DE102013220778A1

DE102013220778A1 - Batteriegehäuse, Batterie und Verfahren zum Herstellen eines Batteriegehäuses

Info

Publication number: DE102013220778A1
Application number: DE201310220778
Authority: DE
Inventors: Reiner Ramsayer; Rainer Heinrich Hoerlein; Jens Koenig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16
Also published as: WO2015055419A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse (1), eines Fahrzeuges, mit einem Batterieaufnahmeraum (2), welcher ausgebildet ist, eine Batterie (20) aufzunehmen, wobei das Batteriegehäuse (1) zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix (4) und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix angeordnetes Fasergelege (5), Fasergewebe (6) und/oder Metallblatt bzw. -gitter (7) aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie (30) mit einem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse (1), und ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriegehäuses (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse, insbesondere für eine Batterie eines Fahrzeuges. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie und ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriegehäuses.
Stand der Technik
Für den Aufbau eines Batteriegehäuses für eine Fahrzeugbatterie, z. B. einer Li-Ionen-Traktionsbatterie, werden üblicherweise Eisenlegierungen oder zur Reduzierung der Masse Aluminiumlegierungen verwendet. Wird anstelle einer Eisenlegierung eine Aluminiumlegierung verwendet, lässt sich die Masse des Batteriegehäuses verringern, jedoch auf Kosten der Stabilität und der Durchbrandsicherheit. Daneben können sich bei Vibrationen Risse im Aluminium bilden, welche die Festigkeit des Batteriegehäuses und den Widerstand gegen Penetration herabsetzen.
Auch die Verwendung von Polymerwerkstoffen für die Ausbildung eines Batteriegehäuses ist bekannt. Die DE 10 2010 043 899 A1 beschreibt ein Batteriegehäuse mit einem einstückigen Batteriegehäusedeckel aus einem Polymerwerkstoff und einem einstückigen Batteriegehäuseboden aus einem Polymerwerkstoff. Der Batteriegehäusedeckel weist einen Deckelbereich und einen Wandbereich auf und eine Innenkontur des Batteriegehäusedeckels entspricht im Wesentlichen einer Außenwand einer darin angeordneten Batteriezelle. Der Batteriegehäuseboden ist über einen Verbindungsbereich mit dem Wandbereich des Batteriegehäusedeckels mechanisch verbindbar. Polymerwerkstoffe sind zwar leicht, weisen jedoch eine geringere Festigkeit als Aluminiumlegierungen und Eisenlegierungen auf.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriegehäuse zur Verfügung gestellt, mit einem Batterieaufnahmeraum, welcher ausgebildet ist, eine Batterie aufzunehmen, wobei das Batteriegehäuse zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix angeordnetes Fasergelege, Fasergewebe und/oder Metallblatt bzw. -gitter aufweist.
Ferner wird eine Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse zur Verfügung gestellt.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriegehäuses, mit folgenden Verfahrensschritten zur Verfügung gestellt: Bereitstellen eines Batteriegehäuses, welches zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix angeordnetes Fasergelege, Fasergewebe und/oder Metallblatt bzw. -gitter aufweist; Anordnen eines Deckels auf dem Batteriegehäuse; Bereichsweises Aufschmelzen eines Verbindungsbereiches zwischen dem Batteriegehäuse und dem Deckel und anschließendes Erstarren des Verbindungsbereiches zum Verbinden des Deckels mit dem Batteriegehäuse.
Der Kern der Erfindung ist die Verwendung eines speziellen Verbundwerkstoffes für das Batteriegehäuses, welches zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix angeordnetes Fasergelege, Fasergewebe und/oder Metallblatt bzw. -gitter aufweist. Derartige Verbundwerkstoff werden auch als Organobleche bezeichnet.
