DE102019214089A1

DE102019214089A1 - Batteriemodulgehäuse für eine Fahrzeugbatterie, Fahrzeugbatterie und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019214089A1
Application number: DE102019214089.0A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Gläsner; Michel Troitzsch; Andreas Marx; Christoph Zorn
Original assignee: MAN Truck and Bus SE; Volkswagen AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE; Volkswagen AG
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-09-17
Also published as: DE102019214089B4

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Batteriemodulgehäuse (1) für eine Fahrzeugbatterie (2) weist einen Gehäuserahmen (4) auf, der einen Gehäuseinnenraum (6) umgrenzt, sowie mehrere Rahmenelemente (8,10,12,14), wobei wenigstens eines der Rahmenelemente (8,10,12,14) aus einem Leichtmetall mit einem darin gießtechnisch eingebetteten, aus einem Streckmetall (22) gebildeten Verstärkungselement gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodulgehäuse für eine Fahrzeugbatterie sowie eine Fahrzeugbatterie mit einem solchen Batteriemodulgehäuse. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere mit einer Fahrzeugbatterie der vorstehend genannten Art.
Um den Schadstoff-Ausstoß durch Verbrennungsmotoren im Bereich von insbesondere landgestützten Kraftfahrzeugen zu reduzieren, schreitet die Entwicklung von Elektrofahrzeugen, insbesondere solchen, die ihre Energie aus einer Fahrzeugbatterie (häufig auch als „Traktionsbatterie“ bezeichnet) beziehen, voran. Bei diesen Fahrzeugbatterien handelt es sich üblicherweise um Baugruppen, in denen meist eine Vielzahl von Sekundärzellen (die optional bereits zu einzelnen Batteriemodulen gruppiert sind) miteinander verschaltet sind, um die zum Antrieb des Kraftfahrzeugs (kurz: Fahrzeug) erforderlich Energie speichern sowie bereitstellen zu können. Da die eingesetzten Sekundärzellen, meist auf Basis einer Lithium-Ionen-Technologie, vergleichsweise empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen sind, ist ein ausreichender Schutz gegen übermäßige Belastung beispielsweise bei Unfällen erforderlich. Dazu sind die Sekundärzellen meist in einem Kasten- oder Wannen-artigen Gehäuse gekapselt. Um dieses Gehäuse weiter zu versteifen, sind in diesem regelmäßig Quer- und/oder Längsstreben eingezogen, die den Gehäuseinnenraum meist in mehrere Fächer unterteilen, in denen die Sekundärzellen oder aus diesen vorgefertigte Module (die meist mehrere Einzelzellen enthalten) angeordnet sind. Diese Quer- und/oder Längsstreben sollen dabei bei einem Unfall auf das Gehäuse wirkende Kräfte aufnehmen und/oder ableiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batteriemodulgehäuse weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Batteriemodulgehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Fahrzeugbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Außerdem wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Das erfindungsgemäße Batteriemodulgehäuse ist zum Einsatz im Rahmen einer Fahrzeugbatterie eingerichtet und vorgesehen. Das Batteriemodulgehäuse weist dazu einen Gehäuserahmen auf, der einen Gehäuseinnenraum umgrenzt. Vorzugsweise ist der Gehäuserahmen dabei wannenartig ausgebildet und schließt den Gehäuseinnenraum somit zu fünf Raumrichtungen ab. Des Weiteren weist das Batteriemodulgehäuse mehrere Rahmenelemente auf, von denen wenigstens eines zur Versteifung des Gehäuserahmens aus einem Leichtmetall mit einem darin gießtechnisch eingebetteten und aus einem Streckmetall gebildeten Verstärkungselement gebildet ist.
Unter einem Streckmetall wird hier und im Folgenden insbesondere ein auch als „Streckgitter“ bezeichnetes Halbzeug verstanden, dass typischerweise durch Einbringen von Schnitten (insbesondere ohne Materialverlust) in ein Metallblech unter gleichzeitiger Verstreckung des Metallblechs gebildet wird.
Dadurch, dass das entsprechende Rahmenelement das Verstärkungselement enthält, kann diese insbesondere bei im Vergleich zu einem unverstärkten Rahmenelement gleicher Wandstärke mit höherer Festigkeit und/oder Steifigkeit ausgebildet werden. Aufgrund der Ausbildung des Verstärkungselements aus einem Streckmetall kann wiederum Gewicht gegenüber einem massiven Verstärkungselement bei gleichbleibenden oder lediglich geringfügig verringerten mechanischen Eigenschaften eingespart werden.
