DE102009053138A1

DE102009053138A1 - Energieabsorbiervorrichtung

Info

Publication number: DE102009053138A1
Application number: DE102009053138A
Authority: DE
Inventors: Holm Riepenhausen
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, vorzugsweise elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einer Tragstruktur (1) mindestens einer Batterie (2) zur Speicherung elektrischer Energie, wobei die Batterie (2) oder ein die Batterie (2) umgebender Batteriekasten (3) über mindestens ein Fixierelement (4, 5a, 5b) mit der Tragstruktur (1) verbunden und/oder über das Fixierelement (4) in oder an der Tragstruktur (1) in Position gehaltert ist, und in dem die Batterie (2) oder den Batteriekasten (3) unmittelbar umgebenden Bereich mindestens ein Energieabsorbierelement (5) vorgesehen ist, das zur Vernichtung der kinetischen Energie der Batterie und/oder des Fahrzeugs im Crashfall dient, sowie ein Verfahren zur Aufnahme kinetischer Energie in einem eingetretenen oder kurz bevorstehenden Crashfall eines Fahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, vorzugsweise elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einer Tragstruktur und mindestens einer Batterie zur Speicherung elektrischer Energie, wobei die Batterie oder ein die Batterie umgebender Batteriekasten über mindestens ein Fixierelement mit der Tragstruktur verbunden und/oder über das Fixierelement in oder an der Tragstruktur gehaltert ist.
Die DE 199 61 853 C1 offenbart einen Batteriekasten aus einem faserverstärkten Kunststoff zur Aufnahme einer Batterie. Durch die in dem Dokument beschriebene Ausbildung der Wanne wird die Batterie vollständig von sonstigen in der Wanne befindlichen Gegenständen, z. B. von einem Wagenheber oder Werkzeug, abgeschirmt und geschützt, sodass sie selbst bei einem Unfall des Fahrzeugs (Crash) nicht oder nur geringfügig zerstört werden kann. Die Wanne sowie die Wannenbefestigung ist dabei so ausgebildet, dass jede Kipp-, Dreh- oder sonstige Biegemomente, insbesondere bei einem Crash, auf die Fahrzeugbatterie unterbunden werden, sodass sie selbst bei einem Überschlag nicht aus der Wanne geschleudert werden kann.
Die Druckschrift DE 197 26 192 A1 beschreibt einen Gepäckraumboden eines Personenkraftwagens, in welchen eine aus Kunststoff bestehende Wanne eingesetzt ist. Innerhalb der Wanne befindet sich ein Gehäuse, das eine Batterie enthält. Bei einem starken Heckaufprall wird dieses Gehäuse mit der Batterie in Fallrichtung in die Wanne hineingeschoben, sodass sie auch bei einer starken Deformation des Heckbereichs nicht zerstört wird. Die Druckschrift offenbart daher eine verlagerbare Batterie bzw. einen verlagerbaren Batteriekasten, der unter der Kraftaufwirkung eines Fahrzeugcrash aus dem stark deformierten Front- oder Heckbereich weg verlagert werden kann.
Die Druckschrift DE 100 38 718 A1 offenbart eine Batteriehalterung in einem Kraftfahrzeug, deren Innenkontur zur Außenkontur der Batterie formkomplementär ausgebildet ist. Die Batterie ist dabei spielfrei in die Halterung einsetzbar, wobei die Außenkontur der Halterung zu den diese umgebenden Karosseriebauteilen des Kraftfahrzeugs ebenfalls formkomplementär ausgebildet ist, sodass die Halterung vollständig bewegungsfrei im Kraftfahrzeug gelagert ist.
Bei den beschriebenen Batterien handelt es sich zudem um Batterien zur Stromversorgung der elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugs. Die erfindungsgemäße Batterie dient primär zur elektrischen Energieversorgung eines elektrisch betreibbaren Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Aktuell liegt die Energiedichte der hierfür eingesetzten Batterien (z. B. Blei-, NiMH, Li-FePO₄- oder Li-Ionen-Akkumulatoren) noch weit unter einem Wert von 1 kWh pro Kilo Gewicht der Batterie, so dass eine entsprechen große Batteriemasse resultiert. Die Batterie dient dabei allein der Stromversorgung des Fahrzeugs und erfüllt trotz des hohen Gewichtes keine weiteren Zusatzfunktionen.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die Batterie oder der die Batterie umgebende Batteriekasten zum einen nur so innerhalb eines Fahrzeugs in Position gehalten wird, dass sich die Batterie aufgrund der bei einem Crash auftretenden Kräfte nicht verlagert und so vor Zerstörung weitgehend geschützt ist, oder zum anderen die Batterie so verlagerbar ist, dass diese lediglich gezielt aus dem Deformationsbereich des Fahrzeugs verbracht wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug anzugeben, in welchem die Batterie bzw. der Batteriekasten vor einer Beschädigung geschützt wird und gleichzeitig eine Verbesserung der Fahrzeug- bzw. Personensicherheit erfüllt ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in dem die Batterie oder den Batteriekasten unmittelbar umgebenden Bereich mindestens ein Energieabsorbierelement vorgesehen ist, das zur Vernichtung der kinetischen Energie der Batterie und/oder des Fahrzeugs im Crashfall dient. Bei dem Batteriekasten handelt es sich vorzugsweise um ein Batteriegehäuse. Die erfindungsgemäße Anordnung von Energieabsorbierelementen im Bereich der Batterie oder des Batteriekastens ermöglicht es, den Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs über das mindestens eine Energieabsorbierelement aufzunehmen, der auf die Masse der Batterie bzw. des Batteriekastens entfällt.
