DE102017112499A1 - Gehäuseelement sowie Batterieanordnung mit Hitzeschild für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Gehäuseelement sowie Batterieanordnung mit Hitzeschild für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuseelement (7) zum Tragen oder Einhausen einer elektrischen Komponente (2) in einem Kraftfahrzeug. Das Gehäuseelement (7) weist einen aus einem Kunststoffmaterial spritzgegossenen Grundkörper (7.1) auf, der an einer im Einbauzustand der elektrischen Komponente (2) abgewandten Seite zumindest abschnittsweise eine Folie (7.2) aufweist, die zum Ausbilden eines Hitzeschildes als äußere Lage mit dem Kunststoffmaterial des Grundkörpers (7.1) stoffschlüssig verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung (1) sowie ein Verfahren zur Herstellen einer solchen Batterieanordnung (1).

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein einen Hitzeschild aufweisendes Gehäuseelement zum Tragen oder Einhausen einer elektrischen Komponente, wie etwa einer Batterie, und/oder einer elektronischen Baugruppe, wie etwa einem Batteriemanagementsystem, in einem Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem ein Hitzeschild aufweisenden Gehäuseelement sowie ein Herstellverfahren für ein solches Gehäuseelement.
  • Stand der Technik
  • In der Kraftfahrzeugtechnik ist es allgemein bekannt, dass eine Fahrzeugbatterie bzw. eine Batterieanordnung mit einer Fahrzeugbatterie und ggf. einem elektronischen Batteriemanagementsystem gegen eine zu hohe Wärmeeinwirkung bzw. gegen Hitze thermisch isoliert werden muss. Die Hitze kann von Komponenten aus der Umgebung der Fahrzeugbatterie, wie etwa dem Verbrennungsmotor oder der Abgasanlage, abgegeben werden. Wie aus der Thermodynamik bekannt, kann die Wärme bzw. Hitze durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Wärmeströmung hin zu der Fahrzeugbatterie übertragen werden.
  • So beschreibt beispielsweise die DE 100 07 224 A1 eine Einrichtung zur thermischen Isolierung der Batterie, bei der ein als Batterieträger ausgestaltetes Gehäuseelement eine Hitzeschutzwand ausbildet. Funktionsbedingt soll die Hitzeschutzwand aus einem thermisch beständigen Kunststoff gefertigt sein. Nachteilig daran ist, dass die Hitzeschutzwand insbesondere die Wärmestrahlung nur schlecht isolieren kann.
  • Des Weiteren ist in der DE 10 2012 212 459 A1 eine Hitzeschutzvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie beschrieben, bei der die Ausbreitung von unerwünschter Hitze in Richtung der Fahrzeugbatterie verhindert werden soll. Hierfür ist vorgesehen, die Hitzeschutzvorrichtung bei einem In-Kontakt-Kommen mit einer unerwünschten hohen Hitze zu aktivieren, wofür ein Material eingesetzt wird, das bei dem In-Kontakt-Kommen mit Hitze sein Volumen um ein Mehrfaches vergrößert. Nachteilig daran ist, dass sich die Hitzeschutzvorrichtung nach einer Aktivierung nicht mehr zurücksetzen lässt und somit primär zum Feuerschutz eingesetzt werden kann.
  • Aus der JP 2001238307 A ist eine Hitzeschutzplatte bekannt, die die Fahrzeugbatterie vom Verbrennungsmotor durch Umschließen der Fahrzeugbatterie thermisch abschirmt und so einen zu hohen Wärmeeintrag verhindern soll. Nachteilig daran ist, dass die Hitzeschutzplatte als separates Bauteil um die Fahrzeugbatterie herum angebracht werden muss, was logistisch eine gesonderte Bereitstellung der Hitzeschutzplatte und während der Montage entsprechend zusätzliche Montageschritte erfordert.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine mit geringem Aufwand montierbare Möglichkeit zum Schutz einer elektrischen Komponente vor Wärmestrahlung aus der Umgebung zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen permanenten Hitzeschild, der an einem sowieso vorhandenen Gehäuseelement angebracht ist, vor oder zumindest teilweise um die vor Hitze zu schützende elektrische und/oder elektronische Komponente herum anzuordnen. So kann insbesondere die auf die elektrische und/oder elektronische Komponente einwirkende Wärmestrahlung umliegender Komponenten reduziert werden.
