DE102017208990B4

DE102017208990B4 - Verfahren zum Herstellen einer Unterschale für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie und Traktionsbatterie mit einer verfahrensgemäß hergestellten Unterschale

Info

Publication number: DE102017208990B4
Application number: DE102017208990.3A
Authority: DE
Inventors: Tim Spiering; Stephan Kohlitz; Sebastian Findeisen; Maurice Bitterlich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2017-05-29
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: DE102017208990A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Unterschale (100) für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie, welche einen Boden (110) und diesen Boden (110) umgebende Seitenwände (120, 130) aufweist, wobei diese Unterschale (100) aus einem Kunststoffmaterial (K) gebildet ist und im Boden (110) und in den Seitenwänden (120, 130) ein Metallschaumkern in das Kunststoffmaterial (K) eingebettet ist, umfassend die Verfahrensschritte:- Bereitstellen einer aus Metallschaum (S) gebildeten vorgefertigten Wanne, die einen Boden und den Boden umgebende Seitenwände aufweist;- Platzieren der Wanne in die Kavität (210) eines Spritzgießwerkzeugs (200); und- Ausführen eines Spritzgießvorgangs, wobei der Metallschaum (S) mit Kunststoffmaterial (K) umspritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Unterschale für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie, welche einen Boden und diesen Boden umgebende Seitenwände aufweist, wobei diese Unterschale aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist und im Boden und in den Seitenwänden ein Metallschaumkern in das Kunststoffmaterial eingebettet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik sind Traktions- bzw. Antriebsbatterien für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bzw. Automobil, wie z. B. ein Elektroauto (BEV) oder ein Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV oder PHEV), bekannt, die ein Batteriegehäuse bzw. einen Batteriekasten und im Inneren dieses Gehäuses bzw. Kastens angeordnete Batteriemodule bzw. -zellen aufweisen. Das Batteriegehäuse kann eine sogenannte Unterschale, in der die Batteriemodule aufgenommen sind, und eine Oberschale (Deckel) aufweisen. Das Batteriegehäuse sollte leicht, stabil (crashsicher), dicht und idealerweise auch elektromagnetisch verträglich (EMV) sein.
In der DE 10 2009 037 138 A1 wird ein Batteriekasten, insbesondere für eine Batterie in einem Kraftfahrzeug, vorgestellt. Dieser weist eine Oberschale und eine Unterschale sowie eine Schale aus einem metallischen Material auf, die die Unterschale zumindest abschnittsweise umgibt. Die Schale aus einem metallischen Material bzw. die Blechunterschale dient der elektromagnetischen Abschirmung, ggf. der Gewichtsreduktion durch Stoff- und Strukturleichtbau, der Kraftaufnahme und Kraftübertragung im Schadensfall und der Dichtheit bzw. Leckagevermeidung.
Die DE 10 2015 203 952 A1 beschreibt ein Batteriegehäuseteil (Unterschale) für eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, wobei ein erster Teilbereich des Batteriegehäuseteils aus einem Kunststoff und zumindest ein zweiter Teilbereich aus einem davon verschiedenen Werkstoff ausgebildet ist. Es handelt sich demzufolge um ein sogenanntes Hybridbauteil. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Steifigkeit des Batteriegehäuseteils bei gleichzeitig geringem Gewicht erzielen. Eine Umsetzung des EMV-Schutzes gelingt z. B. durch die Verwendung von Metallfasern oder metallisch bedampften Fasern.
Die nächstliegende FR 2 993 522 A1 beschreibt ein Gehäuse zur Aufnahme elektrischer Einrichtungen an Bord eines Kraftfahrzeugs, wobei es sich insbesondere um ein Batteriegehäuse handelt. Ein Hauptmerkmal dieses Gehäuses ist, dass zumindest eine Zone der Gehäusewand aus einem Kunststoff besteht, der einen porösen Metalleinleger umgibt. Der Kunststoff ist insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff. Der Metalleinleger ist insbesondere ein Schaum. Die Herstellung des Gehäuses bzw. Batteriegehäuses erfolgt durch Überspritzen des porösen Metalleinlegers mit dem Kunststoff bzw. durch Aufspritzen des Kunststoffs auf den Metalleinleger, ohne dass dies näher beschrieben ist.
