DE102013225137A1

DE102013225137A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Traktionsbatterie sowie Gehäuse für eine Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102013225137A1
Application number: DE102013225137.8A
Authority: DE
Inventors: Helmut Beyermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Traktionsbatterie sowie ein Gehäuse für eine Traktionsbatterie. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Traktionsbatterie sowie ein Gehäuse für eine Traktionsbatterie zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und kostengünstige Herstellung eines gewichtsoptimierten, aber dennoch robusten Gehäuses ermöglichen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses (24) einer Traktionsbatterie umfasst folgende Verfahrensschritte: a) Herstellung eines Gehäusekerns (10) durch Aufwickeln mindestens eines getränkten Rovings (12) auf einen Wickelkörper (14), Aushärten des aufgewickelten Rovings (12) und anschließendes Entfernen des Wickelkörpers (14) sowie b) Herstellung eines mindestens einseitig offenen Gehäusekörpers (16) im Kunststoffspritzgießverfahren durch Einlegen des Gehäusekerns (10) in eine Form und mindestens teilweises Umspritzen des Gehäusekerns (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Traktionsbatterie sowie ein Gehäuse für eine Traktionsbatterie. Unter einer Traktionsbatterie werden vorliegend insbesondere solche Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) oder Module für solche Batterien (HV-Module) verstanden, die für den Antrieb von Kraftfahrzeugen oder sonstigen Fahrzeugen eingesetzt werden. Der Begriff Gehäuse umfasst sowohl Behältnisse, in welche andere, kleinere Behältnisse eingesetzt werden, wie z.B. Batteriemodule in separaten Modulgehäusen, als auch Modulgehäuse selbst, die zur Aufnahme von Batteriezellen dienen.
In DE 10 2011 079 699 A1 ist ein Fahrzeug mit einer luftgekühlten Hochspannungstraktionsbatterie beschrieben, bei welchem einzelne Elemente des Kühlsystems als Schutzelemente für die Batterie eingesetzt werden. Es ist ferner beschrieben, dass ein Strukturelement der Batterie aus Stahl, Aluminium, Kohlefaser oder irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt sein kann. Auf konkrete Einzelheiten hinsichtlich der Herstellung oder hinsichtlich des strukturellen Aufbaus des Gehäuses wird im Detail nicht Bezug genommen.
Aus AU 2008 200 543 A1 ist es bekannt, Gehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen einer Traktionsbatterie aus mechanisch robustem und elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Fiberglas oder aus Polymeren hoher Dichte (high density polymer) oder ähnlichen Materialien herzustellen. Auf konkrete Herstellungsverfahren oder strukturelle Gehäusegestaltungen wird nicht Bezug genommen.
Aus WO 97/45884 sind – auch für Traktionsbatterien geeignete – Batteriegehäuse bekannt, die zumindest teilweise aus einem flammhemmenden thermoplastischen Werkstoff umfassend ein Homopolymer, ein Copolymer and Ammoniumphosphat hergestellt sind. Auf konkrete Herstellungsverfahren oder strukturelle Gehäusegestaltungen wird nicht Bezug genommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Traktionsbatterie sowie ein Gehäuse für eine Traktionsbatterie zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und kostengünstige Herstellung eines gewichtsoptimierten, aber dennoch robusten Gehäuses ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 6. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses einer Traktionsbatterie umfasst folgende Verfahrensschritte:

a) Herstellung eines Gehäusekerns im Wickelverfahren durch Aufwickeln mindestens eines getränkten Rovings auf einen Wickelkörper, Aushärten des aufgewickelten Rovings und (insbesondere anschließendes) Entfernen des Wickelkörpers sowie (sich daran anschließend)
b) Herstellung eines mindestens einseitig offenen Gehäusekörpers im Kunststoffspritzgießverfahren durch Einlegen des Gehäusekerns in eine Form und mindestens teilweises Umspritzen des Gehäusekerns.

