DE102022102555A1

DE102022102555A1 - Batteriegehäuse für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, Verfahren und Formwerkzeug zur Herstellung eines Batteriegehäuses

Info

Publication number: DE102022102555A1
Application number: DE102022102555.1A
Authority: DE
Inventors: Warden Schijve
Original assignee: Azl Aachen GmbH
Current assignee: Azl Aachen GmbH
Priority date: 2022-02-03
Filing date: 2022-02-03
Publication date: 2023-08-03
Also published as: WO2023147821A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Batteriegehäuse (100) für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, umfassend einen Gehäuserahmen (102), der mit mindestens einem Hohlprofilelement (104-108) ausgebildet ist und einen Modulbereich (110) umschließt, wobei der Modulbereich (110) zum Anordnen von mindestens einem Batteriemodul ausgebildet ist, ein angrenzend an den Modulbereich (110) angeordnetes Bodenelement (112), und eine Kunststoffstruktur (118), die an den Gehäuserahmen (102) und/oder das Bodenelement (112) derart angespritzt ist, dass diese mit dem Gehäuserahmen (102) und/oder dem Bodenelement (112) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse und eine Batterie für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren und ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Batteriegehäuses.
Batteriegehäuse sind grundsätzlich bekannt. Batteriemodule mit Batteriezellen zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Antrieb von elektrisch betriebenen Fahrzeugen werden in Batteriegehäusen angeordnet. Üblicherweise umfasst ein einzelnes Batteriemodul eine Vielzahl an Batteriezellen. Innerhalb eines Batteriegehäuses werden in der Regel mehrere Batteriemodule angeordnet. Alternativ oder ergänzend können Batteriezellen unmittelbar innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet werden, ohne dass diese zu Batteriemodulen zusammengefasst sind.
Batteriegehäuse werden üblicherweise in Unterböden von Fahrzeugen vorgesehen. Derartige Batteriegehäuse werden überwiegend aus Metall, insbesondere aus Aluminium, hergestellt. Metallische Batteriegehäuse haben den Vorteil, dass diese eine elektromagnetische Abschirmung bieten und darüber hinaus eine vergleichsweise hohe Steifigkeit bieten.
Batteriegehäuse aus Aluminium bieten zwar verschiedene Vorteile, weisen jedoch auch Nachteile auf. Aufgrund des hohen Preises des Rohstoffes Aluminium sind Batteriegehäuse aus diesem Material teuer. Darüber hinaus ist die Verarbeitung von Aluminium mit hohen Kosten verbunden, beispielsweise für das zur Formgebung erforderliche Umform- und/oder Druckgussverfahren.
Ferner weisen Batteriegehäuse aus Aluminium ein vergleichsweise hohes Gewicht auf. Da elektrisch angetriebene Fahrzeuge aufgrund der mitgeführten Batteriemodule ohnehin ein hohes Gewicht aufweisen, ist es ein Ziel der Automobilhersteller, Gewichtsersparnisse zu realisieren. Außerdem ist es eine Anforderung der Automobilindustrie, dass die Batteriegehäuse ein möglichst geringes Volumen aufweisen, beispielsweise um den verfügbaren Raum im Unterboden der Fahrzeuge für Batteriemodule zu nutzen, sodass eine höhere Reichweite des Fahrzeugs ermöglicht wird.
Insbesondere durch den Einsatz des Batteriegehäuses in einem Unterboden eines Fahrzeugs, sind eine für die geforderten Beanspruchungen im Betrieb oder bei einem Unfall ausreichend hohe Steifigkeit und Festigkeit weitere Anforderungen. Eine hohe Steifigkeit und Festigkeit kann eine verbesserte Unfallsicherheit ermöglichen, sodass auch bei einem Unfall keine oder eine verminderte Gefahr durch die Batteriemodule ausgeht. Die Batteriegehäuse sind beispielsweise robust gegen einen Pollerkontakt von unten, englisch: bollard intrusion, auszugestalten. Darüber hinaus sind die Batteriegehäuse gegen einen Pfeilereintrag, englisch: pole intrusion, zu gestalten.
Bei der Gestaltung von Batteriegehäusen sind stets eine hohe Steifigkeit, eine ausreichend hohe Festigkeit, ein geringes Gewicht und geringe Kosten gegeneinander abzuwägen. Grundsätzlich ist es ein Ziel, ein Batteriegehäuse mit einer hohen Steifigkeit, einer ausreichend hohen Festigkeit und einem geringen Gewicht bereitzustellen, wobei die zu erwartenden Kosten nicht stark von einem Standardgehäuse, beispielsweise aus Aluminium, nach oben abweichen sollten.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Batteriegehäuse und eine Batterie für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren und ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Batteriegehäuses bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die einen gewichtsreduzierenden und/oder kostengünstigeren Einbau von Batteriemodulen in elektrisch angetriebene Fahrzeuge ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Batteriegehäuse, einem Verfahren und einem Formwerkzeug 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.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Batteriegehäuse für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, umfassend einen Gehäuserahmen, der einen Modulbereich umschließt, wobei der Modulbereich zum Anordnen von mindestens einem Batteriemodul ausgebildet ist, ein angrenzend an den Modulbereich angeordnetes Bodenelement, und eine Kunststoffstruktur, die an den Gehäuserahmen und/oder das Bodenelement derart angespritzt ist, dass diese mit dem Gehäuserahmen und/oder dem Bodenelement verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein hybrides Batteriegehäuse, umfassend einen Gehäuserahmen und ein Bodenelement sowie eine angespritzte Kunststoffstruktur eine besonders hohe Steifigkeit und ausreichend hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht bietet. Ferner liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass, wenn die steifigkeitsdefinierenden Bauteile, insbesondere der Gehäuserahmen und das Bodenelement, in ein Formwerkzeug eingelegt werden und die weiteren Elemente des Batteriegehäuses angespritzt werden, besonders niedrige Kosten zu erwarten sind.
