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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Zwischenraums zwischen einem Batteriemodul einer Batterieanordnung und einem Gehäusebauteil der Batterieanordnung mit einer viskosen Wärmeleitmasse mittels einer Injektionsvorrichtung, wobei die Batterieanordnung mit dem Gehäusebauteil und dem Batteriemodul bereitgestellt wird, sodass das Batteriemodul derart in Bezug auf das Gehäusebauteil angeordnet ist, dass ein Zwischenraum zwischen einer dem Gehäusebauteil zugewandten ersten Seite des Batteriemoduls und dem Gehäusebauteil bereitgestellt ist, wobei die Batterieanordnung eine fluidisch mit dem Zwischenraum verbundene Einfüllöffnung und einen von der Einfüllöffnung verschiedenen, sich in eine erste Richtung erstreckenden Entlüftungskanal aufweist, der den Zwischenraum mit einer Umgebung der Batterieanordnung fluidisch verbindet. Weiterhin wird die viskose Wärmeleitmasse in den Zwischenraum durch die Einfüllöffnung mittels der Injektionsvorrichtung eingefüllt. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung und eine Injektionsanordnung zum Befüllen des Zwischenraums.
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Hochvoltbatterien für Elektrofahrzeuge weisen typischerweise mehrere Batteriezellen auf. Diese können zum Beispiel auch zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Zur Kühlung solcher Batteriemodule können diese auf einem Kühlboden angeordnet sein. Dieser kann zum Beispiel durch ein Gehäusebauteil, zum Beispiel eines Gesamtbatteriegehäuses, bereitgestellt sein. Um bei Elektrofahrzeugen die bei der Schnellladung und beim Leistungsabruf in den Hochvoltbatterien entstehende Wärme abführen zu können, kommt zwischen Batteriemodul und Kühlboden oftmals eine Wärmeleitpaste, der sogenannte Gapfiller, zum Einsatz, die vorliegend auch als viskose Wärmeleitmasse bezeichnet wird. Das Einbringen einer solchen Wärmeleitmasse in den Zwischenraum zwischen Batteriemodul und Kühlboden kann dabei durch das Verfahren „Gapfillerinjektion“ erfolgen. Dabei wird zunächst das Batteriemodul in das leere Batteriegefache, das heißt einen durch das Batteriegehäuse bereitgestellten Aufnahmebereich, gesetzt und verschraubt. In den entstehenden Spalt zwischen Batteriemodul und Gehäuseboden wird dann der Gapfiller injiziert. Diese Vorgehensweise ist zum Beispiel in der
DE 10 2018 208 070 A1 beschrieben. Während des Einleitens des Wärmeleitmediums, das heißt der viskosen Wärmeleitmasse, kann Gas in Form von Luft über eine Auslassöffnung aus dem Zwischenraum verdrängt und an die Umgebung des Zwischenraums geleitet werden. Diese Auslassöffnung wird vorliegend auch als Entlüftungskanal bezeichnet.
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Die unter dem Batteriemodul entstandene Kavität besitzt ein definiertes Volumen, in welches der Gapfiller injiziert werden soll. Der aktuelle Prozess sieht so aus, dass der Gapfiller am einen Ende des Moduls injiziert wird, das heißt durch eine entsprechende Einfüllöffnung, und am anderen Ende, wo auch der Entlüftungskanal angeordnet sein kann, mittels eines Füllstandssensors die volumetrische Füllung überwacht wird. Als Füllstandssensor kann zum Beispiel ein Laserabstandssensor eingesetzt werden, welcher den steigenden Füllstand des Gapfillers von oben mit Blickrichtung nach unten durch den Entlüftungskanal detektiert. Sobald Material austritt, meldet der Sensor das Abschaltsignal. Dies hat jedoch mehrere Nachteile. Zum einen kann hierbei ein Materialaustritt aus der Entlüftungsöffnung beziehungsweise dem Entlüftungskanal nicht vermieden werden. Dadurch wird sehr viel Wärmeleitmasse verschwendet. Außerdem erhöht sich hierdurch das Gewicht der Batterie. Ein weiteres Problem besteht zudem darin, dass, wenn die Bauteiltoleranzen zu groß sind, der Lasersensor nicht genau das Entlüftungsloch trifft und es kommt zu einer falschen oder gar keiner Sensormeldung.
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Wünschenswert wäre es also, das Stoppen des Einfüllvorgangs nach Befüllen des Zwischenraums auf möglichst einfache Weise und gleichzeitig möglichst präzise gestalten zu können.
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Die
DE 195 11 803 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum automatischen Einfüllen von Wasser in Batteriezellen mit einem in die Zelle einsetzbaren Füllstopfen. Dieser hat zwei Anschlussstutzen für die Wasserzufuhr sowie ein von einem Schwimmer betätigtes Ventil, dessen Ventilkörper über einen schwenkbar gelagerten Verstärkungshebel mit dem zentrisch im Stopfengehäuse angeordneten Schwimmer gelenkig verbunden ist. Zwischen dem Ventil mit dem hängenden Ventilkörper und den Anschlussstutzen ist eine im Wesentlichen vertikale Überlaufwand angebracht, deren freie Oberkante höher liegt als die horizontale Bohrungsoberkante der Anschlussstutzen, von denen ein U-förmiger Zulaufkanal zu der Überlaufwand führt.
