DE102021115543A1

DE102021115543A1 - Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseteils für ein Speichergehäuse mittels Kunststoffurformen, Speichergehäuse, elektrischer Energiespeicher sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021115543A1
Application number: DE102021115543.6A
Authority: DE
Inventors: Oleg Konrad; Franz Maidl; Rudolf Schilling; Manuel Schurz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-06-16
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2022-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen eines Gehäuseteils (1) für ein Speichergehäuse zum Aufnehmen von Energiespeicherzellen (8) eines elektrischen Energiespeichers (2), bei welchem eine zumindest bereichsweise plattenförmige Außenwandung (6) für das Speichergehäuse und eine Verstärkungsstruktur (7) zum Aufnehmen von unfallbedingten Kräften auf das Speichergehäuse gefertigt werden, wobei die Verstärkungsstruktur (7) an einer einem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses zugewandten Innenfläche (9) der Außenwandung (6) angeordnet wird,wobei das Gehäuseteil (1) als ein einstückiges Formteil (3) mit einem ersten Formteilbereich (4) in Form von der Außenwandung (6) und einem zweiten Formteilbereich (5) in Form von der Verstärkungsstruktur (7) ausgebildet wird und zumindest bereichsweise aus einem Thermoplast mittels Kunststoffurformen hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen eines Gehäuseteils für ein Speichergehäuse zum Aufnehmen von Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers. Bei dem Verfahren werden eine zumindest bereichsweise plattenförmige Außenwandung für das Speichergehäuse und eine Verstärkungsstruktur zum Aufnehmen von unfallbedingten Kräften auf das Speichergehäuse gefertigt, wobei die Verstärkungsstruktur an einer, einem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses zugewandten Innenfläche der Außenwandung angeordnet wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Speichergehäuse, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher für Kraftfahrzeuge. Solche elektrischen Energiespeicher können beispielsweise als Traktionsakkumulatoren für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden. Die elektrischen Energiespeicher weisen üblicherweise zumindest einen Zellverbund aus Energiespeicherzellen sowie ein Speichergehäuse auf, in dessen Gehäuseinnenraum der Zellverbund angeordnet ist. Das Speichergehäuse weist üblicherweise mehrere Gehäuseteile, beispielsweise einen Gehäuseboden bzw. ein Gehäuseunterteil sowie einen Gehäusedeckel bzw. ein Gehäuseoberteil auf. Um einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung auf das Speichergehäuse standzuhalten, sind die Gehäuseteile üblicherweise metallisch, beispielsweise aus Stahl, ausgebildet. Diese Stahlbauteile sind aufwändig in der Fügung und der Abdichtung und erhöhen zudem das Gewicht des elektrischen Energiespeichers.
Auch ist es aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 10 2017 103 653 A1 , bekannt, an einem Bodenstrukturelement eines elektrischen Energiespeichers ein Verstärkungsprofil zur Verstärkung des Bodenstrukturelements anzuordnen. Das Bodenstrukturelement ist Teil eines doppelten Bodens des Speichergehäuses, welcher einen Boden-Hohlraum aufweist. Das Verstärkungsprofil ist innerhalb des Boden-Hohlraums angeordnet. Diese Mehrteiligkeit des Speichergehäuses hat einen erhöhten Montageaufwand zur Folge.