Ein Anspritzen der Kunststoffstruktur und insbesondere ein im Folgenden noch näher erläutertes Umspritzen des Gehäuserahmens führt in Kombination mit dem Gehäuserahmen und dem Bodenelement zu einem großflächigen Bauteil. Jedoch ist die in Richtung der Schließkraft des Formwerkzeugs projizierte Anteil der Kunststoffstruktur an einer Gesamtfläche des Batteriegehäuses gering. Infolgedessen wirken die Spritzdrücke für die Kunststoffstruktur bei dessen Herstellung lediglich auf einer ebenso geringen Fläche. Dadurch ist eine geringere Schließkraft der eingesetzten Schließeinheit erforderlich. Da gerade die Schließkraft der Schließeinheit einer Spritzgießmaschine oder Presse einen Kostenfaktor darstellt und Maschinen mit hoher Schließkraft lediglich eingeschränkt verfügbar sind, kann das Batteriegehäuse zu geringeren Kosten und mit einer hohen Verfügbarkeit hergestellt werden.
Das Batteriegehäuse ist für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug vorgesehen. Unter einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug zu verstehen, das ausschließlich elektrisch oder in Kombination mit einer weiteren Antriebsart angetrieben wird. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Personenkraftfahrzeug, ein Lastkraftfahrzeug oder jegliches andere Kraftfahrzeug. Insbesondere handelt es sich um ein Straßenkraftfahrzeug.
Das Batteriegehäuse umfasst den Gehäuserahmen. Der Gehäuserahmen umschließt den Modulbereich, der zum Anordnen von mindestens einem Batteriemodul ausgebildet ist. Unter einem Batteriemodul können beispielsweise zwei oder mehr Batteriezellen verstanden werden. Der Gehäuserahmen ist vorzugsweise als ein geschlossener Gehäuserahmen ausgebildet. Alternativ kann der Gehäuserahmen auch an einer, zwei oder mehreren Seiten offen ausgebildet sein. Der Modulbereich kann aus einer von dem Gehäuserahmen definierten Fläche herausragen.
Es ist bevorzugt, dass der Gehäuserahmen mit mindestens einem Hohlprofilelement ausgebildet ist. Ferner ist es bevorzugt, dass der Gehäuserahmen zwei oder mehr Hohlprofilelemente aufweist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Gehäuserahmen aus einem, zwei oder mehreren Hohlprofilelementen besteht. Unter einem Hohlprofilelement ist insbesondere ein Element mit einem Hohlraum zu verstehen, dessen Querschnitt vorzugsweise von allen Seiten geschlossen ist. Innerhalb des Hohlraums des Hohlprofilelements können Verstärkungselemente, beispielsweise Rippen, angeordnet sein. Das Hohlprofilelement kann beispielsweise rohrförmig ausgebildet sein.
Es ist bevorzugt, dass das Hohlprofilelement mit einem Extrusionsverfahren hergestellt wurde und/oder mit einem Extrusionsverfahren herstellbar ist. Das Hohlprofilelement weist vorzugsweise einen metallischen Leichtbauwerkstoff, beispielsweise eine Aluminiumlegierung, auf oder besteht aus dieser. Alternativ kann das Hohlprofilelement aus einem Verbundmaterial, insbesondere einem Kunststoffverbundmaterial, hergestellt sein.
Angrenzend an den Modulbereich ist das Bodenelement angeordnet. Das Bodenelement begrenzt vorzugsweise den Modulbereich in einem bodenseitigen Abschnitt des Batteriegehäuses. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Batteriegehäuses kann das Bodenelement vorzugsweise unter dem Modulbereich angeordnet sein. Der Modulbereich ist insbesondere dadurch definiert, dass dies der Bereich ist, in dem im bestimmungsgemäßen Betrieb Batteriemodule angeordnet sind.
Das Bodenelement ist vorzugsweise massiv ausgebildet. Insbesondere kann das Bodenelement plattenförmig ausgebildet sein. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Bodenelement angrenzend an einen Randbereich einen Kragen aufweist. Ferner ist es bevorzugt, dass das Bodenelement derart angeordnet ist, dass ein Randbereich des Bodenelements an dem Gehäuserahmen anliegt, insbesondere auf dem Gehäuserahmen aufliegt. Es ist ferner bevorzugt, dass das Bodenelement mit dem Kragen auf dem Gehäuserahmen aufliegt.
Das Bodenelement ist vorzugsweise mit oder aus einem thermoplastischen Verbundmaterial ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass das Verbundmaterial eine thermoplastische Matrix aufweist. Ferner kann das Bodenelement aus einem duroplastischen Verbundmaterial ausgebildet sein. Das Verbundmaterial weist ferner vorzugsweise eine Vielzahl an Fasern auf, die insbesondere endlos ausgebildet sein können. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass das Bodenelement aus einem Material ausgebildet ist, das bei einer Erwärmung plastisch verformbar ist. Ferner vorzugsweise ist das Bodenelement mit bzw. aus Aluminium und/oder Stahl ausgebildet.