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Weiterhin beschreibt die
EP 1 753 055 A1 eine Wasserbefüllungseinrichtung für eine Batterie mit einem Wassertank und einem elektromagnetischen Ventil im Wassereinleitungspfad. Weiterhin umfasst die Wasserbefüllungseinrichtung einen Elektrolytfüllstandssensor, der das Öffnen und Schließen des elektromagnetischen Ventils steuert.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2019 210 592 B3 eine Messanordnung zur Überwachung einer Fahrzeugbatterie im Hinblick auf ein Fluidniveau, aufweisend ein Lichtwellenleiterpaar mit einem ersten und zweiten Lichtwellenleiter, welches in die Fahrzeugbatterie geführt ist, und ein optisches Modul mit einer Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines optischen Messsignals in einen ersten Lichtwellenleiter, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals in dem zweiten Lichtwellenleiter und zur Weiterleitung des Antwortsignals an eine Auswerteeinheit, sowie einem Umlenkelement, welches an der batterieseitigen Stirnseite des Lichtwellenleiterpaares angeordnet oder anordenbar ist, und mit welchem das Messsignal des ersten Lichtwellenleiters als Antwortsignal in den zweiten Lichtwellenleiter zumindest teilweise übertragbar ist.
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Ein vereinfachtes und dennoch präzises Einfüllen einer viskosen Wärmeleitmasse in einen Zwischenraum zwischen ein Batteriemodul und ein Gehäusebauteil lässt sich hierdurch jedoch nicht bewerkstelligen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, eine Batterieanordnung und eine Injektionsanordnung bereitzustellen, die ein möglichst präzises und gleichzeitig möglichst einfaches Einfüllen einer Wärmeleitmasse in einen Zwischenraum zwischen ein Batteriemodul und ein Gehäusebauteil ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Batterieanordnung und eine Injektionsanordnung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Befüllen eines Zwischenraums zwischen einem Batteriemodul einer Batterieanordnung und einem Gehäusebauteil der Batterieanordnung mit einer viskosen Wärmeleitmasse mittels einer Injektionsvorrichtung wird die Batterieanordnung mit dem Gehäusebauteil und dem Batteriemodul bereitgestellt, sodass das Batteriemodul derart in Bezug auf das Gehäusebauteil angeordnet ist, dass ein Zwischenraum zwischen einer dem Gehäusebauteil zugewandten ersten Seite des Batteriemoduls und dem Gehäusebauteil bereitgestellt ist, wobei die Batterieanordnung eine fluidisch mit dem Zwischenraum verbundene Einfüllöffnung und einen von der Einfüllöffnung verschiedenen, sich in eine erste Richtung erstreckenden Entlüftungskanal aufweist, der den Zwischenraum mit einer Umgebung der Batterieanordnung fluidisch verbindet. Weiterhin wird die viskose Wärmeleitmasse in den Zwischenraum durch die Einfüllöffnung mittels der Injektionsvorrichtung eingefüllt. Dabei ist vor dem Einfüllen der Wärmeleitmasse ein Füllstandssignalisierungskörper zumindest zum Teil im Entlüftungskanal angeordnet, wobei der Füllstandssignalisierungskörper bezüglich der ersten Richtung bewegbar ist. Dabei wird, wenn beim Einfüllen der Wärmeleitmasse die eingefüllte Wärmeleitmasse einen bestimmten Füllstand überschreitet, durch die eingefüllte Wärmeleitmasse der Füllstandssignalisierungskörper in die erste Richtung bewegt, sodass ein erstes Ende des Füllstandssignalisierungskörpers spätestens nach dem Bewegen durch die Wärmeleitmasse aus dem Entlüftungskanal hinausragt.
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Somit muss also vorteilhafterweise keine Wärmeleitmasse aus dem Entlüftungskanal austreten, um zu detektieren, dass der Zwischenraum ausreichend befüllt ist. Vorteilhafterweise kann hierzu ein Füllstandssignalisierungskörper verwendet werden, der sich im Entlüftungskanal befindet, und der entsprechend durch die Wärmeleitmasse bewegt wird, sobald diese einen bestimmten Füllstand erreicht hat beziehungsweise überschreitet. Der Füllstand definiert also eine bestimmte Steighöhe bzw. einen bestimmten Pegel der eingefüllten Wärmeleitmasse. Das Bewegen dieses Füllstandssignalisierungskörpers kann durch das aus dem Entlüftungskanal hinausragende erste Ende sehr einfach detektiert werden. Daraufhin kann das Einfüllen der Wärmeleitmasse vorteilhafterweise gestoppt werden. Dies ermöglicht somit vorteilhafterweise sowohl ein besonders einfaches Detektieren, dass nunmehr der Zwischenraum ausreichend befüllt ist, insbesondere vollständig, und zudem kann der Einfüllvorgang rechtzeitig gestoppt werden, nämlich noch bevor Wärmeleitmasse aus dem Entlüftungskanal austritt. Da sich das aus dem Entlüftungskanal hinausragende erste Ende des Füllstandssignalisierungskörpers deutlich einfacher und zuverlässiger auch bei großen Bauteiltoleranzen erfassen lässt, lassen sich zudem auch Fehldetektionen auf einfache und kostengünstige Weise vermeiden.
