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Bekannt sind Batteriegehäuse für Traktionsbatterien für elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge, welche als Schweißkonstruktion ausgeführt sind, welche beispielsweise Aluminium-Platten und -Profile zu einem Gehäuse verbunden haben. Bekannt sind ferner Batteriegehäuse, welche aus dem vollen Block gefräst werden oder aus gefrästen Teilen zusammengesetzt werden.
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Beide Verfahren, Schweißkonstruktion und gefräste Gehäuse, sind sehr kostenaufwändig. Die komplexe Konstruktion erfordert eine Vielzahl von zu verbindenden Komponenten oder extreme Gestaltungsfreiheit bei der fertigungsgerechten Konstruktion. Die Schweißkonstruktion bietet zudem einen erhöhten Aufwand für Prozesssicherheit.
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Das Batteriegehäuse hat vielfältige Funktionen und Anforderungen zu erfüllen: Entweder die Batteriemodule oder die einzelnen Zellen müssen fest fixiert werden, um weder durch Vibrationen und Erschütterungen, noch durch die Beschleunigungen eines Aufpralls aus ihrer Position im Gehäuse verschoben zu werden. Das Gehäuse muss die Zellen gegen Witterungseinflüsse schützen und insbesondere darf keine Feuchtigkeit eindringen. Das Gehäuse muss die Umgebung vor der Energie eventuell durchgehender Zellen schützen oder sogar eine Kettenreaktion durchgehender Zellen im Inneren verhindern. Das Gehäuse muss eventuell die Ausdehnung der alternden Zellen verhindern, in dem eine enorm hohe Gegenkraft die Zellen komprimiert.
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Und vor allem muss das Gehäuse die Zellen vor Verformung durch Crashs jeglicher Art bewahren, welche wiederum ein Durchgehen der Zellen verursachen könnte, was in manchen Fällen eine Explosion gleich käme.
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Bei vielen Fahrzeugen reicht das Batteriegehäuse so nah an die seitliche Außenkontur heran, dass beispielsweise bei einem Pfahlaufprall, wie er heute standardmäßig getestet wird, der Pfahl mit Wucht auf das Batteriegehäuse auftreffen würde. In diesem Fall liegt es nahe, Energieabsorbierende Körper auf dem Batteriegehäuse anzubringen, so dass zusätzlich zur Karosserie eine Gegenkraft geschaffen wird, um das Eindringen des Pfahls in das Batteriegehäuse oder eine Eindellung der Gehäusewandung gegen die Zellen oder Module zu verhindern.
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Vor allem in diesem letzteren Fall, in dem das Gehäuse selbst die Kräfte vom eindringenden Pfahl zum deutlichen Teil selbst abfangen muss, werden diese Kräfte zur für das Gehäuse dimensionierenden Größe und es ist ein hoher Entwicklungsaufwand erforderlich, um die Robustheit des Gehäuses zu gewährleisten. Bei einer seitlichen Kraft auf die Seitenwände, welche von einem energieabsorbierenden Gegenstand ausgeübt wird, werden die Seitenwände des Batteriegehäuses zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel um eine Längs-parallele Achse auf Biegung beansprucht Damit benötigen sie erheblich mehr Festigkeit, als eine Bodenplatte und ein Deckel des Batteriegehäuses, welche in diesem Fall nur auf Druck beansprucht werden, wenn die Seitenwand die Kraft auf diese weiter leitet.
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Ein einfaches Blech ist in der Regel den hohen Kräften kaum gewachsen. Im Falle von Schweißkonstruktionen werden hier hohle Stranggussprofile verwendet, welche auf die Belastung hin optimiert werden.
