DE102017102685A1

DE102017102685A1 - Tiefgezogene Wanne aus Aluminium für einen Batterieträger

Info

Publication number: DE102017102685A1
Application number: DE102017102685.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Frehn; Georg Frost; Christian Handing
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2037-02-11
Also published as: DE102017102685B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wanne 1 für einen Batterieträger 2 zur Anordnung an einem Elektrokraftfahrzeug, wobei der Batterieträger 2 zur Aufnahme mindestens einer Batterie geeignet ist und die Wanne 1 als aus einer Aluminiumlegierung tiefgezogenes Blechumformbauteil mit einem Boden 3 und in einem Winkel α zu dem Boden 3 angeordneten Wänden 4, 5 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenradius 10 zwischen einer Längswand 4 und einer Querwand 5 von 30 bis 100 mm beträgt, wobei ein Innenradius 11 zwischen den Wänden 4, 5 und dem Boden 3 höchstens dem sechsfachen der Wandstärke 12 beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wanne für einen Batterieträger zur Anordnung an einem Elektrokraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Batterieträger zur Anordnung an einem Elektrokraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 2.
Im Stand der Technik ist zunehmend mehr der Einsatz von Elektrokraftfahrzeugen zu verzeichnen. Hierbei wird die zur Fortbewegung des Kraftfahrzeuges benötigte elektrische Energie in Batterien, auch Akkumulatoren genannt, gespeichert. Um eine akzeptable Reichweite von bis zu mehreren hundert Kilometern zu erreichen, ist eine volumenmäßig große sowie gewisse Anzahl von Batteriefläche bei gleichzeitig hohem Eigengewicht der Batterien in dem Elektrokraftfahrzeug mitzuführen. Hierzu werden die Batterien insbesondere im Unterflurbereich des Elektrokraftfahrzeuges angeordnet.
Zur Aufnahme von Batterien im Unterflurbereich sind Batterieträger, welche auch als Batteriegehäuse oder battery tray bekannt sind, vorgesehen. In einem solchen Batterieträger werden zumeist mehrere Batterien angeordnet und elektrisch miteinander verbunden. Der Batterieträger selbst wird dann unter einem Elektrokraftfahrzeug montiert.
Üblicherweise ist ein Batterieträger aus einer Wanne sowie einem die Wanne verschließenden Deckel ausgebildet. Die Wanne selbst ist zumeist als Umformbauteil aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet.
Insbesondere bei der Herstellung der Wanne als Tiefziehbauteil ergeben sich, je nach verwendetem Werkstoff umformtechnische Beschränkungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine tiefgezogene Wanne für einen Batterieträger aufzuzeigen, die hinsichtlich der Fertigungstoleranzen, der Kosten beim Umformverfahren sowie dem nutzbaren Innenraum gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten tiefgezogenen Wannen verbessert ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einer Wanne für einen Batterieträger zur Anordnung an einem Elektrokraftfahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein verfahrenstechnischer Teil der Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung einer Wanne für einen Batterieträger mit den Merkmalen im Anspruch 11 gelöst.
Die Wanne für einen Batterieträger wird an einem Elektrokraftfahrzeug montiert. Der Batterieträger selbst ist zur Aufnahme von mindestens einer Batterie geeignet, wobei die Wanne bevorzugt von einem Deckel verschlossen wird. Die Wanne ist aus einer Aluminiumlegierung hergestellt als tiefgezogenes Blechumformbauteil. Die Wanne weist dazu einen Boden und in einem Winkel von vorzugsweise 70 bis 90 Grad, insbesondere 80 bis 90 Grad, und besonders bevorzugt 85 bis 90 Grad, zu dem Boden angeordnete Wände auf, die gegenüber dem Boden überstehen. Die Wände wiederum sind aufgeteilt in Längswände, die sich insbesondere in Kraftfahrzeuglängsrichtung erstrecken und Querwände, die sich in Kraftfahrzeugquerrichtung erstrecken.
