DE102019006234A1

DE102019006234A1 - Gehäuse zur Aufnahme eines Akkupacks sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gehäuses

Info

Publication number: DE102019006234A1
Application number: DE102019006234.5A
Authority: DE
Inventors: Georg Siewert; Alexander Heitbrink
Original assignee: ERWIN QUARDER SYSTEMTECHNIK GmbH
Current assignee: ERWIN QUARDER SYSTEMTECHNIK GmbH
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2021-03-04
Also published as: US20210066686A1; US11539093B2; JP2021039945A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse zur Aufnahme eines Akkupacks (11) mit mehreren Akkuzellen, insbesondere prismatischen Akkuzellen oder Pouch-Akkuzellen, mit einer umlaufenden, vorzugsweise spritzgegossenen, einen Aufnahmeraum für das Akkupack (11) seitlich umgebenden Gehäusewand (12) aus Kunststoff, in die als Verstärkungstruktur (mindestens) ein aus einem Endlosfaserstrang gewickelter Wicklungskörper (19) integriert ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gehäuses.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse zur Aufnahme eines Akkupacks mit mehreren, insbesondere quaderförmigen Zellen und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gehäuses. Weiter betrifft die Erfindung eine Anordnung aus einem solchen Gehäuse und einem darin enthaltenen Akkupack sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung.
Akkupacks mit hoher Leistung, wie sie beispielsweise im Automobil- bzw. Elektrofahr- oder Flugzeugbereich eingesetzt werden, dehnen sich bei Lade- und Entladevorgängen nennenswert aus. Dies ist auf Ausdehnvorgänge der einzelnen darin verbauten Akkuzellen zurückzuführen, auch als Swelling bezeichnet. Dieses Verhalten nimmt mit zunehmendem Alter der Zellen zu. Auf die Wandabschnitte des jeweiligen Gehäuses, in dem eine solcher Akkupack in der Regel zum Schutz gegen äußere Einflüsse angeordnet ist, wirken während des Swellings große Kräfte. Um diesen Kräften zu widerstehen, werden bei derartigen Akkupacks Stahlbleche oder Druckgussteile eingesetzt. Allerdings ist Stahl bzw. Metall als Rohstoff vergleichsweise teuer und weist zudem ein vergleichsweise großes Gewicht auf. Weiter ist die notwendige Formgebung im Rahmen der Herstellung kostenintensiv.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse und eine Anordnung der eingangs genannten Art sowie die entsprechenden Verfahren zur Herstellung solcher Gehäuse und Anordnungen weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 16, sowie durch Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 22 bzw. 24.
Erfindungsgemäß wird demnach zum einen ein Gehäuse angegeben zur Aufnahme eines Akkupacks, bevorzugt für Elektrofahr- oder Elektroflugzeuge, mit mehreren Akkuzellen, mit einer umlaufenden, vorzugsweise spritzgegossenen, einen insbesondere im Wesentlichen quaderförmigen Aufnahmeraum für das Akkupack seitlich umgebenden Gehäusewand aus Kunststoff, in die als Verstärkungsstruktur (mindestens) ein aus einem Endlosfaserstrang gewickelter Wicklungskörper integriert ist.
Bei den Akkuzellen des Akkupacks kann es sich unter anderem um sogenannte prismatische Akkuzellen handeln mit im Wesentlichen quaderförmiger Gestalt, die in der Regel jeweils ein formstabiles bzw. massives Metallgehäuse aufweisen. Denkbar ist aber auch der Einsatz von anderen Akkuzellen, wie etwa von Pouch-Akkuzellen, bei denen eine flexible Folie, etwa auf Aluminiumbasis, als Gehäuse bzw. als Umhüllung dient.
Erfindungsgemäß wird demnach erstmalig ein Gehäuse für großformatige Akkupacks bzw. Akkupacks hoher Leistung angegeben, bei dem zum Verhindern oder Begrenzen des Swellings des Akkupacks auf aus Stahl oder aus anderen Metallen bestehende Gehäuseteile verzichtet werden kann. Vielmehr kann das Gehäuse - gegebenenfalls bis auf den Wicklungskörper, sollte dieser nicht aus Kunststoff bzw. Kunststofffasern gefertigt sein - vollständig aus Kunststoff(en) hergestellt werden. Hieraus leiten sich erfindungsgemäß entsprechende Vorteile ab, wie etwa niedriges Gewicht und kostengünstige Material- und Verarbeitungskosten im Rahmen der Herstellung des Gehäuses.
Vorzugsweise kann dabei der in die Gehäusewand integrierte Wicklungskörper ein an die Form der umlaufenden Gehäusewand angepasster (Wicklungs-)Hohlkörper sein mit in der umlaufenden Gehäusewand in Umlaufrichtung umlaufenden einzelnen Windungen.
Was den Aufnahmeraum betrifft, so kann er nach unten hin durch eine als Standfläche für ein Akkupack dienende Bodenfläche begrenzt sein.
Dabei können die Windungen des Wicklungskörpers in der Gehäusewand vorzugsweise jeweils parallel oder im Wesentlichen parallel zu dieser Bodenseite umlaufen.
Die Bodenfläche wiederum kann senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der umlaufenden Gehäusewand verlaufen.
