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Die Erfindung betrifft eine Abdeckeinheit zum Verschließen eines Batteriegehäuses eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, ein Batteriegehäuse für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung einer Abdeckeinheit zum Verschließen eines Batteriegehäuses eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Abdeckeinheiten und Batteriegehäuse sind grundsätzlich bekannt. Abdeckeinheiten sind zum Verschließen von Batteriegehäusen vorgesehen. In Batteriegehäusen werden Batteriezellen, die gegebenenfalls in einem oder mehreren Batteriemodulen zusammengefasst werden, angeordnet. Ein mit der Abdeckeinheit verschlossenes Batteriegehäuse wird üblicherweise im Unterboden eines Fahrzeugs vorgesehen. Batteriegehäuse und die entsprechenden Abdeckeinheiten werden überwiegend aus Metall, insbesondere aus Aluminium, hergestellt. Metallische Batteriegehäuse und metallische Abdeckeinheiten haben den Vorteil, dass diese materialinhärent eine elektromagnetische Abschirmung bieten.
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Batteriegehäuse und Abdeckeinheiten aus Aluminium bieten zwar verschiedene Vorteile, weisen jedoch auch Nachteile auf. Insbesondere sind solche Batteriegehäuse und Abdeckeinheiten teuer, da der Rohstoff Aluminium einen hohen Preis aufweist und die Herstellung von Bauteilen aus Aluminium regelmäßig hohe Kosten verursacht, beispielsweise durch ein Umform- oder Druckgussverfahren.
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Ferner weisen Batteriegehäuse und Abdeckeinheiten aus Aluminium ein hohes Gewicht auf. Da elektrisch angetriebene Fahrzeuge aufgrund der mitgeführten Batterien ohnehin ein hohes Gewicht aufweisen, ist es ein Ziel der Automobilindustrie, Gewichtsersparnisse zu erreichen. Außerdem ist es eine Anforderung der Automobilindustrie, dass die Batteriegehäuse und die Abdeckeinheiten zum Verschließen der Batteriegehäuse ein möglichst geringes Volumen aufweisen.
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Eine weitere Anforderung an Batteriegehäuse und Abdeckeinheiten ist eine hohe Steifigkeit. Insbesondere durch den Einsatz des Batteriegehäuses und der Abdeckeinheit in einem Unterboden eines Fahrzeugs, ist eine hohe Steifigkeit von hoher Bedeutung. Ferner sollten die Batteriegehäuse und die Abdeckeinheiten eine hohe Unfallsicherheit aufweisen, sodass auch bei einem Unfall, die Batterien keine Gefahr darstellen.
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Die
DE102019201986A1 offenbart ein Batteriegehäuse zur Aufnahme wenigstens eines Zellmoduls einer Traktionsbatterie. Die
CN216928825U offenbart ein Batteriepack, welches eine Box, eine Boxabdeckung, eine Pufferlage und eine interne Struktur aufweist. Die
US20170217503A1 offenbart ein Batteriegehäuse für eine Traktionsmotorbatterie eines Fahrzeugs. Die
DE102012213308A1 offenbart eine Batteriepackgehäuseanordnung für ein Elektro- oder ein Hybridfahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Die
KR102020032455A offenbart ein Verstärkungsmaterial für ein Batteriepack.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Abdeckeinheit zum Verschließen eines Batteriegehäuses eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, ein Batteriegehäuse für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung einer Abdeckeinheit zum Verschließen eines Batteriegehäuses eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Es ist insbesondere eine Aufgabe, eine Lösung bereitzustellen, die einen gewichtsreduzierenden und/oder kostengünstigeren Einbau von Batterien in elektrisch angetriebene Fahrzeuge ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Abdeckeinheit und einem Verfahren nach den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Abdeckeinheit zum Verschließen eines Batteriegehäuses eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftfahrzeugs, umfassend ein Abdeckelement mit einer Oberseite und einer im bestimmungsgemäßen Betrieb einem Innenraum des Batteriegehäuses zugewandten Unterseite, das aus einem Faserverbundmaterial besteht oder dieses umfasst, wobei das Abdeckelement ein wellenförmiges Profil mit Höhenabschnitten und Tiefenabschnitten aufweist, mindestens ein erstes streifenförmiges Verstärkungselement und mindestens ein zweites streifenförmiges Verstärkungselement, die jeweils aus mindestens einem Faserverbundtape ausgebildet sind, wobei das mindestens eine erste Verstärkungselement in einem der Höhenabschnitte und das mindestens eine zweite Verstärkungselement in einem der Tiefenabschnitte angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass eine Abdeckeinheit zum Verschließen eines Batteriegehäuses aus einem Faserverbundmaterial lediglich dann einsetzbar ist, wenn diese die erforderliche Steifigkeit aufweist. Bekannte Versteifungsmittel für Abdeckeinheiten haben den Nachteil, dass diese entweder keine ausreichende Steifigkeit bieten oder diese Versteifungsmittel das Gewicht negativ beeinflussen. Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass ein Abdeckelement mit einem wellenförmigen Profil, das mittels streifenförmigen Verstärkungselementen verstärkt ist, die erforderliche Steifigkeit und ein geringes Gewicht aufweist.
