DE102008014829A1

DE102008014829A1 - Schutzgehäuse für eine galvanische Zelle in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008014829A1
Application number: DE102008014829A
Authority: DE
Inventors: Steffen Meier; Robert Köhr
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: US20090236161A1; DE102008014829B4; JP2009220808A; US8496081B2; FR2928876A1; FR2928876B1; CN101537785A; CN101537785B

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Schutzgehäuse für eine galvanische Zelle in einem Kraftfahrzeug, - mit vier Seitenwänden (2a, 2b, 3a), die zusammen eine seitliche Einfassung für einen Aufnahmeraum für die galvanische Zelle bilden, - mit einer den Aufnahmeraum nach unten begrenzenden Bodenstruktur und einer den Aufnahmeraum nach oben begrenzenden Deckelstruktur (4), - mit einem an der Deckelstruktur befestigten und über zwei einander gegenüberliegende Seitenwände hinausragenden Deckelquerträger (10, 11a, 11b), zur verdrehfesten Verbindung des Aufnahmeraums mit dem Rohbau des Kraftfahrzeugs durch Einlegen des Deckelquerträgers in diesen, zum Einhängen des Aufnahmeraums.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzgehäuse für eine galvanische Zelle in einem Kraftfahrzeug. Dabei bedeutet Schutzgehäuse, das die Konstruktion im Crashfall auftretende Kräfte zuverlässig aufnehmen bzw. weiterleiten kann, ohne dass am Schutzgehäuse selbst größere Zerstörungen auftreten. Dadurch kann die im Schutzgehäuse aufgenommene galvanische Zelle im Crashfall zuverlässig vor Beschädigungen geschützt werden. Als galvanische Zelle ist dabei insbesondere eine Hochvoltbatterie vorgesehen, z. B. eine Lithium-Ionen oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie.
Aus der US 5,501,289 ist eine Bodenstruktur für ein elektrisches Fahrzeug bekannt, die relativ aufwendig aufgebaut und dadurch zur Aufnahme von Batterien vorgesehen ist.
Aus der DE 11 2005 000 492 ist eine am Längs- und Querträger eines Fahrzeuges zu befestigende Montagestruktur für eine Speicherbatterieanordnung bekannt. Diese Montagestruktur hat den Nachteil, dass im Crashfall eine derart montierte Speicherbatterie sich verdrehen und dadurch nicht im Lastpfad liegende, benachbarte Elemente wie zum Beispiel einen Kraftstofftank beschädigen kann.
Aus der nicht vorveröffentlichten, älteren DE 10 2007 023 391 ist ein Schutzgehäuse für eine Fahrzeugbatterie bekannt, mit zwei Querwänden und zwei Längswänden, die zusammen eine seitliche Einfassung für einen Aufnahmeraum bilden, wobei an der Einfassung wenigstens zwei Bodenquerträger und wenigstens zwei Deckelquerträger, zur Befestigung im Kraftfahrzeug, vorgesehen sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schutzgehäuse für eine galvanische Zelle, insbesondere eine Hochvoltbatterie, in einem Kraftfahrzeug vorzuschlagen, das einfach aufgebaut, universell einsetzbar und im Crashfall relativ sicher ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterführungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß weist ein Schutzgehäuse für eine galvanische Zelle in einem Kraftfahrzeug vier Seitenwände auf, die zusammen eine seitliche Einfassung für einen Aufnahmeraum für die galvanische Zelle bilden, sowie eine den Aufnahmeraum nach unten begrenzende Bodenstruktur und eine den Aufnahmeraum nach oben begrenzende Deckelstruktur, mit einem an der Deckelstruktur befestigten und über zwei einander gegenüber liegende Seitenwände hinausragenden Deckelquerträger, zur verdrehfesten Verbindung des Aufnahmeraums mit dem Rohbau des Kraftfahrzeugs durch Einlegen des Deckelquerträgers in diesen, zum Einhängen des Aufnahmeraums. Die Erfindung beruht dabei auf dem allgemeinen Gedanken, das Schutzgehäuse bzw. die Einfassung des Aufnahmeraums durch eine Bodenstruktur und eine Deckelstruktur auszusteifen, so dass sich ein geschlossenes Schutzgehäuse ergibt. Hiermit wird ein Aufnahmeraum als stabiler Käfig geschaffen, der sich auch im Crashfall nur relativ geringfügig verformt und damit Beschädigungen des aufgenommenen galvanischen Elements vermeidet. Durch eine entsprechende Ausgestaltung von seitlicher Einfassung, Deckel- und Bodenstruktur des Schutzgehäuses wird die bei einem Crashfall auftretende Last bestmöglich aufgenommen bzw. weitergeleitet. Hierzu ist eine entsprechend biegestabile bzw. biegesteife Ausgestaltung vorgesehen.