Der Wicklungskörper kann erfindungsgemäß bevorzugt unter Bildung der Gehäusewand mit dem Kunststoff der Gehäusewand insbesondere allseitig überspritzt oder umspritzt sein.
Weiter vorzugsweise kann das Gehäuse eine mit der umlaufenden Gehäusewand insbesondere einstückig verbundene, vorzugsweise spritzgegossene Bodenwand aufweisen, die vorzugsweise auch als Standfläche des Gehäuses dienen kann.
In das Gehäuse, vorzugsweise in einen/den Boden bzw. in den Bodenbereich des Gehäuses, kann ein Kühlbauteil zum Abführen von Wärme eines in dem Aufnahmeraum befindlichen Akkupacks integriert sein, durch das Kühlmittel leitbar ist.
Dabei kann das Kühlbauteil einen Grundkörper aus Kunststoff aufweisen sowie einen mit diesem flüssigkeitsdicht verbundenen, insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörper aus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes des Grundkörpers, insbesondere aus einem Kunststoff höherer Wärmleitfähigkeit oder aus Metall, wobei der Wärmeleitkörper über eine an einen Kühlflüssigkeitsraum des Kühlbauteils angrenzende Innenseite zur Übertragung von Wärme von dem Wärmeleitkörper an in dem Kühlflüssigkeitsraum befindliche Kühlflüssigkeit verfügt sowie über eine Außenseite zur Übertragung von Wärme eines/des Akkupacks an den Wärmeleitkörper, insbesondere eine Außenseite, die zu dem Aufnahmeraum für den Akkupack zeigt oder an diesen angrenzt.
Dabei kann die oben erwähnte optionale, den Aufnahmeraum begrenzende Bodenfläche, die als Standfläche für einen/den Akkupack dienen kann, durch die Außenseite des insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörpers des Kühlbauteils gebildet sein.
Weiter können ein oder mehrere Wandungen des Kühlbauteils, insbesondere des Grundkörpers des Kühlbauteils, insbesondere einstückig mit der umlaufenden Gehäusewand und/oder der Bodenwand des Gehäuses verbunden sein.
Was den Grundkörper des Kühlbauteils betrifft, so kann er den Kühlflüssigkeitsraum begrenzende Wände aufweisen, von denen zumindest eine mit dem Wärmeleitkörper in einem Verbindungsbereich flüssigkeitsdicht verbunden ist, insbesondere derart, dass durch den Verbindungsbereich hindurch aus dem Kühlflüssigkeitsraum keine Kühlflüssigkeit nach außen dringen kann.
Das Gehäuse, bevorzugt das Kühlbauteil, insbesondere der Grundkörper, kann weiter einen Einlass und einen Auslass aufweisen, durch den Kühlflüssigkeit dem Kühlbauteil zugeführt werden kann bzw. aus diesem abgeleitet werden kann, wobei der Einlass und der Auslass flüssigkeitsleitend mit dem Kühlflüssigkeitsraum verbunden sind.
Der Grundkörper kann vorzugsweise ein Spritzgussteil aus insbesondere faserverstärktem Kunststoff sein, bevorzugt aus Thermoplast.
Weiter kann er eine Bodenwandung mit insbesondere aufrechter, ringsherum laufender, vorzugsweise einstückig mit der Bodenwand verbundener, den Kühlflüssigkeitsraum nach außen hin umgebender Seitenwand aufweisen, deren Oberseite mit dem insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörper flüssigkeitsdicht verbunden ist, sodass dessen Innenseite zur Bodenwand zeigt und dessen Außenseite dem Aufnahmeraum für den Akkupack zugewandt ist.
Der Grundkörper kann in dem von der Seitenwand umgrenzten Raum des Grundkörpers mindestens eine, vorzugsweise einstückig mit der Bodenwand und der Seitenwand verbundene, sich zwischen Bodenwand und Wärmeleitkörper erstreckende, insbesondere aufrechte Grundkörperwand aufweisen, deren Oberseite ebenfalls mit dem Wärmeleitkörper flüssigkeitsdicht verbunden ist.
Der Grundkörper und der Wärmeleitkörper können dabei durch eine form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sein.
Was die oben genannte Integration des Kühlbauteils in das Gehäuse betrifft, insbesondere in den Bodenbereich des Gehäuses, so kann vorgesehen sein, dass das Kühlbauteil in einem/dem von der Gehäusebodenwand und der umlaufenden Gehäusewand begrenzten bzw. umgrenzten Gehäuseinnenraum sitzt.
Die Bodenwand des Grundkörpers kann dabei insbesondere unter Anlage an diese oberhalb der Bodenwand des Gehäuses angeordnet sein bzw. auf der zum Gehäuseinneren zeigenden Seite der Bodenwand des Gehäuses.
Vorzugsweise kann die Bodenwand des Grundkörpers des Kühlbauteils unmittelbar an die Bodenwand des Gehäuses angrenzen bzw. an dieser anliegen.
Die Bodenwand des Grundkörpers kann mit der Bodenwand des Gehäuses form- und/oder stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden sein.
Was den Endlosfaserstrang betrifft, aus dem der Wickelkörper hergestellt ist, so kann dieser aus Aramid- und/oder Carbon- und/oder Glasfasern bestehen oder diese umfassen, die eingebettet sind in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff- oder Polymerwerkstoff.
