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Die Erfindung betrifft einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl an Batteriezellen, mit einem Gehäuse, welches die Vielzahl an Batteriezellen vor Umgebungseinflüssen schützt und wenigstens zwei, die Batteriezellen gemeinsam zumindest bereichsweise umgebende Gehäuseteile aufweist, und mit Verbindungselementen, mittels welchen die wenigstens zwei Gehäuseteile an einem gemeinsamen Fügebereich miteinander gefügt sind. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Hochvoltspeicher sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hochvoltspeichers.
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Zur Verbindung von Gehäuseteilen, beispielsweise von Gehäuseoberteilen und Gehäuseunterteilen, eines Hochvoltspeichergehäuses werden häufig Schraubverbindungen genutzt, wobei eine elektrisch leitende Masseanbindung zwischen den Gehäuseteilen über Kabel oder Massebänder realisiert wird. So kann anhand der Schraubverbindungen auch eine Fixierung der Kabel oder Massebänder erfolgen.
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Zur Verbindung weiterer Bauteile mit dem Gehäuse, ist es auch bekannt, Nietverbindungen zu nutzen. So ist aus der
DE 10 2018 214 739 A1 ein hochfestes Guss-Gehäuse bestehend aus einer Aluminiumlegierung bekannt, bei welchem das Guss- Gehäuse über Stanzniete mit hochfesten Stahlbauteilen verbindbar ist. Dabei wird das Gehäuse zumindest teilweise von einer Stahlplatte abgedeckt. Die Stahlplatte wird entlang ihres oberen Randes von den Stanznieten am Gehäuse gehalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochvoltspeicher der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher besonders ausfallsicher und einfach zu fertigen ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Hochvoltspeicher sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hochvoltspeichers bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Hochvoltspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl an Batteriezellen, mit einem Gehäuse, welches die Vielzahl an Batteriezellen vor Umgebungseinflüssen schützt und wenigstens zwei, die Batteriezellen gemeinsam zumindest bereichsweise umgebende Gehäuseteile aufweist, und mit Verbindungselementen, mittels welchen die wenigstens zwei Gehäuseteile an einem gemeinsamen Fügebereich miteinander gefügt sind. Unter dem Fügebereich ist ein Bereich zu verstehen, an welchem die Gehäuseteile miteinander gefügt sind.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindungselemente als Halbhohlstanzniete ausgebildet sind. Dies ist von Vorteil, da durch den Einsatz der Halbhohlstanzniete einerseits keine Stanzabfälle anfallen, wodurch die Fertigung des Hochvoltspeichers aufgrund des Entfalls der Beseitigung von Stanzabfällen besonders aufwandsarm durchführbar ist. Der Fügebereich kann durch eine erste Fügefläche des ersten Gehäuseteils und durch eine zweite Fügefläche des zweiten Gehäuseteils begrenzt sein. Die erste Fügefläche und die zweite Fügefläche können einander zugewandt sein. Insbesondere können die erste Fügefläche und die zweite Fügefläche zueinander parallel orientiert sein. Die erste Fügefläche und die zweite Fügefläche können sich bevorzugt zumindest bereichsweise in wenigstens zwei zueinander versetzten Ebenen erstrecken. Mit anderen Worten können die jeweiligen Fügeflächen beispielsweise einen Höhenversatz aufweisen. Dadurch weist das Gehäuse nach dem Fügen eine besonders hohe Steifigkeit auf. Die Verbindungselemente können umfangsseitig entlang des Fügebereichs verteilt sein, also umlaufend angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen entlang des sich umfangsseitig des Gehäuses erstreckenden Fügebereichs zueinander benachbarte Verbindungselemente einen gegenseitigen Abstand zwischen 60mm und 100mm, bevorzugt zwischen 70mm und 90mm und besonders bevorzugt zwischen 75mm und 