Durch diese crashsichere Ausgestaltung ergibt sich eine eigenstabile Konstruktion, welche nun die Möglichkeit der Verwendung eines einzelnen Deckelquerträgers, zur hängenden Befestigung des Aufnahmeraums, ermöglicht. Denn indem der Deckelquerträger seitlich über den Aufnahmeraum hinaus ragt, kann das Schutzgehäuse quasi in den Rohbau des Fahrzeuges eingehängt werden. Dabei wird der Deckelquerträger dann auf geeignete Art mit dem Rohbau verbunden, beispielsweise verklemmt oder mittels geeigneter Befestigungsmittel fixiert. Diese Verbindung dient dabei lediglich einer Fixierung, womit sie relativ einfach ausgeführt sein kann. Denn die Abstützung des Gewichts des Schutzgehäuses erfolgt ja im Wesentlichen durch den Deckelquerträger. Damit können auch weitere Abstützungen, z. B. an der seitlichen Einfassung bzw. der Bodenstruktur des Aufnahmeraums, entfallen. Dennoch wird eine hohe Crashsicherheit erzielt, da das Schutzgehäuse ja gerade „ausgependelt” hängend im Gleichgewicht und damit verdrehfest gelagert ist.
Weiterhin wird eine einfache Demontage des Schutzgehäuses ermöglicht, mitsamt der aufgenommenen galvanischen Zelle, da lediglich entsprechende Anschlüsse, beispielsweise elektrische, sowie ggf. die der Fixierung dienende mechanische Verbindung des Deckelquerträgers mit dem Rohbau zu lösen sind. Sodann ist das Schutzgehäuse aus dem Kraftfahrzeug heraushebbar. Zudem ergibt sich eine universelle Einsetzbarkeit, indem durch einen entsprechend ausgeführten Deckelquerträger – und damit durch eine konstruktiv einfache Modifikation des Schutzgehäuses – eine Vielzahl verschiedener Bauräume sofort nutzbar ist. Denn es werden ja keine zusätzlichen Verschraubungspunkte oder andere nötige Anknüpfungspunkte mit dem Rohbau des Kraftfahrzeugs für das Schutzgehäuse benötigt, sondern dieses wird lediglich eingehängt. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich noch die Erschließung neuer Bauräume, indem durch die hängende Montage auch Bauräume erschließbar sind, die beispielsweise keine seitlichen Befestigungsmöglichkeiten für ein entsprechendes Schutzgehäuse aufweisen.
Die bei einem Crashfall auftretende Last wird besonders gut aufgenommen bzw. weitergeleitet, wenn die Seitenwände sowie Boden- und Deckelstruktur jeweils im Wesentlichen eben vorgesehen und aus Metall gefertigt sind, wodurch eine entsprechende Biegestabilität bzw. Biegesteifigkeit des Schutzgehäuses bezüglich aller Richtungen erzielt wird.
Die Seitenwände sind bevorzugt als Strangpressprofile ausgeführt. Dies ergibt bei relativ geringem Gewicht eine ausreichende Steifigkeit sowie Crashsicherheit. Hierbei ergibt sich eine Vielzahl von Konstruktionsmöglichkeiten, beispielsweise die Verwendung von Strangpressprofilen mit Kammern die zusätzlich noch durch eingeschobene Verstärkungsprofile, z. B. aus Stahl, ausgesteift sein können.
Eine besonders einfache Herstellung des Schutzgehäuses ergibt sich dadurch, das die Seitenwände als jeweils separate Bauteile ausgeführt sind, die zur Einfassung zusammengebaut, beispielsweise geschweißt, sind.
Eine stabile Lage und eine hohe Verdrehsicherheit des Schutzgehäuses ergibt sich insbesondere dann, wenn der Deckelquerträger sich flächig über mehr als die Hälfte der Deckelstruktur erstreckt. Da der Deckelquerträger ja über zwei einander gegenüber liegende Seitenwände hinausragend, wird somit mehr als die Hälfte der Fläche der Deckelstruktur in der orthogonal dazu liegenden Richtung abgedeckt. Dabei kann der Deckelquerträger insbesondere mit der Deckelstruktur verschraubt sein. Aufgrund der stabilen Konstruktion des Schutzgehäuses stellt dies eine einfache und dennoch effektive Möglichkeit der Anbindung des Deckelquerträgers dar.