Das in dem Verfahrensmerkmal a) genannte Tränken des Rovings erfolgt vorzugsweise in einem Harzbad in bekannter Art und Weise. Alternativ kann ein Tränken auch schon vor Anlieferung eines Rovings erfolgen und als Rovings sogenannte Prepregs verwendet werden. Dabei handelt es sich um ein Halbzeug bestehend aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix, das beispielsweise auf einer Rolle gewickelt geliefert und zum sofortigen Aufwickeln eines Gehäusekerns eingesetzt werden kann. Der Wickelkörper weist vorzugsweise die gleiche Form auf, die das mit dem Verfahren herzustellende Gehäuse haben soll, insbesondere der Grundkörper dieses Gehäuses in dem Bereich, in welchem später Batteriemodule oder Batteriezellen eingesetzt werden sollen. Für die Herstellung eines quaderförmigen Gehäuses ist insoweit insbesondere ein quaderförmiger Spannrahmen geeignet. Das Aushärten kann gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten, für den jeweiligen Roving geeigneten Verfahren erfolgen. Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Gehäuse für Traktionsbatterien herstellen, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Gehäusen ein sehr geringes Gewicht aufweisen und gleichzeitig sehr robust sind. Die Robustheit ergibt sich insbesondere durch den in das im Kunststoffspritzgießverfahren hergestellte Gehäuse eingelegten Wickelkörper, welcher dem gesamten Gehäuse eine besonders hohe Stabilität verleiht. Vorteilhaft an der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner, dass das damit erzielte Gehäuse, dessen Grundwerkstoff ausschließlich Kunststoff sein kann, ein nur geringes Gewicht und einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, so dass insbesondere bei hohen Temperaturschwankungen die Maße des Gehäuses im Wesentlichen erhalten bleiben. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Gehäuse ist daher insbesondere gegenüber Gehäusen mit hohem metallischen Anteil vorteilhaft.
In einer besonders praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Herstellung des Gehäusekerns Rovings aus Glasfaser, Kohlenstofffaser und/oder Aramidfaser (wie z.B. Kevlar^®) verwendet. Besonders kostengünstig ist die Herstellung eines Gehäuses, wenn Rovings aus Glasfaser eingesetzt werden. Rovings aus Kohlenstofffaser und Aramidfaser haben gegenüber Rovings aus Glasfaser den Vorteil, dass diese eine höhere Festigkeit aufweisen, wobei Rovings aus Aramidfaser nur dann verwendet werden sollten, wenn diese beim späteren bestimmungsgemäßen Gebrauch des Gehäuses keinem UV-Licht ausgesetzt sind. Die Auswahl des verwendeten Fasermaterials kann auch in Abhängigkeit der gewünschten Zugfestigkeit erfolgen
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor dem Umspritzen Fixierelemente, insbesondere Schraubhülsen in der Form angeordnet, welche durch den in die Form eingespritzten und anschließend erhärteten Kunststoff in dem Gehäuse festgelegt werden. So können auf einfache und kostengünstige Art und Weise unmittelbar bei der Herstellung des Gehäuses Fixierelemente in das Gehäuse integriert werden, ohne dass zusätzliche Montagearbeiten erforderlich sind. Solche Fixierelemente dienen insbesondere dazu, das Gehäuse später an einem anderen Element, beispielsweise einem Batterietrog, zu befestigen.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Umspritzen mindestens ein Kern oder Schieber für die Ausbildung eines Hohlraums für eine im Gehäuse integrierte Kühlvorrichtung eingelegt. Auch in diesem Falle kann das Herstellungsverfahren ohne zusätzliche Kosten für die Integration weiterer funktionaler Elemente in das Gehäuse genutzt werden. Als Kühlvorrichtungen kommen insbesondere einzelne Kühlelemente in Betracht, welche in den Hohlraum eingebracht und mithilfe eines Kühlmittels nachgekühlt werden können. Ferner kommt die Verwendung einer Kühlflüssigkeit in Betracht, welche Bestandteil eines externen Kühlkreislaufes ist und über Kühlmittelzufuhr- und Kühlmittelentnahmeöffnungen permanent oder nach Bedarf aus dem Hohlraum ausgetauscht wird.
