-
Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse zum Aufnehmen wenigstens einer Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Batteriegehäuses.
-
Herkömmliche Batteriegehäuse sind oftmals aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium oder Stahl, hergestellt. Für die Herstellung von Gehäusedeckeln ist auch die Verwendung von Kunststoffen üblich.
-
Als problematisch erweist sich bei der Verwendung von Kunststoffen bei Batteriegehäusen deren relativ geringe mechanische Festigkeit. Demgegenüber besitzen metallische Werkstoffe zwar eine höhere mechanische Festigkeit, sind in der Beschaffung aber teurer als Kunststoffe und besitzen außerdem ein höheres Gewicht als Kunststoffe.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für ein Batteriegehäuse zu schaffen, welche voranstehend erläutertes Problem adressiert.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Grundidee der Erfindung ist demnach, als Material für ein Batteriegehäuse einen faserverstärkten Kunststoff zu verwenden, wobei dessen Fasern sich in wenigstens zwei verschiedenen Gehäuseabschnitten in wenigstens einer Fasereigenschaft voneinander unterscheiden. Diese Maßnahme erlaubt es, das Batteriegehäuse anwendungsspezifisch auszugestalten und auch lokal an unterschiedliche Materialanforderungen - insbesondere hinsichtlich der vom Batteriegehäuse abschnittsweise zu erfüllenden Festigkeitsanforderungen - anzupassen. Insbesondere können Gehäuseabschnitte, die eine besonders hohe mechanische Festigkeit erfordern, durch Anpassung der Fasereigenschaften mit der entsprechenden Festigkeit versehen werden.
-
Besagte Variation der Fasereigenschaft ermöglicht jedoch nicht nur eine Anpassung des Gehäusematerials an die zu erbringende mechanische Festigkeit. Zusätzlich ist es bei der hier vorgeschlagenen Lösung auch möglich, konstruktiven Eigenheiten des Batteriegehäuses Rechnung zu tragen. Hierzu ist in zumindest einem Gehäuseabschnitt ein Faserhalbzeug angeordnet, welches von einer Kunststoffmatrix durchsetzt ist. Hierbei ist die Kunststoffmatrix auf Basis eines Thermoplasts oder Duroplasts gebildet. Geeignete thermoplastische Materialien sind insbesondere Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE). Als Duroplaste können insbesondere sogenannte „Sheet Moulding Compounds (SMC)“ Materialien verwendet werden. Die Kunststoffmatrix kann insbesondere bereits über einen gewissen Füllstoffanteil, vorzugsweise bis zu 35%, verfügen. Hierbei können diverse Füllmaterialien, insbesondere Aramid, Talkum, Ruß, Glas oder Kohlenstoff, auch als Mischung aus wenigstens zwei dieser Materialien, verwendet werden. Die Füllmaterialien können in unterschiedlicher Form, insbesondere als Partikel, Kugeln sowie Fasern, vorliegen. Auch hinsichtlich der Dimensionen, insbesondere hinsichtlich Länge, Dicke oder Durchmesser, können die Füllmaterialien unterschiedlich ausgebildet sein.
-
Im Ergebnis ist mittels des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses ein vergleichsweise leichtgewichtiges und kostengünstiges Batteriegehäuse mit lokal optimierter mechanischer Festigkeit geschaffen.
