschlüssen für einen jeweiligen Zellverbinder und einer Seitenfläche begrenzt. Jede der Batteriezellen, die insbesondere als prismatische Zellen ausgebildet sein können, weist die Unterseite zum Anordnen an der Kühleinrichtung sowie die zur Unterseite gegenüberliegende Oberseite auf. Seitlich, d. h. zwischen der Oberseite und der Unterseite, ist jede der Batteriezellen von der Seitenfläche umhüllt. In Abhängigkeit von einer Bauart der jeweiligen Batteriezelle (z.B. prismatische, Rund- oder Pouch-Zelle) und einer dadurch vorgegebenen Form kann die Seitenfläche eine Mantelfläche eines Zylinders darstellen, der eine runde und/oder eine eckige Grundfläche aufweist. Um die Batteriezellen elektrisch miteinander zu verbinden, können die beiden elektrischen Anschlüsse über den jeweiligen Zellverbinder entsprechend eines vorgegebenen Schaltplans elektrisch leitend miteinander verbunden, d. h. kontaktiert werden. Der jeweilige Zellverbinder kann beispielsweise als eine Stromschiene realisiert sein. Beim Betreiben der Batteriezellen kann Wärme entstehen, die von den Batteriezellen über die Kühleinrichtung abgeführt werden kann. Die Kühleinrichtung, die beispielsweise als ein Plattenwärmetauscher ausgebildet sein kann, kann hierzu thermisch leitend über die Unterseite der jeweiligen Batteriezelle verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der Kühleinrichtung bei Bedarf Wärme zugeführt werden. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung einen Strangpressprofilabschnitt oder ein gelötetes Doppelblech umfassen.
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Innerhalb des Batteriemoduls können die Batteriezellen zur Kühleinrichtung sowie zueinander beabstandet angeordnet sein. Dadurch sind ein erster Hohlraum zwischen der Kühleinrichtung und der Unterseite jeder der Batteriezellen und ein zweiter Hohlraum, der die Seitenfläche jeder der Batteriezellen umhüllt, ausgebildet. Der zweite Hohlraum kann somit von einem Abstand zwischen zwei der Batteriezellen und alternativ oder zusätzlich zwischen einer der Batteriezellen und einer Kontur, d.h. einem Umriss des Batteriemoduls definiert, d.h. vorgegeben sein. Die Kontur des Batteriemoduls kann beispielsweise während einer Fertigung des Batteriemoduls von einem Werkzeug und/oder einem Batteriemodulgehäuse vorgegeben sein. Diese Hohlräume, d. h. der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum, sind mit einem jeweiligen Vergussmaterial, d.h. einem ersten Vergussmaterial und einem zweiten Vergussmaterial, ausgefüllt. Insbesondere kann das jeweilige Vergussmaterial als ein Duroplast (z.B. gehärtetes Kunstharz) und/oder ein Elastomer (z.B. Silikon) ausgebildet sein, das während der Fertigung flüssig ist und zum Bereitstellen des Batteriemoduls aushärten, d.h. vernetzen. Insbesondere kann das jeweilige Vergussmaterial zwei voneinander unterschiedliche Werkstoffe einer selben Art, d.h. zwei unterschiedliche Duroplaste oder zwei unterschiedliche Elastomere, umfassen. Beispielsweise kann es sich bei dem Duroplast um ein Reaktionsharz auf Epoxid- und/oder Polyurethanbasis handeln, die durch Kettenpolymerisation und/oder Polyaddition bei geringer Temperatur und Atmosphärendruck aushärten. Dabei kann das jeweilige Vergussmaterial dazu dienen, die Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls zu befestigen. Zusätzlich kann das jeweilige Vergussmaterial eine von einer Befestigungsfunktion