DE102021113221A1

DE102021113221A1 - Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse

Info

Publication number: DE102021113221A1
Application number: DE102021113221.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kellner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2022-11-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) zur Aufnahme mindestens eines Batteriezellen-Stapels (18), miteinem vierseitigen Gehäuse-Grundkörper (20), der eine horizontale Bodenwand (21), eine hierzu parallele und in Vertikalrichtung (z) beabstandete horizontale Deckenwand (22) und zwei zueinander parallele und in Längsrichtung (y) zueinander beabstandete vertikale Seitenwände (23,24) aufweist, undzwei zueinander parallelen und in Querrichtung (x) zueinander beabstandeten vertikalen Stirnwänden (30,30'), wobei jede Stirnwand (30,30') von einem Kunststoffkörper (32) gebildet ist, wobeider Stirnwand-Kunststoffkörper (32) mindestens eine Metallhülse (40) aufweist, die unlösbar mit dem Stirnwand-Kunststoffkörper (32) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse zur Aufnahme mindestens eines Batteriezellen-Stapels.
Ein typisches Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul weist ein relativ steifes und rechteckiges Gehäuse auf, das einen oder mehrere Batteriezellen-Stapel fluiddicht aufnimmt. Das Traktionsbatteriemodul-Gehäuse dient neben der Abdichtung der Batteriezellen-Stapel auch ihrem mechanischen Schutz und insbesondere der Crashsicherung. Typischerweise sind Traktionsbatteriemodule relativ flach und langgestreckt ausgebildet und werden in Fahrzeug-Querrichtung verbaut, so dass jedes Traktionsbatteriemodul mit seiner Längserstreckung in Fahrzeug-Querrichtung orientiert ist und ein tragendes Strukturteil des Fahrzeugrahmens bildet, der insbesondere Querkräfte im Crashfall aufnehmen soll.
Üblicherweise besteht das Traktionsbatteriemodul- Gehäuse aus Metall, insbesondere aus Aluminium. Aus DE 10 2011 076 583 A1 , DE 10 2011 085 965 A1 , DE 10 2010 040 731 A1 und DE 11 2015 001 861 T5 sind Traktionsbatteriemodul-Gehäuse aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, die eine fluiddichte Unterbringung der Batteriezellen-Stapel ermöglichen und eine erhebliche Gewichtsersparnis ermöglichen. Die mechanische Anbindung derartiger Traktionsbatteriemodul-Gehäuse an den Fahrzeugrahmen ist jedoch schwierig und aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein leichtes Traktionsbatteriemodul-Gehäuse mit einfacher Anbindbarkeit an den Fahrzeugrahmen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Modul dient der Aufnahme mindestens eines Batteriezellen-Stapels, vorzugsweise jedoch von zwei oder vier Batteriezellen-Stapeln. Unter einem Batteriezellen-Stapel ist vorliegend ein zusammengefasstes Bündel mehrerer Batteriezellen zu verstehen, die seriell und/oder parallel miteinander elektrisch verschaltet sind.
Das quaderförmige Traktionsbatteriemodul-Gehäuse weist einen vierseitigen Gehäuse-Grundkörper auf, der eine horizontale und im Wesentlichen ebene Bodenwand, eine hierzu parallele und in Vertikalrichtung beabstandete und ebenfalls im Wesentlichen ebene Deckenwand, sowie zwei zueinander parallele und in Längsrichtung zueinander beabstandete vertikale Seitenwände bildet. Die beiden Seitenwände können ebenfalls im Wesentlichen eben ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der vierseitige Gehäuse-Grundkörper einstückig ausgebildet und besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff.
Zur strukturellen Stabilisierung des Gehäuses kann gehäuseintern in der Mitte des Gehäuse-Grundkörpers eine einteilige oder zweiteilige vertikale Trennwand vorgesehen sein, die sich parallel zu den beiden Seitenwänden in der Gehäusemitte in Querrichtung erstreckt. Die Trennwand trennt gegebenenfalls zwei zueinander benachbarte Batteriezellen-Stapel eines Batteriezellen-Stapel-Paares.
Das Traktionsbatteriemodul-Gehäuse weist ferner zwei in Querrichtung zueinander beabstandete vertikale Stirnwände auf, wobei jede Stirnwand von einem Kunststoffkörper gebildet ist. Die Stirnwände werden in der Regel zunächst separat von dem Gehäuse-Grundkörper hergestellt, und werden erst nach dem Einbringen der Batteriezellen-Stapel in den Gehäuse-Grundkörper auf die offenen Querenden des Gehäuse-Grundkörpers aufgesetzt und mit diesem verbunden, beispielsweise mit diesem verklebt, verschweißt und/oder verschraubt.