Ein verwindungssteifer und zugleich relativ leichter Deckelquerträger ergibt sich, wenn zwei einzelne, voneinander beabstandete Profilelemente vorgesehen sind, die mittels eines weiteren Profilelements miteinander verbunden sind. Die zwei einzelnen Profilelemente können dabei als L-förmiges Hohlprofil vorgesehen sein, in das das weitere Profilelement eingelegt und verschweißt ist.
Besonders bevorzugt ist der Deckelquerträger mit dem Rohbau des Kraftfahrzeugs, zur sicheren Fixierung des Schutzgehäuses, verschraubt. Dazu weist der Deckelquerträger in seinen jeweiligen seitlichen Endbereichen Öffnungen zur Verschraubung im Rohbau auf. Dies hat den Vorteil, dass das Schutzgehäuse einfach demontiert werden kann. Dazu werden die entsprechenden Schrauben sowie die elektrischen und gegebenenfalls weiteren Verbindungen der galvanischen Zelle gelöst und das Schutzgehäuse einfach aus dem Kraftfahrzeug herausgehoben. Sodann kann im Servicefall beispielsweise ein neues Schutzgehäuse mitsamt galvanischer Zelle eingehängt werden. Natürlich kann auch eine andere Fixiermöglichkeit vorgesehen sein, z. B. eine Verklemmung.
Eine besonders leichte Ausgestaltung des Schutzgehäuse ergibt sich dann, wenn Seitenwände, Boden-/Deckelstruktur und/oder Deckelquerträger aus Aluminium gefertigt sind.
Bevorzugt ist vorgesehen, das Schutzgehäuse mitsamt der galvanischen Zelle zu einem kompletten Stromversorgungsmodul für ein Kraftfahrzeug aufzurüsten. Dazu sind an wenigstens einer Seitenwand des Schutzgehäuses Elemente zur Klimatisierung, insbesondere zur Kühlung, der galvanischen Zelle vorgesehen. Damit ergibt sich dann ein Stromversorgungsmodul, welches lediglich noch elektrisch kontaktiert sowie ggf. mit entsprechenden Zu- und Ableitungen des Klimatisierungsmediums verbunden werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Luftkühlung der galvanischen Zelle vorgesehen, wozu dem Schutzgehäuse ein Abluftsammler mit einem Anschlusselement zur Abführung der Abluft zugeordnet ist. Somit ist eine produktionstechnisch einfache Darstellung eines elektrischen bzw. Hybridfahrzeuges möglich, da lediglich das Schutzgehäuse eingehängt und fixiert sowie elektrisch kontaktiert sowie die Zuführungen für Zu- und Abluft angebunden werden müssen.
Besonders bevorzugt ist im Bereich der Deckelstruktur ein Steuergerät vorgesehen, zur elektrischen Überwachung und Steuerung der galvanischen Zelle, wobei der Deckelquerträger in diesem Bereich einen Durchbruch aufweist. Durch das zusätzliche Vorsehen eines Steuergerätes wird der Modulcharakter des Schutzgehäuses mit galvanischer Zelle noch weiter perfektioniert, wobei im Servicefall dieses Steuergerät durch den entsprechenden Durchbruch im Deckelquerträger zugänglich ist. Der Durchbruch bzw. die Lage des Durchbruchs wird dabei so gewählt, dass die Stabilität des Deckelquerträgers nicht beeinträchtigt ist.
Zum Einhängen des Schutzgehäuses in das Kraftfahrzeug ist insbesondere eine Lage zwischen zwei Längsträgern des Kraftfahrzeuges derart vorgesehen, das ein jeweiliger Endbereich des Deckelquerträgers auf einem jeweiligen Längsträger zu liegen kommt. Denn die Längsträger stellen besonders stabile Auflagepunkte dar. Dabei ist unabhängig von der Größe der galvanischen Zelle, lediglich durch die entsprechende Dimensionierung der Länge des Deckelquerträgers, eine individuelle Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten des Kraftfahrzeugs, d. h. den Einbauraum, möglich. Zur Fixierung kann dann der jeweilige Endbereich des Deckelquerträgers im Aufliegebereich des jeweiligen Längsträgers mit diesem verschraubt sein.
Als Kraftfahrzeug ist dabei insbesondere ein Hybridfahrzeug vorgesehen. Denn ein herkömmliches Kraftfahrzeug kann durch einfaches Einhängen des erfindungsgemäßen Schutzgehäuses in einen geeigneten Einbauraum bereits mit einer wesentlichen Komponente versehen werden zur Hybridisierung versehen werden.