Erfindungsgemäß ist nun ein Innenradius zwischen einer Längswand und einer Querwand von 30 bis 100 mm ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Innenradius zwischen Längswand und Querwand zwischen 40 und 60 mm, insbesondere zwischen 45 und 55 mm und ganz besonders bevorzugt mit 50 mm ausgebildet. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass ein Innenradius zwischen der jeweiligen Wand und dem Boden, höchstens dem 6-fachen, insbesondere zwischen dem 2-fachen bis 4-fachen der Wandstärke beträgt. Dies bezieht sich auf die Ausgangswandstärke der Platine. Insbesondere ist der Innenradius zwischen Wand und Boden von 5 bis 20 mm, insbesondere von 8 bis 16 mm ausgebildet. Optional ist auch der Innenradius zwischen Flansch und Wand im zuvor genannten Intervall ausgebildet.
Die Wandstärke, auch Ausgangswandstärke genannt, der zu verarbeitenden Platine aus einer Aluminiumlegierung beträgt insbesondere 1 bis 6 mm, bevorzugt 1,5 bis 5 mm und besonders bevorzugt von 2 bis 4 mm. Besonders bevorzugt wird eine Aluminiumlegierung bereitgestellt, die gehärtet ist oder walzhart und nicht ausscheidungshärtbar ist. Besonders vorteilig, gerade mit Hinblick auch auf die Produktionskosten, ist eine 5000er Aluminiumlegierung. Es kann jedoch auch eine weiche 5000er Legierung bereitgestellt werden, beispielsweise eine Aluminium-Magnesium-Legierung.
Eine walzharte nicht ausscheidungshärtbare Legierung wird bereitgestellt, wenn ein Blitzformen durchgeführt wird, mithin ein Erwärmen in einer Zeit von bevorzugt weniger als 60 s, insbesondere weniger als 30 s mit einem nachfolgenden Umformen in einem kalten Umformwerkzeug, innerhalb einer Zeit von weniger als 60 s, insbesondere weniger als 30 s. Ein derart schnelles Umformen wird auch Blitzformen genannt. Eine weiche 5000er Aluminiumlegierung wird eingesetzt, wenn im Anschluss an das Erwärmen in einem beheizten Umformwerkzeug halbwarmgeformt wird.
Die erfindungsgemäß eingestellten Radien ergeben ein Optimum aus verfügbarem Innenraum, zur Aufnahme von Batterien, Kühlkörpern und/oder Leistungselektronik innerhalb der Wanne und somit innerhalb des Batterieträgers, bei gleichzeitigem Optimum hinsichtlich der auftretenden Produktionstoleranzen sowie Produktionskosten.
Erfindungsgemäß können insbesondere die oben genannten Radien hergestellt werden durch ein partielles Temperieren der Platine vor dem Umformen. Insbesondere kann hierzu eine Kontakterwärmung eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Aluminiumwerkstoff 5083-0 oder auch 5182-0 eingesetzt werden. Ein partielles Temperieren vor dem Umformen findet insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 150 und 350°C, besonders bevorzugt zwischen 200 und 300°C statt.
Es hat sich als vorteilig herausgestellt, dass die zuvor beschriebene erfindungsgemäß tiefgezogene Wanne eine Wandstärke im Radienbereich aufweist, die maximal um 10 %, insbesondere um weniger als 8 % über eine Ausgangswandstärke der Platine reduziert ist, insbesondere durch einen beim Tiefziehen auftretenden Abstreckvorgang.
Weiterhin ist vorgesehen, dass eine jeweilige Wand eine Höhe aufweist, welche sich im Einbauzustand des Batterieträgers in Kraftfahrzeugvertikalrichtung erstreckt, die mindestens 60 mm, insbesondere mindestens 80 mm beträgt. Bevorzugt ist die Höhe der Wandstärke jedoch nicht höher als 220 mm, insbesondere geringer als 150 mm und weiterhin bevorzugt geringer als 120 mm.
Erfindungsgemäß kann auch der Deckel selbst die gleichen Eigenschaften aufweisen wie die zuvor beschriebene Wanne. Wanne und Deckel können als spiegelverkehrte Bauteile ausgebildet sein. Der Deckel muss jedoch nicht die gleiche Höhe der Wand haben. Hier kann auch eine geringere Höhe der Wand zum Einsatz kommen.
