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DE102017010863A1 - Verfahren zur Herstellung einer Batteriewanne in Hybridbauweise und hiermit hergestellte Batteriewanne in Hybridbauweise - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Batteriewanne in Hybridbauweise und hiermit hergestellte Batteriewanne in Hybridbauweise Download PDF

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DE102017010863A1
DE102017010863A1 DE102017010863.3A DE102017010863A DE102017010863A1 DE 102017010863 A1 DE102017010863 A1 DE 102017010863A1 DE 102017010863 A DE102017010863 A DE 102017010863A DE 102017010863 A1 DE102017010863 A1 DE 102017010863A1
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DE
Germany
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hollow profile
plastic
battery
profile elements
battery tray
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102017010863.3A
Other languages
English (en)
Inventor
Oliver Stoll
Florian Eidmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
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Publication of DE102017010863A1 publication Critical patent/DE102017010863A1/de
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriewanne (100), insbesondere für eine Traktionsbatterie, mit den Schritten:- Anordnen von mehreren, einen Wannenboden (120) bildenden, metallischen Hohlprofilelementen (150) in der Kavität eines geöffneten Kunststoffformwerkzeugs, wobei die Hohlprofilelemente (150) mit Abstand zueinander angeordnet werden;- Schließen des Kunststoffformwerkzeugs und Erzeugen eines Kunststoffrahmens (160), der einerseits die Hohlprofilelemente (150) verbindet, sodass sich ein geschlossener Wannenboden (120) ausbildet, und der anderseits eine den Wannenboden (120) umgebende Seitenwandung (130) bildet. IDie Erfindung betrifft ferner eine verfahrensgemäß hergestellte Batteriewanne (100).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriewanne in Hybridbauweise sowie eine verfahrensgemäß hergestellte Batteriewanne in Hybridbauweise, insbesondere für eine Traktionsbatterie.
  • Traktionsbatterien für Elektroautos, Hybridelektrokraftfahrzeuge und dergleichen weisen für gewöhnlich ein Batteriegehäuse und im Inneren dieses Gehäuses angeordnete Batteriemodule oder -zellen auf. Das Gehäuse kann aus einem wannenartigen Unterteil, nachfolgend als Batteriewanne bezeichnet, und einem Deckel gebildet sein. Die Batteriewanne soll einerseits eine hohe Steifigkeit bzw. Festigkeit aufweisen und andererseits möglichst leicht sein.
  • Die DE 10 2011 107 007 A1 beschreibt einen Batteriekasten, der einen unteren, gemeinsamen Rahmen und einen oberen Abschlussdeckel aufweist. Der Rahmen ist modular aus Stahl-Hohlprofilen bzw. Längs- und Querholmen zusammengesetzt. Im Rahmen sind Kühlplatten rechteckförmiger Gestalt angeordnet, die teilweise unmittelbar von dem gemeinsamen Rahmen umschlossen und teilweise durch Tragstreben zusätzlich abgestützt sind und die einen ebenen Unterboden bilden. Die Kühlplatten sind mit integrierten Kühlkanälen ausgebildet und aus Leichtmetall im Strangpressverfahren gefertigt. Die Tragstreben können aus Stahlblech oder Leichtmetall ausgeführt sein und sind fest mit dem gemeinsamen Rahmen verbunden. Selbsterklärend ist die Herstellung dieses Batteriekastens aufwendig.
  • Die Erfindung soll eine Möglichkeit zur günstigen Herstellung einer steifen und leichten Batteriewanne aufzeigen, welche insbesondere auch für eine Serienfertigung geeignet ist.
