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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einhausung zum Aufnehmen eines Zellpakets, auf eine Batterie, auf ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie sowie auf Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils für eine Einhausung einer Batterie.
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Eine Batterie für ein Fahrzeug kann ein Gehäuse aufweisen, durch das Zellen der Batterie beispielsweise vor Umwelteinflüssen geschützt werden können.
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Die
DE 10 2010 013 002 A1 beschreibt eine Batterie mit einem Zellenstapel, der in einem Gehäuse aus Metallplatten angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Einhausung zum Aufnehmen eines Zellpakets, weiterhin eine Batterie und ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie sowie schließlich ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine Einhausung zum Aufnehmen eines Zellpakets für eine Batterie weist die folgenden Merkmale auf:
eine Seitenwand, die als Kunststoffbauteil ausgeführt ist, wobei die Seitenwand eine erste Aufnahme und eine zweite Aufnahme aufweist; und
eine metallische Rahmenstruktur zum Vorspannen des Zellpakets, wobei die Rahmenstruktur eine in der ersten Aufnahme befestigte erste Schiene und eine in der zweiten Aufnahme befestigte zweite Schiene aufweist, wobei die erste Schiene und die zweite Schiene quer zu der Seitenwand ausgerichtet sind.
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Die Seitenwand kann beispielsweise einen rechteckigen Umriss aufweisen. Die erste Aufnahme kann im Bereich einer ersten Ecke der Seitenwand und die zweite Aufnahme kann im Bereich einer zweiten Ecke der Seitenwand angeordnet sein.
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Unter der Einhausung kann eine Gehäusestruktur, beispielsweise ein Gehäuse oder ein Teil eines Gehäuses verstanden werden. Durch die Einhausung kann das Zellpaket gegenüber der Umgebung abgeschirmt werden. Unter einem Zellpaket kann eine Anzahl von beispielsweise prismatischen Batteriezellen mit einer beispielsweise rechteckigen Grundfläche verstanden werden. In dem Zellpaket können die Grundflächen der Batteriezellen in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet sein. Die Batteriezellen können je mit einer Breitseite zueinander angeordnet sein und Schmalseiten der Batteriezellen können in einer Ebene ausgerichtet sein. Bei einer ersten der Batteriezellen und einer letzten der Batteriezellen kann je eine Breitseite frei sein und je eine Stirnfläche des Zellpakets repräsentieren. Auf einer Deckfläche können die Batteriezellen je zumindest zwei elektrische Anschlüsse aufweisen. Im Zellpaket können bei einer Reihenschaltung der Batteriezellen von einer Zelle zur nächsten Zelle die Anschlüsse wechselweise ausgeführt sein, damit eine geringe Strecke zwischen den einzelnen Anschlüssen zu überbrücken ist. Bei einer Parallelschaltung der Batteriezellen können die Anschlüsse benachbarter Zellen gleichsinnig ausgerichtet sein. Jede Batteriezelle kann ein eigenes Batteriezellengehäuse aufweisen. Unter einem Umriss der Seitenwand kann eine Körperkante der Seitenwand verstanden werden. Eine Aufnahme kann beispielsweise eine Aussparung aufweisen. Die Aufnahme kann auch eine oder mehrere Führungsflächen aufweisen. Die Aufnahmen können einen vorbestimmten Abstand zu dem Umriss aufweisen. Eine Rahmenstruktur kann dazu ausgebildet sein, vornehmlich Zugkräfte aufzunehmen. Eine Schiene kann beispielsweise einen L-förmigen Querschnitt aufweisen. Die Schienen können beispielsweise Strangpressprofile sein. Die Schienen können aus einem Leichtmetall, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sein. Die Schienen können beispielsweise über eine formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung mit der Seitenwand verbunden sein. Die Verbindungen der Schienen mit der Seitenwand können wiederlösbar ausgeführt sein.
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Das Kunststoffbauteil kann als ein faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgeführt sein. Ein faserverstärktes Kunststoffbauteil kann aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer mit Verstärkungsfasern bestehen. Faserverstärkte Kunststoffe, insbesondere faserverstärkte, thermoplastische oder duroplastische Polymere können bei einem geringeren Gewicht als ein metallischer Werkstoff ähnlichen Belastungen standhalten wie der metallische Werkstoff und erfordern zusätzlich keinen Korrosionsschutz. Durch eine belastungsgerechte Konstruktion können Kunststoffbauteile zum Übertragen von Kräften auf vorzuspannende Komponenten verwendet werden. Durch die Kombination aus flächigen, faserverstärkten Kunststoffbauteilen und näherungsweise stabförmigen Metallbauteilen können deutlich höhere Druckkräfte auf den Zellstapel übertragen werden als mit einer reinen Kunststoffkonstruktion und gegenüber einer rein metallischen Ausführungsvariante, stark gewichtsreduzierte und korrosionsunempfindliche sowie kostengünstige Einhausung für die Batteriezellen bereitstellen.
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Dabei kann das Kunststoffbauteil eine dreidimensionale Kontur und eine verstärkende Rippenstruktur aufweisen. In dem Kunststoffbauteil können in einem ersten Teilbereich die Verstärkungsfasern als Gewebe, Gelege, multiaxiales Gelege, Gestrick, Gewirk, Geflecht und/oder Vlies vorliegen. In einem zweiten Teilbereich des Kunststoffbauteils können die Verstärkungsfasern als Kurzfasern und/oder Langfasern vorliegen. Der erste Teilbereich kann als unverformtes Halbzeug bereitgestellt werden. Der erste Teilbereich kann durch Wärmeeinwirkung verformbar gemacht werden und durch Druck und/oder Zug umgeformt werden. Der zweite Teilbereich kann durch Spritzgießen an den ersten Teilbereich angeformt werden und eine stoffschlüssige Bindung mit dem ersten Teilbereich eingehen. Der erste Teilbereich kann eine dreidimensionale Kontur aufweisen. Im ersten Teilbereich kann das Halbzeug aus einer ursprünglichen Ebene des Halbzeugs heraus verformt sein. Der zweite Teilbereich kann als Rippen ausgebildet sein. Die Rippen können beispielsweise sternförmig, wabenförmig, dreiecksförmig oder rautenförmig über den ersten Teilbereich erhaben ausgebildet sein. Die Rippen können eine Steifigkeit des Halbzeugs gegen angreifende Kräfte verbessern. Insbesondere kann eine Biegesteifigkeit des Halbzeugs durch hervorstehende Rippen verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Seitenwand eine dritte Aufnahme und eine vierte Aufnahme aufweisen. Die Rahmenstruktur kann eine in der dritten Aufnahme befestigte dritte Schiene und eine in der vierten Aufnahme befestigte vierte Schiene aufweisen. Dabei kann können die dritte Schiene und die vierte Schiene quer zu der Seitenwand ausgerichtet sein. Die dritte Aufnahme kann im Bereich einer dritten Ecke der Seitenwand und die vierte Aufnahme kann im Bereich einer vierten Ecke der Seitenwand angeordnet sein. Durch die zusätzliche dritte und vierte Schiene kann das Zellpaket gut gehalten werden.
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Die Schienen der metallischen Rahmenstruktur können je eine axiale Aussparung zum Aufnehmen je einer Längskante des Zellpakets aufweisen. Die Aufnahmen können einen Querschnitt einer Schiene als Negativ abbilden, um die Schiene sicher zu führen.