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Der Erfindung liegt darüber hinaus die Erkenntnis zugrunde, dass bekannte Verstärkungselemente, beispielsweise als Einlagen in einer Kunststoffform, derart hohe Kosten bei der Herstellung verursachen, dass eine wirtschaftliche Serienfertigung nicht oder lediglich bedingt möglich ist. Da die streifenförmigen ersten und zweiten Verstärkungselemente auch kostengünstig außerhalb einer Kunststoffform anbringbar sind, bieten diese die erforderliche Kosteneffizienz.
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Die Abdeckeinheit ist zum Verschließen eines Batteriegehäuses vorgesehen. Dies bedeutet insbesondere, dass die Abdeckeinheit als Deckel für ein Batteriegehäuse wirken kann. Das mit der Abdeckeinheit zu schließende Batteriegehäuse weist vorzugsweise fünf geschlossene und eine mit der Abdeckeinheit zu schließende offene Seite auf.
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Die Abdeckeinheit umfasst das Abdeckelement. Das Abdeckelement besteht im Wesentlichen aus einem Faserverbundmaterial. Dies schließt nicht aus, dass das Abdeckelement in geringem Maße weitere Materialien aufweist. Das Faserverbundmaterial des Abdeckelements kann kurze, diskontinuierliche oder kontinuierliche Fasern aufweisen. Es ist bevorzugt, dass eine Matrix des Faserverbundmaterials des Abdeckelements thermoplastisch ausgebildet ist, um eine bessere Recycelbarkeit zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Faserverbundmaterial feuerresistent oder feuerfest ausgebildet ist.
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Das Abdeckelement weist das wellenförmige Profil mit Höhenabschnitten und Tiefenabschnitten auf. Unter einem wellenförmigen Profil ist insbesondere ein nicht ebenes Profil zu verstehen. Das wellenförmige Profil weist insbesondere zwei oder mehr Wellen auf, die beispielsweise eckig oder rund ausgebildet sein können. Das wellenförmige Profil weist Höhenabschnitte und Tiefenabschnitte auf. Dies bedeutet insbesondere, dass die Höhenabschnitte eine erste Ebene und die Tiefenabschnitte eine zweite Ebene definieren, wobei im bestimmungsgemäßen Betrieb der Abdeckeinheit die erste Ebene vertikal über der zweiten Ebene angeordnet ist. Ferner können die Tiefenabschnitte und/oder die Höhenabschnitte eine, zwei oder mehrere weitere Ebenen definieren.
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Die Höhenabschnitte und/oder die Tiefenabschnitte sind jeweils vorzugsweise eben ausgebildet. Hierfür können die Höhenabschnitte und die Tiefenabschnitte mit einem im Folgenden noch näher erläuterten Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sein.
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Das erste Verstärkungselement und das zweite Verstärkungselement sind streifenförmig ausgebildet. Streifenförmig bedeutet insbesondere, dass die Verstärkungselemente lang und dünn ausgebildet sind. Insbesondere weisen die Verstärkungselemente eine Haupterstreckungsrichtung auf, die um ein Vielfaches größer ist als die Breite und die Dicke der Verstärkungselemente.
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Die Dicke des ersten Verstärkungselements und des zweiten Verstärkungselements ist insbesondere durch die Anzahl der übereinander angeordneten Faserverbundtapes bestimmt. Ein Faserverbundtape kann beispielsweise eine Stärke von 0,2 bis 0,3 mm aufweisen, sodass die Dicke des ersten Verstärkungselements und/oder des zweiten Verstärkungselements jeweils vorzugsweise mindestens 0,2 mm, ferner vorzugsweise 0,3 mm, beträgt. Ferner kann bzw. können das erste Verstärkungselement und/oder das zweite Verstärkungselement jeweils zwei oder mehr übereinander angeordnete Faserverbundtapes aufweisen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Dicke des ersten Verstärkungselements und/oder des zweiten Verstärkungselements kleiner 5 mm, kleiner 4 mm, kleiner 3 mm, kleiner 2 mm oder kleiner 1 mm beträgt.
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Das erste Verstärkungselement und das zweite Verstärkungselement sind jeweils aus mindestens einem Faserverbundtape ausgebildet. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das erste Verstärkungselement und/oder das zweite Verstärkungselement aus dem mindestens einen Faserverbundtape bestehen oder dieses umfassen. Im Falle, dass die Verstärkungselemente das Faserverbundtape umfassen, ist es bevorzugt, dass diese im Wesentlichen aus dem Faserverbundtape bestehen. Im Wesentlichen bedeutet, dass die Funktionalität der Verstärkungselemente durch das Faserverbundtape bewirkt wird.