Das Batteriegehäuse umfasst ferner die Kunststoffstruktur. Die Kunststoffstruktur ist an den Gehäuserahmen und/oder das Bodenelement angespritzt. Dies erfolgt insbesondere derart, dass die Kunststoffstruktur mit dem Gehäuserahmen und/oder dem Bodenelement verbunden ist. Wie im Folgenden erläutert, kann die Kunststoffstruktur beispielsweise den Gehäuserahmen ummantelnd angeordnet werden, Funktionselemente ausbilden und/oder den Gehäuserahmen mit dem Bodenelement verbinden.
Die Kunststoffstruktur ist aus einem Kunststoff ausgebildet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Kunststoff ein langfaserverstärkter Thermoplast ist oder diesen umfasst. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass der Kunststoff der Kunststoffstruktur ein Duroplast ist oder diesen umfasst. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Glasfaser, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern sein. Unter einem langfaserverstärkten Thermoplast ist insbesondere zu verstehen, dass die Verstärkungsfasern der gespritzten Kunststoffstruktur eine Länge von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mehr als 1 mm, insbesondere bevorzugt mehr als 2 mm, aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann der Kunststoff der Kunststoffstruktur ein kurzfaserverstärkter Thermoplast sein oder diesen umfassen. Unter einem kurzfaserverstärkten Thermoplast ist insbesondere zu verstehen, dass die Verstärkungsfasern der gespritzten Kunststoffstruktur eine Länge zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm, beispielsweise 0,3 mm, aufweisen. Unter einem Anspritzen der Kunststoffstruktur an den Gehäuserahmen und/oder an das Bodenelement ist insbesondere ein Anspritzen mit einer Spritzgießmaschine oder einer Presse, insbesondere einem Aggregat, einem Formwerkzeug und/oder einer Zuhalteeinrichtung zu verstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Batteriegehäuses ist vorgesehen, dass der Gehäuserahmen und das Bodenelement mit der Kunststoffstruktur derart umspritzt sind, dass diese mittels der Kunststoffstruktur miteinander verbunden sind.
Beispielsweise kann der Gehäuserahmen großflächig oder im Wesentlichen vollständig mit der Kunststoffstruktur und das Bodenelement lediglich in einem Randbereich mit der Kunststoffstruktur umspritzt werden, sodass die Kunststoffstruktur den Gehäuserahmen und den Randbereich des Bodenelements miteinander verbindet. Unter einem Umspritzen kann auch ein abschnittsweises Anspritzen verstanden werden. Somit ergibt sich einerseits durch den Gehäuserahmen und das Bodenelement eine hohe Steifigkeit des Batteriegehäuses, jedoch gleichzeitig ein geringes Gewicht sowie ein vergleichsweise einfaches Fertigungsverfahren zur günstigen Herstellung des Batteriegehäuses. Insbesondere bei dem Einsatz eines langfaserverstärkten Thermoplasten für die Kunststoffstruktur ergibt sich ferner eine hohe Zähigkeit, eine geringe Emission bei der Verarbeitung, niedrigere Zykluszeiten sowie eine bessere Recyclingfähigkeit des Batteriegehäuses.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Batteriegehäuses ist vorgesehen, dass die Kunststoffstruktur den Gehäuserahmen vollständig umgibt. Dass die Kunststoffstruktur den Gehäuserahmen vollständig umgibt, bedeutet insbesondere, dass die Kunststoffstruktur den Gehäuserahmen im Wesentlichen vollständig umgibt. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass einzelne Abschnitte des Gehäuserahmens nicht von der Kunststoffstruktur umgeben sind, beispielsweise um eine Abdeckung des Batteriegehäuses an dem Gehäuserahmen mit Befestigungselementen, beispielsweise Schrauben, zu befestigen. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass das Batteriegehäuse eine bessere Festigkeit und eine höhere Steifigkeit aufweist. Ferner ist eine hohe Funktionsintegration möglich, sodass das Batteriegehäuse eine geringe Anzahl an Einzelbauteilen aufweist.
Eine bevorzugte Fortbildung des Batteriegehäuses zeichnet sich dadurch aus, dass die Kunststoffstruktur monolithisch ausgebildet ist, sodass die Kunststoffstruktur mit einem einzelnen Kunststoffspritzschuss herstellbar ist.
Unter einer monolithisch ausgebildeten Kunststoffstruktur ist insbesondere eine einstückige Kunststoffstruktur zu verstehen. Eine derartige Kunststoffstruktur hat den fertigungstechnischen Vorteil, dass diese mit einem einzelnen Kunststoffspritzschuss herstellbar ist und somit das zur Herstellung erforderliche Formwerkzeug vereinfacht ist. Ferner können einfachere Spritzgießmaschinen eingesetzt werden, sodass die Fertigungskosten geringer sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Batteriegehäuses zeichnet sich dadurch aus, dass die Kunststoffstruktur mindestens zwei Temperierwandungen aufweist, die derart angeordnet und ausgebildet sind, dass zwischen dem Modulbereich und dem Bodenelement mindestens ein Temperierkanal, insbesondere ein Kühlkanal, ausgebildet ist.
Der Temperierkanal wird insbesondere zwischen den mindestens zwei Temperierwandungen und dem Bodenelement ausgebildet. An einer weiteren, vierten, insbesondere oberen, Seite ist der Temperierkanal im bestimmungsgemäßen Betrieb den Batteriemodulen zugewandt. Hier kann das im Folgenden näher erläuterte plattenförmige Kühlelement angeordnet sein, um einen Wärmetransport von den Batteriemodulen zu einem in dem mindestens einen Temperierkanal wirkenden Kühlfluid zu bewirken.