-
Ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse dient zum Aufnehmen wenigstens einer Batteriezelle. Das Gehäusematerial des Batteriegehäuses ist ein Faserverbundkunststoff, also ein faserverstärkter Kunststoff mit Fasern, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Das Batteriegehäuse umfasst wenigstens einen ersten Gehäuseabschnitt, in welchem sich die Fasern des faserverstärkten Kunststoffes in wenigstens einer Fasereigenschaft von den Fasern des faserverstärkten Kunststoffes in wenigstens einem zweiten Gehäuseabschnitt unterscheiden. Es können auch zwei oder mehr erste Gehäuseabschnitte und, alternativ oder zusätzlich, zwei oder mehr zweite Gehäuseabschnitte vorgesehen sein. Es können weiterhin auch erste, zweite und dritte Gehäuseabschnitte vorgesehen sein, welche sich jeweils in einer Fasereigenschaft voneinander unterscheiden. In Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses ist eine beliebige Anzahl an verschiedenen Gehäuseabschnitten mit jeweils individueller Fasereigenschaft möglich. Zur Bildung dieser unterschiedlichen Bereiche sind Faserhalbzeuge mit unterschiedlichen Eigenschaften an den entsprechenden Stellen angeordnet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kunststoffmatrix im wenigstens einen ersten Gehäuseabschnitt und im wenigstens einen zweiten Gehäuseabschnitt aus demselben dieselbe Matrixwerkstoff gebildet. Dies vereinfacht die Herstellung des Batteriegehäuses und führt somit auch zu Kostenvorteilen bei der Herstellung desselben.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung grenzt der wenigstens eine erste Gehäuseabschnitt unmittelbar an den wenigstens einen zweiten Gehäuseabschnitt an. Dies erlaubt es, das Gehäusematerial hinsichtlich der vorliegenden Fasereigenschaft auch an lokale Gegebenheiten oder Anforderungen, insbesondere in Bezug auf die zu erzielenden Festigkeit, anzupassen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die wenigstens eine Fasereigenschaft. insbesondere des Faserhalbzeugs, eine Faserlänge der Fasern sein.
-
Besonders bevorzugt ist die wenigstens eine Fasereigenschaft eine Ausbildung der Fasern als Kurzfasern mit einer Faserlänge < 5 mm. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Fasereigenschaft aber auch eine Ausbildung der Fasern als Langfasern mit einer Faserlänge von wenigstens 5 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 50 mm, sein. Dies erlaubt es, die Fasern als freifließende Wirrfasern auszubilden.
-
Besonders zweckmäßig ist die wenigstens eine Fasereigenschaft eine Ausbildung der Fasern als Fasergewebe. Dabei bilden die Fasern die Kett- und Schussfäden des Fasergewebes. Ein solches Fasergewebe besitzt eine besonders hohe mechanische Festigkeit, wodurch ein derartig verstärkter Gehäuseabschnitt in Längs- und Querrichtung mit einer erhöhten und somit verbesserten Festigkeit versehen wird.
-
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann die wenigstens eine Fasereigenschaft eine Ausbildung der Fasern als Fasergelege sein. Ein solches Fasergelege kann eine, zwei oder mehrere Lagen von parallel zueinander verlaufenden, gestreckten Fasern umfassen. Die können Fasern an Kreuzungspunkten aneinander fixiert sein. Die Fixierung aneinander kann dabei mittels Stoffschlusses, Kraftschlusses oder Formschlusses erfolgen. Hierbei verfügt der Gehäuseabschnitt in Längsrichtung der Fasern über eine höhere Zugfestigkeit als in Querrichtung.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können das Fasergewebe oder/und das Fasergelege in Kombination mit Kurzfasern oder/und mit Langfasern vorgesehen sein. Diese Maßnahme führt zu einer weiteren Erhöhung der mechanischen Festigkeit des derart ausgebildeten Gehäuseabschnitts des Batteriegehäuses.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die wenigstens eine Fasereigenschaft eine Ausbildung der Langfasern als genadelte Fasermatte sein. Auch eine solche Fasermatte besitzt eine besonders hohe mechanische Festigkeit, so dass der derart verstärkte Gehäuseabschnitt auch höheren Belastungen Stand hält.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Volumenanteil der Fasern im faserverstärkten Kunststoff durch das Faserhalbzeug zwischen 30% und 70% betragen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriegehäuse wenigstens einen Abschnitt mit einer Rippenstruktur oder/und wenigstens einen Flansch-Abschnitt oder/und wenigstens einen Abschnitt mit einer Oberflächenstruktur auf. Bei dieser Weiterbildung sind in diesem (Flansch-)Abschnitt die Fasern als Langfasern ausgebildet.
