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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuseelement für Energiespeichergehäuse, ein Energiespeichergehäuse sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseelements.
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Um die geforderten Reichweiten zu erfüllen, weisen teil- und vollelektrisch betriebene Kraftfahrzeuge große Energiespeicher auf, welche entsprechend große Energiespeichergehäuse benötigen. Bei Personenkraftwagen nehmen derartige Energiespeichergehäuse oftmals einen großen Bereich des Unterbodens des jeweiligen Fahrzeugs ein. Die Herstellung derartiger Gehäuse bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Problematisch ist in diesem Zusammenhang insbesondere das Gewicht. Aufgrund der Größe der Bauteile ergeben sich zudem hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Fertigungsverfahren gewisse Einschränkungen. So ist es beispielsweise anlagentechnisch nicht ohne weiteres möglich, Druckgussbauteile in beliebiger Größe herzustellen. Aufgrund der oft exponierten Einbausituation, vgl. den vorgenannten Unterboden, sind zudem die Anforderungen hinsichtlich Crash-Verhalten oder sonstiger mechanischer Einwirkungen sowie der Korrosionsschutz wichtige Themen. Auch im Falle eines thermischen Events innerhalb des Energiespeichers selbst sind an derartige Gehäuse hohe Anforderungen gestellt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuseelement für ein Energiespeichergehäuse, ein Energiespeichergehäuse sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseelements anzugeben, wobei die vorgenannten Nachteile beseitigt und insbesondere ein Gehäuseelement angegeben werden soll, welches bei optimalen mechanischen Eigenschaften kostengünstig zu fertigen ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuseelement gemäß Anspruch 1, durch ein Energiespeichergehäuse gemäß Anspruch 11 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Gehäuseelement für ein Energiespeichergehäuse einen Anordnungsbereich, welcher zur Anordnung einer Vielzahl von Energiespeicherzellen ausgelegt ist, wobei das Gehäuseelement im Anordnungsbereich zumindest bereichsweise, bevorzugt vollflächig, doppelwandig ausgebildet ist, umfassend eine Außenwand und eine Innenwand, wobei die Außenwand durch ein Leichtmetallblech, insbesondere ein Aluminiumblech, gebildet ist, und wobei die Innenwand durch ein an der Außenwand angeordnetes Verstärkungselement gebildet ist. Zweckmäßigerweise bringt die Verwendung eines Leichtmetallblechs, wie des Aluminiumblechs, den Vorteil mit sich, dass auf einen aufwändigen Korrosionsschutz verzichtet werden kann. Zudem zeichnet sich beispielsweise das Aluminiumblech durch sein geringes spezifisches Gewicht aus. Das Verstärkungselement kann explizit dahingehend ausgelegt werden, die Außenwand im Anordnungsbereich zu verstärken, wobei zum einen die Verstärkung gegen mechanische Einwirkungen von „außen“ gemeint ist, wie auch von „innen“, im Falle eines thermischen Events im Energiespeicher. Hierbei kann es zu einem explosionsartigen Druckanstieg im Energiespeicher kommen, welcher hohe Anforderungen an die thermische/mechanische Belastbarkeit des Energiespeichergehäuses sowie seiner Bestandteile stellt. Vorliegend können diese mit Vorteil gezielt über das Verstärkungselement erfüllt werden, während das Gehäuseelement als solches, insbesondere im Bereich des Anordnungsbereichs, kostengünstig aus einem Aluminiumblech hergestellt ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Verstärkungselement ein Stahlblech. Die Verwendung von Stahl als Werkstoff ist vorteilhaft, da dieser relativ günstig ist und funktional viele Vorteile bietet, z. B. bei Crash-Lasten. Hervorzuheben sind in diesem Zusammenhang insbesondere die hohe Zugfestigkeit sowie die hohe Zähigkeit von Stahlwerkstoffen. Mit Vorteil ermöglicht die Stahlschicht oder Stahllage einen sehr guten thermischen Schutz im Falle eines thermischen Events, wie gerade beschrieben. Im Falle eines Kurzschlusses innerhalb eines Hochvoltspeichers können Temperaturen von bis zu 1000° C und mehr entstehen, welche Aluminium zum Schmelzen bringen würden. Das Stahlblech ermöglicht vorteilhafterweise eine gezielte und dauerhafte Verstärkung des Gehäuseelements.