Zur Herstellung eines solchen, oben spezifizierten Gehäuses werden erfindungsgemäß mindestens folgende Maßnahmen bzw. Schritte umgesetzt:

a) Wickeln eines Wicklungshohlkörpers für die nachfolgende Herstellung einer bzw. der umlaufenden Gehäusewand, die einen/den Aufnahmeraum für einen Akkupack seitlich umgeben kann, aus einem Endlosfaserstrang, insbesondere aus Aramid- und/oder Carbon- und/oder Glasfasern eingebettet in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff- oder Polymerwerkstoff,
b) Herstellen einer bzw. der umlaufenden Gehäusewand, die einen Akkupack seitlich umgeben kann, durch insbesondere allseitiges Um- oder Überspritzen des Wicklungshohlkörpers mit Kunststoff in einer Spritzgussvorrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieses Verfahrens können folgende weiteren Maßnahmen umgesetzt werden:

a) Herstellen, insbesondere Spritzgießen, eines Grundkörpers eines Kühlbauteils zum Abführen von Wärme eines in dem Gehäuse befindlichen Akkupacks, aus einem insbesondere faserverstärktem Kunststoff mit Wänden zur Bildung eines Kühlflüssigkeitsraums sowie mindestens einer Verbindungsfläche zur Verbindung mit einem insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörper,
b) Bereitstellen eines insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörpers mit mindestens einer Verbindungsfläche, die zur Verbindung mit der Verbindungsfläche des Grundkörpers vorgesehen ist,
c) Fügen des Wärmeleitkörpers und des Grundkörpers zu dem Kühlbauteil, indem die Verbindungsflächen aneinander anliegend flüssigkeitsdicht form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden,
d) Herstellen der umlaufenden Gehäusewand sowie Herstellen einer insbesondere einstückigen Verbindung der umlaufenden Gehäusewand mit dem Kühlbauteil in einer Spritzgussvorrichtung durch Über- oder Umspritzen des Kühlbauteils und des Wicklungshohlkörpers.

Vorzugsweise kann gleichzeitig mit der umlaufenden Gehäusewand bzw. in demselben Spritzgussprozess auch eine oder die oben erwähnte Bodenwand des Gehäuses in der Spritzgussvorrichtung spritzgegossen werden.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren eine Anordnung angegeben aus einem solchen, vorstehend definierten Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche und einem darin, nämlich in dem Aufnahmeraum desselben enthaltenen Akkupack mit einer Gruppe von in einer Reihe jeweils aneinander angrenzenden, nebeneinander angeordneten Akkuzellen, insbesondere prismatischen Akkuzellen oder Pouch-Akkuzellen.
Die Anordnung kann bevorzugt mindestens zwei, insbesondere aus Kunststoff gefertigte, separate Distanzstücke umfassen, wobei das erste Distanzstück zwischen einem ersten Gehäusewandabschnitt der umlaufenden Gehäusewand und einer an einem ersten Ende des Akkupacks angeordneten ersten Seite des Akkupacks angeordnet ist und das zweite Distanzstück zwischen einem zweiten Gehäusewandabschnitt, der dem ersten Gehäusewandabschnitt gegenüberliegt, und einer zweiten Akkupackseite, die an einem anderen, zweiten, dem ersten Ende entgegengesetzten Ende des Akkupacks angeordnet ist.
Jedes der Distanzstücke kann bevorzugt unter Vorspannung zwischen dem ihm zugeordneten Gehäusewandabschnitt und der ihm zugeordneten Akkupackseite angeordnet sein, sodass über jedes Distanzstück in Richtung des jeweils anderen Akkupackendes wirkende Kräfte auf die jeweilige Seite des Akkupacks aufgebracht werden, um ein Swelling des Akkupacks zu verhindern oder zu reduzieren.
Dabei kann jedes Distanzstück direkt an dem zugeordneten Gehäusewandabschnitt und/oder an der zugeordneten Akkupackseite anliegen.
Vorzugsweise kann jedes Distanzstück an die Form des zugeordneten Gehäusewandabschnitts und/oder der zugeordneten Akkupackseite angepasst sein.
Was die Enden des Akkupacks betrifft, die den Distanzstücken zugeordnet sind, so können diese jeweils (ausschließlich) durch die erste bzw. die letzte Akkuzelle in der Reihe der nebeneinander angeordneten Akkuzellen gebildet werden.
Zur Herstellung einer solchen, oben spezifizierten Anordnung werden erfindungsgemäß mindestens folgende Maßnahmen bzw. Schritte umgesetzt:

a) Wickeln eines Wicklungshohlkörpers aus einem Endlosfaserstrang, insbesondere aus Aramid- und/oder Carbon- und/oder Glasfasern eingebettet in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff- oder Polymerwerkstoff, als Verstärkungsstruktur für die nachfolgende Herstellung einer umlaufenden, einen Aufnahmeraum für einen Akkupack seitlich umgebenden Gehäusewand,
b) Unter Bildung des Aufnahmeraums Herstellen der den Aufnahmeraum für einen Akkupack seitlich umgebenden, umlaufenden Gehäusewand durch Einlegen des Wicklungshohlkörpers in eine Spritzgussvorrichtung sowie anschließendes, insbesondere allseitiges Um- oder Überspritzen des Wicklungshohlkörpers mit Kunststoff,
c) Einbringen eines Akkupacks in den von der Gehäusewand seitlich umschlossenen Aufnahmeraum.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieses Herstellverfahrens kann der Akkupack zusammen mit zwei insbesondere aus Kunststoff gefertigten, separaten Distanzstücken in den Aufnahmeraum eingebracht werden, sodass anschließend das erste Distanzstück zwischen einem ersten Gehäusewandabschnitt der Gehäusewand und einer an einem ersten Ende des Akkupacks angeordneten ersten Seite des Akkupacks angeordnet ist und das zweite Distanzstück zwischen einem zweiten Gehäusewandabschnitt der Gehäusewand, der dem ersten Gehäusewandabschnitt gegenüberliegt, und einer zweiten Akkupackseite, die an einem anderen, zweiten, dem ersten Ende entgegengesetzten Ende des Akkupacks angeordnet ist.
