用于将导热物料引入到电池模块中的方法和注射结构与流程

1.本发明涉及一种用于将导热物料引入到电池模块中的至少一个第一自由空间中的方法，其中，该电池模块设有模块壳体和布置在模块壳体中的、具有至少一个电池单体的单体组，其中，模块壳体具有第一壳体侧和与第一壳体侧对置的第二壳体侧，其中，单体组具有面向第一壳体侧的第一侧和面向第二壳体侧的、与第一侧对置的第二侧，其中，单体组这样布置在壳体中，使得在单体组的第一侧与第一壳体侧之间是第一自由空间，在第二侧与第二壳体侧之间是第二自由空间。此外，将导热物料填充到第一自由空间中。此外，本发明还涉及一种注射结构/注射布置。


背景技术：

2.从现有技术中已知用于容纳一个或多个电池模块、特别是用于高压电池的电池壳体。通常在壳体底部下方布置有冷却设备，以便能够将热量从电池模块通过壳体底部散发到冷却设备。原则上，这种冷却设备也可以布置在电池模块的任意另一侧。为了改善与这种冷却设备的热连接，还已知了，使用也称为间隙填充物的导热物料，其可以被引入到那些例如在模块壳体与冷却底板之间的间隙中。在此，还存在用于引入这种导热物料的多种可能性。例如，可以将这种物料施加到冷却底板上，然后可以将电池模块放置在其上。例如，在文献de 10 2018 222 459 a1中描述了类似的做法。由于这种间隙填充物是一种非常粘稠的物质，因此在压紧模块时极大的力会作用在这种电池模块上，并且也会作用在冷却底板上，这需要额外措施、例如用于支撑冷却底板的支架。更温和的变体在于，通过相应的入口将这种导热物料注入或注射到已经放置在底板上或插入壳体中的电池模块与底板本身之间的间隙中，例如像在文献de 10 2019 208 806b3中描述的那样。在此，这种注射过程对于电池模块来说要温和得多。
3.此外，从现有技术中还已知，例如在文献ep 3 444 889a1中描述的，将导热粘合剂注射到电池模块本身中，以改善容纳在这种模块或模块壳体中的电池单体与壳体之间的热连接。在此，尝试通过以下措施来减少由注射压力引起的对于电池单体的负载：例如通过设置在壳体底侧中的多个注射孔同时注射这种导热粘合剂或在注射时垂直对齐模块并且将注射物料注射在上部边缘处，使得该注射物料额外地在重力的影响下分布。
4.这种作用在电池单体上的压力恰好在电池单体例如是袋式单体时是有问题的，因为它们的壳体通常由两个在边缘处彼此连接的薄箔形成，其中，这种边缘相应地会具有周向折叠接缝或卷边或折叠区域、即通常向外突出的连接区域。由于该突出边缘相应地压靠在彼此对置的壳体内侧上，因此作用于电池单体的一侧上的喷射压力会导致在该单体的另一侧上非常高的局部压力负载。这又会导致损坏电池单体。在此，上述减压措施仅在一定条件下是有利的。相应地还存在能够将这种导热物料以更温和的方式填充到电池模块中的追求。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是提供一种方法和注射结构，其使得能够以对于电池模块的至少一个电池单体尽可能温和的方式将导热物料填充到电池模块中。
6.该目的通过具有根据各自独立权利要求所述特征的方法和注射结构来实现。本发明的有利的设计方案是从属权利要求、说明书和附图的主题。
7.在根据本发明的用于将第一导热物料引入到电池模块中的至少一个第一自由空间中的方法中，电池模块具有模块壳体和布置在模块壳体中的、具有至少一个电池单体的单体组，其中，模块壳体具有第一壳体侧和与第一壳体侧对置的第二壳体侧。此外，单体组具有面向第一壳体侧的第一侧和与单体组的第一侧对置布置并且面向第二壳体侧的第二侧。此外，单体组这样布置在壳体中，使得在单体组的第一侧与第一壳体侧之间是第一自由空间，在单体组的第二侧与第二壳体侧之间是第二自由空间。此外，将第一导热物料填充到第一自由空间中。在此，与将第一导热物料填充到第一自由空间中在时间上重叠地，将第二导热物料填充到第二自由空间中。