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Bei der Wärmeleitmasse kann es sich um den eingangs beschriebenen Gapfiller, auch Spaltfüller genannt, handeln. Eine solche Wärmeleitmasse kann insbesondere als eine Wärmeleitpaste bereitgestellt werden, die während des Einbringens, insbesondere während des Injektionsvorgangs, flüssig oder zähflüssig ist, und nach dem Einbringen aushärtet. Das Gehäusebauteil kann Teil eines Batteriegehäuses sein, z.B. der Boden eines solchen Batteriegehäuses. Bei dem Batteriegehäuse handelt es sich vorzugsweise um ein Gesamtbatteriegehäuse, in welchem neben dem ersten Batteriemodul noch weitere Batteriemodule aufgenommen werden können. Dabei kann für ein jeweiliges Batteriemodul ein korrespondierender Aufnahmebereich bereitgestellt sein. Beispielsweise kann das Batteriegehäuse in Form einer Batteriewanne bereitgestellt sein, auf welche, nachdem die Batteriemodule im Batteriegehäuse untergebracht sind, ein Gehäusedeckel des Batteriegehäuses aufgesetzt werden kann. Die jeweiligen Aufnahmebereiche können dabei voneinander räumlich separiert sein oder auch nicht. Eine räumliche Separation wird dann vorzugsweise durch Trennwände oder Trennstege bereitgestellt, durch welche das Batteriegehäuse in mehrere Aufnahmebereiche bzw. Fächer gegliedert werden kann. An Wänden und Trennwänden des Gehäuses können die jeweiligen Batteriemodule darüber hinaus auch angebunden beziehungsweise befestigt werden, zum Beispiel verschraubt werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das erste Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle, und vorzugsweise nicht nur eine einzelne Batteriezelle, sondern mehrere Batteriezellen umfasst. Diese können beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Zudem sind die Batteriezellen vorzugsweise als prismatische Batteriezellen ausgebildet. Eine Ausbildung der Zellen als Rundzellen oder Pouchzellen ist jedoch ebenso denkbar. Das Batteriemodul kann auch ein Modulgehäuse aufweisen, in welchem die Batteriezellen aufgenommen sind. Das Modulgehäuse ist vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung gebildet, kann grundsätzlich aber auch aus einem Kunststoff oder faserverstärkten Kunststoff bereitgestellt sein. Auch das Batteriegehäuse und/oder der Gehäuseboden sind vorzugsweise aus einem Metall und/oder einer Legierung gefertigt. Zudem ist der Gehäuseboden bzw. das Gehäusebauteil in Allgemeinen vorzugsweise als ein Kühlboden bzw. eine Kühleinrichtung ausgebildet. Das Gehäusebauteil kann beispielsweise zumindest einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal umfassen oder auch lediglich als Kühlplatte oder Kühlblech ausgebildet sein, an welcher eine Kühleinrichtung, insbesondere außenseitig, d.h. auf der dem im ersten Aufnahmebereich angeordneten ersten Batteriemodul gegenüberliegenden Seite des Gehäusebauteils, angeordnet ist. Durch Anbindung des Batteriemoduls über die Wärmeleitmasse an einen solchen Kühlboden kann eine besonders effiziente Kühlung der mindestens einen vom Batteriemodul umfassten Batteriezelle bereitgestellt werden.
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Die erste Seite des Batteriemoduls kann zum Beispiel eine Unterseite des Batteriemoduls definieren. Neben dieser ersten Seite kann das Batteriemodul auch noch andere Seiten umfassen, zum Beispiel eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt und eine Oberseite des Batteriemoduls definieren kann. Eine zweite Richtung kann zum Beispiel senkrecht zur ersten Richtung definiert sein. Die erste Richtung steht vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Gehäusebauteils, die dem Batteriemodul zugewandt ist. Der Füllstandssignalisierungskörper kann auch ein zweites Ende aufweisen, welches dem ersten Ende bezüglich der ersten Richtung gegenüberliegt. Entsprechend ist das zweite Ende des Füllstandssignalisierungskörpers dem Zwischenraum und dem Gehäusebauteil zugewandt.
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Weiterhin kann das Einfüllen der Wärmeleitmasse ebenfalls durch einen Einfüllkanal erfolgen, der sich in die erste Richtung erstreckt. Das dem Zwischenraum abgewandte Ende dieses Einfüllkanals kann die Einfüllöffnung darstellen. Zudem können auch im Allgemeinen mehrere solcher Einfüllöffnungen und/oder Entlüftungskanäle vorgesehen sein, insbesondere pro Batteriemodul. In diesem Fall ist zumindest in einem dieser Entlüftungskanäle ein Füllstandssignalisierungskörper, wie beschrieben, angeordnet. Die Einfüllöffnung, insbesondere der Einfüllkanal, sowie auch der Entlüftungskanal können zum Beispiel durch Gehäusebauteile des Modulgehäuses bereitgestellt sein. Beispielsweise können diese durch Seitenwände beziehungsweise Endplatten eines solchen Modulgehäuses verlaufen. Der Zwischenraum zwischen der ersten Seite des Batteriemoduls und dem Gehäusebauteil kann zudem abgedichtet beziehungsweise abgeschlossen ausgebildet sein. Die mindestens eine Einfüllöffnung und der mindestens eine Entlüftungskanal können dann die einzigen fluidischen Verbindungen dieses Zwischenraums zur Umgebung darstellen. Beim Einfüllen ist die Batterieanordnung vorzugsweise so orientiert, dass die oben definierte erste Richtung im Wesentlichen parallel zur Richtung der Schwerkraft ausgerichtet ist. Zudem ist der bestimmte Füllstand, bei dessen Überschreiten durch die Wärmeleitmasse der Füllstandssignalisierungskörper bewegt wird, so bemessen, dass der gesamte Zwischenraum mit der eingefüllten Wärmeleitmasse ausgefüllt ist, wenn die Wärmeleitmasse diesen bestimmten Füllstand erreicht. Der bestimmte Füllstand liegt also bezüglich der ersten Richtung oberhalb der ersten Seite des