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Unter einem Faserverbundtape ist insbesondere ein Band mit definiert ausgerichteten Verstärkungsfasern, die in einer thermoplastischen Matrix eingebettet sind, zu verstehen. Derartige Faserverbundtapes werden in der Regel bandförmig bereitgestellt und können mittels eines Andruckverfahrens verarbeitet werden. Ein Vorteil von Faserverbundtapes besteht darin, dass diese mit einem Tapelegeverfahren anordenbar sind und keine umfangreiche Apparatur, beispielsweise ein Autoklav, erforderlich ist. Die Fasern des Faserverbundtapes können beispielsweise aus Glas, Basalt, Kohlefaser und/oder Keramik bestehen.
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Das erste Verstärkungselement ist in einem der Höhenabschnitte angeordnet. Ferner ist das zweite Verstärkungselement in einem der Tiefenabschnitte angeordnet. Durch diese Anordnung ist das erste Verstärkungselement von dem zweiten Verstärkungselement in einer Dickenrichtung orthogonal zu einer Längenrichtung und einer Breitenrichtung voneinander beabstandet. Die Verstärkungselemente sind in Ebenen angeordnet, die voneinander beabstandet sind. Diese beabstandete Anordnung der mindestens zwei Verstärkungselemente bietet eine hohe Steifigkeit des wellenförmig ausgebildeten Profils.
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Es ist insbesondere bevorzugt, dass zwei oder mehr Höhenabschnitte jeweils ein erstes Verstärkungselement und/oder zwei oder mehr Tiefenabschnitte jeweils ein zweites Verstärkungselement aufweisen. Ferner kann es bevorzugt sein, dass je Höhenabschnitt und/oder je Tiefenabschnitt zwei oder mehr erste beziehungsweise zweite Verstärkungselemente angeordnet sind. Es ist insbesondere bevorzugt, dass je Höhenabschnitt zwei erste Verstärkungselemente angrenzend an einen Tiefenabschnitt angeordnet sind. Dies bietet eine hohe Festigkeit der Abdeckeinheit. Vorzugsweise ist je Tiefenabschnitt genau ein zweites Verstärkungselement vorgesehen. Das erste Verstärkungselement und/oder das zweite Verstärkungselement ist beziehungsweise sind vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Abdeckelement verbunden. Beispielsweise können diese verklebt sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass diese mit einem Tapelegeverfahren derart angeordnet werden, dass eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
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Es kann bevorzugt sein, dass die Abdeckeinheit eine Metallfolie zur elektromagnetischen Abschirmung aufweist. Die Metallfolie kann beispielsweise an der Unterseite angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Abdeckeinheit metallisierte Fasern und/oder Metallgewebe zur elektromagnetischen Abschirmung aufweisen.
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Es ist insbesondere bevorzugt, dass die in einer Längenrichtung benachbart zueinander angeordneten Höhenabschnitte und Tiefenabschnitte jeweils mit einem Verbindungsabschnitt verbunden sind. Insbesondere im Falle, dass die Höhenabschnitte und die Tiefenabschnitte eben ausgebildet sind und die ausgebildeten Ebenen im Wesentlichen flächenparallel zueinander ausgerichtet sind, ist eine Verbindung der Höhenabschnitte mit den Tiefenabschnitten mittels Verbindungsabschnitten bevorzugt. Die Verbindungsabschnitte können eben oder kurvig ausgebildet sein.
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Es ist bevorzugt, dass der Verbindungsabschnitt mit einem benachbarten Tiefenabschnitt einen Winkel von kleiner 150°, kleiner 140°, kleiner 135°, kleiner 120°, kleiner 100°, insbesondere 90° einschließt. Ferner ist es bevorzugt, dass dieser Winkel zwischen 90° und 120°, insbesondere zwischen 90° und 110°, besonders bevorzugt zwischen 90° und 100° beträgt.
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Alternativ können die in Längenrichtung benachbart zueinander angeordneten Höhenabschnitte und Tiefenabschnitte ineinander übergehen, wobei ein Übergang von einem Höhenabschnitt zu einem Tiefenabschnitt durch eine Halbierung der Erstreckung in Dickenrichtung definiert ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Abdeckeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass das Faserverbundtape des ersten Verstärkungselements und des zweiten Verstärkungselements jeweils ein UD-Tape ist.
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UD-Tapes sind endlosfaserverstärkte Bänder mit unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern, in denen die Verstärkungsfasern in eine thermoplastische Matrix eingebettet sind. Es hat sich herausgestellt, dass zur Verstärkung des wellenförmigen Profils UD-Tapes gut geeignet sind, da überraschenderweise die Steifigkeit in hohem Maße erhöht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Abdeckeinheit ist vorgesehen, dass das erste Verstärkungselement auf der Oberseite und das zweite Verstärkungselement auf der Unterseite angeordnet ist.