8.因此，导热物料在单体组的对置侧上的填充可以有利地至少短时地同时进行。从而单体组的电池单体可以有利地保持机械平衡，即在力方面。换言之，通过将第一导热物料填充到第一自由空间中，在单体组的至少一个电池单体上施加了力，该力被由于在时间上重叠地将第二导热物料填充到第二自由空间中引起的反作用力抵消。由于导热物料是相对粘稠的物料，特别是第一导热物料和第二导热物料两者都是，所以尽管像之前一样在单体组上仍有作用力，但是该力能够明显更均匀地分布并相应地不再局部作用于电池单体上。这大大降低了电池单体损坏的概率。这在当恰好是袋式单体作为电池单体时是特别有利的，但是所描述的方法也可以用于其他电池单体、例如棱柱形或圆形单体，并且同时还能够更温和地用导热物料填充自由空间。
9.导热物料可以是开头提到的间隙填充物。这种导热物料可以具有粘性和/或糊状稠度。例如，它因此具有比水高的粘度。此外，第一和第二导热物料优选可以是相同的导热物料。
10.单体组的至少一个电池单体例如可以被设计为锂离子单体。此外，它可以具有任意的形状。此外，电池单体可以具有两个单体极接头，其优选地不设置在单体组的第一侧和第二侧上。换言之，电池单体的极优选不应该由导热物料浇注而成。
11.此外，模块壳体的第一和第二壳体侧可以限定例如电池模块的顶侧和底侧。然而，原则上，第一和第二壳体侧可以是任何期望的模块侧，只要这两个模块侧彼此对置。这同样适用于也可以称为单体堆的单体组的两侧。然而，为了更好地说明，单体组的第一和第二侧以及模块壳体的第一和第二侧、即第一和第二壳体侧在下文中有时也称为顶侧和底侧。例如，电池模块在第一方向上从顶侧到底侧的尺寸将定义电池模块的高度。此外，优选的是，单体组包括多个电池单体。然后它们可以例如垂直于第一方向彼此并排布置。这些多个电池单体的布置方向例如可以定义电池模块的纵向延伸方向。单体组的多个电池单体优选地彼此张紧。此外，单体组可以在模块壳体内部特别是通过不同于第一和第二壳体侧的壳体侧张紧地布置，使得单体组通过该张紧力以这样的方式保持在模块壳体内部，即其第一侧具有到第一壳体侧的第一自由空间并且特别也具有至第一壳体侧的距离，并且其第二侧同时也具有到第二壳体侧的第二自由空间，并且特别同样还具有至第二壳体侧的距离。此外，
单体组的第一侧和第二侧不必在垂直于第一方向的方向上平坦地延伸。相反，恰好当电池单体被设计为袋式单体时，得到单体组的第一侧的表面结构，其特征在于开头所述的、突出的卷边-和折叠连接。在某些情况下，这些突出的卷边-和折叠连接的部分可以接触第一和/或第二壳体侧。因此，在第一方向上观察到的单体组的高度在垂直于第一方向的第二方向上不必一定是恒定的。
12.在本发明的一个非常有利的设计方案中，在提供电池模块时，提供具有至少一个袋式单体、优选多个袋式单体的单体组作为至少一个电池单体。如已经描述的，本发明恰好在袋式单体的情况下具有特别大的优点，因为恰好袋式单体由于其不平坦的边缘几何形状而在传统的注射工艺中特别容易受到损坏。恰好对于袋式单体来说，通过本发明可以提供特别温和的导热物料注射。因此，袋式单体可以以特别温和的方式热连接到模块壳体的内侧。
13.在本发明的另一有利的设计方案中，第一自由空间具有多个第一子区域，这些第一子区域垂直于第一方向彼此并排布置，第二自由空间具有多个第二子区域，这些第二子区域垂直于第一方向彼此并排布置，其中，相应的第一子区域配属于第二子区域并在第一方向上布置在配属的第二子区域的上方，其中，第一和第二导热物料以这样的方式彼此对应地填充，使得与将第二导热物料填充到配属的第二子区域中在时间上重叠地，将第一导热物料填充到相应的第一子区域中。第一方向在此特别可以对应于上文定义的第一方向。本发明的这个设计方案非常有利，因为由此可以实现导热物料特别均匀地填充在单体组的两侧上。由于这些对应填充的导热物料，单体组的这些彼此对置的侧且特别是这些彼此对置的侧的子区域都几乎始终处于力平衡状态。因此不产生局部压力点，并且可以有效地抵消对电池单体的可能损坏。在此，这种均匀的填充不仅可以在上面定义的第二方向上进行，而且例如也可以附加地在垂直于第一和第二方向的第三方向上进行。