Batteriemoduls. Wird also die Wärmeleitmasse durch die Einfüllöffnung in den Zwischenraum eingefüllt, so steigt der Füllstand der Wärmeleitmasse, bis der Zwischenraum vollständig mit Wärmeleitmasse befüllt ist. Wird daraufhin weiterhin Wärmeleitmasse eingefüllt, so steigt der Füllstand der Wärmeleitmasse entsprechend weiter und erreicht den bestimmten Füllstand, ab welchem nun der Füllstandssignalisierungskörper nach oben bewegt wird. Dies kann detektiert werden und daraufhin entsprechend das Einfüllen der Wärmeleitmasse gestoppt werden. Der Füllstandssignalisierungskörper ist dabei vorzugsweise derart im Entlüftungskanal angeordnet, dass er ein gewisses Spiel senkrecht zur ersten Richtung innerhalb des Entlüftungskanals hat, das jedoch vorzugsweise so gering ist, dass keine Wärmeleitmasse in einen Zwischenbereich zwischen dem Füllstandssignalisierungskörper und der Kanalwandung des Entlüftungskanals eindringen kann, andererseits jedoch Luft entweichen kann. Zur besseren Entlüftung kann jedoch auch ein weiterer, zweiter Entlüftungskanal vorgesehen sein. In diesem kann dann entweder kein Füllstandssignalisierungskörper angeordnet sein oder ebenfalls ein weiterer, zweiter Füllstandssignalisierungskörper. Dadurch kann verhindert werden, dass aus dem zusätzlichen zweiten Entlüftungskanal die Wärmeleitmasse schon austritt, während der erste Füllstandssignalisierungskörper im ersten Entlüftungskanal noch keinen Kontakt zur Wärmeleitmasse hat.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird erfasst, wenn das erste Ende des Füllstandssignalisierungskörpers in die erste Richtung, insbesondere um eine bestimmte Mindestlänge, bewegt wurde, und in Abhängigkeit von dem Erfassen, dass das erste Ende bewegt wurde, wird das Einfüllen der Wärmeleitmasse durch die Einfüllöffnung gestoppt. Dadurch kann also vorteilhafterweise ein Stoppen des Einfüllens bewirkt werden, noch bevor die Wärmeleitmasse selbst aus dem Entlüftungskanal austritt.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird optisch erfasst, wenn das erste Ende des Füllstandssignalisierungskörpers in die erste Richtung bewegt wurde, insbesondere mittels einer Lichtschranke. Wird also das Ende des Füllstandssignalisierungskörpers um die oben genannte bestimmte Mindestlänge nach oben bewegt, so ragt dieses Ende in den Erfassungsbereich der Lichtschranke hinein und kann somit detektiert werden. Somit lässt sich das Bewegen des Endes des Füllstandssignalisierungskörpers auf besonders einfache und zuverlässige Weise erfassen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Füllstandssignalisierungskörper als ein Schwimmer ausgebildet. Der Füllstandssignalisierungskörper kann also eine Dichte aufweisen, die geringer ist als die Dichte der viskosen Wärmeleitmasse. Beispielsweise kann der Füllstandssignalisierungskörper aus einem Kunststoff gefertigt sein. Dies ermöglicht zudem eine besonders kostengünstige Ausbildung des Füllstandssignalisierungskörpers. Dass der als Schwimmer ausgebildete Füllstandssignalisierungskörper nach oben beziehungsweise in eine erste Richtung bewegt wird, sobald die Wärmeleitmasse den bestimmten Füllstand erreicht hat beziehungsweise überschreitet, muss aber nicht notwendigerweise beziehungsweise nicht ausschließlich auf die geringere Dichte des Füllstandssignalisierungskörpers zurückzuführen sein. Wie oben bereits beschrieben, ist es bevorzugt, dass der Füllstandssignalisierungskörper senkrecht zur ersten Richtung nur ein äußerst geringes Spiel innerhalb des Entlüftungskanals aufweist, sodass keine oder kaum Wärmeleitmasse in den Zwischenbereich zwischen diesem Füllstandssignalisierungskörper und der Kanalwandung des Entlüftungskanals gelangen kann. Der Füllstandssignalisierungskörper wird also durch den von unten ausgeübten Druck durch die Wärmeleitmasse nach oben gepresst, solange Wärmeleitmasse in die Einfüllöffnung eingefüllt wird. Das Einfüllen erfolgt dabei ebenfalls mit einem bestimmten Druck. Der Füllstandssignalisierungskörper muss also nicht notwendigerweise mit einer geringeren Dichte als die Wärmeleitmasse ausgebildet sein. Vorteilhaft ist dies dennoch, da so der Druck, um den Füllstandssignalisierungskörper nach oben zu bewegen, geringer gemessen sein kann, was einen schonenderen Einfüllprozess ermöglicht.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Füllstandssignalisierungskörper vor dem Einfüllen der Wärmeleitmasse derart im Entlüftungskanal angeordnet, dass das erste Ende aus dem Entlüftungskanal hinausragt. Mit anderen Worten ragt das erste Ende aus dem Entlüftungskanal bereits in der Ausgangsposition des Füllstandssignalisierungskörpers hinaus, das heißt vor dem Einfüllen der Wärmeleitmasse, oder zumindest bevor die Wärmeleitmasse den bestimmten Füllstand erreicht hat. Mit anderen Worten muss zu Beginn nicht der komplette Füllstandssignalisierungskörper innerhalb des Entlüftungskanals aufgenommen sein. Diese hat den großen Vorteil, dass das erste Ende, welches aus dem Entlüftungskanal hinausragt, deutlich größer und zum Beispiel senkrecht zur ersten Richtung breiter ausgestaltet werden kann. Dies erleichtert die Detektion dieses ersten Endes, wenn der Füllstandssignalisierungskörper nach oben beziehungsweise im Allgemeinen in die erste Richtung bewegt wird. Denkbar wäre es jedoch auch, dass der Füllstandssignalisierungskörper im Ausgangszustand, das heißt bevor die Wärmeleitmasse den bestimmten Füllstand erreicht, vollständig im Entlüftungskanal aufgenommen ist, und das erste Ende erst aus dem Entlüftungskanal hinausragt, wenn die Wärmeleitmasse den bestimmten Füllstand überschreitet, oder um eine bestimmte Mindestlänge überschreitet. Das erste Ende kann zum Beispiel detektiert werden, insbesondere optisch erfasst werden, sobald dieses aus dem Entlüftungskanal hinausragt.