abweichende Funktion aufweisen. Diese Funktion kann beispielsweise durch Zugabe eines entsprechenden Füllstoffes realisiert sein. Um eine Wärmeleitung und eine elektrische Isolierung des mit dem ersten Vergussmaterial ausgefüllten ersten Hohlraums zwischen den Batteriezellen und der Kühleinrichtung bereitzustellen, umfasst das erste Vergussmaterial daher einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Füllstoff. Hierzu können beispielsweise halb-/metallische Partikel aus einem Aluminium-, Silizium- oder Borwerkstoff eingebettet sein. Dadurch kann besonders effizient Wärme von den Batteriezellen zur Kühleinrichtung übertragen werden und umgekehrt. Beispielsweise kann mittels des ersten Vergussmaterials eine Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 3 Watt pro Meter und Kelvin sowie eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von kleiner 5 Kilovolt pro Millimeter bereitgestellt sein. Dabei kann besonders vorteilhaft auf ein Anbringen eines kostenintensiven Wärmeleitmaterials verzichtet werden. Um eine Wärmeleitung zwischen zwei der Batteriezellen und alternativ oder zusätzlich zwischen von einer der Batteriezellen nach außen in eine Umgebung des Batteriemoduls zu verhindern oder zu begrenzen, kann das zweite, den zweiten Hohlraum ausfüllende Vergussmaterial einen thermisch isolierenden zweiten Füllstoff aufweisen. Der zweite Füllstoff kann beispielsweise Hohlkugeln aus Glas, Keramik und/oder Kunststoff umfassen, die zusätzlich eine Dichte des zweiten Vergussmaterials verringern und/oder bei Aufblähen (Swelling) einer der Batteriezellen nachgeben. Dabei kann auch eine Wärmeübertragung ausgehend von zumindest einer der Batteriezellen an die Umgebung des Batteriemoduls über die Seitenfläche der jeweiligen der Batteriezellen verhindert werden. Durch das erste und zweite Vergussmaterial kann bereits ein Zweiphasen-Verguss realisiert sein.
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Zusätzlich weist das Batteriemodul einen dritten Hohlraum auf, der die Oberseite mit den beiden elektrischen Anschlüssen jeder der Batteriezellen und den jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder umhüllt. Der dritte Hohlraum ist mit einem dritten Vergussmaterial ausgefüllt, dass füllstofflos ist oder einen dritten Füllstoff aufweist, der von dem ersten Füllstoff und dem zweiten Füllstoff verschieden ist. Somit sind die beiden elektrischen Anschlüsse sowie die Oberseite jeder der Batteriezellen sowie der jeweilige die Batteriezellen elektrisch verbindende Zellverbinder von dem dritten Vergussmaterial eingebettet. Das dritte Vergussmaterial kann wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten und dem zweiten Vergussmaterial als aushärtendes Duroplast vorliegen. Liegt der dritte Füllstoff vor, kann dieser beispielsweise Verstärkungsfasern und/oder daraus gefertigte Faserhalbzeuge (z.B. Gewebe, Matten) umfassen, sodass der dritte Vergusswerkstoff als ein Faserverbundkunststoff ausgebildet sein kann. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise als Glasfasern und/oder als Polyamidfasern (z.B. Kevlar) ausgebildet sein. Alternativ kann das dritte Vergussmaterial auf eine Füllstoffzugabe verzichten. Vorteilhafterweise kann durch das dritte Vergussmaterial für das Batteriemodul und die zugehörigen Komponenten (Batteriezellen, Kühleinrichtung, erstes und zweites Vergussmaterial) eine tragende Struktur bereitgestellt werden.