14.恰好对于不具有限定的边缘几何形状的袋式单体来说，第一和第二自由空间的几何形状和体积通常也彼此不同。因此，不能简单地通过在单体组的两侧上设置对导热物料来说相同的体积流量或填充压力来实现在单体组的两侧上尽可能均匀地填充导热物料。
15.相应地，本发明的另一个非常有利的设计方案在于，在第一和第二导热物料的填充期间，检测第一和第二自由空间的当前填充状态并基于相应的当前填充状态来控制第一和/或第二导热物料的填充。由此可以有利地实现导热物料在单体组的两侧上的均匀填充。将导热物料填充到第一和第二自由空间中在此根据基于相应自由空间的当前填充状态进行调节来进行。例如，如果导热物料在单体组第一侧上相对于第一侧的已填充面积的扩散强度低于在单体组第二侧上的导热物料，则例如可以相应地提高填充第一导热物料的体积流量，且反之亦然。也可以这样控制或调节所述填充，使得最终填充压力乘以被导热物料润湿的面积在任意时间点对于单体组的两侧来说都大致相同。
16.在此特别有利的是，基于所确定的在第一自由空间的当前填充状态与第二自由空间的当前填充状态之间的差异来控制单位时间填充到第一和/或第二自由空间中的第一或第二导热物料的量。这种控制或调节可以如上所述地进行。例如，可以使用光学检测设备来检测填充状态。例如，可以在第一和第二壳体侧中设置多个调整开口，这些调整开口例如可以同时用作通风开口，当填充导热物料时空气可以从这些通风开口中逸出。例如，可以通过这些孔或调整开口投射激光束，该激光束可以相应地检测，在各个自由空间中传播的导热
物料是否已经到达这些开口，这些开口优选地相应地分布在各个壳体侧上。相应地可以检测，导热物料的填充水平在单体组的第一和/或第二侧的各个不同位置处有多高，以及相应的导热物料前沿在单体组的各个侧上扩散了多远。然而，也可以设想使用其他检测选项以用于检测当前填充状态。
17.作为填充过程的这种调节的替代方案，也可以基于预先确定的填充参数进行控制。例如，这些可以预先通过实验确定，并允许填充过程以这样的方式进行，即可以在单体组的两侧上实现均匀填充。因此可以有利地省去对填充状态的监控。
18.根据本发明的另一有利的设计方案，将第一导热物料通过第一壳体侧中的至少一个第一填充开口填充到第一自由空间中，将第二导热物料通过第二壳体侧中的至少一个第二填充开口填充到第二自由空间中。例如，注射装置可以移动接近这样的填充开口，然后通过填充开口将导热物料注入到相应的自由空间中。除了至少一个填充开口之外，相应的壳体侧、即第一和第二壳体侧优选地还具有通风孔，使得通过所填充的导热物料排挤的空气可以逸出。在此，也可以在不同的位置处设置多个通风孔，这确保了，即使当通风孔中的一些已经被扩散的导热物料覆盖时，各个自由空间仍可以被完全填充。
19.此外，如果不仅设置有多个通风开口、而且也设置有多个填充开口，这也是特别有利的。因此，本发明的另一非常有利的设计方案在于，第一导热物料通过第一壳体侧中的多个第一填充开口至少在时间上重叠地、特别是同时地填充到第一自由空间中，第二导热物料通过第二壳体侧中的多个第二填充开口至少在时间上重叠地、特别是同时地填充到第二自由空间中。通过将导热物料通过多个填充开口同时填充到相应的壳体侧中，一方面可以更快速且更均匀地填充间隙或自由空间，并且还可以显著降低电池单体上的局部压力。换言之，通过设置多个填充开口可以降低填充压力，因为不再必须将导热物料压入相距如此远的区域中。
