DE102011116629A1

DE102011116629A1 - Energiespeichermodul und Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls

Info

Publication number: DE102011116629A1
Application number: DE102011116629A
Authority: DE
Inventors: Hubertus Goesmann; Björn Lath; Frank Eckstein; Reimond Anspann; Philipp Petz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend mehrere, in einem Gehäuse (1) angeordnete, zu einem Zellenmodul zusammengefasste Speicherzellen, wobei das Gehäuse (1) des Energiespeichermoduls zumindest teilweise aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A5 von etwa 5 bis 18 besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend mehrere, in einem Gehäuse angeordnete, zu einem Zellenmodul zusammengefasste Speicherzellen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls.
In einer üblicherweise als Batterie bezeichneten Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs kommt meist eine Mehrzahl an Energiespeichermodulen zum Antrieb des Fahrzeugs, beiepielsweise von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz. Ein jeweiliges Energiespeichermodul enthält dabei meist mehrere Zellenmodule aus typischerweise mehreren gestapelten prismatischen Speicherzellen. Die einzelnen Speicherzellen enthalten elektrochemische Zellen der Batterie. Der Stapel aus den einzelnen Speicherzellen wird dabei über eine Endplatte (auch Druckplatte genannt) und Zugelemente zu dem Energiespeichermodul mechanisch verspannt. Das Zellenmodul wird dann in ein Gehäuse eingebracht, das dann mit dem Kraftfahrzeug verbunden wird.
Energiespeichermodule, die insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind hohen Belastungen durch mechanische Beaufschlagung ausgesetzt, sowohl bei Fahrten in unebenem Gelände, wie auch insbesondere bei einem Fahrzeugcrash. Zur Stabilisierung von Energiespeichermodulen in Kraftfahrzeugen werden üblicherweise zusätzliche Strukturen, wie beispielsweise Verstrebungen oder Ummantelungen beispielsweise aus einem Kunststoff-Spritzgußelement um das Energiespeichermodul herum eingesetzt. Alternativ dazu kann auch die Wandung des Energiespeichermoduls selbst entsprechend dicker gefertigt werden, um einer mechanischen Verformung bzw. Rissbildung oder einem Aufbrechen des Energiespeichermoduls bei mechanischer Beaufschlagung entgegenzuwirken. All diese Konstruktionen haben den Nachteil, dass sie die Komplexität des Energiespeichermoduls erhöhen und damit aufwendig zu montieren sind, zusätzlichen Bauraum benötigen und das Gesamtgewicht des Energiespeichermoduls und damit auch des Kraftfahrzeugs, deutlich erhöhen. Ferner hat sich gezeigt, dass selbst durch Bauraum-intensive Strukturen in vielen Fällen keine ausreichende Stabilität, insbesondere bei hoher mechanischer Beaufschlagung, erzielt werden kann, so dass die Strukturen aufbrechen und die Verformungsenergie direkt auf das Energiespeichermodul übertragen wird, was unweigerlich zur Zerstörung des Energiespeichermoduls führt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein raumsparendes Energiespeichermodul bereitzustellen, das sich durch eine hohe Stabilität gegenüber Einwirkung von Verformungsenergie (mechanische Beaufschlagung), auszeichnet. Ferner soll das Energiespeichermodul auch nach mechanischer Beaufschlagung noch über eine ausreichende Stabilität verfügen, was Sekundärschäden, wie beispielsweise durch Auslaufen von Elektrolyt aus den Speicherzellen auch bei der Bergung des Energiespeichermoduls, vorbeugt. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls bereitzustellen, das sich durch eine einfache und kostengünstige Verfahrensführung auszeichnet und lediglich eines geringen fertigungstechnischen Aufwandes bedarf und das somit eine einfache und kostengünstige Fertigung des Energiespeichermoduls erlaubt.
Die Aufgaben werden gelöst durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend mehrere, in einem Gehäuse angeordnete, zu einem Zellenmodul zusammengefasste Speicherzellen, wobei das Gehäuse des Energiespeichermoduls zumindest teilweise aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18% besteht.