Wenn in einem erfindungsgemäßen Gehäuse ein Hohlraum für eine gehäuseintegrierte Kühlung vorgesehen ist, kann in mindestens einer den Hohlraum umgebenden Wand (insbesondere einer Seitenwand, der Bodenwand oder der Deckwand) mindestens eine Durchgangsöffnung ausgebildet werden. Dies kann entweder durch nachträgliche spanende Bearbeitung des Gehäuses oder durch eine geeignete Formgestaltung oder den Einsatz von Kernen während des Kunststoffspritzgießverfahrens erfolgen.
Die Erfindung betrifft auch eine erfindungsgemäßes Gehäuse für eine Traktionsbatterie umfassend einen im Wickelverfahren mittels mindestens eines Rovings erstellten Gehäusekern und einen den Gehäusekern mindestens teilweise umgebenden, im Kunststoffspritzgießverfahren hergestellten, mindestens einseitig offenen Gehäusekörper. Vorzugsweise ist der Kern vollständig von dem Gehäusekörper aus Kunststoff umgeben und somit geschützt und unsichtbar angeordnet. Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Gehäuses sowie weitere praktische Ausführungsformen dieses Gehäuses wurden bereits vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. Auf diese Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen.
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 einen Gehäusekern eines erfindungsgemäßen Gehäuses, aufgewickelt auf einem quaderförmigen Wickelkörper, in einer Ansicht von oben,
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gehäuses in einer Ansicht von oben und
3 das in 2 gezeigte erfindungsgemäße Gehäuse in einer Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie III-III in 2.
1 zeigt einen Gehäusekern 10 für ein erfindungsgemäßes Gehäuse 24 (nur in den 2 und 3 dargestellt) während dessen Herstellung. Der Gehäusekern 10 besteht in der gezeigten Ausführungsform aus einem einzigen Roving 12, welcher auf einen quaderförmigen Wickelkörper 14 aufgewickelt ist. Der Roving 12 wurde zuvor durch ein Harzbad getaucht und wird in dem in 1 gezeigten, aufgewickelten Zustand ausgehärtet. Nach dem Aushärten kann der Wickelkörper 14 entnommen werden. Der Gehäusekern 10 ist dann formstabil und weist aufgrund seiner Beschaffenheit (unidirektional gewickelter Druckkörper) insbesondere eine hohe Zugfestigkeit bei einem geringen Eigengewicht auf.
Um auf der Grundlage eines wie vorstehend beschriebenen und in 1 gezeigten Gehäusekerns 10 ein – wie in den 2 und 3 dargestelltes – erfindungsgemäßes Gehäuse 24 herzustellen, wird der Gehäusekern 10 in eine Form (nicht gezeigt) zur Durchführung eines Kunststoffspritzgießverfahrens eingelegt. Der Gehäusekern 10 wird dann mit einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, so umspritzt, dass sich ein mindestens einseitig offener Gehäusekörper 16 zur Aufnahme einer Traktionsbatterie (nicht dargestellt) ergibt. In der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform weist der Gehäusekörper 16 eine quaderförmige Grundform auf. Der Gehäusekörper 16 umfasst vier Seitenwände 18a, 18b, 18c, 18d, eine Bodenwand 20 und eine Zwischenwand 22. Er ist somit ein ausschließlich von der Oberseite her zugänglicher und somit als ein einseitig offener Körper gestaltet. Der in den 2 und 3 dargestellte Gehäusekörper 16 ist einstückig ausgebildet.
Um das erfindungsgemäße Gehäuse 24 beispielsweise für die Aufnahme von Batteriemodulen zu verwenden, können derartige Batteriemodule (nicht dargestellt) einfach manuell oder mittels einer automatischen Handhabungsvorrichtung (Roboter) von oben in einen Aufnahmeraum 36 so eingesetzt werden, dass sie auf der Zwischenwand 22 aufsitzen.