Organobleche sind sehr leicht, weisen aber dennoch eine sehr hohe Festigkeit auf. Ferner sind Organobleche sehr einfach in der Herstellung und sehr leicht zu formen und zu verarbeiten. Da die Reduktion des Gewichtes insbesondere in der Elektromobilität eine zentrale Rolle spielt, ist im Bereich der Elektromobilität die Verwendung von Organoblechen für ein Batteriegehäuse von großem Vorteil. Wenn derartige Batterien zu Modulen zusammengefasst werden, kann zudem noch die Wandstärke gegenüber den konventionellen Batteriegehäusen reduziert werden, was den Platzbedarf der Batterie und des Batteriemoduls verringert.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der inhärent elektrisch isolierenden Wirkung des Organoblech-Batteriegehäuses. Da Organobleche selbst elektrisch nicht leitend sind, ist es nicht mehr nötig die einzelnen Batterien bei der Montage eines Batteriemoduls gegeneinander elektrisch zu isolieren, was eine Reduktion des Fertigungsaufwandes und somit der Herstellungskosten für das Batteriemodul bedeutet. Auch Isolierungen für die Elektroden der Batterie sind bei einem Batteriegehäuse gemäß der Erfindung nicht mehr notwendig.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die thermoplastische Kunststoffmatrix zumindest teilweise Polyethylen, Polypropylen und/oder Fluorthermoplaste auf. Polyethylen und Polypropylen eignen sich hervorragend zur Ausbildung des Batteriegehäuses, da Polyethylen und/oder Polypropylen unempfindlich gegenüber Säuren und Basen sind. Des Weiteren könnte die Kunststoffmatrix auch aus einem Fluorthermoplast ausgebildet sein, wie z. B. Polyvinylidenfluorid, wodurch das Batteriegehäuse auch unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen wird. Des Weiteren können jedoch auch andere thermoplastische Kunststoffe, wie z. B. Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamide, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polystyrol, Polyetheretherketon und/oder Polyvinylchlorid, für die Kunststoffmatrix verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Batteriegehäuse aus einer thermoplastischen Kunststoffmatrix und einem in der thermoplastischen Kunststoffmatrix angeordnetem Fasergelege, Fasergewebe und/oder Metallblatt bzw. -gitter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist/sind das Fasergelege und/oder das Fasergewebe zumindest teilweise aus Glaserfasern und/oder einem Metall ausgebildet. Auch Kohlenstofffasern, Basaltfasern und/oder Aramidfasern können für die Ausbildung des Fasergeleges und/oder des Fasergewebes verwendet werden. Durch eine Ausbildung des Fasergeleges und/oder des Fasergewebes aus einem Metall kann die elektromagnetische Verträglichkeit und die mechanische Festigkeit des Batteriegehäuses verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind das Fasergelege und/oder das Fasergewebe in einem Kreuzverbund angeordnet, wobei der Kreuzungswinkel je nach Festigkeitsanforderungen für das Batteriegehäuse gewählt werden kann. Das Fasergelege kann auch aus zwei oder mehreren unidirektionalen Faserschichten ausgebildet sein, welche sich unter einem Winkel von z. B. 15°, 30°, 45°, 60°, 75° oder 90° kreuzen. Auf diese Weise lässt sich das Batteriegehäuse an verschiedene Festigkeitsanforderungen anpassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Metallblatt zumindest teilweise aus Aluminium ausgebildet. Beispielsweise ist in der Kunststoffmatrix eine Aluminiumfolie angeordnet, welche eine Dicke zwischen 0,001 mm und 1,0 mm, insbesondere zwischen 0,004 mm und 0,2 mm aufweist. Durch die Anordnung einer Aluminiumfolie in der Kunststoffmatrix kann die elektromagnetische Verträglichkeit der Batterie und des Batteriegehäuses verbessert werden. Ferner könnte durch die Anordnung einer Aluminiumfolie in der Kunststoffmatrix eine Diffusionssperre in der Kunststoffmatrix ausgebildet sein. Für die Ausbildung des Metallblatts können jedoch auch andere Metalle oder Leichtmetalle, wie z. B. eine Eisenlegierung, eine Kupferlegierung und/oder eine Edelmetalllegierung, verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der thermoplastischen Kunststoffmatrix wärmeleitende Füllstoffe beigemengt. Durch die Anordnung der wärmeleitenden Füllstoffe könnte die in dem Batterieaufnahmeraum erzeugte Wärme effektiver zur Außenseite des Batteriegehäuses abgeführt werden. Die wärmeleitenden Füllstoffe können beispielsweise aus einem Metall, einer Keramik und/oder einem Kunststoffes ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Deckel vorgesehen, welcher an dem Batteriegehäuse angeordnet ist, wobei der Deckel zumindest eine Öffnung zum Befüllen einer Batterie, eine Elektrodendurchführungsöffnung zum Durchführen von Batterieelektroden und/oder eine Sollbruchstelle zum Entgasen der Batterie aufweist. Auch das Batteriegehäuse kann eine Öffnung zum Befüllen einer Batterie, eine Elektrodendurchführungsöffnung zum Durchführen von Batterieelektroden und/oder eine Sollbruchstelle zum Entgasen der Batterie aufweisen.
