DE102017002155A1

DE102017002155A1 - Aus Plattenelementen gebaute Unterschale für ein Batteriegehäuse und Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017002155A1
Application number: DE102017002155.4A
Authority: DE
Inventors: Julius Rausch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2037-03-07
Also published as: DE102017002155B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Unterschale für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie, mit einer Wanne (110) und Einsätzen, welche die Wanne (110) in einzelne Fächer unterteilen, wobei sowohl die Wanne (110) als auch die Einsätze aus Plattenelementen gebildet sind, welche durch eine Spritzgussmasse (M) gefügt sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieser Unterschale und eine Traktionsbatterie, die eine solche Unterschale aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterschale für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie bzw. eine Traktionsbatterieunterschale. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieser Unterschale und eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug.
Eine Traktions- bzw. Antriebsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug weist für gewöhnlich ein dichtes Batteriegehäuse (Batteriekasten) und im Inneren dieses Batteriegehäuses angeordnete Batteriezellen auf, die in geeigneter Weise elektrisch verschaltet sind. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bauarten für Batteriegehäuse bekannt. Bei einer gängigen Bauart ist das Batteriegehäuse aus einer wannenartigen Unterschale und einer Oberschale (Deckel) gebildet, wobei die Unterschale in einzelne Fächer unterteilt ist, in denen die Batteriezellen angeordnet sind. (Die Batteriezellen können hierbei auch zu Zellenblöcken bzw. Batteriemodulen zusammengefasst sein, die in den Fächern angeordnet werden.) Die Fächer können durch strebenartige Einsätze gebildet werden, die zugleich das Batteriegehäuse versteifen und Crashsicherheit bieten.
Die DE 10 2016 209 853 A1 beschreibt eine Unterschale für ein Batteriegehäuse, die eine aus Metallblech gebildete Wanne und mehrere aus Metallblech gebildete Einsätze aufweist. Die Einsätze können durch Kleben oder Punktschweißen mit dem Bodenblech und den Seitenwänden der Wanne gefügt sein und sind hierzu mit entsprechenden Fügeflanschen ausgebildet.
Zum Stand der Technik wird außerdem auf die EP 1 939 028 B1 (4) hingewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unterschale für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie anzugeben, die stabil ist und die einfach herstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Unterschale mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Unterschale. Mit einem weiteren nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine Traktionsbatterie. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Die erfindungsgemäße Unterschale umfasst eine Wanne, die einen Boden und diesen Boden umgebende Seitenwände aufweist, und eine Vielzahl von Einsätzen, welche die Wanne in einzelne Fächer unterteilen. Erfindungsgemäß sind sowohl die Wanne als auch die Einsätze aus Plattenelementen gebildet, die durch eine Spritzgussmasse gefügt sind.
Ein Plattenelement (bzw. ein plattenartiges Element) ist ein flächiges, flaches und bezüglich seiner flächigen Erstreckung relativ dünnes Bauteil, das eben (2-dimensional) oder einfach gekrümmt (2,5-dimensional) ist. Die Plattenelemente können aus Metallblech, bspw. Stahlblech oder Aluminiumblech, Kunststoff oder Faserkunststoffverbund, bspw. CFK oder GFK, gebildet sein. Die Plattenelemente werden aus entsprechenden Halbzeugen zugeschnitten und gegebenenfalls noch einfach vorgeformt (d. h. ohne aufwendigen Tiefziehprozess oder dergleichen), bspw. durch einfaches Biegen gekrümmt.
Die auf Endgeometrie vorgeschnittenen und gegebenenfalls vorgeformten Plattenelemente sind über eine Spritzgussmasse bzw. Vergussmasse miteinander verbunden. Eine Spritzgussmasse ist insbesondere ein duro- oder thermoplastischer Kunststoff, der auch Faseranteile aufweisen kann. Hierzu werden die Plattenelemente in ein entsprechend gestaltetes Spritzgießwerkzeug eingelegt, das dann mit der Spritzgussmasse gefüllt wird, welche sich stoff- und formschlüssig mit den Plattenelementen verbindet, wie nachfolgend noch näher erläutert. Die Plattenelemente sind bevorzugt ohne Fügeflansche, d. h. fügeflanschfrei ausgebildet.
Bevorzugt weist die Wanne der erfindungsgemäßen Unterschale eine aus einem Plattenelement gebildete Bodenplatte, die den Wannenboden bildet, und um die Bodenplatte herum angeordnete Plattenelemente, welche die Seitenwände bilden, auf. Diese Bauweise ermöglicht die günstige Herstellung auch großer und/oder tiefer Wannen ohne aufwändiges Tiefziehen. Die Seitenwände sind mit der Bodenplatte und untereinander (in den Ecken) durch die Spritzgussmasse gefügt, wobei mithilfe der Spritzgussmasse zugleich auch eine Abdichtung der Wanne erfolgt (ein gesonderte Abdichtung ist nicht mehr erforderlich).
Bevorzugt wird zumindest die Wanne aus Metallblech-Plattenelementen aufgebaut, was die Abschirmung und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert. Ferner wird auch der Wärmeaustausch mit einer Kühleinrichtung verbessert. Außerdem können mittels Schweißen o. Ä. zusätzliche metallische Verstärkungselemente (bspw. Profile oder Schalenelemente) zur mechanischen Verstärkung der Wanne angebracht werden.
Bevorzugt erstrecken sich die die Seitenwände und die Einsätze bildenden Plattenelemente senkrecht zur Bodenplatte. Dadurch wird das einfache Entformen der Unterschale aus dem Spritzgießwerkzeug ermöglicht.
Die sich senkrecht zur Bodenplatte erstreckenden Plattenelemente, welche die Seitenwände und die Einsätze bilden, können mittels aus der Spritzgussmasse erzeugter bzw. gebildeter Rippen auf der Bodenplatte befestigt und abgestützt sein. Bevorzugt sind hierbei die die Einsätze bildenden Plattenelemente im Inneren der Wanne beidseitig auf dem Wannenboden abgestützt.
Die Plattenelemente sind bevorzugt auf Stoß, d. h. sich direkt berührend, angeordnet. Einige der Plattenelemente können aber auch mit einem Spalt (insbesondere < 2 mm) zueinander beabstandet sein, wobei der Spalt durch die Spritzgussmasse aufgefüllt ist. Der Spalt ermöglicht eine besonders vorteilige Durchspritzung sowie eine elektrische Isolierung zwischen den verbundenen Plattenelementen. Ein solcher Spalt ist insbesondere zwischen den Seitenwänden und dem Wannenboden vorgesehen. In analoger Weise können auch durch Fertigungstoleranzen bedingte Spalte durch die Spritzgussmasse ausgefüllt werden.
Die erfindungsgemäße Unterschale kann Lasteinleitungselemente, insbesondere metallische Lasteinleitungselemente, aufweisen, wie bspw. Gewindebuchsen oder -bolzen zur Befestigung der Batteriezellen oder des Deckels. Die Lasteinleitungselemente können eingestanzt oder angeschweißt sein. Bevorzugt sind die Lasteinleitungselemente mittels der Spritzgussmasse bzw. durch Umspritzung mit der Spritzgussmasse befestigt, bspw. am Wannenboden bzw. der Bodenplatte.
Die erfindungsgemäße Unterschale kann eine aus der Spritzgussmasse gebildete Dichtungsnut für eine Deckeldichtung aufweisen, die vorzugsweise an die Wanne, insbesondere an den umlaufenden Wannenrand, angespritzt ist.
Die Seitenwände der Wanne, bzw. die die Seitenwände bildenden Plattenelemente, können außenseitig mittels aus der Spritzgussmasse gebildeter Verstärkungselemente versehen sein. Solche (lokalen) Verstärkungselemente können bspw. Rippen oder Waben sein oder auch eine crashenergieabsorbierende Struktur.
Das mit dem nebengeordneten Patentanspruch beanspruchte Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie weist folgende Schritte auf:

- Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeugs, insbesondere mit zwei Werkzeughälften, dessen Kavität eine Vielzahl von Nuten zur Aufnahme zu verbindender Plattenelemente aufweist.
- Eventuell Vorbereiten der vorgeschnittenen und gegebenenfalls vorgeformten Plattenelemente, bspw. durch Auftragen eines Haftvermittlers, Aufbringen einer Oberflächenstrukturierung, Einbringen von Durchspritzungslöchern, (lokale) Vorwärmung etc.
- Bei geöffnetem Spritzgießwerkzeug Einsetzen der die Seitenwandung und die Einsätze bildenden Plattenelemente in die Nuten, wodurch diese in der späteren Entformungsrichtung ausgerichtet sind (d. h. die flächige Ausrichtung der Plattenelemente entspricht der späteren Entformungsrichtung bzw. der Schließ-/Öffnungsrichtung der Werkzeughälften) und Einlegen wenigstens einer den Wannenboden bildenden Bodenplatte in die Kavität, so dass sich diese senkrecht zu der Entformungsrichtung bzw. senkrecht zu den anderen Plattenelementen erstreckt. Bevorzugt werden die Plattenelemente automatisiert eingelegt. Das Spritzgießwerkzeug ist bevorzugt mit Halte- bzw. Klemmmechanismen oder dergleichen für die Plattenelemente ausgestattet.
- Gegebenenfalls Anordnen von Lasteinleitungselementen in der Kavität.
- Schließen des Spritzgießwerkzeugs (durch Zusammenfahren der Werkzeughälften) und Verbinden der Plattenelemente durch Einspritzen der Spritzgussmasse (ebenso kann die Vergussmasse zuvor auch als Pressmasse in die Kavität eingebracht werden), wobei gegebenenfalls noch die Lasteinleitungselemente festgespritzt und/oder sonstige Elemente (Dichtungsnut, Verstärkungselemente etc.) angespritzt werden.
- Aushärten der Spritzgussmasse, Öffnen des Spritzgießwerkzeugs und Entnahme der hergestellten Unterschale.
- Gegebenenfalls Anbringen zusätzlicher Verstärkungselemente (Profile, Schalenelemente etc.), insbesondere an den Seitenwänden von außen.