In einer zweckmäßigen Ausführung ist das Verstärkungselement zumindest einseitig vollflächig eingebettet. D. h. wenigstens eine Seite des Verstärkungselements ist mit dem Leichtmetall des Rahmenelements überzogen und vorzugsweise mit diesem stoffschlüssig verbunden. In dieser Variante ist eine Positionierung des Verstärkungselements in einer Gießform für das Rahmenelement vergleichsweise einfach. Da das Verstärkungselement als Streckmetall ausgebildet ist und somit Durchbrüche normal zu seiner flächigen Erstreckung aufweist, bildet sich (zusätzlich oder alternativ) auch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Leichtmetall und dem Streckmetall aus.
Unter „Stoffschluss“ oder einer „stoffschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile an Ihren Kontaktflächen durch stoffliche Vereinigung (bspw. aufgrund von Diffusionsvorgängen) oder Vernetzung (bspw. aufgrund von atomaren oder molekularen Bindungskräften) ggf. unter Wirkung eines Zusatzstoffs zusammengehalten werden.
Unter „Formschluss“ oder einer „formschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass der Zusammenhalt der miteinander verbundenen Teile zumindest in einer Richtung durch ein unmittelbares Ineinandergreifen von Konturen der Teile selbst oder durch ein mittelbares Ineinandergreifen über ein zusätzliches Verbindungsteil erfolgt. Das „Sperren“ einer gegenseitigen Bewegung in dieser Richtung erfolgt also formbedingt.
In einer bevorzugten Ausführung ist das Verstärkungselement zumindest näherungsweise vollständig eingebettet. Darunter wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass das aus dem Streckmetall gebildete Verstärkungselement von beiden Flachseiten her von dem Leichtmetall umflossen ist. Gegebenenfalls für die Positionierung des Verstärkungselements innerhalb der Gießform erforderliche Halteelemente, die eine bis zum Verstärkungselement führenden Aussparung im gegossenen Leichtmetall hervorrufen, bleiben hierbei vernachlässigt.
Das Verstärkungselement ist in einer bevorzugten Ausführung aus einem gegenüber dem Leichtmetall eine höhere Festigkeit aufweisenden Metall gebildet. Dadurch wird eine vorteilhafte Verstärkungswirkung erzielt.
Besonders bevorzugt ist das Verstärkungselement aus einem hochfesten Metall, insbesondere einem hochfesten Stahl gebildet. Dadurch wird vorteilhafterweise eine besonders hohe Verstärkungswirkung erzielt.
Unter einem „hochfesten“ Metall wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass dieses Metall durch ein spezifisches Vergütungsverfahren eine über seine „übliche“ (d. h. im unvergüteten Zustand vorliegende) Festigkeit hinausgehende Festigkeit aufweist. Des Weiteren wird hierunter insbesondere verstanden, dass eine speziell auf eine zu erwartende (für übliche Metalle nicht mehr ertragbare) Beanspruchung abgestimmte (sowie gegebenenfalls auch vergütete) Metall-Legierung zum Einsatz kommt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung handelt es sich bei dem Leichtmetall des entsprechenden Rahmenelements um eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Druckguss-Aluminiumlegierung. Beispielsweise handelt es sich bei dieser Aluminiumlegierung um AISI10MnMg.
In einer zweckmäßigen Ausführung bildet das entsprechende Rahmenelement eine Bodenplatte und/oder eine Seitenwand (die insbesondere eine Außenwand der vorstehend beschriebenen Wanne darstellen).
In einer bevorzugten Ausführung bildet das entsprechende Rahmenelement (zusätzlich oder alternativ zur vorstehenden Ausführung) eine Versteifungsstrebe, die zur Aussteifung in dem Gehäuseinnenraum angeordnet ist. Vorzugsweise unterteilt diese Versteifungsstrebe den Gehäuseinnenraum in wenigstens zwei Fächer, die insbesondere zur Aufnahme einer Sekundärzelle oder eines aus mehreren Sekundärzellen gebildeten Zellmoduls (auch: Batteriemodul) oder eines Steuergeräts dienen.