Für den Fall, dass das erfindungsgemäße Fahrzeug steht oder von einem anderen Objekt mit einer höheren Relativgeschwindigkeit getroffen wird, wirken die im Bereich der Batterie oder des Batteriekastens angeordneten Energieabsorbierelement vorteilhaft mit den an sich bekannten Crash-Management-Systemen des Fahrzeugs zusammen. Vorteilhaft kann der Bereich um die Batterie oder den Batteriekasten daher als weitere Deformationszone genutzt werden, sodass die an sich bekannten Crash-Management-Systeme erfindungsgemäß ergänzt werden bzw. geringer dimensioniert werden können.
Das Energieabsorbierelement ist vorzugsweise als eine Kombination eines Zerspanungselements mit einem zugehörigen Zerspanungsgegenelement, Crashabsorber, Crashbox, Crashelement, Energieverzehrelement, Faltenbildungselement, Beulelement, Anprallelement, Element mit einer zellularen Struktur, Element mit einer Wabenstruktur, Metallschaum, Kunststoffschaum, GFK-Element, CFK-Element, Aramidfaser-Element, Wickelrohr, Druckkolben, ein Energieabsorbierelement mit einer im Wesentlichen kontinuierlich oder gradiert ansteigenden Energieaufnahme, ein Energieabsorbierelement mit einer im Wesentlichen konstanten Energieaufnahme oder eine Kombination der vorgenannten Möglichkeiten ausgebildet. Insbesondere ein polymerer Energieabsorber wie er in der DE 202 20 575 U1 beschrieben ist eignet sich als Energieabsorbierelement. Entsprechend ist in diesem Zusammenhang explizit auch auf den Offenbarungsgehalt dieser Schrift verwiesen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das mindestens eine Fixierelement und das mindestens eine Energieabsorbierelement als eine integrale Einheit ausgebildet. Das Energieabsorbierelement kann so ausgebildet sein, dass es die Batterie oder den Batteriekasten in der Tragstruktur in Position hält oder eine Verbindung zwischen Tragstruktur und Batteriekasten oder Batterie herstellt. Dies kann beispielhaft durch einen Formschluss erreicht werden indem die Energieabsorbierelemente direkt an der Batterie oder dem Batteriekasten anliegen und so in Position halten. Vorteilhaft wird durch diese Funktionsintegrität Bauraum und Gewicht eingespart.
Vorzugsweise sind das Fixierelement und die Tragstruktur einstückig miteinander verbunden. Insbesondere kann das Fixierelement im Kunststoff-Spritzguss an ein eine Tragstruktur bildendes Kunststoffbauteil mit angespritzt sein. Im Sinne der Erfindung kann das Fixierelement auch durch eine umgeformte Metallstruktur gebildet sein, die einstückig mit einer metallischen Tragstruktur verbunden ist.
Das integrale Fixierelement kann auch als ein sogenanntes Hybridbauteil aus einem die Tragstruktur bildenden Metallbauteil, insbesondere einem Metallblech, und einem angespritzten Kunststoff-Fixierelement gebildet sein.