  • Dementsprechend weist ein Gehäuseelement zum Tragen oder Einhausen einer elektrischen und/oder elektronischen Komponente in einem Kraftfahrzeug einen aus einem Kunststoffmaterial spritzgegossenen Grundkörper auf, bei dem zumindest an einer im Einbauzustand der elektrischen Komponente abgewandten Seite zumindest abschnittsweise eine Folie angeordnet ist. Die Folie ist zum Ausbilden eines thermischen Schildes bzw. Hitzeschildes als äußere Lage mit dem Kunststoffmaterial des Grundkörpers stoffschlüssig verbunden. Dabei kann der Grundkörper an der der Folie zugewandten Seite eine ebene Oberfläche aufweisen, so dass Grundkörper und Folie flächig aneinander liegen.
  • Die stoffschlüssige Verbindung kann z.B. in einem In-Mold-Spritzgießverfahren hergestellt werden, bei dem die Folie mit dem Kunststoffmaterial um- oder hinterspritzt wird. Das Kunststoffmaterial kann aufgrund der mechanischen und thermischen Beanspruchung beispielsweise ein Polyamid, vorzugsweise PA 6.6 GF50, mit einem Glasfaseranteil sein, das eine für den Einsatzzweck günstige Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Schmelztemperatur bei gleichzeitig hoher Festigkeit aufweist. Alternativ dazu hat sich auch Polypropylen mit einem Glasfaseranteil als geeignet erwiesen.
  • Bei der elektrischen und/oder elektronischen Komponente kann es sich z.B. um eine Fahrzeugbatterie, ggf. mit einem elektronischen Batteriemanagementsystem, handeln. Die elektrische und/oder elektronische Komponente ist vorzugsweise im Motorraum des Kraftfahrzeugs oder zumindest benachbart zu Fahrzeugkomponenten angeordnet, die im Fahrzeugbetrieb eine vergleichsweise hohe Temperatur, z.B. mehr als 100 °C, erreichen und entsprechend Wärmestrahlung an die Umgebung emittieren.
  • Erfindungsgemäß ist die Folie, die insbesondere hinsichtlich Wärmestrahlung reflektierende Eigenschaften hat, also außen an dem Gehäuseelement als integraler Bestandteil des Gehäuselements fest, d.h. unlösbar, angebracht und wird daher bereits mit der Montage des Gehäuseelements mit verbaut. Deswegen erübrigt sich eine umständliche Befestigung an dem Gehäuseelement in einem weiteren, separaten Montageschritt. Auch die Zulieferung an einen Fahrzeughersteller gestaltet sich logistisch einfacher, da weniger separate Teile angeliefert werden müssen. Hinsichtlich der Funktion als Hitzeschild hat sich bei Wärmeübertragungs- bzw. Wärmedurchgangstests gezeigt, dass sich bei einer Direktbestrahlung des Gehäuseelements mit einer Wärmestrahlungsquelle in Form einer Halogenlampe signifikante Temperaturunterschiede zwischen der die Folie aufweisenden Seite und der gegenüberliegenden Seite des Gehäuseelements ergeben. So wurden bei einer Temperatur zwischen Wärmestrahlungsquelle und Gehäuseelement von etwa 110 °C, also auf der Folienseite, eine um etwa 24 °C niedrigere Temperatur auf der der Folie abgewandten Seite des Gehäuseelements festgestellt. Das Gehäuseelement eignet sich somit hervorragend zur Isolierung gegen Wärmestrahlung.
  • Für eine möglichst gute Isolierung der Wärmestrahlung und ggf. der Wärmeleitung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Folie einen Metallwerkstoff aufweist. Hierfür hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Folie mehrschichtig ausgeführt ist und wenigstens eine Lage den Metallwerkstoff, vorzugsweise Aluminium hoher Reinheit oder eine Legierung davon, aufweist. Zusätzlich kann die Folie ein Polyethylen als Trägerschicht aufweisen. Der Metallwerkstoff kann als Schicht auf jeder Seite des Polyethylens angeordnet sein, so dass sich ein sandwichartiger Aufbau ergibt, bei dem die Trägerschicht zwischen den Aluminiumschichten angeordnet ist. An einer dem Grundkörper zugewandten Seite kann die Folie zudem strukturiert sein, um den Stoffschluss mit dem Kunststoffmaterial zu begünstigen.