85mm auf. Dies ist von Vorteil, da sich für diesen Abstand einerseits eine besonders vorteilhafte Steifigkeit des Hochvoltspeichers bzw. eine besonders günstige Feldlinienführung erzielen lassen. Es hat sich gezeigt, dass der Abstand von 100mm besonders vorteilhaft in Bezug auf eine günstige Feldlinienführung ist, wohingegen der Abstand von 60mm zu besonders guten Steifigkeitswerten führt. Ein besonders guter Kompromiss zwischen Steifigkeit und vorteilhafter Feldlinienführung ergibt sich bei Werten des Abstandes zwischen 75mm und 85mm, wie beispielsweise 80mm. Der Abstand ist dabei in Umfangsrichtung des Gehäuses und damit auch der Gehäuseteile bemessen und kann sich entlang jeweiliger oder parallel zu jeweiligen, den Fügebereich begrenzenden Fügeflächen der jeweiligen Gehäuseteile erstrecken.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist entlang des Fügebereichs und zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen eine Klebstoffschicht angeordnet. Dies ist von Vorteil, da die Klebstoffschicht zusammen mit den als Halbhohlstanzniete ausgebildeten Verbindungselementen eine besonders haltbare Verbindung zwischen den Gehäuseteilen bildet. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass durch die Klebstoffschicht eine hohe Dichtheit des Gehäuses erzielt, also insbesondere ein Eindringen von Feuchtigkeit über den Fügebereich in einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses vermieden wird. Dadurch kann auf weitere Dichtelemente, beispielsweise an dem Fügebereich umlaufende Dichtungen, verzichtet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durchdringen die Verbindungselemente die Klebstoffschicht. Dies ist von Vorteil, da hierdurch unmittelbar um die Verbindungselemente eine umfangsseitig geschlossene Klebstoffverbindung erhalten bleibt. Dadurch verhindert die Klebstoffschicht auch ein etwaiges Eindringen von Flüssigkeit aus der Umgebung des Hochvoltspeichers in etwaige, in den Gehäuseteilen gebildete Stanzlöcher, in welchen die Verbindungselemente eingeführt bzw. eingetrieben sind.
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Die Verbindungselemente können also die Klebstoffschicht bevorzugt durchbrechen, sodass die Klebstoffschicht um die jeweiligen Verbindungselemente, also Halbhohlstanzniete, herum geschlossen sein und infolge des Fügens durch Stanzen zusammengepresst werden kann. Dadurch wird der Klebstoffschicht eine besonders hohe Dichtheit verliehen und besonders gute Bedingungen für ein Aushärten der Klebstoffschicht nach dem Fügen geschaffen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Klebstoffschicht aus einem kalthärtenden Klebstoff gebildet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise ein selbständiges Aushärten der Klebstoffschicht, insbesondere nach dem Fügen, ohne aufwändige Wärmebehandlung.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein erstes Gehäuseteil der wenigstens zwei Gehäuseteile als Gehäuseoberschale und ein zweites Gehäuseteil der wenigstens zwei Gehäuseteile als Gehäuseunterschale ausgebildet. Die Batteriezellen können dadurch besonders einfach in die Gehäuseunterschale eingesetzt werden und anschließend kann das Fügen der Gehäuseunterschale mit der Gehäuseoberschale erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Verbindungselemente als jeweilige elektrische Masseverbindung zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen ausgebildet. Es kann also in vorteilhafter Weise durch die Halbhohlstanzniete eine einfache Masseverbindung zwischen den Gehäuseteilen geschaffen werden. Dies ist damit zu begründen, dass die Halbhohlstanzniete fertigungsbedingt in jeweilige, den Fügebereich begrenzende Gehäuseteilwände der Gehäuseteile eindringen und diese Gehäuseteilwände zumindest bereichsweise plastisch verformen, wodurch die Gehäuseteile über die Halbhohlstanzniete miteinander stromleitend verbunden werden können.
