DE102017000265A1

DE102017000265A1 - Verfahren zum Herstellen eines Batteriemodulträgers und Batteriemodulträger zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102017000265A1
Application number: DE102017000265.7A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Reese
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2017-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemodulträgers (10) zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, bei welchem eine Gehäusewanne (12) und ein Gehäusedeckel (14) jeweils als Sandwichkonstruktionen hergestellt werden, indem jeweilige Oberseiten und Unterseiten aus einem Organoblech (18, 22) hergestellt werden und dazwischen ein thermoplastischer Kunststoffschaum (20, 24) angeordnet wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Batteriemodulträger (10) zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemodulträgers sowie einen Batteriemodulträger zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
Im Bereich der Elektromobilität sind die Anforderungen an geeignete Trägersysteme für Traktionsbatterien bzw. Batteriemodule relativ hoch. Unter anderem auch aufgrund des relativ hohen Gewichts der aufzunehmenden Traktionsbatterien bzw. Batteriemodule bestehen relativ hohe Anforderungen an den Leichtbau derartiger Batteriemodulträger. Auch im Hinblick auf die Crasheigenschaften der Batteriemodulträger werden relativ hohe Anforderungen gestellt, wobei derartige Batteriemodulträger im Idealfall sowohl besonders leicht als auch besonders steif sein sollten. Ferner sollten sich Batteriemodulträger auch gut in Fahrzeugstrukturen integrieren lassen.
Zusammenfassend besteht eine Vielzahl von Anforderungen an derartige Batteriemodulträger, insbesondere im Hinblick auf: Leichtbau, Steifigkeit, Noise Vibration Harshness, Crasheigenschaften, Wärmemanagement, Fügekonzepte, Brandschutz, Temperaturstabilität, Reparatureigenschaften, Halbzeugkosten, Lebensdauer, Medienbeständigkeit, Funktionsintegration, Herstellbarkeit, Schadensüberwachung, Materialkosten und Skalierbarkeit.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemodulträgers sowie einen Batteriemodulträger zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, mittels welchem die oben genannten Anforderungen bestmöglich erfüllt werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Batteriemodulträgers zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs werden eine Gehäusewanne und ein Gehäusedeckel jeweils als Sandwichkonstruktion hergestellt, indem jeweilige Oberseiten und Unterseiten aus einem Organoblech hergestellt werden und dazwischen ein thermoplastischer Kunststoffschaum angeordnet wird.
Durch die Sandwichbauweise kann sowohl eine besonders gute Wärmeisolation als auch eine besonders gute Struktursteifigkeit realisiert werden. Bei dem thermoplastischen Kunststoffschaum kann es sich beispielsweise um einen Polyamid-Schaumstoff handeln. Durch den Sandwichaufbau kann sowohl dem Leichtbaugedanken als auch der Crashsicherheit Rechnung getragen werden. Im Falle von Organoblechen können diese eine Dicke von ca. 1 mm aufweisen, wobei die den Kern der Sandwichkonstruktionen bildende Kunststoffschaumschicht besonders leicht ausgebildet sein kann, beispielsweise mit einer Dichte von 70 g/l.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Organobleche vor ihrer Imprägnierung und Konsolidierung mit einer Heizdrahtanordnung versehen und danach imprägniert und konsolidiert werden. Um kosteneffiziente und belastbare Leichtbaustrukturbauteile fertigen zu können, ist es nötig, die Faser-Verbund-Kunststoff-Halbzeuge entsprechend weiterzuentwickeln und zu technisieren. Dadurch, dass in die Organobleche vor ihrer Imprägnierung und Konsolidierung die besagte Heizdrahtanordnung integriert wird, erfolgt eine Funktionalisierung der Organobleche. Dafür wird ein trockenes Textil, beispielsweise ein Gelege aus Carbonfasern, Glasfasern und/oder Polyamidfasern vor dem Imprägnieren und Konsolidieren mit Funktionen bestückt, in besagtem