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Durch eine derartige Anordnung des ersten Verstärkungselements und des zweiten Verstärkungselements ist die Beabstandung zwischen den Verstärkungselementen maximiert. Eine derartig große Beabstandung zwischen den Verstärkungselementen bietet eine hohe Versteifung der Abdeckeinheit. Darüber hinaus ist eine solche Abdeckeinheit in vorteilhafter Weise herstellbar. Die Faserverbundtapes der Verstärkungselemente können mit Tapelegeköpfen angeordnet werden, sodass eine Anordnung an den Höhenabschnitten auf der Oberseite und an den Tiefenabschnitten auf der Unterseite durch die gute Zugänglichkeit einfach möglich ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Abdeckeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einer der Höhenabschnitte auf der Unterseite frei von ersten Verstärkungselementen ausgebildet ist. Ferner ist es bevorzugt, dass zumindest einer der Tiefenabschnitte auf der Oberseite frei von zweiten Verstärkungselementen ausgebildet ist. Durch eine derartige Anordnung der ersten und zweiten Verstärkungselemente wird eine leichte Abdeckeinheit bereitgestellt, da lediglich an den Positionen Verstärkungselemente vorgesehen sind, an denen die Steifigkeit der Abdeckeinheit in großem Maße beeinflusst werden kann. Ferner wird die Herstellbarkeit verbessert, da eine Anordnung der Faserverbundtapes in den konkaven Abschnitten lediglich mit einem größeren Aufwand möglich ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Abdeckeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass sich diese in einer Längenrichtung und einer Breitenrichtung erstreckt, wie sie im Vorherigen bereits genannt wurden, wobei sich die Höhenabschnitte, die Tiefenabschnitte, das erste Verstärkungselement und das zweite Verstärkungselement jeweils mit einer Haupterstreckungsrichtung in Breitenrichtung erstrecken. Die Längenrichtung ist insbesondere die Richtung, in der die Erstreckung der Abdeckeinheit und/oder des Abdeckelements maximal ist. Die Breitenrichtung ist orthogonal zu der Längenrichtung ausgerichtet und im bestimmungsgemäßen Betrieb vorzugsweise im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Unter einer Haupterstreckungsrichtung ist insbesondere die Erstreckungsrichtung zu verstehen, die die längste Erstreckung aufweist. Eine derartige Ausrichtung der Höhenabschnitte, der Tiefenabschnitte und der Verstärkungselemente bietet eine hohe Steifigkeit der Abdeckeinheit, sodass das Gewicht reduziert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Abdeckeinheit ist vorgesehen, dass einer der Höhenabschnitte und/oder das erste Verstärkungselement in Breitenrichtung mindestens eine Unterbrechung aufweist bzw. aufweisen. Die Unterbrechung des Höhenabschnitts ist vorzugsweise durch einen Tiefenabschnitt ausgebildet. Die Unterbrechung des ersten Verstärkungselements ist vorzugsweise durch zwei voneinander in Breitenrichtung beabstandete Verstärkungselementabschnitte des ersten Verstärkungselements ausgebildet. Das erste Verstärkungselement ist in dieser Ausführungsvariante in Haupterstreckungsrichtung geteilt, insbesondere zweigeteilt, sodass die zwei Teile, nämlich die Verstärkungselementabschnitte in Breitenrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Unterbrechung insbesondere zwischen den Verstärkungselementabschnitte vorgesehen ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Abdeckeinheit ist vorgesehen, dass das zweite Verstärkungselement in Breitenrichtung mindestens eine Unterbrechung aufweist. Die Unterbrechung des zweiten Verstärkungselements wird durch zwei voneinander in Breitenrichtung beabstandete Verstärkungselementabschnitte des zweiten Verstärkungselements ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Abdeckeinheit ist vorgesehen, dass das erste Verstärkungselement einen Hochpunkt und das zweite Verstärkungselement einen Tiefpunkt des wellenförmigen Profils ausbildet. Somit wird eine maximale Beabstandung des ersten Verstärkungselements von dem zweiten Verstärkungselement erreicht, sodass eine hohe Steifigkeit der Abdeckeinheit ermöglicht wird.