Das Fixierelement kann eine Sollbruchstelle aufweisen, wobei die Sollbruchstelle so ausgebildet ist, dass sie bei Überlast durch eine definierte Mindestkraft bricht. Dadurch ist die Batterie oder der Batteriekasten in zumindest einer Raumrichtung frei beweglich. Die Überlast kann insbesondere dann Überschritten sein, wenn der Wert einer kritischen Beschleunigung der Batterie noch nicht erreicht ist. Die Masse der Batterie oder des Batteriekastens bleibt der Trägheit folgend in Position wenn das Fahrzeug sich im Stand befindet oder die Geschwindigkeit des erfindungsgemäßen Fahrzeugs geringer ist als die Geschwindigkeit des auf das Fahrzeug aufprallenden Objekts. Durch das Lösen der Fixierelemente kann durch die Wechselwirkung von Batterie oder Batteriekasten mit dem mindestens einen Energieabsorbierelement in Folge dessen die kinetische Energie des Fahrzeugs bzw. der Batterie oder des Batteriekastens abgebaut werden. Vorteilhaft wird z. B. bei einem Auffahrunfall auf ein stehendes erfindungsgemäßes Fahrzeug das gesamte Fahrzeug in Richtung der einwirkenden Kraft in seiner örtlichen Position verlagert (bei einem Heckaufprall beispielhaft nach Vorne) – die Batterie oder der die Batterie umgebende Batteriekasten bleibt der Trägheit folgend jedoch zunächst in Position. Die einwirkende Kraft führt dann zunächst zu einem Versagen der Sollbruchstelle des Fixierelements, so dass die Batterie oder der Batteriekasten zumindest in eine Raumrichtung frei beweglich wird. Das erfindungsgemäß im umgebenden Bereich der Batterie oder des Batteriekastens vorgesehene oder positionierte Energieabsorbierelement nimmt in Folge durch z. B. Verformungsarbeit die Energie des sich verlagernden Fahrzeugs auf indem die Batterie oder der Batteriekasten das Energieabsorbierelement verformt.
Prallt ein sich in Bewegung befindliches erfindungsgemäßes Fahrzeug auf ein stehendes oder sich mit einer geringeren Geschwindigkeit als das Fahrzeug fortbewegendes Objekt behält die Batterie oder der Batteriekasten der Trägheit folgend seine Bewegungsrichtung bei. Durch das Lösen der Fixierelemente kann durch die Wechselwirkung von Batterie oder Batteriekasten mit dem mindestens einen Energieabsorbierelement in Folge dessen die kinetische Energie des Fahrzeugs bzw. der Batterie oder des Batteriekastens abgebaut werden.
Das Fixierelement kann zudem automatisch von der Tragstruktur lösbar sein und die Batterie oder der Batteriekasten dadurch in zumindest einer Raumrichtung frei beweglich werden. Vorzugsweise ist zum automatischen Lösen des Fixierelements mindestens eine Sensorvorrichtung vorgesehen. Die Sensorvorrichtung kann zur Sensierung einer Gefahrensituation und/oder zur Sensierung des Vorliegens eines Crashfalls ausgebildet sein. Das Fixierelement kann als elektromagnetisches Element ausgebildet sein. Denkbar ist auch das Fixierelement als pyrotechnisches Element auszubilden. Weiterhin kann das Fixierelement über eine mechanische und/oder pneumatische Vorrichtung gelöst bzw. freigegeben werden.
Die Sensorvorrichtung kann durch einen vorausschauenden Sensor, einen Beschleunigungssensor, einen Drucksensor, eine Kamera, einen Radarsensor, einen Aufprallsensor, einen faseroptischen Sensor, einen piezoelektrischen Sensor, einen Ultraschallsensor, einen Dehnratensensor, einen Umfeldsensor, eine Kombination der vorgenannten Sensorvorrichtungen oder durch jeden anderen aus dem Stand der Technik bekannten Sensor zur Aktivierung von z. B. Airbags, Gurtstraffern, Fußgängerschutz- oder vergleichbaren Schutzsystemen gebildet sein die ein bevorstehendes oder konkret eingetretenes Crashereignis detektieren. Weiterhin im Sinne der Erfindung kann das automatische Lösen des Fixierelements über ein Signal einer sog. Car-to-X (d. h. Car-to-Car bzw. Car-to-Infrastructure) Technologie erfolgen. Bezüglich der Funktion eines faseroptischen Sensors sei auf die Schrift EP 1 646 534 B1 verwiesen.
Vorteilhaft ist das Energieabsorbierelement und die Batterie oder der Batteriekasten zwischen 1 cm bis 50 cm, vorzugsweise zwischen 3 cm und 30 cm, weiter vorzugsweise zwischen 5 cm und 20 cm voneinander beabstandet. Die vorteilhafte Beabstandung sorgt im Crashfall des Fahrzeugs dafür, dass die Batterie oder der Batteriekasten in Richtung auf das Energieabsorbierelement zu beschleunigen kann und sich dabei vorteilhaft die zur Verfügung stehende absorbierbare kinetische Energie der Batterie oder des Batteriekastens erhöht.
Der Batteriekasten kann eine im Vergleich zum Energieabsorbierelement steife Struktur aufweisen. Die steife Struktur kann über die geometrische Ausbildung (Wanddicken, Versteifungsrippen, Sicken, etc.) und/oder über den gewählten Werkstoff des Batteriekastens erzielt werden.
Der die Batterie umgebende Batteriekasten wird im Crashfall im Vergleich zu dem Energieabsorbierelement nur wenig oder gar nicht deformiert und schützt so die Batterie vor einer Beschädigung.
