DE102020105607B3 - Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents
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Abstract
Batteriemodul (10) einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit einem von Kühlmedium durchströmbaren Modulgehäuse (11), mit mehreren im Modulgehäuse (11) angeordneten, über das Kühlmedium kühlbaren Batteriezellen (15), wobei das Modulgehäuse (11) einen als Strangpressprofil ausgebildeten, an Stirnseiten offenen Grundkörper (12) aufweist, und wobei das Modulgehäuse (11) ferner Endplatten (13) aufweist, die in den als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper (12) eingesetzt und umlaufend fluiddicht mit dem Strangpressprofil verschweißt sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
- Eine Traktionsbatterie eines als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs verfügt über ein Batteriegehäuse, in welchem mehrere Batteriemodule aufgenommen sind. Jedes Batteriemodul verfügt über ein Modulgehäuse mit im jeweiligen Modulgehäuse angeordneten Batteriezellen.
- Aus der Praxis sind Batteriemodule bekannt, deren Modulgehäuse von einem Kühlmedium durchströmt ist, um die im Modulgehäuse angeordneten Batteriezellen direkt zu kühlen. Die zu kühlenden Batteriezellen werden dabei vom Kühlmedium umströmt. Bei solchen direktgekühlten Batteriemodulen ist es von großer Bedeutung, dass das Modulgehäuse, in welchem die Batteriezellen angeordnet sind, fluiddicht ist. Nur über einen definierten Vorlauf und Rücklauf für das Kühlmittel soll es möglich sein, Kühlmittel in das Modulgehäuse einzuführen sowie aus demselben herauszuführen. Ein unkontrollierter Austritt von Kühlmedium über Undichtigkeiten des Modulgehäuses muss vermieden werden.
- Es besteht Bedarf an einem Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit einem fluiddichten Modulgehäuse, welches einfach gefertigt werden kann.
- Die US 2019 / 0 393 456 A1 offenbart ein Batteriemodul mit einem Modulgehäuse und mit im Modulgehäuse aufgenommenen Batteriezellen. Das Modulgehäuse verfügt über einen Grundkörper, der an Stirnseiten offen ist. Der Grundkörper ist aus vier Platten zusammengesetzt, die im Bereich ihrer aneinanderstoßenden Kanten verschweißt sind, und zwar über ein EMP-Schweißverfahren, welches auch als Magnetimpulsschweißen bekannt ist. Ein derartiges Modulgehäuse eignet sich nicht für direktgekühlte Batteriemodule.
- Aus der US 2013 / 0 086 961 A1 sind Details des Magnetimpulsschweißverfahrens bekannt, insbesondere zur Fertigung von Platten. Zudem ist der Einsatz von Magnetimpulsschweißverfahren für die Versiegelung von Batteriegehäusen aus der US 2019 / 0 044 100 A1 bekannt.
- Batteriemodule einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs sind bekannt aus der
DE 10 2016 103 013 A1 und derEP 0 169 179 A1 . - Der Einsatz von Kühlmedien zum direkten Kühlen von Batteriezellen im Gehäuseinneren sind in der WO 2010 / 060 674 A1 sowie in der
DE 10 2013 218 489 A1 offenbart. - Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul nach Anspruch 1 gelöst.
- Das Modulgehäuse des erfindungsgemäßen Batteriemoduls weist einen als Strangpressprofil ausgebildeten, an Stirnseiten offenen Grundkörper auf.
- Das Modulgehäuse des erfindungsgemäßen Batteriemoduls weist ferner Endplatten auf, die in den als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper eingesetzt und umlaufend fluiddicht mit dem Strangpressprofil verschweißt sind.
- Beim erfindungsgemäßen Batteriemodul, dessen Modulgehäuse von Kühlmittel durchströmt ist, ist der Grundkörper des Modulgehäuses als Strangpressprofil ausgebildet. Bei dem als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper handelt es sich demnach um einen monolithischen, nicht verschweißten Grundkörper. Dieser ist an seinen Stirnseiten offen. Die Endplatten des Modulgehäuses sind an den Stirnseiten in das Modulgehäuse eingesetzt und mit dem Modulgehäuse umlaufend fluiddicht verschweißt.