Jedes der Distanzstücke kann unter Vorspannung zwischen dem ihm zugeordneten Gehäusewandabschnitt und der ihm zugeordneten Akkupackseite angeordnet werden, sodass über jedes Distanzstück in Richtung des jeweils anderen Akkupackendes wirkende Kräfte auf die jeweilige Seite des Akkupacks aufgebracht werden, um ein Swelling des Akkupacks zu verhindern oder zu reduzieren.
Der Akkupack kann dabei zusammen mit den beiden Distanzstücken, die dabei unter Vorspannung an die genannten Seiten des Akkupacks gedrückt werden, in den Aufnahmeraum eingebracht werden.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:

1 einen Wicklungskörper für ein erfindungsgemäßes Gehäuse in Schrägansicht,
2 ein Gehäuse mit spritzgegossener, umlaufender Gehäusewand mit darin integriertem Wicklungskörper gemäß 1, ebenfalls in Schrägansicht,
3 das Gehäuse aus 2 mit jeweils einem Distanzstück an zwei gegenüberliegenden Gehäusestirnseiten, ebenfalls in Schrägansicht,
4 das Gehäuse aus 3, teilweise geschnitten,
5 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I in 4,
6 das Gehäuse aus 3 mit einem darin angeordneten Akkupack,
7 einen (Längs-)Schnitt durch das Gehäuse mit Akkupack gemäß 6,
8 die beiden Distanzstücke aus 3 in Alleinstellung, in Schrägansicht,
9 ein Gehäuse ähnlich zu dem in 2, allerdings zusammen mit einem Kühlbauteil, das in das Gehäuse integriert ist, als Explosionsdarstellung,
10 das Gehäuse aus 9 im Querschnitt mit in dem Bodenbereich des Gehäuses integriertem Kühlbauteil.

In den 6 und 7 ist eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem erfindungsgemäßen Gehäuse 10 und einem darin angeordneten, vorliegend quaderförmigen Akkupack 11 gezeigt.
Das Gehäuse 10 verfügt über einen Aufnahmeraum 14 für den Akkupack 11, der seitlich begrenzt wird durch eine diesen umgebende, aufrechte, umlaufende Gehäusewand 12 sowie nach unten hin durch eine sich in einer Ebene senkrecht zu der umlaufenden Gehäusewand 12 erstreckende Bodenwand 13 mit einer Bodenfläche 13a, die in diesem Fall als Standfläche für den Akkupack 11 dient. Die umlaufende Gehäusewand 12 bildet zusammen mit der Bodenwand 13 im vorliegenden Fall ein wannenartiges Bauteil.
Der Akkupack 11 besteht aus nebeneinander angeordneten, im vorliegenden Fall prismatischen bzw. quaderförmigen einzelnen Akkuzellen 15. Die Akkuzellen 15 sind dabei in einer Reihe nebeneinander angeordnet, wobei jeweils unmittelbar benachbarte Akkuzellen 15 aneinander angrenzen und sich berühren. Eine erste Stirnseite 20a des Akkupacks 11 an einem ersten Ende desselben wird von einer in der Reihe ersten Akkuzelle 15a gebildet, eine zweite Stirnseite 20b des Akkupacks 11 an einem entgegengesetzten Ende durch eine in der Reihe letzte Akkuzelle 15b.
Vorliegend sind die Akkuzellen 15 in der Reihe so orientiert, dass jeweils die großflächigen Seitenflächen der Akkuzellen 15 benachbarter Akkuzellen 15 aneinander anliegen.
Wie üblich sind die einzelnen Akkuzellen 15 zur Bildung des Akkupacks 11 elektrisch miteinander verbunden.
Die Akkuzellen 15 dehnen sich im Betrieb jeweils aus, und zwar vorliegend jeweils senkrecht zu ihren großflächigen Seitenflächen. Dieses sogenannte Swelling der einzelnen Akkuzellen 15 würde ohne Gegenmaßnahmen im Ergebnis zu einem entsprechenden räumlichen Ausdehnen des gesamten Akkupacks 11 senkrecht zu den jeweiligen Stirnseiten 20a und 20b führen sowie zu einer Reduktion der Lebensdauer des Akkupacks 11.