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Im allgemeinen geht man davon aus, dass eine Gusskonstruktion gegenüber eine gefrästen oder geschweißten Konstruktion Kosten spart. Anders als bei Stranggussprofilen ist jedoch nur schwer eine Konstruktion mit Hohlkammern bzw. eine doppel- oder mehrwandige Konstruktion zu erzielen. Eine entsprechende Biegefestigkeit einer Wandung muss somit mit andere Mitteln erzielt werden. Von Vorteil wäre jedoch auch eine zusammengesetzte Konstruktion, die mit weniger Komponenten auskäme.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Formgebung zu finden, die es ermöglicht, ein Batteriegehäuse zu bauen, welches beispielsweise im Feingussverfahren oder im Sandgussverfahren oder in ähnlichen Gussverfahren so hergestellt werden kann, dass die wesentlichen mechanischen Eigenschaften für Batteriegehäuse in Kraftfahrzeugen gegeben sind und so dass die wirtschaftlichen Vorteile einer Gusskonstruktion zur Produktion von Gussgehäusen genutzt werden können. Das Gehäuse soll so leicht wie möglich ausgeführt werden. Alternativ sollte das Batteriegehäuse aus vereinfachten und wenigeren Komponenten zusammengesetzt werden müssen.
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Hierbei werden die Freiheiten genutzt, die der Sandguss und insbesondere der Feinguss bietet, auch Geometrien mit Hinterschneidungen und Aushöhlungen und teilweise ohne Entformungsschrägen zu erzeugen. Anders als bei Schweißkonstruktionen unter teilweiser Verwendung von Stranggussprofilen ist freilich eine Konstruktion mit abgeschlossenen Hohlräumen nicht möglich. Die Aufgabe besteht darin, mit einer vorwiegend einwandigen Konstruktion und mit Rippen diese Festigkeit zu erzielen.
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Die vorliegende Erfindung eines Batteriegehäuses für Kraftfahrzeuge erfüllt diese Aufgabenstellung im Wesentlichen dadurch, dass die Seitenwände als gewelltes Profil ausgeführt sind und optional zusätzliche Rippen aufweisen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den weiteren Ansprüchen ausgeführt.
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Durch die Erfindung kann beispielsweise im Sandgussverfahren oder im Feingussverfahren ein komplexes Batteriegehäuse beispielsweise aus Aluminium in einem Stück gefertigt werden, welches vielfältige Aufgabenstellungen erfüllt und welches hohen mechanischen Belastungen standhalten kann und die Zellen oder / und Module im inneren sicher aufbewahren kann. Auch andere Fertigungsverfahren sind bei reduzierter Teileanzahl grundsätzlich denkbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele durch die Abbildungen - näher erläutert.
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zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer möglichen Positionierung der Batterie. Ein Koordinatensystem dient als Referenz. Die Batterie ist in diesem Beispiel am Fahrzeugboden zwischen den Achsen positioniert. Die größte Erstreckung bzw. Länge des vollständigen Batteriemoduls (2), welches das Batteriegehäuse (3) mit Deckel (18) und optional zusätzlichem Boden (17) beinhaltet, erstreckt sich in Fahrtrichtung bzw. in Richtung der X-Achse bzw. Längsrichtung. Die zweitgrößte Erstreckung bzw. Breite des Batteriegehäuses (3) im vorliegenden Beispiel erstreckt sich quer zur Fahrrichtung bzw. in Richtung der Y-Achse bzw. in Querrichtung. Die geringste Erstreckung des Batteriegehäuses (3) bzw. Höhe im vorliegenden Beispiel erstreckt sich in vertikaler Richtung bzw. in Z-Richtung. Dabei können Länge, Höhe und Breite des Batteriegehäuses variieren, so dass beispielsweise auch ein Gehäuse (3) möglich ist, welches breiter ist, als lang.
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zeigt das Batteriegehäuse 3 ohne Deckel (18) in perspektivischer Darstellung. Auf dieser Abbildung sind bereits die Aushöhlungen (6,7) der Seitenwand (4) erkennbar, welche wechselseitig von der innen- und der Außenseite her angebracht sind. Diese Aushöhlungen ergeben zusammen ein gewelltes Profil mit beispielsweise rechteckiger oder trapezförmiger Profilkontur, welche in vertikaler Richtung extrudiert oder gezogen ist. Grundsätzlich wäre auch eine sinusförmig oder in beliebiger Form vertikal gewellte Struktur denkbar. Eine rechteckig oder trapezförmig gewellte vertikale Profilform bietet hierbei bei im wesentlichen einwandiger Ausführung die beste Biegefestigkeit des Profils um eine in Längsrichtung verlaufende Biegeachse. Die Biegebelastung um eine Biegeachse in Längsrichtung entsteht bei Kräften, welche auf die Seitenwand (4) bzw. auf den Teil (5) der Seitenwand (4) wirken, auf den energieabsorbierende Elemente (19) aufgebracht werden, welche die Energie eines aufprallenden Gegenstandes wie beispielsweise eines Pfahls aufnehmen sollen. Auf dieser Abbildung sind ferner noch die Vorderwand (8) und die Rückwand (9) zu erkennen, welche ebenfalls teilweise oder vollständig mit gewellten Profilen, mit Trapez- oder Rechteckprofilen ausgeführt sind. Diese Profile können hier jedoch beispielsweise auch bei vertikaler Erstreckung der welligen Kontur ausgeführt sein, in dem die Kontur in Quer-Richtung extrudiert bzw. gezogen ist. Diese Ausführung erleichtert beispielsweise die Anbindung von Befestigungselementen (in keiner Abbildung dargestellt), so dass sich die Belastungen, die aus den Anbindungselementen herrühren, in Querrichtung besser auf die vordere oder hintere Querwand (8,9) verteilt werden.