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Eine weitere bevorzugte Fortbildung der Abdeckeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Abdeckelement in Breitenrichtung von einer ersten Längskante zu einer zweiten Längskante mit einer Abdeckelementbreite erstreckt und eine Verstärkungslänge des ersten Verstärkungselements der Abdeckelementbreite entspricht. Die Verstärkungslänge des ersten Verstärkungselements ist insbesondere in Haupterstreckungsrichtung ausgerichtet. In dieser Ausführungsvariante erstreckt sich das Verstärkungselement im Wesentlichen über die gesamte Abdeckelementbreite. Dass die Verstärkungslänge des ersten Verstärkungselements der Abdeckelementbreite entspricht, bedeutet insbesondere, dass ein Verhältnis aus der Verstärkungslänge und der Abdeckelementbreite >0,8, 0,9, 0,95 beträgt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Abdeckeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass ein erster Seitenabschnitt des Abdeckelements angrenzend an die erste Längskante und ein zweiter Seitenabschnitt angrenzend an die zweite Längskante als Höhenabschnitt ausgebildet ist und sich zumindest einer der Tiefenabschnitte und das zweite Verstärkungselement zwischen dem ersten Seitenabschnitt und dem zweiten Seitenabschnitt in Breitenrichtung erstrecken.
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In dieser Ausführungsvariante erstreckt sich das zweite Verstärkungselement nicht vollständig über die gesamte Abdeckelementbreite, sondern lediglich von dem ersten Seitenabschnitt zu dem zweiten Seitenabschnitt. Die Verstärkungslänge des zweiten Verstärkungselements ist somit um den Betrag der Breite des ersten Seitenabschnitts und des zweiten Seitenabschnitts kürzer als die Abdeckelementbreite und gegebenenfalls als die Verstärkungslänge des ersten Verstärkungselements.
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Es ist bevorzugt, dass der Tiefenabschnitt in den Höhenabschnitt in Breitenrichtung angrenzend an den ersten Seitenabschnitt und den zweiten Seitenabschnitt übergeht. Dieser Übergang kann sprunghaft oder stetig erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Batteriegehäuse für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug, umfassend eine Abdeckeinheit nach einer der im Vorherigen genannten Ausführungsvarianten. Das Batteriegehäuse umfasst vorzugsweise einen von fünf Seiten geschlossenen Innenraum, der mittels der Abdeckeinheit verschließbar ist. Vorzugsweise umfasst oder besteht das Batteriegehäuse aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Abdeckeinheit kann beispielsweise mittels Bolzen, Schrauben oder Klemmen an dem Batteriegehäuse am äußeren Umfang oder an zusätzlichen Fixierungspunkten befestigt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Batteriegehäuses umfasst nebeneinander angeordnete Modulabschnitte zur Anordnung von Batteriemodulen mit einer Modulabschnittslänge in Längenrichtung, wobei die Höhenabschnitte eine Höhenabschnittserstreckung in Längenrichtung aufweisen, wobei die Modulabschnittslänge der Höhenabschnittserstreckung entspricht.
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Durch eine derartige Ausbildung der Modulabschnitte und der Höhenabschnitte können die Batteriemodule von den Höhenabschnitten aufgenommen werden, sodass das Batteriegehäuse eine kompakte Bauart aufweist. Dass die Modulabschnittslänge der Höhenabschnittserstreckung entspricht, bedeutet insbesondere, dass ein Verhältnis aus der Höhenabschnittserstreckung und der Modulabschnittslänge zwischen 0,8 - 1,2, vorzugsweise von 0,9 - 1,1, ferner vorzugsweise von 0,95 - 1,05 beträgt. Es ist ferner bevorzugt, dass dieses Verhältnis kleiner 1 oder kleiner 0,9 beträgt.
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Eine bevorzugte Fortbildung des Batteriegehäuses zeichnet sich dadurch aus, dass dieses einen zwischen zwei Modulabschnitten angeordneten Querträger mit einer Querträgerbreite in Längenrichtung umfasst, wobei der vertikal über dem Querträger angeordnete Tiefenabschnitt eine Tiefenabschnittserstreckung in Längenrichtung aufweist, wobei die Querträgerbreite der Tiefenabschnittserstreckung entspricht.
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Da die Querträger in Dickenrichtung in der Regel eine geringere Erstreckung aufweisen als Batteriemodule, wird an dieser Position ein Freiraum ausgebildet. Dieser Freiraum kann dafür genutzt werden, dass sich ein Tiefenabschnitt in diesen Freiraum hineinerstreckt. Somit wird eine Verstärkung des Batteriegehäuses beziehungsweise der Abdeckeinheit ermöglicht, ohne dass die Baugröße des Batteriegehäuses negativ beeinflusst wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass in der durch den Tiefenabschnitt ausgebildeten Vertiefung auf der Oberseite, zusätzlicher Funktionsraum geschaffen wird. Dieser Funktionsraum kann beispielsweise zum Verlegen von Kabeln und ähnlichem genutzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug, umfassend ein Batteriegehäuse nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Abdeckeinheit zum Verschließen eines Batteriegehäuses eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftfahrzeugs, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Abdeckelements mit einer Oberseite und einer im bestimmungsgemäßen Betrieb einem Innenraum des Batteriegehäuses zugewandten Unterseite, wobei das Abdeckelement ein wellenförmiges Profil mit Höhenabschnitten und Tiefenabschnitten aufweist und Anordnen eines ersten streifenförmigen Verstärkungselements in einem der Höhenabschnitte und eines zweiten streifenförmigen Verstärkungselements in einem der Tiefenabschnitte.