  • Dies gelingt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine erfindungsgemäß hergestellte Batteriewanne. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Batteriewanne, insbesondere für eine Fahr- bzw. Traktionsbatterie, umfasst zumindest die folgenden Schritte:
    • - Anordnen von mehreren, den Wannenboden bildenden bzw. mitbildenden, metallischen Hohlprofilelementen in der Kavität eines geöffneten Kunststoffformwerkzeugs, wobei die Hohlprofilelemente beabstandet, d. h. mit Abstand zueinander angeordnet werden, insbesondere mit paralleler Ausrichtung;
    • - Schließen des Kunststoffformwerkzeugs und Erzeugen bzw. Ausformen eines Kunststoffrahmens (Kunststoffstruktur), der einerseits die Hohlprofilelemente verbindet, sodass sich ein geschlossener Wannenboden ausbildet, und der anderseits eine den Wannenboden umgebende Seitenwandung bildet.
  • Die auf diese Weise vergleichsweise einfach hergestellte Batteriewanne kann nach dem Öffnen des Kunststoffformwerkzeugs entnommen und gegebenenfalls weiterbearbeitet werden. Die Batteriewanne ist leicht und trotzdem steif. Die Batteriewanne bzw. der Wannenkörper weist einen Wannenboden und eine den Wanneboden umgebende Seitenwandung auf und ist ein aus Metall, insbesondere Aluminium, und Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff (FVK), gebildetes Hybridbauteil.
  • Das Kunststoffformwerkzeug ist mit wenigstens einer formgebenden Kavität (Formhohlraum) ausgebildet weist wenigstens zwei zueinander relativbewegliche Werkzeugteile auf. Das Kunststoffformwerkzeug ist insbesondere ein Spritzgieß- bzw. Spritzpresswerkzeug oder ein Formpresswerkzeug (für die Kunststoffverarbeitung).
  • Der Kunststoffrahmen kann aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff gebildet bzw. geformt werden. Bevorzugt wird ein faserverstärkter Kunststoff, insbesondere ein kurz- und/oder langfaserverstärkter Kunststoff, verwendet. Der faserverstärkte Kunststoff ist insbesondere ein CFK, GFK oder AFK.
  • Der Kunststoffrahmen kann durch Spritzgießen oder durch Verpressen bzw. Formpressen eines Kunststoffs, insbesondere eines faserhaltigen bzw. faserverstärkten Kunststoffs, gebildet bzw. erzeugt werden. Beim Spritzgießen wird die Kunststoffmasse in die geschlossene Kavität eingespritzt und ausgehärtet. Beim Formpressen wird die Kunststoffmasse in die geöffnete Kavität eingebracht und dann beim Schließen des Werkzeugs verpresst und ausgehärtet. Für das Formpressen eignet sich insbesondere SMC oder BMC.
  • Die Hohlprofilelemente sind bevorzugt aus Aluminium und insbesondere aus einem Aluminium-Mehrkammerflachprofil gebildet. Die Hohlprofilelemente können durch Ablängen eines entsprechenden Strangpressprofils mit vorgesehenen Längen bereitgestellt werden.
  • Die Hohlprofilelemente können Formschlussmittel aufweisen, sodass sich beim Ausformen des Kunststoffrahmens eine formschlüssige Verbindung zwischen den Hohlprofilelementen und dem Kunststoffrahmen ausbilden kann. Solche Formschlussmittel bzw. -elemente können bspw. nutartige Vertiefungen oder Rippen sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner den Schritt umfassen:
    • - Befestigen von äußeren Hohlprofilleisten an der Batteriewanne, nachdem diese aus dem Kunststoffformwerkzeug entnommen wurde.
  • Die Hohlprofilleisten dienen der Versteifung und können außerdem im Crashfall durch plastische Deformation Energie aufnehmen. Die Hohlprofilleisten können aus Metall, insbesondere einem duktilen Aluminium, oder einem faserverstärkten Kunststoff (FVK) gebildet sein. Bevorzugt handelt es sich um abgelängte Strangpress- oder Pultrusionsprofile. Die Hohlprofilleisten können an gegenüberliegenden Seitenwänden oder umlaufend angeordnet werden. Die Befestigung kann durch Verklebung und/oder mit Formschlussmitteln erfolgen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die wannenseitigen Formschlussmittel bzw. -elemente beim Erzeugen des Kunststoffrahmens mit angeformt werden. Die Befestigung kann auch durch Verschrauben erfolgen. Die Hohlprofilleisten können zumindest teilweise ausgeschäumt sein, z. B. mit einem Kunststoffschaum.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner den Schritt umfassen:
    • - Befestigen von Trennwandelementen oder dergleichen in der Batteriewanne, nachdem die Batteriewanne aus dem Kunststoffformwerkzeug entnommen wurde.
