DE102019005527A1

DE102019005527A1 - Bodenelement für eine Batterie eines Fahrzeugs und Verfahren zur Herstellung eines Bodenelements

Info

Publication number: DE102019005527A1
Application number: DE102019005527.6A
Authority: DE
Inventors: Clemens Balke; Frieder Franz; Robert Kuhn
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bodenelement (1) für eine Batterie eines Fahrzeugs mit einer plattenartigen Schicht (2), welche mehrere von einem Temperiermedium durchströmbare Medienkanäle (K1 bis Kn) umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die plattenartige Schicht (2) eine obere, zu einer Anordnung an einem Zellblock (3) der Batterie vorgesehene Deckplatte (2.1) und eine untere, dem Zellblock (3) abgewandte Trägerplatte (2.2), wobei die Deckplatte (2.1) und die Trägerplatte (2.2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sind, zwischen der Deckplatte (2.1) und der Trägerplatte (2.2) in einem Roll-Bond-Verfahren unter Ausbildung der Medienkanäle (K1 bis Kn) erzeugte Fügestellen (F1 bis Fm) ausgebildet sind, welche die Medienkanäle (K1 bis Kn) begrenzen, und die Fügestellen (F1 bis Fm) derart ausgebildet sind, dass diese in Abschnitten der Medienkanäle (K1 bis Kn) Drosselstellen (D1 bis Dx) zur Steuerung einer Durchflussmenge des Temperiermediums bilden.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bodenelements (1) für eine Batterie eines Fahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bodenelement für eine Batterie eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bodenelements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Aus der DE 10 2010 024 320 A1 ist eine Vorrichtung zum Halten einer Batterie in einer Tragstruktur einer Karosserie eines Fahrzeugs mit mindestens einer mehrschichtigen Halteeinrichtung bekannt, die an der Tragstruktur befestigbar ist. Die Halteeinrichtung ist zu einer Anordnung unterhalb der Batterie und als Sandwichbauteil mit einer plattenartigen Oberschicht, einer plattenartigen Unterschicht und einer zwischen der Oberschicht und der Unterschicht angeordneten Energieabsorptionsschicht ausgebildet. Die der Batterie zugewandte Oberschicht ist als Kühleinrichtung ausgebildet und weist einen Kühlkanal auf. Die Energieabsorptionsschicht ist aus einem Leichtmetallwerkstoff, einem Kunststoff oder Kunststoffverbund hergestellt. Als Werkstoff wird Aluminium, Kunststoffe oder ein Verbundwerkstoff, wie beispielsweise faserverstärkter Kunststoff oder kohlefaserverstärkter Verbundwerkstoff verwendet.
Weiterhin ist aus der DE 10 2016 103 411 A1 eine Batterieeinrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen und einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der Batteriemodule bekannt. Die Aufnahmeeinrichtung umfasst eine mehrschichtige und unterhalb der Batteriemodule angeordnete Verbundplatte, welche durch mehrere teilweise miteinander verbundene Schichtbauteile zur Verfügung gestellt wird. Die Verbundplatte ist zur Anbindung der Batteriemodule geeignet und ausgebildet und umfasst einen Strömungspfad für ein Kühlmedium einer Kühleinrichtung für die Batteriemodule. Weiterhin stellt die Verbundplatte eine Bodenschutzwand zum Schutz der Batteriemodule bei einem Überfahren von Hindernissen bereit. Die Verbundplatte umfasst ein Schichtbauteil aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise ein Metallblech aus einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, Kupfer, Titan, Stahl oder aus deren Legierungen. Ein Schichtbauteil aus metallischem Werkstoff ist an einer zu den Batteriemodulen hinweisenden Oberseite der Verbundplatte angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Bodenelement für eine Batterie eines Fahrzeugs und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bodenelements für eine Batterie eines Fahrzeugs anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Bodenelement, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, und mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Bodenelement für eine Batterie eines Fahrzeugs umfasst eine plattenartige Schicht, welche mehrere von einem Temperiermedium durchströmbare Medienkanäle umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die plattenartige Schicht eine obere, zu einer Anordnung an einem Zellblock der Batterie vorgesehene Deckplatte und eine untere, dem Zellblock abgewandte Trägerplatte. Die Deckplatte und die Trägerplatte sind aus Aluminium gebildet, wobei zwischen der Deckplatte und der Trägerplatte in einem Roll-Bond-Verfahren unter Ausbildung der Medienkanäle erzeugte Fügestellen ausgebildet sind, welche die Medienkanäle begrenzen. Die Fügestellen sind dabei derart ausgebildet, dass diese in Abschnitten der Medienkanäle Drosselstellen zur Steuerung einer Durchflussmenge des Temperiermediums bilden.
