DE102020214892A1 - Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (7) zur Aufnahme von Batteriezellen oder Zellmodulen (15), das einen Metall-Gehäusedeckel (9) aufweist, der an einer Kontaktfläche mit einem Metall-Gehäuseunterteil (11) zusammengefügt ist. Erfindungsgemäß ist der Gehäusedeckel (9) als ein rostfreies Edelstahlblechteil ausgebildet, und zwar für einen Korrosionsschutz in Anwesenheit von Wasser, insbesondere Streusalzwasser, als korrosives Medium.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Fahrzeug gemäß Anspruch 8.
  • Bei einem elektrisch betriebenen, zweispurigen Fahrzeug kann eine Hochvoltbatterie von fahrzeugunten am Fahrzeugboden verbaut sein. In diesem Fall weist die Fahrzeug-Karosserie einen, in der Fahrzeughochrichtung nach fahrzeugunten offenen Montageraum für die Hochvoltbatterie auf. Der Batterie-Montageraum ist nach fahrzeugoben von einem Fahrzeugbodenblech begrenzt.
  • Eine gattungsgemäße Hochvoltbatterie weist ein Batteriegehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen oder Zellmodulen auf. Das Batteriegehäuse ist aus einem, in der Batterie-Einbaulage oberen Metall-Gehäusedeckel sowie einem unteren Metall-Gehäuseunterteil aufgebaut, die an einer Kontaktfläche zusammengefügt sind.
  • Im Hinblick auf gesetzliche Anforderungen muss das Fahrzeug so ausgelegt sein, das ab dem Eintreten eines thermischen Ereignisses in der Hochvoltbatterie eine ausreichend große Evakuier-Zeitdauer verbleibt, innerhalb der die Fahrzeuginsassen das Fahrzeug sicher verlassen können. Bei einem solchen thermischen Ereignis können heiße Abgase bzw. Reaktionsprodukte erzeugt werden, die eine Temperatur von größer als 800°C aufweisen können, wodurch die Gefahr besteht, dass der Gehäusedeckel der Hochvoltbatterie frühzeitig durchbrennt oder aufschmilzt. Um ein solches frühzeitiges Durchbrennen/Aufschmelzen zu vermeiden, ist im Stand der Technik der Gehäusedeckel mit einer Hitze- und/oder Brandschutzlage beschichtet. Zudem kann der Gehäusedeckel mit einer KTL-Beschichtung überzogen sein, die einen Korrosionsschutz für das Gehäusedeckel-Material bereitstellt.
  • Bei einem solchen Gehäusedeckel kann es trotz Korrosionsschutz-Beschichtung (das heißt zum Beispiel KTL-Lack) zu einer Korrosion an den Blechkanten und an den Schraubstellen des Gehäusedeckels zum Gehäuseunterteil kommen. Daher müssen die Blechkanten durch einen geeigneten Kantenschutz (zum Beispiel PVC-Abdichtmasse) abgedichtet werden. Sämtliche Schraubstellen zur Deckelbefestigung müssen zudem mit einer Wachsmasse gewachst werden. Weiterhin müssen im Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit die entsprechenden Stellen am Gehäusedeckel entlackt werden, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zum Gehäuseunterteil bereitzustellen.
  • Die auf den Gehäusedeckel aufgetragene Wachsmasse sowie KTL-Beschichtung weisen eine vergleichsweise niedrige Zündtemperatur auf. Aufgrund der niedrigen Zündtemperatur können die Wachsmasse und die KTL-Beschichtung bei einem thermischen Ereignis, bei dem Temperaturen von über 800°C erreicht werden, anfangen zu brennen. Vor diesem Hintergrund muss im Stand der Technik zusätzlich zur KTL-Beschichtung eine Brandschutzlackierung auf den Gehäusedeckel aufgebracht werden.
  • Zur Herstellung eines solchen konventionellen Gehäusedeckels sind daher eine Anzahl von Fertigungsschritten (Wachsen, Kantenschutz auftragen, Brandschutzlackierung auftragen, KTL-Lack auftragen) erforderlich, die nicht ohne weiteres zu automatisieren sind. Zudem führen die obigen Maßnahmen zu einer Vergrößerung des Bauraumbedarfs des Batteriesystems.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfacher herstellbar ist und einen gesteigerten Korrosions- sowie Hitzeschutz ermöglicht.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass die Hochvoltbatterie in der Einbaulage korrosionsfördernden Umwelteinflüssen, das heißt Wasser, insbesondere Streusalzwasser ausgesetzt ist, das ein stark korrosives Medium ist. Dies gilt insbesondere bei einer Batterie-Einbaulage, bei der die Hochvoltbatterie in einen, von fahrzeugunten offenen Montageraum des Fahrzeugs eingesetzt ist.
  • Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 der Gehäusedeckel aus einem rostfreien Edelstahlblech gefertigt. Von daher ist der Gehäusedeckel einerseits gegen ein Aufschmelzen bei einem thermischen Ereignis in der Hochvoltbatterie geschützt. Andererseits ist der Gehäusedeckel auch gegen Korrosion in Anwesenheit von korrosiven Medien, etwa Streusalzwasser, geschützt.
  • Im Gegensatz zum Gehäusedeckel kann das Gehäuseunterteil zum Beispiel aus einem Leichtmetall gefertigt sein, etwa einer Aluminiumlegierung. In Anwesenheit von korrosiven Medien (zum Beispiel Streusalzwasser) führt diese Materialkombination aus Edelstahl und Aluminium zu einer hohen Korrosionsneigung des Gehäuseunterteils. Um eine Korrosion des Gehäuseunterteils zu vermeiden, ist es daher bevorzugt, zwischen aus rostfreiem Edelstahlblech gefertigten Gehäusedeckel und dem Gehäuseunterteil ein Korrosionsschutz-Material anzuordnen, das einen Korrosionsschutz für das Gehäuseunterteil bereitstellt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der aus Edelstahl gefertigte Gehäusedeckel zumindest an seiner Kontaktfläche zum Metall-Gehäuseunterteil mit einer Korrosionsschutz-Beschichtung überzogen sein. Diese stellt für das Gehäuseunterteil und/oder für die Befestigungsschrauben zur Befestigung des Gehäusedeckels am Gehäuseunterteil einen Korrosionsschutz bereit.
  • In einer technischen Umsetzung kann das Gehäuseunterteil aus Aluminium, insbesondere Aluminium-Druckguss oder dergleichen, gefertigt sein. Als Befestigungsschrauben können bevorzugt verzinkte Stahlschrauben verwendet werden.
  • Bevorzugt ist es, wenn die Korrosionsschutz-Beschichtung eine Metall-Beschichtung ist. Hierzu kann jegliches geeignetes Metall verwendet werden. Auf diese Weise ist der Gehäusedeckel frei von elektrisch nicht leitfähigen Beschichtungen, etwa einer KTL-Beschichtung. Im Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit ist somit ohne Zusatzaufwand eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäuseunterteil bereitgestellt.
  • Bei der Auswahl einer geeigneten Metall-Beschichtung würde für der Fachmann die folgende Vorgehensweise naheliegend sein: So würde der Fachmann mit Bezug auf die elektrochemische Spannungsreihe von Metallen den Edelstahl-Gehäusedeckel mit einer konventionellen Zink-Beschichtung überziehen. Zink ist der elektrochemischen Spannungsreihe nahe am Aluminium positioniert, aus dem das Gehäuseunterteil gefertigt ist. Von daher würde der Fachmann bei Einsatz einer Zink-Beschichtung eine reduzierte Korrosionsneigung des Aluminium-Gehäuseunterteils erwarten.
  • In Abkehr davon ist es jedoch erfindungsgemäß bevorzugt, auf eine solche herkömmliche Zink-Beschichtung aus folgenden Gründen zu verzichten: So ist im Rahmen umfangreichere praktischer Versuche festgestellt worden, dass entgegen der Theorie bei Anwesenheit von Streusalzwasser als stark korrosives Medium eine auf den Edelstahl-Gehäusedeckel aufgebrachte Zinn-Beschichtung die Korrosionsneigung des Aluminium-Gehäuseunterteils wesentlich stärker reduziert als eine konventionelle Zink-Beschichtung, obwohl laut elektrochemischer Spannungsreihe Zinn deutlich edler ist als Zink.
  • Im Hinblick auf einen einwandfreien Korrosionsschutz ist es zudem bevorzugt, wenn die Korrosions-Beschichtung beidseitig sowie vollflächig auf den Gehäusedeckel aufgetragen ist.