20.在此还有利的是，这些填充开口不沿着一条线布置在同一壳体侧上。通过在壳体侧中设置多个位于同一条线上的孔，会产生弯曲线或预定断裂点，这会降低壳体的稳定性。这可以有利地通过至少局部地分布的填充开口来防止。例如，如果填充开口布置在锯齿形线或蛇形线上就已经足够了。在此，可以在同一壳体侧，既在第二方向上也在第三方向上设置多个填充开口。
21.本发明还涉及一种用于将第一导热物料引入到电池模块中的至少一个第一自由空间中的注射结构，其中，该注射结构具有电池模块，该电池模块具有模块壳体和至少一个布置在模块壳体中的单体组，该单体组具有至少一个电池单体，其中，模块壳体具有第一壳体侧和与第一壳体侧对置的第二壳体侧，其中，单体组具有面向第一壳体侧的第一侧和面向第二壳体侧的、与第一侧对置的第二侧，其中，单体组这样布置在壳体中，使得在单体组的第一侧与第一壳体侧之间是第一自由空间，在第二侧与第二壳体侧之间是第二自由空间。此外，注射结构具有注射装置，该注射装置被设计为用于，将第一导热物料填充到第一自由空间中。此外，注射装置被设计为用于，在时间上重叠地将第一导热物料填充到第一自由空间中以及将第二导热物料填充到第二自由空间中。填充优选同时进行，也就是说它在相同的时间点开始并且在大致相同的时间点结束。
22.对于根据本发明的方法及其设计方案所提及的优点以相同的方式适用于根据本发明的注射结构。
23.此外优选的是，单体组包括设计为袋式单体的多个电池单体，这些电池单体在与从第二壳体侧到第一壳体侧的第一方向垂直的第二方向上彼此并排地布置。如已经描述的，恰好在袋式单体方面，本发明具有特别大的优点。
24.此外特别有利的是，第一和/或第二壳体侧具有凹槽结构，该凹槽结构具有多个彼此平行地在第三方向上延伸的凹槽，其中，第三方向垂直于第一和第二方向。
25.这具有很大的优点，即在袋式单体中典型地在边缘区域中突出的、例如龙骨形的连接部位或折叠-或卷边边缘能够被由凹槽提供的凹部至少部分地容纳。换言之，因此提供与单体组的第一和/或第二侧的表面结构的几何设计方案相对应的、第一和/或第二壳体侧的内壁的几何设计方案。由此减小了待填充的自由空间的体积、即第一和/或第二自由空间的体积。该自由空间因此同样具有三维的表面结构，更确切地说既在单体组的方向上、也在相关的壳体侧的方向上。在此，壳体本身优选地由金属材料、优选铝制成。金属、特别是铝具有比所提到的导热物料显著更高的导热性。铝的导热性特别大约是典型的间隙填充物的50倍。因此，特别有利的是，使待用导热物料填充的间隙保持尽可能小。这可以通过第一和/或第二壳体侧的凹槽形设计方案来实现。由此显著改善了与例如待和电池模块耦合的散热器的热连接。
26.本发明还包括根据本发明的注射结构的改进方案，其具有已经结合根据本发明的方法的改进方案描述的特征。由于这个原因，这里不再描述根据本发明的注射结构的相应改进方案。
27.本发明还包括所述实施方式的特征的组合。本发明也就还包括分别具有所描述实施方式中的多个实施方式的特征的组合的实现方案，只要这些实施方式没有被描述为相互排斥的。
附图说明
28.下面描述本发明的实施例。附图示出：
29.图1示出在根据本发明的实施例的注射过程的第一时间步骤期间注射结构连同电池模块的示意性横截面图；
30.图2示出根据本发明的实施例的在之后的第二时间步骤时注射过程的示意图；
31.图3示出根据本发明的实施例的在之后的第三时间点时注射过程的示意性横截面图；
32.图4示意性示出根据本发明的实施例的用于注射结构的模块壳体中的袋式单体的端面的俯视图；以及
33.图5示意性示出根据本发明的实施例的用于注射结构的电池模块。
34.下面说明的实施例是本发明的优选实施方式。在该实施例中，所述的实施方式组成部分分别是本发明的单个的、可视作彼此独立的特征，这些特征也相应彼此独立地改进本发明。因此，公开内容旨在包括实施方式的特征的除了所示组合之外的组合。此外，所述实施方式也可以通过本发明的已经描述的特征中的其他特征来补充。