Vorzugsweise ist der Batteriekasten aus einem faserverstärkten Werkstoff, weiter vorzugsweise einem glasfaser- und/oder kohlefaserverstärkten Werkstoff gebildet. Faserverstärkte Werkstoffe erreichen hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte und weisen dabei im Vergleich zu metallischen Werkstoffen ein geringeres Gewicht auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Energieabsorbierelement an der Batterie oder an dem Batteriekasten befestigt. Im Sinne der Erfindung kann das Energieabsorbierelement auch direkt mit der Batterie oder dem Batteriekasten verbunden sein. Die Verbindung kann dabei lösbar, oder unlösbar ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die Verbindung Kraft- und/oder Form- und/oder Stoffschlüssig ausgeführt. Ebenfalls im Sinne der Erfindung ist daher eine einstückige Ausbildung von Batterie oder Batteriekasten und dem Energieabsorbierelement.
In dem vorgenannten Fall ist das Energieabsorbierelement und eine Anprallstruktur des Fahrzeugs zwischen 1 cm bis 50 cm, vorzugsweise zwischen 3 cm und 30 cm, weiter vorzugsweise zwischen 5 cm und 20 cm voneinander beabstandet. Die Anprallstruktur des Fahrzeugs wird dabei beispielhaft durch ein Strukturbauteil des Fahrzeugs gebildet. Im Sinne der Erfindung kann jedoch auch jegliche andere Struktur des Fahrzeugs als eine Anprallstruktur angesehen werden.
Die Gesamtmasse der Batterie oder des Batteriekastens mit der darin befindlichen Batterie kann im Bereich von 100 kg bis 800 kg, vorzugsweise zwischen 200 kg und 600 kg, weiter vorzugsweise zwischen 300 kg und 500 kg liegen.
Vorzugsweise ist die Batterie bzw. die Batteriemasse im Bereich der Fahrzeugmitte, weiter vorzugsweise im Bereich des Unterbodens, weiter vorzugsweise im Bereich des Mitteltunnels des Fahrzeugs angeordnet. Gleiches gilt für einen die Batterie umgebenden Batteriekasten. Durch die zentrale Anordnung der Batterie bzw. der Batteriemasse in dem Fahrzeug wird neben eines optimierten Fahrzeugschwerpunkts vorteilhaftweise erreicht, dass die Batterie in alle Raumrichtungen, insbesondere in der horizontalen liegenden Ebene, gegen ein dort im Bereich der Batterie positioniertes Energieabsorbierelement prallen kann.
Vorteilhafterweise wird so in der Mitte bzw. im unteren Bereich kinetische Energie in den Energieabsorbierelementen abgebaut, so dass die Verformungswege der weiteren Sicherheits- und Crash-Management-Systeme (z. B. Stoßfängersysteme oder Seitenaufprallsysteme) verringert werden. Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist daher insbesondere in dem besonders kritischen Fall eines Seitenaufpralls einen wesentlich verbesserten Insassenschutz auf, da der beispielhaft an der B-Säule des Fahrzeugs zur Verfügung stehende Verformungsweg zur Energieaufnahme durch Verformung der Karosseriestruktur in nur geringem Maße beansprucht werden muss. Die Eindringtiefen eines anprallenden Objekts in die Fahrgastzelle hinein wird durch die beschriebene Erfindung quasi in das Innere des Fahrzeugs verlagert und daher in besonders vorteilhafter Weise verringert, sodass sich die Verletzungsgefahr für die Fahrzeuginsassen erheblich reduziert. Ein weiterer Gesichtspunkt ist weiterhin der verringerte Reparaturaufwand durch eine Reduzierung der Verformungswege und damit Verbunden der Verringerung der Gefahr einer kostenintensiven Beschädigung von Strukturteilen wie beispielsweise des Längsträgers oder des Querträgers. Insgesamt können die weiteren Stoßfängersysteme des Fahrzeugs geringer dimensioniert werden was weitere Vorteile hinsichtlich einer Gewichtseinsparung und eines ästhetischeren Erscheinungsbildes des Fahrzeugs bietet.
Die Erfindung beschreibt ferner ein Verfahren zur Aufnahme kinetischer Energie in einem eingetretenen oder kurz bevorstehenden Crashfall eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

– Lösen mindestens eines Fixierelements, welches eine Batterie oder einen die Batterie umgebenden Batteriekasten im normalen Fahrbetrieb in einer vorgegebenen Position in oder an dem Fahrzeug hält, wobei das Lösen des Fixierelements über das gezielte Versagen mindestens einer Sollbruchstelle des Fixierelements und/oder durch ein automatisches Lösen des Fixierelements und/oder durch das Überschreiten eines definierten Schwellenwertes der Fahrzeugbeschleunigung erfolgt,
– Abbau kinetischer Energie der Batterie (2) oder des Batteriekastens (3) durch eine Wechselwirkung mit einem, vorzugsweise im Bereich der Batterie (2) oder des Batteriekastens (3) angeordneten, Energieabsorbierelement (5) und/oder
– Abbau kinetischer Energie des Fahrzeugs durch eine Wechselwirkung mit einem, vorzugsweise im Bereich der Batterie (2) oder des Batteriekastens (3) angeordneten, Energieabsorbierelement (5).

