Die vorliegende Erfindung betrifft Batteriegehäuse und ihre Verwendung in Elektrofahrzeugen.

Elektrofahrzeuge mit entsprechenden Batterien sind seit langem bekannt. Man erkannte frühzeitig, dass diese Batterien geschützt werden müssen, insbesondere gegen mechanische Einwirkungen z.B. bei einem Unfall oder bei einem Aufprall auf Hindernisse.

Das Batteriegehäuse einer Batterie für Elektrofahrzeuge weist einzelne Batteriemodule sowie eine Steuereinheit auf und soll die Batterie vor Umgebungseinflüssen schützen und die Effizienz der Batterie - soweit möglich - steigern. Außerdem soll das Batteriegehäuse möglichst leicht sein, um den Stromverbrauch des Fahrzeugs zu verringern. Die Einzelteile sollten möglichst platzsparend angeordnet und mit dem Batteriegehäuse verbunden sein. Das Batteriegehäuse sollte im Falle eines Fahrzeugaufpralls die Batteriemodule und die Steuereinheit vor einer Verformung schützen, indem die Aufprallenergie von dem Batteriegehäuse aufgenommen bzw. auf die umhegende Fahrzeugstruktur verteilt wird. Die kritischen Aufprallfälle sind zum Beispiel der Pfahl- Seitenaufprall und der Einschlag (Impact) auf den Batterieboden. Um die Effizienz der Batterie zu steigern, sollte das Batteriegehäuse eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, um die Batteriemodule bei kalten Umgebungstemperaturen in einem optimalen Temperaturbereich halten zu können.

In EP3428993 Al wird ein Batteriegehäuse beschrieben, das mit Hilfe eines doppelwandigen Gehäuses und Federelementen aus Stahl die Batteriemodule vor Verformung beim Aufprall schützen soll. Nachteilig ist hierbei der zusätzliche Platzbedarf für die Federelemente sowie das erhöhte Gewicht durch die Verwendung von Federn. Zudem sind die einzelnen Batteriemodule beweglich gelagert, was die Anbindung und Führung der Kabel erschwert. Durch die Verwendung von Metall besitzt das Batteriegehäuse außerdem eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

In DE 102012224041 Al werden eine modulare Batteriegruppe und ein Verfahren zur Herstellung der modularen Batteriegruppe beschrieben. Durch die Modularität der Bauweise kann die Größe der Batterie einfach dem Fahrzeug angepasst werden. Zudem ist es möglich, die einzelnen Batteriezehen und Batteriemodule flexibel in der Tragstruktur zu befestigen, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. In einer Ausführungsform können zusätzliche Kühlleitungen zur Wärmeab- oder -zufuhr angebracht werden.

In EP1950070 Bl wird eine Struktur zur Montage von Batterien in elektrischen Fahrzeugen beschrieben. Dabei wird ein Rahmenbauteil aus Metall in ein Batteriegehäuse aus Kunststoff eingebettet. Besonderer Fokus wird auf die Anbindung der Struktur an den Rest des Fahrzeugs gelegt. Da ein großer Teil der Struktur, das Batteriegehäuse, aus Kunststoff besteht, werden die wesentlichen Aufpralleigenschaften von der Metallstruktur bzw. dem Rest-Fahrzeug übernommen. Das Rahmenbauteil führt zu einem erhöhten Gewicht.

In WO 2012/091404 A2 wird ein Unterboden beschrieben, der die Batterien aufnimmt. Dieser Unterboden enthält eine in mehrere Abteilungen aufgeteilte Aufhängung, in die die Batterien eingebaut werden können. Durch die diversen Verstrebungen werden die Batterien geschützt.

In DE 102017217155 Al wird ein Batteriegehäuse aus thermoplastischen Kunststoffen beschrieben, wobei sowohl der Gehäuseboden, als auch Gehäusewandung, Gehäusedeckel und Trennwände aus faserverstärktem thermoplastischem Kunststoff bestehen müssen. Thermoplastische Kunststoffe weisen in der Regel geringe mechanische Eigenschaften auf. Das Batteriegehäuse wird bevorzugt in einem 3D-Druckverfahren hergesteht. Hierbei ergeben sich verfahrensbedingt unterschiedliche Faserorientierungen innerhalb eines Plattenelements, wie aus Figur 4 hervorgeht. Die erzielbaren Fasergehalte sind relativ gering, zumindest geringer als in anderen Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen. Eine bevorzugte Orientierung der Verstärkungsfasern in Bezug auf die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ist nicht erwähnt. Derartige Aufbauten sind bei einem Seitenaufprall nicht geeignet, um die Batteriemodule zu schützen.