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Durch einen derartigen Dreiphasen-Verguss ergibt sich der Vorteil, dass ein Bauraum reduziert sowie eine Anzahl an Fertigungsschritten vermindert werden kann. Dies kann beispielsweise aus einem Verzicht auf eine elektrische und/oder thermische Isolierung zwischen den Batteriezellen resultieren. Des Weiteren können Kosten der Fertigung verringert werden, da beispielsweise auf Wärmeleitmaterial zwischen den Batteriezellen und der Kühleinrichtung verzichtet werden kann.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das dritte Vergussmaterial das zweite Vergussmaterial zumindest teilweise umhüllt, sodass das dritte Vergussmaterial das Batteriemodul nach außen parallel zur Oberseite und zur Seitenfläche jedes der Batteriezellen bedeckt. Somit begrenzt das dritte Vergussmaterial das Batteriemodul gegen die Umgebung. Insbesondere können alle bis auf eine Seite des Batteriemoduls von dem dritten Vergussmaterial bereitgestellt werden, wobei die eine davon ausgenommene Seite von der Kühleinrichtung gebildet sein kann. Beispielsweise kann der dritte vom dritten Vergussmaterial auszufüllende Hohlraum als eine Wanne ausgestaltet sein. Die Wanne kann dazu ausgebildet sein, sämtliche Komponenten des Batteriemoduls bis auf die Kühleinrichtung aufzunehmen, d. h. zu umhüllen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf das Batteriemodulgehäuse vollständig verzichtet werden kann und dadurch auch jene dem Batteriemodulgehäuse zugeordnete Fertigungsschritte (z.B. Verkleben der Batteriezellen mit dem Batteriemodulgehäuse sowie dessen Herstellung mittels Schweißen) hinfällig sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass an einer der Batteriezellen, die das Batteriemodul nach außen begrenzt, ein Befestigungselement zum Krafteinleiten in das und/oder zum Befestigen des Batteriemoduls parallel zu der Seitenfläche jeder der Batteriezellen angeordnet ist. Somit kann zwischen der einen das Batteriemodul nach außen begrenzenden der Batteriezellen und der Umgebung des Batteriemoduls das Befestigungselement positioniert sein. Das Befestigungselement kann beispielsweise als ein metallischer Rohrabschnitt (Hülse) ausgebildet sein, wobei innerhalb des Batteriemoduls eine Längserstreckungsrichtung des Befestigungselements parallel zu der Seitenfläche jeder der Batteriezellen ist. Über das Befestigungselement kann das Batteriemodul besonders einfach mechanisch angebunden werden, beispielsweise an ein Batteriegehäuse der Batterie und/oder das Kraftfahrzeug.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Befestigungselement umgossen ist. Insbesondere kann das Befestigungselement entlang einer das Befestigungselement begrenzenden Mantelfläche vollumfänglich umhüllt sein. Mittels des vergossenen Befestigungselements kann besonders vorteilhaft die Krafteinleitung in das Batteriemodul realisiert sein. Dabei kann zumindest eine Stirnseite des Befestigungselements ohne Hülle vorliegen. Dabei ist das Befestigungselement von dem zweiten Vergussmaterial und dem dritten Vergussmaterial umhüllt. Somit bleibt das Befestigungselement beim Einbringen des ersten Vergussmaterials unberücksichtigt, sodass beim Fertigen das Befestigungselement flexibel davor oder danach positioniert werden kann. Alternativ ist das Befestigungselement von dem ersten Vergussmaterial und dem zweiten Vergussmaterial und dem dritten Vergussmaterial umgossen. Somit grenzt das Haltelement an alle drei Vergussmaterialien an. Dadurch kann die Mantelfläche eine besonders großflächige Anbindung die Vergussmaterialien aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Batteriemodul das Befestigungselement und zumindest ein weiteres Befestigungselement aufweist. Somit liegen in dem Batteriemodul zwei oder mehr Befestigungselemente vor. Dadurch kann das Batteriemodul besonders vorteilhaft an mehreren Stellen über die Befestigungselemente befestigt werden. Hierzu sind das Befestigungselement und das zumindest eine weitere Befestigungselement an einander entgegengesetzten Seiten und/oder an einander entgegengesetzten Ecken des Batteriemoduls angeordnet. Beispielsweise kann das Batteriemodul eine prismatische Form mit einer rechteckigen Grundfläche und vier Seiten, wobei jeweils zwei der vier Seiten zueinander parallel angeordnet sind, aufweisen. Dabei kann das Befestigungselement an einer linken Seite und das zumindest eine weitere Befestigungselement an einer der linken Seite gegenüberliegenden rechten Seite positioniert