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In einer bevorzugten Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Verstärkungselement und das zweite Verstärkungselement mit einem Tapelegeverfahren angeordnet wird. Bei dem Tapelegeverfahren werden die Faserverbundtapes mittels eines Andruckelements, insbesondere einer Andruckrolle, auf dem Abdeckelement appliziert. Hierfür wird vorzugsweise das Faserverbundtape in-situ vor dem Andrücken erwärmt und anschließend mit dem Andruckelement an das Abdeckelement gedrückt.
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Durch dieses Verfahren wird ein einfaches Herstellen der Abdeckeinheit ermöglicht. Insbesondere sind keine komplexen Formwerkzeuge erforderlich, in denen zuvor in einem Heizofen aufgewärmte Verstärkungselemente als Einlegeteile vorgesehen sind. Diese Einlegeteile werden üblicherweise mit einem Roboter aufgenommen, zu dem Heizofen bewegt und dort aufgewärmt, anschließend mit einem Roboter entnommen und zu dem Formwerkzeug verbracht. Die Einlegeteile sind an dem Formwerkzeug mit Befestigungselementen so zu befestigen, dass diese beim Spritzgießprozess in einer vorgesehenen Position verbleiben. Somit reduziert sich einerseits die Komplexität des Formwerkzeugs, mit dem lediglich das Abdeckelement herzustellen ist, und darüber hinaus sind die einzusetzenden Formmaschinen, die mit dem Formwerkzeug zusammenwirken, einfacher ausgestaltet. Ferner ist der Gesamtprozess durch weniger Prozessschritte auszuführen, wodurch Zeit, Kosten und Planungstätigkeiten reduziert werden.
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Weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der einzelnen Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die erfolgte Beschreibung zu den weiteren Aspekten, den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen verwiesen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 2: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriegehäuses;
- 3: eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 4: eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 5: eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 6: eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 7: eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 8: eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 9: eine schematische Detailansicht des in 2 gezeigten Batteriegehäuses;
- 10: eine schematische weitere Detailansicht der in 2 gezeigten Batteriegehäuse; und
- 11: eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 12: eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckeinheit;
- 13: eine schematische Ansicht eines beispielhaften Verfahrens.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt eine Abdeckeinheit 100, das sich von einem ersten Ende 168 zu einem zweiten Ende 170 in Längenrichtung L erstreckt.
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Orthogonal hierzu erstreckt sich die Abdeckeinheit 100 in Breitenrichtung B von einer ersten Längskante 164 zu einer zweiten Längskante 166. Orthogonal zu der Längenrichtung L und der Breitenrichtung B erstreckt sich die Abdeckeinheit 100 in der in 2 gezeigten Dickenrichtung D. Die Abdeckeinheit 100 umfasst ein Abdeckelement 104 sowie erste Verstärkungselemente 132-150 und zweite Verstärkungselemente 152 - 160.
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In der 1 ist die Oberseite 106 des Abdeckelements 104 dem Betrachter zugewandt. In 2 ist gezeigt, dass die Oberseite 106 im bestimmungsgemäßen Betrieb des Batteriegehäuses 102 nach oben gerichtet und eine Unterseite 108 nach unten gerichtet ist. Die Unterseite 108 des Abdeckelements 104 ist dem Innenraum 176 des Batteriegehäuses 102 zugewandt.
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Insbesondere in 2 ist gezeigt, dass das Abdeckelement 104 ein wellenförmiges Profil mit Höhenabschnitten 110 - 120 und Tiefenabschnitten 122 - 130 aufweist. Das gezeigte wellenförmige Profil ist beispielhaft dargestellt. Alternativ oder ergänzend kann das Profil unregelmäßig ausgebildet sein, beispielsweise indem die Abstände zwischen benachbarten Hoch- und Tiefpunkten variieren.
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Die ersten Verstärkungselemente 132 - 150 sind in den Höhenabschnitten 110 - 120 angeordnet. In 2 ist gezeigt, dass die Höhenabschnitte 112, 114, 116, 118 jeweils zwei erste Verstärkungselemente aufweisen, die benachbart zu den jeweiligen Tiefenabschnitten angeordnet sind. Die ersten Verstärkungselemente 132 - 150 sind jeweils auf der Oberseite 106 angeordnet. Die zweiten Verstärkungselemente 152 - 160 sind jeweils auf der Unterseite 108 angeordnet. Die Verstärkungselemente 132 - 160 sind in dieser beispielhaften Darstellung mit einer konstanten Dicke dargestellt. Die Dicke der Verstärkungselemente 132 - 160 kann auch abhängig vom Höhenabschnitt oder Tiefenabschnitt sein. Ferner kann die Dicke der Verstärkungselemente 132 - 160 entlang der Breitenrichtung B variiert werden. Dies kann beispielsweise durch eine variierende Anzahl an übereinander angeordneten Faserverbundtapes realisiert werden. Jeder Tiefenabschnitt 122 - 130 weist genau ein zweites Verstärkungselement 152 - 160 auf. Die ersten und zweiten Verstärkungselemente 132 - 160 sind jeweils streifenförmig ausgebildet. Ferner sind die Verstärkungselemente 132 - 160 aus einem Faserverbundtape ausgebildet.