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gewichtssparendes und einfach zu montierendes Speichergehäuse für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, ein Speichergehäuse, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum zumindest teilumfänglichen Herstellen eines Gehäuseteils für ein Speichergehäuse zum Aufnehmen von Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers. Bei dem Verfahren werden eine zumindest bereichsweise plattenförmige Außenwandung für das Speichergehäuse und eine Verstärkungsstruktur zum Aufnehmen von unfallbedingten Kräften auf das Speichergehäuse gefertigt. Die Verstärkungsstruktur wird dabei an einer einem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses zugewandten Innenfläche der Außenwandung angeordnet. Das Gehäuseteil wird als ein einstückiges Formteil mit einem ersten Formteilbereich in Form von der Außenwandung und einem zweiten Formteilbereich in Form von der Verstärkungsstruktur ausgebildet. Darüber hinaus wird das Gehäuseteil zumindest bereichsweise aus einem Thermoplast mittels Kunststoffurformen hergestellt.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Speichergehäuse für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs mit zumindest zwei Gehäuseteilen, wobei zumindest eines der Gehäuseteile mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Ein elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug weist zumindest einen Zellverbund aus elektrischen Energiespeicherzellen und ein erfindungsgemäßes Speichergehäuse auf, wobei der zumindest eine Zellverbund in dem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses angeordnet ist. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und dient als Traktionsakkumulator bzw. Traktionsbatterie eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs. Die Energiespeicherzellen können prismatische Zellen und/oder Pouchzellen sein. Vorzugsweise sind die Energiespeicherzellen des Zellverbunds zumindest teilweise als Rundzellen ausgebildet. Die Rundzellen weisen ein zylindrisches Zellgehäuse mit einem kreisförmigen Zellboden, einem kreisförmigen Zelldeckel und einem zylinderförmigen Zellmantel auf. Die Rundzellen können beispielsweise stehend nebeneinander angeordnet sein, sodass die Zelldeckel und die Zellböden eine Oberseite und eine Unterseite des Zellverbunds ausbilden.
Das Speichergehäuse weist zumindest zwei Gehäuseteile in Form von einem Gehäuseunterteil und einem Gehäuseoberteil auf. Das Gehäuseunterteil und/oder das Gehäuseoberteil können wannenförmig ausgebildet sein. Das Speichergehäuse kann beispielsweise im Bereich eines Unterbodens des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Zumindest eines der Gehäuseteile, insbesondere das Gehäuseunterteil, ist das einstückige bzw. einteilige Formteil, welches zumindest teilweise aus dem thermoplastischen Material ausgebildet ist. Das Formteil weist zumindest zwei Formteilbereiche auf, welche vorzugsweise in einem einstufigen Herstellungsprozess mittels Kunststoffverarbeitung hergestellt werden. werden. Alternativ dazu können die Formteilbereiche auch separat zueinander mittels Kunststoffverarbeitung hergestellt und zerstörungsfrei unlösbar, beispielsweise mittels Kunststoffschweißen, gefügt werden. Das Kunststoffverarbeitungsverfahren kann beispielsweise Schäumen und/oder Spritzgießen sein.
Der erste Formteilbereich ist dabei die zumindest teilweise plattenförmige Außenwandung, welche eine einer Umgebung des Speichergehäuses zugewandte Außenfläche und die dem Gehäuseinnenraum zugewandte Innenfläche aufweist. Die Außenwandung kann wannenförmig ausgebildet sein und einen plattenförmigen Bodenbereich und einen den plattenförmigen Bodenbereich umgebenden, kragenartigen Randbereich aufweisen. Der Randbereich kann eine Seitenwand des Speichergehäuses ausbilden. Der erste Formteilbereich kann aus zumindest zwei übereinander gestapelten Lagen hergestellt werden, wobei eine erste Lage aus einem Organoblech oder einem Tapegelege und eine zweite Lage aus einem langfaserverstärkten Thermoplast (LFT) hergestellt wird. Beispielsweise kann der erste Formteilbereich eine monolithische Platte, beispielsweise aus Organoblech und einer vollflächigen LFT-Verstärkung in einer definierten Wandstärke, gegebenenfalls inkl. zusätzlicher Verstärkung wie Glas/Kohle/Metallmatten, sein. Auch kann der zweite Formteilbereich eine Sandwichstruktur, beispielsweise aus Tapegelegen oder Organoblechen und einem LFT-Kern, sein.