Um das Swelling zu verhindern bzw. zu begrenzen, ist der Akkupack 11 unter Vorspannung in dem Gehäuse 10 angeordnet. Im vorliegenden Fall ist dies so realisiert, dass zwischen von der umlaufenden Gehäusewand 12 gebildeten, mit Abstand zueinander angeordneten bzw. an entgegengesetzten Gehäuse- oder Aufnahmeraumenden angeordneten Gehäusestirnwänden 16a, 16b des Gehäuses 10 und den zugeordneten bzw. gegenüberliegenden Akkupackstirnseiten 20a, 20b jeweils ein Distanzstück 18a bzw. 18b mit Übermaß bzw. unter Vorspannung angeordnet ist.
Die von dem Akkupack 11 bzw. von den Stirnseiten 20a und 20b während des Swellingvorgangs ausgehenden Kräfte werden entsprechend - über die Distanzstücke 18a, 18b - auf die jeweilige gegenüberliegende Gehäusestirnwand 16a bzw. 16b übertragen.
Die umlaufende Gehäusewand 12 bzw. die Gehäusestirnwände 16a, 16b, insbesondere deren Form und deren Abstände voneinander, sowie die Form der Distanzstücke 18a, 18b, sind zu diesem Zweck sowie zur möglichst gleichmäßigen Übertragung der entsprechenden Kräfte auf die Gehäusestirnwände 16a, 16b geeignet auf den Akkkupack 11 bzw. dessen Stirnseiten 20a, 20b abgestimmt, insbesondere auf deren Form und deren Abstände voneinander.
Vorliegend sind die Distanzstücke 18a, 18b keilförmig (konisch) ausgebildet. Auf der jeweiligen, zu der jeweiligen Gehäusestirnwand 16a, 16b zeigenden Seite sind sie vorliegend mindestens überwiegend gekrümmt ausgebildet, und zwar in gleicher Weise gekrümmt wie die zum Aufnahmeraum 14 zeigenden Innenseiten der Gehäusestirnwände 16a, 16b, an denen die Distanzstücke 18a, 18b jeweils anliegen.
Was die umlaufende Gehäusewand 12 sowie die Bodenwand 13 des Gehäuses 10 betrifft, so sind diese vorliegend mittels Spritzgussverfahren aus Kunststoff hergestellt.
Besonders wichtig ist nun, dass die umlaufende Gehäusewand 12 zusätzlich durch eine Verstärkungsstruktur aus einem Endlosfaserstrang verstärkt ist, nämlich durch einen als Hohlkörper ausgebildeten Wicklungskörper 19, der übereinander bzw. in der Richtung senkrecht zur Bodenfläche 13a jeweils umlaufend einzelne (nicht dargestellte) Windungen des Endlosfaserstrangs aufweist.
Die äußere Form des Wicklungskörpers 19 ist dabei insoweit an die Form der umlaufenden Gehäusewand 12 angepasst, dass die (geschlossenen) Windungen jeweils einmal vollständig in der umlaufenden Gehäusewand umlaufen.
Vorliegend wird hierfür der gewickelte Wicklungskörper 19 im Rahmen der Herstellung der Gehäusewand 12 als Einlegeteil in eine Spritzgussvorrichtung gelegt und anschließend mit Spritzgusskunststoff um- oder überspritzt.
Bevorzugt wird er (allseitig) umspritzt, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
In dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel bildet der Wicklungskörper 19 beispielsweise die in den Aufnahmeraum 14 zeigende Innenseite der umlaufenden Gehäusewand 12. Er kann aber auch vollständig in die umlaufende Gehäusewand integriert sein, sodass er allseitig von dem Spritzgusskunststoff umgeben ist.
Ein solcher Wicklungskörper 19 kann unter anderem mit einem Roboter hergestellt werden, der einen Endlosfaserstrang aus einem geeigneten, beispielsweise zeitweise biegsamen, aushärtbaren Material um einen Wicklungskern wickelt und anschließend von dem Wicklungskern nimmt.
Bevorzugt besteht der Endlosfaserstrang aus Endlosglasfasern, die in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff- oder Polymerwerkstoff eingebettet sind. Der Strang kann beispielsweise Glasfasern und/oder Aramid- und/oder Carbonfasern umfassen.
In einem konkreten Beispiel für einen geeigneten Endlosfaserstrang kann dieser beispielsweise Glasfasern umfassen, eingebettet in eine PP-Matrix mit einem Volumenanteil der Fasern zwischen 30% und 38%, bevorzugt 34%.
Fertigungstechnisch wird nach Herstellung der umlaufenden Gehäusewand 12 mit dem darin integriertem Wicklungskörper 19 sowie nach Herstellung - ggf. in demselben Spritzgussverfahren - der die Bodenfläche 13 aufweisenden Gehäusewand des Akkupacks 11 zusammen mit den Distanzstücken 18a, 18b unter Aufbringen von den Akkupack 11 zusammendrückenden Kräften in den Aufnahmeraum 14 des Gehäuses 10 eingebracht.
Wie eingangs näher beschrieben kann das Gehäuse 10 zudem ein in den Fig . 1 - 7 nicht dargestelltes Kühlbauteil aufweisen, durch das Kühlflüssigkeit leitbar ist, die zur Kühlung der Akkuzellen 15 des Akkupacks 11 beiträgt.
In den 8 und 9 ist ein Gehäuse 10' mit einem solchen Kühlbauteil 21 dargestellt, wobei das Gehäuse 10' in weiten Teilen mit dem Gehäuse 10 übereinstimmt. Im Folgenden wird auf die Unterschiede zu dem Gehäuse 10 eingegangen.