Die Temperierwandungen erstrecken sich vorzugsweise jeweils mit einer Haupterstreckungsrichtung, die ferner vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Durch das Anspritzen der Kunststoffstruktur an dem Bodenelement sind die mindestens zwei Temperierwandungen vorzugsweise mit dem Bodenelement verbunden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Kunststoffstruktur eine Vielzahl an Temperierwandungen, die eine Vielzahl an Kühlkanälen ausbilden, aufweist.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass das Batteriegehäuse mindestens ein den Temperierkanal abdeckendes plattenförmiges Kühlelement umfasst, sodass ein in dem Modulbereich angeordnetes und an das Kühlelement angrenzendes Batteriemodul mit einem in dem mindestens einen Temperierkanal wirkenden Kühlmittel kühlbar ist.
Das plattenförmige Kühlelement kann beispielsweise aus Aluminium ausgebildet werden, sodass dieses eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb heizen sich die Batteriemodule auf, sodass es bevorzugt ist, Wärme abzuführen. Die Ausbildung der Kühlkanäle mit Temperierwandungen der Kunststoffstruktur auf dem Bodenelement und einem darauf angeordneten Kühlelement ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Erzeugung von Kühlkanälen.
Ein Fluideintritt und ein Fluidaustritt des mindestens einen Temperierkanals ist vorzugsweise mit einem Fluidsystem gekoppelt. Zwischen dem Fluideintritt und dem Fluidaustritt erstreckt sich der mindestens eine Temperierkanal vorzugsweise mäanderförmig. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Fluidsystem eine mit dem Fluideintritt gekoppelte Fluidzuführung und eine mit dem Fluidaustritt gekoppelte Fluidabführung aufweist. Die Fluidzuführung und/oder die Fluidabführung ist bzw. sind vorzugsweise mit einem Rohrsystem umfassend mindestens ein Rohr, vorzugsweise zwei Rohre, gekoppelt. Die Rohre erstrecken sich vorzugsweise in einer orthogonal zu dem im Folgenden erläuterten Querträger.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Batteriegehäuses zeichnet sich dadurch aus, dass die Kunststoffstruktur mindestens einen Querträger aufweist, der sich von einer ersten Gehäuserahmenseite zu einer gegenüberliegenden, zweiten Gehäuserahmenseite des Gehäuserahmens erstreckt.
Die erste Gehäuserahmenseite wird vorzugsweise von einem ersten Hohlprofilelement und die zweite Gehäuserahmenseite von einem zweiten Hohlprofilelement ausgebildet. Der Querträger erstreckt sich vorzugsweise zwischen diesen zwei Hohlprofilelementen. Insbesondere in Kombination mit der im Vorherigen beschriebenen vollständigen Umwandung des Gehäuserahmens mit der Kunststoffstruktur, die in dieser Ausführungsvariante auch den mindestens einen Querträger aufweist, kann somit eine vorteilhafte Versteifung des Batteriegehäuses erreicht werden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Kunststoffstruktur zwei oder mehr Querträger aufweist, zwischen denen jeweils Modulabschnitte zur Anordnung von Batteriemodulen ausgebildet werden.
Der Querträger kann durch eine einzelne Rippe ausgebildet werden. Alternativ kann der Querträger durch zwei nebeneinander angeordnete Rippen ausgebildet werden, sodass der Querträger eine verbesserte Torsionssteifigkeit und in der Regel eine höhere Knicksteifigkeit aufweist. Ferner weist ein Querträger mit zwei nebeneinander angeordneten Rippen eine bessere Stabilität und eine bessere thermische Isolierung auf.
Es ist bevorzugt, dass der Querträger in die gleiche Richtung ausgerichtet ist wie die Temperierwandungen. Der mindestens eine Querträger ist ferner vorzugsweise in horizontaler Richtung neben den Temperierwandungen angeordnet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Kunststoffstruktur zwei Querträger aufweist, wobei die mindestens zwei Temperierwandungen und/oder das Kühlelement zwischen den Querträgern angeordnet ist beziehungsweise sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Batteriegehäuses ist vorgesehen, dass der mindestens eine Querträger auf einer dem Bodenelement abgewandten Seite ein streifenförmiges Verstärkungselement aufweist.