Als bevorzugter Einbauraum ist dabei der Heckbereich des Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei die Oberkante des Deckelquerträgers in etwa im Bereich der Unterkante des Ladebodens zu liegen kommt. Damit wird für die galvanische Zelle neuer Bauraum unterhalb des Ladebodens erschlossen, wobei jedoch kein Kofferraumvolumen verloren geht sondern lediglich ein gegebenenfalls vorhandenes Reserverad im Kraftfahrzeug entfällt.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Schutzgehäuses,
2 eine Darstellung eines vorteilhaften Deckelquerträgers.
Entsprechend der 1 ist ein Schutzgehäuse 1 für eine nicht dargestellte galvanische Zelle in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Diese umfasst zwei Längswände 2a, 2b die jeweils im Wesentlichen eben vorgesehen sind und sich in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs erstrecken. Zudem umfasst das Schutzgehäuse zwei Querwände, von denen in der Fig. nur eine hintere Querwand 3a sichtbar ist. Diese Querwände erstrecken sich quer zur Längsrichtung des Kraftfahrzeugs. Weiterhin umfasst das Schutzgehäuse eine Deckelstruktur 4 sowie eine korrespondierende, nicht sichtbare Bodenstruktur. Die Seitenwände 2a, 2b, 3a bilden zusammen mit der Deckelstruktur 4 und der Bodenstruktur die Elemente eines geschlossenen Aufnahmeraums zur Aufnahme einer galvanischen Zelle. Diese Elemente sind als einzelne Teile als Aluminium-Strangpressprofile gefertigt und sodann zum Schutzgehäuse zusammengefügt. Je nach Anforderung umfassen diesen Elementen zumindest bereichsweise Kammern, die bedarfsweise durch zusätzlich eingeschobene Stahlprofile verstärkt sind. Die einzelnen Elemente sind auf geeignete Weise aneinander befestigt, beispielsweise miteinander verschweißt.
Sodann ist für das Schutzgehäuse 1 ein Deckelquerträger vorgesehen, umfassend zwei Profilelemente 11a, 11b sowie ein diese verbindendes Profilelement 10. Ein Querschnitt durch diesen Deckelquerträger zeigt 2, wobei gleiche Teile in den 1 und 2 auch gleiche Bezugszeichen tragen. Demgemäß sind die Profilelemente 11a, 11b bevorzugt als L-förmige Kammerprofile ausgebildet. In diese eingelegt ist eine Hohlkammerplatte 10, die mit den beiden L-förmigen Profilen verschweißt ist. Die Profilelemente 10, 11a, 11b sind bevorzugt aus Aluminium hergestellt. Zur Befestigung des Deckelquerträgers auf der Deckelstruktur 4 des Aufnahmeraums sind mehrere durchgehende Öffnungen 14 zur Verschraubung vorgesehen. Diese Öffnungen 14 befinden sich an den Querseiten des Deckelquerträgers, also quer zur Längsrichtung des Kraftfahrzeugs, da der Deckelquerträger quer zur Längsrichtung des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Diese Konstruktion ist gegenüber einem Deckelquerträger, der in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, im Crashfall verdrehsicherer. Durch Verwendung geeigneter Schrauben bzw. Bolzen in den Öffnungen 14 wird der Deckelquerträger mit der Deckelstruktur 4 verschraubt. Natürlich kann der Querträger auch einstückig ausgebildet sein und/oder auf andere Weise an der Deckelstruktur befestigt sein, beispielsweise mittels Verschweißung.
Das Schutzgehäuse 1 ist vorliegend aufgerüstet zu einem kompletten Stromversorgungsmodul für ein Hybridfahrzeug. Dazu weist es insbesondere ein Klimatisierungsmodul für die aufgenommene galvanische Zelle auf. Dargestellt ist hier, als Teil des Klimatisierungsmoduls, der Abluftsammler 20 mit einem Abluftanschluss 21. Weiterhin vorgesehen ist ein Batteriemanager 25 als Steuergerät zur Steuerung und Überwachung der galvanischen Zelle. Der Querträger 10, 11a, 11b weist hierzu eine Öffnung 26 auf, damit der Batteriemanager 25 im Servicefall zugänglich ist.
