DE102020102609A1

DE102020102609A1 - Energiespeichergehäuse sowie Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichergehäuses

Info

Publication number: DE102020102609A1
Application number: DE102020102609.9A
Authority: DE
Inventors: Viktor Dupper
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-05

Abstract

Energiespeichergehäuse, umfassend eine Wandung, welche aus einem Kunststoffwerkstoff geformt ist, und wobei die Wandung zumindest bereichsweise ein metallisches Zusatzelement aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichergehäuse, insbesondere für Traktionsbatterien von Kraftfahrzeugen sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Energ iespeichergehäuses.
Energiespeichergehäuse, insbesondere Hochvoltenergiespeichergehäuse, wie sie für Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, müssen in Extremsituationen höchsten Belastungen Stand halten. Insbesondere im Falle eines thermischen Ereignisses müssen sie sicherstellen, dass die Fahrzeuginsassen, zumindest für eine gewisse Zeit, ausreichend geschützt sind. Daneben besteht zusätzlich die Herausforderung, derartige Energiespeichergehäuse leicht zu bauen, um die Fahrzeuggewichte gering zu halten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Energiespeichergehäuse sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichergehäuses anzugeben, welche den vorgenannten Zielkonflikt auflösen.
Diese Aufgabe wird durch ein Energiespeichergehäuse gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst ein Energiespeichergehäuse eine Wandung, welche aus einem Kunststoffwerkstoff oder einem Kunststoffmaterial geformt ist, und wobei die Wandung zumindest bereichsweise ein metallisches Zusatzelement aufweist. Mit Vorteil wirkt das metallische Zusatzelement gezielt als Verstärkungs- oder Schutzelement, insbesondere als Hitzeschutz. Zweckmäßigerweise ermöglicht der Kunststoffwerkstoff ein geringes Bauteilgewicht. Bei dem Energiespeichergehäuse handelt es sich um ein Bauteil, welches zur Anordnung von, insbesondere elektrischen, Energiespeichern, insbesondere Energiespeicherzellen oder Zellmodulen, umfassend eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, ausgelegt ist. Gemäß einer Ausführungsform sind die Energiespeicherzellen, ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit, Lithium-Ionen-Zellen. Die Form des Energiespeichergehäuses ist an die Verwendung, beispielweise in einem Personenkraftwagen, einem Kraftrad oder auch in einem Nutzfahrzeug, angepasst und kann vielfältig gestaltet sein. Die Wandung des Energiespeichergehäuses ist gemäß einer Ausführungsform zweiteilig und umfasst einen Deckel sowie einen Aufnahmeraum, welcher durch den Deckel verschließbar ist. Im Aufnahmeraum sind die Energiespeicher(-zellen) angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform ist der Anordnungsraum aus Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung. Gemäß einer Ausführungsform ist der Anordnungsraum mittels eines Gießverfahrens, insbesondere mittels Druckguss, geformt. Der Anordnungsraum ist gemäß einer Ausführungsform einteilig, kann aber auch mehrteilig ausgebildet sind. Auch Niederdruckgussverfahren sind zur Herstellung bevorzugt, aufgrund der großen Gestaltungsfreiheit. Gemäß einer Ausführungsform ist der Aufnahmeraum auch aus dem Kunststoffwerkstoff gebildet, welcher zumindest ein Zusatzelement aufweist.
Besonders bevorzugt ist der Kunststoffwerkstoff ein Faser-Kunststoff-Verbund, wobei die Wandung mittels Fließpressen geformt ist. Besonders bevorzugt ist die Wandung aus einem Sheet-Moulding-Compound (SMC) gefertigt bzw. in einem SMC-Verfahren hergestellt. Bei SMC-Halbzeugen handelt es sich um plattenförmige, teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen und -fasern zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden. Mit Vorteil sind der Kunststoffwerkstoff und das metallische Zusatzelement miteinander verpresst, insbesondere unter Temperatureinwirkung. Hierzu werden das SMC-Halbzeug zusammen mit dem Zusatzelement in ein dafür geeignetes Werkzeug eingelegt und unter Druckeinwirkung sowie unter Temperatureinwirkung miteinander verpresst, wodurch ein Bauteilverbund geschaffen wird, welcher höchsten Belastungen Stand hält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandung ein Deckel oder ein Deckelelement des Hochvoltspeichers. Dieser ist im Falle eines thermischen Ereignisses einer Energiespeicherzelle, wie einer Lithiumionenzelle, besonders stark und unmittelbar einem etwaigen Temperatureintrag ausgesetzt. Das Energiespeichergehäuse umfasst gemäß einer Ausführungsform einen Aufnahmeraum aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, wie beispielsweise Aluminium, sowie einen Deckel aus einem Verbundmaterial, hergestellt im SMC-Verfahren und verstärkt über das zumindest eine Zusatzelement.