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Die Höhenabschnitte 110 - 120 und die Tiefenabschnitte 122 - 130 sind jeweils mit einem Verbindungsabschnitt 162 miteinander verbunden.
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In der 1 ist gezeigt, dass sich die Tiefenabschnitte 122 - 130 nicht von der ersten Längskante 164 bis zur zweiten Längskante 166 erstrecken. Angrenzend an die erste Längskante 164 ist ein erster Seitenabschnitt 172 und angrenzend an die zweite Längskante 166 ist ein zweiter Seitenabschnitt 174 vorgesehen, die jeweils als Höhenabschnitte ausgebildet sind. Die Tiefenabschnitte 122 - 130 erstrecken sich jeweils zwischen den Seitenabschnitten 172, 174.
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Ferner ist in 2 gezeigt, dass die Höhenabschnitte 110 - 120 auf der Unterseite 108 frei von Verstärkungselementen 132 - 160 ausgebildet sind. Die Tiefenabschnitte 122 - 130 sind auf der Oberseite 106 frei von Verstärkungselementen 132 - 160 ausgebildet.
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3 zeigt eine Detailansicht der Höhenabschnitte 118, 120 und des Tiefenabschnitts 130. Angrenzend an den Tiefenabschnitt 130 sind in den Höhenabschnitten 118, 120 ein erstes Verstärkungselement 148, 150 angeordnet. Im Gegensatz zu der in der 2 gezeigten Variante ist hier das zweite Verstärkungselement 160 auf der Oberseite 106 im Tiefenabschnitt 130 angeordnet.
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In 4 ist eine weitere, alternative Anordnung der Verstärkungselemente 148, 150, 160 gezeigt, da diese jeweils auf der Unterseite 108 des Abdeckelements 104 angeordnet sind.
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5 zeigt einen Querschnitt in Dicken- und Breitenrichtung entlang der in 1 gezeigten Schnittlinie C-C. Es ist gezeigt, dass sich das erste Verstärkungselement 146 entlang der gesamten Breite des Abdeckelements 104 beziehungsweise des Höhenabschnitts 118 erstreckt.
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6 zeigt eine alternative Ausbildung des ersten Verstärkungselements 146 entlang des Abdeckelements 104 beziehungsweise des Höhenabschnitts 118, da sich das erste Verstärkungselement 146 nicht entlang der gesamten Abdeckelementbreite in Breitenrichtung B erstreckt.
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7 zeigt einen Querschnitt in Dicken- und Breitenrichtung entlang der in 1 gezeigten Schnittlinie B-B. 7 zeigt eine bevorzugte Anordnung des zweiten Verstärkungselements 160 auf der Unterseite 108 des Abdeckelements 104 im Tiefenbereich 130. In 8 ist eine alternative Form des wellenförmigen Profils des Abdeckelements 104 gezeigt, da hier die Tiefenabschnitte 122 - 130 und die Höhenabschnitte 110 - 120 nicht eben, sondern kurvig ausgebildet sind. Die Höhenabschnitte 110 - 120 und die Tiefenabschnitte 124 - 130 gehen hier ineinander über.
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9 zeigt das Batteriegehäuse 102 mit einem ersten Modulabschnitt 178 und einem zweiten Modulabschnitt 180, in denen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Batteriegehäuses 102 Batteriemodule angeordnet werden. In Dickenrichtung D sind die Modulabschnitte 178, 180 zwischen der Abdeckeinheit 100 und einem Bodenelement 182 angeordnet. Die Modulabschnitte 178, 180 sind mittels eines Querträgers 184 voneinander getrennt.
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In Dickenrichtung D erstreckt sich der Querträger 184 nicht bis zur oberen Begrenzung der Modulabschnitte 178, 180, sodass ein Freiraum über dem Querträger 184 ausgebildet wird. In den Freiraum erstreckt sich der Tiefenabschnitt 128 hinein. Durch diese Ausführungsvariante kann ein kompaktes Batteriegehäuse 102 bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann in den durch den Tiefenabschnitte 128 ausgebildeten Hohlraum auf der Oberseite 106 ein Funktionsraum geschaffen werden, in den beispielsweise Kabel verlegbar sind.