Der Deckel kann beispielsweise aus einem Leichtmetall, z. B. einer Aluminiumlegierung, und/oder aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet sein, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix und ein Fasergelege, Fasergewebe und/oder ein Metallblatt bzw. -gitter aufweist. Der Deckel könnte vorteilhafterweise mit dem Batteriegehäuse verbunden werden, in dem ein Verbindungsbereich zwischen dem Deckel und dem Batteriegehäuse verflüssigt oder erweicht wird, und dann der Deckel mit dem Gehäuse stoffschlüssig verbunden wird.
Durch das Aufschmelzen bzw. Verflüssigen des Kunststoffmaterials des Batteriegehäuses und/oder des Deckels kann eine sehr feste und haltbare stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung des Batteriegehäuses mit dem Deckel ausgebildet werden. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist zudem, dass, falls der Deckel aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgebildet ist, die Elektrodendurchführungsöffnungen keine zusätzliche Isolationselemente zur Isolation der Elektroden der Batterie zum Deckel aufweisen müssen, da das Material des Deckels selbst elektrisch isolierend ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Deckel aus Metall bestehen und das Batteriegehäuse mittels eines Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile verbunden werden, wobei der Deckel im Verbindungsbereich zum Batteriegehäuse zumindest bereichsweise mit einer durch eine Strahlungsquelle erzeugten Oberflächenstruktur versehen ist, wobei der Deckel als vorgefertigtes, festes Bauteil ausgebildet ist und durch bereichsweises Aufschmelzen der Kunststoffmatrix im Verbindungsbereich mit der Oberflächenstruktur und anschließendes Erstarren der Kunststoffmatrix mit dem Batteriegehäuse verbunden wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zumindest während des Aufschmelzens des Batteriegehäuses ein mechanischer Druck auf den Deckel ausgeübt werden, der den Deckel zumindest im Bereich der Oberflächenstruktur aus Metall und des Verbindungsbereiches gegen das Batteriegehäuse drückt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Aufschmelzen der Kunststoffmatrix des Batteriegehäuses durch eine Induktionswärmequelle zum Erwärmen einer in Deckel vorgesehenen Oberflächenstruktur aus Metall erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Aufschmelzen des Batteriegehäuses und/oder des Deckels durch eine Laserstrahleinrichtung erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Aufschmelzen des Batteriegehäuses und/oder des Deckels durch eine Ultraschallschweißeinrichtung erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Oberflächenstruktur aus Metall durch Überlagerung einer Mikrostruktur mittels einer Nanostruktur erzeugt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Deckel auf einer oberen Fläche, auf einer Seitenfläche und/oder auf der unteren Fläche des Batteriegehäuses angeordnet. Durch eine Ausbildung des Deckels auf einer Seitenfläche des Batteriegehäuses könnte ein Zusammenfügen von zwei Batteriegehäusen auf einfache Weise in einer Ebene erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der thermoplastischen Kunststoffmatrix eine Wärmeleitungsplatte vorgesehen, welche ausgebildet ist, Wärme vom Batterieaufnahmeraum zur Außenseite des Batteriegehäuses zu leiten. Die Wärmeleitungsplatte könnte beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff und/oder einem keramischen Werkstoff ausgebildet sein. Beispielsweise könnte die Wärmeleitungsplatte auch aus einer Kupferlegierung ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind an den Batteriegehäusen Koppeleinrichtungen vorgesehen, welche ausgebildet sind, dass Batteriegehäuse mit weiteren, gleichartig ausgebildeten Batteriegehäuse mechanisch und/oder elektrisch zu koppeln. Beispielsweise weist das Batteriegehäuse an gegenüberliegenden Seitenflächen, und/oder an seiner oberen Fläche und seine unteren Fläche jeweils eine Koppeleinrichtung auf, welche eine mechanische und/oder elektrische Kopplung mit einem weiteren, gleichartig ausgebildeten Batteriegehäuse zu verbinden. Diese Koppeleinrichtungen könnten kraftschlüssig und/oder formschlüssig zumindest zwei oder mehrere Batteriegehäuse und die darin angeordneten Batterien miteinander koppeln, sodass ein Batteriemodul mit einer vorherbestimmten Leistung ausgebildet werden kann. Beispielsweise könnten auch mehr als zwei Batteriegehäuse miteinander zu einem Batteriemodul gekoppelt werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Es zeigen dabei:
1 eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Batteriegehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Batterie gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 schematische Ansichten von Ausschnitten eines Batteriegehäuses gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Batteriegehäuses;
7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Batteriegehäuses unter Verwendung einer Ultraschallschweißeinrichtung;
8 eine schematische Darstellung eines gegenüber 6 abgewandelten Verfahrens unter Verwendung einer Laserstrahlquelle; und
9 und 10 den Verbindungsbereich zwischen dem Deckel und dem Batteriegehäuse unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Batteriegehäuses in vergrößerter Darstellung, bei dem an dem Deckel und an dem Batteriegehäuse jeweils eine speziell ausgebildete Oberfläche vorgesehen ist.