Fall mit der Heizdrahtanordnung. Weitere funktionelle Elemente können dabei ebenfalls vor der Konsolidierung und Imprägnierung in die Organobleche, genauer in das noch trockene Textil, eingearbeitet werden. Dadurch kann auf besonders einfache und effiziente Weise ein Organoblech hergestellt werden, welches schon funktionale Elemente in sich vereint. Die Heizdrahtanordnung kann sodann zur Temperierung entsprechender Batteriemodule einer Traktionsbatterie verwendet werden, welche mittels des hergestellten Batteriemodulträgers aufgenommen ist. Darüber hinaus können in die Organobleche beispielsweise auch Temperatursensoren mit integriert werden, welche Sensorwerte für den Betrieb der Heizdrahtanordnung liefern. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizdrahtanordnung auch während der Herstellung des Batteriemodulträgers dafür verwendet werden, das betreffende Organoblech mitsamt einer Form eines Werkzeugs auf eine notwendige Temperatur aufzuheizen, sodass das Organoblech besonders einfach umgeformt werden kann. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung im Organoblech erzielt werden. Die Drapierfähigkeit des Organoblechs wird durch die Aufheizung mittels der integrierten Heizdrahtanordnung erheblich erleichtert, sodass sich das betreffende Organoblech während eines Uniformvorgangs dreidimensional an eine entsprechende Form eines Werkzeugs anschmiegen bzw. anlegen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass innenseitig am Batteriemodulträger mehrere hochtemperaturbeständige Rippen, insbesondere aus Polyphthalamid, zur Separierung aufzunehmender Batteriemodule der Traktionsbatterie angespritzt werden. Erhöhte Temperaturen sowie Überlastzustände oder Beschädigungen bedeuten für Akkus eine außergewöhnliche Belastung und können, wenn alle internen und externen Sicherheitseinrichtungen an der Batterie versagen, zu einem sogenannten Thermal Runaway der betreffenden Lithium-Ionen-Batterie, also der aufgenommenen Traktionsbatterie, führen. Der Begriff Thermal Runaway oder auch thermisches Durchgehen bezeichnet die Überhitzung eines Energiespeichers aufgrund eines sich selbst verstärkenden Erhitzungsprozesses. Das sogenannte Durchgehen bewirkt in der Regel die Zerstörung des Akkus. Durch die Vorsehung der hochtemperaturbeständigen Rippen werden einzelne Batteriemodule der aufgenommenen Traktionsbatterie lokal voneinander separiert. Dadurch wird das Risiko erheblich minimiert, dass bei einem thermischen Durchgehen bzw. bei einem thermischen Runaway bei einem der Batteriemodule automatisch auch die umliegenden Batteriemodule in Mitleidenschaft gezogen werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass innenseitig am Batteriemodulträger Brandschutztextilien integriert werden. Diese Brandschutztextilien können beispielsweise an den zuvor erwähnten hochtemperaturbeständigen Rippen angebracht werden. Die Brandschutztextilien, welche in den Batteriemodulträger während dessen Herstellung integriert werden, tragen ebenfalls dazu bei, einen verbesserten Brandschutz erzielen zu können, sodass jeweilige aufgenommene Batteriemodule besonders gut geschützt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in den Batteriemodulträger Partikel aus einem Phasenwechselmaterial integriert werden. Phasenwechselmaterialien, welche häufig auch mit PCM abgekürzt werden, sind Latentwärmespeicher, die einen hohen Anteil von Wärme- und Kälteenergie speichern und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben. Als Speichermedium werden Salze, zum Beispiel Glaubersalz, Natriumacetat oder dergleichen oder organische Verbindungen, zum Beispiel Paraffine oder Fettsäuren verwendet. Diese verändern unter Wärmelasten ihren Aggregatzustand von flüssig nach fest oder umgekehrt und nehmen dabei Wärmeenergie auf bzw. geben sie ab. Dadurch, dass in den Batteriemodulträger derartige Partikel aus einem Phasenwechselmaterial integriert werden, wird ein integrierter Brandschutz innerhalb des Batteriemodulträgers