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Füllstandssignalisierungskörper einen Grundkörper und ein Fähnchen auf, das das erste Ende des Füllstandssignalisierungskörpers darstellt, und das senkrecht zur ersten Richtung gegenüber dem Grundkörper verbreitert ist. Ein solches verbreitertes Fähnchen lässt sich besonders einfach optisch, insbesondere mittels oben beschriebener Lichtschranke, erfassen. Entsprechend ist es sehr vorteilhaft, wenn das erste Ende des Füllstandssignalisierungskörpers, welches durch dieses Fähnchen bereitgestellt ist, bereits zu Beginn aus dem Entlüftungskanal hinausragt, der in der Regel äußerst eng ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Entlüftungskanal einen Durchmesser senkrecht zur ersten Richtung aufweisen, der zirka 5 Millimeter beträgt. Der Grundkörper kann zum Beispiel einen Durchmesser von zirka 4,8 Millimetern aufweisen. Das Fähnchen kann entsprechend eine Abmessung senkrecht zur ersten Richtung aufweisen, die größer ist als 5 Millimeter und zum Beispiel 1 Zentimeter oder mehr beträgt.
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Der Grundkörper des Füllstandssignalisierungskörpers kann zum Beispiel zylindrisch und langgestreckt in der ersten Richtung ausgebildet sein. Beispielsweise kann sich der Füllstandssignalisierungskörper über einen Großteil der Länge des Entlüftungskanals in der ersten Richtung erstrecken.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Stoppen des Einfüllvorgangs der gesamte Füllstandssignalisierungskörper aus dem Entlüftungskanal entfernt. Aufgrund der Elastizität der Wärmeleitmasse und des Injektionsvorgangs besteht hierbei jedoch die Möglichkeit, dass nach dem Entfernen des Füllstandssignalisierungskörpers aus dem Entlüftungskanal dennoch Wärmeleitmasse aus dem Entlüftungskanal austritt. Um dies zu vermeiden, kann es gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass nach dem Einfüllvorgang der Wärmeleitmasse der Füllstandssignalisierungskörper im Entlüftungskanal verbleibt. Mit anderen Worten ist dann der Füllstandssignalisierungskörper fester Bestandteil des Batteriemoduls der fertigen Batterie.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Stoppen des Einfüllvorgangs ein aus dem Entlüftungskanal hinausragender und das erste Ende umfassender Teil des Füllstandssignalisierungskörpers vom restlichen und zumindest zum Teil im Entlüftungskanal verbleibenden Teil des Füllstandssignalisierungskörpers entfernt, insbesondere wobei der restlichen und zumindest zum Teil im Entlüftungskanal verbleibende Teil des Füllstandssignalisierungskörpers eine Austrittsbarriere bereitstellt, die die Wärmeleitmasse am Austritt aus dem Entlüftungskanal hindert. Mit anderen Worten kann das aus dem Entlüftungskanal hinausragende Fähnchen nach dem Stoppen des Einfüllvorgangs einfach abgebrochen werden. Dies hat den großen Vorteil, dass das Fähnchen keinen zusätzlichen Bauraum beansprucht. Zudem dient der restliche im Entlüftungskanal verbleibende Füllstandssignalisierungskörper als Verschluss dieses Entlüftungskanals, sodass keine Wärmeleitmasse aus dem Entlüftungskanal ausdringen kann. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der verbleibende Rest des Zylinders, d.h. der vom Fähnchen verschiedene restliche im Entlüftungskanal verbleibende Teil des Füllstandssignalisierungskörpers nach oben formschlüssig in seiner Bewegung begrenzt sein, z.B. durch einen tellerförmigen Anschlag o.ä.. Damit kann der Zylinder nicht einfach nach oben aus dem Loch fallen bzw. durch die Wärmeleitmasse gedrückt werden. Dies ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn das Fähnchen am restlichen Füllstandssignalisierungskörper verbleiben soll. Entsprechend ist es im Allgemeinen also vorteilhaft, wenn der Füllstandssignalisierungskörper einen Anschlag aufweist, der den Füllstandssignalisierungskörper hinsichtlich einer maximalen Steighöhe in der ersten Richtung begrenzt. Diese maximale Steighöhe ist dabei größer als die Steighöhe des Füllstandssignalisierungskörpers, die der oben definierten bestimmten Mindestlänge entspricht.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung mit einem Batteriemodul und einem Gehäusebauteil, wobei das Batteriemodul derart in Bezug auf das Gehäusebauteil angeordnet ist, dass ein Zwischenraum zwischen einer dem Gehäusebauteil zugewandten ersten Seite des Batteriemoduls und dem Gehäusebauteil bereitgestellt ist, der mit einer Wärmeleitmasse befüllbar ist, wobei die Batterieanordnung eine Einfüllöffnung aufweist, die fluidisch mit dem Zwischenraum verbunden ist, und durch welche die Wärmeleitmasse in den Zwischenraum einfüllbar ist. Dabei weist die Batterieanordnung einen von der Einfüllordnung verschiedenen, sich in eine erste Richtung erstreckenden Entlüftungskanal auf, der den Zwischenraum mit einer Umgebung der Batterieanordnung fluidisch verbindet. Darüber hinaus weist die Batterieanordnung einen Füllstandssignalisierungskörper auf, der zumindest zum Teil im Entlüftungskanal angeordnet ist, wobei der Füllstandssignalisierungskörper bezüglich der ersten Richtung bewegbar ist und derart ausgebildet ist, dass er, wenn beim Einfüllen der Wärmeleitmasse die eingefüllte Wärmeleitmasse einen bestimmten Füllstand überschreitet, durch die eingefüllte Wärmeleitmasse in die erste Richtung bewegt wird, sodass ein erstes Ende des Füllstandssignalisierungskörpers spätestens nach dem Bewegen durch die Wärmeleitmasse aus dem Entlüftungskanal hinausragt.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterieanordnung.