Der zweite Formteilbereich ist die Verstärkungsstruktur, welche zwischen der Innenfläche der Außenwandung und dem zumindest einen Zellverbund angeordnet ist. Die Verstärkungsstruktur ist dazu ausgelegt, eine auf das Speichergehäuse wirkende, unfallbedingte Kraft aufzunehmen und von den Energiespeicherzellen fernzuhalten. Die Verstärkungsstruktur ist somit als Crashstruktur ausgebildet. Vorzugsweise ist die Verstärkungsstruktur mit einer Rippenstruktur, insbesondere mit einer Waben-Rippen-Struktur, ausgebildet. Die Rippen sind dabei in einer Hochrichtung abstehend von der Innenfläche der Außenwandung ausgebildet und sind insbesondere wabenförmig angeordnet. Die Rippenstruktur bildet beispielsweise einen Abstandshaltebereich aus, auf welcher Zellverbund angeordnet sein kann. Beispielsweise kann die aus den Zellböden gebildete Unterseite des Zellverbunds anliegend an der Rippenstruktur und somit beabstandet zu der Außenwandung angeordnet sein.
Ein Speichergehäuse mit einem solchen Gehäuseteil aus einem thermoplastischen Material mit einer funktionsintegrierten Crashstruktur ist besonders gewichtsarm und kann mit wenigen Montageschritten gefertigt werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Verstärkungsstruktur mit Positionierelementen zum Positionieren der Energiespeicherzellen ausgebildet wird. Das Gehäuseteil weist also zusätzlich eine funktionsintegrierte Positionierung bzw. Halterung für die Energiespeicherzellen auf. Beispielsweise können die als Rundzellen ausgebildeten Energiespeicherzellen zumindest bereichsweise in wabenartigen Kammern der Verstärkungsstruktur, welche durch die wabenförmig angeordneten Rippen ausgebildet sind, angeordnet werden, sodass sich die Rippen entlang der Zellmäntel der Energiespeicherzellen erstrecken Dabei können die Positionierelemente als Abstufungen in der Waben-Rippen-Struktur ausgebildet sein, sodass die Rundzellen bis zu einer vorbestimmten Eindringtiefe in die wabenartigen Kammern eingeschoben werden können. Insbesondere werden die Positionierelemente als Positionierfinnen zum Anordnen in Zwischenräumen zwischen den in einem Zellverbund angeordneten Energiespeicherzellen ausgebildet, wobei die Positionierfinnen abstehend von der Rippenstruktur ausgebildet werden. Beispielsweise können die Rundzellen stehend auf der Rippenstruktur angeordnet werden, wobei die Positionierfinnen in die Zwischenräume zwischen den Energiespeicherzellen ragen, die sich bei Rundzellen aufgrund der zylindrischen Form des Zellmantels ergeben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Zellkontaktiersystem zum Verschalten der Energiespeicherzellen in die Verstärkungsstruktur integriert. Beispielsweise kann ein als Kontaktiermatte ausgebildetes Zellkontaktiersystem in den Schäum- oder Spritzgussprozess integriert werden. Beim Anordnen des Zellverbunds an dem Gehäuseteil werden die Energiespeicherzellen zusätzlich mittels des funktionsintegrierten Zellkontaktiersystems verschaltet.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Das Kraftfahrzeug ist als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Speichergehäuse, für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gehäuseteils für einen elektrischen Energiespeicher;
2 einen Perspektivdarstellung eines Teilausschnitts eines elektrischen Energiespeichers; und
3 eine schematische Schnittdarstellung eines Teilausschnitts des elektrischen Energiespeichers.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Gehäuseteil 1 für einen elektrischen Energiespeicher 2, welcher schematisch und ausschnittsweise in 2 und 3 gezeigt ist. Das Gehäuseteil 1 ist hier als ein Gehäuseunterteil bzw. Gehäuseboden eines Speichergehäuses des elektrischen Energiespeichers 2 ausgebildet. Das Gehäuseteil 1 ist als ein Formteil 3 aus einem thermoplastischen Material ausgebildet und weist zwei nicht zerstörungsfrei lösbare Formteilbereiche 4, 5 auf. Der erste Formteilbereich 4 bildet eine plattenförmige Außenwandung 6 des Speichergehäuses und der zweite Formteilbereich 5 bildet eine Verstärkungsstruktur 7 aus. Diese Verstärkungsstruktur 7 ist eine Crashstruktur und dient zum Schutz von Energiespeicherzellen 8 des Energiespeichers 2 vor crashbedingten Kräften durch Energieabsorption. Die Energiespeicherzellen 8 sind hier als Rundzellen ausgebildet.