Das Verstärkungselement ist insbesondere stirnseitig, vorzugsweise nicht auf den seitlichen Flächen des Querträgers angeordnet. Es ist bevorzugt, dass das Verstärkungselement mit dem Querträger verschweißt und/oder verklebt wird. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Batteriegehäuse zunächst ohne das Verstärkungselement in einem Formwerkzeug hergestellt wird und das Verstärkungselement anschließend in einem weiteren Prozessschritt an dem Querträger angeordnet wird.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Batteriegehäuses sieht vor, dass die Kunststoffstruktur Aufnahmemittel zur Anordnung eines Querträgers aufweist. An der Position der Aufnahmemittel weist die Kunststoffstruktur vorzugsweise keinen Querträger auf, sodass ein separater Querträger mittels der Aufnahmemittel anordenbar ist. Der separate Querträger kann aus einem Material bestehen, das gleich oder verschieden von dem Material der Kunststoffstruktur ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Batteriegehäuses sieht vor, dass der Gehäuserahmen und/oder das Hohlprofilelement und das Bodenelement jeweils aus einem thermoplastischen Verbundmaterial ausgebildet sind und die Kunststoffstruktur abschnittsweise angeordnet ist. Eine derartige Ausführungsvariante des Batteriegehäuses ermöglicht ein besonders geringes Gewicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Batteriegehäuses ist vorgesehen, dass die Kunststoffstruktur eine Befestigungsstruktur ausbildet, sodass eine Gehäuseabdeckung zum Verschließen des Batteriegehäuses mittels der Befestigungsstruktur und einem Befestigungsmittel an dem Batteriegehäuse befestigbar ist. Die Befestigungsstruktur kann beispielsweise eine Öffnung zur Verschraubung der Abdeckung sein. Ferner kann die Befestigungsstruktur eine Befestigungslippe sein oder umfassen, mit der die Gehäuseabdeckung positionierbar ist. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Befestigungsstruktur eine innere Befestigungslippe und eine äußere Befestigungslippe aufweist, zwischen denen ein Abschnitt der Gehäuseabdeckung anordenbar und befestigbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Batterie für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, umfassend ein Batteriegehäuse nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, eine Gehäuseabdeckung, mindestens ein Batteriemodul, wobei das mindestens eine Batteriemodul innerhalb des Modulbereichs angeordnet und eine dem Bodenelement abgewandte Seite des Batteriegehäuses mit der Gehäuseabdeckung verschlossen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriegehäuses, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Gehäuserahmens, der einen Modulbereich umschließt und vorzugsweise mit mindestens einem Hohlprofilelement ausgebildet ist, wobei der Modulbereich zum Anordnen von mindestens einem Batteriemodul ausgebildet wird, Anordnen eines Bodenelements angrenzend an den Modulbereich, und Spritzen einer Kunststoffstruktur derart, dass diese mit dem Gehäuserahmen und/oder dem Bodenelement verbunden ist.
Das Bereitstellen des Gehäuserahmens kann insbesondere ein Einlegen in ein Formwerkzeug sein. Die Hohlprofilelemente können beispielsweise miteinander vorverbunden sein, beispielsweise mit im Folgenden noch näher erläuterten Verbindungselementen oder stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen. Alternativ können die Hohlprofilelemente mit Kappen verschlossen werden, sodass beim Spritzen der Kunststoffstruktur im Wesentlichen kein Kunststoff in die Hohlprofilelemente gelangt.
Das Anordnen des Bodenelements kann insbesondere ein Einlegen in das Formwerkzeug sein. Darüber hinaus kann das Anordnen des Bodenelements auch ein Einformen des Bodenelements in den Gehäuserahmen umfassen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das Bodenelement vor dem Einlegen vorgewärmt wird, um in vorteilhafter Weise einformbar zu sein.
Wenn das Bodenelement aus einem duroplastischen Kunststoff auszubilden ist, ist es bevorzugt, dass das Bodenelement zunächst aus einem nicht vollständig ausgehärtetem Duroplast, beispielsweise mittels Prepregs, bereitgestellt wird. Ein solches Bodenelement ist noch formbar und kann in einem Formwerkzeug ausgeformt und beispielsweise mit der thermoplastischen Kunststoffstruktur ausgehärtet werden. Durch den zunächst nicht vollständig ausgehärteten Duroplast kann eine vorteilhafte Verbindung zwischen der Kunststoffstruktur und dem Bodenelement ausgebildet werden.
Alternativ kann ein aus einem duroplastischen Kunststoff vorgefertigtes Bodenelement bereitgestellt und umspritzt werden. Es kann bevorzugt sein, dass Verbindungsmittel zur Förderung der Verbindung zwischen dem Bodenelement und der Kunststoffstruktur eingesetzt werden. Ferner können Oberflächen des Bodenelements eine verbindungsfördernde Oberfläche, beispielsweise eine strukturierte Oberfläche, ausweisen.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens sieht vor, dass der Gehäuserahmen und das Bodenelement mit der Kunststoffstruktur derart umspritzt werden, dass diese mittels der Kunststoffstruktur miteinander verbunden werden. Hierfür ist es insbesondere bevorzugt, dass der Gehäuserahmen und das Bodenelement derart bereitgestellt und/oder angeordnet und/oder eingelegt werden, dass diese vor dem Spritzen aneinander anliegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kunststoffstruktur mindestens zwei Temperierwandungen aufweist, die derart angeordnet und ausgebildet werden, dass zwischen dem Modulbereich und dem Bodenelement mindestens ein Temperierkanal ausgebildet wird, das Verfahren umfassend den Schritt: Anordnen eines plattenförmigen Kühlelements auf den Temperierwandungen, sodass der Temperierkanal von den zwei Temperierwandungen, dem Bodenelement und dem Kühlelement umwandet wird. Diese Umwandung ist insbesondere abschnittsweise ausgebildet, um ein Einleiten und Ausleiten eines Kühlfluids zu ermöglichen.
Eine bevorzugte Fortbildung des Verfahrens sieht ferner vor, dass die Kunststoffstruktur mindestens einen Querträger aufweist, der sich von einer ersten Gehäuserahmenseite zu einer gegenüberliegenden, zweiten Gehäuserahmenseite des Gehäuserahmens erstreckt, das Verfahren umfassend den Schritt: Anordnen eines streifenförmigen Verstärkungselements auf einer dem Bodenelement abgewandten Seite des Querträgers.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Batteriegehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, umfassend eine Kavität und ein Angusssystem zur Ausführung des Verfahrens nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten.