Jeder Stirnwand-Kunststoffkörper weist mindestens eine bevorzugt hohlzylindrische Metallhülse auf, die unlösbar mit dem Stirnwand-Kunststoffkörper verbunden ist. Die Metallhülse wird bereits während der Herstellung der betreffenden Stirnwand in den Kunststoffkörper integriert und wird hierbei kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig und unlösbar bzw. unverlierbar in den betreffenden Grundstoffkörper eingebunden.
Unter einer Metallhülse ist vorliegend jeder im Wesentlichen rotationssymmetrische Körper zu verstehen, der eine formschlüssige Fixierung am Fahrzeugrahmen erlaubt. Vorzugsweise ist die Metallhülse hohlzylindrisch ausgebildet und erlaubt auf diese Weise ihre direkte Fixierung an einem Fahrzeugrahmen durch ein korrespondierendes Maschinenelement, beispielsweise durch einen korrespondierenden Bolzen, Gewindebolzen, eine korrespondierende Gewindeschraube u.ä. Die Metallhülse ist insbesondere aus Aluminium, einem Stahl oder Titan gebildet, um einen harten Verschraubungsfall ohne Setzen zu ermöglichen.
Durch die Integration der Metallhülse in den Stirnwand-Kunststoffkörper wird eine stabile Montage des Traktionsbatteriemodul- Gehäuses in bzw. an dem Fahrzeugrahmen sehr vereinfacht. Insbesondere ist die hohlzylindrische Metallhülse dazu geeignet, mit einem Gewindebolzen bzw. einer Gewindeschraube am Fahrzeugrahmen fixiert zu werden, da die Metallhülse hohe Druckkräfte aufnehmen kann.
Die Bezeichnung „Vertikalrichtung“ bezieht sich vorliegend stets auf die Einbaulage im Kraftfahrzeug. Die Bezeichnungen „Längsrichtung“ und „Querrichtung“ beziehen sich nicht notwendigerweise auf die Einbaulage im Kraftfahrzeug, jedoch beziehen sie sich auf die bevorzugte Einbaulage im Kraftfahrzeug. Das Traktionsbatteriemodul-Gehäuse hat bevorzugt eine horizontalflächige Ausdehnung, so dass die Höhe des Traktionsbatteriemodul-Gehäuses kleiner ist als seine Erstreckung in Querrichtung und in Längsrichtung.
Vorzugsweise ist die Metallhülse in Vertikalrichtung ausgerichtet, so dass sie bei der Montage am Fahrzeugrahmen problemlos von unten aus am Fahrzeugrahmen montiert werden kann. Besonders bevorzugt weist jede Stirnwand jeweils zwei zueinander parallel angeordnete Metallhülsen auf, die in einer gemeinsamen Längsebene stehen und in Längsrichtung zueinander beabstandet ist sind. Das Traktionsbatteriemodul-Gehäuse kann auf diese Weise an vier Punkten mit dem Fahrzeugrahmen verbunden werden, so dass die strukturelle Qualität der Anbindung an den Fahrzeugrahmen verbessert ist.
Vorzugsweise ist die Metallhülse über mindestens 90 % ihrer Hülsenlänge in den Stirnwand-Kunststoffkörper vollständig eingebettet. Hierdurch wird ein starker Schluss zwischen der Metallhülse und dem Stirnwand-Kunststoffkörper erreicht.
Besonders bevorzugt weist die Metallhülse an ihren beiden Vertikalenden einen Kragenflansch auf. Hierdurch wird die Metallhülse zum Einen in Vertikalrichtung in dem Stirnwand-Kunststoffkörper formschlüssig fixiert, und bietet die Metallhülse zum Anderen für einen Schraubenkopf oder eine Gewindemutter eine entsprechend große Auflagefläche.
Vorzugsweise ist der vierseitige Gehäuse-Grundkörper einstückig ausgebildet und besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff. Besonders bevorzugt haben die Fasern des faserverstärkten Gehäuse-Grundkörpers eine Vorzugsrichtung in Querrichtung. Ganz besonders bevorzugt sind die Fasern aus sogenannten Endlosfasern gebildet und weisen zu mindestens 50 % eine Orientierung in Querrichtung auf. Die Querrichtung ist die Richtung senkrecht zu den beiden Stirnwänden.