Mittels des Roll-Bond-Verfahrens ist die plattenartige Schicht in einfacher und wirtschaftlicher Weise herstellbar. Dabei ermöglicht das Roll-Bond-Verfahren eine Ausbildung der Deckplatte mit einer detaillierten Anpassung einer Form der Medienkanäle an eine Form von Einzelzellen des Zellblocks und weiterer Bestandteile, beispielsweise von Elektronikbauteilen, desselben, so dass Freiräume zwischen dem Zellblock und der Deckplatte minimiert sind. Hierdurch kann einerseits eine Höhe des Halteelements und somit der Batterie verringert werden, woraus eine Kosten-, Bauraum- und Gewichtseinsparung resultieren, und andererseits eine Menge von Wärmeleitpaste, welche zum Ausgleich von Maßtoleranzen zwischen dem Zellblock und der Deckplatte verwendet wird, signifikant reduziert werden. Insbesondere bei Zellblöcken, welche so genannte Pouchzellen umfassen, ist eine Einsparung an Wärmeleitpaste besonders groß. Hieraus ergibt sich neben einer Verbesserung eines Wärmeübergangs zwischen dem Zellblock und dem Bodenelement zusätzlich eine signifikante Kostenreduzierung aufgrund der geringeren erforderlichen Menge an Wärmeleitpaste.
Die Medienkanäle sind dabei mittels des Roll-Bond-Verfahrens in besonders vorteilhafter Weise im Unterschied zu Strangpressprofilen derart erzeugbar, dass innerhalb des Bodenelements auch eine Querströmung des Temperiermediums möglich ist. Somit können zusätzliche Kühlanschlüsse mit Querverteilungen entfallen, woraus sowohl eine Kosteneinsparung als auch eine signifikante Bauraumeinsparung resultiert.
Des Weiteren ermöglichen die mittels des Roll-Bond-Verfahrens eingebrachten Drosselstellen in den Medienkanälen eine Segmentierung derselben, um unterschiedliche Strömungsquerschnitte abzubilden, so dass ein technischer Druckabfall im Temperiersystem vermieden werden kann. Hierbei sind keine zusätzlichen Bauteile mit Drosselstellen erforderlich, welche bauraum- und kostenintensiv sind. Weiterhin ist eine Herstellung des Bodenelements vereinfacht und Herstellungskosten sind verringert.
In einer möglichen Ausgestaltung des Bodenelements ist dieses Bestandteil eines Batteriegehäuses und zum Einbau innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Bodenelements ist dieses ein mit einer tragenden Struktur des Fahrzeugs verbindbares Unterbodenelement, welches Abschnitte eines Fahrzeugunterbodens bildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Bodenelements für eine Batterie eines Fahrzeugs,
2 schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts eines Bodenelements für eine Batterie eines Fahrzeugs,
3 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines Bodenelements,
4 schematisch eine perspektivische Darstellung einer möglichen Durchflussgeometrie eines Bodenelements,
5 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Zellblocks einer Batterie und eines an diesem befestigten Bodenelements und
6 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines Zellblocks einer Batterie und eines an diesem befestigten Bodenelements.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Bodenelements 1 für eine nicht gezeigte elektrische Batterie eines Fahrzeugs dargestellt. 2 zeigt eine Draufsicht eines Ausschnitts des Bodenelements 1 und 3 einen Querschnitt eines Ausschnitts des Bodenelements 1 gemäß 1.
Das Bodenelement 1 ist dabei Bestandteil eines nicht näher dargestellten Batteriegehäuses und zum Einbau innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen und/oder ein mit einer tragenden Struktur des Fahrzeugs verbindbares Unterbodenelement, welches Abschnitte eines Fahrzeugunterbodens bildet.
Das Bodenelement 1 umfasst eine plattenartige Schicht 2 mit einer oberen, zu einer Anordnung an einem in 5 näher dargestellten Zellblock 3 der Batterie vorgesehene Deckplatte 2.1 und einer unteren, dem Zellblock 3 abgewandten Trägerplatte 2.2, zwischen welchen mehrere parallel verlaufende Medienkanäle K1 bis Kn zur Führung eines Temperiermediums ausgebildet sind. Die Deckplatte 2.1 ist an einer dem Zellblock 3 zugewandten Seite beispielsweise mit einer elektrisch isolierenden Folienbeschichtung, einem elektrisch isolierenden Lack oder elektrisch isolierenden Harteloxierung versehen.