Zum Stand der Technik wird ferner auch auf die US 2012/0251863 A1 hingewiesen, die u. a. eine Batteriewanne aus Faserkunststoffverbund mit einem in den Gehäuseboden integrierten Metallschaum beschreibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung einer Unterschale eingangs genannter Art mit vergleichsweise geringen Kosten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine Traktionsbatterie. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Die herzustellende Unterschale zeichnet sich dadurch aus, dass diese aus einem Kunststoff(matrix)material gebildet ist und dass im Boden und in den Seitenwänden dieser Unterschale ein Metallschaumkern bzw. Metallschaumeinleger in das bzw. im Kunststoffmaterial eingebettet ist.
Die herzustellende Unterschale ist somit ein Kunststoff und Metall aufweisendes, sowie gegebenenfalls auch Verstärkungsfasern aufweisendes (s. u.), Hybridbauteil, das einen Boden und diesen Boden umgebende Seitenwände umfasst und insbesondere einstückig (d. h. nicht gebaut, sondern in einem Stück) hergestellt bzw. gefertigt ist.
Ein Metallschaumkern ist ein aus Metallschaum gebildeter Einleger. Ein Metallschaum ist ein aufgeschäumter metallischer Werkstoff. Metallschäume besitzen eine durch Poren und Hohlräume bedingte geringe Dichte, weisen aber dennoch eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit sowie ein hohes Absorptionsvermögen für kinetische Energie auf. Herstell- und Verarbeitungsverfahren für Metallschäume sind bekannt, wozu auf den einschlägigen Stand der Technik und/oder auf entsprechende Fachliteratur verwiesen wird. Metallschaumkerne können, insbesondere auch mit komplexer Geometrie, einzeln hergestellt oder aus vorgefertigten Metallschaum-Halbzeugen angefertigt werden.
Der Metallschaumkern ist bevorzugt aus einer Aluminium-, Magnesium- oder Stahllegierung gebildet.
Durch den Einsatz eines Metallschaumkerns kann eine dichte, sehr leichte und dennoch stabile und somit crashsichere Unterschale bereitgestellt werden. Der Metallschaumkern führt außerdem zu einer sehr guten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Idealerweise ist kein weiteres Element zur Abschirmung erforderlich. Ferner kann die Unterschale mit vergleichsweise geringen Kosten hergestellt werden.
Bevorzugt ist der Metallschaumkern zumindest teilweise mit dem Kunststoffmaterial geflutet bzw. imprägniert. Der Metallschaumkern ist hierzu offenporig bzw. offenzellig ausgebildet (die Porengröße ist beim Herstellungsprozess einstellbar). Das Kunststoffmaterial und der Metallschaum bilden einen hybriden Werkstoffverbund mit niedrigem Gewicht, der einerseits eine hohe Festigkeit bzw. Steifigkeit und andererseits eine gute und vor allem auch medienfeste (bzw. elektrolytstabile) Dichtheit aufweist. Ferner tritt aufgrund des engen Formschlusses zwischen Metallschaum und Kunststoffmasse trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten keine sogenannte Delta-Alpha-Problematik auf. Auch zusätzlich im oder am Batteriegehäuse bzw. dessen Unterschale verbaute Verstärkungs- oder Deformationselemente können aus einem mit Kunststoffmaterial gefluteten bzw. durchfluteten Metallschaum gebildet sein. Insbesondere sind dies profilartige Elemente.
Das Kunststoffmaterial kann, zumindest bereichsweise, geschäumt bzw. aufgeschäumt sein. Insbesondere kann das in den gefluteten Metallschaumkern eingedrungene Kunststoffmaterial geschäumt bzw. aufgeschäumt sein. Dadurch kann, ohne nachteiligen Einfluss auf die Stabilität, Dichtigkeit und elektromagnetische Verträglichkeit, eine erhebliche Gewichtsreduzierung erreicht werden.
Der Metallschaumkern kann mittels Decklagen aus einem Fasermaterial, z. B. ein Verstärkungsfasern enthaltendes textiles Halbzeug, verstärkt sein. Solche Decklagen bzw. -schichten können ein- oder beidseitig und insbesondere mehrlagig auf den Metallschaumkern aufgebracht sein und sind bevorzugt ebenfalls in das Kunststoff(matrix)material eingebettet. Die Kombination Metallschaum-Faserverbund-Sandwichstruktur führt zu sehr guten mechanischen Eigenschaften mit EMV-Abschirmung.
Als Kunststoffmaterial bzw. Kunststoffmatrixmaterial können sowohl thermoplastische als auch duroplastische Kunststoffe verwendet werden. Bevorzugt wird z. B. ein Polyurethan (PU), ein Polyamid (PA) oder ein Epoxidharz (d. h. ein duroplastischer Kunststoff auf Epoxidharzbasis bzw. EP-Harz) verwendet, wobei diese Kunststoffe auch geschäumt werden können (s. o.).
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Unterschale umfasst die Schritte:

- Bereitstellen einer aus Metallschaum gebildeten (vorgefertigten) Wanne, die einen Boden und den Boden umgebende Seitenwände aufweist, wobei die Wanne einstückig oder mehrstückig hergestellt sein kann;
- Platzieren der Metallschaum-Wanne in der Kavität eines Spritzgießwerkzeugs bzw. Harzinjektionswerkzeugs;
- Schließen des Werkzeugs und Ausführen eines Spritzgieß- bzw. Harzinjektionsvorgangs, wobei der Metallschaum mit Kunststoffmaterial bzw. Harzmaterial umspritzt wird und wobei insbesondere der Metallschaum zumindest teilweise auch vom Kunststoffmaterial durchtränkt wird (Infiltration);
- Öffnen des Werkzeugs und Entformen der Unterschale, nachdem das Kunststoffmaterial ausgehärtet ist.

Das Kunststoffmaterial kann auch vor dem Schließen des Werkzeugs in die Kavität eingebracht und dann beim Schließen des Werkzeugs verpresst werden (sogenanntes Pressverfahren). Anstatt Spritzgießen kann auch ein sogenanntes Spritzprägen ausgeführt werden. Vor dem Einlegen oder gegebenenfalls auch erst nach dem Einlegen kann die Metallschaumwanne mit Verstärkungsfasern enthaltenden Decklagen versehen werden (s. o.), z. B. durch Auflaminieren, die dann beim Spritzgießen (bzw. Verpressen) ebenfalls in das Kunststoffmaterial eingebettet werden können. Beim Spritzgießen (bzw. Verpressen) können aus dem Kunststoffmaterial auch Versteifungselemente, wie z. B. Rippen, gebildet werden. Ferner können Verstärkungs- und/oder Deformationselemente in der Kavität platziert und über das Kunststoffmaterial in die Unterschale eingebunden werden.
Die mit dem nebengeordneten Patentanspruch beanspruchte Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug (z. B. ein Elektroauto oder Hybridelektrokraftfahrzeug), wobei es sich insbesondere um eine HV-Batterie (HV-Batteriesystem) handelt, weist ein Batteriegehäuse auf, das eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Unterschale umfasst. Zum Batteriegehäuse gehört bevorzugt auch eine mit der Unterschale verbundene oder verbindbare Oberschale (Deckel), die ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial gebildet und wenigstens einen Metallschaumkern aufweisen kann. Zur Traktionsbatterie können ferner im Inneren des Batteriegehäuses angeordnete Batteriezellen bzw. -module gehören. Zur Traktionsbatterie können außerdem Kontakt- und Verkabelungselemente sowie auch eine Elektronik bzw. Leistungselektronik gehören.
Die Erfindung wird im Folgenden in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Unterschale.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch den Boden der Unterschale aus 1.
3 veranschaulicht in einer schematischen Schnittdarstellung eine mögliche Herstellung der Unterschale aus 1.