Die Unterschale kann also vollständig in nur einem Spritzgießvorgang bzw. mit einem Schließhub hergestellt werden (One-Shot-Verfahren). Durch Verwendung von Werkzeugschiebern können auch Hinterschnitte erzeugt werden.
Die mit dem nebengeordneten Patentanspruch beanspruchte Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug weist ein Batteriegehäuse (Batteriekasten) auf, das eine erfindungsgemäße Unterschale umfasst. Zum Batteriegehäuse gehört bevorzugt auch eine mit der Unterschale verbundene oder verbindbare Oberschale. Zur Traktionsbatterie können ferner im Inneren des Batteriegehäuses angeordnete Batteriezellen bzw. Zellenblöcke gehören, die in den Fächern der Unterschale aufgenommen und insbesondere auch an der Unterschale befestigt sind. Ferner können im oder am Batteriegehäuse Kontaktelemente und eine Elektronik bzw. Leistungselektronik angeordnet sein. Bevorzugt handelt es sich um eine sogenannte Unterflurbatterie, die unterm oder gegebenenfalls auch im Fahrzeugboden angeordnet wird.
Die Erfindung weist ferner folgende Vorteile auf (keine abschließende Aufzählung):

- Die Unterschale kann nur aus Metallblechen und einer Kunststoff-Spritzgussmasse aufgebaut werden (hybride Metall-Kunststoff-Bauweise).
- Kaum Einschränkungen bei den herstellbaren Abmessungen bzw. der herstellbaren Baugröße und nahezu freie Skalierbarkeit der Baugröße.
- Es bestehen keine besonders hohen Toleranzanforderungen.
- Es werden Leichtbau- und Kosteneinsparungspotentiale geschaffen.
- Verringerung der erforderlich Anlageninvestition, der Fertigungszeit (die Fertigungszeit im Spritzgießwerkzeug beträgt höchstens 60 sec) und der Stückkosten.
- Die Anzahl der miteinander gefügten Plattenelemente beeinflusst nicht wesentlich die Fertigungszeit, da alle Plattenelemente in einem Spritzgießvorgang verbunden werden.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen können die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 zeigt eine Unterschale gemäß Stand der Technik mit einer Wanne und im Inneren angeordneten Einsätzen.
2 veranschaulicht in zwei Einzeldarstellungen den erfindungsgemäßen Aufbau der Wanne aus Plattenelementen.
3 veranschaulicht in zwei Einzeldarstellungen die erfindungsgemäße Befestigung der plattenartigen Einsätze in der Wanne.