35.在附图中，相同的附图标记分别表示功能相同的元件。
具体实施方式
36.图1示出根据本发明的实施例的在第一时间步骤t1时的注射过程期间具有电池模块12的注射结构10的示意图。在此，电池模块12具有模块壳体14，单体组16布置在模块壳体中。在此，单体组16通常具有至少一个电池单体18，优选地具有多个电池单体，在此示例性地具有五个电池单体18。这些电池单体优选地被设计为袋式单体18。此外，单体组16的电池单体18在此处所示的x方向上并排布置。在单体18之间以及也在单体组16的外部可以布置其他元件，例如绝缘层、膨胀板或膨胀垫、张紧元件等，然而所述其他元件当前未示出并且对于本发明也不重要。在此，模块壳体14具有第一侧14a和与第一侧14a对置的第二侧14b。单体组16还具有面向第一壳体侧14a的第一侧16a和与第一侧16a对置且面向第二壳体侧14b的第二侧16b。在当前情况下，第一壳体侧14a是壳体14的顶侧，而第二壳体侧14b是壳体14的底侧。相应地，单体组16的第一侧16a是单体组16的顶侧，而单体组16的第二侧16b是单体组16的底侧。此外，单体组16布置在壳体14上，使得第一自由空间20a布置在单体组16的第一侧16a与第一壳体侧14a之间，而第二自由空间20b布置在第二侧16b与第二壳体侧14b之间。
37.为了能够将壳体中的电池单体以尽可能热良好的方式连接到在壳体外部布置的冷却元件、例如冷却板等上，有利的是，以间隙填充物或者导热物料填充自由空间、例如上面所述的两个自由空间20a、20b。这可以通过注射这种导热物料来完成。在使用传统的注射方法时，在间隙填充物注射时，由于注射过程和材料粘度会产生作用在单体上的相应压力。这种压力和力通常在单侧作用在单体上或作用在单体组或单体堆上，它们在此称为单体组，从而最终会产生相对较高的力，由于在单体处缺乏作用点而无法产生该相对较高的力的反作用力。事实上，在注射间隙填充物时或也在压紧间隙填充物时，当前在单体处产生无法被抵消的浮力。特别是对于袋式单体，由于其几何形状，这可能会导致单体的损坏。
38.例如在图4中示出这种袋式单体18，这种袋式单体在本发明的范围内优选也应用作电池单体18。在此，图4示出这种袋式单体18的端面18a的示意性俯视图。该图示可以例如对应于y轴的俯视图，例如也如图1所示。在此，这种单体18的顶侧18b限定了单体组16的顶侧16a的区域。相应地，单体18的底侧18c也限定了单体组16的底侧16b的一部分。袋式单体通常在边缘区域中具有突出的、部分不规则的连接部位22，这些连接部位例如可以表现为折叠-或卷边边缘。相应地，这导致单体组16的第一侧16a和第二侧16b的几何形状不平坦。如果在此从一侧对这样的单体18施加压力，则其对置侧将以连接部位22压紧在相应的壳体壁上，这将引起局部施压并可能导致单体的损坏。通过本发明至少可以有利地降低这种损坏的概率，如果没有完全消除的话。现在将参照图1至图3对此进行更详细的解释。这可以有利地通过在单体组16的两侧16a、16b上尽可能均匀地引入导热物料24来实现。换言之，在两侧同时或至少在时间上重叠地引入导热物料24。由此可以使单体18保持机械平衡，并且特别重要的是，没有局部力起作用。相反，通过填充的间隙填充物-物料24在单体18的润湿表面上实现了均匀的力分布，由此最小化了单体18上的局部压力。如已经描述的，图1示出在第一时间步骤t1时的注射过程，图2示出在之后的第二时间步骤t2时的注射过程，图3示出在更晚的时间步骤t3时的注射过程。在此，通过第一壳体侧14a的至少一个注射开口26以及通过第二壳体侧14b中的至少一个壳体开口28进行注射。此外，注射装置30可以用于注射，该注射装置在两侧接近相应的开口26、28并且可以被设计为例如喷嘴或注射器的形式并且