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Die erste Schiene und die zweite Schiene der Rahmenstruktur können je eine axiale Aufnahme für eine Kühlplatte aufweisen. Eine axiale Aufnahme kann entlang der Schiene Verlaufen und im Wesentlichen einen konstanten Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann die Aufnahme dazu ausgebildet sein, eine Kühlplatte axial einzuschieben, sodass die Kühlplatte in der Aufnahme sicher gehalten wird. Dazu kann die Kühlplatte Aussparungen aufweisen, in die die Aufnahme eingreift oder die Aufnahme weist eine Aussparung auf, in die die Kühlplatte eingeschoben werden kann. Durch die Aufnahme für die Kühlplatte können die Batteriezellen effektiv gekühlt bzw. temperiert werden.
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Die Schienen können jeweils über eine Schraubverbindung mit der Seitenwand verbunden sein. Eine solche Schraubverbindung bietet eine einfach zu handhabende und sichere Verbindungsmöglichkeit zwischen den Schienen und der Seitenwand.
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Die Schienen können über je einen Schraubadapter und je eine Mutter mit der Seitenwand verbunden sein. Die Schraubadapter können die Seitenwand durchdringen und die Muttern auf einer, von der Rahmenstruktur abgewandten Seite der Seitenwand auf die Schraubadapter aufgeschraubt sein. Ein Schraubadapter kann ein Anschlussstück für die Schiene sein. Dadurch kann die Schiene trotz eines durchgehenden Querschnitts axial mit einem Gewinde versehen sein. Der Schraubadapter kann fest mit der Schiene verbunden sein. Der Schraubadapter kann eine Verzahnung zum Eingreifen in Aussparungen der Schiene aufweisen. Der Schraubadapter kann einen axialen Gewindebolzen aufweisen. Der Schraubadapter kann auch eine axiale Gewindebohrung aufweisen. Dann kann eine Schraube die Seitenwand durchdringen und die Schiene mit der Seitenwand verbinden.
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Die Einhausung kann ein Gehäuseteil aufweisen, das einen U-förmigen Querschnitt mit einer ersten Fläche, einer quer zu der ersten Fläche ausgerichteten zweiten Fläche und einer quer zu der zweiten Fläche ausgerichteten dritten Fläche aufweist. Dabei kann das Gehäuseteil an der Seitenwand anliegen. Die erste Schiene kann in einer ersten Stoßkante zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche angeordnet sein. Die zweite Schiene kann in einer zweiten Stoßkante zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche angeordnet sein. Eine dritte Schiene kann an einer, der ersten Stoßkante gegenüberliegenden Kante der ersten Fläche angeordnet sein. Eine vierte Schiene kann an einer, der zweiten Stoßkante gegenüberliegenden Kante der dritten Fläche angeordnet sein. Das Gehäuseteil kann aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial sein. Das Gehäuseteil kann einen vorbestimmten Abstand von den Schienen aufweisen. Das Gehäuseteil kann auch unmittelbar an den Schienen anliegen. Das Gehäuseteil kann mit den Schienen verbunden werden. Das Gehäuseteil kann an den zwei gegenüberliegenden Enden je eine Dichtung aufweisen, um gegenüber der Seitenwand und einer weiteren Seitenwand fluiddicht abdichten zu können. Die Seitenwand kann eine Vertiefung oder Erhebung aufweisen, die eine Form des Gehäuseteils abbildet und/oder um das Gehäuseteil zu stützen.
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Das Gehäuseteil kann aus einem ersten Abschnitt und zumindest einem zweiten Abschnitt bestehen, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt je den U-förmigen Querschnitt des Gehäuseteils aufweisen und an einer Schnittstelle miteinander verbunden sind. Durch eine Kombination verschieden langer Abschnitte können unterschiedlich lange Gehäuseteile herstellbar sein. Durch zumindest zwei Abschnitte kann ein modularer Aufbau der Einhausung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der erste Abschnitt so lang sein, wie eine erste Anzahl von Batteriezellen, beispielsweise zwei Batteriezellen, tief sind. Der zweite Abschnitt kann beispielsweise so lang sein, wie eine zweite Anzahl von Batteriezellen, beispielsweise drei Batteriezellen, tief sind. Durch unterschiedliche Kombinationen der Abschnitte können beliebig lange Einhausungen für Batterien mit unterschiedlichen Zellenzahlen bereitgestellt werden. Dabei kann jeweils die gleiche Seitenwand verwendet werden, während eine Länge der Schienen an die Länge des Gehäuseteils angepasst werden kann. Die Abschnitte können miteinander formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden werden, um die Batteriezellen zu schützen.
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Die Einhausung kann einen Deckel aufweisen, der eine offene Seite des Gehäuseteils verschließt und an der ersten Fläche, der Seitenwand und der dritten Fläche anliegt. Der Deckel kann die Einhausung um die Batteriezellen vervollständigen. Der Deckel kann Durchbrüche aufweisen, in denen Anschlüsse der Batterie angeordnet sein können, um die Anschlüsse zugänglich zu gestalten. Der Deckel kann einen Entgasungskanal aufweisen, der dazu ausgebildet ist, aus den Batteriezellen austretende Gase zu sammeln und abzuleiten. Der Deckel kann Aussparungen für Zellverbinder aufweisen, über die die Batteriezellen an den Anschlüssen elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ebenso können Leiterbahnen in den Deckel integriert sein, die dazu ausgebildet sind, Signalströme, beispielsweise von Temperatur- und Spannungsmessung, an eine Einrichtung zur Steuerung und Überwachung des gesamten Systems zu leiten. Der Deckel kann eine umlaufende Dichtung aufweisen, die lösbar oder unlösbar mit dem Gehäuseteil und den Seitenwänden verbunden werden kann.
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Die Einhausung kann eine weitere Seitenwand aufweisen, die baugleich zu der bereits genannten Seitenwand ist. Die weitere Seitenwand kann an einem, der bereits genannten Seitenwand gegenüberliegenden Ende der Rahmenstruktur mit der Rahmenstruktur verbunden sein. Die erste Schiene kann in einer weiteren ersten Aufnahme befestigt sein. Die zweite Schiene in einer weiteren zweiten Aufnahme befestigt sein. Eine dritte Schiene kann in einer weiteren dritten Aufnahme befestigt sein. Eine vierte Schiene kann in einer weiteren vierten Aufnahme befestigt sein. Die weitere Seitenwand kann über weitere Schraubadapter mit den Schienen verbunden sein. Die weitere Seitenwand kann durch die Schienen gegen das Zellpaket gezogen werden und das Zellpaket gegen die Seitenwand quetschen, damit die Batterie mit hoher Effizienz funktioniert.
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Weiterhin wird eine Batterie vorgestellt, die die folgenden Merkmale aufweist:
ein quaderförmiges Zellpaket aus zumindest zwei Zellen mit einem prismatischen Grundkörper, wobei das Zellpaket eine erste Längskante, eine zweite Längskante, eine dritte Längskante und eine vierte Längskante sowie eine erste Stirnfläche und eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche aufweist, wobei die erste Längskante, die zweite Längskante, die dritte Längskante und die vierte Längskante parallel zueinander und quer zu der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche ausgerichtet sind; und
einer Einhausung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz, wobei die Seitenwand an der ersten Stirnfläche des Zellpakets anliegt und die erste Längskante des Zellpakets an der ersten Schiene anliegt ist und die zweite Längskante des Zellpakets an der zweiten Schiene anliegt.