  • Ein wesentlicher Erfindungsaspekt betrifft somit den Sachverhalt, dass bei der Gestaltung des Gehäusedeckels auf einen herkömmlichen verzinkten Stahlwerkstoff verzichtet wird und anstelle dessen ein rostfreier Edelstahl mit Zinn-Beschichtung auf beiden Seiten verwendet wird. Ein solcher Werkstoff ist beispielhaft bekannt aus dem Bauwesen bzw. der Dachtechnik und ist geeignet für die Verwendung in Industrieluft sowie in Meeresnähe. Somit ist dieser Werkstoff sehr korrosionsbeständig gegenüber aggressiven Umweltbedingungen, wie es zum Beispiel auch im Außenbereich eines Kraftfahrzeugs der Fall ist. Weiterhin verträgt sich ein solcher Werkstoff hervorragend mit Aluminium (Gehäuseunterteil) und Zink (Befestigungsschrauben). Im Vergleich zu einem herkömmlichen Edelstahl kann es durch die Verzinnung zu keiner Kontaktkorrosion mit Aluminium und Zink kommen. Durch den Einsatz des verzinnten Edelstahlblechteils als Gehäusedeckelwerkstoff werden die folgenden Anforderungen erfüllt: Einerseits bringt der Gehäusedeckel bei einem thermischen Ereignis deutlich mehr Widerstand (das heißt höheren Schmelzpunkt) im Vergleich zu einem herkömmlichen Aluminium oder Kunststoffwerkstoff entgegen. Andererseits ist kein zusätzlicher Fertigungsaufwand erforderlich, um einen einwandfreien Korrosionsschutz sowie eine elektromagnetische Verträglichkeit bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß entfällt eine KTL-Lackierung am Gehäusedeckel. Ebenso entfallen die folgenden Fertigungsschritte, nämlich Auftrag eines Kantenschutzes, Auftrag einer Brandschutzlackierung, Wachsen sämtlicher Deckelverschraubungen sowie Entlacken des Gehäusedeckels im Bereich der Schraubstellen zur elektrischen Kontaktierung (EMV) zwischen dem Gehäuseunterteil und dem Gehäusedeckel. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein deutlich besserer Korrosionsschutz bereitgestellt. Im Kundendienstfall muss nur noch der Gehäusedeckel getauscht werden. Zudem ermöglicht die Erfindung eine deutlich einfachere Automatisierbarkeit beim Batteriegehäuse-Zusammenbau.
  • Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
  • Es zeigen:
    • 1 in einer Seitenschnittdarstellung eine in einer Fahrzeug-Karosseriestruktur eingebaute Hochvoltbatterie; und
    • 2 eine Detailansicht aus der 1.
  • In der 1 ist eine Karosseriestruktur eines zweispurigen Fahrzeugs insoweit angedeutet, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge weist die Karosseriestruktur zwei seitliche, in der Fahrzeuglängsrichtung x verlaufende Schweller 1 auf, von denen in der 1 lediglich ein Schweller 1 gezeigt ist. An einer Unterseite eines Fahrzeugbodens 3 der Karosseriestruktur ist eine Hochvoltbatterie 5 verbaut. Diese erstreckt sich in der Fahrzeugquerrichtung y zwischen den beiden Schwellern 1. Die Hochvoltbatterie 3 ist in der Fahrzeughochrichtung z betrachtet etwa auf gleicher Höhe wie die Schweller 1 positioniert. Innerhalb des Batteriegehäuses 7 sind Zellmodule 15 angeordnet.
  • In der 1 weist die Hochvoltbatterie 5 ein Batteriegehäuse 7 auf, das aus einem oberen Gehäusedeckel 9 sowie einem wannenförmigen Gehäuseunterteil 11 aufgebaut ist. Das Gehäuseunterteil 11 ist über Schraubverbindungen 12 am Schweller 1 montiert. Beim Zusammenbauvorgang wird die Hochvoltbatterie 7 in einer Fügerichtung von fahrzeugunten in einen Montageraum 13 eingesetzt, der nach fahrzeugoben vom Fahrzeugboden 3 begrenzt ist. Anschließend wird die Hochvoltbatterie 5 mit der Fahrzeugkarosserie verschraubt.
  • Das Gehäuseunterteil 9 ist aus einem Aluminium-Druckguss gefertigt. Zudem ist der Gehäusedeckel 9 über Befestigungsschrauben 17 (2) am Gehäuseunterteil 11 verspannt, und zwar unter Zwischenlage eines gehäuseinneren Dichtmittels sowie eines gehäuseäußeren nicht pastösen Spaltfüllmittels. Die Befestigungsschrauben 17 sind als verzinkte Stahlschrauben realisiert.