In US 2013252059 Al wird eine Batteriepackgehäuseanordnung, bestehend aus einem Gehäusekörper, einer Abdeckung und verstärkten Elementen im Seitenbereich und/oder an der Unterseite des Gehäuses, beschrieben. Der Gehäusekörper besteht dabei aus Kunststoff, der mit Fangfasern oder einer Mischung aus Fangfasern und Endlosfasern verstärkt ist. Bei Verwendung einer solchen Verstärkung sind nur geringe Fasergehalte erreichbar. Zudem lässt sich bei der Verwendung von Fangfasern eine Orientierung der Fangfasern im Herstehungsprozess nicht gezielt und einheitlich einstehen. Als Kunststoff werden thermoplastische Kunststoffe wie Polypropylen, Polyamid und weitere vorgeschlagen. Als Herstellungsverfahren für den Gehäusekörper wird Extrusions-Pressformen vorgeschlagen. Die mechanischen Kennwerte von faserverstärkten Kunststoffbauteilen auf Basis von thermoplastischen Kunststoffen und von Bauteilen, die im Extrusions-Pressformen hergestellt werden, sind nicht besonders gut. Die Batteriepackgehäuseanordnung besteht vollständig aus verstärktem Kunststoff. Bei einer stoßartigen Beanspruchung, wie zum Beispiel dem Pfahl-Seitenaufprah, wirkt die Energie lokal konzentriert auf das Batteriegehäuse ein. Eine Anordnung aus lediglich verstärktem Kunststoff ist ungeeignet, um die Energie auf eine große Bauteilfläche zu verteilen und so eine zu große Verformung der Bauteile zu vermeiden, so dass die Batteriemodule nicht geschützt werden.

Im Konferenzbeitrag„Methodisches und effizientes Entwickeln von Batteriegehäusesystemen“ von Eduard Haberstroh, Automotive Center Südwestfalen GmbH, sowie im Konferenzbeitrag „Herausforderungen in der Entwicklung von HV-Batteriegehäusen“ von Alexander Günther, Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH, auf der Konferenz„Batteriesysteme im Karosseriebau 2018“ am 12.06.2018 in Bad Nauheim wurden Batteriegehäuse vorgestellt, deren Struktur vollständig aus Metallprofilen hergestellt wurde. Die Seitenwände bestehen aus Hohlprofilen mit mehreren Hohlkammern, um die Aufprall-Energie aufzunehmen. Auch der Boden besteht aus Metallprofilen mit Hohlkammern. Dadurch hat das Batteriegehäuse ein hohes Gewicht. Zudem leitet das Gehäuse die Wärme gut nach außen und innen, was eine effiziente Temperierung der Batteriemodule erschwert.

Die bekannten Ausführungen zum Schutz von Batterien in Elektrofahrzeugen sind teuer, technisch kompliziert, häufig zu schwer, teilweise nicht praktikabel, und die Batteriemodule können nicht temperiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, einen Schutz für Batterien in Elektrofahrzeugen zur Verfügung zu stellen, der möglichst einfach aufgebaut und herstellbar ist, universell einsetzbar, kostengünstig sowie leicht ist und gleichzeitig die üblichen Aufpralltests besteht.

Diese Aufgabe konnte durch ein Batteriegehäuse, wie es im Folgenden beansprucht wird, gelöst werden. Dabei ist die Herstellung und auch die Montage einfach, und das Gehäuse kann universell eingesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge, wobei das Gehäuse mindestens aus einer Abdeckung und einem Boden besteht, die miteinander verbunden sind , und die Abdeckung mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist oder ein Teil der Fahrzeugkarosserie die Abdeckung des Gehäuses bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden von der Fahrzeugkarosserie abgewandt ist und der Boden des Gehäuses ein durch Pultrusion erhaltener Boden ist und aus mit Endlosfasern verstärktem duroplastischen Kunststoff, der aus einem Reaktivharzgemisch erhältlich ist, besteht, wobei die Fasern quer zur Fahrrichtung des Fahrzeugs verlaufen.

In einer Ausführungsform handelt es sich um ein Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge zum Schutz der Batterien bei einem Seitenaufprall auf das Elektrofahrzeug.

Der duroplastische Kunststoff ist bevorzugt Polyurethan.

Das Batteriegehäuse kann als Ganzes unter das Fahrzeug angebracht werden.

Das erfindungsgemäße Batteriegehäuse schützt bei einer typischen Krafteinwirkung von mindestens 100 kN durch Seitenaufprall auf das Elektrofahrzeug die im Batteriegehäuse befindlichen Batteriemodule vor Beschädigung und kann bei einem typischen Pfahl-Seitenaufprall eine Aufprallenergie von mindestens 24.000 J ohne Beschädigung der Batteriemodule aufnehmen. Die entsprechenden Seitenaufpralltests werden im Beispielteil beschrieben. Der Boden des Batteriegehäuses wird aus mit Endlosfasem verstärktem duroplastischem Kunststoff durch Pultrusion hergestellt, wobei als Reaktivharzgemisch für den Kunststoff bevorzugt ein Polyurethanreaktivharzgemisch verwendet wird. Durch das Pultrusionsverfahren können im Gegensatz zu anderen Verfahren besonders hohe Gehalte an Endlosfasern erreicht werden. Darüber hinaus wird durch das Pultrusionsverfahren eine extrem gute Orientierung der Endlosfasern und sehr gute mechanische Eigenschaften in Pultrusions-/Profilrichtung erzielt. Dadurch sind pultrudierte Profile besonders gut geeignet, hohe mechanische Lasten bei gleichzeitig geringem Gewicht aufzunehmen.