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Der Hochvoltspeicher kann insbesondere frei von weiteren, die Gehäuseteile miteinander stromleitend verbindenden Masseleitern sein. Zu diesen Masseleitern gehören beispielsweise Massebänder oder Massekabel. Dementsprechend können ausschließlich die Verbindungselemente als Masseleiter, also als Masseverbindung zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist hierbei also, dass die Verbindungselemente eine Mehrfachfunktion übernehmen und nicht nur zum Fügen der Gehäuseteile miteinander dienen, sondern auch als elektrisch leitende Elemente zwischen den Gehäuseteilen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Gehäuseteile an dem gemeinsamen Fügebereich mit einer Korrosionsschutzschicht versehen. Dies erhöht in vorteilhafter Weise die Sicherheit des Hochvoltspeichers vor korrosionsbedingtem Ausfall. Insbesondere können auch einander zugewandte Fügeflächen der Gehäuseteile mit der Korrosionsschutzschicht versehen sein. Die Korrosionsschutzschicht kann eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen, als jeweilige Materialien, aus welchen die Gehäuseteile oder die Verbindungselemente gebildet sind. Dadurch übernimmt die Korrosionsschutzschicht nicht nur die Aufgabe des Korrosionsschutzes, sondern trägt auch noch zur elektrischen Isolation des Gehäuses bei. Insbesondere können die Gehäuseteile wenigstens an den Fügeflächen, bevorzugt auch zumindest teilweise, besonders bevorzugt an deren gesamter Außenoberfläche mit der Korrosionsschutzschicht beschichtet sein. Eine den Fügebereich bereichsweise begrenzende, erste Korrosionsschutzschicht des ersten Gehäuseteils kann als erste Fügefläche des ersten Gehäuseteils ausgebildet sein und eine den Fügebereich bereichsweise begrenzende, zweite Korrosionsschutzschicht des zweiten Gehäuseteils als zweite Fügefläche des zweiten Gehäuseteils.
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Besonders bevorzugt können die wenigstens zwei Gehäuseteile frei von Korrosionsschutzschicht-Unterbrechungen sein. Damit können die wenigstens zwei Gehäuseteile keine durch Maskierungen hervorgerufenen Stellen ohne Korrosionsschutzschicht an dem gemeinsamen Fügebereich aufweisen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Korrosionsschutzschicht jedes der Gehäuseteile zumindest an dem gemeinsamen Fügebereich ununterbrochen ist, mit Ausnahme jeweiliger Fügestellen, an welchen die jeweiligen Verbindungselemente vorgesehen bzw. eingetrieben sind.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltspeicher gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Ein derartiges Kraftfahrzeug kann aufwandsarm hergestellt werden.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochvoltspeichers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, umfassend wenigstens die folgenden Schritte:
- - Anordnen der Vielzahl an Batteriezellen zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen;
- - Fügen der wenigstens zwei Gehäuseteile an dem gemeinsamen Fügebereich anhand der als Halbhohlstanzniete ausgebildeten Verbindungselemente.
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Ein derartiges Verfahren ermöglicht eine aufwandsarme Herstellung des Hochvoltspeichers.
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Beim Fügen kann eine zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen entlang des Fügebereichs aufgetragene Klebstoffschicht zusammengepresst werden. Dadurch kann eine besonders haltbare und fluiddichte, insbesondere wasserdichte, Verbindung zwischen den Gehäuseteilen geschaffen werden.
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Nach dem Fügen kann eine Kaltaushärtung der Klebstoffschicht erfolgen. Mit anderen Worten kann die Klebstoffschicht aus kalthärtendem Klebstoff gebildet sein, welcher im Anschluss an das Fügen aushärtet. Das Kaltaushärten stellt ein besonders aufwandsarmes Aushärteverfahren dar, bei welchem auf eine Erwärmung der Klebstoffschicht verzichtet werden kann.