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In 10 sind die Tiefenabschnitte 122, 124 über den Modulabschnitten 178, 180 und der Höhenabschnitt 112 über dem Querträger 184 angeordnet. Hierdurch wird ermöglicht, dass eine Vielzahl an Höhenabschnitten 112 entlang der Längenrichtung L vorgesehen wird, wobei insbesondere die Anzahl an Höhenabschnitten 112 die Anzahl an Modulabschnitten 178, 180 übersteigen kann. Somit kann eine hohe Steifigkeit erreicht werden, die in einer leichteren und/oder steiferen Abdeckeinheit 100 resultiert.
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In 11 ist eine Abdeckeinheit 100 gezeigt, bei der ein Höhenabschnitt 110 und das erste Verstärkungselement 132 in Breitenrichtung B eine Unterbrechung 190 aufweisen. Die Unterbrechung 190 des Höhenabschnitts 110 wird durch einen Tiefenabschnitt ausgebildet. Die Unterbrechung 190 des ersten Verstärkungselements 132 wird durch zwei voneinander in Breitenrichtung B beabstandete Verstärkungselementabschnitte 132a, 132b des ersten Verstärkungselements 132 ausgebildet. Der Tiefenabschnitt wirkt mit einem Längsträger 186 zusammen, indem diese mit einem Befestigungselement 188 miteinander verbunden sind.
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12 zeigt eine Abdeckeinheit 100, bei der das zweite Verstärkungselement 154 in Breitenrichtung B eine Unterbrechung 190 aufweist. Die Unterbrechung 190 des zweiten Verstärkungselements 154 wird durch zwei voneinander in Breitenrichtung B beabstandete Verstärkungselementabschnitte 154a, 154b des zweiten Verstärkungselements 154 ausgebildet. Die Unterbrechung 190 ermöglicht eine Kontaktierung des Tiefenabschnitts 124 mit dem Längsträger 186.
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13 zeigt ein schematisches Verfahren zur Herstellung einer Abdeckeinheit 100 zum Verschließen eines Batteriegehäuses 102 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. In Schritt 200 wird ein Abdeckelement 104 mit einer Oberseite 106 und einer im bestimmungsgemäßen Betrieb einen Innenraum 176 des Batteriegehäuses zugewandten Unterseite 108 bereitgestellt, wobei das Abdeckelement 104 ein wellenförmiges Profil mit Höhenabschnitten 110-120 und Tiefenabschnitten 122 -130 aufweist. Das Abdeckelement 104 besteht aus einem Faserverbundmaterial.
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In Schritt 202 wird ein erstes streifenförmiges Verstärkungselement in einem der Höhenabschnitte 110 -120 und ein zweites streifenförmiges Verstärkungselement 152 - 160 in einem der Tiefenabschnitte 122 - 130 angeordnet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das erste Verstärkungselement 132 - 150 und das zweite Verstärkungselement 152 - 160 mit einem Tapelegeverfahren angeordnet werden. Die Faserverbundtapes der Verstärkungselemente 132-160 können einzeln gelegt werden. Alternativ können auch zwei oder mehrere Faserverbundtapes gleichzeitig gelegt werden, indem beispielsweise das Abdeckelement 104 bewegt wird und die Tapelegeköpfe stationär angeordnet sind.
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Mit der im Vorherigen beschriebenen Abdeckeinheit 100, dem Batteriegehäuse 102 und dem Verfahren zur Herstellung der Abdeckeinheit 100, wird eine Einhausung von Batteriemodulen mit einem geringen Gewicht ermöglicht. Ferner kann die Abdeckeinheit 100 und das Batteriegehäuse 102 zu geringen Kosten hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil des Batteriegehäuses 102 und der Abdeckeinheit 100 ist die Möglichkeit, diese in einer Serienproduktion herzustellen. Darüber hinaus zeichnen sich die Abdeckeinheit 100 und das Batteriegehäuse 102 durch eine gute Recycelbarkeit aus, da diese aus thermoplastischen Tapes herstellbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Abdeckeinheit
- 102
- Batteriegehäuse
- 104
- Abdeckelement
- 106
- Oberseite
- 108
- Unterseite
- 110-120
- Höhenabschnitt
- 122-130
- Tiefenabschnitt
- 132-150
- erstes Verstärkungselement
- 152-160
- zweites Verstärkungselement
- 162
- Verbindungsabschnitt
- 164
- erste Längskante
- 166
- zweite Längskante
- 168
- erstes Ende
- 170
- zweites Ende
- 172
- erster Seitenabschnitt
- 174
- zweiter Seitenabschnitt
- 176
- Innenraum
- 178
- erster Modulabschnitt
- 180
- zweiter Modulabschnitt
- 182
- Bodenelement
- 184
- Querträger
- 186
- Längsträger
- 188
- Befestigungselement
- 190
- Unterbrechung
- L
- Längenrichtung
- B
- Breitenrichtung
- D
- Dickenrichtung