Metall-Druckguß-Werkstoffe sind nach industriellem Druckgußverfahren hergestellte Werkstoffe, die aus Reinmetallen oder aber Legierungen verschiedener Metalle bestehen können. Vorzugsweise handelt es sich bei den Metall-Druckguß-Werkstoffen um Legierungen. Diese Legierungen sind beispielsweise Aluminium-, Magnesium-, Zink- oder Siliziumlegierungen, die in verschiedenen Zusammensetzungen erhältlich sind und neben Aluminium, Magnesium, Zink oder Silizium als jeweiligem Grundmaterial beispielsweise Zuschläge aus Silizium und/oder Eisen und/oder Kupfer und/oder Mangan und/oder Magnesium und/oder Zink und/oder Titan und/oder Strontium enthalten können. Aufgrund ihres, insbesondere im Vergleich zu Stahl, geringen Gewichtes, werden Metall-Druckguß-Werkstoffe häufig für mechanische Bauteile verwendet. Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul ist zumindest teilweise aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff gebildet, der sich durch eine Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18% auszeichnet. Unter dem Begriff Bruchdehnung wird dabei der Materialkennwert verstanden, der die bleibende Verlängerung einer Probe beim Zugversuch nach dem Bruch, bezogen auf die Anfangsmesslänge der Probe, angibt. Der Index A₅ besagt hierbei, dass der ermittelte Bruchdehnungswert anhand eines Proportionalstabs, und genauer gesagt eines Druckgußprobestabs, mit einer Länge ermittelt wurde, die dem Fünffachen des Durchmessers des Probestabs entspricht, wobei der Durchmesser des Probestabs hier 16 mm betrug. Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul umfasst ein Gehäuse, das zumindest teilweise aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von 5 bis 18% besteht. Durch Verwendung eines solchen Werkstoffes wird erreicht, dass sich das Gehäuse bei mechanischer Beaufschlagung, wie sie beispielsweise bei einem Fahrzeugcrash auftritt, um bis zu 18% verformt, was in der Regel ausreichend ist, um die einwirkenden mechanischen Kräfte zu absorbieren und so abzuleiten, dass zwar eine gewisse Verformung des Gehäuses des Energiespeichermoduls eintritt, dieses aber nicht zerstört wird oder Rissbildung durch punktuelle Überbelastung des Materials zeigt. Dadurch sind das Innere des Energiespeichermoduls und gerade die erschütterungs- und verformungsanfälligen Speicherzellen ausreichend vor mechanischer Belastung, wie sie insbesondere bei einem Fahrzeugcrash auftritt, geschützt. Auch nach dem Fahrzeugcrash, also nach Beendigung der mechanischen Einwirkung der Verformungs- und Reibungskräfte, ist das dann in der Regel deformierte Gehäuse ausreichend stabil, so dass Sekundärschäden durch etwaiges Auslaufen von Elektrolyt aus den Speicherzellen, z. B. bei der Bergung des Fahrzeugs, verhindert werden. Die Verwendung eines Metall-Druckguß-Werkstoffes mit einer Bruchdehnung A₅ von 5 bis 18% ist für die vorliegende Erfindung essentiell. Bei Energiespeichermodulen mit einem Gehäuse aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung von weniger als 5% ist die Fähigkeit zur Kompensation, also zur Absorption und Ableitung von Verformungsenergie, insbesondere bei hoher mechanischer Beaufschlagung, nicht ausreichend ausgebildet, so dass der Werkstoff zu Rissbildung und damit zum Aufbrechen neigt. Dadurch wirkt die Verformungsenergie direkt auf das Innere des Energiespeichermoduls, was unweigerlich zur Zerstörung desselben führt. Liegt die Bruchdehnung des Metall-Druckguß-Werkstoffes oberhalb von 18%, so zeichnet sich der Werkstoff zwar durch gute Verformungseigenschaften aus, diese sind dann aber derart hoch, dass bei Einwirkung mechanischer Kräfte der Werkstoff so stark verformt wird, dass er sich stark nach innen, also in das Gehäuseinnere des Energiespeichermoduls hinein, durchbiegt und dadurch ebenfalls die Speicherzellen zu Schaden kommen. Ein Energiespeichermodul mit einem Gehäuse, das zumindest teilweise, also insbesondere an den von mechanischer Beaufschlagung besonders betroffenen Gehäuseteilen, aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von 5 bis 18% besteht, ist somit bestens geeignet, Verformungsenergien, wie sie beispielsweise bei einem Fahrzeugcrash auftreten, zu kompensieren, also aufzunehmen und abzuleiten, so dass die beaufschlagte mechanische Energie, also die Crashenergie, nicht zur Rissbildung oder sogar zur Zerstörung insbesondere des Inneren des Energiespeichermoduls, führt. Die Verwendung von Metall-Druckguß-Werkstoffen hat ferner noch weitere Vorteile: sie lassen sich leicht in die gewünschte Form bringen, haben neben einer sehr guten Stabilität ein geringes Eigengewicht und sind daher insbesondere für Kraftfahrzeuge in Leichtbauweise geeignet. Aufgrund der wie oben beschriebenen herausragenden Stabilität, kann der Bauraum des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls klein gehalten und auf zusätzliche, komplexe Stabilisationsstrukturen verzichtet werden.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein Teil des Gehäuses aus dem oben beschriebenen Metall-Druckguß-Werkstoff gebildet. Es handelt sich dabei vorzugsweise um ein Teil, das im Falle eines Fahrzeugcrashs am ehesten in Mitleidenschaft gezogen wird. Dies ist von der jeweiligen baulichen Gegebenheiten und Umgebung des Energiespeichermoduls abhängig und kann entsprechend ausgewählt werden. Somit wird ein Energiespeichermodul bereitgestellt, das sich durch eine hervorragende, dauerhafte Stabilität auszeichnet und das auftretende Verformungsenergien ausreichend kompensiert und damit das Innere des Energiespeichermoduls vor Beschädigung schützt.