  • Die Trennwandelemente dienen der Versteifung, bilden Lastpfade, insbesondere bei einer Crashbelastung, und unterteilen die Batteriewanne in mehrere Fächer zur Aufnahme von Batteriezellen oder -modulen. Die Trennwandelemente können aus Metall, insbesondere Aluminium, oder einem faserverstärkten Kunststoff (FVK) gebildet sein. Bevorzugt handelt es sich um abgelängte Strangpress- oder Pultrusionsprofile. Die Befestigung kann durch Verklebung und/oder durch Formschlusselemente erfolgen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die wannenseitigen Formschlusselemente beim Erzeugen des Kunststoffrahmens mit angeformt werden.
  • Eine alternative Verfahrensvariante sieht vor, dass beim Erzeugen des Kunststoffrahmens auch Trennwände im Inneren der Batteriewanne mit ausgebildet werden. Ein nachträglicher Einbau kann dadurch entfallen.
  • Beim Erzeugen bzw. Ausformen des Kunststoffrahmens (im Kunststoffformwerkzeug) können im Inneren der Batteriewanne Befestigungsdome mit angeformt werden. Solche Befestigungsdome dienen insbesondere als Knotenelemente für Trennwandelemente und/oder als Verschraubungspunkte zur Befestigung eines Deckels an der Batteriewanne oder zur Befestigung der Batterie an einer Fahrzeugkarosserie. Alternativ können solche Befestigungsdome auch separat angefertigt werden, bspw. aus SMC oder BMC, und dann mit der Batteriewanne bzw. dem Wannenkörper verklebt und/oder verschraubt werden. Alternativ können solche Befestigungsdome auch in einem zweiten Werkzeug angeformt werden; selbiges gilt für die o. g. Formschlusselemente und -mittel zur Befestigung von Trennwandelementen bzw. zur Befestigung äußerer Hohlprofilleisten.
  • Zwecks elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) können dem Kunststoff Metallpartikel oder -fasern (z. B. auf Kupfer) zugemischt sein. So kann bspw. ein metallpartikelhaltiges SMC oder BMC verwendet werden. Bevorzugt werden bei der Aufbereitung des Kunststoffs durch Zusetzung kleingeschnittener Verstärkungsfasern auch Metallfasern mit eingestreut. Ferner kann die Batteriewanne durch kurzes Eintauchen in ein Metallbad, bspw. ein Zinkbad, oder durch Metallbedampfen abgeschirmt werden. Ferner kann auch eine direkte Beschichtung im Kunststoffformwerkzeug erfolgen (sogenanntes In Mould Coating). Zur Abschirmung können ferner auch Folien- oder Vliesmaterialien verwendet werden, die in das Kunststoffformwerkzeug mit eingelegt werden.
  • Die erfindungsgemäß hergestellte Batteriewanne in Hybridbauweise weist mehrere metallische Hohlprofilelemente auf, die im Wannenboden angeordnet sind, und einen, insbesondere einstückigen, Kunststoffrahmen, der einerseits die Hohlprofilelemente verbindet, sodass ein geschlossener Wannenboden besteht, und der anderseits die den Wannenboden umgebende Seitenwandung bildet. Die metallischen Hohlprofilelemente sind Teil des Wannenbodens und bilden innerhalb des Wannenbodens stabile Träger, die einerseits zu einer hohen Tragfähigkeit führen und andererseits steif sind und, insbesondere in axialer Richtung, ein hohes Lastaufnahmevermögen aufweisen, insbesondere bei einer Crashbelastung. Ferner können die metallischen Hohlprofilelemente im Wannenboden auch als Kühlkanäle verwendet werden und können hierzu von einem Kühlmedium durchströmt werden, wobei die gute Wärmeleitfähigkeit des Metalls genutzt wird. Sonstige Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog zu den vorausgehenden Erläuterungen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in den schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
    • 1 zeigt eine erfindungsgemäß hergestellte Batteriewanne.