- Da der Grundkörper des Modulgehäuses als solcher als Strangpressprofil ausgebildet ist und demnach als solcher keine Schweißnähte aufweist, entstehen dort, wo die Endplatten des Modulgehäuses mit dem als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper des Modulgehäuses verschweißt sind, keine überlappenden Schweißnähte. Ein solches Modulgehäuse kann mit geringem Aufwand fluiddicht hergestellt werden.
- Erfindungsgemäß sind die Endplatten des Modulgehäuses mit dem Strangpressprofil umlaufend fluiddicht über ein Magnetimpulsschweißverfahren verschweißt. Die Verbindung der Endplatten mit dem Strangpressprofil über Magnetimpulsschweißen ist besonders vorteilhaft. Das Magnetimpulsschweißverfahren ermöglicht eine besonders vorteilhafte umlaufend fluiddichte Verbindung der Endplatten mit dem Strangpressprofil.
- Erfindungsgemäß weisen die Endplatten einen umlaufenden Rand auf, der sich parallel zu Seitenwänden des Strangpressprofils erstreckt. An dem umlaufenden Rand sind nach außen weisende Vorsprünge ausgebildet, die dann, wenn die Endplatten in das Strangpressprofil eingesetzt sind, einen umlaufenden Spalt zwischen der jeweiligen Endplatte, nämlich dem umlaufenden Rand derselben, und den Seitenwänden des Strangpressprofils definieren, in den die Seitenwände des Strangpressprofils in Folge des Magnetimpulsverschweißens hinein verformt sind. Vorzugsweise weist die jeweilige Endplatte eine Strukturversteifung für den umlaufenden Rand auf. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist besonders bevorzugt. Im noch nicht verschweißten Zustand des Modulgehäuses, in welchem die Endplatten in das Strangpressprofil eingesetzt sind, besteht ein definierter Spalt zwischen der jeweiligen Endplatte und dem Strangpressprofil. In diesen Spalt hinein wird das Strukturprofil beim Magnetimpulsschweißverfahren abschnittsweise hinein verformt, und zwar unter Ausbildung der fluiddichten Verbindung zwischen den Endplatten und dem Strangpressprofil. Um eine Verformung des umlaufenden Rands der Endplatten beim Magnetimpulsschweißverfahren zu vermeiden, weist die jeweilige Endplatte vorzugsweise die Strukturversteifung für den umlaufenden Rand auf. So kann eine umlaufend fluiddichte Schweißverbindung über das Magnetimpulsschweißverfahren zwischen den Endplatten und dem Strangpressprofil besonders vorteilhaft hergestellt werden.
- Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist die jeweilige Endplatte einen Anschlag auf, welcher die Einführtiefe der jeweiligen Endplatte in das Strangpressprofil begrenzt. Hierdurch ist es möglich, die jeweilige Endplatte exakt zum Strangpressprofil auszurichten.
- Das Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist in Anspruch 8 definiert.
- Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine stark schematisierte, perspektivische Ansicht eines Batteriem odu ls; -
2 eine teilweise Explosionsdarstellung des Batteriemoduls; -
3 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch das Batteriemodul im noch nicht verschweißten Zustand von Strangpressprofils und Endplatte; -
4 den Querschnitt der3 im verschweißten Zustand; -
5 eine Alternative zum Querschnitt der3 ; -
6 eine weitere Alternative zum Querschnitt der3 . -
1 zeigt eine stark schematisierte perspektivische Seitenansicht eines Batteriemoduls10 einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. - Das Batteriemodul
10 verfügt über ein Modulgehäuse11 , welches einen Grundkörper12 aufweist, der an Stirnseiten offen ist, wobei die offenen Stirnseiten des Grundkörpers12 des Modulgehäuses11 mit Endplatten13 des Modulgehäuses11 verschlossen sind. In einem vom Modulgehäuse11 definierten Innenraum14 sind Batteriezellen15 angeordnet. - Beim erfindungsgemäßen Batteriemodul
10 handelt es sich um ein direkt gekühltes Batteriemodul. Das Modulgehäuse11 ist von Kühlmedium durchströmt, welches zur Kühlung der Batteriezellen15 die Batteriezellen15 umströmt. - Ein nicht gezeigter Vorlauf, über den das Kühlmedium in den Innenraum