In einer zweckmäßigen Ausführung umfasst das Batteriemodulgehäuse (also der Gehäuserahmen) wenigstens zwei der vorstehend beschriebenen Versteifungsstreben, wobei wenigstens eine als Längsstrebe und wenigstens eine weitere als Querstrebe den Gehäuseinnenraum durchlaufen. Insbesondere kreuzen sich in diesem Fall zumindest die Längsachsen der wenigstens zwei Versteifungsstreben. Optional kreuzen sich dabei wenigstens zwei Versteifungsstreben körperlich. Alternativ enden beispielsweise zwei Querstreben von zwei entgegengesetzten Seiten an der Längsstrebe (oder entsprechend umgekehrt). In dieser Ausführung sind in dem Batteriemodulgehäuse wenigstens vier Fächer ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie weist das vorstehend beschriebene Batteriemodulgehäuse auf, sowie wenigstens eine Batteriezelle oder ein aus einer Mehrzahl von Batteriezellen gebildetes Batteriezellenmodul, die bzw. das in dem Gehäuseinnenraum, optional in einem der durch die oder die jeweilige gegebenenfalls vorhandene Versteifungsstrebe gebildeten Fächer angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist (ebenfalls) das vorstehend beschriebene Batteriemodulgehäuse, insbesondere die vorstehend beschriebene Fahrzeugbatterie auf.
Die Fahrzeugbatterie sowie das Fahrzeug weisen mithin die vorstehend im Rahmen des Batteriemodulgehäuses beschriebenen Merkmale und Vorteile gleichermaßen auf.
Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 in einer schematischen Perspektivansicht ein Batteriemodulgehäuse,
2 in einer schematischen Teilschnittansicht eine Versteifungsstrebe des Batteriemodulgehäuses,
3 in einer schematischen Ansicht verschiedene Schritte eines Gießverfahrens für die Versteifungsstrebe jeweils anhand eines schematisch dargestelltes Gießwerkzeugs, und
4 in einer schematischen Seitenansicht ein Fahrzeug.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch ein Batteriemodulgehäuse 1 für eine in 4 schematisch dargestellte Fahrzeugbatterie 2 dargestellt. Das Batteriemodulgehäuse 1 weist einen Gehäuserahmen 4 auf, der einen Gehäuseinnenraum 6 mittels einer Bodenplatte 8 und vier senkrecht zu dieser angeordneten Seitenwänden 10 in fünf Raumrichtungen nach Art einer Wanne begrenzt. Die Bodenplatte 8 sowie die Seitenwände 10 bilden jeweils ein Rahmenelement. Im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand ist der Bodenplatte 8 gegenüberliegend ein Deckel zum Verschluss des Gehäuseinnenraums 6 angeordnet. Das Batteriemodulgehäuse 1 weist außerdem fünf Versteifungsstreben auf, die ebenfalls jeweils ein Rahmenelement darstellen und von denen eine als Längsstrebe 12 zwischen zwei Seitenwänden 10 verlaufend im Gehäuseinnenraum 6 angeordnet ist. Die übrigen vier Versteifungsstreben sind als Querstreben 14 senkrecht zur Längstrebe 12 ausgerichtet und jeweils zwischen den anderen beiden Seitenwänden 10 und der Längsstrebe 12 verlaufend angeordnet. Durch die Längs- und Querstreben 12 bzw. 14 wird der Gehäuseinnenraum 6 in mehrere Abteile oder Fächer 16 unterteilt. Diese dienen zur Aufnahme jeweils eines aus mehreren Sekundärzellen gebildeten Batteriemoduls 18 (s. 4) oder eines nicht näher dargestellten Steuergeräts für die Fahrzeugbatterie 2.
In 2 ist in einer schematischen Teilschnittansicht eine der Versteifungsstreben, d. h. die Längsstrebe 12 bzw. eine der Querstreben 14 näher dargestellt. Die Versteifungsstreben weisen dabei eine aus einem Leichtmetall, konkret einer Aluminiumlegierung mittels Druckguss hergestellten Strebenkörper 20 auf, in den ein Verstärkungselement in Form eines Streckmetalls 22 eingebettet ist. Das Streckmetall 22 ist dabei beidseitig von dem Strebenkörper 20 umgeben.