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Die in Bezug auf einen der Aspekte vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die jeweils anderen Aspekte der Erfindung und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
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Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt:
- 1a eine Explosionsdarstellung eines Hochvoltspeichers, welcher zumindest zwei Gehäuseteile, nämlich eine Gehäuseoberschale und eine Gehäuseunterschale, sowie zwischen diesen angeordnete Batteriezellen aufweist;
- 1b eine schematische Perspektivansicht des zusammengebauten Hochvoltspeichers, sowie eine stark abstrahierte Darstellung eines Kraftfahrzeugs, welches den Hochvoltspeicher umfasst;
- 2a eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teilbereichs des Hochvoltspeichers in perspektivischer Darstellung, welche einen Fügebereich mit in einem Abstand zueinander angeordneten, als Halbhohlstanzniete ausgebildeten Verbindungselementen des Hochvoltspeichers zeigt, anhand welchen die Gehäuseteile miteinander verbunden sind;
- 2b eine vergrößerte Detailansicht eines in 2a umrandeten Bereichs A, welcher ein einzelnes der als Halbhohlstanzniete ausgestalteten Verbindungselemente zeigt;
- 3a eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Schnittebene, welche auch der Schnittansicht in 2a zugrunde liegt und anhand welcher erkennbar ist, dass der Hochvoltspeicher eine entlang des Fügebereichs und zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen angeordnete Klebstoffschicht aufweist; und
- 3b eine vergrößerte Darstellung eines in 3a gestrichelt umrandeten Bereichs B, welcher eine mittels eines der Verbindungselemente gebildete, zur Verbindung der Gehäuseteile ausgestaltete Stanzverbindung des Hochvoltspeichers zeigt.
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1a zeigt in Explosionsdarstellung einen Hochvoltspeicher 10 für ein Kraftfahrzeug K, mit einer Vielzahl an Batteriezellen 20, mit einem Gehäuse 30, welches die Vielzahl an Batteriezellen 20 vor Umgebungseinflüssen schützt und wenigstens zwei, die Batteriezellen 20 gemeinsam zumindest bereichsweise umgebende Gehäuseteile 32, 34. Ein erstes Gehäuseteil 32 der wenigstens zwei Gehäuseteile 32, 34 ist als Gehäuseoberschale und ein zweites Gehäuseteil 34 der wenigstens zwei Gehäuseteile 32, 34 als Gehäuseunterschale ausgebildet. Die Batteriezellen 20 sind hierbei stark abstrahiert und vereinfacht als Quader dargestellt.
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1b zeigt in stark abstrahierter Darstellung das Kraftfahrzeug K mit dem Hochvoltspeicher 10. Der Hochvoltspeicher 10 dient als Traktionsbatterie zur Versorgung wenigstens einer als Antriebsmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs K.
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2a zeigt in vergrößerter Darstellung, dass die umfangsseitig des Hochvoltspeichers 10 umlaufend angeordneten Verbindungselemente 50, 52, 54, 56 (von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich vier Verbindungselemente beziffert sind), mittels welchen die wenigstens zwei Gehäuseteile 32, 34 an einem gemeinsamen Fügebereich 60 miteinander gefügt sind, als jeweilige Halbhohlstanzniete ausgebildet sind. In vergrößerter Darstellung ist eines der Verbindungselemente 50, 52, 54, 56, nämlich Verbindungselement 50, in 2b gezeigt.
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Entlang des sich umfangsseitig des Gehäuses 30 erstreckenden Fügebereichs 60 weisen die zueinander benachbarten Verbindungselemente 50, 52, 54, 56 einen gegenseitigen Abstand x zwischen 60mm und 100mm, bevorzugt zwischen 70mm und 90mm und besonders bevorzugt zwischen 75mm und 85mm auf.
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3a lässt erkennen, dass entlang des Fügebereichs 60 und zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen 32, 34 eine Klebstoffschicht 70 des Hochvoltspeichers 10 angeordnet ist. 3b zeigt exemplarisch, dass die Verbindungselemente 50, 52, 54, 56 die Klebstoffschicht 70 durchdringen. Zur Vereinfachung der Herstellung des Hochvoltspeichers 10 ist die Klebstoffschicht 70 aus einem kalthärtenden Klebstoff gebildet.
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Zudem dienen die Verbindungselemente 50, 52, 54, 56 als jeweilige elektrische Masseverbindung zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen 32, 34.