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Eine dritte Längskante des Zellpakets kann an einer dritten Schiene anliegen und die vierte Längskante des Zellpakets kann an einer vierten Schiene anliegen.
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Die Batterie kann eine Kühlplatte aufweisen, die in einer axialen Aufnahme der ersten Schiene und in einer axialen Aufnahme der zweiten Schiene angeordnet ist und thermischen Kontakt zu dem Zellpaket aufweist. Die Kühlplatte kann innerhalb des Gehäuseteils angeordnet sein.
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Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen einer genannten Einhausung;
Bereitstellen eines quaderförmigen Zellpakets aus zumindest zwei Zellen mit einem prismatischen Grundkörper, wobei das Zellpaket eine erste Längskante, eine zweite Längskante, eine dritte Längskante und eine vierte Längskante sowie eine erste Stirnfläche und eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche aufweist, wobei die erste Längskante, die zweite Längskante, die dritte Längskante und die vierte Längskante parallel zueinander und quer zu der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche ausgerichtet sind;
Anordnen des Zellpakets in der Einhausung, sodass die Seitenwand an der ersten Stirnfläche des Zellpakets anliegt, die erste Längskante des Zellpakets an der ersten Schiene anliegt und die zweite Längskante des Zellpakets an der zweiten Schiene anliegt;
Bereitstellen eines Gehäuseteils, das einen U-förmigen Querschnitt mit einer ersten Fläche, einer quer zu der ersten Fläche ausgerichteten zweiten Fläche und einer quer zu der zweiten Fläche ausgerichteten dritten Fläche aufweist; und
Anordnen des Gehäuseteils an der Einhausung, sodass das Gehäuseteil an der Seitenwand anliegt, die erste Schiene in einer ersten Stoßkante zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche des Gehäuseteils angeordnet ist und die zweite Schiene in einer zweiten Stoßkante zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche des Gehäuseteils angeordnet ist.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer dreidimensionalen Kontur und einer verstärkenden Rippenstruktur, insbesondere einer Seitenwand einer Einhausung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Platte aus einem faserverstärkten Halbzeug mit thermoplastischer Matrix;
Die Platte kann in einem Spannrahmen aufgenommen werden. Der Spannrahmen dient zum besseren Handling der Platte.
Erwärmen oder Temperieren der Platte auf eine Umformtemperatur der Matrix, um eine umformbare Platte zu erhalten;
Einlegen der umformbereiten Platte im Spannrahmen in ein geöffnetes Spritzgusswerkzeug, wobei das Spritzgusswerkzeug zwischen zwei Werkzeughälften einen Formhohlraum ausbildet, der die Kontur und die Rippenstruktur des Kunststoffbauteils als Negativform abbildet;
Schließen des Spritzgusswerkzeugs, wobei ein Rand der umformbereiten Platte Spannrahmen gehalten wird, um die Platte auf Spannung zu halten und Faltenbildung der Platte während der dreidimensionalen Umformung zwischen zwei Werkzeughälften zu vermeiden, wobei in der Rippenstruktur ein Restvolumen verbleibt; und
Füllen des Restvolumens des spritzbereiten Spritzgusswerkzeugs mit einem plastifizierten thermoplastischen Material, um die Rippenstruktur an die Kontur anzuspritzen und gleichzeitig die Kontur der zwei Werkzeughälften durch das faserverstärkten Halbzeug mit thermoplastischer Matrix mit Hilfe der eingespritzten Schmelze vollständig abzubilden
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Eine Platte kann bereits im Wesentlichen die Abmessungen des Kunststoffbauteils aufweisen. Die Platte kann einen Überstand zum Nachrutschen während des Umformens aufweisen. Eine Umformtemperatur kann niedriger sein, als eine Schmelztemperatur des thermoplastischen Polymers. Wenn das thermoplastische Material die Umformtemperatur aufweist, kann das Material pastös sein. Beispielsweise kann die Platte in einem Ofen unter Verwendung einer Infrarotheizung temperiert werden. Ein Spannrahmen kann eine Klemmvorrichtung sein, die dazu ausgebildet ist, eine vorbestimmte Klemmkraft auf die Platte auszuüben. Der Spannrahmen kann entlang eines Umfangs der Platte angeordnet sein. Beim Umformen kann das Material der Platte im Spannrahmennachrutschen, um eine Längenänderung durch das Umformen auszugleichen. Der Formhohlraum kann im Bereich der Kontur im Wesentlichen eine so hoch sein, wie die Platte dick ist. Beim Schließen des Spritzgusswerkzeugs kann die Platte beispielsweise zum Formen von Aufnahmen durchstoßen werden, wobei aufgrund der Umformbarkeit der Platte die Verstärkungsfasern seitlich verdrängt werden können, ohne das Material zu schwächen. Ein Restvolumen kann ein verbleibender Formhohlraum sein, wenn die Platte in dem geschlossenen Spritzgusswerkzeug angeordnet ist. Das Restvolumen kann im Wesentlichen im Bereich der Rippenstruktur angeordnet sein. Das Restvolumen kann auch mehrere Teilbereiche umfassen, die beim Füllen separat mit thermoplastischem Material versorgt werden können, um den Formhohlraum vollständig zu auszufüllen. Beim Füllen kann sich das thermoplastische Material mit dem thermoplastischen Material der Platte vermischen. Die beiden Materialien können auf dem gleichen Polymer basieren. Die beiden Materialien können auf unterschiedlichen Polymeren basieren. Das thermoplastische Material im Schritt des Füllens kann mit Kurzfaser und/oder Langfaser verstärkt sein. Das Verfahren kann einen Schritt des Entnehmens aufweisen, in dem das Kunststoffbauteil aus der Spritzgussform entnommen wird, wenn es erstarrt ist. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Beschneidens aufweisen, in dem der Rand auf einen Umriss des Kunststoffbauteils beschnitten wird.
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Ein Batteriemodulgehäuse, beispielsweise für prismatische Lithium-Ionen-Zellen, könnte aus verschweißten Metallblechen hergestellt werden. Diese Konstruktion aus Metallblechen hat eine hohe Masse des Batteriemodulgehäuses zur Folge. Die Masse der Batterieperipherie, die aus einem Hochspannungsverbindungssystem, einem Kühlsystem, einer Elektronik, dem Gehäuse und einem Ladesystem besteht und verantwortlich für einen sicheren und kontrollierten Betrieb des Batteriesystems ist, soll aber möglichst gering gehalten werden, da die Masse eines Elektrofahrzeugs die nötige Kapazität des Batteriesystems mitbestimmt und die Masse des Elektrofahrzeugs aufgrund des Batteriesystems ohnehin höher ist als die Masse eines Fahrzeugs mit konventionellem Antrieb ist.
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Das hier vorgestellte Kunststoffgehäuse weist eine Einhausung auf, die bei jedem Li-Ionen oder NiMH-Batteriemodul für ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug eingesetzt werden kann. Das Kunststoffgehäuse kann auch teilbar ausgeführt werden, um das Batteriemodul entsprechend der gewünschten Zellenanzahl skalieren zu können. Im hier vorgestellten Ansatz werden vorwiegend prismatische Zellen verwendet, die über Zellverbinder verbunden werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Einhausung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung einer Einhausung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung eines Teils einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Explosionsdarstellung einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung einer zusammengebauten Batterie gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Darstellung eines Kraftflusses in einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Seitenwand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Einhausung 100 zum Aufnehmen eines Zellpakets gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einhausung 100 weist eine Seitenwand 102 und eine Rahmenstruktur 104 auf. Die Seitenwand 102 ist als ein Kunststoffbauteil ausgeführt. Optional kann die Seitenwand 102 als faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer dreidimensionalen Kontur und einer verstärkenden Rippenstruktur 106 ausgeführt sein.