14 des Batteriemoduls10 eingeführt werden kann, sowie ein nicht gezeigter Rücklauf, über welchen das Kühlmedium aus dem Innenraum14 des Batteriemoduls10 abgeführt werden kann, sind vorzugsweise im Bereich mindestens einer der Endplatten13 ausgebildet. - Beim erfindungsgemäßen Batteriemodul
10 ist der Grundkörper12 als Strangpressprofil ausgeführt. Derselbe verfügt über vier Seitenwände12a , die das einstückige bzw. monolithische Strangpressprofil und damit den Grundkörper12 ausbilden. Diese Seitenwände12a sind nicht miteinander verschweißt. Der Grundkörper12 als solcher ist schweißnahtlos. - In die sich gegenüberliegenden, offenen Stirnseiten des schweißnahtlosen Grundkörpers
12 sind die Endplatten13 eingesetzt, die umlaufend dicht mit dem als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper12 verschweißt sind, und zwar über ein Magnetimpulsschweißverfahren. - Beim Magnetimpulsschweißverfahren wird das Strangpressprofil
12 im Sinne der in1 gezeigten Pfeile16 im Bereich seiner Stirnseiten in Richtung auf die jeweilige Endplatte13 verformt und umlaufend fluiddicht mit der jeweiligen Endplatte13 verschweißt. -
3 und4 zeigen einen ausschnittsweisen Querschnitt durch ein Batteriemodul10 nach einer ersten Variante der Erfindung im Bereich einer Stirnseite des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 und im Bereich einer Endplatte13 . - Die Endplatte
13 verfügt über einen Endplattengrundkörper13a sowie über einen gegenüber dem Endplattengrundkörper13a abgewinkelten, umlaufenden Rand13b . Der umlaufende Rand13b erstreckt sich parallel zu den Seitenwänden12a des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 . - An dem umlaufenden Rand
13b sind außen, also im in den Grundkörper12 eingesetzten Zustand derselben den Seitenwänden12a des Grundkörpers12 zugewandte Vorsprünge17 ausgebildet, die dann, wenn die jeweilige Endplatte13 in das Strangpressprofil12 eingesetzt ist, im unverschweißten Zustand von Strangpressprofil12 und jeweiliger Endplatte13 einen umlaufenden Spalt zwischen der jeweiligen Endplatte13 und den Seitenwänden12a des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 definieren. - Beim Magnetimpulsverschweißen des Grundkörpers
12 mit der jeweiligen Endplatte13 werden die Seitenwände12a des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 im Sinne der Pfeile16 abschnittsweise an den Stirnseiten des Grundkörpers12 in diesen Spalt zwischen dem Grundkörper12 und der jeweiligen Endplatte13 hinein verformt, und zwar unter Ausbildung der umlaufend fluiddichten Schweißverbindung zwischen dem als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper12 und der jeweiligen Endplatte13 . - Die Vorsprünge
17 sind dabei an mehreren sogenannten Umlaufpositionen des umlaufenden Rands13b ausgebildet, und zwar angrenzend bzw. benachbart zu jeder der vier Seitenwände12a des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers, sodass der zwischen der jeweiligen Endplatte13 , nämlich dem umlaufenden Rand13b desselben, und den Seitenwänden12a des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 ausgebildete Spalt umlaufend ist. - An jeder Umlaufposition des umlaufenden Rands
13b der jeweiligen Endplatte13 , an welcher Vorsprünge17 ausgebildet sind, sind in Längsrichtung des Strangpressprofils gesehen jeweils zwei voneinander beabstandete Vorsprünge17 ausgebildet. Gemäß4 werden beim Magnetimpulsverschweißen von Grundkörper12 und jeweiliger Endplatte13 die Seitenwände12a des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 im Bereich ihrer Stirnseiten in den Freiraum zwischen den in Längsrichtung des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 voneinander beabstandeten Vorsprüngen17 hineinverformt. - Wie
3 und4 entnommen werden kann, verfügt die jeweilige Endplatte13 über eine Strukturversteifung18 für den umlaufenden Rand13b , die von mehreren Rippen gebildet ist. Diese Strukturversteifung verhindert ein Verformen des Rands13b infolge der beim Impulsschweißverfahren über die zu verformenden Seitenwände12a des Grundkörpers12 auf den Rand13b einwirkenden Kräfte. So kann eine besonders vorteilhafte, umlaufend dichte Schweißverbindung zwischen dem Grundkörper12 und den Endplatten13 beim Magnetimpulsverschweißen bereitgestellt werden. - Über den gesamten Rand