Weiterhin besonders bevorzugt sind in dem Boden einstückig und werkstoffeinheitlich Längssicken und/oder Quersicken ausgeformt. Dies ermöglicht eine Steifigkeitserhöhung innerhalb des Bodens. Auch kann beim Blitzformen durch gezieltes Temperieren in dem Boden selbst ein duktiler Bereich bzw. ein harter Bereich vorgesehen sein. Es ergibt sich ein duktiler Bereich mit einer Dehngrenze Rp0,2 von 100 bis 200 MPa und ein harter Bereich mit einer Dehngrenze Rp0,2 von 200 bis 500 MPa, insbesondere von 250 bis 450 MPa. Beispielsweise können streifenförmige Bereiche sich quer oder längs über den Boden erstrecken, so dass eine zusätzliche Aussteifung des Bodens erfolgt. Dies wirkt sich vorteilig bei einem Frontal- oder Seitencrash aus. Der Batterieträger hat somit eine erhöhte Eigensteifigkeit.
Weiterhin besonders bevorzugt ist an einer Längsseite und/oder Querseite im Übergangsbereich von Boden zu Wand oder in der Wand selber ein Stufenabsatz eingeformt. Es ergeben sich somit zwei Innenradien. Zum einen der Innenradius vom Übergang von Boden zur Wand, zum anderen der Innenradius des Stufenabsatzes selber. Insbesondere auch bei einem zweistufigen Umformverfahren kann somit der Stufenabsatz eingeformt werden für die zwei Tiefziehschritte. Der Stufenabsatz dient bevorzugt der Aufnahme von Batterien oder einer Querstrebe oder Längsstrebe.
Die zuvor beschriebene Wanne des Batterieträgers wird insbesondere mit einem Verfahren hergestellt, welches folgende Schritte vorsieht:

- Bereitstellen einer Platine aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise aus einer 5000er Aluminiumlegierung,
- lokales Erwärmen zumindest der beim Tiefziehen entstehenden Radienbereiche, mithin der Innenradien zwischen Boden und Wand sowie der Innenradien zwischen den Wänden sowie optional der Innenradien zwischen Flansch und Wänden,
- lokales Erwärmen, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 150 und 350°C, besonders bevorzugt bei einer Dauer von weniger als 30 s,
- anschließendes Tiefziehen der partiell temperierten Platine, wobei bevorzugt das Tiefziehwerkzeug ebenfalls zumindest partiell beheizt ist, besonders bevorzugt auf 150 bis 300°C und weiterhin bevorzugt das Tiefziehen in einer Zeit von weniger als 30 s nach Abschluss des Temperierens durchgeführt wird.

Hierbei wird die Platine in einem Tiefziehvorgang endgeformt. Die partielle Temperierung vor Einlegen in das Tiefziehwerkzeug erfolgt bevorzugt durch Kontakterwärmung. Die Kontakterwärmung findet insbesondere auf einer Temperierstation statt. Hierzu sind in der Temperierstation Temperierplatten federnd gelagert bzw. federnd aufgehangen.
Optional ergänzend kann die Platine mit einem warmfesten Schmierstoff beschichtet werden oder das Umformwerkzeug selbst wird im Produktionstakt mit einem Schmiermittel beaufschlagt.
Es kann sich an eine erste Umformstufe eine zweite Umformstufe, mithin ein zweites Umformwerkzeug anschließen. Hierdurch kann eine Taktzeitreduktion je nach Umformstufe erfolgen. Gleichzeitig kann eine Umformzeiterhöhung für einen guten Werkstofffluss bereitgestellt werden.
In einer Ausgestaltungsvariante kann in einem ersten Erwärmungsschritt auf eine Temperatur von weniger als 150°C erwärmt werden, wobei insbesondere bei eingesetztem Schmierstoff dieser zunächst getrocknet wird. In einem zweiten Erwärmungsschritt kann dann auf eine Temperatur von 200 bis 300°C erwärmt werden.
Für einen besonders guten Materialfluss während des Tiefziehvorganges kann weiterhin im Pressenwerkzeug selber eine Temperatur von 150 bis 300°C, insbesondere von 200 bis 300°C vorliegen, wobei bevorzugt hierzu das Pressenwerkzeug partiell temperiert ist.
Beim Einsatz von walzharten nicht ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen kann alternativ auch in dem Pressenwerkzeug selber zum Ende oder nach Abschluss der Umformung gekühlt werden. Insbesondere erfolgt das Kühlen in einer Zeit von weniger als 60 s, insbesondere weniger als 30 s.