Vorzugsweise erfolgt das automatische Lösen des Fixierelements dabei in Abhängigkeit zu einer Sensierung einer bevorstehenden Gefahrensituation oder durch Sensierung des eingetretenen Crashfalls.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs
2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs
3 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs bei einem Seitenaufprall
4 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs bei einem Auffahrunfall
5 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs bei einem Heckaufprall
6 eine Draufsicht auf die Unterseite eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem polymeren Energieabsorber
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. Das Fahrzeug ist als elektrisch betreibbares Fahrzeug ausgebildet und verfügt daher über mindestens einen das Fahrzeug antreibenden bzw. mitantreibenden Elektromotor (hier nicht näher dargestellt). Das Fahrzeug weist eine Tragstruktur 1 auf sowie mehrere Batterien 2 zur Speicherung elektrischer Energie.
Die Batterie 2 ist von einem die Batterie 2 umgebenden Batteriekasten 3, welcher das Batteriegehäuse bildet, über mindestens ein Fixierelement 4 mit der Tragstruktur 1 verbunden. Über das Fixierelement 4 wird die Batterie 2 bzw. der Batteriekasten 3 im Normalfahrbetrieb bzw. in allen typischen Betriebszuständen sicher in oder an der Tragstruktur gehaltert. Im die Batterie 2 bzw. den Batteriekasten 3 unmittelbar umgebenden Bereich sind mehrere Energieabsorbierelemente 5 vorgesehen, die zur Vernichtung der kinetischen Energie der Batterie 2 bzw. des Batteriekastens 3 und/oder des Fahrzeugs im Crashfall dient. Die Energieabsorbierelemente 5 sind hier beispielhaft durch einen Metallschaum aus einer Aluminiumlegierung gebildet. Die Energieabsorbierelemente 5 sind im Bereich vor, links, rechts und hinter der Batterie 2 bzw. dem Batteriekasten 3 angeordnet, so dass sich in der horizontalen Ebene in jede Raumrichtung mindestens ein Energieabsorbierelement 5 befindet. Im Front- bzw. Heckbereich des Fahrzeugs befinden sich aus dem Stand der Technik bereits bekannte Stoßfängersystem 6. Die Fixierelemente 4 und die Tragstruktur 1 sind einstückig miteinander verbunden, wobei das Fixierelement 4 eine Sollbruchstelle aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie bei Überlast durch eine definierte Mindestkraft bricht und dadurch die Batterie 2 oder der Batteriekasten 3 in zumindest einer Raumrichtung frei beweglich ist. Der Batteriekasten 3 weist eine im Vergleich zum Energieabsorbierelement 5 steife Struktur auf. Der Batteriekasten 3 besteht dabei aus einem Glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial. Das Energieabsorbierelement 5 und die Batterie 2 oder der Batteriekasten 3 sind etwa im Abstand X von 10 cm voneinander beabstandet. Die Gesamtmasse der Batterie 2 liegt bei einem Wert von 360 kg bis 440 kg. Die Batterie 2 bzw. die Batteriemasse ist im Bereich der Fahrzeugmitte 10 im Bereich des Unterbodens angeordnet. In einem eingetretenen oder kurz bevorstehenden Crashfall eines Fahrzeugs werden die Fixierelemente 4, welche die Batterien 2 bzw. den die Batterien 2 umgebenden Batteriekasten 3 im normalen Fahrbetrieb in einer vorgegebenen Position in oder an dem Fahrzeug halten, gelöst, wobei das Lösen der Fixierelemente 4 über das gezielte Versagen mindestens einer Sollbruchstelle der Fixierelemente 4 und durch das Überschreiten eines definierten Schwellenwertes der Fahrzeugbeschleunigung erfolgt. Der Abbau kinetischer Energie der Batterie 2 oder des Batteriekastens 3 erfolgt in Folge dessen durch eine Wechselwirkung mit dem Energieabsorbierelement 5 und durch den Abbau kinetischer Energie des Fahrzeugs durch eine Wechselwirkung mit dem Energieabsorbierelement 5.
Die 2 zeigt ebenfalls eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, bei welchem die Energieabsorbierelemente 5 an dem Batteriekasten 3 befestigt sind. Die Energieabsorbierelement 5 werden in diesem Ausführungsbeispiel durch eine CFK-Struktur gebildet, die an dem ebenfalls aus einem Kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildeten Batteriekasten 3 angebracht sind. Die hier nur schematisch angedeutete Anprallstruktur 7 des Fahrzeugs wird beispielhaft durch den Längs- bzw. Querträger des Fahrzeugs gebildet. Das Energieabsorbierelement und die Anprallstruktur 7 des Fahrzeugs sind in etwa 10 cm voneinander beabstandet. Das Fixierelement 4 und das Energieabsorbierelement 5 bilden eine integrale Einheit. Die Batterie 2 oder ein die Batterie 2 umgebender Batteriekasten 3 werden in typischen Betriebszuständen des Fahrzeugs direkt über das integrale Fixierelement 4, 5 mit der Tragstruktur 1 verbunden und/oder über das integrale Fixierelement 4, 5 in oder an der Tragstruktur 1 in Position gehaltert.