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Gemäß einer Ausführungsform wird als Stahlwerkstoff ein hochfester Stahl verwendet. Beispielsweise werden mit diesem die nachfolgend erwähnten dünnen Wandstärken bis runter zu 0,3 mm ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verstärkungselement, ein- oder beidseitig mit einer Korrosionsschutzschicht versehen. Ein Stahlblech ist bevorzugt KTL oder PVC-beschichtet (KTL - kathodische Tauchlackierung, PVC - Polyvinylchlorid).
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Verstärkungselement als Einzelteil beschichtet, insbesondere KTL-beschichtet (Einzelteil-KTL). Alternativ ist das Verstärkungselement aus einem ein- oder beidseitig, insbesondere organisch, beschichteten Bandmaterial gewonnen oder erzeugt. (Organische) Bandbeschichtungs- oder Coil-Coating-Verfahren ermöglichen eine Verfahrensvereinfachung, da das Verstärkungselement schnell und effizient über ein entsprechenden Ablängen des Bandmaterials erzeugt werden kann.
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Bevorzugt ist die vorgenannte Beschichtung insbesondere an der zur Anordnung der Energiespeicherzellen orientierten Seite des Verstärkungselements ausgebildet. Dies ermöglicht die mittelbare oder unmittelbare Anordnung der Energiespeicherzellen, beispielsweise mittels Kleben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verstärkungselement, also insbesondere das Stahlblech, welches gemäß einer bevorzugten Ausführungsform KTL-beschichtet ist, flach oder eben bzw. plan ausgebildet. Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass wenig Bauraum verschenkt wird. Zudem kann, je nach Einbaulage des Gehäuseelements, die Schwerpunktlage des Kraftfahrzeugs gesenkt werden. Dabei ist der Ausdruck „flach“ oder „eben“ bzw. „plan“ nicht dahingehend zu verstehen, dass das Verstärkungselement/Stahlblech keine Sicken oder Kanten zur gezielten mechanischen Versteifung aufweisen kann. Das Verstärkungselement oder Stahlblech weist aber bevorzugt keine Profil-, Kammerstruktur, Hohlstruktur oder dergleichen auf.
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Das Gesagte gilt analog und entsprechend für die Außenwand im Anordnungsbereich, welche ebenfalls bevorzugt im vorgenannten Sinne flach oder eben bzw. plan ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt ein Verhältnis einer Wandstärke der Innenwand zur Außenwand im Anordnungsbereich bei 0,08 bis 0,9, insbesondere bei 0,1 bis 0,6 oder auch 0,2 bis 0,5. Versuche haben gezeigt, dass im Bereich der vorgenannten Verhältnisse ein optimales Leistungsgewicht erzielt werden kann. Dies bedeutet, dass ein Gehäuseelement, bei dessen Herstellung die vorgenannten Verhältnisse berücksichtigt wurden, höchsten mechanischen Belastungen standhält und dabei ein geringes Gewicht aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verstärkungselement/Stahlblech eine Wandstärke von 0,5 bis 1,2 mm auf. Gemäß einer Ausführungsform weist das Aluminiumblech im Anordnungsbereich eine Wandstärke von 1,5 bis 3,5 mm auf. Ein dazwischen ausgebildete Klebstoffschicht weist eine Dicke von bevorzugt 0,3 bis 0,7 mm auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verstärkungselement, insbesondere das Stahlblech, eine Wandstärke von bevorzugt 0,8 bis 1,2 mm auf, insbesondere bevorzugt von etwa 1 mm. Das Aluminiumblech weist im Anordnungsbereich dabei bevorzugt eine Wandstärke in einem Bereich von 1,5 bis 2,5 mm auf, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 1,7 bis 2,3, ganz besonders bevorzugt von etwa 2 mm.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verstärkungselement eine Dicke von 0,5 bis 0,9 mm auf, insbesondere bevorzugt von 0,7 mm. Das Aluminiumblech weist im Anordnungsbereich eine Wandstärke von bevorzugt 1,5 bis 2,5 mm auf, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1,7 bis 2,3 mm, ganz besonders bevorzugt von 2 mm.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verstärkungselement/Stahlblech eine Wandstärke von 0,5 bis 0,9 mm auf, besonders bevorzugt von 0,7 mm. Gemäß einer Ausführungsform weist das Aluminiumblech im Anordnungsbereich eine Wandstärke von 2,5 bis 3,5 mm auf, besonders bevorzugt von 2,7 bis 3,3 mm, ganz besonders bevorzugt von 3 mm.