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zusatzelement auf oder an der Wandung positioniert und insbesondere zu einer Gehäuseinnenseite hin, insbesondere also zu den Energiespeicher(-zellen) hin, ausgerichtet. Dadurch kann der metallische Werkstoff des Zusatzelements unmittelbar als Schutzschirm wirken und die Wärme aufnehmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Zusatzelement nur einseitig bzw. im Wesentlichen nur einseitig in den Kunststoffwerkstoff eingebettet, liegt also zu einer Seite hin, insbesondere zu einer Innenseite des Energiespeichergehäuses hin, frei.
Gemäß einer Ausführungsform ist der freiliegende Bereich mit einer Oberflächenstruktur versehen, beispielsweise mit einer Vielzahl von Erhebungen, Vertiefungen, Rippen, Stegen etc., welche eine Oberfläche des Zusatzelements erhöhen, wodurch ein Temperatureintrag beeinflusst werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der nicht mit Kunststoffwerkstoff umgebene Bereich mit einer Beschichtung, insbesondere mit einer feuerresistenten Beschichtung, versehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wandung eine Vielzahl von Zusatzelementen auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Deckel eine Vielzahl von Zusatzelementen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Bereich des Energiespeichergehäuses, in welchem die Zellmodule oder Speicherzellen angeordnet sind, zumindest ein Zusatzelement aufweisen. Zweckmäßigerweise sind die Zusatzelemente insbesondere an den temperaturkritischen Bereichen angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zusatzelement aus Aluminium und/oder Stahl gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Zusatzelement flach oder eben ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Zusatzelement ein umgeformtes metallisches Bauteil. Insbesondere die vorgenannten metallischen Werkstoffe lassen sich gut umformen und ermöglichen eine flexible Formgebung.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Zusatzelement randseitig in den Kunststoffwerkstoff eingebettet. Zweckmäßigerweise formt das Zusatzelement im Werkzeug einen Hinterschnitt mit dem Werkzeug, wodurch ein Formschluss mit dem Kunststoffwerkstoff erzeugt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Zusatzelement zumindest eine Öffnung auf, welche von dem Kunststoff durchsetzt oder durchflossen wird bzw. ist. Mit Vorteil kann dadurch der Formschluss weiter erhöht werden. Gemäß einer Ausführungsform ist das Zusatzelement auch bereichsweise doppelwandig oder hohl ausgebildet, sodass über die vorgenannte Öffnung Kunststoffwerkstoff in das Zusatzelement fließen kann, um den Formschluss zu erhöhen. Gemäß einer Ausführungsform ist auch das Werkzeug entsprechend ausgebildet und weist beispielsweise eine geeignete Aussparung oder Ausnehmung auf, um im Zusammenwirken mit der vorgenannten Öffnung einen Fortsatz auszubilden, welcher zusätzlich der Erhöhung des Formschlusses dient. Dieser Fortsatz kann beispielsweise in der Art eines Nietkopfes ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Zusatzelement zumindest ein Formschlusselement auf oder bildet dieses aus, um einen Formschluss mit dem Kunststoffwerkstoff zu erhöhen. Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Formschlusselement durch ein in oder am Zusatzelement angeordnetes Bauteil, insbesondere beispielsweise ein Befestigungselement, gebildet. Durch das Einbringen von Befestigungselementen, wie beispielsweise Nieten oder Schrauben, können so Formschlusselemente realisiert werden, welche in idealer Weise mit dem Kunststoffwerkstoff zusammenwirken können.
Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Formschlusselement durch ein bereichsweises Trennen und Umformen des Zusatzelements gebildet. Gemäß einer Ausführungsform werden Schnitte in das Zusatzelement eingebracht, beispielsweise durch Schneiden oder durch Stanzen. Zweckmäßigerweise kann das Zusatzelement in diesem Bereich ausgeklinkt oder aufgebogen werden, sodass zum einen eine Geometrie geschaffen wird, welche umflossen werden kann, und zum anderen eine Öffnung, welche durchflossen werden kann, wodurch in beiden Fällen ein Formschluss mit dem Kunststoffwerkstoff erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichergehäuses die Schritte:

- Bereitstellen eines Halbzeugs aus einem Kunststoffwerkstoff;
- Bereitstellen eines Zusatzelements und Einlegen in ein Werkzeug;
- Einlegen des Halbzeugs in das Werkzeug;
- Schließen des Werkzeugs und Verpressen des Halbzeugs mit dem Zusatzelement.

Bei dem Halbzeug aus dem Kunststoffwerkstoff handelt es sich mit Vorteil um ein SMC-Halbzeug. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die im Zusammenhang mit dem Energiespeichergehäuse erwähnen Vorteile und Merkmale analog und entsprechend für das Verfahren gelten, sowie umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Form- und/oder kraftschlüssiges Positionieren und/oder Halten des Zusatzelements im Werkzeug, insbesondere durch Magnetkraft und/oder pneumatisch.

Gemäß einer Ausführungsform wird das Zusatzelement über das Werkzeug bzw. mittels zumindest einer der Werkzeughälften, beispielsweise mittels Vakuum, angesaugt, um eine Fixierung zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Fixierung bzw. Positionierung durch Magnetkraft erfolgen. Hierzu ist beispielsweise das Werkzeug zumindest bereichsweise magnetisch ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Werkzeughälfte, auf welcher das Zusatzelement im Werkzeug aufliegt oder anliegt, zumindest eine Aussparung oder Ausnehmung auf, in welche durch eine Öffnung des Zusatzelements hindurch Kunststoffwerkstoff fließen kann, um einen Formschluss mit dem Zusatzelement herzustellen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Aussparung oder Ausnehmung die Form eines Nietkopfes auf. Gemäß einer Ausführungsform kann eine Vielzahl derartiger Aussparungen oder Ausnehmungen vorgesehen sein, welche beispielsweise rasterförmig angeordnet sind. In der Folge kann das Zusatzelement über seine ganze Fläche punktuell formschlüssig angeordnet werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Energiespeichergehäusen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:

1: in einer schematischen Schnittansicht eine Ausführungsform eines Deckels eines Energiespeichergehäuses, angeordnet in einem Werkzeug;
2: in einer schematischen Schnittansicht eine weitere Ausführungsform eines Deckels, angeordnet in einem Werkzeug;
3: den aus der 2 bekannten Deckel für ein Energiespeichergehäuse in einer anderen Perspektive.

1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Werkzeug für das SMC-Verfahren, umfassend ein Werkzeugoberteil 60 sowie ein Werkzeugunterteil 62. Auf das Werkzeugunterteil 62 ist ein Zusatzelement 40 aufgelegt. Dieses ist mit einem Kunststoffwerkstoff 30 bzw. Verbundmaterial bzw. Faser-Kunststoff-Verbund verpresst. Das Werkzeugunterteil 62 bildet zusammen mit dem Zusatzelement 40 einen, insbesondere umlaufenden, Hinterschnitt 22, welcher zusammen mit dem Kunststoffwerkstoff 30 einen Formschluss ermöglicht, sodass das Zusatzelement 40, obwohl es nicht vollständig in den Kunststoffwerkstoff 30 eingebettet ist, sicher fixiert ist. Bei dem mit dem Bezugszeichen 20 bezeichneten Bauteil handelt es sich insbesondere um einen (schematisch dargestellten) Deckel eines Energiespeichergehäuses, insbesondere eines Hochvoltspeichers, beispielsweise für ein elektrifiziertes Fahrzeug.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Deckels 20, welcher ebenfalls noch im Werkzeug, umfassend ein Werkzeugoberteil 60 sowie ein Werkzeugunterteil 62, positioniert ist. Auch hier bildet ein Zusatzelement 40 zusammen mit dem Werkzeugunterteil 62 einen Hinterschnitt 22 aus. Daneben umfasst das Zusatzelement 40 Formschlusselemente 44, welche den Formschluss mit einem Kunststoffwerkstoff 30 noch zusätzlich erhöhen. Beispielsweise ist das Zusatzelement 40 in den entsprechenden Bereichen durchstanzt und teilweise umgeformt, wodurch eine Geometrie geschaffen wird, welche von dem Kunststoffwerkstoff durch- und umflossen werden kann. Zusätzlich weist das Zusatzelement 40 mittig eine Öffnung 42 auf, welche ebenfalls von dem Kunststoffwerkstoff 30 durchflossen wird. Dabei ist das Werkzeugunterteil 62 im Bereich der Öffnung 42 derart mit einer Ausnehmung 64 ausgebildet, dass ein Fortsatz 46, beispielsweise in der Form eines Nietkopfes, ausgebildet wird. Auch darüber kann der Formschluss weiter erhöht werden.
3 zeigt den aus der 2 bekannten Deckel entlang einer Blickrichtung B gesehen, vgl. die 2. Zu erkennen ist der in dieser Ansicht im Wesentlichen kreisförmige Fortsatz 46. Zu erkennen ist weiter, dass das Zusatzelement 40 in weiten Bereichen frei liegt, wobei insbesondere in den Randbereichen ausschließlich der Kunststoffwerkstoff 30 ausgebildet ist. Die hier dargestellte Seite des Deckels ist zweckmäßigerweise zu einer Innenseite des Energiespeichergehäuses hin ausgerichtet. Gemäß einer Ausführungsform können die frei liegenden Bereiche des Zusatzelements 40 mit einer Struktur oder Beschichtung versehen sein, welche die Wärmeresistenz erhöht oder eine Wärmeleitung beeinflusst etc.
Bezugszeichenliste