sein. Alternativ oder zusätzlich können die beiden Befestigungselemente jeweils in denjenigen Ecken liegen, die eine Diagonale der Grundfläche bilden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform hierzu sieht vor, dass zwischen dem Haltelement und dem zumindest einen weiteren Haltelement ein flächiges Verstärkungselement parallel zu der Seitenfläche jeder der Batteriezellen angeordnet ist. Das Verstärkungselement kann beispielsweise eine Platte oder ein Blech sein, wobei das Verstärkungselement vollflächig oder mit zumindest einem Winkel (Eckprofil) ausgebildet sein kann. Hierdurch kann eine mechanische Festigkeit des Batteriemoduls besonders einfach durch Anordnung des Verstärkungselements erhöht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest zwei der drei Vergussmaterialien eine gleiche Matrix aufweisen. Als Matrix wird hierbei ein Grundmaterial des jeweiligen Vergussmaterials bezeichnet. Dadurch kann beim Ausfüllen von zumindest zwei der drei Hohlräume die gleiche Matrix verwendet werden, wobei gegebenenfalls einer der drei Füllstoffe zugefügt ist. Dadurch kann ein Verguss des Batteriemoduls besonders einfach und schnell realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Vergussmaterial als den ersten Füllstoff Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und/oder Bornitrit umfassen. Dadurch kann besonders effizient und kostengünstig die Wärmeleitfähigkeit und eine elektrische Isolierfunktion des ersten Vergussmaterials bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das zweite Vergussmaterial ungeschäumt, d. h. ohne Zugabe eines Treibmittels, vorliegt und als zweiten Füllstoff mehrere geschlossene Hohlkörper aufweist. Die Hohlkörper können beispielsweise Hohlkugeln aus Glas, Keramik und/oder Kunststoff sein. Dadurch, dass das zweite Vergussmaterial ungeschäumt vorliegt, kann ein Vorliegen offener Poren innerhalb des zweiten Vergussmaterials verhindert und eine Dichtigkeit des zweiten Vergussmaterials gegen einen Eintritt von Fremdkörpern (z.B. Schmutz, Salz) und/oder Feuchte sichergestellt sein.
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Durch die Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie ein Batteriemodul aufweist. Bei dem Batteriemodul handelt es sich vorzugsweise um eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug als ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ausgebildet, wobei eine Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug von der Batterie bereitgestellt werden kann. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als ein Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Durch die Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Bei dem Batteriemodul handelt es sich vorzugsweise um eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Das Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen, die jeweils von einer Unterseite, einer Oberseite mit zwei elektrischen Anschlüssen für einen jeweiligen Zellverbinder und einer Seitenfläche begrenzt sind. Ferner umfasst das Batteriemodul eine Kühleinrichtung für die Batteriezellen. In einem ersten Schritt werden die Batteriezellen an der Kühleinrichtung positioniert. Beispielsweise können die Batteriezellen mittels eines Montagerahmens, der als ein Gitter ausgebildet sein kann, innerhalb einer Vergussform angeordnet werden. Des Weiteren kann ein elektrisches Verbinden der Batteriezellen erfolgen, wobei an den beiden elektrischen Anschlüssen an der Oberseite jeder der Batteriezellen der jeweilige Zellverbinder angeordnet werden kann. In einem zweiten Schritt wird ein erster Hohlraum zwischen der Kühleinrichtung und der Unterseite jeder der Batteriezellen mit einem ersten Vergussmaterial ausgefüllt, wobei das erste Vergussmaterial einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Füllstoff aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann auch zunächst der erste Hohlraums an der Kühleinrichtung mit dem ersten Vergussmaterial ausgefüllt werden, wobei hierbei der erste Hohlraum von der Kühleinrichtung und der Unterseite jeder der zu positionierenden Batteriezellen vorgegeben ist, und anschließend jede der Batteriezellen an der Kühleinrichtung angeordnet werden. Dabei können die Batteriezellen beispielsweise in die bereits aufgetragene erste Vergussmasse eingepresst werden. Nach dem Ausfüllen des ersten Hohlraums wird ein zweiter Hohlraum in einem nachfolgenden Schritt, der die Seitenfläche jeder der Batteriezellen umhüllt, mit einem zweiten Vergussmaterial ausgefüllt, wobei