Für 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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1: eine schematische Explosionszeichnung einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriegehäuses;
2: eine schematische, dreidimensionale Detailansicht des in 1 gezeigten Batteriegehäuses;
3: eine schematische, zweidimensionale Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriegehäuses;
4: eine schematische, zweidimensionale Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriegehäuses;
5: eine schematische, zweidimensionale Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriegehäuses;
6: eine schematische, zweidimensionale Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriegehäuses;
7: eine schematische dreidimensionale Detailansicht einer Verbindung von zwei Hohlprofilelementen;
8: eine schematische Ansicht eines beispielhaften Verfahrens; und
9: eine weitere schematische Ansicht eines beispielhaften Verfahrens.

In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt ein Batteriegehäuse 100 mit einem Gehäuserahmen 102, der mit mehreren Hohlprofilelementen 104, 105, 106, 107, 108 ausgebildet ist. Der Gehäuserahmen 102 umschließt einen Modulbereich 110, wobei die dem Betrachter zugewandte Seite lediglich schematisch gestrichelt dargestellt ist.
Das Batteriegehäuse 100 umfasst darüber hinaus ein angrenzend an den Modulbereich 110 angeordnetes Bodenelement 112. Das Bodenelement 112 umfasst einen flächigen Bodenabschnitt 114 und einen im Randbereich des Bodenelements 112 angeordneten Kragenabschnitt 116 zur Anordnung des Bodenelements 112 an dem Gehäuserahmen 102. Insbesondere kann mit dem Kragenabschnitt 116 eine in vertikaler Richtung formschlüssige Verbindung mit dem Gehäuserahmen 102 ausgebildet werden.
Darüber hinaus umfasst das Batteriegehäuse 100 eine Kunststoffstruktur 118, die an den Gehäuserahmen 102 und an das Bodenelement 112 angespritzt ist, sodass diese mittels der Kunststoffstruktur 118 miteinander verbunden sind. Die Kunststoffstruktur 118 weist darüber hinaus insgesamt fünf Querträger 120 und eine Vielzahl an Temperierwandungen 122 auf, die sich zwischen den Querträgern 120 erstrecken. Vertikal auf den Querträgern 120 sind streifenförmige Verstärkungselemente 124 vorgesehen, die zur weiteren Versteifung des Batteriegehäuses 100 vorgesehen sind. Vertikal auf den Temperierwandungen 122 sind Kühlelemente 126 - 136 aus Aluminium vorgesehen.
Die Querträger 120, die Temperierwandungen 122 und die Kühlelemente 126 - 136 erstrecken sich von einer ersten Gehäuserahmenseite 138 zu einer zweiten Gehäuserahmenseite 140 des Gehäuserahmens 102. Der Querträger 120 unterteilt den Modulbereich 110 in mehrere Modulabschnitte, von denen in 2 der erste Modulabschnitt 154 und der zweite Modulabschnitt 156 gezeigt sind.
Insbesondere in 2 ist die Ausbildung eines Temperierkanals 146 mittels einer ersten Temperierwandung 142 und einer zweiten Temperierwandung 144 gezeigt. Der Temperierkanal 146 wird mittels der Temperierwandungen 142, 144, dem Bodenelement 112 und dem Kühlelement 126 ausgebildet.
Ferner ist in 2 gezeigt, dass die Kunststoffstruktur 118 den Gehäuserahmen 102 im Wesentlichen vollständig mittels einer Ummantelung 148 umgibt. Ferner ist in den 1 und 2 gezeigt, dass die Kunststoffstruktur 118 monolithisch ausgebildet ist. Die Kunststoffstruktur 118 umfasst eine Befestigungslippe 150, die zur Positionierung einer nicht gezeigten Gehäuseabdeckung angeordnet und ausgebildet ist. Ferner umfasst das Batteriegehäuse 100 eine Befestigungsstruktur 152, die als eine Vielzahl an Löchern innerhalb der Ummantelung 148 und des Gehäuserahmens 102 ausgebildet ist.
3 zeigt eine Schnittzeichnung einer bevorzugten Ausführungsvariante des Batteriegehäuses 100. Insbesondere ist gezeigt, dass der Gehäuserahmen 102 beziehungsweise die Hohlelementprofile 104 - 108 von der Ummantelung 148 der Kunststoffstruktur 118 umgeben sind. Ferner ist gezeigt, dass der Gehäuserahmen 102 und das Bodenelement 112 mittels der Kunststoffstruktur 118 verbunden sind. Insbesondere legt sich der Kragenabschnitt 116 unmittelbar an das Hohlelementprofil 104 an, sodass durch ein Umspritzen des Kragenabschnitts 116 und des Hohlelementprofils 104 eine Verbindung zwischen dem Gehäuserahmen 102 und dem Bodenelement 112 ausgebildet wird. Ferner ist die Anordnung der Gehäuseabdeckung 116 an der Befestigungslippe 150 mit einer Befestigungsschraube 162 gezeigt.
Der Querträger 120 ist durch eine erste Querträgerrippe 166 und eine zweite Querträgerrippe 168 ausgebildet, auf denen das Verstärkungselement 124 angeordnet ist. Der Querträger 120 weist eine weitere Befestigungseinheit 164 auf. Ferner ist die Ausbildung des Temperierkanals 146 mittels der Temperierwandung 142, 144, dem Bodenelement 112 und dem Kühlelement 126 gezeigt.
In 4 ist die Befestigung der Gehäuseabdeckung 160 mit einer zusätzlichen zweiten Befestigungslippe 170 realisiert, indem die Gehäuseabdeckung 160 zwischen der Befestigungslippe 150 und der zweiten Befestigungslippe 170 angeordnet ist.