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Die Batterieanordnung kann auch mehrere Batteriemodule aufweisen, die auf dem Gehäusebauteil angeordnet sind. Durch die Batterieanordnung kann eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt sein oder durch weitere Herstellungsschritte hergestellt werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Injektionsanordnung zum Befüllen eines Zwischenraums zwischen einem Batteriemodul und einem Gehäusebauteil eines Batteriegehäuses einer bereitgestellten, das Batteriemodul und das Gehäusebauteil umfassenden Batterieanordnung mit einer viskosen Wärmeleitmasse, wobei die Injektionsanordnung die Batterieanordnung und eine Injektionsvorrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, die viskose Wärmeleitmasse in den Zwischenraum durch eine durch die Batterieanordnung bereitgestellte Einfüllöffnung einzufüllen, die fluidisch mit dem Zwischenraum verbunden ist, und wobei die Batterieanordnung einen von der Einfüllöffnung verschiedenen, sich in eine erste Richtung erstreckenden Entlüftungskanal aufweist, der den Zwischenraum mit einer Umgebung der Batterieanordnung fluidisch verbindet. Dabei weist die Batterieanordnung einen Füllstandssignalisierungskörper auf, der zumindest zum Teil im Entlüftungskanal angeordnet ist, wobei der Füllstandssignalisierungskörper bezüglich der ersten Richtung bewegbar ist und derart ausgebildet ist, dass er, wenn beim Einfüllen der Wärmeleitmasse die eingefüllte Wärmeleitmasse einen bestimmten Füllstand überschreitet, durch die eingefüllte Wärmeleitmasse in die erste Richtung bewegt wird, sodass ein erstes Ende des Füllstandssignalisierungskörpers spätestens nach dem Bewegen durch die Wärmeleitmasse aus dem Entlüftungskanal hinausragt.
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Auch hier gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Injektionsanordnung. Darüber hinaus kann die Batterieanordnung der Injektionsanordnung durch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen bereitgestellt sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batterieanordnung und Injektionsanordnung, 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 Batterieanordnung und Injektionsanordnung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Injektionsanordnung während des Befüllens des Zwischenraums zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung der Injektionsanordnung in 1, wenn die eingefüllte Wärmeleitmasse den bestimmten Füllstand überschritten hat gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Injektionsanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Injektionsanordnung 10 weist dabei eine Batterieanordnung 12 und eine Injektionsvorrichtung 14 mit einem Injektionskopf 14a auf. Die Batterieanordnung 12 umfasst dabei ein Batteriemodul 16 sowie ein Gehäusebauteil 18, welches vorliegend einen Kühlboden eines Batteriegehäuses 20 darstellt. Neben diesem Kühlboden 18 kann das Batteriegehäuse 20, wie im vorliegenden Beispiel, auch optionale Seitenwände oder Trennwände 22 umfassen, die einzelne Aufnahmebereiche 24 zur Aufnahme jeweiliger Batteriemodule 16 voneinander separieren. Im vorliegenden Beispiel ist nur ein solches Batteriemodul 16 dargestellt. Die Batterieanordnung 12 kann aber auch noch weitere solcher Batteriemodule 16 umfassen. Das Batteriemodul 16 weist dabei mehrere hier nicht explizit dargestellte Batteriezellen auf, die zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können. Weiterhin weist das Batteriemodul 16 eine erste Seite 16a auf, welche im vorliegenden Beispiel eine Unterseite 16a des Batteriemoduls 16 darstellt. Das Batteriemodul 16 ist dabei derart in Bezug auf das Gehäusebauteil 18 angeordnet, dass die Unterseite 16a diesem Gehäusebauteil 18 zugewandt ist. Weiterhin ist das Batteriemodul 16 derart in Bezug auf das Gehäusebauteil 18 angeordnet und befestigt, dass sich ein kleiner Spalt 26, der auch als Zwischenraum 26 bezeichnet wird, zwischen dem Batteriemodul 16, genauer gesagt der Unterseite 16a des Batteriemoduls 16, und dem Gehäusebauteil 18 ergibt. Um das Batteriemodul 16 in Bezug auf das Gehäusebauteil 18 zu befestigen, kann das Batteriemodul 16 zum Beispiel mit dem Batteriegehäuse 20 verschraubt sein. Im vorliegenden Beispiel ist ein Teil des Modulgehäuses 28 des Batteriemoduls 16 auf einem Befestigungsflansch 30 des Batteriegehäuses 20 zur Anlage gebracht und kann mit diesem Befestigungsflansch 30 verschraubt sein.