das zweite Vergussmaterial einen thermisch isolierenden zweiten Füllstoff umfasst. Nach dem Ausfüllen des zweiten Hohlraums wird ein dritter Hohlraum mit einem dritten Vergussmaterial in einem nachfolgenden Schritt ausgefüllt. Der dritte Hohlraum umhüllt die Oberseite mit den zwei elektrischen Anschlüssen jeder der Batteriezellen und den jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder. Das dritte Vergussmaterial ist füllstofflos oder weist einen dritten Füllstoff auf, der von dem ersten Füllstoff und dem zweiten Füllstoff verschieden ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass vor oder nach dem Ausfüllen des ersten Hohlraums an einer der Batteriezellen, die das Batteriemodul nach außen begrenzt, ein Befestigungselement zum Krafteinleiten in das und/oder zum Befestigen des Batteriemoduls parallel zu der Seitenfläche jeder der Batteriezellen angeordnet wird. Dadurch kann eine Fertigung des Batteriemoduls besonders flexibel gestaltet sein, wobei das Befestigungselement in Abhängigkeit davon, ob eine Anbindung an das erste Vergussmaterial erforderlich ist oder darauf verzichtet werden kann, positioniert werden kann.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Batteriemoduls einer Batterie für ein Kraftfahrzeug bei einem ersten Fertigungsschritt;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls bei einem zweiten Fertigungsschritt;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls bei einem dritten Fertigungsschritt; und
- 4 eine schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls bei einem vierten Fertigungsschritt und in einem hergestellten Zustand.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung beispielhaft ein Batteriemodul 10 für eine Batterie 12 eines schematisch angedeuteten Kraftfahrzeugs 14 bei einem ersten Fertigungsschritt S1. Das Batteriemodul 10 umfasst sieben in x-Richtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen 16, die jeweils von einer Unterseite 18, einer Oberseite 20 und einer Seitenfläche 22 begrenzt sind. Die Batteriezellen 16 können innerhalb eines nicht dargestellten Werkzeugs (Vergussform) mittels eines nicht dargestellten Montagerahmens (Gitter) positioniert sein. An der Oberseite 20 (d.h. in z-Richtung) sind zwei elektrischen Anschlüsse 24 angeordnet, die zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen 16 über jeweilige Zellverbinder 26 verbunden sind, wobei vorliegend lediglich einer der zwei Anschlüsse 24 und einer der Zellverbinder 26 dargestellt sind. Die Batteriezellen 16 sind jeweils mit ihrer Unterseite 18 (d.h. Ursprung der z-Richtung) zu einer Kühleinrichtung 28 beanstandet angeordnet, wobei die Kühleinrichtung 28 in x-Richtung sieben Kühlkanäle 30 aufweist, die zum Ab-/Zuführen von Wärme von einem Kühlmedium durchströmt werden können. Parallel zu der Seitenfläche 22 jeder der Batteriezellen 16 sind zwei als Hülsen ausgebildete Befestigungselemente 32a, 32b angeordnet, die das Batteriemodul 10 seitlich jeweils links und rechts nach außen begrenzen und somit an zwei einander entgegengesetzten Seiten 34a, 34b des Batteriemoduls 10 angeordnet sind. Des Weiteren ist eine Injektionslanze 36 für die weiteren Fertigungsschritte S2-S4 gezeigt. Der Übersicht halber sind jeweils nur eine der Batteriezellen 16, einer der elektrischen Anschlüsse 24 und einer der Kühlkanäle 30 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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Die 2 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in der 1 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine weitere schematische Schnittdarstellung des Batteriemodul 10 bei einem zweiten Fertigungsschritt S2. Zunächst wird ein erster Hohlraum zwischen der Kühleinrichtung 28 und der Unterseite 18 jeder der Batteriezellen 16 mit einem ersten Vergussmaterial 38a ausgefüllt. Das erste Vergussmaterial 38a weist einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Füllstoff (z.B. Aluminiumhydroxid oder Aluminiumoxid) auf. Dabei wird das erste Vergussmaterial 38a über die Injektionslanze 36 in den ersten Hohlraum eingebracht, wobei hierbei die Injektionslanze 36 relativ zu einer Einfüllmenge des ersten Vergussmaterials 38a in z-Richtung bewegt wird, wie mit einem Pfeil P1 angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Fertigungsschritt S2 vor dem ersten Fertigungsschritt S1 durchgeführt werden, wobei der erste Hohlraum von der Kühleinrichtung 28 und der Unterseite 18 jeder der zu positionierenden Batteriezellen 16 vorgegeben ist.