erzielt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei der Herstellung des Batteriemodulträgers Verstärkungsfasern lastpfadorientiert ausgerichtet werden. Durch die lastpfadorientierte Faserpositionierung kann der Batteriemodulträger besonders gut an die während seiner Verwendung auftretenden Belastungen angepasst werden. Beispielsweise können die Verstärkungsfasern in Form einer sogenannten Jacquardmusterung hergestellt werden. Die Jacquardmusterung ist eine Bindungstechnik, die eine wesentliche Erweiterung der Gestaltung von Web-Maschenware ermöglicht, also auch im Hinblick auf eingesetzte Verstärkungsfasern. Dadurch lassen sich mittels der Verstärkungsfasern Muster unterschiedlichster Größe und Vielfalt weben. Bei jacquardgemusterten Geweben kann jeder einzelne Kettfaden unabhängig von den anderen Kettfäden gehoben und gesenkt werden. Es lassen sich verzweigte Hohlprofile sowie Preforms mit unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb eines Gewebes realisieren. Dadurch können Bauteile auch ohne viel Verschnitt hergestellt werden. Des Weiteren können verschiedene Verstärkungsfasern miteinander verwebt werden, zum Beispiel Glasfasern und Carbonfasern. Eventuell erforderliche Inserts können darüber hinaus direkt integriert werden. Des Weiteren können mehrlagige Gewebe auf besonders einfache Weise hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Batteriemodulträger zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Gehäusewanne und einen Gehäusedeckel, welche jeweils als Sandwichkonstruktionen ausgebildet sind, wobei jeweilige Oberseiten und Unterseiten aus einem Organoblech hergestellt sind und dazwischen ein thermoplastischer Kunststoffschaum angeordnet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemodulträgers und umgekehrt anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombination sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Seitenschnittansicht eines Batteriemodulträgers zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei der Batteriemodulträger eine Gehäusewanne und einen Gehäusedeckel aufweist, welche jeweils als Sandwichkonstruktionen ausgebildet sind und zwischen denen mehrere Batteriemodule der Traktionsbatterie aufgenommen sind;
2 eine schematische Draufsicht auf die Unterseite des Gehäusedeckels des Batteriemodulträgers, wobei eine im Gehäusedeckel integrierte Heizdrahtanordnung dargestellt ist; und in
3 eine schematische Schnittansicht durch eine Querrippe des Gehäusedeckels, wobei ein temperierbares Leitungssystem für ein Fluid zu erkennen ist, welches zur Temperierung der Batteriemodule dient.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Batteriemodulträger 10 ist in einer Seitenschnittansicht in 1 gezeigt. Der Batteriemodulträger 10 umfasst eine Gehäusewanne 12 und einen Gehäusedeckel 14. Der Batteriemodulträger 10 dient zur Aufnahme einer hier nicht näher bezeichneten Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei die Traktionsbatterie mehrere einzelne Batteriemodule 16 aufweist. Die Gehäusewanne 12 und der Gehäusedeckel 14 sind beide jeweils in Form von Sandwichkonstruktionen ausgebildet.
Die Gehäusewanne 12 weist jeweilige Organobleche 18 auf, zwischen welchen ein thermoplastischer Kunststoffschaum 20 angeordnet ist. Der Gehäusedeckel 14, welcher wie die Gehäusewanne 12 ebenfalls als Sandwichkonstruktion ausgebildet ist, umfasst ebenfalls zwei Organobleche 22, zwischen denen ebenfalls ein thermoplastischer Kunststoffschaum 24 angeordnet ist.
Der Batteriemodulträger 10 ist fest mit einer Karosserie 26 eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs über jeweilige Verschraubungen 28 verbunden. Die Karosserie 26 kann oberhalb von den Batteriemodulträger 10 dabei durchgängig bzw. geschlossen ausgebildet sein, sodass die Rohbausteifigkeit der gesamten Anordnung aus Karosserie 26 und Batteriemodulträger 10 erhöht wird. Darüber hinaus ergibt sich bei der geschlossenen Bauweise noch eine verbesserte Wärmeleitung zwischen den Batteriemodulträger 10 und der Karosserie 26.