Das Kühlbauteil 21 verfügt über einen spritzgegossenen, wannenartigen Grundkörper 22 aus Kunststoff mit Bodenwand 22a und vorliegend einstückig mit dieser verbundenen, umlaufenden (aufrechten) Seitenwand 22b.
Weiter verfügt das Kühlbauteil 21 über einen mit dem Grundkörper 22 verbundenen, insbesondere plattenförmigen Wärmleitkörper 23, vorliegend aus Aluminium. Der plattenartige Wärmeleitkörper könnte aber auch aus einem anderen Metall oder aus einem besonders wärmeleitfähigen Kunststoff bestehen.
Der Grundkörper 22 und der Wärmeleitkörper 23 bilden zusammen einen Kühlflüssigkeitsraum (bzw. schließen ihn ein), durch den Kühlflüssigkeit geleitet wird.
Der Kühlflüssigkeitsraum wird vorliegend durch einzelne Kühlflüssigkeitskanäle 24 gebildet, die seitlich von aufrechten, von dem Grundkörper gebildeten Kanalwandungen 22c begrenzt werden, nach unten hin von der Bodenwand 22a des Grundkörpers 22 und nach oben hin von dem Wärmeleitkörper 23.
Über einen Einlass 25 und einen Auslass 26 kann dem Kühlbauteil 21 Kühlflüssigkeit zugeführt werden bzw. Kühlflüssigkeit aus diesem herausgeführt werden.
Das Kühlbauteil 21 ist in den Bodenbereich des Gehäuses 10' integriert. Zu diesem Zweck ist das Kühlbauteil 21 vorliegend innseitig - insbesondere, aber nicht zwingend unter Anlage an diese - oberhalb der Bodenwand 13 des Gehäuses 10' angeordnet.
Konkret sitzt die Bodenwand 22a des Grundkörpers 22 auf der Bodenfläche 13a der Bodenwand 13.
Der Wärmeleitkörper 23, nämlich dessen Außenseite, bildet die den Aufnahmeraum 14 begrenzende Standfläche für einen/den Akkupack 11, während dessen Innenseite an den Kühlflüssigkeitsraum des Kühlbauteils 21 angrenzt.
Entsprechend wird Abwärme des Akkupacks 11 über den Wärmeleitkörper 23 unmittelbar an die in dem Kühlflüssigkeitsraum des Kühlbauteils 21 befindliche Kühlflüssigkeit übertragen.
Es versteht sich, dass verschiedene andere Ausbildungen eines erfindungsgemäßen Gehäuses und eines darin integrierten Wicklungskörpers als Verstärkungsstruktur möglich sind, ohne den erfindungsgemäßen Grundgedanken zu verlassen. So ist zumindest theoretisch auch denkbar, ein oder mehrere Wicklungskörper nur in diejenigen Gehäusewandabschnitten der umlaufenden Gehäusewand einzubringen, die tatsächlich den Swellingbelastungen ausgesetzt sind.
Bezugszeichenliste

10: Gehäuse
10': Gehäuse
11: Akkupack
12: umlaufende Gehäusewand
13: Bodenwand
13a: Bodenfläche
14: Aufnahmeraum
15: Akkuzelle
15a: erste Akkuzelle
15b: letzte Akkuzelle
16a: Gehäusestirnwand
16b: Gehäusestirnwand
18a: Distanzstück
18b: Distanzstück
19: Wicklungskörper
20a: Stirnseite Akkupack
20b: Stirnseite Akkupack
21: Kühlbauteil
22: Grundkörper
22a: Bodenwand Grundkörper
22b: Seitenwand Grundkörper
22c: aufrechte Kanalwandungen Grundkörper
23: Wärmeleitkörper
24: Kühlflüssigkeitskanäle
25: Einlass
26: Auslass

Claims

Gehäuse zur Aufnahme eines Akkupacks (11) mit mehreren Akkuzellen, insbesondere prismatischen Akkuzellen oder Pouch-Akkuzellen, mit einer umlaufenden, vorzugsweise spritzgegossenen, einen Aufnahmeraum für das Akkupack (11) seitlich umgebenden Gehäusewand (12) aus Kunststoff, in die als Verstärkungstruktur (mindestens) ein aus einem Endlosfaserstrang gewickelter Wicklungskörper (19) integriert ist.
Gehäuse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in die umlaufende Gehäusewand (12) integrierte Wicklungskörper (19) ein mindestens abschnittsweise an die Form der umlaufenden Gehäusewand (12) angepasster Hohlkörper ist mit in der umlaufenden Gehäusewand (12) umlaufenden Windungen.
Gehäuse gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum nach unten hin durch eine als Standfläche für ein Akkupack (11) dienende Bodenfläche (13) begrenzt ist, insbesondere eine Bodenfläche (13), die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der umlaufenden Gehäusewand (12) verläuft, und dass die Windungen des Wicklungskörpers (19) in der Gehäusewand (12) jeweils parallel oder im Wesentlichen parallel zu dieser Bodenfläche (13) umlaufen.