Das vorliegende Schutzgehäuse ist somit als Modul zur Versorgung mit elektrischer Energie ausgebildet das lediglich noch in ein Kraftfahrzeug eingehängt werden muss. Zum Einbau ist dabei ein entsprechender Einbauraum vorzusehen, zur Aufnahme des Schutzgehäuses. Zum sicheren Fixierung des Schutzgehäuses im Rohbau weist der Deckelquerträger in seinen beiden – in Querrichtung gesehen – Endbereichen Öffnungen 24 auf, zur Verschraubung des Schutzgehäuse. Diese fixieren den Deckelquerträger im Rohbau des Kraftfahrzeugs. Durch die entsprechend breite Auslegung des Deckelquerträgers ergibt sich eine verdrehfeste Anordnung des Schutzgehäuses im Kraftfahrzeug. Sodann ist der Batteriemanager 25 elektrisch zu kontaktieren und Zu- und Abluftführungen über die entsprechenden Anschlüsse wie den dargestellten Abluftanschluß 21, anzuschließen. Dies ermöglicht auf einfache Weise den Einbau einer wesentlichen Komponente eines Hybridfahrzeugs in einem herkömmlichen Kraftfahrzeug. Im Falle eines Heckcrashs dieses Kraftfahrzeugs kommt es zu einer Beaufschlagung des Schutzgehäuses mit nach vorne orientierten Längskräften. Diese Kräfte werden dabei vom Querteil 3a aufgenommen und über die Seitenteile 2a, 2b weiter nach vorne geleitet. Dazu ist das Schutzgehäuse vorzugsweise hinter einem Querträger angeordnet, zu Aufnahme der Energie und zur Weiterleitung an einen entsprechenden Fahrzeuglängsträger. Durch die im Wesentlichen ebene Ausgestaltung aus Metall der Seitenwände bzw. Deckel- und Bodenstrukturen ist dabei eine bestmögliche Weiterleitung der Crashenergien möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5501289 [0002]
- DE 112005000492 [0003]
- DE 102007023391 [0004]

Claims

Schutzgehäuse für eine galvanische Zelle in einem Kraftfahrzeug, – mit vier Seitenwänden (2a, 2b, 3a) die zusammen eine seitliche Einfassung für einen Aufnahmeraum für die galvanische Zelle bilden, – mit einer den Aufnahmeraum nach unten begrenzenden Bodenstruktur und einer den Aufnahmeraum nach oben begrenzenden Deckelstruktur (4), – mit einem an der Deckelstruktur befestigten und über zwei einander gegenüber liegende Seitenwände hinausragenden Deckelquerträger (10, 11a, 11b), zur verdrehfesten Verbindung des Aufnahmeraums mit dem Rohbau des Kraftfahrzeugs durch Einlegen des Deckelquerträgers in diesen, zum Einhängen des Aufnahmeraums.
Schutzgehäuse nach Anspruch 1, wobei die Seitenwände sowie Boden- und Deckelstruktur jeweils im Wesentlichen eben vorgesehen und aus Metall gefertigt sind.
Schutzgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Seitenwände sowie Boden- und Deckelstruktur als Strangpressprofile gefertigt sind.
Schutzgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seitenwände als jeweils separate Bauteile ausgeführt sind, die zur Einfassung zusammengebaut sind.
Schutzgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Deckelquerträger sich flächig über mehr als die Hälfte der Deckelstruktur erstreckt.
Schutzgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Deckelquerträger zwei einzelne Profilelemente (11a, 11b) umfasst, die mittels eines weiteren Profilelementes (10) verschweißt sind.
Schutzgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Deckelquerträger in seinen jeweiligen Endbereichen Öffnungen (24), zur Befestigung bzw. Verschraubung des Schutzgehäuse im Rohbau, aufweist.
Schutzgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Seitenwände, Boden-/Deckelstruktur und/oder Deckelquerträger aus Aluminium gefertigt sind.
Schutzgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an wenigstens einer Seitenwand Elemente (20, 21) zur Klimatisierung der galvanischen Zelle vorgesehen sind.
Schutzgehäuse nach Anspruch 9, wobei die Elemente zur Klimatisierung einen Abluftsammler, mit einem Anschlusselement zur Abführung der Abluft, an einer der Seitenwände umfassen.
Schutzgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Bereich der Deckelstruktur ein Steuergerät (25) zur elektrischen Überwachung und Steuerung der galvanischen Zelle vorgesehen ist, und wobei der Deckelquerträger in diesem Bereich einen Durchbruch (26) zur Zugänglichmachung des Steuergeräts aufweist.
Kraftfahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einem Schutzgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schutzgehäuse in einem Einbauraum zwischen zwei Längsträgern des Kraftfahrzeuges derart angeordnet ist, das ein jeweiliger Endbereich des Deckelquerträgers auf einem jeweiligen Längsträger liegend vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, wobei der jeweilige Endbereich des Deckelquerträgers im Aufliegebereich des jeweiligen Längsträgers mit diesem zweifach verschraubt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Einbauraum im Heckbereich des Kraftfahrzeuges vorgesehen ist, wobei die Oberkante des Deckelquerträgers in etwa im Bereich der Unterkante des Ladebodens zu liegen kommt.