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Die 3 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in den 1-2 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine weitere schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls 10 bei einem dritten Fertigungsschritt S3. Ein zweiter Hohlraum, der die Seitenfläche 22 jeder der Batteriezellen 16 umhüllt, wird mit einem zweiten Vergussmaterial 38b ausgefüllt, dass einen thermisch isolierenden zweiten Füllstoff (z.B. geschlossene Hohlkörper) aufweist. Das zweite Vergussmaterial 38b ist insbesondere ungeschäumt. Beim Einbringen des zweiten Vergussmaterials 38b wird die Injektionslanze 36 relativ zu einer Füllmenge des zweiten Vergussmaterials 38b in z-Richtung verlagert, wie mit einem Pfeil P2 angedeutet ist.
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Die 4 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in den 1-4 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine weitere schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls 10 bei einem vierten Fertigungsschritt S4. Ein dritter Hohlraum, der die Oberseite 20 mit den zwei elektrischen Anschlüssen 24 und den jeweiligen daran angeordneten Zellverbinder 26 umhüllt, wird mit einem dritten Vergussmaterial 38c ausgefüllt. Das dritte Vergussmaterial 38c kann füllstofflos sein oder einen dritten Füllstoff aufweisen, der sich von dem ersten Füllstoff und dem zweiten Füllstoff unterscheidet. Dabei umhüllt das dritte Vergussmaterial 38c das zweite Vergussmaterial 38b wannenartig an den beiden Seiten 34a, 34b des Batteriemoduls 10 sowie einer der Kühleinrichtung 28 gegenüberliegenden Seite des Batteriemoduls 10. Dabei wird die Injektionslanze 36 relativ zu einer ein Füllmenge des dritten Vergussmaterials 38c in z-Richtung bewegt, wie mit einem Pfeil P3 angedeutet ist. Somit zeigt die 4 - abgesehen von der Injektionslanze 36 - das Batteriemodul 10 nach seiner Herstellung.
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Werden die beiden Befestigungselemente 32a, 32b in dem in der 1 gezeigten Fertigungsschritte S1 bereitgestellt, dann werden sie von sämtlichen der drei Vergussmaterialien 38a, 38b, 38c umgossen, wobei die Stirnseiten jeweils frei liegen. Alternativ können die beiden Befestigungselemente 32a, 32b erst zwischen den Fertigungsschritten S2 und S3 angeordnet werden, sodass diese nur von dem zweiten Vergussmaterial 38b und dem dritten Vergussmaterial 38c umgossen werden können. Zum Erhöhen einer Festigkeit kann zwischen den beiden Befestigungselemente 32a, 32b ein nicht dargestelltes flächiges Verstärkungselement, zum Beispiel ein Blech, angeordnet werden. Zumindest zwei der drei Vergussmaterialien 38a, 38b, 38c können dieselbe Matrix (z.B. Epoxidharz) aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Hochvolt-Batteriespeichersystem (Batterie 12) für das als Elektrofahrzeug (Battery Electric Vehicle) ausgebildete Kraftfahrzeug 14 hohe Anforderungen/ Randbedingungen hinsichtlich Energieinhalt, Dichtigkeit und/oder Sicherheit erfüllen sollen. Um den jeweiligen Randbedingungen zu genügen, ist die Batterie 12 derart aufgebaut, dass sie aus mehreren verschalteten Batteriezellen 16 besteht, die zu einem Batteriemodul 10 zusammengefügt und in ein Batteriegehäuse der Batterie 12 eingebaut werden. Dabei nehmen die Batteriezellen 16 ein Aktivmaterial auf. Das Batteriemodul 10 hat zudem als Aufgabe, eine durch Aufblähen der Batteriezellen 16 bedingte Kraft (Swelling-Kraft) aufzunehmen und diese elektrisch zu isolieren. Das Batteriegehäuse kann eine Betriebslast und/oder eine Crashkraft aufnehmen und schützt somit eine Hochvolt-Elektronik inkl. Batteriezellen 16 mit einem Deckel gegen Schmutz, Salz und/oder Feuchtigkeit.