Der Boden weist vorzugsweise Hohlkammern auf. Durch die Hohlkammern wird Gewicht eingespart, und sie können z.B. zur Aufnahme von Kabeln dienen. Bei der Herstellung des Bodens mittels Pultrusion verlaufen die Hohlkammern in Richtung der Zugrichtung der Endlosfasern. In einer besonderen Ausführung ist es auch möglich, die Hohlkammern als Kanäle für eine aktive Temperierung des Batteriegehäuses mittels eines Temperiermediums zu verwenden.

Der Boden weist besonders bevorzugt bei Einsatz von bevorzugt eingesetztem Polyurethan als Kunststoff und Endlosfasern auf Basis von Glas eine axiale Biegefestigkeit nach DIN EN ISO 14125 von 1100 bis 1500 MPa, einen axialen Kompressionsmodul nach DIN EN ISO 14126 von 50 bis 60 GPa, eine axiale interlaminare Scherfestigkeit nach DIN EN ISO 14130 von 60 bis 80 MPa, einen Schubmodul nach DIN EN ISO 15310 von 3 bis 6 GPa, einen axialen Zugmodul nach DIN EN ISO 527-4 von 45 bis 60 GPa, einen transversalen Zugmodul nach DIN EN ISO 527-4 von 10 bis 15 GPa und eine Wärmeleitfähigkeit nach DIN EN 993-14 von 0,1 bis 0,7 W/m K auf.

Das mit Endlosfasern auf Basis von Glas verstärkte Polyurethan weist bevorzugt eine Dichte nach DIN EN ISO 1183 von 1,5 g/cm ³ bis 2,2 g/cm ³ auf.

Der Boden kann vorzugsweise aus Bodenmodulen bestehen, die miteinander verbunden sind. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Verbindungen, bei denen die einzelnen Bodenmodule nach dem Prinzip„Nut und Feder“ oder als Art„Puzzleteile“ ineinander greifen. Möglich ist auch ein Verkleben oder Klammern. Bei den genannten Ausführungsformen des Verbindens der Bodenmodule wird vorzugsweise zusätzlich eine Verstärkung angebracht, zum Beispiel in Form von Stegen und Verstrebungen an den Verbindungsstellen.

Diese Stege und Verstrebungen, die vorzugsweise senkrecht auf dem Boden angebracht sind, verstärken den Batteriegehäuseboden, wobei diese Stege und Verstrebungen gleichzeitig als Trennwände für die einzelnen Batteriemodule fungieren können. Bei der Herstellung des Bodens durch Pultrusion können diese Stege und Verstrebungen teilweise gleichzeitig mit dem Gehäuseboden hergestellt werden. Besonders bevorzugt weist der Gehäuseboden zusätzlich auf der den Batteriemodulen abgewandten Seite eine Abdeckung aus Metall oder anderen nicht brennbaren Materialien auf. Die Abdeckung und der Boden des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses werden durch Verbindungsteile miteinander verbunden.

Diese Verbindungsteile lassen sich vorzugsweise durch Profile und/oder Seitenteile bevorzugt aus Metall realisieren. Die Verbindungs teile können auch aus Kunststoff, Keramik oder faserverstärktem Kunststoff bestehen. Aus Gründen der Gewichtseinsparung können diese Profile/Seitenteile Aussparungen aufweisen. Die Form/ Ausgestaltung der Profile/Seitenteile kann beliebig sein.

Besonders bevorzugt werden Metallprofile verwendet, da diese insbesondere die Möglichkeit zur Integration von Verbindungselementen, wie beispielsweise Schrauben, Nieten, Klebepunkte und Schweißstellen, bieten. Besonders bevorzugt weisen doppelwandige Verbindungsteile einen oder mehrere Hohlräume auf, die sich im Falle eines Aufpralls verformen. Insbesondere Verbindungsteile aus Stahl weisen eine hohe Biegesteifigkeit auf. Verbindungsteile aus Stahl eignen sich daher gut, um die lokal konzertiert einwirkende Energie im Falle einer Kollision auf eine große Fläche zu verteilen und um sich die mechanischen Eigenschaften des Bodens in voller Gänze zunutze zu machen. Darüber hinaus sollten die Verbindungsteile aus möglichst wenigen Einzelteilen bestehen.

Insbesondere die Verbindungs teile aus Metall stabilisieren das Batteriegehäuse zusätzlich und können einfach beispielsweise mit dem Fahrzeugboden verbunden werden. Zudem schützen die Verbindungsteile die Batteriemodule vor Feuchtigkeit und schirmen diese gegen Umwelteinflüsse ab. Bei einer Leckage dringt nichts nach außen. Durch die plastische Verformung wird Aufprallenergie zusätzlich aufgefangen.

Durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses aus Boden, Abdeckung und Verbindungsteilen, wobei diese aus verschiedenen Werkstoffen bestehen können, werden Verbindungstechniken benötigt, um die Einzelteile für den Normalbetrieb und den Fall eines Aufpralls miteinander zu verbinden. Es ist hierbei darauf zu achten, dass die Verbindungen einfach und gut zugänglich gestaltet sind und dass sie teilweise wieder lösbar sind. Von Vorteil ist auch, wenn die Verbindungselemente ebenfalls dynamische Belastungen aufnehmen können. Bei der Kombination von verschiedenen Werkstoffen sind die unterschiedlichen Wärmeausdehnungs koeffizienten zu beachten.

Bevorzugt können für das erfindungsgemäße Batteriegehäuse verschiedene Verbindungstechniken verwendet werden:

Verschraubung der Batteriemodule mit dem pultrudierten Boden • Verschraubung der Stege/Verstrebungen mit dem pultrudierten Boden

• Verklebung der pultrudierten Bodenmodule untereinander

• Verschraubung der Stege/Verstrebungen mit den Verbindungsteilen (Seitenteilen)

• Verklebung des pultrudierten Bodens mit den Verbindungsteilen (Seitenteilen)

Der besondere Vorteil bei der Verwendung von mit Endlosfasern verstärktem Kunststoff, insbesondere Polyurethan als Matrixmaterial für den pultrudierten Boden/die pultrudierten Bodenmodule liegt darin, dass Schrauben in den unidirektional verstärkten Boden geschraubt werden können, ohne dass ein Vorbohren nötig ist. Mit einem anderen, spröderen Matrixmaterial, wie zum Beispiel ungesättigtem Polyester, kann der Boden splittern. Der erfindungsgemäße pultrudierte Boden auf Basis von bevorzugt eingesetztem Polyurethan eignet sich also besonders für die Verbindung mittels Verschraubung, weil das Vorbohren entfällt. Dies vereinfacht den Aufbau des Batteriekastens zusätzlich, gewährleistet lösbare Verbindungen und führt zu weniger Vorbehandlungs-/Montageschritten.

Das erfindungsgemäße Batteriegehäuse weist besonders bevorzugt einen durch Pultrusion erhaltenen Boden auf, der aus mit Endlosfasern verstärktem duroplastischem Kunststoff auf Basis von Polyurethan, das aus einem Reaktivharzgemisch erhältlich ist, besteht, und Verbindungs teile aus Metallprofilen.

Endlosfasern bedeutet im Sinne dieser Anmeldung dem Fachmann bekannte Fasern, wie z.B. anorganische Fasern, organische Fasern, metallische Fasern, Naturfasern, bevorzugt Glasfasern und Kohlenstofffasern, besonders bevorzugt Glasfasern. Dabei wird unter Endlosfaser ein Fasermaterial verstanden, das eine Fänge von mindestens mehreren Metern aufweist. Diese werden beispielsweise von Rollen oder Spulen abgewickelt. Dabei können als Fasermaterial Einzelfasern, sogenannte Faserrovings und geflochtene Fasern eingesetzt werden. Fasermatten, Fasergelege und Fasergewebe sind weniger bevorzugt, da insgesamt geringere Fasergehalte im Profil erreicht werden als bei der Verwendung von Faserrovings. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Glasfasern in Form von Faserrovings eingesetzt.

Als bevorzugter duroplastischer Kunststoff für den pultrudierten Boden (Matrixmaterial für den Batterieboden) werden Pultrudate eingesetzt, die aus 40-80, bevorzugt 50-75 Vol.-% Endlosfasern und dem Rest duroplastischem Kunststoff bestehen. Die Matrix (ohne Endlosfasern) beispielsweise auf Basis von Polyurethan weist bevorzugt eine Dichte von >1,05 g/cm ³ auf.

Das bevorzugt eingesetzte Polyurethan wird besonders bevorzugt aus einem Reaktivgemisch erhalten, welches besteht aus einer Polyisocyanatkomponente (A) einer Polyolkomponente (B) bestehend aus bl) einem Gemisch von mindestens zwei Polyolen b2) 0-20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von (B), einer oder mehrerer weiterer Isocyanat-reaktiven Verbindungen, die von bl) verschieden sind, in Gegenwart von b3) 0-5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von B), eines oder mehrerer Katalysatoren, b4) 0-20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von (B), weiterer Hilfs- und/oder Zusatzmittel, und

0,1-8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von (B) mindestens eines internen Trennmittels

(C).

Die Polyisocyanatkomponente (A) besteht besonders bevorzugt aus monomerem MDI, oligo- merem MDI, polymerem MDI, oder Mischungen daraus.