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An der Ober- und Unter-Seite des Gehäuses können die wellenförmigen Profile jeweils in einem Flansch (22,23) enden, welcher (23) auf der Unterseite entweder direkt in den mit gegossenen Boden (21) des Gehäuses übergeht oder / und an welchem (23) ein zusätzlicher oder eigenständiger Boden (17) in Form beispielsweise einer Platte durch Verschraubung, Verklebung und / oder durch andere Verfahren verbunden ist. Auf der Oberseite ist der Flansch (22) bevorzugt mit einem separaten Gehäusedeckel (18) verbunden. Es ist dabei sowohl möglich, dass der Flansch (22,23) seinerseits noch gewellt ist. Der Flansch (22,23) kann sowohl nach außen oder nach innen weisen. Wenn andere Verbindungsverfahren gewählt werden, kann auf die oder auf einen der Flansche (22,23) auch verzichtet werden, so dass die Wellenform einfach stumpf endet. In den Abbildungen ist lediglich die Form eines vorwiegend geradlinigen Flansches (22,23) dargestellt, in welchem sich die Wellenform auflöst. Dabei weist der Flansch (22,23) abwechselnd nach außen und nach innen, so dass er den ebenen oberen und unteren Abschluss der jeweiligen Aushöhlungen (6,7) darstellt.
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zeigt einen horizontalen Schnitt durch das Batteriegehäuse. Dieser Schnitt zeigt die trapezförmige Wellenkontur der Seitenwände. In diesem Schnitt sind zusätzlich vertikale Verrippungen (10,20,) in den inneren Aushöhlungen (7) zu erkennen, welche helfen, die enormen Kräfte der energieabsorbierenden Elemente 19 zu tragen. Die Verrrippungen bestehen aus der Rippe (10) und einem Rippenfuß (20). Dieser Rippenfuß (20) stellt eine Verbreiterung der Rippe auf ihrer Spitze dar, um einen größeren Querschnitt zur Aufnahme der Zugspannungen zu bieten. Dieser Rippenfuß kann möglicherweise nur im Feinguss-Verfahren umgesetzt werden. Im Sandgussverfahren wird möglicherweise die Rippe (10) ohne Fuß (20) zur Anwendung kommen. Der Rippenfuß besteht in einer Verbreiterung der Spitze des Rippenquerschnitts in der Ebene der Innenwand (25) der Seitenwand (4) des Batteriegehäuses, so dass der Fuß (20) und die Innenwand (25) der Seitenwand (4) eine zusammenhängende Fläche bilden. Diese Verbreiterung bzw. dieser Rippenfuß (20) wird mit einer so großen Wandstärke wie gusstechnisch möglich ausgeführt, um eine große Querschnittsfläche zu bieten und gleichzeitig so schmal wie möglich zu sein, denn er bildet in jedem Fall einen massiven Hinterschnitt mit erhöhten Anforderungen an Fertigungsverfahren. Alternativ könnten die vertikalen Rippen (10) der Seitenwände (4) auch vollständig entfallen, wenn die Zahl der vertikalen Wellen oder Trapeze entsprechend gesteigert würde, so dass wesentlich mehr Trapeze oder Rechteckwellen oder Wellen angewendet würden. Hierfür existiert keine Zeichnung.