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Durch eine derartige Aufgabenteilung zwischen Komponenten (Batteriezellen 16, Batteriemodul 10 und Batteriegehäuse) der Batterie 12 ist ein Bauraumverbrauch relativ hoch. Denn jede einzelne der Komponenten benötigt einen definierten Raum und zusätzlich ist eine Toleranz der jeweiligen Komponente zur Sicherstellung vorzusehen. Zudem ist ein Herstellungsaufwand des Batteriemoduls 10 hoch. Dieser kann umfassen:
- - Ummantelung der Batteriezellen 16 zur Sicherstellung einer elektrischen Isolation;
- - Einfügen einer thermischen Isolationsschicht zwischen den Batteriezellen 16 zur Vermeidung eines thermischen Durchgehens (Thermal Runaway);
- - Einfügen von Schäumen zwischen den Batteriezellen 16 zur Aufnahme der Swelling-Kraft;
- - Belasten der Batteriezellen 16 mit Druck;
- - Verkleben von Batteriezellen 16 mit einem Modulgehäuse;
- - Verschweißen des Modulgehäuses;
- - Integration von Lasteinleitungspunkten; und
- - Einsetzen des Batteriemoduls 10 in einen Batteriekasten der Batterie 12.
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Daher ist angedacht, das Batteriemodul 10 durch Verguss herzustellen. Dazu werden die Batteriezellen 16 ohne Beschichtung zueinander positioniert und anschließend mit einem Polymer (Vergussmaterialien 38a, 38b, 38c) vergossen. Dieses Polymer kann durch ein 3/4K-Verguss (Dreiphasen- oder Vierphasenverguss) verschiedene technische Eigenschaften erfüllen. So erfüllt das Polymer (erstes Vergussmaterial 38a) die elektrische Isolation von Zelle zu Zelle, d.h. zwischen den Batteriezellen 16, da das Polymer elektrisch isolierend ist. Zudem kann durch Zumischen von Hohlkugeln das Polymer (zweites Vergussmaterial 38b) im Interface (Kontaktbereich) als ein sogenannter Swellingschaum bzw. als eine thermisch isolierende Isolationsschicht eingesetzt werden. Alternativ kann ein Treibmittel dem Polymer (zweites Vergussmaterial 38b) zugefügt werden. Das Polymer (drittes Vergussmaterial 38c) dient als Krafteinleitung in das Batteriemodul 10. Dazu werden in das Polymer (drittes Vergussmaterial 38c) Inserts (Befestigungselemente 32a, 32b) vergossen, die ein mechanisches Anbinden des Batteriemoduls 10 an das Kraftfahrzeug 14 ermöglichen.
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Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile:
- - Bauraumreduktion bzw. Steigerung eines Energieinhalts;
- - Reduktion der Fertigungsschritte (beispielsweise von 8 auf 2 Schritte); und
- - Kostenreduktion.
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Zur technischen Umsetzung können folgende Fertigungsschritte S1 bis S4 durchgeführt werden:
- (S1) Positionieren der Batteriezellen 16 zueinander und Einfahren mit der Injektionslanze 36;
- (S2) Injektion des ersten Vergussmaterials 38a, das bspw. als ein wärmeleitender Klebstoff (WTL Klebstoff), d.h. Polymer (Matrix) mit dem ersten Füllstoff;
- (S3) Injektion des zweites Vergussmaterials 38b (Schaum), d.h. Polymer (Matrix) mit dem zweiten Füllstoff (Hohlkugeln); und
- (S4) Injektion des dritten Vergussmaterials 38c (Schaum), d.h. Polymer (Matrix) ohne Füllstoff.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie das Batteriemodul 10 gehäuselos und mit integralen Lasteinleitungspunkten (drittes Vergussmaterial 38c und Befestigungselemente 32a, 32b) bereitgestellt werden kann.