Die Energiespeicherzellen 8 sind dabei stehend auf der Verstärkungsstruktur 7 angeordnet, welche an einer Innenfläche 9 der Außenwandung 6 und damit zwischen der Außenwandung 6 und den Energiespeicherzellen 8 angeordnet ist. Die Verstärkungsstruktur 7 weist hier wabenförmig angeordnete Rippen 10 auf, durch welche Wabenkammern 11 gebildet sind. In diesen Wabenkammern 11 können die Energiespeicherzellen 8 bereichsweise angeordnet werden und somit zusätzlich durch die Verstärkungsstruktur 7 gehalten werden. Um einen vorbestimmten Mindestabstand zwischen den Energiespeicherzellen 8 und der Außenwandung 6 aufrechtzuerhalten, sind Positionierelemente 12 vorgesehen, durch welche die Energiespeicherzellen 8 nur bis zu einer bestimmten Eintauchtiefe in die Wabenkammern 11 eintauchen. Die Positionierelemente 12 sind hier als Abstufungen in den Rippen 10 ausgebildet, durch welche eine Breite der Wabenkammern 11 verringert wird.
Auch kann vorgesehen sein, dass in den zweiten Formteilbereich 5, also in die Verstärkungsstruktur 7, ein Zellkontaktiersystem 13 zum Verschalten der Energiespeicherzellen 8 eingefügt wird. Beispielsweise kann der elektrische Kontakt zwischen der Energiespeicherzelle 8 und dem Zellkontaktiersystem 13 gebildet werden, indem die Energiespeicherzellen 8 in die Wabenkammern 11 eingeschoben werden und durch ihr Eigengewicht an das Zellkontaktiersystem 13 angedrückt sind.
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 102017103653 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen eines Gehäuseteils (1) für ein Speichergehäuse zum Aufnehmen von Energiespeicherzellen (8) eines elektrischen Energiespeichers (2), bei welchem eine zumindest bereichsweise plattenförmige Außenwandung (6) für das Speichergehäuse und eine Verstärkungsstruktur (7) zum Aufnehmen von unfallbedingten Kräften auf das Speichergehäuse gefertigt werden, wobei die Verstärkungsstruktur (7) an einer einem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses zugewandten Innenfläche (9) der Außenwandung (6) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (1) als ein einstückiges Formteil (3) mit einem ersten Formteilbereich (4) in Form von der Außenwandung (6) und einem zweiten Formteilbereich (5) in Form von der Verstärkungsstruktur (7) ausgebildet wird und zumindest bereichsweise aus einem Thermoplast mittels Kunststoffurformen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (3) durch Schäumen und/oder Spritzgießen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (7) mit einer Rippenstruktur, insbesondere mit einer Waben-Rippen-Struktur, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (7) mit Positionierelementen (12) zum Positionieren der Energiespeicherzellen (8) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierelemente (12) als Positionierfinnen zum Anordnen in Zwischenräumen zwischen den in einem Zellverbund angeordneten Energiespeicherzellen (8) ausgebildet werden, wobei die Positionierfinnen abstehend von der Rippenstruktur ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellkontaktiersystem (13) zum Verschalten der Energiespeicherzellen (8) während des Kunststoffurformens in den zweiten Formteilbereich (5) integriert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Formteilbereich (4) aus zumindest zwei Lagen hergestellt wird, wobei eine erste Lage aus einem Organoblech oder einem Tapegelege und eine zweite Lage aus einem langfaserverstärkten Thermoplast hergestellt wird.
Speichergehäuse für einen elektrischen Energiespeicher (2) eines Kraftfahrzeugs mit zumindest zwei Gehäuseteilen, wobei zumindest eines der Gehäuseteile (1) mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist
Elektrischer Energiespeicher (2) mit zumindest einem Zellverbund aus elektrischen Energiespeicherzellen (8) und einem Speichergehäuse nach Anspruch 8, wobei der zumindest eine Zellverbund in dem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (2) nach Anspruch 9.