Wird ein zweistufiges Pressenverfahren eingesetzt, kann insbesondere in einer ersten Pressenstufe in dem Bereich der herzustellenden Ecken bzw. Radien auf eine Temperatur von 200 bis 300°C temperiert werden, wobei in der zweiten Pressenstufe dann auf eine Temperatur auf weniger als 100°C gekühlt wird. Dies ermöglicht gleichzeitig in der zweiten Pressenstufe einen Kalibriervorgang, so dass das damit hergestellte fertige Bauteil möglichst verzugsarm ist.
Weiterhin besonders bevorzugt kann ein erster Erwärmungsschritt in einem kontinuierlichen Materialfluss durchgeführt werden und ein zweiter Erwärmungsschritt im Takt des Pressenwerkzeuges durchgeführt werden. Der Pressentakt beträgt bevorzugt zwischen 3 und 15 s.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in schematischen Figuren beschrieben. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäß hergestellte Wanne in perspektivischer Ansicht,
2 eine Querschnittsansicht gemäß der Schnittlinie A-A aus 1,
3 eine Detailansicht des Innenradius zwischen zwei Wänden,
4 eine Detailschnittansicht zwischen Wand und Boden und
5 eine alternative Querschnittsansicht gemäß A-A aus 1.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
Die zuvor genannten Merkmale können beliebig untereinander kombiniert werden, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt eine erfindungsgemäß hergestellte tiefgezogene Wanne 1 für einen in 2 dargestellten Batterieträger 2. Der Batterieträger 2 weist die Wanne 1 selbst auf, wobei die Wanne 1 einen Boden 3 sowie in einem Winkel α zu dem Boden 3 umlaufende Wände 4, 5 aufweist. Die Wände werden nachfolgend auch als Längswand 4 sowie Querwand 5 bezeichnet. Seitlich abstehend von den Wänden ist ferner ein jeweiliger Flansch 6 angeordnet. Der Flansch 6 kann als Ziehflansch während des Tiefziehens genutzt werden sowie im Anschluss daran zur Koppelung mit einem dargestellten Deckel 7. In der Wanne 1 selbst können Längsstreben 8 angeordnet sein. Die Längsstreben 8 sind insbesondere zur Anordnung und Befestigung von nicht näher dargestellten Batterien in der Wanne 1 geeignet. Ferner können, wie in 1 dargestellt, Quersicken 9 im Boden 3 der Wanne 1 eingeformt sein.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass ein Innenradius 10 zwischen Längswand 4 und Querwand 5 in einem Bereich zwischen 30 und 100 mm ausgebildet ist. Der Innenradius 10 liegt dabei bevorzugt in einer Parallelen zur X-Y-Ebene, dargestellt in 3.
Weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ein Innenradius 11 am Übergang zwischen einer jeweiligen Wand 4, 5 und Boden 3 kleiner dem 6-fachen der Wandstärke 12 beträgt. Der Innenradius 11 zwischen der Wand 4, 5 und dem Boden 3 beträgt dann bevorzugt kleiner dem 5-fachen, insbesondere kleiner dem 4-fachen der Wandstärke 12. Insbesondere liegt dieser, wie beispielsweise dargestellt in 4, in einer jeweiligen Parallelen zur Z-Y-Ebene oder aber, wenn er sich auf die Stirnwand 5 bezieht, in einer Parallelen zur Z-X-Ebene.
Im Übergangsbereich in den Ecken 14 ist der Innenradius 11 dann zumindest teilweise in der Ecke 14 umlaufend ausgebildet.
Die gemäß Schnittansicht von 4 dargestellte Längsstrebe 8 ist insbesondere als L-förmiges Profil ausgebildet und mit einer jeweiligen Schweißnaht 13 beispielsweise Punktschweißung mit dem Boden 3 bzw. der Längswand 4 gekoppelt durch die insbesondere geringe Abstreckung in dem Radienbereich. Bei der ausgeführten thermischen Fügung, beispielsweise durch Schweißen, besteht somit nicht die Gefahr eines Durchbrandes.
Ferner dargestellt ist ein Unterfahrschutz 15 sowie ein durch ein Hohlprofil ausgebildeter umlaufender Rahmen 16. Der Rahmen 16 dient zur Versteifung des Batterieträgers 2 bzw. der Wanne 1. Auch dargestellt ist die Höhe H der Längswand 4.