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Um die thermische Anbindung des Batteriemoduls 16 an die über das Gehäusebauteil 18 bereitgestellte Kühlung zu optimieren, wird der Zwischenraum 26 mit einer Wärmeleitmasse 32 befüllt. Das Befüllen des Zwischenraums 26 erfolgt dabei mittels der Injektionsvorrichtung 14. Um die Wärmeleitmasse 32 dabei in den Zwischenraum 26 einbringen zu können, ist eine Injektionsöffnung 34 vorgesehen, die fluidisch mit dem Zwischenraum 26 verbunden ist. Diese Injektionsöffnung 34 kann das Ende eines Injektionskanals 36 darstellen, der vorliegend lediglich gestrichelt veranschaulicht ist. Dieser Injektionskanal 36 kann in einen Teil des Modulgehäuses 28 integriert sein. Um also die Wärmeleitmasse 32 in den Spalt 26 einzubringen, wird diese mittels der Injektionsvorrichtung 14 in die Einfüllöffnung 34 und über den Injektionskanal 36 in den Zwischenraum 26 eingefüllt. 1 zeigt dabei eine schematische Darstellung der Batterieanordnung 12 in einem Zustand, in welchem der Zwischenraum 26 bereits zum Teil mit der Wärmeleitmasse 32 befüllt ist.
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Ist der Zwischenraum vollständig gefüllt, so sollte das weitere Befüllen zuverlässig und einfach beendet werden. Bislang wird hierzu ein Laserabstandssensor eingesetzt, welcher den steigenden Füllstand des Gapfillers von oben mit Blickrichtung nach unten detektiert, zum Beispiel durch ein entsprechendes Entlüftungsloch beziehungsweise einen Entlüftungskanal. Sobald Material aus einem solchen Entlüftungskanal austritt, meldet der Sensor das Abschaltsignal. Bei zu großen Bauteiltoleranzen trifft der Lasersensor jedoch nicht genau das Entlüftungsloch und es kommt zu einer falschen oder gar keiner Sensormeldung.
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Dies kann nun vorteilhafterweise vermieden werden, indem ein Füllstandssignalisierungskörper 38 verwendet wird, der zur Vereinfachung im Folgenden auch einfach als Schwimmer 38 bezeichnet wird. Dieser ist in einem Entlüftungskanal 40 der Batterieanordnung 12 angeordnet. Dieser Entlüftungskanal 40 erstreckt sich dabei in einer ersten Richtung, die durch die hier dargestellte z-Richtung definiert ist, vom Zwischenraum 26 bis zur Umgebung 42 der Batterieanordnung 12 und verbindet somit den Zwischenraum 26 fluidisch mit der Umgebung 42. Ohne den Schwimmer 38 dient dieser Entlüftungskanal 40 dazu, das Entweichen der im Zwischenraum 26 befindlichen Luft aus dem Zwischenraum 26 während des Einfüllvorgangs zu ermöglichen. Der Schwimmer 38 kann dabei derart in dem Entlüftungskanal 40 angeordnet sein, dass auch weiterhin ein Entweichen von Luft aus dem Entlüftungskanal 40 möglich ist. Der Schwimmer 38 kann also senkrecht zur z-Richtung ein gewisses Spiel relativ zur Kanalwandung des Entlüftungskanals 40 aufweisen. Dieses ist dabei vorzugsweise so gering bemessen, dass keine oder kaum Wärmeleitmasse 32 zwischen den Schwimmer 38 und der Kanalwandung des Entlüftungskanals 40 gelangen kann. Weiterhin ist der Entlüftungskanal 40 im vorliegenden Beispiel ebenfalls durch einen Teil des Modulgehäuses 28 bereitgestellt. Dabei befindet sich der Entlüftungskanal 40 vorzugsweise auf der der Einfüllöffnung 34 gegenüberliegenden Seite des Batteriemoduls 16.