Die plattenartige Schicht 2 umfasst weiterhin eine unterhalb der Trägerplatte 2.2 angeordnete plattenförmige Unterbodenverkleidung 2.3, welche den Abschnitt des Fahrzeugunterbodens bildet. Die Unterbodenverkleidung 2.3 ist aus Kunststoff und/oder Metall, beispielsweise Stahl, gebildet und weist eine hohe Resistenz gegenüber einer Intrusion von fahrzeugexternen Objekten auf und ermöglicht somit eine hohe mechanische Stabilität des Bodenelements 1.
Zwischen der Trägerplatte 2.2 und der Unterbodenverkleidung 2.3 ist eine Schaumschicht 2.4 angeordnet, welche beispielsweise aus einem Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung umfassenden Schaum oder einem anderen Hartschaum gebildet ist. Mittels der Schaumschicht 2.4 wird eine thermische Isolation des Bodenelements 1 und gleichzeitig eine hohe Steifigkeit erzielt. Dabei ist die Schaumschicht 2.4 ausgebildet, ein hohes Maß an mechanischer Energie durch plastische Verformung aufzunehmen, wodurch bei Intrusionen von fahrzeugexternen Objekten und Deformierungen bei einem Unfall des Fahrzeugs eine Dichtheit der Medienkanäle K1 bis Kn sehr lang sichergestellt werden kann und somit eine Sicherheit eines Betriebs des Fahrzeugs erhöht werden kann.
Die Deckplatte 2.1 und die Trägerplatte 2.2 sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet und werden in einem Roll-Bond-Verfahren miteinander gefügt. Hierbei werden zwei Bleche unter großen Druck durch Walzen aneinandergefügt. Die Aufbringung des Drucks erfolgt dabei in abgegrenzten Bereichen oder vor dem Walzen werden nicht zu verbindende Bereiche mit einem Trennmittel versehen, so dass diese sich beim Walzen nicht verbinden. Anschließend werden die von der Druckaufbringung ausgenommenen Bereiche und/oder mit dem Trennmittel versehenen Bereiche mit einem unter hohem Druck stehenden Medium, beispielsweise Luft, beaufschlagt, so dass sich die Deckplatte 2.1 verformt und sich zwischen der Deckplatte 2.1 und der Trägerplatte 2.2 Medienkanäle K1 bis Kn ausbilden, welche von in dem Walzvorgang erzeugten Fügestellen F1 bis Fm mediendicht begrenzt sind. Um eine Verformung der Deckplatte 2.1 zu ermöglichen, weist diese beispielsweise eine Dicke von 1 mm auf.
In dem Walzvorgang werden die Fügestellen F1 bis Fm in einem Einlassbereich der Medienkanäle K1 bis Kn derart ausgebildet, dass diese in den Medienkanälen K1 bis Kn Drosselstellen D1 bis Dx zur Steuerung einer Durchflussmenge eines innerhalb der Medienkanäle K1 bis Kn geführten Temperiermediums bilden. Ein freier Strömungsquerschnitt der Drosselstellen D1 bis Dx vergrößert sich dabei mit zunehmendem Abstand zu einem Einlass des Temperiermediums.
Hierbei zeichnet sich das Bodenelement 1 durch Kombination eines aus Deckplatte 2.1 und Trägerplatte 2.2 gebildeten Aluminium-Sandwichbauteils mit der Schaumschicht 2.4 und der Unterbodenverkleidung 2.3 durch ein sehr geringes Gewicht bei gleichzeitig sehr steifer, bauraumsparender und kostengünstiger Konstruktion mit einer integrierten Temperierung aus.
4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer möglichen Durchflussgeometrie eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Bodenelements 1, wobei in dieser Ausführung lediglich ein Medienkanal K1 zwischen Deckplatte 2.1 und Trägerplatte 2.2 ausgebildet ist.
In 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Zellblocks 3 einer Batterie und eines an diesem befestigten Bodenelements 1 gemäß 1 dargestellt. 6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des Zellblocks 3 und des an diesem befestigten Bodenelements 1 gemäß 5.
Das Bodenelement 1 ist dabei beispielsweise an den Zellblock 3 geschweißt und in ein Batteriegehäuse gesetzt, wobei das Bodenelement 1 hierbei einen strukturtragenden Kühler bildet, bei welchem weder die Schaumschicht 2.4 noch die Unterbodenverkleidung 2.3 erforderlich sind. Alternativ ist das Bodenelement 1 als Gesamtbatterieboden mit aufgepresstem Zellblock 3 ausgebildet.