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Insbesondere bei Verwendung eines hochfesten Stahlwerkstoffs können die vorgenannten Untergrenzen auf 0,3 mm erniedrigt werden.
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Bei den drei vorgenannten Ausführungsformen gilt, dass eine Klebstoffschicht, welche gemäß einer Ausführungsform zur Verbindung der Außenwand und der Innenwand verwendet wird, bei bevorzugt 0,3 bis 0,7 mm bzw. insbesondere bevorzugt bei 0,5 mm liegt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Verstärkungselement zumindest abschnittsweise an der Außenwand form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig befestigt. Zweckmäßigerweise ist das Verstärkungselement dreh- und/oder schubfest an der Außenwand befestigt. Die Befestigung kann flächig oder auch bereichsweise, wie beispielswiese punktförmig, ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Verstärkungselement mittels Klebeband, mittels Klebstoff, mittels Stanznieten und/oder Crimpen an der Außenwand befestigt.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Außenwand und die Innenwand vollflächig mittels Klebstoff befestigt, vgl. die vorgenannten Beispiele.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Außenwand im Anordnungsbereich integral ausgebildete Nieten oder Nietelemente auf. Diese sind zweckmäßigerweise ausgelegt, in entsprechenden Öffnungen des Verstärkungselements bzw. des Stahlblechs eingeführt und entsprechend umgeformt zu werden. Das integrale Ausformen der Nieten bringt den Vorteil mit sich, dass die Außenwand nicht „zerstört“ wird, beispielsweise durch das Einbringen von Löchern oder dergleichen. Werden in die Außenwand Löcher eingebracht, sind diese zweckmäßigerweise vor Korrosion zu schützen, beispielsweise mittels PVC-Auftrag etc.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Gehäuseelement einen Mittelteil bzw. weist einen solchen auf, welcher den Anordnungsbereich formt oder zumindest teilweise formt, wobei jeweils stirnseitig an dem Mittelteil Stirnteile befestigt sind. Zweckmäßigerweise weist das Gehäuseelement als solches einen zweckmäßigerweise dreiteiligen Aufbau auf, nämlich den vorgenannten Mittelteil sowie jeweils zwei Stirnteile.
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Das Gehäuseelement weist als solches zweckmäßigerweise eine Wannenform auf. Über die Wannenform wird mit Vorteil das nötige Volumen des Anordnungsbereichs erzeugt, welches zur Anordnung einer möglichst großen Zahl von Energiespeicherzellen nötig ist. Vorliegend werden bevorzugt prismatische Zellen verwendet, ganz besonders bevorzugt Rundzellen, welche gemäß einer Ausführungsform insbesondere stehend im Anordnungsbereich angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stirnteile Gussbauteile, insbesondere Aluminiumdruckgussbauteile. Alternativ handelt es sich um Blechbauteile, insbesondere Aluminiumblechbauteile, aus welchen zweckmäßigerweise auch das Mittelteil geformt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mitteilteil als umgeformte, beispielsweise abgekantete, Aluminiumblechwanne ausgebildet, welche den Anordnungsbereich sowie zwei Seitenwände aufweist. Diese Form wird zweckmäßigerweise über die Stirnteile weitergeführt, sodass im Ganzen ein wannenförmiges Gehäuseelement ausgebildet ist.