13b sind innen, auf einer den Vorsprüngen17 gegenüberliegende Seite des Rands13b , mehrere derartige Rippen, welche die Strukturversteifung18 ausbilden, verteilt, um über die gesamte Umlaufrichtung des Rands13b eine Verformung desselben beim Impulsschweißverfahren auszuschließen. - Im Ausführungsbeispiel der
3 und4 ist die jeweilige Endplatte13 im Querschnitt U-förmig konturiert und so in die jeweilige Stirnseite des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 eingesetzt, dass das U-Profil aus dem Grundkörper12 heraus weist. - Die Einführtiefe der jeweiligen Endplatte
13 in die Stirnseite des Grundkörpers12 hinein wird dabei durch Anschläge19 , die am umlaufenden Rand13b ausgebildet sind, beschränkt bzw. begrenzt. Diese Anschläge19 sind gegenüber dem umlaufenden Rand13b nach außen abgewinkelt. -
5 zeigt eine Alternative zur3 , in welcher die jeweilige Endplatte13 im Querschnitt wiederum U-förmig konturiert ist, jedoch so in die Stirnseite des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 eingesetzt ist, dass das U-Profil der Endplatte13 in den Grundkörper12 hineinragt. Die Anschläge19 , welche die Einführtiefe der jeweiligen Endplatte13 in den Grundkörper12 hinein begrenzen, sind dann nicht am umlaufenden Rand13b ausgebildet, sondern am Endplattengrundkörper13a . - Hinsichtlich aller übrigen Details stimmt jedoch die Variante der
5 mit der Variante der3 überein, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden und auf die Ausführungen zur3 verwiesen wird. -
5 zeigt das Batteriemodul10 im noch unverschweißten Zustand von Strangpressprofil und Endplatte13 . Über das Magnetimpulsschweißverfahren werden die Seitenwände12a an den Stirnseiten des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers12 in den Freiraum zwischen den in Längsrichtung des Strangpressprofils beabstandeten Vorsprüngen17 , die am umlaufenden Rand13b ausgebildet sind, hineinverformt, wobei die Strukturversteifung18 eine Verformung des umlaufenden Rands13b verhindert. - In
5 dient der in das Strangpressprofil hineinweisende, umlaufende Rand13b weiterhin als Positionierhilfe für die Batteriezellen15 , die in den gezeigten Ausführungsbeispielen als Pouch-Zellen ausgeführt sind, die von einer Dichtung20 abschnittsweise umformt sind. - Diese Dichtung
20 für die Pouch-Zellen15 kommt dabei an dem in das Strangpressprofil hineinragenden Ende des umlaufenden Rands13b zur Anlage, um so einen Anschlag bereitzustellen, an welchem die Batteriezellen15 ausgerichtet werden können. - Eine weitere Variante zur
3 zeigt die6 , wobei in6 die jeweilige Endplatte13 im Querschnitt doppel-T-förmig konturiert ist. Auch hier kann der umlaufende Rand13b als Anschlag und demnach Positionierhilfe für die Batteriezellen15 dienen. - Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird für die Variante der
6 gleiche Bezugsziffern verwendet wie in3 und auf die obigen Ausführungen verwiesen. - Während es sich bei dem Grundkörper
12 des Modulgehäuses11 um ein Strangpressprofil handelt, sind die Endplatten13 vorzugsweise als Gussbauteile ausgeführt. - Wie bereits ausgeführt, zeigen die
3 bis6 jeweils als Pouch-Zellen ausgebildete Batteriezellen15 , an welchen die Dichtung20 angeformt, insbesondere angespritzt, ist. Alternativ können als Batteriezellen15 auch prismatische Zellen zum Einsatz kommen, deren Gehäuse dann eine derartige Dichtung bereitstellt. - Mit der Erfindung wird demnach ein Batteriemodul
10 mit einem umlaufend fluiddichten Modulgehäuse10 vorgeschlagen. Das Batteriemodul10 ist von Kühlmedium durchströmt, das über mindestens eine der Endplatten13 zugeführt und abgeführt werden kann. Ein entsprechender Vorlauf und Rücklauf ist vorzugsweise im Bereich des Endplattengrundkörpers13a der jeweiligen Endplatte13 ausgebildet. - Bei dem Grundkörper
12 handelt es sich um ein Strangpressprofil, das an den offenen gegenüberliegenden Stirnseiten von zwei Endplatten13 verschlossen ist, die in das Strangpressprofil eingeschoben und mit dem Strangpressprofil durch Magnetimpulsschweißen verschweißt sind. - Dabei wird die Magnetimpulsschweißverbindung zwischen dem Grundkörper