20: Deckel(-Element)
22: Hinterschnitt
30: Kunststoffwerkstoff, Verbundmaterial
40: Zusatzelement
42: Öffnung
44: Formschlusselement
46: Fortsatz
60: Werkzeugoberteil
62: Werkzeugunterteil
64: Ausnehmung
B: Blickrichtung

Claims

Energiespeichergehäuse, umfassend eine Wandung, welche aus einem Kunststoffwerkstoff (30) geformt ist, und wobei die Wandung zumindest bereichsweise ein metallisches Zusatzelement (40) aufweist.
Energiespeichergehäuse nach Anspruch 1, wobei der Kunststoffwerkstoff (30) ein Faser-Kunststoff-Verbund ist, und wobei die Wandung mittels Fließpressen geformt ist.
Energiespeichergehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wandung ein Deckel des Energiespeichergehäuses ist.
Energiespeichergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzelement (40) auf oder an der Wandung positioniert und zu einer Gehäuseinnenseite hin ausgerichtet ist.
Energiespeichergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzelement aus Aluminium und/oder Stahl gebildet ist.
Energiespeichergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzelement (40) randseitig in den Kunststoffwerkstoff (30) eingebettet ist.
Energiespeichergehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzelement (40) zumindest eine Öffnung (42) aufweist, welche von dem Kunststoff (30) durchsetzt ist.
Energiespeichergehäuse, wobei das Zusatzelement (40) zumindest ein Formschlusselement (44) ausbildet oder aufweist, um einen Formschluss mit dem Kunststoffwerkstoff (30) zu erhöhen.
Energiespeichergehäuse nach einem der Anspruch 8, wobei das zumindest eine Formschlusselement (44) durch ein bereichsweises Trennen und Umformen des Zusatzelements (40) gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichergehäuses, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Halbzeugs aus einem Kunststoffwerkstoff (30); - Bereitstellen eines Zusatzelements (40) und Einlegen in ein Werkzeug; - Einlegen des Halbzeugs in das Werkzeug; - Schließen des Werkzeugs und Verpressen des Halbzeugs mit dem Zusatzelement (30).
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend den Schritt: - Form- und/oder kraftschlüssigen Positionieren und/oder Halten des Zusatzelements (40) im Werkzeug, insbesondere durch Magnetkraft und/oder pneumatisch.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Werkzeughälfte (60, 62), auf welcher das Zusatzelement (30) auf- oder anliegt, zumindest ein Aussparung oder Ausnehmung (64) aufweist, in welche durch eine Öffnung (42) des Zusatzelements (40) hindurch Kunststoffwerkstoff (30) fließen kann, um einen Formschluss mit dem Zusatzelement (30) herzustellen.