Die 3 zeigt eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs nach einem durch den Pfeil F angedeuteten Seitenaufprall eines Objekts auf das Fahrzeug. Die Fixierelemente 4 sind automatisch von der Tragstruktur lösbar und die Batterie 2 oder der Batteriekasten 3 dadurch in zumindest eine Raumrichtung frei beweglich. Die Fixierelemente 4' verbleiben dabei an dem Batteriekasten 3. Zum automatischen Lösen des Fixierelements ist eine Sensorvorrichtung 8, 9 vorgesehen. Eine Sensorvorrichtung 8 zur Sensierung einer Gefahrensituation und eine Sensorvorrichtung 9 zur Sensierung des Vorliegens eines Crashfalls. In einem eingetretenen oder kurz bevorstehenden Crashfall eines Fahrzeugs werden die Fixierelemente 4, welche die Batterien 2 bzw. den die Batterien 2 umgebenden Batteriekasten 3 im normalen Fahrbetrieb in einer vorgegebenen Position in oder an dem Fahrzeug halten, gelöst, wobei das Lösen der Fixierelemente 4 durch ein automatisches Lösen der Fixierelemente und durch das Überschreiten eines definierten Schwellenwertes der Fahrzeugbeschleunigung erfolgt. Der Abbau kinetischer Energie der Batterie 2 oder des Batteriekastens 3 erfolgt in Folge dessen durch eine Wechselwirkung mit dem Energieabsorbierelement 5 und durch den Abbau kinetischer Energie des Fahrzeugs durch eine Wechselwirkung mit dem Energieabsorbierelement 5. Das automatische Lösen der Fixierelemente 4 erfolgt dabei in Abhängigkeit zu einer Sensierung einer Gefahrensituation oder des eingetretenen Crashfalls.
Die 4 zeigt die schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. Das in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Fahrzeug ist auf ein langsam vorausfahrendes bzw. stehendes Hindernis bzw. anderes Fahrzeug aufgefahren. Eine hinter einem Stoßfängersystem 6 angeordnete Sensorvorrichtung 8, in diesem Fall eine Radarsensorvorrichtung 8, hat nach Sensierung der bevorstehenden Gefahrensituation die Fixierelemente 4 automatisch von der Tragstruktur gelöst, so dass die Batterie 2 bzw. der Batteriekasten 3 in eine Raumrichtung frei beweglich geworden ist. Aufgrund der Trägheit der Batteriemasse bzw. der Masse des Batteriekastens 3 bewegt sich dieser nach dem Aufprall mit annähernd konstanter bzw. gleichbleibender Geschwindigkeit in Richtung auf das vor ihm angeordnete Energieabsorbierelement 5 zu. Die kinetische Energie der Batteriemasse wird in dem Energieabsorbierelement 5 abgebaut. Da die Batteriemasse mit etwa 400 kg einen nicht unerheblichen Anteil an der Fahrzeuggesamtmasse bildet, wird dabei ein in gleichem Maße nicht unerheblicher Teil der kinetischen Energie des gesamten Fahrzeugs abgebaut. Insbesondere durch die Kombination der bekannten Stoßfängersysteme 6 mit der erfindungsgemäßen Anordnung von Energieabsorbierelementen 5 im den die Batterie 2 oder den Batteriekasten 3 umgebenden Bereich können die herkömmlichen Stoßfängersysteme 6 geringer dimensioniert werden bzw. ist durch die Kombination der beiden Systeme eine Erhöhung des Abbaus kinetischer Energie und damit eine Erhöhung der passiven Sicherheit des Fahrzeugs ermöglicht.
Das in 5 schematisch dargestellte Fahrzeug wurde von einem aus Richtung hinten links kommenden Fahrzeug im linken Heckbereich getroffen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Energieabsorbierelementen 5 im Bereich der Batterie 2 oder des Batteriekastens 3 wurde durch die Verformung der Energieabsorbierelemente 5 kinetische Energie des Fahrzeugs abgebaut. Der Trägheit folgend bleibt die Masse der Batterie 2 bzw. des Batteriekastens 3 zunächst ortsfest, während sich das gesamte Fahrzeug aufgrund des einwirkenden Kraftstoßes F verlagert. Die Fixierelemente 4 weisen eine Sollbruchstelle auf, die so ausgebildet ist, dass sie bei Überlast durch eine definierte Mindestkraft brechen und dadurch die Batterie 2 oder der Batteriekasten 3 in der Raumrichtung nach hinten links frei beweglich ist. Durch die während des Auffahrunfalls auftretende Beschleunigung wird diese Überlast erreicht und die definierte Mindestkraft überschritten. Die nun entgegen der Kraftrichtung des auffahrenden Fahrzeugs frei bewegliche Batterie 2 setzt ihre kinetische Energie in den Energieabsorbierelementen 5 um. Der Batteriekasten 3 ist aus einer im Vergleich zum Energieabsorbierelement 5 steifen Struktur gebildet.