Die beiliegenden Figuren der Zeichnung sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Batteriegehäuse weist einen Batterieaufnahmeraum 2 auf, welcher ausgebildet ist, eine Batterie 20, z. B. eine Lithium-Ionen-Traktionsbatterie, aufzunehmen. Das Batteriegehäuse 1 ist aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix 4 und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix 4 angeordnetes Fasergelege 5, Fasergewebe 6 und/oder Metallblatt bzw. -gitter 7 aufweist. Das Fasergelege 5 und/oder das Fasergewebe 6 kann/können beispielsweise aus Glasfaser, Kohlefaser, Aramidfaser, oder einer elastomeren Kunststofffaser ausgebildet sein. Auch ein Metall kann für die Ausbildung des Fasergeleges 5 und/oder des Fasergewebes 6 verwendet werden, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit des Batteriegehäuses gesteigert werden kann. Das Metallblatt 7 könnte beispielsweise aus einem Leichtmetall z. B. einer Aluminiumlegierung, ausgebildet sein. Das Fasergelege 5 und das Fasergewebe 6 erhöhen die mechanische Festigkeit des Batteriegehäuses 1. Wenn ein Metallblatt 7 in der Kunststoffmatrix 4 angeordnet ist, bildet das Metallblatt 7 eine Diffusionssperre für das Batteriegehäuse 1. Ferner kann auch die elektromagnetische Verträglichkeit des Batteriegehäuses 1 durch eine Anordnung eines Metallblatts 7 in der Kunststoffmatrix 4 verbessert werden.
Die thermoplastische Kunststoffmatrix 4 kann beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen und/oder einem Fluorthermoplast ausgebildet sein. Polyethylen und Polypropylen eignen sich hervorragend zur Ausbildung der Kunststoffmatrix 4, da Polyethylen und Polypropylen unempfindlich gegenüber Säuren und Basen sind. Fluorthermoplaste eignen sich auch hervorragend zur Ausbildung der Kunststoffmatrix 4, da Fluorthermoplaste unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen sind.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Batteriegehäuse 1 gemäß der Ausführungsform weist eine Kunststoffmatrix 4 auf, welche aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist. In der Kunststoffmatrix 4 sind wärmeleitende Füllstoffe 8 angeordnet. Die wärmeleitenden Füllstoffe 8 können beispielsweise aus einem Metall, einer Keramik und/oder einem Kunststoff ausgebildet sein. Die wärmeleitenden Füllstoffe 8 verbessern die Wärmeleitung vom Batterieaufnahmeraum 2 zur Außenseite des Batteriegehäuses 1. Auf diese Weise kann eine Überhitzung und eine damit einhergehende Leistungsminderung der Batterie 20, welche in dem Batterieaufnahmeraum 2 angeordnet sein kann, vermieden werden.
Ferner ist in dieser Ausgestaltung des Batteriegehäuses 1 ein separater Deckel 9 vorgesehen, welcher auf dem Batteriegehäuse 1 angeordnet ist. Der Deckel 9 kann beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet sein, welcher eine Kunststoffmatrix 4 und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix angeordnetes Fasergelege 5, Fasergewebe 6 und/oder Metallblatt 7 aufweist. Der Deckel 9 kann beispielsweise eine Öffnung 10 zum Befüllen einer Batterie 20, zwei Elektrodendurchführungsöffnungen 11 zum Durchführen von Batterieelektroden 21, 22 und/oder eine Sollbruchstelle 12 zum Entgasen der Batterie 20 aufweisen. Der Deckel 9 und das Batteriegehäuse 1 weisen einen Verbindungsbereich 18 auf. Der Deckel 9 kann an dem Verbindungsbereich 18 mit einer Oberflächenstruktur aus Metall versehen sein, welche mittels einer Strahlungsquelle erzeugt wurde. Der Deckel 9 kann mit dem Batteriegehäuse 1 durch Kleben, Schweißen und/oder durch Befestigungseinrichtungen, z. B. Schrauben, verbunden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Deckel 9 mit dem Batteriegehäuse 1 verbunden werden, indem der Deckel 9 und/oder das Batteriegehäuse 1 an dem Verbindungsbereich 18 mittels Wärmestrahlung, und/oder Reibung derart aufgeschmolzen wird, sodass sich das Material des Deckels 9 und/oder des Batteriegehäuses 1 an dem Verbindungsbereich 18 verflüssigt, und dann der Deckel 9 auf dem Batteriegehäuse 1 angeordnet wird, sodass sich eine stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Deckel 9 und dem Batteriegehäuse 1 ergibt. Wenn der Deckel 9 aus einem Metall ausgebildet ist, z. B. eine Aluminiumlegierung, kann der Deckel mit dem Batteriegehäuse 1 ebenfalls derart verbunden werden. Falls der Deckel 9 aus einem Metall ausgebildet ist, ergibt sich mit dem Batteriegehäuse 1 eine überwiegend kraftschlüssige Verbindung, wobei Kunststoff in die Metallstruktur eindringt.