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Die Seitenwand 102 weist einen vorzugsweise rechteckigen Umriss auf. Im Bereich einer ersten Ecke weist die Seitenwand 102 eine erste Aufnahme 108 und im Bereich einer zweiten Ecke eine zweite Aufnahme 110 auf. Im Bereich einer dritten Ecke und im Bereich einer vierten Ecke kann die Seitenwand 102 eine dritte Aufnahme 113 und eine vierte Aufnahme 114 aufweisen.
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Die Rahmenstruktur 104 ist aus Metall und dazu ausgebildet, das Zellpaket vorzuspannen. Die Rahmenstruktur 104 weist eine erste Schiene 116 und eine zweite Schiene 118 auf. Ferner kann die Rahmenstruktur 104 eine dritte Schiene 120 und eine vierte Schiene 122 aufweisen.
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Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Schiene 116 ist in der ersten Aufnahme 108 befestigt. Die zweite Schiene 118 ist in der zweiten Aufnahme 110 befestigt. Die dritte Schiene 120 ist in der dritten Aufnahme 112 befestigt. Die vierte Schiene 122 ist in der vierten Aufnahme 114 befestigt. Die erste Schiene 116, die zweite Schiene 118, die dritte Schiene 120 und die vierte Schiene 122 sind quer zu der Seitenwand 102 ausgerichtet und weisen je eine axiale Aussparung zum Aufnehmen je einer Längskante des Zellpakets auf.
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Die Einhausung 100 hat verschiedene Aufgaben. Sie fixiert die Lithium-Ionen-Zellen während des Montageprozesses und stellt die für die einwandfreie Funktion des Batteriesystems nötige Verspannung der Zellen sicher. Diese Verspannung kann gemäß dem hier vorgestellten Ansatz mithilfe einer Rahmenstruktur 104 aufgebracht werden, in der die Zellen genau positioniert werden können.
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2 zeigt eine Darstellung einer Einhausung 100 zum Aufnehmen eines Zellpakets gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einhausung entspricht vom prinzipiellen Aufbau her der in 1 gezeigten Einhausung. 2 zeigt die Seitenwand 102 mit dem Schienensystem 104. Die Seitenwand 102 ist als Kunststoff-Kunststoff-Hybridbauteil ausgeführt. Die Seitenwand 102 ist unter Verwendung eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer dreidimensionalen Kontur und einer verstärkenden Rippenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt worden. Zur Herstellung der Seitenwand 102 wird eine bereitgestellte Platte aus einem faserverstärkten Halbzeug mit thermoplastischer Matrix in einem Spannrahmen aufgenommen und auf eine Umformtemperatur der Matrix temperiert, um eine umformbereite Platte zu erhalten. Die umformbereite und im Spannrahmen gehaltene Platte wird in ein geöffnetes Spritzgusswerkzeug eingelegt. Das Spritzgusswerkzeug bildet zwischen zwei Werkzeughälften einen Formhohlraum aus, der die Kontur und die Rippenstruktur 106 der Seitenwand 102 als Negativform abbildet. Beim Schließen des Spritzgusswerkzeugs, um das Spritzgusswerkzeug in einen spritzbereiten Zustand zu versetzen, wird ein Rand der umformbereiten Platte im Spannrahmen mit einer vorbestimmten Klemmkraft geklemmt, um die Platte auf Spannung zu halten. Während des Schließens wird die umformbereite Platte zwischen den zwei Werkzeughälften in die Kontur der Seitenwand 102 gezogen. In der Rippenstruktur 106 des Formhohlraums verbleibt ein Restvolumen. In Restvolumen des nun spritzbereiten Spritzgusswerkzeugs wird ein plastifiziertes thermoplastisches Material gespritzt, um die Rippenstruktur 106 an die Kontur auszubilden. Durch den Druck der einströmenden Schmelzen wird die Werkzeugkontur durch das zuvor umgeformte Halbzeug vollständig abgeformt. Die Rippenstruktur 106 ist hier sternförmig ausgebildet. Ein Knotenpunkt der Rippenstruktur 106 ist zur gusstechnischen Optimierung als Ringrippe ausgeführt. Die vier Aufnahmen 108, 110, 112, 114 sind als Durchgangslöcher durch die Seitenwand 102 ausgeführt. Auf der von den Schienen abgewandten Seite weisen die Aufnahmen 108, 110, 112, 114 je eine Anlagefläche für eine Schraube oder Mutter auf. In den Aufnahmen 108, 110, 112, 114 sind Schraubadapter 200 angeordnet, die fest mit den Schienen 116, 118, 120, 122 verbunden sind. Die Schienen 116, 118, 120, 122 sind als Strangpressprofile aus Aluminium ausgeführt. Die erste Schiene 116 und die zweite Schiene 118 weisen zusätzlich je eine axiale Aufnahme 202 für eine Kühlplatte auf. Die erste Schiene 116 und die zweite Schiene 118 weisen deswegen ein F-förmiges Profil auf, wobei die axiale Aussparung zum Aufnehmen des Zellpakets durch den offenen L-förmigen Winkel des Profils ausgebildet ist. Die axiale Aufnahme 202 ist durch den U-förmigen Teil des Profils ausgebildet. Die dritte Schiene 120 und die vierte Schiene 122 weisen lediglich ein L-förmiges Profil auf, durch das die axiale Aussparung zum Aufnehmen des Zellpakets ausgebildet ist. Die Schraubadapter 200 umgreifen jeweils das L-förmige Profil bzw. den L-förmigen Profilteil und sind zugfest mit den Schienen 116, 118, 120, 122 verbunden.
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3 zeigt eine Darstellung einer Batterie 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 3 sind Zellen 302 und eine Kühlplatte 304 in das Schienensystem 104 eingeschoben. Mit anderen Worten zeigt 3 eine Einhausung 100 für Energiespeicherzellen 302 mit einer Rahmenstruktur 104, wie sie in den 1 und 2 dargestellt ist.