-
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriegehäuse wenigstens einen Gehäuseabschnitt auf, in welchem das Batteriegehäuse eben ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform sind in diesem Gehäuseabschnitt die Fasern des Faserhalbzeugs als Endlosfasern ausgebildet, welche vorzugsweise als Matte geformt sind.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Batteriegehäuses. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Verfahren. Gemäß dem Verfahren wird das Batteriegehäuse aus einem faserverstärkten Kunststoff mit in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern hergestellt. Gemäß dem Verfahren werden wenigstens ein erster Gehäuseabschnitt und wenigstens ein zweiter Gehäuseabschnitt des Batteriegehäuses erzeugt, wobei sich die Fasern des faserverstärkten Kunststoffes im ersten Gehäuseabschnitt in wenigstens einer Fasereigenschaft von den Fasern des zweiten Gehäuseabschnitts unterscheiden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der wenigstens eine erste Gehäuseabschnitt und der wenigstens eine zweite Gehäuseabschnitt aus unterschiedlichen Kunststoff-Halbzeugen, insbesondere aus einer Kunststoffmatrix und einem Faserhalbzeug, hergestellt. Hierzu ist in zumindest einem der Gehäuseabschnitte, welcher eine höhere Festigkeit aufweisen soll, ein Faserhalbzeug angeordnet, welches von der Kunststoffmatrix durchtränkt wird. In einem anderen Gehäuseabschnitt kann kein oder ein anders ausgebildetes Faserhalbzeug angeordnet sein.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses in perspektivischer Darstellung,
- 2 das Batteriegehäuse der 1 in einer Explosionsdarstellung.
-
Die 1 illustriert in perspektivischer Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses 1. Das Batteriegehäuse 1 dient zum Aufnehmen mehrerer, in der 1 nicht dargestellter Batteriezellen. Das Gehäusematerial des Batteriegehäuses 1 ist ein faserverstärkter Kunststoff mit in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern. Die Fasern sind zumindest teilweise zu einem Faserhalbzeug geformt. Der Volumenanteil der Fasern im faserverstärkten Kunststoff beträgt im Beispiel zwischen 30% und 70%. Als Werkstoff für die Fasern kann Glas, Aramid oder Kohlenstoff - auch in Kombination - verwendet werden.
-
Das Batteriegehäuse 1 umfasst erste Gehäuseabschnitte 2a und zweite Gehäuseabschnitte 2b, wobei die zweiten Gehäuseabschnitte 2a an mehreren Stellen unmittelbar an die ersten Gehäuseabschnitte 2a angrenzen. Die Fasern in den ersten Gehäuseabschnitten 2a sind im Beispiel als Endlosfasern ausgebildet. Die Fasern in den zweiten Gehäuseabschnitten 2b sind im Beispiel als fließfähige Langfasern realisiert, welche in der Kunststoffmatrix enthalten sind. Die Kunststoffmatrix der ersten Gehäuseabschnitte 2a und der zweiten Gehäuseabschnitte 2b ist aus demselben Matrixwerkstoff gebildet. Als Material für die Kunststoffmatrix kommen Thermoplaste, beispielsweise Polypropylen, sowie Duroplaste, beispielsweise sogenannte „Sheet Moulding Compounds (SMC)“, in Betracht.
-
Die Langfasern können eine Faserlänge zwischen 5 mm und 50 mm aufweisen. Eine Ausbildung der Langfasern als genadelte Fasermatte ist in einer Variante des Faserhalbzeugs ebenfalls vorstellbar. In einer nicht gezeigten Variante können anstelle von Langfasern auch Kurzfasern mit einer Faserlänge von weniger als 5 mm verwendet werden. In einer weiteren Alternative ist sowohl für die ersten als auch zweiten Gehäuseabschnitte 2a, 2b die Verwendung eines Fasergewebes bzw. eines Fasergeleges ist als Faserhalbzeug vorstellbar. Auch eine Kombination des Fasergewebes bzw. des Fasergeleges mit Kurzfasern oder/und mit Langfasern ist möglich.
-
Im Beispiel der Figuren sind die ersten Gehäuseabschnitte 2a im Wesentlichen eben ausgebildet, so dass sich die Verwendung von Endlosfasern als besonders vorteilhaft erweist. Demgegenüber weist das Batteriegehäuse 1 im Bereich der zweiten Gehäuseabschnitte 2b Rippenstrukturen 3 auf, so dass sich hier die Verwendung von fließfähigen Langfasern empfiehlt.
-
Das voranstehend beschriebene Batteriegehäuse 1 kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung unterschiedlicher Kunststoff-Halbzeuge, insbesondere aus der Kunststoffmatrix und dem Faserhalbzeug, hergestellt und so bereichsweise an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden.