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Der Schwimmer 38 weist dabei einen Grundkörper 38a auf, der zum Beispiel im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein kann, und ein erstes Ende 38b, welches dem Zwischenraum 26 und dem Gehäusebauteil 18 abgewandt ist, und welches als Fähnchen 38b ausgebildet ist. Im Ausgangszustand, wie in 1 dargestellt, muss dabei nicht notwendigerweise der gesamte Schwimmer 38 im Entlüftungskanal 40 angeordnet sein, sondern es kann vorgesehen sein, dass zum Beispiel das Fähnchen 38b bereits aus dem Entlüftungskanal 40 auf der dem Gehäusebauteil 18 gegenüberliegenden Seite hinausragt. Das Fähnchen 38b kann somit gegenüber dem Grundkörper 38a verbreitert ausgebildet sein. Dies erleichtert die Detektion des Fähnchens 38b, wenn der Schwimmer 38 aufgrund des Drucks der Wärmeleitmasse 32 nach oben gedrückt wird. Ein zweites Ende 38c des Schwimmers 38 liegt dabei dem ersten Ende 38b bezüglich der z-Richtung gegenüber. Im Ausgangszustand, wie in 1 dargestellt, definiert dieses untere Ende 38c gleichzeitig auch einen bestimmten Füllstand 44, bei dessen Überschreiten durch die Wärmeleitmasse 32 der Schwimmer 38 nach oben gedrückt wird, wie in 2 dargestellt. Ist also der Zwischenraum 26 vollständig mit Wärmeleitmasse 32 befüllt und wird weiter Wärmeleitmasse 32 mittels der Injektionsvorrichtung 14 über die Einfüllöffnung 34 eingefüllt, so beginnt die Wärmeleitmasse 32 in den Entlüftungskanal 40 zu steigen und bei Überschreiten des bestimmten Füllstands 44 wird durch die eingefüllte Wärmeleitmasse 32 der Schwimmer 38 nach oben gedrückt. Dadurch bewegt sich also der Schwimmer 38 in z-Richtung zunehmend aus dem Entlüftungskanal 40 hinaus. Dies kann detektiert werden, vorzugsweise optisch, zum Beispiel mittels einer Lichtschranke 46. Durch das verbreiterte Fähnchen 38b kann das Bewegen des Schwimmers 38 aus dem Entlüftungskanal 40 hinaus besonders einfach und zuverlässig detektiert werden. Dabei ist eine sehr geringe Bewegung des Schwimmers 38 bereits ausreichend, zum Beispiel im Millimeterbereich, zum Beispiel 0,5 Zentimeter, um mittels der Lichtschranke 46 zuverlässig detektiert zu werden. Wird also der in z-Richtung, zum Beispiel um eine bestimmte Mindestlänge h, bewegte Schwimmer 38 mittels der Lichtschranke 46 detektiert, so kann in Abhängigkeit von diesem Detektionssignal das Einfüllen der Wärmeleitmasse 32 mittels der Injektionsvorrichtung 14 gestoppt werden. Somit wird das Einfüllen gestoppt, noch bevor Wärmeleitmasse 32 aus dem Entlüftungskanal 40 ausdringt.
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Mit anderen Worten besteht die neue Idee darin, dass im Entlüftungsloch 40 des Batteriemoduls 16 der beschriebene Schwimmer 38 eingebracht ist. Dieser sitzt formschlüssig mit etwas Spiel in dem Entlüftungsloch 40. Wenn nun der Gapfiller, das heißt die Wärmeleitmasse 32, die Kavität, also den Spalt 26, gefüllt hat, steigt der Gapfiller 32 in das Entlüftungsloch 40 und drückt den Schwimmer 38 dabei nach oben. Am oberen Ende des Schwimmers 38 ist ein Fähnchen 38b angebracht, welches beim Hochfahren dann eine Lichtschranke 46 auslöst und die Injektion damit beendet.
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Damit wird die Robustheit des Abschaltprozesses erheblich erhöht. Der Schwimmer 38 ist im Entlüftungsloch 40 radial klar geführt. Durch das Fähnchen 38b an der Oberseite löst die Lichtschranke 46 aus. Der Arbeitsbereich der Lichtschranke 46 in Verbindung mit der Größe des Fähnchens 38b ist viel prozesssicherer als der bisherige Prozess. Außerdem kann der Schwimmer 38 optional im Loch, das heißt im Entlüftungskanal 40, belassen werden, sodass das Austreten des Gapfillers 32 aus dem Entlüftungsloch 40 verhindert werden kann.
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Der Schwimmer 38 stellt dabei ein am Modul 16 zusätzlich verbautes Bauteil dar. Dieses steckt wie beschrieben im Entlüftungsloch 40. Der Radius des Schwimmers 38 senkrecht zur z-Richtung ist etwas geringer als der des Entlüftungsrohrs 40, sodass dieser sehr locker sitzt. Durch die Schwerkraft wird der Schwimmer 38 in seiner unteren Stellung gehalten, wie dies in 1 dargestellt ist. Wenn dann der Gapfiller 32 die Kavität 26 gefüllt hat, läuft dieser in das Entlüftungsloch 40. Der Schwimmer 38 wird dabei nach oben gedrückt. Anlagenseitig befindet sich oberhalb des Schwimmers 38, wie beschrieben, eine Lichtschranke 46 mit einem relativ großen Messfeld. Wenn nun der Schwimmer 38 mit seiner Fahne 38b an der Oberseite durch das Messfeld der Lichtschranke 46 fährt, löst diese die Abschaltung der Injektion aus. Wenn das zusätzliche Bauteil, das heißt der Schwimmer 38, nach der Injektion stört, kann es einfach nach oben entnommen werden oder es kann auch einfach lediglich das Fähnchen 38b an einer Sollbruchstelle abgebrochen oder abgetrennt werden und der restliche Teil des Schwimmers 38, insbesondere der Grundkörper 38a, kann im Entlüftungsrohr 40 verbleiben. Das Entnehmen des Schwimmers 38 oder das Entfernen des Fähnchens 38b kann manuell oder automatisiert erfolgen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Hochvoltbatterie mittels einer Gapfillerinjektion und eine Vorrichtung zum Abschalten bei Füllung bereitgestellt werden können, die es durch die Verwendung eines Schwimmers im Steigrohr, d.h. im Entlüftungskanal, ermöglichen, die vollständige Füllung des Zwischenraums frühzeitig, einfach und zuverlässig zu detektieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018208070 A1 [0002]
- DE 19511803 A1 [0005]
- EP 1753055 A1 [0006]
- DE 102019210592 B3 [0007]