Die Sollbruchstelle 12 ist als eine Materialausdünnung im Deckel 9 ausgebildet. Falls der Druck in dem Batterieaufnahmeraum 2 einen vorherbestimmten Wert übersteigen sollte, bricht die Sollbruchstelle 12 zuerst, sodass das in dem Batterieaufnahmeraum 2 gebildete Gas gerichtet durch die Sollbruchstelle 12 entweichen kann.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Batteriegehäuse 1 weist ein geschlossenes Profil auf. In der dargestellten Ausführungsform ist der Querschnitt viereckig dargestellt, könnte jedoch auch eine andere Querschnittsform aufweisen. Das Batteriegehäuse 1 weist eine obere Fläche 12, Seitenflächen 13 und eine untere Fläche 14 auf. Der Deckel 9 könnte sowohl an der oberen Fläche 12', an den Seitenflächen 13 und/oder an der unteren Fläche 14 angeordnet sein.
Ferner weist das Batteriegehäuse 1 gemäß der dargestellten Ausführungsform eine Wärmleitungsplatte 15 auf, welche ausgebildet ist, Wärme von dem Batterieaufnahmeraum 2 zur Außenseite des Batteriegehäuses 1 abzuführen. In der dargestellten Ausführungsform ist die Wärmeleitungsplatte 15 auf der unteren Fläche 14 des Batteriegehäuses 1 angeordnet. Beispielsweise ist die Wärmeleitungsplatte 15 auf der Außenseite des Batteriegehäuses 1 angeordnet und/oder in der Kunststoffmatrix 4 des Batteriegehäuses 1 angeordnet, sodass die Wärmeleitungsplatte 15 teilweise von der Kunststoffmatrix 4 umgeben ist, wobei ein Teil nicht ummantelt ist, um eine effektive Wärmeableitung zu gewährleisten. Die Wärmeleitungsplatte 15 kann beispielsweise aus einem Metall, einer Keramik und/oder einem Kunststoff ausgebildet sein. Ferner sind an dem Batteriegehäuse 1 Koppeleinrichtungen 16 und 17 vorgesehen, welche ausgebildet sind, dass Batteriegehäuse 1 mit weiteren, gleichartig ausgebildeten Batteriegehäusen 1 mechanisch und/oder elektrisch zu koppeln. Die Koppeleinrichtungen 16 und 17 sind derart ausgebildet, dass die Batteriegehäuse 1 kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander koppelbar sind.
In der dargestellten Ausführungsform ragen die Koppeleinrichtungen 16 und 17 von den Seitenflächen 13 des Batteriegehäuses 1 hervor. Es ist jedoch auch möglich, die Koppeleinrichtungen 16 und 17 derart auszubilden, dass sie in die Kunststoffmatrix 4 des Batteriegehäuses 1 hineinragen, sodass sich zwei benachbarte, miteinander gekoppelte Batteriegehäuse 1 mit ihren Seitenflächen direkt berühren. Auf diese Weise ist es möglich, Batteriemodule mit einer vorherbestimmten Leistung zusammenzufügen.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Batterie 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Batterie 30 ist insbesondere eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Hybridkraftfahrzeug, welches mittels Benzin und elektromotorischer Kraft antreibbar ist. Die Batterie 30 weist eine Batteriegehäuse 1 gemäß der Erfindung auf. In dem Batterieaufnahmeraum 2 des Batteriegehäuses 1 ist eine Batterie 20 angeordnet, welche beispielsweise als Hochleistungs-Lithium-Ionenbatterie ausgebildet sein kann. Die Batterie 20 weist Elektroden 21 und 22 auf, welche sich durch den Deckel 9 des Batteriegehäuses 1 erstrecken. Da der Deckel 9 aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine Kunststoffmatrix 4 und ein in der Kunststoffmatrix angeordnetes Fasergelege 5 und/oder Fasergewebe 6 aufweist, ist eine Isolierung zwischen den Elektroden 21 und 22 und dem Deckel 9 nicht notwendig. Ferner weist die Batterie 20 einen Füllstutzen 23 auf, mittels welcher Batterieflüssigkeit zur Batterie 20 leitbar ist. Auch der Füllstützen 23 erstreckt sich durch den Deckel 9.