Wie in den 2 und 3 zu erkennen ist, sind die Batteriemodule in diesem Fall von dem in den Gehäusekörper 16 eingebetteten Gehäusekern 10 vollständig umgeben, wodurch sich eine besonders hohe Stabilität und Druckfestigkeit des Gehäuses 24 ergibt. In 2 ist der Gehäusekern 10 nur schematisch als gestrichelte Linie dargestellt, da er sich innerhalb des Gehäusekörpers 16 befindet.
In den 2 und 3 ist auch zu erkennen, dass in allen vier Ecken des Gehäusekörpers 16 als Fixierelemente 26 zylindrische Schraubhülsen 28 in den Gehäusekörper 16 eingespritzt sind.
In 2 ist ferner erkennbar, dass zwischen der Bodenwand 20 und der Zwischenwand 22 ein Hohlraum 30 für eine Kühlvorrichtung (nicht gezeigt) ausgebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist als Kühlvorrichtung ein Kühlkreislauf mit einem durch den Hohlraum 30 zirkulierenden Kühlmittel (nicht gezeigt), insbesondere Wasser, vorgesehen. Kühlmittel kann über eine in der Seitenwand 18a vorgesehene Kühlmittelentnahmeöffnung 32 aus dem Hohlraum 30 entnommen und – insbesondere in rückgekühltem Zustand – über eine in der Seitenwand 18c vorgesehene Kühlmittelzufuhröffnung 34 dem Hohlraum 30 zugeführt werden.
Die in 2 dargestellte Schnittlinie eignet sich in der gezeigten Ausführungsform als Trennebene T für eine Kunststoffspritzgießform.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Gehäusekern
12: Roving
14: Wickelkörper
16: Gehäusekörper
18a–d: Seitenwände
20: Bodenwand
22: Zwischenwand
24: Gehäuse
26: Fixierelement
28: Schraubhülse
30: Hohlraum
32: Kühlmittelentnahmeöffnung
34: Kühlmittelzufuhröffnung
36: Aufnahmeraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011079699 A1 [0002]
AU 2008200543 A1 [0003]
WO 97/45884 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses (24) einer Traktionsbatterie, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Herstellung eines Gehäusekerns (10) im Wickelverfahren durch Aufwickeln mindestens eines getränkten Rovings (12) auf einen Wickelkörper (14), Aushärten des aufgewickelten Rovings (12) und Entfernen des Wickelkörpers (14) sowie b) Herstellung eines mindestens einseitig offenen Gehäusekörpers (16) im Kunststoffspritzgießverfahren durch Einlegen des Gehäusekerns (10) in eine Form und mindestens teilweises Umspritzen des Gehäusekerns (10).
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung des Gehäusekerns (10) Rovings (12) aus Glasfaser, Kohlenstofffaser und/oder Aramidfaser verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umspritzen Fixierelemente (26) in der Form angeordnet werden, welche durch den in die Form eingespritzten und anschließend erhärteten Kunststoff in dem Gehäuse (24) festgelegt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umspritzen mindestens ein Kern oder Schieber für die Ausbildung eines Hohlraumes (30) für eine gehäuseintegrierte Kühlvorrichtung eingelegt wird.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer den Hohlraum (30) umgebenden Wand mindestens eine Durchgangsöffnung ausgebildet wird.
Gehäuse für eine Traktionsbatterie umfassend einen im Wickelverfahren mittels mindestens eines Rovings (12) erstellten Gehäusekern (10) und einen den Gehäusekern (10) mindestens teilweise umgebenden, im Kunststoffspritzgießverfahren hergestellten, mindestens einseitig offenen Gehäusekörper (16) aus Kunststoff.
Gehäuse nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Roving (12) aus Glasfaser, Kohlenstofffaser oder Aramidfaser hergestellt ist.
Gehäuse nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kunststoffmaterial des Gehäusekörpers (16) Fixierelemente (26) eingebettet sind.
Gehäuse nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäusekörper (16) unterhalb des Gehäusekerns (10) und/oder außerhalb des Gehäusekerns (10) mindestens ein Hohlraum (30) für die Anordnung einer Kühlvorrichtung ausgebildet ist.
Gehäuse nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (30) mindestens eine Kühlmittelzufuhr- und/oder Kühlmittelentnahmeöffnung aufweist.