In diesem Beispiel ist der Batteriekasten 3 daher aus einem faserverstärkten Werkstoff, vorzugsweise aus einem glasfaserverstärkten Werkstoff gebildet. Die Batterie 2 bzw. die Batteriemasse ist im Bereich der Fahrzeugmitte 10 angeordnet.
In der 6 zeigt eine schematische Darstellung der Unterseite eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. Die Batterien 2 (hier nicht dargestellt) befinden sich in einem die Batterien 2 umgebenden Batteriekasten 3. Der Batteriekasten 3 wird selbst in einer Kapselung 11 aufgenommen (in der Draufsicht ist ein die Kapselung schließender Deckel abgenommen) in welcher der Batteriekasten 3 bei einer definierten Überlast in Fahrtrichtung nach vorne oder nach hinten frei beweglich ist. Das Energieabsorbierelement 5 wird durch einen polymeren Energieabsorber 5a, 5b gebildet der ein spanabtragendes Zerspanungselement 5a, das im Bereich einer Ausnehmung der Kapselung 11 angeordnet ist, und ein Zerspanungsgegenelement 5b, das mit dem Batteriekasten 3 verbunden ist, aufweist. Bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise eines derartigen polymeren Energieabsorbers 5a, 5b sei auch auf die DE 202 20 575 U1 verwiesen. Das Zerspanungselement 5a ist dabei so ausgebildet, dass es in beiden möglichen Bewegungsrichtungen (Längsverschiebung nach hinten oder nach vorne) des Batteriekastens 3 spanend in das Zerspanungsgegenelement 5b eingreifen kann. Der dabei zur Verfügung stehende Spanungsweg ist dabei abhängig von dem Bauraum S zwischen Batteriekasten 3 und der inneren Wandung der Kapselung 11. Daher kann das Energieabsorbierelement 5 sowohl in einem Front- als auch in einem Heckcrash kinetische Energie in Zerspanungsarbeit umsetzen und dabei abbauen. Das Fixierelement 4 und das Energieabsorbierelement 5 bilden eine integrale Einheit. Dabei wird über die spanabtragenden Zerspanungselemente 5a des polymeren Energieabsorbierelementes 5a, 5b, welche das Zerspanungsgegenelement 5b kraftschlüssig umfassen, eine Verbindung zwischen der Kapselung 11 und dem Batteriekasten 3 realisiert. Die Kapselung 11 ist mit der Tragstruktur 1 verbunden, so dass schlussendlich der Batteriekasten 3 über das integral ausgebildete Fixier-Energieabsorbierelement 4, 5 ebenfalls mit der Tragstruktur 1 in Verbindung steht. In den normalen Betriebszuständen des Fahrzeugs wird der Batteriekasten 3 somit in seiner Position innerhalb oder an dem Fahrzeugs gehaltert, da eine permanent frei bewegliche Batterie 2 oder Batteriekasten 3 ansonsten bei jedem Anfahr- und Abbremsvorgang zu eine störenden Masseverlagerung und/oder Geräuschentwicklung führen würde. Die bei einem Auffahrunfall einwirkende Kraft F verzögert das Fahrzeug über einen kritischen Schwellenwert der Beschleunigung hinaus, so dass die Trägheit der Batteriemasse bzw. des Batteriekastens 3 das rohrförmig ausgebildete Zerspanungsgegenelement 5b durch das Zerspanungselement 5a schiebt.
Idealerweise wird der kritische Beschleunigungswert bis zum Abbau einer kritischen Energie aufrecht erhalten um so den erforderlichen Bauraum S für den Energieabbau möglichst klein zu halten. Durch die Zerspanung des Zerspanungsgegenelements 5b haben sich auf dessen Oberfläche Spanrillen 12 gebildet. Gestrichelt angedeutet ist zudem die Position 3' des Batteriekastens vor dem Unfallereignis dargestellt.