Falls der Deckel 9 ein Metallblatt 7 aufweist, ist das Metallblatt derart ausgebildet, sodass es sich nicht in den Bereichen befindet, in welchen die Elektrodendurchführungsöffnung 10, 11 ausgebildet sind. Beispielsweise sind in dem Metallblatt 7 Ausnehmungen vorgesehen, welche den Ausnehmungen der Elektrodendurchführungsöffnungen 10, 11 entsprechen.
5 zeigt schematische Ansichten von Ausschnitten eines Batteriegehäuses 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Oben links in der 5 ist ein Fasergelege 5 dargestellt, welches in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix 4 angeordnet ist. Das Fasergelege 5 ist beispielsweise aus Glasfasern ausgebildet, welche nicht verwebt sind. Das Fasergelege 5 weist eine Vielzahl von Fasern auf, welche senkrecht zueinander angeordnet sind. Durch die Anordnung der Fasern zueinander, kann die mechanische Festigkeit richtungsabhängig eingestellt werden. Beispielsweise werden zwei oder mehrere unidirektionale Fasergelege übereinander angeordnet, wobei ein Winkel von 90° zwischen den zwei benachbarten unidirektionalen Fasergelegen ausgebildet wird. Der Kreuzungswinkel zwischen den unidirektionalen Fasergelegen 5 kann beliebig gewählt werden, z. B. zwischen 5°–90°. Es ist selbstverständlich möglich, mehrere Fasergelege 5 und/oder Fasergewebe 6 übereinander anzuordnen.
Oben rechts in der 5 ist ein Fasergewebe 6 dargestellt, welches in der thermoplastischen Kunststoffmatrix 4 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform erstrecken sich die Fasern in vier verschiedenen Richtungen, welche jeweils um 45° zueinander versetzt sind. Auf diese Weise kann die mechanische Stabilität des Batteriegehäuses 1 gesteigert werden.
In der unteren Figur der 5 ist eine schematische Schnittansicht eines Ausschnittes eines Batteriegehäuses 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Batteriegehäuse 1 weist eine Kunststoffmatrix 4 auf. In der Kunststoffmatrix 4 kann ein Fasergelege 5 angeordnet sein. Das Fasergelege 5 kann beispielsweise aus einer Glasfaser ausgebildet sein. Ferner kann in der Kunststoffmatrix 4 ein Fasergewebe 6 angeordnet sein. Das Fasergewebe 6 kann beispielsweise aus einer Kohlenstofffaser, einer Glasfaser und/oder einem Metall ausgebildet sein. Ferner kann in der Kunststoffmatrix 4 ein Metallblatt 7 angeordnet sein. Das Metallblatt 7 kann beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein. Ferner sind in der Kunststoffmatrix 4 wärmeleitende Füllstoffe 8 angeordnet, welche die Wärmeleitfähigkeit des Batteriegehäuses 1 steigern.
6 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Batteriegehäuses 1. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Batteriegehäuses 1, welches zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix angeordnetes Fasergelege, Fasergewebe und/oder Metallblatt bzw. -gitter aufweist, bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein Deckel 9, welcher aus einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff oder einem Metall ausgebildet ist, auf dem Batteriegehäuse 1 angeordnet. In einem dritten Verfahrensschritt wird ein Verbindungsbereich 121 zwischen dem Batteriegehäuse 1 und dem Deckel 9 bereichsweise aufgeschmolzen. Wenn der zuvor aufgeschmolzene Verbindungsbereich 121 erstarrt, wird der Deckel 9 mit dem Batteriegehäuse 1 verbunden.
In der 7 ist ein Batteriegehäuse 1 mit einem in einem Verbindungsbereich 121 verbundenen Deckel 9 dargestellt. Das Batteriegehäuse 1 ist beispielhaft als zylindrischer Körper mit einer Längsachse 141 ausgebildet. Das Batteriegehäuse 1 umfasst insbesondere einen in seinem Inneren ausgebildeten Batterieaufnahmeraum 2, der auf der dem Deckel 9 zugewandten Oberseite eine Öffnung 161 aufweist, die von dem Deckel 9 überdeckt bzw. verschlossen ist. Der Deckel 9 ist wiederum beispielhaft als Scheibe ausgebildet und bildet eine Einrichtung zum Verschließen der Öffnung 161 aus. Der Verbindungsbereich 121 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet und umgibt die Öffnung 161 an dem Batteriegehäuse 9 mit geringem radialem Abstand.
Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, die Geometrie bzw. die Ausbildung des Batteriegehäuses 1 und des Deckels 9 andersartig zu dem in der 7 dargestellten Ausführungsbeispiel zu gestalten.
Das Batteriegehäuse 1 ist aus einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ausgebildet, während der Deckel 9 aus einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff oder aus einem Metall ausgebildet sein kann. Weiterhin kann der Schmelzpunkt bzw. die Schmelztemperatur des Deckels 9 insbesondere, wenn das Batteriegehäuse aus einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ausgebildet ist, oberhalb des Schmelzpunkts des Batteriegehäuses 1 liegen.
Wie anhand der 9 und 10 erkennbar ist, kann das Batteriegehäuse 1 im Verbindungsbereich 121 zwischen dem Batteriegehäuse 1 und dem Deckel 9 eine Oberflächenstruktur 171 aus Metall aufweisen, die eine Mikrostruktur umfasst, die von einer Nanostruktur überlagert ist. Wie eine derartige, von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur ausgebildet werden kann, ist z.B. der DE 10 2008 040 782 A1 entnehmbar.
Insbesondere wird die Oberflächenstruktur 171 aus Metall durch eine nicht dargestellte Laserstrahleinrichtung in einem vorgelagerten Fertigungsschritt mittels eines Laserstrahls an dem Verbindungsbereich 121 des Batteriegehäuses 1 erzeugt.
Um den Deckel 9 im Verbindungsbereich 121 mit dem Batteriegehäuse 1 zu verbinden, findet bei dem in der 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Ultraschallschweißeinrichtung 201 Verwendung. Die Ultraschallschweißeinrichtung 201 umfasst eine Sonotrode 211, deren Form auf der dem Deckel 9 zugewandten Seite insbesondere der Form des Verbindungsbereichs 121 angepasst ist, d.h. im dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist. Die Sonotrode 211 wird mittels der Ultraschallschweißeinrichtung 201 in Richtung des Doppelpfeils 221 in Schwingungen versetzt, wodurch aufgrund der Formgebung bzw. Einleitung der Schwingungen in den Deckel 9 und/oder in das Batteriegehäuse 1 eine Wärmeenergie in den Deckel 9 und/oder in das Batteriegehäuse 1 eingeleitet wird, die ein Aufschmelzen der Kunststoffmatrix des Deckel 9 und/oder des Batteriegehäuses 1 im Verbindungsbereich 121 verursacht.
Als vorteilhafte Frequenzen der Sonotrode 211 haben sich Frequenzen zwischen 10kHz bis 70kHz erwiesen, bevorzugt Frequenzen zwischen etwa 20kHz bis 40kHz. Die Amplituden der Sonotrode 211 betragen vorzugsweise zwischen 10µm und 50µm, wobei grundsätzlich jedoch Amplituden ab 2µm möglich sind.
Der verflüssigte Kunststoff des Deckels 9 gelangt dabei in die Oberflächenstruktur 171, die in den Deckel aus Metall eingebracht wurde, so dass nach dem Ausschalten der Ultraschallschweißeinrichtung 201 und dem anschließenden Erstarren des Kunststoffs zwischen dem Deckel 9 und dem Batteriegehäuse 1 im Verbindungsbereich 121 eine mechanisch belastbare, fluiddichte Verbindung ausgebildet wird.
Bei dem in der 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zum Aufschmelzen der Kunststoffmatrix des Batteriegehäuses 1 und/oder des Deckels 9 im Verbindungsbereich 121 eine Laserstrahleinrichtung 251 verwendet, die einen Laserstrahl 261 erzeugt. Hierzu kann es erforderlich sein, dass das Material des Batteriegehäuses 1 und/oder des Deckels 9 derart an die Frequenz bzw. die Wellenlänge des Laserstrahls 261 angepasst ist, dass das Material des Deckels 9 für den Laserstrahl 261 transparent, d.h. laserstrahldurchlässig ist. Zusätzlich zur Laserstrahleinrichtung 251 wird der Deckel 9 mittels einer Andrückeinrichtung 271, die einen Stempel 281 umfasst, mit einer Kraft F in Richtung des Batteriegehäuses 1 kraftbeaufschlagt. Bei Metall-Kunststoffgehäusen können auch die Metallteile mittels Laser erhitzt werden.