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Die Zellen 302 weisen eine rechteckige Grundfläche und einen prismatischen Zellenkörper auf. Die Zellen 302 sind nebeneinander so angeordnet, dass je eine Zelle 302 mit einer Breitseite an einer Breitseite einer benachbarten Zelle 302 anliegt. Die Zellen 302 sind zu einem Zellpaket verbunden, das nachfolgend teilweise ebenfalls mit dem Bezugszeichen 302 bezeichnet wird. Die Zellen 302 sind in die axialen Aussparungen der Schienen 116, 118, 120, 122 eingeschoben, sodass eine Längskante der Zellen 302 von den Schienen 116, 118, 120, 122 umschlossen ist. Das Zellpaket, in diesem Ausführungsbeispiel fünf baugleiche Zellen 302, liegt mit einer Stirnfläche an der Seitenwand 102 an. In diesem Ausführungsbeispiel liegt das Zellpaket 302 an der Rippenstruktur an. An den freiliegenden Enden der Schienen 116, 118, 120, 122 sind weitere vier Schraubadapter 200 angeordnet. Die Schraubadapter 200 weisen in diesem Ausführungsbeispiel je einen axialen Gewindebolzen auf, der in die Aufnahmen der Seitenwand 102 eingreift. Die Schraubadapter 200 können auch beispielsweise eine Gewindebohrung aufweisen, wobei dann je eine Schraube in den Aufnahmen angeordnet wäre. In der Darstellung sind die erste Schiene 116 und die zweite Schiene 118 unten angeordnet, während die dritte Schiene 120 und die vierte Schiene 122 oben angeordnet sind. Die Zellen 302 sind so in die Rahmenstruktur 104 eingeschoben, dass elektrische Kontakte der Zellen 302 oben liegen und zwischen der dritten Schiene 120 und der vierten Schiene 122 angeordnet sind. Dabei sind die elektrischen Anschlüsse im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wechselweise angeordnet. Ein Pluspol folgt jeweils auf einen Minuspol und umgekehrt. Die Kühlplatte 304 ist in die Aufnahme der unteren Schienen 116, 118 eingeschoben und liegt an einer Unterseite der Zellen 302 an, um die Batterie 300 zu temperieren.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem die Zellen 302 beispielhaft als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sind. Abgesehen von den Kontaktierungsstellen an den Zellterminals, werden die Lithium-Ionen-Zellen 302 elektrisch isoliert. Zu diesem Zweck können die metallischen Zellbecher manuell lackiert werden. Die Zellisolierung kann auch mit (Tiefzieh-)Folien dargestellt werden. Zur Isolation zwischen den Zellen 302 können gemäß dem hier vorgestellten Ansatz insbesondere je nach Anforderung einfache Kunststoffplatten, Kunststofffolien oder Isolationspapier, verwendet werden. Durch die Kunststoffplatten oder Folien kann ein erhöhter Aufwand zur Erfüllung von Sicherheit- und Umweltschutzrichtlinien sowie ein langer Lackier- und Trocknungsprozess bei der Lackierung vermieden werden. Zusätzlich weisen die Folien oder Platten eine einheitliche Dicke auf, wodurch eine Schwankung der Zellabmessungen durch das manuelle Lackieren, die zu Problemen in der nachfolgenden Montage führen kann, verhindert werden kann. Tiefgezogene Folien sind aufgrund der dort notwendigen Entformungsschrägen nicht bei allen Zellgrößen möglich. Weiterhin bieten zwischengelegte Platten oder Folien einen verringerten thermischen Kontakt zwischen den Zellen 302. Die tiefgezogenen, prismatischen Zellbecher an sich sorgen zwar bereits für eine gewisse mechanische Stabilität, aber das Batteriemodulgehäuse 100 steigert die mechanische Stabilität des Batteriesystems 300 im Crashfall.
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4 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Batterie 300 in Form eines Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batterie 300 entspricht der Batterie in 3. 4 zeigt somit ein Modul 300 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz mit Rahmensystem 104, Batterieeinhausung 100 und mit fünf Lithium-Ionen-Zellen 302 in einer Explosionsdarstellung. Zusätzlich weist die Batterie 300 ein Gehäuseteil 400 und eine weitere Seitenwand 402 auf. Ferner weist die Batterie 300 einen Deckel 404 mit Zellverbindern 406 und Anschlüssen 408 auf. Das Gehäuseteil 400 weist einen U-förmigen Querschnitt auf. Das Gehäuseteil 400 ist ein Kunststoffbauteil. Drei Flächen sind je rechtwinklig zueinander angeordnet. Der Querschnitt des Gehäuseteils 400 ist so groß, dass das Gehäuseteil 400 die Rahmenstruktur mit dem darin angeordneten Zellenpaket 302 vollständig umschließen kann. Das Gehäuseteil 400 weist eine offene Seite auf. Diese offene Seite stimmt mit der Oberseite der Zellen 302 überein. Die weitere Seitenwand 402 entspricht der Seitenwand 102. Die weitere Seitenwand 402 ist an einer, der Seitenwand 102 gegenüberliegenden Stirnfläche des Zellpakets 302 angeordnet. Die weitere Seitenwand 402 ist spiegelbildlich zu der Seitenwand 102 ausgerichtet. Die Seitenwand 102 und die weitere Seitenwand 402 sind durch Muttern 410 mit den Schraubadaptern 200 verbunden. An der Oberseite ist der Deckel 404 angeordnet. Der Deckel 404 ist ebenfalls ein Kunststoffbauteil. Der Deckel 404 weist große Durchbrüche und kleine Durchbrüche auf. Die großen Durchbrüche sind über jeweils zwei elektrischen Anschlüssen benachbarter Batteriezellen 302 angeordnet. In den großen Durchbrüchen sind jeweils Zellverbinder 406 angeordnet. Die Zellverbinder 406 verbinden die zwei elektrischen Kontakte der Zellen 302. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zellen 302 in Reihe geschaltet. An jeweils dem ersten elektrischen Kontakt und dem letzten elektrischen Kontakt der Reihenschaltung ist ein Anschluss 408 zu einem nicht dargestellten nächsten Modul angeordnet. Die Anschlüsse 408 sind in den kleinen Durchbrüchen des Deckels angeordnet. Die Zellverbinder 406 und die Anschlüsse 408 sind jeweils von Abdeckkappen 412 für die Zellverbinder 406 und Abdeckkappen 414 für die Pole abgedeckt und damit vor Umwelteinflüssen sowie ungewolltem Berühren geschützt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Rahmensystem 104 als ein Schienensystem 104 aus Metall ausgeführt, über das die Zellen 302 verspannt werden und das gleichzeitig die Fixierung des Zellenpaketes und der Kühlplatte 304 während der Montage übernimmt. Alle Betriebskräfte, die aus der Verspannung der Zellen 302 sowie deren Volumenänderung infolge des Atmens während des Betriebes resultieren, werden von diesem Schienensystem 104 und den beiden Seitenwänden 102, 402, die vorzugsweise mittels Spritzgießen hergestellt werden, aufgenommen. Die weitere Einhausung 400 kann lediglich der Verkleidung dienen und muss keine weiteren Kräfte aufnehmen. Je nach Modulgröße kann die Länge des Schienensystems 104 angepasst werden. Darüber werden Kunststoff-Verkleidungsteile 400, 404 vorgestellt, die das gesamte Zellenpaket 302 einhüllen und vorzugsweise mittels Spritzgießen hergestellt werden. Durch die Aufteilung dieser Kunststoffverkleidungsteile 400 in sinnvolle Teilgrößen, beispielsweise die gemeinsame Einhausung 100 von Zweier- oder Dreierzellverbunden, lassen sich alle Modulgrößen mit lediglich zwei verschiedenen Bauteilgrößen aufbauen. In 4 ist allerdings die Einhausung 400 als ein einzelnes Bauteil dargestellt. Die Abdichtung zwischen diesen Verkleidungssegmenten 400 kann entweder durch eine angespritzte Dichtlippe oder durch einen Form- bzw. Stoffschluss, beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen realisiert werden. Die Kunststoff-Einhausung 400 übernimmt die Funktionen, das Modul 300 sowohl thermisch, als auch elektrisch zu isolieren und gegen Medien zu dichten. Die Aufnahme aller Kräfte, sowie die Fixierung der Zellen 302 erfolgt über das Schienensystem 104 und die Seitenwände 102, 402.