Weiterhin dargestellt in 5 ist eine Querschnittsansicht gemäß der Schnittlinie A-A aus 1. Hier ist insbesondere in der jeweiligen Längswand 4 ein Stufenabsatz 17 eingeformt. Der Stufenabsatz 17 ist vorgesehen bei insbesondere zweistufiger Formgebung und/oder zur zusätzlichen Versteifung der Längswand 4. Bevorzugt erstreckt sich der Stufenabsatz 17 dann über die gesamte Länge der jeweiligen Längswand 4. Auch kann der Stufenabsatz 17 an den Querwänden 5 ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1 -: Wanne
2 -: Batterieträger
3 -: Boden
4 -: Längswand
5 -: Querwand
6 -: Flansch
7 -: Deckel
8 -: Längsstrebe
9 -: Quersicke
10 -: Innenradius zwischen 4 und 5
11 -: Innenradius zwischen 3 und 4 bzw. 3 und 5
12 -: Wandstärke
13 -: Schweißnaht
14 -: Ecke
15 -: Unterfahrschutz
16 -: Rahmen
17 -: Stufenabsatz
H -: Höhe
X -: Kraftfahrzeuglängsrichtung
Y -: Kraftfahrzeugquerrichtung
Z -: Kraftfahrzeugvertikalrichtung
α -: Winkel

Claims

Wanne (1) für einen Batterieträger (2) zur Anordnung an einem Elektrokraftfahrzeug, wobei der Batterieträger (2) zur Aufnahme mindestens einer Batterie geeignet ist und die Wanne (1) als aus einer Aluminiumlegierung tiefgezogenes Blechumformbauteil mit einem Boden (3) und in einem Winkel (a) zu dem Boden (3) angeordneten Wänden (4, 5) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenradius (10) zwischen einer Längswand (4) und einer Querwand (5) von 30 bis 100 mm beträgt, wobei ein Innenradius (11) zwischen den Wänden (4, 5) und dem Boden (3) höchstens dem sechsfachen der Wandstärke (12) beträgt, wobei die Wanne aus einer wenigstens lokal temperierten Platine umgeformt ist.
Wanne (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (12) 1 bis 6mm, insbesondere 1,5 bis 5mm und bevorzugt 2 bis 4mm beträgt.
Wanne (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenradius (11) zwischen Wand (4, 5) und Boden (3) höchstens dem fünffachen, bevorzugt dem vierfachen, insbesondere höchstens dem dreifachen, bevorzugt jedoch mindestens dem zweifachen der Wandstärke (12) beträgt.
Wanne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenradius (10) zwischen Längswand (4) und Querwand (5) von 30 bis 70mm, insbesondere von 40 bis 60mm und besonders bevorzugt von 45 bis 55mm beträgt.
Wanne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (1) in den Radienbereichen nach lokalem temperieren umgeformt ist.
Wanne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (1) aus einer gehärteten Aluminiumlegierung hergestellt ist oder aus einer Aluminium-Magnesium-Knetlegierung.
Wanne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (12) im Radienbereich maximal um 10% durch Abstrecken reduziert ist, insbesondere um weniger als 8% gegenüber einer Ausgangswandstärke der Platine.
Wanne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wanne (1), insbesondere in dem Boden (3) einstückig und werkstoffeinheitlich Längssicken und/oder Quersicken (9) ausgeformt sind und/oder dass lokale Deformationsausprägungen ausgeformt sind, dergestalt, dass diese sich bei einem Pollertest deformieren.
Wanne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (4, 5) eine Höhe von mindestens 60mm aufweist, insbesondere mindestens 80mm.
Wanne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einer Längsseite und/oder Querseite im Übergangsbereich von Boden (3) zu Wand (4, 5) ein Stufenabsatz geformt ist, dergestalt, dass zwei Innenradien (10, 11) ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Wanne (1) mit den Merkmalen von Anspruch 1, mit folgenden Verfahrensschritten: • Bereitstellen einer Platine aus einer Aluminiumlegierung, • lokales Erwärmen der beim Tiefziehen entstehenden Radienbereiche, • Tiefziehen der partiell temperierten Platine, bevorzugt in einem lokal beheizten Umformwerkzeug.