    • 2 zeigt den Kunststoff rahmen der Batteriewanne aus 1.
    • 3 zeigt einen Eckbereich der Batteriewanne aus 1.
    • 4 zeigt einen Befestigungsdom an der Batteriewanne aus 1.
  • Die in 1 gezeigte Batteriewanne 100 bildet das Unterteil einer Traktionsbatterie. Die Batteriewanne 100 hat einen fluiddichten Wannenkörper 110 mit einem Wannenboden 120 und einer den Wannenboden 120 umgebenden Seitenwandung 130. Im Inneren der Batteriewanne 100 befinden sich aus einzelnen Trennwandelementen 140 gebildete Trennwände, die sich in Längs- und Querrichtung erstrecken und die Wanne 100 in mehrere Fächer zur Aufnahme der Batteriezellen bzw. -module unterteilen. An der Außenfläche der Batteriewanne 100 bzw. des Wannenkörpers 110 sind (äußere) Hohlprofilleisten 170 befestigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Hohlprofilleisten 170 nur an den Schmal- bzw. Querseiten angeordnet. Bevorzugt sind umlaufend solche Hohlprofilleisten 170 vorgesehen.
  • Die Batteriewanne 100 ist ein Hybridbauteil und weist mehrere metallische Hohlprofilelemente 150 auf, die im Wannenboden 120 angeordnet sind und sich beispielhaft in Querrichtung erstrecken, und einen Kunststoffrahmen 160, der einerseits die Hohlprofilelemente 150 verbindet, sodass sich ein geschlossener Wannenboden 120 ergibt, und der anderseits die Seitenwandung 130 bildet. Der panelenartig aufgebaute, ebene Wannenboden 120 ist somit aus parallelen, zueinander beabstandeten metallischen Hohlprofilelementen 150 und die Zwischenräume flächig ausfüllenden Kunststoffelementen 162, die Teil des Kunststoffrahmens 160 sind, gebildet. Die Batteriezellen bzw. -module können am Wannenboden 120, insbesondere an den metallischen Hohlprofilelementen 150, befestigt werden. Die Hohlprofilelemente 150 sind als Mehrkammerflachprofile (siehe 3) ausgebildet und können auch als Kühlkanäle zur Kühlung der Batteriezellen bzw. -module verwendet werden.
  • Die Batteriewanne 100 wird hergestellt, indem die metallischen Hohlprofilelemente 150 in einer Ebene liegend in der Kavität eines Werkzeugs angeordnet werden und dann der Kunststoffrahmen 160, insbesondere durch Spritzgießen oder Formpressen, erzeugt bzw. gefertigt wird. Dies geschieht in einem Arbeitsgang (One Shot). Hierbei verbindet sich die verwendete Kunststoffmasse fest und dicht mit den Hohlprofilelementen 150. Bevorzugt wird ein faserverstärkter Kunststoff verwendet. Grundsätzlich können auch mehrere unterschiedliche Kunststoffe verwendet werden (bspw. durch Mehrkomponentenspritzguss). 2 zeigt zur Veranschaulichung den auf diese Weise hergestellten einstückigen Kunststoffrahmen 160 ohne die im Bodenbereich angeordneten metallischen Hohlprofilelemente 150. Der Kunststoffrahmen 160 kann auch als Kunststoffstruktur bezeichnet werden. Anschließend, d. h. nach der Entnahme der Batteriewanne 100 aus dem Werkzeug, werden noch die Trennwandelemente 140 und die Hohlprofilleisten 170 befestigt.