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Die Batterie-Module 300 können mit einer verschiedenen Anzahl an Zellen 302 eingesetzt werden, daher wäre bei einem Gehäuse aus Blech für jede Modulgröße eine eigene Einhausung notwendig. Dies würde zu einer hohen Teilevielfalt, einer hohen Variantenzahl und einem hohen Anteil an Handarbeit in der Montage führen. Durch den hier vorgestellten modularen Aufbau des Gehäuses kann die Batterie 300 günstig und mit einem geringen logistischen Aufwand hergestellt werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz weist das Batteriemodul 300 ein modular aufgebautes System aus Kunststoff-Verkleidungsteilen 102, 400, 402, 404 und Metallschienen 116, 118, 120, 122 auf. Mithilfe des Schienensystems 104 lassen sich die Zellen 302 während der Montage sehr genau positionieren und ohne Verwendung einer Vorrichtung verspannen.
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Durch Kunststoff-Verkleidungsteile 400 in Baugrößen von zwei und drei Zellen 302 kann ein sinnvolles Baukastensystem zusammenstellt werden, das die Abdeckung aller Modulgrößen mit wenigen Bauteilen ermöglicht.
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Durch dieses Konzept können neben Teileanzahl und Teilevielfalt auch gleichzeitig die Kosten und das Gewicht für die Einhausung 100 eines Batteriemoduls 300 reduziert werden.
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Der hier beschriebene Ansatz stellt ein Konzept zur Einhausung 100 eines Batteriesystems 300 aus Metallschienen 116, 118, 120, 122 und Kunststoff-Verkleidungsteilen 102, 400, 402, 404 vor, das einen vereinfachten Montageprozess ermöglicht.
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5 zeigt eine Darstellung einer Batterie 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batterie 300 entspricht der Batterie in 4. 5 zeigt das Modul 300 aus 4 im zusammengebauten Zustand. Die Batterie 300 ist vollständig von den Seitenwänden 102, 402, dem Gehäuseteil 400 und dem Deckel 404 umschlossen. Das Gehäuseteil 400 dichtet gegen die Seitenwände 102, 402 ab. Der Deckel 404 dichtet gegen die Seitenwände 102, 402 sowie gegen das Gehäuseteil 400 ab. Die Seitenwände 102, 402 sind durch Schienen zugfest miteinander verbunden. Über die Muttern 410 sind die Seitenwände 102, 402 gegeneinander verspannt. Die Batteriezellen sind zwischen den Seitenwänden 102, 402 eingeklemmt und dadurch vorgespannt. Die Abdeckkappen 412 für die Zellverbinder 406 und die Abdeckkappen 414 für die Pole 408 sind auf den großen und kleinen Durchbrüchen des Deckels 404 angeordnet und schützen so die elektrischen Anschlüsse der Batterie 300 vor Umwelteinflüssen und unbeabsichtigtem Berühren.
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Die Einhausung, hier als Batteriemodulgehäuse aus den Bestandteilen 102, 400, 402, 404 gezeigt, verhindert das Eindringen von Medien von außen, beispielsweise von Salzwasser, aber auch das Austreten von Reaktionsprodukten der Lithium-Ionen-Zellen im Schadensfall. Um die optimale Betriebstemperatur der Lithium-Ionen-Zellen zu gewährleisten, übernimmt das Batteriemodulgehäuse 102, 400, 402, 404, neben dem eigentlichen Temperiersystem, einen Anteil an der Temperierung der Zellen.
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Die Einhausung 100 für Batteriemodule 300 nach dem vorliegenden Konzept unterscheidet sich gegenüber anderen Einhausungen darin, dass eine Trennung der mechanischen Funktionen von der Einhausungsfunktion stattfindet. Die mechanischen Funktionen werden von metallischen Komponenten übernommen. Die Einhausungsfunktion wird von Kunststoffbauteilen 102, 400, 402, 404 erfüllt. Auf diese Weise kann das Gewicht der Batteriemoduleinhausung 100 gegenüber metallischen Gehäusen deutlich reduziert werden. Im Falle einer Aufteilung der Kunststoff-Verkleidungselemente 400 in sinnvolle Elemente werden nur wenige unterschiedliche Komponenten benötigt, um alle Modul- und Packgrößen abbilden zu können, was eine deutliche Reduktion der Bauteil- und Montagekosten zur Folge hat.
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Der Deckel 404 des Moduls 300 kann als ein Bauteil ausgeführt werden. Abdeckkappen 412, 414 verhindern, dass die Zellverbinder nach der Kontaktierung unbeabsichtigt berührt werden können.
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Zum Reduzieren von Montagezeit kann der Deckel 404 als zweiteiliges Bauteil ausgeführt werden, das vorzugsweise mittels Spritzgießen gefertigt wird. In den Deckel 404 können zahlreiche Funktionen integriert werden. Durch ein Umspritzen von Zellverbindern und Stanzgittern lassen sich bereits beim Spritzgießen die Signalübertragung und die Vorstufe zur Zellkontaktierung integrieren. Alternativ kann die Signalübertragung im Deckel 404 mittels MID (Molded Interconnect Devices, dreidimensionale elektronische Baugruppen) realisiert werden. Das nachträgliche Aufbringen von Leiterbahnen hat den Vorteil, dass lediglich durch Umprogrammierung der Einrichtung, die diese Leiterbahnen aufbringt, Änderungen an der Schaltung vorgenommen werden können. Sind dagegen Änderungen an einer Schaltung vorgenommen werden, die mittels umspritztem Stanzgitter realisiert wird, so ist neben der Änderung des Stanzgitters und dem entsprechenden Werkszeug, auch eine Änderung des Spritzgießwerkzeuges nötig. Der Deckel 404 enthält ferner einen durchgängigen Entgasungskanal (Degassing-Kanal). Die Dichtungen am Deckel 404 (zum Degassing Vent und zur Zelleinhausung 102, 400, 402) können in einem nachfolgenden Arbeitsschritt angespritzt oder mithilfe eines Zweikomponentenwerkzeuges und einer Zweikomponenten-Spritzgießmaschine mit Umsetztechnik direkt während der Deckel 404 gespritzt wird, angeformt werden. Der Deckel 404 kann entweder als einteiliges Bauteil, vorzugsweise aber als zweiteiliges Bauteil hergestellt werden. Bei einem einteiligen Deckel 404 kann der Entgasungskanal beispielsweise ausgeblasen werden. Bei einem zweiteiligen Deckel 404 kann sich der Entgasungskanal durch Fügen, vorzugsweise Schweißen, von Unter- und Oberteil des Deckels 404 ergeben.
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Die Abdeckkappen 412, 414, die nach dem Kontaktieren der Zellen über die Zellverbinder gesteckt werden, dienen lediglich als Berührschutz. Sie können beispielsweise als Spritzgussbauteil, vorzugsweise aus PP hergestellt sein. Um Plus und Minus-Anschluss optisch kenntlich zu machen, wird vorgeschlagen, die Abdeckkappen 412, 414 farblich zu kennzeichnen.