Vorzugsweise ist der Gehäuse-Grundkörper ein Trusionsprofil-Körper, der also durch Extrusion, durch Pullwindingtrusion oder durch Pultrusion hergestellt ist. Die Kunststoffmatrix des Gehäuse-Grundkörpers wird vorzugsweise von einem Duroplast, beispielsweise einem Epoxidharz oder Polyurethan, oder einem Thermoplast, beispielsweise Polypropylen oder Polyamid, gebildet. Die Fasern sind bevorzugt Kohlenstofffasern, können jedoch auch Glasfasern und/oder Basaltfasern sein.
Vorzugsweise ist der Stirnwand-Kunststoffkörper ein Spritzgussteil, das besonders bevorzugt faserverstärkt ist, und das besonders bevorzugt mit Kunststofffasern verstärkt ist. Als Kunststoff für den Stirnwand-Kunststoffkörper ist insbesondere ein Duroplast bevorzugt. Besonders bevorzugt wird der Stirnwand-Kunststoffkörper aus einem Sheet Moulding Compound oder einem Bulk Moulding Compound hergestellt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuses mit einem vierseitigen Gehäuse-Grundkörper und den zwei noch nicht montierten Stirnwand-Kunststoffkörpern,
2 einen perspektivischen vertikalen Längsschnitt des Traktionsbatteriemodul-Gehäuses der 1 mit einem eingebauten Batteriezellen-Stapel, und
3 einen perspektivischen vertikalen Querschnitt des Traktionsbatterie-Modulgehäuses der 1 mit montierten Stirnwand-Kunststoffkörper.

In den Figuren ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse 10 bzw. ein Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul 10' (2) dargestellt. Das Traktionsbatteriemodul 10' besteht aus einem Traktionsbatteriemodul-Gehäuse 10, das in den 1 und 3 dargestellt ist, sowie mehreren in das Traktionsbatteriemodul-Gehäuse 10 eingebauten Batteriezellen-Stapeln 18, wie in 2 erkennbar ist.
Das Traktionsbatteriemodul-Gehäuse 10 ist in der 1 vor seinem Zusammenbau dargestellt, und besteht in diesem Zustand aus drei Teilen, nämlich einem vierseitigen rechteckigen Gehäuse-Grundkörper 20 und zwei deckelartigen Stirnwänden 30,30'. Der Gehäuse-Grundkörper 20 weist eine horizontale Bodenwand 21, eine hierzu parallele und in Vertikalrichtung z beabstandete horizontale Deckenwand 22 und zwei zueinander parallele und in Längsrichtung y zueinander beabstandete vertikale Seitenwände 23,24 auf. Ferner ist der von dem Grundkörper 20 umschlossene Innenraum durch eine vertikale Trennwand 25, die parallel zu den Seitenwänden 23,24 angeordnet ist, in zwei Hälften getrennt.
Der Gehäuse-Grundkörper 20 ist wird von einem einstückigen faserverstärkten Kunststoffkörper 20' gebildet. Die Kunststoff-Matrix des Kunststoffkörpers 20' besteht beispielsweise aus Duroplast, beispielsweise einem Epoxidharz oder einem Polyurethan, kann jedoch auch aus einem Thermoplast bestehen, beispielsweise Polypropylen oder Polyamid. Die Fasern sind vorzugsweise Kohlenstofffasern. Der Gehäuse-Grundkörper 20 kann in einem Truisionsverfahren mit sog. Endlos-Kohlenstofffasern hergestellt sein, also in einem Pultrusions- oder einem Extrusions-Verfahren. Die Kohlenstofffasern in dem Gehäuse-Grundkörper 20 bzw. in dem Gehäuse-Kunststoffkörper 20' haben eine größtenteils quergerichtete Ausrichtung, sind also in Profil-Längsrichtung des Profil-Kunststoffkörpers 20' orientiert. Ergänzend können in anderen Orientierungen weitere Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Basaltfasern. vorgesehen sein.
Die in einer Vertikalebene stehenden Stirnwände 30,30' werden jeweils von einem Stirnwand-Kunststoffkörper 32 gebildet, die beide praktisch identisch miteinander sind. Die Stirnwände 30,30' sind im in der 2 dargestellten montierten Zustand parallel zueinander und in Querrichtung X zueinander beabstandet angeordnet. Die Stirnwand-Kunststoffkörper 32 bestehen ebenfalls aus einem faserverstärkten Kunststoff und sind beispielsweise als Spritzgussteile hergestellt. Als Kunststoff wird beispielsweise ein Thermoplast verwendet. Die Fasern sind vorzugsweise Kohlenstofffasern.