12 und der jeweiligen Endplatte13 so bereitgestellt, dass im noch nicht verschweißten Zustand zwischen dem umlaufenden Rand13b der jeweiligen Endplatte13 und den sich parallel zum Rand13b erstreckenden Seitenwände12a des Strangpressprofils ein umlaufender Spalt über die Vorsprünge17 des Rands13b bereitgestellt wird, in dem beim Magnetimpulsverschweißen die Seitenwände12 des Grundkörpers12 unter Ausbildung der umlaufend fluiddichten Schweißverbindung mit der jeweiligen Endplatte13 hineinbewegt bzw. hineinverformt werden. - Die Erfindung betrifft nicht nur das Batteriemodul
10 als solches, sondern auch ein Verfahren zum Herstellen desselben. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden der als Strangpressprofil ausgebildete Grundkörper12 sowie die Endplatten13 bereitgestellt, die das Modulgehäuse11 ausbilden. Ferner werden die Batteriezellen15 bereitgestellt. Die Batteriezellen15 werden im Innenraum14 des Strangpressprofils12 angeordnet. Die Stirnseiten des Strangpressprofils werden von den Endplatten13 verschlossen. Nachfolgend werden die Endplatten13 mit dem Strangpressprofil umlaufend fluiddicht verschweißt, und zwar über ein Magnetimpulsschweißverfahren.
Claims (8)
- Batteriemodul (10) einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit einem von Kühlmedium durchströmbaren Modulgehäuse (11), mit mehreren im Modulgehäuse (11) angeordneten, über das Kühlmedium kühlbaren Batteriezellen (15), wobei das Modulgehäuse (11) einen als Strangpressprofil ausgebildeten, an Stirnseiten offenen Grundkörper (12) aufweist, das Modulgehäuse (11) ferner Endplatten (13) aufweist, die in den als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper (12) eingesetzt und umlaufend fluiddicht mit dem Strangpressprofil verschweißt sind, wobei die Endplatten (13) mit dem als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper (12) umlaufend fluiddicht über ein Magnetimpulsschweißverfahren verschweißt sind und einen umlaufenden Rand (13b) aufweisen, der sich parallel zu Seitenwänden (12a) des Strangpressprofils erstreckt, an dem umlaufenden Rand (13b) Vorsprünge (17) ausgebildet sind, die dann, wenn die Endplatten (13) in den als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörper (12) eingesetzt sind, einen umlaufenden Spalt zwischen der jeweiligen Endplatte (13) und den Seitenwänden (12a) des Strangpressprofils definieren, in den die Seitenwände (12a) des Strangpressprofils in Folge des Magnetimpulsverschweißens hinein verformt sind.
- Batteriemodul nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an den Umlaufpositionen des umlaufenden Rands (13b) der jeweiligen Endplatte (13), an welchen Vorsprünge (17) ausgebildet sind, jeweils zwei in Längsrichtung des Strangpressprofils voneinander beabstandete Vorsprünge (17) ausgebildet sind. - Batteriemodul nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Endplatte (13) im Querschnitt U-förmig konturiert ist. - Batteriemodul nach einem der
Ansprüche 1 oder2 dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Endplatte (13) im Querschnitt doppel-T-förmig konturiert ist. - Batteriemodul nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Endplatte (13) ein Anschlag (19) aufweist, welcher die Einführtiefe der jeweiligen Endplatte (13) in das Strangpressprofil begrenzt. - Batteriemodul nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Endplatte (13) eine Strukturversteifung (18) für den umlaufenden Rand (13b) aufweist. - Batteriemodul nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturversteifung (18) von mehreren Rippen gebildet ist. - Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls (10) einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , mit folgenden Schritten: Bereitstellen des als Strangpressprofil ausgebildeten Grundkörpers (12) des Modulgehäuses (11), Bereitstellen der Endplatten (13) des Modulgehäuses (11), Bereitstellen der Batteriezellen (15), Anordnen der Batteriezellen (15) in dem Strangpressprofil, Anordnen der Endplatten (13) in dem Strangpressprofil, umlaufend fluiddichtes Verschweißen der Endplatten (13) mit dem Strangpressprofil.
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