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Mit anderen Worten zeigt 5 eine Batterie 300 mit einem quaderförmigen Zellpaket aus zumindest zwei Zellen mit einem prismatischen Grundkörper. Das Zellpaket weist eine erste Längskante, eine zweite Längskante, eine dritte Längskante und eine vierte Längskante sowie eine erste Stirnfläche und eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche auf, wobei die erste Längskante, die zweite Längskante, die dritte Längskante und die vierte Längskante parallel zueinander und quer zu der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche ausgerichtet sind. Weiterhin weist die Batterie 300 eine Rahmenstruktur zum Vorspannen des Zellpakets auf. Die Rahmenstruktur weist eine erste metallene Tragschiene, eine zweite metallene Tragschiene, eine erste metallene Führungsschiene und eine zweite metallene Führungsschiene auf. Dabei weist die erste Tragschiene eine erste axiale Aufnahme für eine Kühlplatte und eine erste axiale Aussparung auf, in der die erste Längskante des Zellpakets angeordnet ist. Die zweite Tragschiene weist eine zweite axiale Aufnahme für die Kühlplatte und eine zweite axiale Aussparung auf, in der die zweite Längskante des Zellpakets angeordnet ist. Die erste Führungsschiene weist eine dritte axiale Aussparung auf, in der die dritte Längskante des Zellpakets angeordnet ist, und die zweite Führungsschiene weist eine vierte axiale Aussparung auf, in der die vierte Längskante des Zellpakets angeordnet ist. Ferner weist die Batterie 300 eine Einhausung 100 aus einem Kunststoffmaterial auf, die dazu ausgebildet ist, das Zellpaket aufzunehmen. Die Einhausung 100 weist eine erste Seitenwand 102, eine zweite Seitenwand 402, ein Gehäuseteil 400 und einen Deckel 404 auf. Die erste Seitenwand 102 liegt an der ersten Stirnfläche des Zellpakets an. Die zweite Seitenwand 402 liegt an der zweiten Stirnfläche des Zellpakets an. Die erste Seitenwand 102 und die zweite Seitenwand 402 sind zugfest mit der Rahmenstruktur verbunden und als faserverstärkte Kunststoffbauteile mit einer dreidimensionalen Kontur und einer verstärkenden Rippenstruktur ausgeführt. Das Gehäuseteil 400 ist zwischen der ersten Seitenwand 102 und der zweiten Seitenwand 402 angeordnet und zu der ersten Seitenwand 102 und der zweiten Seitenwand 402 abdichtet. Das Gehäuseteil 400 weist einen U-förmigen Querschnitt mit einer ersten Fläche, einer quer zu der ersten Fläche ausgerichteten zweiten Fläche und einer quer zu der zweiten Fläche ausgerichteten dritten Fläche auf. Die erste Tragschiene ist in einer ersten Stoßkante zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche angeordnet. Die zweite Tragschiene ist in einer zweiten Stoßkante zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche angeordnet. Die erste Führungsschiene ist an einer, der ersten Stoßkante gegenüberliegenden Kante der ersten Fläche angeordnet und die zweite Führungsschiene ist an einer, der zweiten Stoßkante gegenüberliegenden Kante der dritten Fläche angeordnet. Der Deckel 404 verschließt eine offene Seite des Gehäuseteils 400 und dichtet an der ersten Fläche, der ersten Seitenwand 102, der dritten Fläche und der zweiten Seitenwand 402 ab.
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Die Einhausung 100 zum Aufnehmen des Zellpakets weist ein Gehäuseteil 400 auf, das eine erste Fläche, eine quer zu der ersten Fläche ausgerichtete zweite Fläche und eine quer zu der zweiten Fläche ausgerichtete dritte Fläche auf. Das Gehäuseteil 400 weist einen U-förmigen Querschnitt auf. Die erste Fläche ist an einer ersten Stoßkante mit der zweiten Fläche verbunden. Die zweite Fläche ist an einer zweiten Stoßkante mit der dritten Fläche verbunden. Das Gehäuseteil 400 ist aus einem Kunststoffmaterial. Die Einhausung 100 weist ferner eine erste Seitenwand 102 auf, die als faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer dreidimensionalen Kontur und einer verstärkenden Rippenstruktur ausgeführt ist und an einer ersten offenen Seite des Gehäuseteils 400 an der ersten Fläche, der zweiten Fläche und der dritten Fläche anliegt. Dabei ist eine Haupterstreckungsebene der ersten Seitenwand 102 quer zu der ersten Fläche, der zweiten Fläche und der dritten Fläche ausgerichtet. Die Einhausung 100 weist ferner eine zweite Seitenwand 402 auf, die baugleich zur ersten Seitenwand 102 ist. Die zweite Seitenwand 102 ist deckungsgleich zu der ersten Seitenwand 102 an einer zweiten offenen Seite des Gehäuseteils 400 angeordnet und liegt an der ersten Fläche, der zweiten Fläche und der dritten Fläche an. Eine Haupterstreckungsebene der zweiten Seitenwand 402 ist quer zu der ersten Fläche, der zweiten Fläche und der dritten Fläche ausgerichtet. Weiterhin weist die Einhausung eine erste metallene Tragschiene mit einer ersten axialen Aussparung zum Aufnehmen einer ersten Längskante des Zellpakets und mit einer ersten axialen Aufnahme für eine Kühlplatte auf. Die erste Tragschiene ist in dem ersten Stoß angeordnet und erstreckt sich von der ersten Seitenwand 102 zu der zweiten Seitenwand 402. Die erste Tragschiene ist zugfest mit der ersten Seitenwand 102 und der zweiten Seitenwand 402 verbunden. Weiterhin weist die Einhausung 100 eine zweite metallene Tragschiene mit einer zweiten axialen Aussparung zum Aufnehmen einer zweiten Längskante des Zellpakets und mit einer zweiten axialen Aufnahme für die Kühlplatte auf. Die zweite Tragschiene ist in dem zweiten Stoß angeordnet und erstreckt sich von der ersten Seitenwand 102 zu der zweiten Seitenwand 402. Die zweite Tragschiene ist zugfest mit der ersten Seitenwand 102 und der zweiten Seitenwand 402 verbunden. Weiterhin weist die Einhausung 100 eine erste metallene Führungsschiene mit einer dritten axialen Aussparung zum Aufnehmen einer dritten Längskante des Zellpakets auf. Die erste Führungsschiene ist parallel zu der ersten Tragschiene an einer, dem ersten Stoß gegenüberliegenden Kante der ersten Fläche angeordnet und erstreckt sich von der ersten Seitenwand 102 zu der zweiten Seitenwand 402. Die erste Führungsschiene ist zugfest mit der ersten Seitenwand 102 und der zweiten Seitenwand 402 verbunden. Ferner weist die Einhausung 100 eine zweite metallene Führungsschiene mit einer vierten axialen Aussparung zum Aufnehmen einer vierten Längskante des Zellpakets auf. Die zweite Führungsschiene ist parallel zu der zweiten Tragschiene an einer, dem zweiten Stoß gegenüberliegenden Kante der dritten Fläche angeordnet und erstreckt sich von der ersten Seitenwand 102 zu der zweiten Seitenwand 402. Die zweite Führungsschiene ist zugfest mit der ersten Seitenwand 102 und der zweiten Seitenwand 402 verbunden. Schließlich weist die Einhausung 100 einen Deckel auf, der an einer dritten offenen Seite des Gehäuseteils 400 an der ersten Fläche, der ersten Seitenwand 102, der dritten Fläche und der zweiten Seitenwand 402 anliegt und aus einem Kunststoffmaterial ist.