Gehäuse gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungskörper (19) unter Bildung der umlaufenden Gehäusewand (12) mit dem Kunststoff der umlaufenden Gehäusewand (12) insbesondere allseitig überspritzt oder umspritzt ist.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine mit der umlaufenden Gehäusewand (12) insbesondere einstückig verbundene, vorzugsweise spritzgegossene Bodenwand aufweist.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse, vorzugsweise in den Bodenbereich des Gehäuses, ein Kühlbauteil zum Abführen von Wärme eines in dem Aufnahmeraum befindlichen Akkupacks (11) integriert ist, durch das Kühlmittel leitbar ist.
Gehäuse gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlbauteil einen Grundkörper aus Kunststoff aufweist sowie einen mit diesem flüssigkeitsdicht verbundenen, insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörper aus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes des Grundkörpers, insbesondere aus einem Kunststoff höherer Wärmleitfähigkeit oder aus Metall, wobei der Wärmeleitkörper über eine an einen Kühlflüssigkeitsraum des Kühlbauteils angrenzende Innenseite zur Übertragung von Wärme von dem Wärmeleitkörper an in dem Kühlflüssigkeitsraum befindliche Kühlflüssigkeit verfügt sowie über eine Außenseite zur Übertragung von Wärme eines/des Akkupacks (11) an den Wärmeleitkörper, insbesondere eine Außenseite, die zu dem Aufnahmeraum für den Akkupack (11) zeigt oder an diesen angrenzt.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Wandungen des Kühlbauteils, insbesondere des Grundkörpers des Kühlbauteils, insbesondere einstückig mit der umlaufenden Gehäusewand (12) und/oder der Bodenwand des Gehäuses verbunden sind.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper des Kühlbauteils den Kühlflüssigkeitsraum begrenzende Wände aufweist, von denen zumindest eine mit dem Wärmeleitkörper in einem Verbindungsbereich flüssigkeitsdicht verbunden ist, insbesondere derart, dass durch den Verbindungsbereich hindurch aus dem Kühlflüssigkeitsraum keine Kühlflüssigkeit nach außen dringen kann.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse, bevorzugt das Kühlbauteil, insbesondere der Grundkörper, einen Einlass und einen Auslass aufweist, durch den Kühlflüssigkeit dem Kühlbauteil zugeführt werden kann bzw. aus diesem abgeleitet werden kann, und dass der Einlass und der Auslass flüssigkeitsleitend mit dem Kühlflüssigkeitsraum verbunden sind.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper ein Spritzgussteil aus insbesondere faserverstärktem Kunststoff ist, bevorzugt Thermoplast.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper eine Bodenwand mit insbesondere aufrechter, ringsherum laufender, vorzugsweise einstückig mit der Bodenwand verbundener, den Kühlflüssigkeitsraum nach außen hin umgebender Seitenwand aufweist, deren Oberseite mit dem insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörper flüssigkeitsdicht verbunden ist, sodass dessen Innenseite zur Bodenwand zeigt und dessen Außenseite, insbesondere unter Bildung der als Standfläche für den Akkupack (11) dienenden Bodenfläche des Gehäuses, dem Aufnahmeraum für den Akkupack (11) zugewandt ist.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper in dem von der Seitenwand umgrenzten Raum des Grundkörpers mindestens eine, vorzugsweise einstückig mit der Bodenwand und der Seitenwand verbundene, sich zwischen Bodenwand und Wärmeleitkörper erstreckende, insbesondere aufrechte Grundkörperwand aufweist, deren Oberseite ebenfalls mit dem Wärmeleitkörper flüssigkeitsdicht verbunden sind.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper und der Wärmeleitkörper durch eine form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind.
Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6-14, dadurch gekennzeichnet, dass der Endlosfaserstrang Aramid- und/oder Carbon- und/oder Glasfasern eingebettet in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff- oder Polymerwerkstoff umfasst.
Anordnung aus einem Gehäuse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche und einem darin enthaltenen Akkupack (11) mit einer Gruppe von Akkuzellen, insbesondere prismatischen Akkuzellen oder Pouch-Akkuzellen, die in einer Reihe jeweils aneinander angrenzend, nebeneinander angeordnet sind.
Anordnung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens zwei, insbesondere aus Kunststoff gefertigte, separate Distanzstücke (18a, 18b) umfasst, wobei das erste Distanzstück (18a) zwischen einem ersten Gehäusewandabschnitt der umlaufenden Gehäusewand (12) und einer an einem ersten Ende des Akkupacks (11) angeordneten ersten Seite des Akkupacks (11) angeordnet ist und das zweite Distanzstück (18b) zwischen einem zweiten Gehäusewandabschnitt der umlaufenden Gehäusewand (12), der dem ersten Gehäusewandabschnitt gegenüberliegt, und einer zweiten Akkupackseite, die an einem anderen, zweiten Ende des Akkupacks (11) angeordnet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Distanzstücke (18a, 18b) unter Vorspannung zwischen dem ihm jeweils zugeordneten Gehäusewandabschnitt und der ihm zugeordneten Akkupackseite angeordnet ist, sodass über jedes Distanzstück (18a, 18b) in Richtung des jeweils anderen Akkupackendes wirkende Kräfte auf die jeweilige Seite des Akkupacks (11) aufgebracht werden, um ein Swelling des Akkupacks (11) zu verhindern oder zu reduzieren.
Anordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 17-18, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Distanzstück (18a, 18b) an dem zugeordneten Gehäusewandabschnitt und/oder an der zugeordneten Akkupackseite anliegt.