In 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Batteriegehäuses gezeigt, wobei das Bodenelement 112 mit einer Schweißverbindung 172 mit dem Gehäuserahmen 102 und insbesondere mit dem Hohlelementprofil 104 verbunden ist. Die Kunststoffstruktur 118 ist an den Gehäuserahmen 102 angespritzt.
In 6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Batteriegehäuses 100 gezeigt, in der der Gehäuserahmen 102 durch das Bodenelement 112 mit ausgebildet wird, wobei die entstehenden Hohlräume durch Profilfüllungen 174, 176 mit Kunststoff ausgebildet werden. Die Kunststoffstruktur 118 ist an das Bodenelement 112 angespritzt.
7 zeigt eine Verbindung von zwei benachbart angeordneten Hohlelementprofilen 104, 106. Die Verbindung erfolgt mit der Verbindungseinheit 178. Die Verbindungseinheit 178 umfasst ein Verbindungselement 184, an das ein erster Verbindungsflügel 180 und ein zweiter Verbindungsflügel 182 angeordnet sind. Der erste Verbindungsflügel 180 wird mit dem ersten Hohlelementprofil 104 und der zweite Verbindungsflügel 182 mit dem zweiten Hohlelementprofil 106 verbunden, sodass die rechts in der 7 dargestellte Verbindung der Hohlelementprofile 104, 106 ausbildbar ist.
In 8 ist gezeigt, dass in einem ersten Schritt des Verfahrens ein Bodenelement 112 bereitgestellt wird und mittels eines Roboters 186 zu einer Vorwärmstation 190 bewegt wird. Alternativ kann das Bodenelement 112 auch bereits vorgeformt sein und unmittelbar in das Formwerkzeug 188 eingelegt werden. Nach dem Aufwärmen des Bodenelements 112 in Schritt 2 wird dieses zu einem Formwerkzeug 188 in Schritt 3 bewegt und eingelegt. Alternativ kann das Bodenelement 112 aus einem Duroplastprepreg in dem Formwerkzeug 188 ausgeformt werden.
Es wird ferner ein Gehäuserahmen 102 in das Formwerkzeug 188 eingelegt. In Schritt 4 wird das Formwerkzeug 188 geschlossen. Ferner kann in Schritt 4 das Bodenelement 112 in die Kavität des Formwerkzeugs 188 eingeformt werden. In Schritt 5 wird die Kunststoffstruktur 118 in das Formwerkzeug 188 eingespritzt, sodass der Gehäuserahmen 102 und das Bodenelement 112 mit dem Kunststoff derart umspritzt werden, dass diese mittels der durch das Spritzen entstehenden Kunststoffstruktur 118 miteinander verbunden werden. In Schritt 6 wird das Formwerkzeug 188 geöffnet und das Batteriegehäuse 100 kann entnommen werden. Der Prozess könnte alternativ oder ergänzend mit einem Wendplatten- oder Würfelwerkzeug realisiert werden. Ferner ist die Verwendung einer Indexplatte möglich, sodass das Umformen, gegebenenfalls mit Randbeschnitt, und das Spritzen separat voneinander ausführbar sind.
In 9 ist ein schematisches Verfahren gezeigt. In Schritt 200 wird der Gehäuserahmen 102 bereitgestellt. In Schritt 202 wird das Bodenelement 112 angrenzend an den Modulbereich 110 angeordnet. In Schritt 204 wird eine Kunststoffstruktur 118 derart gespritzt, dass diese mit dem Gehäuserahmen 102 und dem Bodenelement 112 verbunden ist. Es ist bevorzugt, dass die Schritte 200, 202, 204 in einem einzelnen Formwerkzeug 188 erfolgen.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Kunststoffstruktur 118 mindestens zwei Temperierwandungen 122, 142, 144 aufweist, die derart angeordnet und ausgebildet werden, dass zwischen dem Modulbereich 110 und dem Bodenelement 112 mindestens ein Temperierkanal 146 ausgebildet wird. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt 206: Anordnen eines plattenförmigen Kühlelements 126 - 136 auf den Temperierwandungen 122, 142, 144, sodass der Temperierkanal 146 von den zwei Temperierwandungen 122, 142, 144, dem Bodenelement 112 und dem Kühlelement 126 - 136 umschlossen wird.
Ferner umfasst das Verfahren in Schritt 208: Anordnen eines streifenförmigen Verstärkungselements 124 auf einer dem Bodenelement 112 abgewandten Seite des Querträgers 120.
Das im Vorherigen beschriebene Batteriegehäuse 100 und das entsprechende Verfahren haben den Vorteil, dass ein Batteriegehäuse 100 mit einem geringen Gewicht und einer hohen Steifigkeit herstellbar ist. Ferner können durch das beschriebene Verfahren zur Herstellung des Batteriegehäuses 100 Herstellungskosten reduziert werden. Dies begründet sich insbesondere daher, dass das Volumen der gespritzten Kunststoffstruktur 118 vergleichsweise gering ist und somit lediglich ein geringer Spritzdruck erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

100: Batteriegehäuse
102: Gehäuserahmen
104-108: Hohlelementprofil
110: Modulbereich
112: Bodenelement
114: Bodenabschnitt
116: Kragenabschnitt
118: Kunststoffstruktur
120: Querträger
122, 142, 144: Temperierwandungen
124: Verstärkungselement
126-136: Kühlelement
138: erste Gehäuserahmenseite
140: zweite Gehäuserahmenseite
146: Temperierkanal
148: Ummantelung
150: Befestigungslippe
152: Befestigungsstruktur
154: erster Modulabschnitt
156: zweiter Modulabschnitt
158: Unterboden
160: Gehäuseabdeckung
162: Befestigungsschraube
164: Befestigungseinheit
166: erste Querträgerrippe
168: zweite Querträgerrippe
170: zweite Befestigungslippe
172: Schweißverbindung
174, 176: Profilfüllung
178: Verbindungseinheit
180: erster Verbindungsflügel
182: zweiter Verbindungsflügel
184: Verbindungselement
186: Roboter
188: Formwerkzeug
190: Vorwärmstation

Claims

Batteriegehäuse (100) für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, umfassend - einen Gehäuserahmen (102), einen Modulbereich (110) umschließt, wobei der Modulbereich (110) zum Anordnen von mindestens einem Batteriemodul ausgebildet ist, - ein angrenzend an den Modulbereich (110) angeordnetes Bodenelement (112), und - eine Kunststoffstruktur (118), die an den Gehäuserahmen (102) und/oder das Bodenelement (112) derart angespritzt ist, dass diese mit dem Gehäuserahmen (102) und/oder dem Bodenelement (112) verbunden ist.