Die zahlenmittlere Hydroxylzahl der Summe der Komponenten in (B) ist besonders bevorzugt >400 mg KOH/g und <2000 mg KOH/g und die Summe der nominalen OH-Funktionalitäten in (B) weist einen zahlenmittleren Wert zwischen 2,5 und 3,5 auf, und das Verhältnis der Anzahl der NCO-Gruppen in (A) zu der Summe der Anzahl der OH-Gruppen in (B) und (C) multipliziert mit 100 (der sogenannte Index) weist vorzugsweise einen Wert von 90-120 auf.

Der NCO-Gehalt der Polyisocyanatkomponente (A) liegt vorzugsweise über 25 Gew.-%, bevorzugt über 30 Gew.-%, besonders bevorzugt über 31,5 Gew.-%. Die Funktionalität der

Polyisocyanatkomponente (A) liegt vorzugsweise bei 2,1 bis 2,9. Die Viskosität der Polyisocyanatkomponente (A) liegt vorzugsweise bei < 500 mPas (bei 25°C), gemessen nach DIN 53019-1.

Zusätzlich können die üblichen aliphatischen, cycloaliphatischen, araliphatischen Di- und/oder Polyisocyanate und insbesondere aromatischen Isocyanate zum Einsatz kommen, welche aus der Polyurethanchemie bekannt sind. Beispiele solcher geeigneter Polyisocyanate sind Ethylendiisocyanat, 1 ,4-Butylendiisocyanat, 1,5-Pentandiisocyanat, 1 ,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI), 1,12-Dodecandiisocyant, Cyclobutan-l,3-diisocyanat, Cy clohexan- 1,3- und -1,4-diisocyanat und Mischungen dieser Isomere, Isophorondiisocyanat (IPDI), 2,4- und 2,6- Hexahydrotoluylendiisocyanat und Mischungen dieser Isomere, 2,2,4- und/oder 2,4,4- Trimethylhexamethylendiisocyanat, Bis(4,4‘-, 2,4‘- und 2,2‘-isocyanatocyclohexyl)methan oder Mischungen dieser Isomere, und aromatische Isocyanate der allgemeinen Formel R(NCO)z, wobei R ein polyvalenter organischer Rest ist, der einen Aromaten aufweist, und z eine ganze Zahl von mindestens 2 ist. Beispiele hierfür sind 1,3-Diisocyanato-o-xylol, 1,3-Diisocyanato-p-xylol, 1,3- Diisocyanato-m- xylol, 2,4-Diisocyanato-l-chlorobenzol, 2,4-Diisocyanato-l-nitro-benzol, 2,5- Diisocyanato-l-nitrobenzol, m-Phenylendiisocyanat, p-Phenylendiisocyanat, 2,4- Toluylendiisocyanat, 2,6-Toluylendiisocyanat, Mischungen aus 2,4- and 2,6-Toluylendiisocyanat, 1 ,5-Naphthalindiisocyanat, l-Methoxy-2,4-phenylendiisocyanat, 4,4'-Biphenylendiisocyanat, 3,3'- Dimethyl-4,4'-diphenylmethandiisocyanat, und 3,3'-Dimethyldiphenylmethan-4,4'-diisocyanat; Triisocyanate, wie 4,4',4"-Triphenylmethantriisocyanat und 2,4,6-Toluoltriisocyanat, und Tetraisocyanate, wie 4,4'-Dimethyl-2,2'-5,5'-diphenylmethantetraisocyanat sowie, 1,3- und/oder l,4-Bis-(2-isocyanato-prop-2-yl)-benzol (TMXDI), l,3-Bis-(isocyanatomethyl)benzol (XDI).

Neben den vorstehend genannten Isocyanaten können auch modifizierte Isocyanate, wie z.B. solche mit Uretdion-, Isocyanurat-, Carbodiimid-, Uretonimin-, Allophanat- oder Biuretstruktur, eingesetzt werden.

Als Gemisch (bl) aus mindestens zwei Polyolen können Polyetherpolyole, Polyesterpolyole, Polyetheresterpolyole und/oder Polycarbonatpolyole eingesetzt werden. Vorzugsweise werden im Gemisch (bl) Polyetherpolyole und/oder Polyesterpolyole, besonders bevorzugt Polyetherpolyole eingesetzt.

Die als bl) eingesetzten Polyole können neben der OH- Funktion auch weitere gegenüber Isocyanat reaktive Wasserstoff atome (= aktive Wasserstoffatome) enthalten, wie beispielsweise NH-Gruppen und NH2-Gruppen. Soweit solche weiteren aktiven Wasserstoffatome vorhanden sind, stammen bevorzugt mehr als 90 %, insbesondere mehr als 95 %, besonders bevorzugt mehr als 99 % und ganz besonders bevorzugt 100 % aller gegenüber Isocyanat reaktiven Wasserstoff atome in der Polyolformulierung aus OH-Funktionen.