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6 zeigt eine Darstellung eines Kraftflusses in einer Batterie 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batterie entspricht der Batterie in 5. Im Gegensatz zu 5 ist der Deckel hier nicht dargestellt. Ebenso sind die Abdeckkappen, Zellverbinder und Anschlüsse nicht dargestellt. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite der Batterie 300. Die elektrischen Anschlüsse der fünf Batteriezellen 302 liegen frei. Es ist eine Zugkraft 600 (Zug) durch die dritte Schiene 120 und eine Zugkraft 600 durch die vierte Schiene 122 dargestellt. Entsprechende Zugkräfte werden durch die erste Schiene und die zweite Schiene an der Unterseite der Batterie 300 übertragen. Die Zugkräfte 600 werden von den Muttern 410 aufgebracht, die sich jeweils an der Seitenwand 102 und der weiteren Seitenwand 402 abstützen. Durch die Zugkräfte 600 werden die Seitenwände 102, 402 einer Biegebelastung 602 (Biegung) ausgesetzt, die in der Mitte zwischen den Schienen ein Maximum aufweist. Die Rippenstruktur versteift die Seitenwände 102, 402. Dadurch können die Seitenwände 102, 402 der Biegebelastung 602 ohne eine große Auslenkung widerstehen. Die Seitenwände 102, 402 biegen sich also nur sehr gering durch. Damit übertragen die Seitenwände 102, 402 die Zugkraft 600 als Flächenpressung auf beide Stirnflächen des Zellpakets 302. In den Zellen 302 entsteht durch die Flächenpressung eine Druckbelastung 604 (Druck), die benötigt wird, um einer Volumenänderung der Zellen während des Betriebes infolge sogenannten Atmens entgegenzuwirken.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Durch das hier beschriebene Verfahren kann beispielsweise eine Batterie, wie in 4 gezeigt, hergestellt werden.
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In einem Schritt 701 wird eine Einhausung, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist und in einem Schritt 703 ein quaderförmiges Zellpaket aus zumindest zwei Zellen bereitgestellt. In einem Schritt 705 wird das Zellpaket in der Einhausung angeordnet. In einem Schritt 707 wird ein Gehäuseteil bereitgestellt, das einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Dieses Gehäuseteil wird in einem Schritt 709 mit der Einhausung verbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Seitenwand der Einhausung mit vier Schraubadaptern bestückt werden. Diese Schraubadapter weisen ein Gewinde auf, sodass sie mit jeweils einer Mutter durch Verschrauben an der Seitenwand fixiert werden können. Die Schraubadapter nehmen je zwei Schienen für oben und unten (vorzugsweise aus Aluminium und eventuell beschichtet) auf. Nach der Vormontage dieser Rahmenstruktur kann das gesamte Zellenpaket, die Anzahl der Zellen hängt dabei von der Modulgröße ab, in den Rahmen geschoben werden und wird durch diesen fixiert. Auch die Kühlplatte kann einfach in die Rahmen geschoben werden. Zur Isolation zwischen den Zellen können beispielsweise einfache Kunststoffplatten, -folien oder Isolationspapier dienen. Im Falle einer Kühlplatte aus Metall ist auch am Zellboden eine Isolierung erforderlich. Im Falle einer Kühlplatte aus Kunststoff kann diese Isolierung entfallen.
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Nach dem Einschieben des Zellenpaketes im Schritt 705 können vier baugleiche Schraubadapter an den Schienenenden fixiert werden und eine weitere Seitenwand oder ein komplettes Gehäuseteil, wie in 4 dargestellt, über das System aus erster Seitenwand, Schienen und Zellen geschoben werden. Anschließend wird je eine Mutter auf das Gewinde der Schraubadapter geschraubt. Durch das Anziehen der Muttern wird die Seitenwand an das Zellenpaket herangezogen und die Zellen über das System aus Schienen, Seitenwänden, insbesondere den angespritzten Rippen der Seitenwände, Schraubadapter und Muttern verspannt. 6 zeigt schematisch den Kraftfluss.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer dreidimensionalen Kontur und einer verstärkenden Rippenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mit dem hier beschriebenen Verfahren 800 kann eine Seitenwand, wie sie in 2 beschrieben ist, hergestellt werden. Das Verfahren 800 weist einen Schritt 802 des Bereitstellens, einen Schritt 804 des Temperierens, einen Schritt 806 des Einlegens, einen Schritt 808 des Schließens und einen Schritt 810 des Füllens auf. Im Schritt 802 des Bereitstellens wird eine Platte aus einem faserverstärkten Halbzeug mit thermoplastischer Matrix bereitgestellt. Im Schritt 804 des Temperierens wird die Platte auf eine Umformtemperatur der Matrix temperiert, um eine umformbereite Platte zu erhalten. Zum einfacheren Handling der Platte wird sie zuvor in einem Spannrahmen fixiert. Im Schritt 806 des Einlegens wird die umformbereite Platte, die in einem Spannrahmen fixiert ist, in ein geöffnetes Spritzgusswerkzeug eingelegt. Das Spritzgusswerkzeug bildet zwischen zwei Werkzeughälften einen Formhohlraum aus, der die Kontur und die Rippenstruktur des Kunststoffbauteils als Negativform abbildet. Im Schritt 808 des Schließens wird das Spritzgusswerkzeug geschlossen. Dabei wird ein Rand der umformbereiten Platte vom Spannrahmen geklemmt, um die Platte auf Spannung zu halten und Faltenbildung während der dreidimensionalen Umformung zu vermeiden. Durch das Schließen wird das Spritzgusswerkzeug in einen spritzbereiten Zustand versetzt und gleichzeitig die umformbereite Platte zwischen den zwei Werkzeughälften in die Kontur gezogen. In der Rippenstruktur verbleibt ein Restvolumen. Im Schritt 810 des Füllens wird das Restvolumen des spritzbereiten Spritzgusswerkzeugs mit einem plastifizierten thermoplastischen Material gefüllt, um die Rippenstruktur an die Kontur anzuspritzen und durch den Druck der einströmenden Schmelze die Kontur des Werkzeuges vollständig mit dem umgefomten Halbzeug abzubilden.
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Unter Verwendung des in 8 beschriebenen Verfahrens 800 kann die Seitenwand, wie sie in den 1 bis 6 beschrieben ist, als Kunststoff-Kunststoff-Hybridbauteil hergestellt werden. Hierfür kann ein bereits imprägniertes und konsolidiertes Gewebehalbzeug mit thermoplastischer Matrix (Organoblech) beim Schließen 808 des Spritzgießwerkzeuges umgeformt und anschließend umspritzt 810 bzw. Funktionselemente wie die Aufnahme für die Schraubadapter, angespritzt werden.
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Durch die Verwendung von (Faserverbund) Kunststoffbauteilen für die Einhausung von Batteriemodulen lässt sich die Masse dieser Einhausung im Vergleich zu einer Metalleinhausung deutlich reduzieren. Die Herstellung der Kunststoffbauteile erfolgt vorzugsweise durch Spritzgießen. Mögliche Verstärkungen sind vorzugsweise Einleger aus bereits imprägniertem und konsolidiertem Gewebehalbzeug mit thermoplastischer Matrix (Organoblech) oder metallische Einleger. Die Herstellung der Kunststoff-Komponenten im Spritzgießen ermöglicht hohe Stückzahlen bei gleichzeitig niedrigen Preisen und die Produktion von hochintegrierten Komponenten.
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Die metallische Rahmenstruktur garantiert die mechanische Stabilität, sorgt für die Fixierung der Zellen und der Kühlplatte sowie eine sichere Verspannung der Zellen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010013002 A1 [0003]