  • Die Wärmestrahlung lässt sich besonders gut von der elektrischen Komponente abhalten, wenn die Folie die Wärmestrahlung reflektiert. Deshalb kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Folie auf der dem Grundkörper abgewandten Seite reflektierend ausgeführt ist. Es soll also insbesondere die äußere Schicht bzw. Lage der Folie reflektierend ausgebildet sein und schirmt so die von außen auf die elektrische Komponente gerichtete Strahlung zumindest weitgehend ab.
  • Die Wirkung des Hitzeschildes lässt sich noch weiter verbessern, wenn die Folie auf der dem Grundkörper abgewandten Seite hochglänzend ausgeführt ist. Mit zunehmenden Reflexionsverhalten steigt auch die Wirkung der thermischen Isolation des Gehäuseelements, da bei höherer Reflexion weniger Wärmestrahlung am Gehäuseelement absorbiert wird.
  • Die thermische Isolation kann noch weiter gesteigert werden, wenn der Grundkörper und die Folie zwischen sich wenigstens eine Luftkammer einschließen. Die darin eingeschlossene Luft wirkt als gute Wärmedämmung. Die Luftkammern können an einer der Folie zugewandten Seite des Grundkörpers z.B. wabenförmig ausgeformt sein.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug. Diese wird vorzugsweise im Motorraum des Kraftfahrzeugs verbaut und ist dort benachbart zu einer Wärmestrahlung emittierenden Fahrzeugkomponente angeordnet. Die Batterieanordnung verfügt über wenigstens eine Batteriekomponente, z.B. ein Batteriemodul oder auch mehrere Batteriezellen, und ein darum angeordnetes Gehäuseelement, wie es vorstehend beschrieben ist. Die Folie des Gehäuseelements ist an einer der Batteriekomponente abgewandten Seite angeordnet.
  • Besonders vorteilhaft lässt sich das Gehäuseelement einsetzen, wenn es ein vorzugsweise plattenförmiger Batteriedeckel zum zumindest teilweisen Umgeben der Batteriekomponente ist. Dieser bildet also einen Teil des Batteriegehäuses, in dem die Batteriekomponente eingehaust ist.
  • Je nach Einbauort der Batteriekomponente kann das Gehäuseelement auch als Batterieträger der Batteriekomponente angeordnet sein. In diesem Fall trägt das Gehäuseelement die Batteriekomponente, schirmt sie aber gleichzeitig gegen Wärmestrahlung ab.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug. Die herzustellende Batterieanordnung weist wenigstens eine Batteriekomponente, wie etwa ein Batteriemodul oder eine Batteriezelle, sowie ein mit einem Hitzeschild versehenes Gehäuseelement zum Tragen oder Einhausen der Batteriekomponenten auf. Das Verfahren sieht die folgenden Schritte vor:
    • - Einbringen einer metallischen Folie in ein Formwerkzeug, bei dem es sich z.B. um ein Spritzgieß-Formwerkzeug handeln kann.
    • - In dem Formwerkzeug erfolgt dann ein Umspritzen oder Hinterspritzen der Folie mit einem Kunststoffmaterial zum Ausbilden des Gehäuseelements. Dabei wird die Folie als äußere Lage mit einem aus dem Kunststoffmaterial ausgeformten Grundkörper stoffschlüssig verbunden. Bei diesem In-Mold-Spritzgießverfahren trifft beim Hinterspritzen der Folie die Kunststoffschmelze des Kunststoffmaterials auf die Folie, so dass sich bei entsprechender Materialkompatibilität eine form-, kraft- und insbesondere stoffschlüssige Verbindung auf Makro-, Mikro- oder Nanoebene auftreten kann.
    • - Nach dem Um- oder Hinterspritzen der Folie erfolgt ein Entnehmen des Gehäuseelements aus dem Formwerkzeug.
    • - Entweder beim Lieferanten oder Fahrzeughersteller erfolgt dann noch ein Anbringen des Gehäuseelements um die Batteriekomponente herum. Im Falle eines Batteriedeckels wird dieser auf der bzw. vor die Batteriekomponente montiert.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine erfindungsgemäße Batterieanordnung mit einem erfindungsgemäßen Gehäuseelement für ein Kraftfahrzeug,
    • 2 ein erfindungsgemäßes Gehäuseelement mit einer Folie als Hitzeschild als Einzelbauteil und
    • 3 ein exemplarisches, aus dem Stand der Technik bekanntes Formwerkzeug zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Gehäuseelements.
  • Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In 1 ist eine Batterieanordnung 1 gezeigt, die sich aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus zum Einbau in einem (nicht gezeigten) Kraftfahrzeug eignet. Die Batterieanordnung 1 weist eine Batteriekomponente 2 in Form einer Starterbatterie auf, die hier exemplarisch insgesamt sechs Batteriezellen 3 aufweist und damit etwa 12 V Nennspannung liefert. Die Batteriezellen 3 sind in einem Blockkasten 4 aus Polypropylen untergebracht. Die Batterieanordnung 1 ist in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet.
  • Im Motorraum des Kraftfahrzeugs ist benachbart zu der Batterieanordnung eine Wärmestrahlungsquelle 5 angeordnet, bei der es sich z.B. um einen Teil eines Verbrennungsmotors oder einer Abgasanlage handelt. Die Wärmestrahlungsquelle 5 erzeugt zumindest während ihres Betriebs und ggf. auch noch danach durch ihre Restwärme Wärmestrahlung 6, die (auch) in Richtung der Batterieanordnung 1 gerichtet ist.
  • Um die Batterieanordnung 1 thermisch von der Wärmestrahlung 6 der Wärmestrahlungsquelle 5 zu isolieren bzw. abzuschirmen, ist zwischen der Batteriekomponente 2 und der Wärmestrahlungsquelle 5 ein Gehäuseelement 7 angeordnet, das somit als Hitzeschild wirkt. Hierzu weist das Gehäuseelement 7 einen aus einem Kunststoffmaterial spritzgegossenen, plattenförmigen Grundkörper 7.1 auf, auf dessen der Wärmestrahlungsquelle 5 zugewandten Seite eine reflektierende, einen Metallwerkstoff aufweisenden Folie 7.2 angeordnet ist. Der Grundkörper 7.1 besteht hier aus PA66 GF50, das eine gute Hitzebeständigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit aufweist und sich zudem im Spritzgießverfahren verarbeiten lässt. Die Folie 7.2 ist auf molekularer Ebene stoffschlüssig mit dem Kunststoffmaterial des Grundkörpers 7.1 verbunden und bildet so eine äußere Lage des Gehäuseelements 7, die zu der Wärmestrahlungsquelle 5 hin gerichtet ist und so als Hitzeschild für die Batteriekomponente 2 wirkt.
  • 2 zeigt das Gehäuseelement 7 als Einzelbauteil in einer perspektivischen Ansicht. Der Grundkörper 7.2 weist eine feste Struktur mit (nicht näher bezeichneten) Quer- und Längsstreben auf, um dem Gehäuseelement 7 die notwendige mechanische Festigkeit zu geben. Der Grundkörper 7.2 weist eine im Wesentlichen ebene bzw. plane Fläche 7.3, die die stoffschlüssige Verbindung zu der Folie 7.1 bewerkstelligt. In anderen Worten, ist das Kunststoffmaterial des Grundkörpers 7.2 flächig auf eine Seite der Folie 7.1 angespritzt. Lediglich angedeutet sind Luftkammern 7.4, die an dem Grundkörper 7.1 ausgebildet sind und die thermische Isolationswirkung des Gehäuseelements durch die schlechte Wärmeleitung von Luft zusätzlich unterstützt.
  • Die Folie 7.2 ist mehrschichtig mit einem (nicht näher bezeichneten) Träger aus Polyethylen und wenigstens zwei Lagen bzw. Schichten Aluminium aufgebaut, so dass sie auf der dem Grundkörper 7.1 abgewandten Seite durch das Aluminium reflektierend ausgeführt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Aluminium hochglänzend, um die Reflexionsfähigkeit der Folie 7.2 weiter zu erhöhen.
  • Anhand von 3, die ein exemplarisches, aus dem Stand der Technik bekanntes Spritzguss-Formwerkzeug 8 zeigt, soll nun im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung der Batterieanordnung 1 erläutert werden.