Solche Polyole sind beispielsweise von Ionescu in„Chemistry and Technology of Polyols for Polyurethanes“, Rapra Technology Limited, Shawbury 2005, S.31 ff. (Kap. 3: The General Characteristics of Oligo-Polyols, S.55 ff. (Kap. 4: Oligo-Polyols for Elastic Polyurethanes), S. 263 ff. (Kap. 8: Polyester Polyols for Elastic Polyurethanes) und insbesondere auf S.321 ff. (Kap. 13: Polyether Polyols for Rigid Polyurethane Foams) und S.419 ff. (Kap. 16: Polyester Polyols for Rigid Polyurethane Foams) beschrieben.

Bevorzugt werden als Gemisch bl) zwei oder mehrere Polyetherpolyole eingesetzt, welche auf an sich bekannte Weise durch Polyaddition von Alkylenoxiden wie Propylenoxid und/oder Ethylenoxid an polyfunktionelle Starterverbindungen in Gegenwart von Katalysatoren hergestellt werden können. Bevorzugt werden die Polyhydroxypolyether aus einer Starterverbindung mit durchschnittlich 2 bis 8 aktiven Wasserstoffatomen und einem oder mehreren Alkylenoxiden, z.B. Ethylenoxid, Butylenoxid und/oder Propylenoxid, hergestellt. Bevorzugte Starterverbindungen sind Moleküle mit zwei bis acht Hydroxylgruppen pro Molekül wie Wasser, Ethylenglykol, Propylenglykol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, Triethylenglykol, Tripropylenglykol, 1,4- Butandiol, 1,6-Hexandiol, Bisphenol A, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Sorbit und Saccharose und aminische Starterverbindungen wie z.B. Ethylendiamin und Triethanolamin. Die Starterverbindungen können allein oder im Gemisch verwendet werden. Besonders bevorzugt sind 1,2- und 1,3- Propylenglykol, Diethylenglykol, Sorbit, Glycerin, Trimethylolpropan, Saccharose und Gemische aus den genannten Produkten. Vertreter der genannten Komponente bl) sind z.B. im Kunststoff-Handbuch, Band VII„Polyurethane“, 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, München / Wien, 1993, Seiten 57 - 67 bzw. Seiten 88 - 90 beschrieben.

Bei den Polyesterpolyolen handelt es sich um Estergruppen aufweisende Polyhydroxylverbindungen wie z.B. Ricinusöl oder Polyhydroxypolyester, wie sie durch Polykondensation überschüssiger Mengen einfacher mehrwertiger Alkohole der soeben beispielhaft genannten Art mit vorzugsweise dibasischen Carbonsäuren bzw. deren Anhydride wie z.B. Adipinsäure, Phthalsäure oder Phthalsäureanhydrid zugänglich sind.

Das bevorzugt eingesetzte Polyurethansystem kann 0-20 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht von (B), weitere Isocyanat-reaktive Komponenten b2) enthalten, welche vom Gemisch bl) verschieden sind. Diese sind als Komponenten für Polyurethan an sich bekannt. Beispiele sind mehrwertige Alkohole bzw. (Oxy)alkylendiole, z.B. Ethylenglykol und seine Oligomeren, Propylenglykol und seine Oligomeren, Hexandiol-1,6, Glycerin oder Trimethylolpropan und weitere OH-funktionelle Verbindungen wie z. B. Sorbit oder Bis(2-Hydroxyethylenoxy)benzol.

Als Katalysatorkomponente (b3) können beispielsweise die bekannten Polyurethankatalysatoren eingesetzt werden, wie z.B. organische Metallverbindungen, wie Kalium- oder Natriumsalze organischer Carbonsäuren wie z.B. Kaliumacetat; ebenso Zinn-(II)-salze von organischen Carbonsäuren, z.B. Zinn-(II)-acetat, Zinn-(II)-octoat, Zinn-(II)-ethylhexanoat und Zinn-(II)-laurat und die Dialkylzinn-(IV)-salze von organischen Carbonsäuren, z.B. Dibutylzinndiacetat, Dibutylzinndilaurat, Dimethylzinndilaurat, Dibutylzinnmaleat und Dioctylzinndiacetat, weiterhin beispielsweise Diisooctyl-2,2'-[(dioctylstannylen)bis(thio)]diacetat, Di-n-butyl-bis(dodecylthio)- Zinn, 2-Ethylhexyl-4,4'-dibutyl-10-ethyl-7-oxo-8-oxa-3,5-dithia-4- stannatetradecanoat, Dimethyl- zinndithioglycolat und/oder stark basische Amine wie 2,2,2-Diazabicyclooctan, N,N-Dimethyl- aminopropylamin, N,N-bis(3-dimethylaminopropyl)-N-isopropanolamin, Triethylamin, Triethylen- diamin, Tetramethylhexamethylendiamin, Pentamethyldiethylentriamin, N,N-Dimethyl- cyclohexylamin oder Bis(N,N-Dimethylaminoethyl)ether, N,N-Dimethylbenzylamin, N,N- Methyldibenzylamin und N-Methylimidazol, und latente Katalysatoren. Latente Katalysatoren und ihr Wirkmechanismus werden beispielsweise in EP 2531538 Al, Seiten 1 - 4 sowie Seite 9, Zeile 26 bis Seite 10, Zeile 2 beschrieben. Typische latente Katalysatoren sind blockierte Amin- und Amidin-Katalysatoren, z.B. Katalysatoren der Hersteller Air Products (wie z.B. Polycat® SA-1/10, Dabco KTM 60) und Tosoh Corporation (wie etwa Toyocat® DB 2, DB 30, DB 31, DB 40, DB 41, DB 42, DB 60, DB 70). Weitere Vertreter von Katalysatoren sowie Einzelheiten über die Wirkungsweise der Katalysatoren sind im Kunststoff-Handbuch, Band VII„Polyurethane“, 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, München / Wien, 1993 auf den Seiten 104 - 110 beschrieben.