Batteriegehäuse (100) nach Anspruch 1, wobei - der Gehäuserahmen (102) und das Bodenelement (112) mit der Kunststoffstruktur (118) derart umspritzt sind, dass diese mittels der Kunststoffstruktur (118) miteinander verbunden sind.
Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die Kunststoffstruktur (118) den Gehäuserahmen (102) vollständig umgibt.
Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die Kunststoffstruktur (118) monolithisch ausgebildet ist, sodass die Kunststoffstruktur (118) mit einem einzelnen Kunststoffspritzschuss herstellbar ist.
Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die Kunststoffstruktur (118) mindestens zwei Temperierwandungen (122, 142, 144) aufweist, die derart angeordnet und ausgebildet sind, dass zwischen dem Modulbereich (110) und dem Bodenelement (112) mindestens ein Temperierkanal (146) ausgebildet ist.
Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend - mindestens ein den mindestens einen Temperierkanal (146) abdeckendes plattenförmiges Kühlelement (126-136), sodass ein in dem Modulbereich (110) angeordnetes und an das Kühlelement (126-136) angrenzendes Batteriemodul mit einem in dem mindestens einen Temperierkanal (146) wirkenden Kühlmittel kühlbar ist.
Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die Kunststoffstruktur (118) mindestens einen Querträger (120) aufweist, der sich von einer ersten Gehäuserahmenseite (138) zu einer gegenüberliegenden, zweiten Gehäuserahmenseite (140) des Gehäuserahmens (102) erstreckt.
Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der mindestens eine Querträger (120) auf einer dem Bodenelement (112) abgewandten Seite ein streifenförmiges Verstärkungselement (124) aufweist.
Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - das Hohlprofilelement (104-108) und das Bodenelement (112) jeweils aus einem thermoplastischen Verbundmaterial ausgebildet sind und die Kunststoffstruktur (118) abschnittsweise angeordnet ist.
Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die Kunststoffstruktur (118) eine Befestigungsstruktur (152) ausbildet, sodass eine Gehäuseabdeckung (160) zum Verschließen des Batteriegehäuses (100) mittels der Befestigungsstruktur (152) und einem Befestigungsmittel (162) an dem Batteriegehäuse (100) befestigbar ist.
Batterie für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, umfassend - ein Batteriegehäuse (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-10, - eine Gehäuseabdeckung (160), - mindestens ein Batteriemodul, - wobei das mindestens eine Batteriemodul innerhalb des Modulbereichs (110) angeordnet und eine dem Bodenelement (112) abgewandte Seite des Batteriegehäuses (100) mit der Gehäuseabdeckung (160) verschlossen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Batteriegehäuses (100), umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Gehäuserahmens (102), der einen Modulbereich (110) umschließt, wobei der Modulbereich (110) zum Anordnen von mindestens einem Batteriemodul ausgebildet wird; - Anordnen eines Bodenelements (112) angrenzend an den Modulbereich (110); und - Spritzen einer Kunststoffstruktur (118) derart, dass diese mit dem Gehäuserahmen (102) und/oder dem Bodenelement (112) verbunden ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 12, wobei - der Gehäuserahmen (102) und das Bodenelement (112) mit der Kunststoffstruktur (118) derart umspritzt werden, dass diese mittels der Kunststoffstruktur (118) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 12-13, wobei die Kunststoffstruktur (118) mindestens zwei Temperierwandungen aufweist, die derart angeordnet und ausgebildet werden, dass zwischen dem Modulbereich (110) und dem Bodenelement (112) mindestens ein Temperierkanal ausgebildet wird, das Verfahren umfassend den Schritt: - Anordnen eines plattenförmigen Kühlelements auf den Temperierwandungen, sodass der Temperierkanal von den zwei Temperierwandungen, dem Bodenelement (112) und dem Kühlelement umwandet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 12-14, wobei die Kunststoffstruktur (118) mindestens einen Querträger aufweist, der sich von einer ersten Gehäuserahmenseite zu einer gegenüberliegenden, zweiten Gehäuserahmenseite des Gehäuserahmens (102) erstreckt, das Verfahren umfassend den Schritt: - Anordnen eines streifenförmigen Verstärkungselements auf einer dem Bodenelement (112) abgewandten Seite des Querträgers.
Formwerkzeug (188) zur Herstellung eines Batteriegehäuses (100), insbesondere eines Batteriegehäuses (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-10, umfassend eine Kavität und ein Angusssystem zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche 12-15.