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Zweckmäßigerweise weist das Gehäuseelement umlaufend einen Flanschbereich auf, welcher insbesondere zur form- und/oder kraftschlüssigen Befestigung eines weiteren Gehäuseelements, beispielsweise eines Deckelelements, ausgelegt ist. Der Flanschbereich ist gemäß einer Ausführungsform parallel zum Anordnungsbereich orientiert. Das Deckelelement kann aus einem metallischen oder nicht-metallischen Werkstoff hergestellt sein. Auch die Verwendung von Verbundmaterialien kann hier vorteilhaft sein.
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Die Befestigung der Stirnteile am Mittelteil erfolgt zweckmäßigerweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verbindung/Befestigung mittels Schmelzschweißen, insbesondere MIG-Schweißen (MIG - Metallinertgasschweißen).
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Durch die Aluminiumgrundstruktur können mit MIG-Schweißen je nach Anforderung und Komplexität die Stirnteile in Aluminiumblech und Aluminiumguss dargestellt werden. Gerade beim Einsatz der Gusstechnologie können weitere Integrationspotenziale zum Tragen kommen. Insbesondere können in die Stirnteile beispielsweise weitere Funktionen integriert werden, wie Halter(-Elemente), Befestigungspunkte etc.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuseelement ein Gehäuseunterteil eines elektrischen Energiespeichergehäuses.
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Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches Energiespeichergehäuse, umfassend ein erfindungsgemäßes Gehäuseelement, wobei das Gehäuseelement ein Gehäuseunterteil ist, an welchem ein Gehäuseoberteil, insbesondere lösbar, befestigt ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseelements, umfassend die Schritte:
- - Herstellen eines Gehäuseelements, umfassend einen Anordnungsbereich zur Anordnung einer Vielzahl von Energiespeicherzellen aus einem Leichtmetallblech, insbesondere einem Aluminiumblech;
- - Verstärken des Anordnungsbereichs durch Anordnen eines Verstärkungselements, insbesondere aus Stahlblech.
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Zweckmäßigerweise stellt das Stahlblech bzw. die Stahlschicht eine funktionale Verstärkung der Leichtmetall-/Aluminiumstruktur dar. Die Stahlschicht weist einen guten thermischen Schutz bei Batteriezell-Kurzschlüssen auf, bei welchen Temperaturen von 1000° C und mehr erreicht werden können. Die Bauweise bietet zudem weitere Potentiale hinsichtlich der Stirnteile vorne und hinten. Durch die Aluminiumgrundstruktur können mit MIG-Schweißen je nach Anforderung und Komplexität die Anschlussbauteile in Aluminiumblech und/oder Aluminiumguss dargestellt werden. Gerade beim Einsatz der Gusstechnologie können mit Vorteil weitere Integrationspotentiale zum Tragen kommen.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Formen eines Mittelteils;
- - Anordnen von Stirnteilen an dem Mittelteil zum Herstellen des Gehäuseelements;
- - Einlegen des Verstärkungselements.
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Das Gehäuseelement als solches ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dreiteilig ausgebildet, umfassend den Mittelteil sowie zwei Stirnteile. Das Verstärkungselement wird bevorzugt nach dem Fügen der Stirnteile eingelegt und befestigt. Der dreiteilige Aufbau ist vorteilhaft, da er beispielsweise eine sehr einfache Ausgestaltung des Mittelteils als umgeformtes oder abgekantetes Leichtmetallblech ermöglicht. Die Stirnteile können beispielsweise mittels Gießen, insbesondere im Druckguss, erzeugt werden. Zweckmäßigerweise wird der gleiche Werkstoff verwendet wie beim Mittelteil, wobei es sich hierbei nicht exakt um die gleiche Legierung handeln muss.