在可调节的填充压力下注射导热物料24。在本示例中，导热物料24在第一时间步骤t1中以第一填充压力p1、在第二时间步骤t2中以第二填充压力p2和在第三时间步骤t3中以第三填充压力p3注射。此外，在第一时间步骤t1中，单体组16的被导热物料24润湿的面积用a1表示，在第二时间步骤t2中用a2表示，在第三时间步骤t3中用a3表示。虽然在此例如对于第一分离切口t1，填充压力p1和面积a1标示相同，但是对于顶侧和底侧的情况不一定必须如此。特别理想地，至少填充压力和面积的乘积对于顶侧16a和底侧16b应该是相同的。换一种说法应该适用的是：
39.p(o)
·
a(o)＝p(u)
·
a(u)
40.p表示填充压力，a表示相关单体组侧16a或16b的被导热物料24润湿的面积。o代表单体组的顶侧16a，u代表单体组的底侧16b。该等式应该至少近似地适用于注射过程的相应时间步骤，以便在电池单体16上实现尽可能理想的力分布。为了确保这一点，这可以通过基于预先通过实验确定的注射参数的注射或以调节的形式来完成。在后一种情况下，有利的是，例如监控相应侧上的填充状态并且根据两侧16a、16b之间的差来执行例如对注射压力或体积流量的这种调节。
41.如已经描述的，图4示出袋式单体18。其典型地可以在y方向上具有例如15.6mm的单体厚度，并且例如在z方向上具有在100mm到101mm之间的高度h。突出的连接部位22最初可以不予考虑。它们都分别具有在2mm到3mm之间的范围内的高度。在该示例中，在底侧18c上的连接部位22具有3mm的高度h1，而在对置的侧18b上的连接部位22具有2mm的高度h2。顶侧18b上的连接部位22的最高点到第一壳体侧14a的距离例如可以是1mm到2mm且在此用d1标示，而底侧18c上的相应尺寸用d2标示并且例如只有0.7mm。为了用导热物料24填充第一自由空间20a和第二自由空间20b，将需要相对大量的这种导热物料24而无需进一步的措施。为了缩小待填充的自由空间20a、20b，第一壳体侧14a和/或第二壳体侧14b的内侧例如可以被设计为具有对应于电池单体18的相应几何形状，例如具有一种凹槽结构，如这在图4中对于底侧14b所示。这个设计有凹槽结构的底侧特别用14c标示。这里仅示出单个凹槽32，其在几何形状方面对应于单体18的底侧18c上的连接部位22。
42.顶侧、即第一壳体侧14a也可以被设计为具有相应的几何形状，以便能够有利地减少导热物料24的所需量。
43.此外，图5示出根据本发明的实施例的电池模块12的示意性透视图。在此特别能从外部看到第一壳体侧14a。该第一壳体侧具有分布在该第一侧14a上的多个填充开口26，为了清楚起见，仅其中一些设有附图标记。这些优选地不位于同一条线上，从而不产生预定断裂点。通过设置多个这样的填充开口26，可以提供对导热物料24的更温和和更快速的填充。附加地，第一壳体侧14a还具有通风开口36，为了清楚起见，同样仅其中一些设有附图标记。在填充过程中排出的空气可以从这些通风开口36中逸出。第二壳体侧14b虽然在此也不能被看到，但是可以具有相应的设计。如果通过这些填充开口26注射导热物料24，则该导热物料在各个自由空间20a、20b中在上方和下方均匀分布。在图5所示的本示例中，从填充开口26开始在y方向上和逆着y方向形成流动前沿，这些流动前沿在某个时间点相遇或者鉴于壳体14的所示的y方向到达前边缘和后边缘处。因此所示的通气孔36相应地位于相关的流动前沿的理论端部上。这使得各个自由空间20a、20b能够被完全填充，因为这些通风开口36可以尽可能长时间地保持没有间隙填充物-物料。
44.总体而言，这些实施例表明了，本发明如何提供两侧的间隙填充物注射，使得能够以特别温和的方式将导热物料引入到电池模块中，这恰好对于袋式单体来说特别防止了对袋式单体的可能损坏。