In den Bereichen, wo die Batteriemodule 16 innerhalb des Batteriemodulträgers 10 aufgenommen sind, sind zusätzlich noch Brandschutztextilien 30 angeordnet bzw. eingebettet. Darüber hinaus ist in den Batteriemodulträger 10 ein temperierbares Leitungssystem 32 für ein Fluid integriert, wobei ein Teil dieses Leitungssystems 32 in jeweiligen Spritzgussrippen 34 angeordnet ist. Das Leitungssystem 32 kann beispielsweise aus Aluminiumrohren mit kreisrundem oder auch ovalem Querschnitt ausgebildet sein. Das temperierbare Leitungssystem 32 dient sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen der Batteriemodule 16.
Im Bereich des Gehäusedeckels 14 ist ein weiteres temperierbares Leitungssystem 33 für ein Fluid integriert, wobei dieses Leitungssystem 33 in der bestimmungsgemäßen Einbaulage des Batteriemodulträgers 10 einem hier nicht näher dargestellten Fußraum des betreffenden Kraftfahrzeugs zugewandt ist und somit als Fußbodenheizung dient. Dieses Leitungssystem 33, welches als Fußbodenheizung für den Insassenraum des betreffenden Kraftfahrzeugs dient, kann beispielsweise aus mehreren aluminiumbasierten gebogenen Rohren mit ca. 7 mm Durchmesser ausgebildet sein, die mehrere parallel laufende Kreisläufe bilden.
Bei beiden Leitungssystemen 32, 33 können statt der Aluminiumrohre oder auch zusätzlich zu den Aluminiumrohren beispielsweise auch Rohre aus einem Faserverbundwerkstoff eingesetzt werden, die gute Wärmeleiteigenschaften aufweisen. Dies kann z. B. dadurch erzielt werden, dass in den Rohren aus Faserverbundwerkstoff Wärmeleitmaterialen, auch als Thermal-Interface-Materialien bezeichnet, integriert sind. Als derartige Wärmeleitmaterialien kommen beispielsweise mikro- und auch nanoskalige Füllstoffe, wie z. B. Bornitride aber auch Kohlenstoff-Nanoröhren, in Betracht.
Des Weiteren weist der Batteriemodulträger 10 in seinem Gehäusedeckel 14 noch ein Überdruckventil 36 auf, welches als eine Art Einleger in den Gehäusedeckel 14 integriert ist. Ferner weist der Gehäusedeckel 14 noch eine Reihe von Spritzgussrippen 38 auf, welche unter anderem zur mechanischen Stabilisierung des Gehäusedeckels 14 dienen. Ferner weist der Batteriemodulträger 10 zumindest ein Temperatursensor 40 auf, mittels welchem die Batteriemodule 16 überwacht werden können. Darüber hinaus können im Gehäusedeckel 14 noch Heiztextilien 42 integriert sein, welche zur Temperierung des Batteriemodulträgers 10 genutzt werden können.
In 2 ist der Gehäusedeckel 14 in einer Draufsicht von unten dargestellt. In den Gehäusedeckel 14 ist eine Heizdrahtanordnung 44 integriert. Die Heizdrahtanordnung 44 besteht aus mehreren Drähten, welche während der Herstellung des Gehäusedeckels 14 in diesen integriert worden sind. Bevorzugt wird die Heizdrahtanordnung 44 während der Herstellung von einem der Organobleche 22 integriert, und zwar noch bevor das Organoblech 22 imprägniert und konsolidiert wird. In einen trockenen Textileinleger aus verschiedenen Verstärkungsfasern wird dafür die Heizdrahtanordnung 44 integriert, wonach erst die Imprägnierung und Konsolidierung erfolgt, infolgedessen das betreffende Organoblech 22 hergestellt wird, welches die Unterseite oder Oberseite des Gehäusedeckels 14 bildet. Die Heizdrahtanordnung 44 kann beispielsweise durch Carbonfasern realisiert sein, welche zuvor in ein trockenes Textil aus einem Hybridroving mitintegriert worden ist. Eine oder mehrere Kontaktierungen 46 zur elektrischen Versorgung der Heizdrahtanordnung 44 können ebenfalls mit in den Gehäusedeckel 14 während dessen Herstellung integriert werden.