Als Hilfs- und Zusatzmittel b4) können alle zur Herstellung von Polyurethanen bekannten Hilfs- und Zusatzmittel verwendet werden. Solche Substanzen sind bekannt und beispielsweise in "Kunststoffhandbuch, Band 7, Polyurethane", Carl Hanser Verlag, 3. Auflage 1993, Kapitel 3.4.4 und 3.4.6 bis 3.4.11 beschrieben. Genannt seien beispielsweise oberflächenaktive Substanzen, Entschäumer, Emulgatoren, Viskositätserniedriger, Farbstoffe, Pigmente, Flammschutzmittel, Wasserbinder, wie z.B. Tris(chlorethyl)orthoformiat, Erdalkalioxide, Zeolithe, Aluminiumoxide, Oxazolidine und Silikate, und Haftvermittler sowie Füllstoffe, wie Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Titandioxid, Polyethylen, Kurzfasern beispielsweise aus Glas oder Kohlenstoff oder natürliche Minerale, wie z. B. Talkum, Wollastonite oder Muskowite.

Als interne Trennmittel (C) können alle bei der Herstellung von Polyurethanen üblichen Trennmittel verwendet werden, beispielsweise langkettige Monocarbonsäuren, insbesondere Fettsäuren wie Stearinsäure, Amine langkettiger Carbonsäuren wie Stearinamid, Fettsäureester, Metallsalze langkettiger Fettsäuren wie Zinkstearat, oder Silikone. Besonders geeignet sind die speziell für die Pultrusion erhältlichen Internen Trennmittel, z. B. MOLD WIZ INT-1948 MCH, MOLD WIZ INT-1960 MCH, erhältlich von Axel Plastics oder Luvotrent TL HB 550-D, Luvotrent TL HB 550, erhältlich von Lehmann&Voss. Vorzugsweise sind die internen Trennmittel in (B) unlöslich. Die internen Trennmittel werden in Mengen von 0,1-8 Gew.-%, bevorzugt 0,1-6 Gew.-% und besonders bevorzugt 0,1-4 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von (B) eingesetzt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Elektrofahrzeuge mit dem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Batteriegehäuse so im Fahrzeug angebracht ist, dass die im Boden des Gehäuses befindlichen Endlosfasern quer zur Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs (also etwa in einem 90°-Winkel zur Fahrtrichtung) ausgerichtet sind. Beschreibung der Figuren:

In Figur 1 wird ein Teil eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses ohne Batteriemodule und Steuerungseinheit gezeigt.

Figur 2 ist ein Ausschnitt aus Figur 1 , der in Figur 1 durch den gestrichelten Kreis definiert ist. Das Batteriegehäuse weist einen Boden 1 und Seitenwände 3 und 4 sowie Stege 5 auf. Der Pfeil 6 zeigt die Stoßrichtung im Falle eines Seitenaufpralls und der Pfeil 7 die Fahrtrichtung des Fahrzeugs (nicht abgebildet), in dem sich das Batteriegehäuse befindet. Mittels der Bohrungen 8 können die Seitenteile mit der Abdeckung (nicht abgebildet) verbunden werden. Durch die Aussparungen 9 und 9‘ können beispielsweise Kabel (nicht abgebildet) verlaufen. Der gestrichelte Kreis in Figur 1 zeigt den Ausschnitt, der in Figur 2 dargestellt ist.

Die Bodenmodule des Batteriegehäuses sind durch Nut und Feder- Verbindung 11 miteinander verbunden. Die Schrauben 12 verbinden die Stege mit dem Boden des Batteriegehäuses.

Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden beispielhaften Ausführungen näher erläutert werden.