Der Stirnwand-Kunststoffkörper 32 weist jeweils eine konvexe Ausstülpung 34 auf, die sich in der Längsrichtung über die Stirnwand-Länge linear erstreckt. An den beiden Längsenden der Ausstülpung 34 ist jeweils eine Metallhülse 40 unlösbar in den Stirnwand-Kunststoffkörper 32 eingebettet und mit diesem verbunden, beispielsweise verklebt.
Die beiden Metallhülsen 40 einer Stirnwand 30,30' sind jeweils in Vertikalrichtung z ausgerichtet, stehen in einer gemeinsamen Längsebene und sind in Längsrichtung Y zueinander beabstandet angeordnet. Jede Metallhülse 40 weist an ihren Längsenden jeweils einen Kragenflansch 44,44' auf, der nicht in den Stirnwand-Kunststoffkörper 32 eingebettet ist. Im Ergebnis ist der Hülsenkörper 42 mit über 90 % seiner Hülsenlänge V 40 in eine entsprechende Zylinderöffnung 36 des Stirnwand-Kunststoffkörpers 32 eingebettet. Die Metallhülse 40 weist innenseitig eine vollständig durchgehende zylindrische Hülsenöffnung 43 auf.
Der Stirnwand-Kunststoffkörper 32 weist über den gesamten Öffnungsumfang eine in Querrichtung von der Stirnwand-Grundebene abragende und in der Öffnung umlaufende Dichtlippe 36 auf, die in den Gehäuse-Innenraum hineinragt und an dem korrespondierenden Öffnungsrand des Gehäuse-Grundkörpers 20 dichtend anliegt.
Die Innenseite der Wände des Gehäuse-Grundkörpers 20 können eine Querstrukturierung 50 aufweisen, die aus in Querrichtung orientierten Nuten 54 und Stegen 52 gebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011076583 A1 [0003]
DE 102011085965 A1 [0003]
DE 102010040731 A1 [0003]
DE 112015001861 T5 [0003]

Claims

Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) zur Aufnahme mindestens eines Batteriezellen-Stapels (18), mit einem vierseitigen Gehäuse-Grundkörper (20), der eine horizontale Bodenwand (21), eine hierzu parallele und in Vertikalrichtung (z) beabstandete horizontale Deckenwand (22) und zwei zueinander parallele und in Längsrichtung (y) zueinander beabstandete vertikale Seitenwände (23,24) aufweist, und zwei zueinander parallelen und in Querrichtung (x) zueinander beabstandeten vertikalen Stirnwänden (30,30'), wobei jede Stirnwand (30,30') von einem Kunststoffkörper (32) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirnwand-Kunststoffkörper (32) mindestens eine Metallhülse (40) aufweist, die unlösbar mit dem Stirnwand-Kunststoffkörper (32) verbunden ist.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach Anspruch 1, wobei die Metallhülse (40) in Vertikalrichtung (z) ausgerichtet ist.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jede Stirnwand (30,30') zwei zueinander parallel angeordnete Metallhülsen (40) aufweist, die in einer gemeinsamen Längsebene stehen und in Längsrichtung (y) zueinander beabstandet sind.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Metallhülse (40) über mindestens 90 % ihrer Hülsenlänge (V40) in den Stirnwand-Kunststoffkörper (32) vollständig eingebettet ist.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Metallhülse (40) endseitig einen Kragenflansch (44,44') aufweist.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der vierseitige Gehäuse-Grundkörper (20) einstückig ausgebildet ist und aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach Anspruch 6, wobei die Fasern des faserverstärkten Kunststoff-Gehäuse-Grundkörpers (20) eine Vorzugsrichtung in Querrichtung (x) haben.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Gehäuse-Grundkörper (20) ein Pultrusionsprofil, Pullwindingprofil oder Extrusionsprofil ist.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stirnwand-Kunststoffkörper (32) aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stirnwand-Kunststoffkörper (32) ein Spritzgussteil, oder ein LFT-Pressbauteil oder SMC-Pressbauteil ist.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul-Gehäuse (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Faserverstärkung des Gehäuse-Grundkörpers (20) und/oder des Stirnwand-Kunststoffkörper (32) aus Kohlenstofffasern gebildet ist.
Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul (10') mit einem Traktionsbatteriemodul- Gehäuse (10) mit den Merkmalen einer der vorangegangenen Ansprüche und mindestens einem Batteriezellen-Stapel (18).