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Die Gehäuseteile 32, 34 sind darüber hinaus an dem gemeinsamen Fügebereich 60 mit einer Korrosionsschutzschicht 33, 35 versehen. Dem ersten Gehäuseteil 32 ist dabei die erste Korrosionsschutzschicht 33 zugeordnet und dem zweiten Gehäuseteil 34 die zweite Korrosionsschutzschicht 35. Die Korrosionsschutzschichten 33, 35 können jeweils als Lackschicht ausgebildet sein.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung des Hochvoltspeichers 10 können die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- - Anordnen der Vielzahl an Batteriezellen 20 zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen 32, 34;
- - Fügen der wenigstens zwei Gehäuseteile 32, 34 an dem gemeinsamen Fügebereich 60 anhand der als Halbhohlstanzniete ausgebildeten Verbindungselemente 50, 52, 54, 56.
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Beim Fügen kann allgemein eine zwischen den wenigstens zwei Gehäuseteilen 32, 34 entlang des Fügebereichs 60 aufgetragene Klebstoffschicht 70 zusammengepresst werden. Dadurch kann eine besonders haltbare und fluiddichte, insbesondere wasserdichte, Verbindung zwischen den Gehäuseteilen 32, 34 geschaffen werden.
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Anschließend kann allgemein eine Kaltaushärtung der Klebstoffschicht 70 erfolgen. Mit anderen Worten kann die Klebstoffschicht 70 aus kalthärtendem Klebstoff gebildet sein, welcher im Anschluss an das Fügen aushärtet. Das Kaltaushärten stellt ein besonders aufwandsarmes Aushärteverfahren dar, bei welchem auf eine Erwärmung der Klebstoffschicht 70 verzichtet werden kann.
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Durch eine Kombination aus Klebstoffschicht mit den als Halbhohlstanzniete ausgebildeten Verbindungselementen 50, 52, 54, 56 zur Verbindung der Gehäuseteile 32, 34 werden alle Funktionen (Dichtheit, mechanische Verbindung, Masseanbindung, EMV-Schutz) gleichzeitig erfüllt. Insbesondere kann durch die Verbindung des ersten Gehäuseteils 32 mit dem zweiten Gehäuseteil 34 durch die umfangsseitige Anbringung der Verbindungselemente 50 (Halbhohlstanzniete), wobei jeweils zwei benachbarte Verbindungselemente 50 den Abstand x mit einem Wert von ca. 80mm (zwischen 75mm und 85mm) aufweisen, die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) auf besonders vorteilhafte Weise sichergestellt werden, zumal die Verbindungselemente 50 elektrisch leitend sind. Die Sicherstellung der EMV ist dabei ohne zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise ohne zusätzliche Abschirmungsfolien innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 30 gegeben. Darüber hinaus lässt sich hierdurch eine optimierte Bauraumausnutzung, sowie ein vereinfachter Montageprozess realisieren. Die Nutzung von kalthärtendem Klebstoff für die Klebstoffschicht 70 in Verbindung mit den als Halbhohlstanzniete ausgebildeten Verbindungselementen 50, 52, 54, 56 führt zu einer sehr guten Dichtwirkung, insbesondere wenn der Abstand x zwischen den Verbindungselementen 50, 52, 54, 56 vorzugsweise 80mm beträgt. Dadurch ergibt sich ein besonders kleiner Spalt zwischen den Gehäuseteilen 32, 34 an dem Fügebereich 60, wobei die Klebstoffschicht 70 kaum aufträgt. Bevorzugt kann die Klebstoffschicht 70 nach dem Fügen eine Höhe von kleiner oder gleich 0,2 mm aufweisen, wodurch sich eine besonders gute Dichtwirkung bei gleichzeitig geringem Platzbedarf der Klebstoffschicht 70 erzielen lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvoltspeicher
- 20
- Batteriezellen
- 30
- Gehäuse
- 32
- erstes Gehäuseteil
- 33
- erste Korrosionsschutzschicht ()
- 34
- zweites Gehäuseteil
- 36
- zweite Korrosionsschutzschicht
- 50
- Verbindungselement
- 52
- Verbindungselement
- 54
- Verbindungselement
- 56
- Verbindungselement
- 60
- Fügebereich
- 70
- Klebstoffschicht
- K
- Kraftfahrzeug
- x
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018214739 A1 [0003]