In 3 sind von links nach rechts aufeinanderfolgende Fertigungsschritte eines Druckguss-Verfahrens zur Ausbildung der Versteifungsstreben, konkret der Längsstreben 12 sowie der Querstreben 14 dargestellt. In einem ersten Schritt wird dabei das Streckmetall 22 (konkret das aus dem Streckmetall 22 gebildete Verstärkungselement) in eine erste Werkzeughälfte 24 eines Druckguss-Werkzeugs eingelegt. Anschließend wird das Druckguss-Werkzeug geschlossen, indem eine zweite Werkzeughälfte 26 gegen die erste Werkzeughälfte 24 verfahren wird. Anschließend wird Leichtmetall-Schmelze unter Druck in das Druckguss-Werkzeug eingebracht, sodass das Streckmetall 22 umflossen und somit eingebettet wird. Nach Abkühlung und Erstarrung der Leichtmetall-Schmelze werden die beiden Werkzeughälften 24 bzw. 26 auseinander bewegt und die entsprechende Längsstrebe 12 bzw. die Querstrebe 14 entnommen.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind alternativ zu den Längs- und Querstreben 12 und 14 die Seitenwände 10, optional auch die Bodenplatte 8 mit dem Streckmetall 22 versehen, d. h. analog zu den vorstehend beschriebenen Längs- und Querstreben 12 und 14 ausgebildet. Optional sind alle Rahmenelemente des Gehäuserahmens 4 derart ausgebildet.
In 4 ist schematisch ein landgestütztes (Kraft-) Fahrzeug 30 dargestellt. Dieses umfasst neben der vorstehend beschriebenen Fahrzeugbatterie 2 einen mit dieser verbundenen elektrischen Fahrantrieb 32.
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodulgehäuse
2: Fahrzeugbatterie
4: Gehäuserahmen
6: Gehäuseinnenraum
8: Bodenplatte
10: Seitenwand
12: Längsstrebe
14: Querstrebe
16: Fach
18: Batteriemodul
20: Strebenkörper
22: Streckmetall
24: Werkzeughälfte
26: Werkzeughälfte
30: Fahrzeug
32: Fahrantrieb

Claims

Batteriemodulgehäuse (1) für eine Fahrzeugbatterie (2), aufweisend einen Gehäuserahmen (4), der einen Gehäuseinnenraum (6) umgrenzt, und der mehrere Rahmenelemente (8,10,12,14) aufweist, wobei wenigstens eines der Rahmenelemente (8,10,12,14) aus einem Leichtmetall mit einem darin gießtechnisch eingebetteten, aus einem Streckmetall (22) gebildeten Verstärkungselement gebildet ist.
Batteriemodulgehäuse (1) nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungselement (22) zumindest einseitig vollflächig, vorzugsweise näherungsweise vollständig eingebettet ist.
Batteriemodulgehäuse (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verstärkungselement (22) in einem Druckgussverfahren in das Leichtmetall eingebettet ist.
Batteriemodulgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verstärkungselement (22) aus einem gegenüber dem Leichtmetall eine höhere Festigkeit aufweisenden Werkstoff gebildet ist.
Batteriemodulgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verstärkungselement (22) aus einem hochfesten Metall, insbesondere hochfestem Stahl gebildet ist.
Batteriemodulgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich bei dem Leichtmetall um eine Aluminiumlegierung handelt.
Batteriemodulgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das oder das jeweilige das Verstärkungselement (22) aufweisende Rahmenelement eine Bodenplatte (8), eine Seitenwand (10) oder wenigstens eine Versteifungsstrebe (12,14) bildet, die zur Aussteifung in dem Gehäuseinnenraum (6) angeordnet ist und diesen in wenigstens zwei Fächer (16) unterteilt.
Batteriemodulgehäuse (1) nach Anspruch 7, wobei wenigstens eine Versteifungsstrebe als Längsstrebe (12) und wenigstens eine Versteifungsstrebe als Querstrebe (14) den Gehäuseinnenraum (6) durchlaufen.
Fahrzeugbatterie (2) mit einem Batteriemodulgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in wenigstens einem der durch die oder die jeweilige Versteifungsstrebe (12,14) gebildeten Fächer (16) eine Batteriezelle oder ein Batteriezellenmodul (18) angeordnet ist.
Fahrzeug (30) mit einem Batteriemodulgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.