1 zeigt eine Unterschale 100 für ein Batteriegehäuse. Die Unterschale 100 weist eine Wanne 110 auf, welche mit einem Boden 111 und diesen Boden 111 umgebende Seitenwände 112 ausgebildet ist. Die Wanne 110 weist ferner eine Vielzahl von quer- und längsverlaufenden Einsätzen 120 und 130 auf, welche die Wanne 110 in einzelne Fächer 140 unterteilen. Die jeweils parallelen Einsätze 120 und 130 bilden auch eine innere Verstärkungsstruktur mit quer- und längsverlaufenden Lastpfaden, insbesondere zur Aufnahme von Crashkräften (bspw. bei einem Seitenaufprall). Die Einsätze 120 und 130 müssen also eine Mindestdruckfestigkeit aufweisen und dürfen nicht knicken oder beulen.
Erfindungsgemäß sind die Wanne 110 und die Einsätze 120 und 130 nur aus Plattenelementen gebildet, die durch eine Spritzgussmasse M gefügt sind. 2a veranschaulicht den Aufbau der Wanne 110 mit einer den Wannenboden 111 bildenden Bodenplatte und senkrecht zu dieser gemeinsamen Bodenplatte 111 angeordneten Plattenelementen, welche die Seitenwände 112 bilden. Die Seitenwände 112 sind untereinander und mit dem Wannenboden 111 mittels durchgehender Fügenähte aus der Spritzgussmasse M gefügt, so dass die Wanne 110 auch dicht ist. Mit der Spritzgussmasse M sind dabei auch Spalte zwischen den Plattenelementen ausgefüllt, wie aus der 2b ersichtlich. Ferner sind die Seitenwände 112 punktuell mittels aus der Spritzgussmasse M gebildeter Rippen 150 auf der Bodenplatte 111 abgestützt.
3a zeigt in einer Draufsicht einen Kreuzungspunkt zwischen den aus Plattenelementen gebildeten Einsätzen 120 und 130, die ebenfalls senkrecht zur Bodenplatte 111 angeordnet sind. Die längsverlaufenden Einsätze 130 sind aus durchgehenden Plattenelementen gebildet. Die querverlaufenden Einsätze 120 sind aus kleineren Plattenelementen 120a/120b gebildet, die quer bzw. senkrecht zwischen den Einsätzen 130 eingesetzt und durch die Spritzgussmasse M verbunden. Die Kreuzungspunkte bzw. Verbindungsstellen sind quasi mit Spritzgussmasse M umspritzt. Ferner sind die Plattenelemente bzw. Einsätze 120a/120b und 130 beidseitig mittels aus der Spritzgussmasse M gebildeter und punktuell angeordneter Rippen 150 auf der Bodenplatte 111 abgestützt, wie auch aus der 3b ersichtlich. Die beidseitigen Rippen 150 können zueinander auch versetzt angeordnet sein. Diese Rippen 150 verhindern auch ein Knicken und Beulen der plattenartigen Einsätze 120/130 sowie der Seitenwände 112.
Wie oben erläutert, kann die erfindungsgemäß gestaltete Unterschale 100 in nur einem Spritzgießvorgang hergestellt werden, wozu die vorbereiteten Plattenelemente in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und durch die Spritzgussmasse M gefügt werden, wobei auch die Rippen 150 erzeugt werden. Ferner können noch Lasteinleitungselemente und Verstärkungselemente angespritzt werden, wie oben beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016209853 A1 [0003]
EP 1939028 B1 [0004]

Claims

Unterschale (100) für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie, mit einer Wanne (110) und Einsätzen (120, 130), welche die Wanne (110) in einzelne Fächer (140) unterteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (110) und die Einsätze (120, 130) aus Plattenelementen gebildet sind, die durch eine Spritzgussmasse (M) gefügt sind.
Unterschale (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenelemente aus Metallblech, Kunststoff und/oder Faserkunststoffverbund gebildet sind.
Unterschale (100) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine den Wannenboden (111) bildende Bodenplatte, zu der sich die die umlaufenden Seitenwände (112) und die Einsätze (120, 130) bildenden Plattenelemente senkrecht erstrecken.
Unterschale (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sich senkrecht zur Bodenplatte (111) erstreckenden Plattenelemente mittels aus Spritzgussmasse (M) gebildeter Rippen (150) auf der Bodenplatte (111) abgestützt sind.
Unterschale (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Plattenelemente mit einem Spalt zueinander beabstandet sind, wobei der Spalt durch die Spritzgussmasse (M) aufgefüllt ist.
Unterschale (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Spritzgussmasse (M) befestigte Lasteinleitungselemente vorhanden sind.
Unterschale (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine aus der Spritzgussmasse (M) gebildete Dichtungsnut für eine Deckeldichtung.
Unterschale (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (112) der Wanne (110) außenseitig mittels aus der Spritzgussmasse (M) gebildeter Verstärkungselemente versehen sind.
Verfahren zum Herstellen einer Unterschale (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche mit den Schritten: - Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeugs, dessen Kavität eine Vielzahl von Nuten zur Aufnahme der zu verbindenden Plattenelemente aufweist; - Einsetzen der die Seitenwände (112) und die Einsätze (120, 130) bildenden Plattenelemente in die Nuten, wodurch diese in der späteren Entformungsrichtung ausgerichtet sind und Einlegen der den Wannenboden (111) bildende Bodenplatte, so dass sich diese senkrecht zur Entformungsrichtung erstreckt; - Schließen des Spritzgießwerkzeugs und Verbinden der Plattenelemente durch Einspritzen der Spritzgussmasse (M); - Öffnen des Spritzgießwerkzeugs und Entformen der hergestellten Unterschale (100).
Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einem Batteriegehäuse, welches eine Unterschale (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8 und/oder eine mit dem Verfahren gemäß Anspruch 9 hergestellte Unterschale (100) aufweist.