Der Zellblock 3 umfasst eine Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen 3.1 bis 3.z, beispielsweise so genannten Pouchzellen, wobei zwischen den Einzelzellen 3.1 bis 3.z zu einer verbesserten Wärmeleitung jeweils eine Temperierplatte 4.1 bis 4.y angeordnet ist.
In dem Roll-Bond-Verfahren wird die Deckplatte 2.1 derart ausgebildet, dass deren Form mit der Form von Kontaktbereichen der Einzelzellen 3.1 bis 3.z und der Temperierplatten 4.1 bis 4.y korrespondiert, so dass Freiräume zwischen dem Zellblock 3 und der Deckplatte 2.1 minimiert und daraus folgend eine Wärmeübertragung maximiert werden können. Zum Ausgleich von Maßtoleranzen zwischen dem Zellblock 3 und der Deckplatte 2.1 ist eine Wärmeleitpaste W vorgesehen, deren Menge ebenfalls aufgrund der vorteilhaften Ausbildung der Deckplatte 2.1 ebenfalls minimiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Bodenelement
2: plattenartige Schicht
2.1: Deckplatte
2.2: Trägerplatte
2.3: Unterbodenverkleidung
2.4: Schaumschicht
3: Zellblock
3.1 bis 3.z: Einzelzelle
4.1 bis 4.y: Temperierplatte
D1 bis Dx: Drosselstelle
F1 bis Fm: Fügestelle
K1 bis Kn: Medienkanal
W: Wärmeleitpaste

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 102010024320 A1 [0003]
DE 102016103411 A1 [0004]

Claims

Bodenelement (1) für eine Batterie eines Fahrzeugs mit einer plattenartigen Schicht (2), welche mehrere von einem Temperiermedium durchströmbare Medienkanäle (K1 bis Kn) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartige Schicht (2) eine obere, zu einer Anordnung an einem Zellblock (3) der Batterie vorgesehene Deckplatte (2.1) und eine untere, dem Zellblock (3) abgewandte Trägerplatte (2.2) umfasst, wobei - die Deckplatte (2.1) und die Trägerplatte (2.2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sind, - zwischen der Deckplatte (2.1) und der Trägerplatte (2.2) in einem Roll-Bond-Verfahren unter Ausbildung der Medienkanäle (K1 bis Kn) erzeugte Fügestellen (F1 bis Fm) ausgebildet sind, welche die Medienkanäle (K1 bis Kn) begrenzen, und - die Fügestellen (F1 bis Fm) derart ausgebildet sind, dass diese in Abschnitten der Medienkanäle (K1 bis Kn) Drosselstellen (D1 bis Dx) zur Steuerung einer Durchflussmenge des Temperiermediums bilden.
Bodenelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstellen (D1 bis Dx) in einem Einlassbereich der Medienkanäle (K1 bis Kn) ausgebildet sind.
Bodenelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartige Schicht (2) eine unterhalb der Trägerplatte (2.2) angeordnete plattenförmige Unterbodenverkleidung (2.3) umfasst.
Bodenelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trägerplatte (2.2) und der Unterbodenverkleidung (2.3) eine Schaumschicht (2.4) angeordnet ist.
Bodenelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumschicht (2.4) aus einem Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung umfassenden Schaum gebildet ist.
Bodenelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbodenverkleidung (2.3) aus Kunststoff und/oder Metall gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bodenelements (1) für eine Batterie eines Fahrzeugs mit einer plattenartigen Schicht (2), welche mehrere von einem Temperiermedium durchströmbare Medienkanäle (K1 bis Kn) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der plattenartigen Schicht (2) - eine obere, zu einer Anordnung an einem Zellblock (3) der Batterie vorgesehene und aus Aluminium gebildete Deckplatte (2.1) und eine untere, dem Zellblock (3) abgewandte und aus Aluminium gebildete Trägerplatte (2.2) in einem Roll-Bond-Verfahren unter Ausbildung der Medienkanäle (K1 bis Kn) miteinander gefügt werden, wobei erzeugte Fügestellen (F1 bis Fm) die Medienkanäle (K1 bis Kn) begrenzen, und - die Fügestellen (F1 bis Fm) derart ausgebildet werden, dass diese in Abschnitten der Medienkanäle (K1 bis Kn) Drosselstellen (D1 bis Dx) zur Steuerung einer Durchflussmenge des Temperiermediums bilden.