In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das Gehäuse des Energiespeichermoduls im Wesentlichen aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18% besteht. Das bedeutet praktisch gesehen, dass die wesentlichen Teile des Gehäuses, also diejenigen Teile, die das Innere des Energiespeichermoduls umgeben, aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18% bestehen. Dadurch werden die oben beschriebenen, erfindungsgemäß erzielten Effekte maximiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der Metall-Druckguß-Werkstoff eine Bruchdehnung A₅ von etwa 7 bis 16%, vorzugsweise von 10 bis 14%, aufweist. Bei Verwendung eines Metall-Druckguß-Werkstoffes mit einer Bruchdehnung in den Grenzen von 7 bis 16% und insbesondere von 10 bis 14% zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeichermodul durch eine besonders gute Stabilität gegenüber Verformung, also eine ausreichende Kompensationseigenschaft von mechanischer Beaufschlagung einerseits und eine nicht zu starke Eigenverformungseigenschaft aus, so dass das Innere des Energiespeichermoduls, also alle Bauteil im Inneren des Gehäuses, sehr gut vor einwirkenden Verformungskräften geschützt sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Energiespeichermodul Befestigungselemente aufweist. Befestigungselemente sind beispielsweise Ösen, Falze, Klemmen oder Bolzen, die einerseits das Innere des Gehäuses, also das Zellenmodul, mit dem Gehäuse, andererseits aber auch das Gehäuse mit einem Fahrzeugrahmenbauteil verbinden können. Die Befestigungselemente können seperat gefertigt und dann an dem Energiespeichermodul, und insbesondere an dem Gehäuse desselben, angebracht werden, oder aber bereits in das Energiespeichermodul oder das Gehäuse integriert, vorliegen. Vorzugsweise werden die Befestigungselemente bereits in das Gehäuse integriert, was den fertigungstechnischen Aufwand der Herstellung des Energiespeichermoduls und auch seine Montage, wesentlich vereinfacht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung zeichnet sich das Energiespeichermodul dadurch aus, dass der Metall-Druckguß-Werkstoff ein Aluminium-Druckguß-Werkstoff ist. Aluminium-Druckguß-Werkstoffe weisen gegenüber vielen anderen Metall-Druckguß-Werkstoffen den Vorteil auf, dass sie besonders leicht und relativ kostengünstig sind, dabei aber über eine ausgezeichnete Stabilität verfügen. Sie eignen sich daher insbesondere für die Herstellung von Energiespeichermodulen für Fahrzeuge in Leichtbauweise.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, vorgesehenen, das die Schritte des Bereitstellens eines Gehäuses für das Energiespeichermodul, das Bereitstellen eines Zellenmoduls, umfassend mindestens eine Speicherzelle, und das Einsetzen des Zellenmoduls in das Gehäuse, umfasst, wobei das Gehäuse zumindest teilweise und vorzugsweise im Wesentlichen aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18%, vorzugsweise von etwa 7 bis 16% und insbesondere von 10 bis 14%, besteht und durch ein Metall-Druckgußverfahren hergestellt wurde. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein Energiespeichermodul herstellbar, das sich durch eine ausgezeichnete Stabilität und insbesondere die Fähigkeit einwirkende Verformungskräfte abzuleiten und aufzunehmen, also zu kompensieren, auszeichnet, so dass das Innere des Energiespeichermoduls vor Deformation und damit vor irreversibler Schädigung, geschützt ist. Das Verfahren erfordert keinen hohen technischen sowie logistischen Aufwand, ist einfach umzusetzen und somit auch kostengünstig.
Vorzugsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich das Anbringen von Befestigungselementen am Gehäuse vorsehen, was weitere Montageschritte vermeidet und den Fertigungsaufwand noch einmal senkt.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Energiespeichermoduls.
Somit wird erfindungsgemäß ein platzsparendes, bzw. raumsparendes Energiespeichermodul bereitgestellt, das sich durch eine einfache Bauweise, ausgezeichnete Stabilität, insbesondere im Hinblick auf einwirkende Verformungsenergien, wie beispielsweise Crashenergie, auszeichnet. Das Energiespeichermodul weist gegenüber herkömmlichen Energiespeichermodulen ein geringes Eigengewicht auf, was es besonders geeignet macht für Kraftfahrzeuge in Leichtbauweise. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Verfahren wird auf einfache, effiziente Weise, ohne hohen technischen oder logistischen Aufwand kostengünstig ein Energiespeichermodul mit hervorragenden Stabilitätseigenschaften bereitgestellt, das einfach und individuell umsetzbar ist, was zur Senkung der Herstellkosten des Energiespeichermoduls und damit der Gesamtkosten desselben, beiträgt. Somit wird auch die Verwendung eines Metall-Druckguß-Werkstoffes mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18%, vorzugsweise von etwa 7 bis 16% und insbesondere von 10 bis 14% zur Herstellung eines Energiespeichermoduls und insbesondere eines Gehäuses eines Energiespeichermoduls beschrieben, wodurch die oben genannten Vorteile erzielt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine Seitenansicht eines Gehäuses eines Energiespeichermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von 1 näher erläutert.
In 1 ist eine Seitenansicht eines Gehäuses 1 eines Energiespeichermoduls (ist nicht gezeigt) für ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Material, aus dem das Gehäuse 1 im Wesentlichen besteht, ist ein Aluminium-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung von 13%. Bei mechanischer Beaufschlagung, wie sie beispielsweise bei einem Fehrzeugcrash auftritt, wird das Gehäuse aufgrund der außerordentlich guten Bruchdehnung des Materials zwar deformiert, allerdings zeigt es keine Rissbildung oder sogar Lochbildung, und darüber hinaus eine so geringe Deformation in Richtung des Inneren des Gehäuses, dass die Speicherzellenmodule des Energiespeichermoduls ausreichend vor Einwirkung von Verformungskräften geschützt sind, so dass selbst nach einem Fahrzeugcrash noch eine ausreichende Stabilität und Sicherheit des Energiespeichermoduls gewährleistet werden kann. An dem Gehäuse 1 sind Befestigungselemente 2 in Form von in das Gehäuse integrierten Löchern angebracht, mittels derer das Gehäuse 1 an vorgesehenen Fahrzeugraumkomponenten befestigt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Befestigungselement

Claims

Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend mehrere, in einem Gehäuse (1) angeordnete, zu einem Zellenmodul zusammengefasste Speicherzellen, wobei das Gehäuse (1) des Energiespeichermoduls zumindest teilweise aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18% besteht.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Gehäuse (1) des Energiespeichermoduls im Wesentlichen aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18% besteht.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Druckguß-Werkstoff eine Bruchdehnung A₅ von etwa 7 bis 16%, vorzugsweise von 10 bis 14% aufweist.
Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul Befestigungselemente (2) aufweist.
Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Druckguß-Werkstoff ein Aluminium-Druckguß-Werkstoff ist.
Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Gehäuses (1) für das Energiespeichermodul, – Bereitstellen eines Zellenmoduls, umfassend mindestens eine Speicherzelle, und – Einsetzen des Zellenmoduls in das Gehäuse (1), wobei das Gehäuse (1) zumindest teilweise und vorzugsweise im Wesentlichen aus einem Metall-Druckguß-Werkstoff mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18%, vorzugsweise von etwa 7 bis 16% und insbesondere von 10 bis 14% besteht und durch ein Metall-Druckgußverfahren hergestellt wurde.
Verwendung eines Metall-Druckguß-Werkstoffes mit einer Bruchdehnung A₅ von etwa 5 bis 18%, vorzugsweise von etwa 7 bis 16% und insbesondere von 10 bis 14% zur Herstellung eines Energiespeichermoduls und insbesondere eines Gehäuses (1) eines Energiespeichermoduls.