Beispiele:

Das erfindungsgemäße Batteriegehäuse besteht aus

• einem Boden aus zusammengesetzten, pultrudierten Hohlkammer-Profilen (unidirektional ausgerichtete Glasfasern eingebettet in eine Polyurethan-Matrix; Fasergehalt 65 Volumenprozent), deren Fasern senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet sind; die pultrudierten Profile auf Polyurethan-Basis haben eine geringere Dichte als Metall und weisen somit ein geringes Gewicht auf;

• Seitenteilen aus Hohlkammerprofilen aus Stahl;

• Stege aus Stahl, die zwei nebeneinander liegende Bodenprofile sowie zwei gegenüberliegende Seitenteile verbinden;

• Deckel aus einer Pol ypropy len platte _n d ie das Batteriegehäuse abdichtet;

• Batteriemodulen und Steuereinheit.

Als Polyurethan-System wurde verwendet:

Die mit dem Polyurethan-System hergestellten pultrudierten Profile besitzen die folgenden physikalischen Eigenschaften:

• Biegefestigkeit axial: ca. 1.300 MPa (DIN EN ISO 14125)

• Kompressionsmodul axial: ca. 53,5 GPa (DIN EN ISO 14126)

• Interlaminare Scherfestigkeit axial: ca. 70 MPa (DIN EN ISO 14130)

• Wärmeleitfähigkeit: ca. 0,5 W/m K (DIN EN 993-14)

• Dichte: ca. 2,1 g/cm ³ (DIN EN ISO 1183)

• Zugmodul transversal: ca. 12 GPa (DIN EN ISO 527-4)

• Zugmodul axial: ca. 50 GPa (DIN EN ISO 527-4)

• Schubmodul: ca. 3,5 GPa (DIN EN ISO 15310)

Das Vergleichsbatteriegehäuse besteht aus einer profilierten Bodenplatte („Wellblechprofil“ zur Versteifung) aus Aluminiumdruckguss, auf der die Batteriemodule befestigt sind. Die Batteriemodule werden von einem Deckel aus glasfaserverstärktem Polypropylen abgedeckt. Die Bodenplatte steht seitlich über und hat somit eine größere Grundfläche als die darauf befestigten Batteriemodule und stellt damit eine seitliche Knautschzone dar, die die Kräfte im Fall des Aufpralls durch Verformung aufnehmen soll.

Das erfindungsgemäße Batteriegehäuse wurde in einer Simulation zwei unterschiedlichen Crash- Fällen unterzogen (dem sog. „China-Crush-Test“ sowie „Pfahl-Seitenaufprall-Test (35 km/h (90°))“ entsprechend den NCAP-Tests für Crash-Lastfälle) und mit dem oben beschriebenen Vergleichsbatteriegehäuse aus dem Stand der Technik verglichen.

Beim sogenannten China-Crush-Test wird das Batteriegehäuse inklusive der Batteriemodule und der Steuereinheit mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s (seitlich und mittig) gegen einen Pfahl mit einem Durchmesser von 150 mm gedrückt und die resultierende Verformung betrachtet. Beim Erreichen einer Kraft von 120 kN sollten Batteriemodule nicht beschädigt werden.

In der Simulation des China-Crush-Tests mit dem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse zeigte sich, dass bei 120 kN keine Schädigung der Batterie/der Batteriemodule auftrat.

Die Simulation wurde mit einem Batteriegehäuse aus Aluminiumdruckguss wiederholt. In der Simulation zeigte sich eine deutliche Schädigung der Batterie/Batteriemodule. Beim sogenannten Pfahl-Seitenaufprall-Test wird das Batteriegehäuse inklusive der Batteriemodule und der Steuereinheit zusammen mit einer Rahmenstruktur, die das Chassis des Fahrzeugs darstellt, mit 35 km/h senkrecht und mittig gegen einen Pfahl geschoben. Das gesamte Gewicht betrug 1750 kg. Die Simulation wurde mit einer reduzierten Steifigkeit der Rahmenstruktur („Fahrzeug- Chassis“) wiederholt. Bei der Simulation des Pfahlaufpralls sollen die Batteriemodule/Batterie nicht beschädigt werden. Bei der ersten Simulation wirkt eine Aufprallenergie von 15960 J auf das Batteriegehäuse und in der zweiten Simulation eine Aufprallenergie von 25309 J.

In der Simulation des Pfahlaufprall-Tests mit dem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse zeigte sich, dass sowohl eine Aufprall-Energie von 15.960 J als auch eine Aufprallenergie von 25.309 J vom erfindungsgemäßen Batteriegehäuse aufgenommen werden konnte, ohne dass die Batterie/- Batteriemodule beschädigt wurden.

In der Simulation mit dem oben beschrieben Vergleichsgehäuse zeigte sich bereits bei einer Aufprall-Energie von 15.960 J eine starke Beschädigung der Batterie/Batteriemodule.

Das erfindungsgemäße Batteriegehäuse war mit 310,3 kg nur geringfügig schwerer als das Ver- gleichsgehäuse mit 291,1 kg.

Der Boden aus glasfaserverstärktem Polyurethan weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,5 W/(m*K) nach DIN EN 993-14 auf, sodass die Batteriemodule energieeffizient im bevorzugten Temperaturbereich betrieben werden können.