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Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen auf dem Verstärkungselement stoffschlüssig befestigt, insbesondere mittels Klebstoff. Bevorzugt weist das Verstärkungselement zu den Energiespeicherzellen hin gerichtet eine Beschichtung auf, welche als Klebefläche dient. Die Beschichtung ist beispielsweise eine KTL-Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung zum Korrosionsschutz, wie beispielsweise auch eine Zinkschicht oder die vorerwähnte organische Beschichtung, welche im Zusammenhang mit den beschichteten Bandmaterial erwähnt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist auf dem Verstärkungselement, gemäß einer Ausführungsform stoffschlüssig, ein Zwischenelement angeordnet, wobei auf dem Zwischenelement, bevorzugt stoffschlüssig, die Energiespeicherzellen angeordnet/befestigt sind. Das Zwischenelement, welches bevorzugt plattenförmig ausgebildet ist, ist gemäß einer Ausführungsform aus einem Kunststoff geformt oder gebildet, beispielsweise aus einem geschäumten Kunststoff, wie EPP (expandiertes Polypropylen).
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Gehäuseelementen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Gehäuseelements;
- 2: den Schnitt A-A, wie in der 1 angedeutet;
- 3: den Schnitt B-B, wie in der 1 angedeutet.
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1 zeigt schematisch und in einer Draufsicht ein Gehäuseelement 1, vorliegend insbesondere ein Gehäuseunterteil eines Energiespeichergehäuses, wie eines Hochvoltspeichergehäuses eines Kraftfahrzeugs, welches einen Mittelteil 10 sowie zwei Stirnteile 20 aufweist. Das Gehäuseelement 1 weist einen Anordnungsbereich 3 auf, in welchem ein Verstärkungselement 40, insbesondere bevorzugt ein Stahlblech, angeordnet bzw. befestigt ist. Vorliegend ist das Verstärkungselement 40, welches im Anordnungsbereich 3 eine Innenwand 40 formt, nur teilweise dargestellt, so dass zumindest im rechten unteren Bereich eine Außenwand 30 des Gehäuseelements 1 sichtbar ist. Umlaufend ist an dem Gehäuseelement 1 ein Flanschbereich 4 ausgebildet, insbesondere zur Anordnung eines hier nicht gezeigten Gehäuseoberteils. Weitere Merkmale werden in der Zusammenschau mit den 2 und 3 erklärt.
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2 zeigt den Schnitt A-A, wie in der 1 skizziert. Zu erkennen ist das Mittelteil 10, welches im Anordnungsbereich die Innenwand 40 sowie die Außenwand 30 aufweist. Zu erkennen ist in dieser Ansicht insbesondere die wannenförmige Ausgestaltung des Mittelteils, wobei sich im Wesentlichen senkrecht zum Anordnungsbereich 3 entsprechende Seitenwände, vorliegend nach oben, weg erstrecken (ohne Bezugszeichen). Umlaufend ist der Flanschbereich 4 zu erkennen.
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3 zeigt die Ansicht B-B. Das Gehäuseelement 1 ist vorliegend von der Seite dargestellt. Zu erkennen sind auch hier die Außenwand 30 sowie die Innenwand 40 im Anordnungsbereich 3 (gestrichelt dargestellt). Zu erkennen ist, dass die Stirnteile 20 derart ausgebildet sind, dass sie zumindest teilweise den Anordnungsbereich 3 mit formen. Bezugszeichen 2 bezeichnet ein Gehäuseoberteil, welches zweckmäßigerweise form- und/oder kraftschlüssig am Gehäuseelement 1, welches bevorzugt als Gehäuseunterteil ausgebildet ist, befestigt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuseelement, Gehäuseunterteil
- 2
- Gehäuseoberteil
- 3
- Anordnungsbereich
- 4
- Flanschbereich
- 10
- Mittelteil
- 20
- Stirnteil
- 30
- Außenwand
- 40
- Innenwand, Verstärkungselement