Bei den in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen weist des Deckel 9 auf der dem Batteriegehäuse 1 zugewandten Seite eine ebene, d.h. glatte Oberfläche auf. Unter einer ebenen bzw. glatten Oberfläche wird dabei eine Oberfläche verstanden, die eine aufgrund der üblicherweise verwendeten Herstellungsverfahren übliche Oberflächenrauhigkeit aufweist.
Um ein verbessertes Aufschmelzen des Materials des Deckels 9 zu ermöglichen, weist der Deckel 9 gemäß der 9 auf der dem Verbindungsbereich 121 zugewandten Seite eine strukturierte Oberfläche 301 in Form von spritzen Erhebungen 311 auf. Die Erhebungen 311 können dabei in Art von Pyramiden, Spitzen oder ähnlichem ausgebildet sein. Insbesondere sind die Erhebungen 311 bzw. die strukturierte Oberfläche 301 im Verbindungsbereich 121 des Batteriegehäuses 1 angeordnet.
Bei dem in der 10 dargestellten Deckel 9 umfasst die strukturierte Oberfläche 301 beispielhaft einen ringförmig umlaufenden Steg 321, der eine geschlossene Kontur am Deckel 9 ausbildet. Anstelle eines Stegs 321 ist es auch denkbar, eine ringförmig umlaufende Vertiefung in Form einer Nut oder ähnliches auszubilden.
Das soweit beschriebene Verfahren zum Herstellen eines Batteriegehäuses kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere sei nochmals darauf hingewiesen, dass die genaue geometrische Ausgestaltung des Deckel 9 und des Batteriegehäuses 1 von den dargestellten Ausführungsbeispielen abweichen kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010043899 A1 [0003]
DE 102008040782 A1 [0061]

Claims

Batteriegehäuse (1), mit einem Batterieaufnahmeraum (2), welcher ausgebildet ist, eine Batterie (20) aufzunehmen, wobei das Batteriegehäuse (1) zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix (4) und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix (4) angeordnetes Fasergelege (5), Fasergewebe (6) und/oder Metallblatt bzw. -gitter (7) aufweist.
Batteriegehäuse nach Anspruch 1, wobei die thermoplatsche Kunststoffmatrix (4) zumindest teilweise Polyethylen, Polypropylen und/oder Fluorthermoplaste ausweist.
Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Fasergelege (5) und/oder das Fasergewebe (6) zumindest teilweise aus Glaserfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und/oder einem Metall ausgebildet ist/sind.
Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der thermoplastischen Kunststoffmatrix (4) wärmeleitende Füllstoffe (8) beigemengt sind.
Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei in der thermoplastischen Kunststoffmatrix (4) eine Wärmeleitungsplatte (15) vorgesehen ist, welche ausgebildet ist, Wärme vom Batterieaufnahmeraum (2) zur Außenseite des Batteriegehäuses (1) zu leiten.
Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei ein Deckel (9) vorgesehen ist, welcher auf dem Batteriegehäuse (1) angeordnet ist, wobei der Deckel (9) zumindest eine Öffnung (10) zum Befüllen einer Batterie (20), zwei Elektrodendurchführungsöffnungen (11) zum Durchführen von Batterieelektroden (21; 22) und/oder eine Sollbruchstelle (12) zum Entgasen der Batterie (20) aufweist.
Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Deckel (9) aus einem Leichtmetall und/oder zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix (4) und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix (4) angeordnetes Fasergelege (5), Fasergewebe (6) und/oder Metallblatt bzw. -gitter (7) aufweist.
Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei an dem Batteriegehäuse (1) Koppeleinrichtungen (16; 17) vorgesehen sind, welche ausgebildet sind, das Batteriegehäuse (1) mit weiteren, gleichartig ausgebildeten Batteriegehäusen (1) mechanisch und/oder elektrisch zu koppeln.
Batterie (30), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Batteriegehäuses, mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Batteriegehäuses (1), welches zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix und ein in der thermoplastischen Kunststoffmatrix angeordnetes Fasergelege, Fasergewebe und/oder Metallblatt bzw. -gitter aufweist; Anordnen eines Deckels (9) auf dem Batteriegehäuse (1); Bereichsweises Aufschmelzen eines Verbindungsbereiches (121) zwischen dem Batteriegehäuse (1) und dem Deckel (9) und anschließendes Erstarren des Verbindungsbereiches (121) zum Verbinden des Deckels (9) mit dem Batteriegehäuse (1).