  • Der Kern der Erfindung besteht im folgenden Materialaufbau des Gehäusedeckels 9: Dieser weist ein rostfreies Edelstahlsubstrat 18 auf, um für den Gehäusedeckel 9 einen einwandfreien Korrosionsschutz in Anwesenheit von Streusalzwasser als korrosives Medium bereitzustellen. Das rostfreie Edelstahlsubstrat 18 ist beidseitig mit Zinn-Beschichtungen 19 überzogen.
  • Ein unmittelbarer Kontakt des Edelstahlsubstrats 18 mit dem Aluminium-Gehäuseunterteil 13 würde nämlich zu einer sehr starken Korrosionsneigung des Aluminium-Gehäuseunterteils 11 führen. Von daher stellen die Zinn-Beschichtungen 19 des Gehäusedeckels 9 für das Aluminium-Gehäuseunterteil 11 und für die verzinkten Stahlschrauben 17 einen Korrosionsschutz bereit.
  • In praktischen Versuchen wurde bei der Korrosionsprüfung folgendes festgestellt: Entgegen dem Fachwissen werden bei Einsatz einer konventionellen Zink-Beschichtung auf dem Edelstahl-Gehäusedeckel 9 keine optimalen Korrosionsschutz-Ergebnisse erzielt. Demgegenüber können die Korrosionsschutz-Ergebnisse erfindungsgemäß durch den Einsatz der Zinn-Beschichtungen 19 wesentlich gesteigert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schweller
    3
    Fahrzeugboden
    5
    Hochvoltbatterie
    7
    Batteriegehäuse
    9
    oberer Gehäusedeckel
    11
    Gehäuseunterteil
    12
    Schraubverbindungen
    13
    Montageraum
    15
    Zellmodule
    17
    Befestigungsschrauben
    18
    Edelstahlsubstrat
    19
    Korrosionsschutz-Beschichtung

Claims (8)

  1. Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (7) zur Aufnahme von Batteriezellen oder Zellmodulen (15), das einen Metall-Gehäusedeckel (9) aufweist, der an einer Kontaktfläche mit einem Metall-Gehäuseunterteil (11) zusammengefügt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (9) als ein rostfreies Edelstahlblechteil ausgebildet ist, und zwar für einen Korrosionsschutz in Anwesenheit von Wasser, insbesondere Streusalzwasser, als korrosives Medium.
  2. Hochvoltbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (9) zumindest an seiner Kontaktfläche zum Gehäuseunterteil (11) mit einer Korrosionsschutz-Beschichtung (19) überzogen ist, und dass die Korrosionsschutz-Beschichtung (19) für das Gehäuseunterteil (11) und/oder für Befestigungsschrauben (17) zur Befestigung des Gehäusedeckels (9) am Gehäuseunterteil (11) einen Korrosionsschutz bereitstellt.
  3. Hochvoltbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseunterteil (11) aus einem im Vergleich zum Edelstahlblechteil unedleren Metall, insbesondere aus Leichtmetall, bevorzugt Aluminium, gefertigt ist, und/oder dass die Befestigungsschrauben (17) verzinkte Stahlschrauben sind.
  4. Hochvoltbatterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutz-Beschichtung (19) frei von elektrisch nicht leitfähigen Beschichtungen, etwa eine KTL-Beschichtung, ist, und dass insbesondere die Korrosionsschutz-Beschichtung (19) eine Metall-Beschichtung aus jeglichem geeigneten Metall ist, wodurch im Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit des Batteriegehäuses (7) eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Gehäusedeckel (9) und dem Gehäuseunterteil (11) bereitgestellt ist.
  5. Hochvoltbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutz-Beschichtung (19) eine Zinn-Beschichtung ist.
  6. Hochvoltbatterie nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutz-Beschichtung (19) beidseitig sowie vollflächig auf den Gehäusedeckel (9) aufgetragen ist.
  7. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (5) in Einbaulage in einen von fahrzeugunten offenen Montageraum (13) des Fahrzeugs eingesetzt ist, so dass die Hochvoltbatterie (5) korrosionsfördernden Umwelteinflüssen, etwa Streusalzwasser-Spritzer, ausgesetzt ist.
  8. Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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