1 zeigt eine wannenförmige bzw. trogartige Unterschale 100 für eine Traktionsbatterie, die einen Boden 110 und den Boden 110 umgebende bzw. umrandende Seitenwände 120 und 130 aufweist. Die Unterschale 100 ist einstückig ausgebildet, d. h. die Unterschale 100 ist nicht aus mehreren zusammengebauten Einzelteilen hergestellt. Allerdings besteht die Unterschale 100 aus einem hybriden Werkstoffverbund.
2 zeigt einen Schnitt durch den Boden 110. Im Inneren des Bodens 110 befindet sich ein Metallschaumkern bzw. eine Metallschaumkernlage S, der/die beidseitig Decklagen aus einem Fasermaterial F aufweist und in ein Kunststoffmaterial K eingebettet ist. Die Seitenwände 120 und 130 können analog aufgebaut sein. Der Metallschaumkern S weist z. B. eine Dicke D von 3 bis 10 mm auf. Der Metallschaumkern S muss nicht vollständig abgedeckt oder vom Kunststoffmaterial K umgeben sein, sondern kann auch einen Teil der Wanneninnen- oder -außenfläche bilden.
3 veranschaulicht die mögliche Herstellung der Unterschale 100 in einem temperierten Spritzgieß- bzw. Harzinjektionswerkzeug 200. Die vorgefertigten Metallschaumkerne bzw. Einleger S werden zusammen mit den Decklagen F in der Kavität 210 des Werkzeugs 200 platziert. Erfindungsgemäß wird eine vorgefertigte Wanne aus Metallschaum verwendet. In die geschlossene Kavität 210 (oder beim Spritzprägen in die zumindest teilweise geschlossene Kavität 210) wird dann das Kunststoffmaterial K eingespritzt, bspw. ein Epoxidharz, welches aufgrund seiner dünnflüssigen Eigenschaften sowohl die offenporigen Metallschaumkerne S durchflutet bzw. durchtränkt als auch die Decklagen F infiltriert. Das Erzeugen eines Vakuums oder Unterdrucks in der Kavität 210 kann hierbei vorteilig sein. Die Metallschaum-Faser-Einleger S/F (Metall-Textil-Aufbau) werden durch die aushärtende Kunststoffmasse K auch untereinander formstabil verbunden. Nach dem Aushärten des Kunststoffmaterials K kann das Werkzeug 200 geöffnet und die im Wesentlichen verwendungsfertige Unterschale 100 entformt werden. Durch entsprechende Ausgestaltung der Kavität 210 können diverse Zusatzelemente, wie z. B. rippenartige Versteifungselemente 140 sowie innere und äußere Befestigungs- und Halteelemente, mit angeformt werden.
Bezugszeichenliste

100: Unterschale (Batteriegehäuse)
110: Boden
120: Seitenwand
130: Seitenwand
140: Versteifungselement
200: Werkzeug
210: Kavität
D: Dicke
F: Fasermaterial
K: Kunststoffmaterial
S: Metallschaummaterial

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Unterschale (100) für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie, welche einen Boden (110) und diesen Boden (110) umgebende Seitenwände (120, 130) aufweist, wobei diese Unterschale (100) aus einem Kunststoffmaterial (K) gebildet ist und im Boden (110) und in den Seitenwänden (120, 130) ein Metallschaumkern in das Kunststoffmaterial (K) eingebettet ist, umfassend die Verfahrensschritte: - Bereitstellen einer aus Metallschaum (S) gebildeten vorgefertigten Wanne, die einen Boden und den Boden umgebende Seitenwände aufweist; - Platzieren der Wanne in die Kavität (210) eines Spritzgießwerkzeugs (200); und - Ausführen eines Spritzgießvorgangs, wobei der Metallschaum (S) mit Kunststoffmaterial (K) umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Metallschaum (S) gebildete Wanne einstückig hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (S) der vorgefertigten Wanne offenporig ausgebildet ist und beim Ausführen des Spritzgießvorgangs zumindest teilweise vom Kunststoffmaterial (K) durchtränkt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Metallschaum (S) gebildete Wanne vor oder nach dem Einlegen in das Spritzgießwerkzeug (200) mit Verstärkungsfasern enthaltenden Decklagen (F) versehen wird, die dann beim Spritzgießen ebenfalls in das Kunststoffmaterial (K) eingebettet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern enthaltenden Decklagen (F) vor dem Einlegen der aus Metallschaum (S) gebildeten Wanne in das Spritzgießwerkzeug (200) auf die aus Metallschaum (S) gebildete Wanne auflaminiert werden.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial (K) zumindest bereichsweise geschäumt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (S) der vorgefertigten Wanne aus Aluminium, Magnesium oder Stahl gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Kunststoffmaterial (K) ein Polyurethan, ein Polyamid oder ein Epoxidharz ist.
Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einem Batteriegehäuse, welches eine Unterschale (100) aufweist, die mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche hergestellt ist.