  • Zunächst wird die Folie 7.2 zwischen zwei Werkzeughälften 8.1, 8.2 des Formwerkzeugs 8 eingelegt und das Formwerkzeug 8 verschlossen. Dann wird die Folie 7.1 mit einer Kunststoffschmelze aus dem Kunststoffmaterial des auszuformenden Gehäuseelements 7 hinterspritzt, indem diese über eine Düse 8.3 zwischen die Werkzeughälften 8.1, 8.2 eingeleitet wird. Dabei gehen die fest vorliegende Folie 7.2 und die Kunststoffschmelze eine formschlüssige Verbindung ein.
  • Nachdem die Kunststoffschmelze so weit erstarrt ist, dass die Folie 7.2 und der Grundkörper 7.1 gemeinsam das Gehäuseelement 7 ausbilden, wird dieses aus dem Formwerkzeug 8 entnommen und ggf. gelagert oder zu einem Automobilhersteller transportiert.
  • Im Kraftfahrzeug wird das Gehäuseelement 7 dann um die Batteriekomponente 2 herum angeordnet, wo es z.B. als Batteriedeckel oder als Batteriedeckel dient. Das Anordnen erfolgt dabei so, dass die Folie 7.2 im Einbauzustand der Wärmestrahlungsquelle 5 zugewandt ist und sich die Batteriekomponente auf einer der Folie 7.2 abgewandten Seite des Grundkörpers 7.1 befindet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batterieanordnung
    2
    Batteriekomponente
    3
    Batteriezelle
    4
    Blockkasten
    5
    Wärmestrahlungsquelle
    6
    Wärmestrahlung
    7
    Gehäuseelement
    7.1
    Grundkörper
    7.2
    Folie
    7.3
    (Ober-)Fläche
    7.4
    Luftkammer
    8
    Spritzguss-Formwerkzeug
    8.1
    Erste Werkzeughälfte
    8.2
    Zweite Werkzeughälfte
    8.3
    Düse
  • 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 10007224 A1 [0003]
    • DE 102012212459 A1 [0004]
    • JP 2001238307 A [0005]

Claims (10)

  1. Gehäuseelement (7) zum Tragen oder Einhausen einer elektrischen Komponente (2) in einem Kraftfahrzeug, mit einem aus einem Kunststoffmaterial spritzgegossenen Grundkörper (7.1), der an einer im Einbauzustand der elektrischen Komponente (2) abgewandten Seite zumindest abschnittsweise eine Folie (7.2) aufweist, die zum Ausbilden eines Hitzeschildes als äußere Lage mit dem Kunststoffmaterial des Grundkörpers (7.1) stoffschlüssig verbunden ist.
  2. Gehäuseelement (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7.2) einen Metallwerkstoff aufweist.
  3. Gehäuseelement (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7.2) auf der dem Grundkörper (7.1) abgewandten Seite reflektierend ausgeführt ist.
  4. Gehäuseelement (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7.2) auf der dem Grundkörper (7.1) abgewandten Seite hochglänzend ausgeführt ist.
  5. Gehäuseelement (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (7.1) und die Folie (7.2) zwischen sich wenigstens eine Luftkammer einschließen.
  6. Gehäuseelement (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7.2) mehrschichtig ausgeführt ist und an einer der elektrischen Komponente (2) abgewandten Seite eine Materialzusammensetzung aufweist, die die stoffschlüssige Verbindung begünstigt.
  7. Batterieanordnung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuseelement (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Batteriekomponente (2), die auf einer einer Folie (7.2) des Gehäuseelements (7) abgewandten Seite angeordnet ist.
  8. Batterieanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (7) als Batteriedeckel der Batteriekomponente (2) angeordnet ist.
  9. Batterieanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (7) als Batterieträger der Batteriekomponente (2) angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung (1) für ein Kraftfahrzeug, die eine Batteriekomponente (2) sowie ein mit einem Hitzeschild versehenes Gehäuseelement (7) zum Tragen oder Einhausen der Batteriekomponente (2) aufweist, mit den Schritten: - Einbringen einer metallischen Folie (7.2) in ein Formwerkzeug (8), - Umspritzen oder Hinterspritzen der Folie (7.2) mit einem Kunststoffmaterial zum Ausbilden des Gehäuseelements (7) derart, dass die Folie (7.2) als äußere Lage mit einem aus dem Kunststoffmaterial ausgeformten Grundkörper (7.1) stoffschlüssig verbunden wird, - Entnehmen des Gehäuseelements (7) aus dem Formwerkzeug (8), und - Anbringen des Gehäuseelements (7) um die Batteriekomponente (2) herum.
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