Die Heizdrahtanordnung 44 kann beispielsweise zur Temperierung des Batteriemodulträgers 10 und somit auch der aufgenommenen Batteriemodule 16 verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Heizdrahtanordnung 44 während der Herstellung des Gehäusedeckels 14 verwendet wird, indem mittels der integrierten Heizdrahtanordnung 44 das betreffende Organoblech 22 aufgeheizt wird, sodass dieses leichter umgeformt werden kann. Mittels der integrierten Heizdrahtanordnung 44 kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung realisiert werden, wobei die Geometrie der Heizdrahtanordnung 44 im Wesentlichen frei wählbar ist.
In 3 ist ein schematischer Schnitt durch eine nicht näher bezeichnete Querrippe des Gehäusedeckels 14 dargestellt. Hier sind nochmals gut die verschiedenen Spritzgussrippen 34 erkennbar, in denen einige der nicht näher bezeichneten Leitungen des Leitungssystems 32 integriert sind, welche zum Heizen und Kühlen der Batteriemodule 16 dienen. Die Spritzgussrippen 34 dienen nicht nur allein zur Aufnahme des Leitungssystems 32 sondern Separieren auch die einzelnen Batteriemodule 16 voneinander. Die Spritzgussrippen 34 können beispielsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Polyphthalamid hergestellt sein. Die zusätzlich integrierten Brandschutztextilien 30 tragen auch nochmals zum Brandschutz des Batteriemodulträgers 10 bei.
Erhöhte Temperaturen sowie Überlastzustände oder Beschädigungen an den Batteriemodulen 16 oder auch an dem temperierbaren Leitungssystem 32 können, wenn alle internen und externen Sicherheitseinrichtungen einer Traktionsbatterie versagen, zu einem sogenannten thermal Runaway der Traktionsbatterie führen. Der Begriff thermal Runaway oder thermisches Durchgehen bezeichnet die Überhitzung eines Energiespeichers aufgrund eines sich selbst verstärkenden Erhitzungsprozesses. Das sogenannte Durchgehen bewirkt in der Regel die Zerstörung des betreffenden Akkus. Eine Explosion und die Beschädigung der Batteriemodule 16 durch Hitze kann durch die konstruktive Ausgestaltung des Batteriemodulträgers 10 verhindert werden. Dies wird insbesondere auch durch die Spritzgussrippen 34 erreicht, welche die einzelnen Batteriemodule 16 örtlich voneinander trennen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Batteriemodulträgers (10) zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, bei welchem eine Gehäusewanne (12) und ein Gehäusedeckel (14) jeweils als Sandwichkonstruktionen hergestellt werden, indem jeweilige Oberseiten und Unterseiten aus einem Organoblech (18, 22) hergestellt werden und dazwischen ein thermoplastischer Kunststoffschaum (20, 24) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Organobleche (18, 22) vor ihrer Imprägnierung und Konsolidierung mit einer Heizdrahtanordnung (44) versehen und danach imprägniert und konsolidiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innenseitig am Batteriemodulträger (10) mehrere hochtemperaturbeständige Rippen (34), insbesondere aus Polyphthalamid, zur Separierung aufzunehmender Batteriemodule (16) der Traktionsbatterie angespritzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innenseitig am Batteriemodulträger (10) Brandschutztextilien (30) integriert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Batteriemodulträger (10) Partikel aus einem Phasenwechselmaterial integriert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoffschaum (20, 24) aus einem Polyamid oder Polyphthalamid hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Batteriemodulträgers (10) Verstärkungsfasern lastpfadorientiert ausgerichtet werden.
Batteriemodulträger (10) zum Aufnehmen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Gehäusewanne (12) und einen Gehäusedeckel (14), welche jeweils als Sandwichkonstruktionen ausgebildet sind, wobei jeweilige Oberseiten und Unterseiten aus einem Organoblech (18, 22) hergestellt sind und dazwischen ein thermoplastischer Kunststoffschaum (20, 24) angeordnet ist.