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zeigt einen quer liegenden vertikalen Schnitt durch das Batteriegehäuse. In dieser Abbildung sind nun auch in Längsrichtung verlaufende Rippen (13,14) ungefähr auf der Hälfte der Höhe der Seitenwand (4) zu erkennen, die ebenfalls Rippenfüße (15,16) haben. Auch diese Rippenfüße können vermutlich eher im Feingussverfahren umgesetzt werden, wohingegen bei Fertigung im Sandgussverfahren diese Füße möglicherweise entfallen müssten. Für diese Rippenfüße gilt auch alles weitere für die vertikalen Rippenfüße (20) gesagte.
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Die in Längsrichtung verlaufenden Rippen (13,14) sind jeweils in den inneren Aushöhlungen (7) und den äußeren Aushöhlungen (6) der Seitenwand (4) so angebracht, dass sie auf einer gemeinsamen im Wesentlichen horizontalen Ebene verlaufen und das Wellenprofil in Längsrichtung bzw. um eine vertikale Biegeachse versteifen und festigen. Insbesondere in Verbindung mit Rippenfüßen (15,16) bilden Sie mit den Wänden des Trapezprofils der Seitenwand (4) einen robusten liegenden Doppel-T-Längsträger. Die Füße (15,16) bilden mit der Außenfläche (24) und der Innenfläche (25) der Seitenwand (4) einen glatten Abschluss bzw. jeweils eine gemeinsame Fläche
Denkbar ist es ferner, gleichartige Rippenpaare auf einer anderen Höhe oder mehrere Rippenpaare in den äußeren und inneren Aushöhlungen (6,7) auszubilden, um eine größere Festigkeit und Steifigkeit in Längsrichtung bzw. gegen Biegung um vertikale Biegeachsen zu erzielen. Die Längsrippen (13,14) sind optional und können auch gemeinsam mit den Rippenfüßen (15,16) entfallen.
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In ist ferner eine zusätzliche Bodenplatte (17) eingezeichnet. Es ist bei dem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse (3) sowohl möglich, überhaupt keine Bodenplatte (21) in das Gussteil selbst zu integrieren und die Bodenplatte (17) als Blechteil nachträglich zu verschrauben oder anderweitig zu verbinden, als auch eine dünne Bodenplatte (21) in das Gussteil integriert werden kann, welche durch eine am Gehäuse befestigte Blech-Bodenplatte (17) verstärkt wird. So ist es in den Zeichnungen dargestellt. Denkbar ist es auch, die Bodenplatte (21) ohne weitere Verstärkung im Gussteil auszubilden.
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Zu erkennen ist ferner der Deckel (18) des Batteriegehäuses (3). Die Deckelplatte wird in fast allen Fällen als separates Teil ausgeführt sein, weil es (3) erst nach Montage der Batteriezellen oder Batteriemodule in das Gehäuse (3) durch den Deckel (18) geschlossen werden kann. Auch der Deckel (18) wird bevorzugt mit dem Batteriegehäuse (3) verschraubt oder verschraubt und geklebt. Andere Verbindungsverfahren sind ebenso denkbar, wobei im Falle des Seitencrashs hohe Lasten von der Seitenwand (4) auf den Boden (17,21) und den Deckel (18) übertragen werden müssen.
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Die Abbildungen und zeigen eine Variante des Batteriegehäuses (3), bei der separate Boden (17) oder / und der Deckel (18) durch gemeinsame lange Schrauben mit dem Batteriegehäuse (3) verbunden werden.
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zeigt vergleichbar eine perspektivische Darstellung und zeigt vergleichbar einen horizontalen Schnitt durch das Batteriegehäuse (3).
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Diese Schrauben oder Zuganker (in der Zeichnung nicht dargestellt) werden durch vertikale Bohrungen (12) an oder nahe der Innenseite (25) der Seitenwände (4) gesteckt. Die Zuganker können durch Bohrungen in Deckel (18) und zusätzlicher Bodenplatte (17) gesteckt werden und mit zusätzlichen Muttern verschraubt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Deckel (18) oder die Bodenplatte (17) Gewindebohrungen oder Gewindeeinsätze beliebiger Art enthalten, mit welchem die Schrauben verschraubt werden, so dass separate Muttern entfallen können.