Anordnung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Distanzstück (18a, 18b) an die Form des zugeordneten Gehäusewandabschnitts und/oder der zugeordneten Akkupackseite angepasst ist.
Anordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 17-20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden des Akkupacks (11), die den Distanzstücken (18a, 18b) jeweils zugeordnet sind, durch die erste bzw. die letzte Akkuzelle in der Reihe der Akkuzellen gebildet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses zur Aufnahme eines Akkupacks (11) mit mehreren Akkuzellen, vorzugsweise prismatischen Akkuzellen oder Pouch-Akkuzellen, insbesondere gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Maßnahmen: a) Wickeln eines Wicklungskörpers (19) für die Herstellung einer umlaufenden Gehäusewand (12), die einen Aufnahmeraum für einen Akkupack (11) seitlich umgeben kann, aus einem Endlosfaserstrang, insbesondere aus Aramid- und/oder Carbon- und/oder Glasfasern eingebettet in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff- oder Polymerwerkstoff, b) Herstellen einer umlaufenden Gehäusewand (12), die einen Akkupack (11) seitlich umgeben kann, durch insbesondere allseitiges Um- oder Überspritzen des Wicklungskörpers (19) mit Kunststoff in einer Spritzgussvorrichtung.
Verfahren gemäß Anspruch 22, gekennzeichnet durch folgende weiteren Maßnahmen: a) Herstellen, insbesondere Spritzgießen, eines Grundkörpers eines Kühlbauteils zum Abführen von Wärme eines in dem Gehäuse befindlichen Akkupacks (11), aus einem insbesondere faserverstärktem Kunststoff mit Wänden zur Bildung eines Kühlflüssigkeitsraums sowie mindestens einer Verbindungsfläche zur Verbindung mit einem insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörper, b) Bereitstellen eines insbesondere plattenförmigen Wärmeleitkörpers mit mindestens einer Verbindungsfläche, die zur Verbindung mit der Verbindungsfläche des Grundkörpers vorgesehen ist, c) Fügen des Wärmeleitkörpers und des Grundkörpers zu dem Kühlbauteil, indem die Verbindungsflächen aneinander anliegend flüssigkeitsdicht form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden, d) Herstellen der umlaufenden Gehäusewand (12) sowie Herstellen einer insbesondere einstückigen Verbindung der umlaufenden Gehäusewand (12) mit dem Kühlbauteil in einer Spritzgussvorrichtung durch Über- oder Umspritzen des Kühlbauteils und des Wicklungskörpers (19).
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung aus einem Gehäuse zur Aufnahme eines Akkupacks (11) mit mehreren, vorzugsweise prismatischen Akkuzellen oder Pouch-Akkuzellen, insbesondere gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und einem darin enthaltenen Akkupack (11) mit einer Gruppe von in einer Reihe jeweils aneinander angrenzenden, nebeneinander angeordneten Akkuzellen, insbesondere prismatischen Akkuzellen oder Pouch-Akkuzellen, mit folgenden Maßnahmen: a) Wickeln eines Wicklungskörpers (19) für die Herstellung einer umlaufenden, einen Aufnahmeraum für einen Akkupack (11) seitlich umgebenen Gehäusewand (12) aus einem Endlosfaserstrang, insbesondere aus Aramid- und/oder Carbon- und/oder Glasfasern eingebettet in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff- oder Polymerwerkstoff, b) Herstellen der den Aufnahmeraum für einen Akkupack (11) seitlich umgebenden, umlaufenden Gehäusewand (12) durch Einlegen des Wicklungskörpers (19) in eine Spritzgussvorrichtung sowie anschließendes, insbesondere allseitiges Um- oder Überspritzen des Wicklungskörpers (19) mit Kunststoff, c) Einbringen eines Akkupacks (11) in den Aufnahmeraum.
Verfahren gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkupack (11) zusammen mit zwei insbesondere aus Kunststoff gefertigten, separaten Distanzstücken (18a, 18b) in den Aufnahmeraum eingebracht wird, sodass anschließend das erste Distanzstück (18a) zwischen einem ersten Gehäusewandabschnitt der umlaufenden Gehäusewand (12) und einer an einem ersten Ende des Akkupacks (11) angeordneten ersten Seite des Akkupacks (12) angeordnet ist und das zweite Distanzstück (18b) zwischen einem zweiten Gehäusewandabschnitt der umlaufenden Gehäusewand (12), der dem ersten Gehäusewandabschnitt gegenüberliegt, und einer zweiten Akkupackseite, die an einem anderen, zweiten Ende des Akkupacks (11) angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Distanzstücke (18a, 18b) unter Vorspannung zwischen dem ihm zugeordneten Gehäusewandabschnitt und der ihm zugeordneten Akkupackseite angeordnet wird, sodass über jedes Distanzstück in Richtung des jeweils anderen Akkupackendes wirkende Kräfte auf die jeweilige Seite des Akkupacks (11) aufgebracht werden, um ein Swelling des Akkupacks (11) zu verhindern oder zu reduzieren.
Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkupack (11) zusammen mit den beiden Distanzstücken (18a, 18b), die dabei unter Vorspannung an die genannten Seiten des Akkupacks (11) gedrückt werden, in den Aufnahmeraum eingebracht werden.