  • 3 zeigt den in 1 gekennzeichneten Eckbereich A. Zu erkennen ist eine formschlüssige hinterschnittige Verbindung zwischen dem Kunststoffrahmen 160 und dem Hohlprofilelement 150. Das Hohlprofilelement 150 ist hierfür mit einem nutartigen Formschlussmittel 155 ausgebildet. Auch die Befestigung der als Mehrkammerhohlprofil ausgebildeten Hohlprofilleiste 170 erfolgt formschlüssig, wozu der Kunststoffrahmen 160 Formschlussmittel 165 in Gestalt einer Rippenstruktur aufweist, die beim Erzeugen des Kunststoffrahmens 160 mit angeformt wird (siehe 2). Die zum Kunststoffrahmen bzw. zur Kunststoffstruktur 160 gehörende Seitenwandung 130 weist ferner eine umlaufende Dichtungsnut 164 auf, in der eine Dichtung zur Abdichtung eines Deckels (Gehäusedeckel) anordenbar ist. Die Dichtungsnut 164 kann beim Erzeugen des Kunststoffrahmens 160 mit ausgeformt werden. Ferner kann beim spritzgießenden Herstellen des Kunststoffrahmens 160 mittels Mehrkomponentenspritzguss auch sogleich die Dichtung angespritzt werden.
  • 4 zeigt einen Befestigungsdom 180 im Inneren der Batteriewanne 100, der ein Knotenelement für die Trennwandelemente 140 bildet und auch als Verschraubungs- bzw. Befestigungspunkt dient. Der Befestigungsdom 180 weist eine Bohrung 185, die als Sacklochbohrung oder als Durchgangsbohrung ausgebildet sein kann, oder ein Gewinde auf. Der Befestigungsdom 180 wird beim Erzeugen des Kunststoffrahmens 160 mit angeformt (siehe 2). Selbiges gilt für die Befestigungselemente 190 zur Befestigung der Trennwandelemente 140 an der Seitenwandung 130 (siehe 2).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011107007 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Batteriewanne (100), insbesondere für eine Traktionsbatterie, umfassend die Schritte: - Anordnen von mehreren, einen Wannenboden (120) bildenden, metallischen Hohlprofilelementen (150) in der Kavität eines geöffneten Kunststoffformwerkzeugs, wobei die Hohlprofilelemente (150) mit Abstand zueinander angeordnet werden; - Schließen des Kunststoffformwerkzeugs und Erzeugen eines Kunststoffrahmens (160), der einerseits die Hohlprofilelemente (150) verbindet, sodass sich ein geschlossener Wannenboden (120) ausbildet, und der anderseits eine den Wannenboden (120) umgebende Seitenwandung (130) bildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffrahmen (160) aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffrahmen (160) durch Spritzgießen oder durch Formpressen eines Kunststoffs erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlprofilelemente (150) aus einem Aluminium-Mehrkammerflachprofil gebildet sind.
  5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlprofilelemente (150) Formschlussmittel (155) aufweisen, sodass sich eine formschlüssige Verbindung mit dem Kunststoffrahmen (160) ausbilden kann.
  6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: - Befestigen von äußeren Hohlprofilleisten (170) an der Batteriewanne (100).
  7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: - Befestigen von Trennwandelementen (140) in der Batteriewanne (100).
  8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen des Kunststoffrahmens (160) Befestigungsdome (180) im Inneren der Batteriewanne (100) mit angeformt werden.
  9. Batteriewanne (100) in Hybridbauweise, insbesondere für eine Traktionsbatterie, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, mit metallischen Hohlprofilelementen (150), die im Wannenboden (120) angeordnet sind, und einem Kunststoffrahmen (160), der einerseits die Hohlprofilelemente (150) verbindet, sodass ein geschlossener Wannenboden (120) besteht, und der anderseits eine den Wannenboden (120) umgebende Seitenwandung (130) bildet.
  10. Batteriewanne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlprofilelemente (150) als Kühlkanäle vorgesehen sind.
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