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Es ist auch möglich, dass die Zuganker lediglich eines der Gehäuseteile Deckel (18) oder zusätzlichen Boden (17) mit dem Batteriegehäuse (3) verbinden, wobei dann in die Bohrungen (12) entweder ein Gewinde geschnitten wird oder wobei am anderen Ende der Bohrungen (12) Raum für eine Mutter vorgesehen ist. Hierbei soll sich der Zuganker in jedem Fall über die volle Höhe der Seitenwand erstrecken, so dass das Gewinde oder die Mutter auf der gegenüberliegenden Seite des zu verschraubenden Gehäuseteils (17,18) angebracht werden soll. Im Falle des alleine zu verschraubenden Gehäusedeckels (18) ohne zu verschraubenden Gehäuseboden (17) wäre also das Gewinde oder die Mutter nahe des Gehäusebodens (17,21) anzubringen.
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An der Stelle der Bohrungen werden in dieser Variante Verdickungen oder Dome (11) in das Gussteil eingeformt, um genügend Material für die Bohrungen zur Verfügung zu stellen. Sofern eventuelle Dichtheitsprobleme anderweitig gelöst werden können, ist es auch denkbar, dass keine Dome (11) für die Zuganker eingeformt werden, sondern dass Aussparungen in der Kontur vorgesehen werden, so dass die Zuganker im Freien verlaufen, sei es auf der Außenseite (24) des Gehäuses, sei es auf der Innenseite (25) des Gehäuses Diese Variante mit frei verlaufenden Zugankern ist in keiner Zeichnung dargestellt. Die Dome (11) sind bevorzugt sowohl in den innenseitigen Ecken der Trapeze eingeformt, als auch an den Spitzen der vertikalen Rippen (10). Beliebige andere Orte sind für die Position der Dome (11) und der Bohrungen (12) ebenfalls denkbar.
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Die für Gussverfahren üblichen Materialien bzw. Metalle sind in aller Regel bei weitem nicht so duktil bzw. verformbar, wie dies bei Knetlegierungen oder bei gewalzten Produkten verschiedenster Metalle oder Materialien möglich ist. Daher besteht bei hohen Belastungen die Gefahr, dass das Material bricht und das Gehäuse kollabiert. Im Falle der Seitenwand (4) entstehen auf der Innenseite (25) der Seitenwand (4) bei Druckkräften auf die Verformungselemente (19) und auf die Auflageflächen (5) der Verformungselemente (19) Zugspannungen in vertikaler Richtung, während auf der Außenseite (24) der Seitenwand (4) Druckspannungen in vertikaler Richtung entstehen. Ein Totalversagen ist bei Druckkräften auf ein Metall eher selten, wohingegen bei Zugspannungen ein vollständiges Durchreißen möglich ist. Die durchgehenden vertikalen Zuganker hingegen können selbst bei hohen Materialfestigkeiten enorme Verformbarkeit aufweisen, wenn sie beispielsweise aus hochfestem Stahl gefertigt sind. Somit können diese Zuganker einerseits durch eine Vorspannung die Zugspannung auf der Innenseite der Seitenwand (4) reduzieren, um ein Reißen überhaupt zu verhindern. Sie können jedoch selbst im Falle des Einreißens der Seitenwand ein vollständiges Kollabieren des Gehäuses verhindern, in dem sie den Boden (17, 21) und den Deckel (18) und das dazwischen liegende Gussteil des Gehäuses (3) zusammen halten und ein unkontrolliertes Eindrücken der Seitenwand (4) verhindern.
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Die Methode, durch Zuganker die vertikalen Seitenwände (4,8,9) zu stabilisieren kann auch unabhängig von der gewellten Form der Seitenwand bei praktisch jeder beliebigen Ausführung der Seitenwände verwendet werden, beispielsweise also auch bei aus Stranggussprofilen ausgeführten Seitenwänden (4,8,9) oder bei einwandigen glatten Seitenwänden. Ihre Vorteile bieten die durchgehenden oder weitgehend über die Höhe durchgehenden Zuganker freilich insbesondere im Zusammenhang mit Guss-Legierungen oder anderen Materialien mit geringerer Reißdehnung bzw. Duktilität.