In einer nicht näher dargestellten weiteren Ausführungsform befinden sich die Zerspanungselemente 5a an der innenseitigen Wandung der Kapselung 11. Das Zerspanungsgegenelement 5b wird in diesem Fall durch den Batteriekasten 3 selbst gebildet der bei Überschreitung einer definierten Mindestkraft oder bei Überschreitung einer Grenzbeschleunigung (max. Beschleunigungsschwellenwert) die überschüssige kinetische Energie durch Zerspanung des Batteriekastens 3 oder teilen des Batteriekastens abbaut. Die Grenzbeschleunigung liegt dabei beispielhaft über einem Wert, der bei einer regulären Vollbremsung des Fahrzeugs erreicht wird. Die Grenzbeschleunigung wird dann überschritten, wenn es zu einem Unfall mit entsprechend erhöhten Beschleunigungswerten kommt. Alternativ können die Zerspanungsgegenelemente 5b auch an den Batteriekasten 3 angeformt oder mit diesem gefügt sein. Als Material für diese Zerspanungsgegenelemente 5b eignen sich insbesondere Polymermaterialien, wobei aber auch andere Werkstoffklassen (Keramiken, Metalle) denkbar sind.
Alternativ ist denkbar, den polymeren Energieabsorber (Zerspanungsgegenelement 5b und Zerspanungselement 5a) über ein Verlängerungselement oder ein Umlenkungselement mit der Batterie 2 oder dem Batteriekasten 3 zu verbinden. Beispielhaft kann so das Energieabsorbierelement 5 in einem Bauraum angeordnet werden, der nicht in dem die Batterie oder den Batteriekasten unmittelbarer umgebenden Bereich liegt.
Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere die Kombination von einzelnen Komponenten der Ausführungsformen zu einer neuen Ausführungsform und die Auswahl irgendeines der unter Anspruch 2 beschriebenen Energieabsorbierelemente ist in diesem Erfindungszusammenhang denkbar aber auch hier nicht beschränkend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19961853 C1 [0002]
DE 19726192 A1 [0003]
DE 10038718 A1 [0004]
DE 20220575 U1 [0010, 0044]
EP 1646534 B1 [0017]

Claims

Fahrzeug, vorzugsweise elektrisch betreibbares Fahrzeug mit – einer Tragstruktur (1) – mindestens einer Batterie (2) zur Speicherung elektrischer Energie, wobei – die Batterie (2) oder ein die Batterie (2) umgebender Batteriekasten (3) über mindestens ein Fixierelement (4, 5a, 5b) mit der Tragstruktur (1) verbunden und/oder über das Fixierelement (4) in oder an der Tragstruktur (1) in Position gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem die Batterie (2) oder den Batteriekasten (3) unmittelbar umgebenden Bereich mindestens ein Energieabsorbierelement (5) vorgesehen ist, das zur Vernichtung der kinetischen Energie der Batterie und/oder des Fahrzeugs im Crashfall dient.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorbierelement (5) als eine Kombination eines Zerspanungselements mit einem zugehörigen Zerspanungsgegenelement, Crashabsorber, Crashbox, Crashelement, Energieverzehrelement, Faltenbildungselement, Beulelement, Anprallelement, Element mit einer zellularen Struktur, Element mit einer Wabenstruktur, Metallschaum, Kunststoffschaum, GFK-Element, CFK-Element, Aramidfaser-Element, Wickelrohr, Druckkolben, ein Energieabsorbierelement mit einer im Wesentlichen kontinuierlich oder gradiert ansteigenden Energieaufnahme, ein Energieabsorbierelement mit einer im Wesentlichen konstanten Energieaufnahme oder eine Kombination der vorgenannten Möglichkeiten ausgebildet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement (4) und das Energieabsorbierelement (5) eine integrale Einheit bilden.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement (4) und die Tragstruktur (1) einstückig miteinander verbunden sind.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement (1) eine Sollbruchstelle aufweist, wobei die Sollbruchstelle so ausgebildet ist, dass sie bei Überlast durch eine definierte Mindestkraft bricht und dadurch die Batterie (2) oder der Batteriekasten (2) in zumindest einer Raumrichtung frei beweglich ist.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement (4) automatisch von der Tragstruktur (1) lösbar ist und dadurch die Batterie (2) oder der Batteriekasten (3) in zumindest einer Raumrichtung frei beweglich ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum automatischen Lösen des Fixierelements (4) mindestens eine Sensorvorrichtung (8, 9) vorgesehen ist.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorbierelement (5) und die Batterie (2) oder der Batteriekasten (3) zwischen 1 cm bis 50 cm, vorzugsweise zwischen 3 cm und 30 cm, weiter vorzugsweise zwischen 5 cm und 20 cm voneinander beabstandet sind.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriekasten (3) eine im Vergleich zum Energieabsorbierelement (5) steife Struktur aufweist.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriekasten (3) aus einem faserverstärkten Werkstoff, vorzugsweise einem glasfaser- und/oder kohlefaserverstärkten Werkstoff gebildet ist.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorbierelement (5) an der Batterie (2) oder an dem Batteriekasten (3) befestigt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorbierelement und eine Anprallstruktur (7) des Fahrzeugs zwischen 1 cm bis 50 cm, vorzugsweise zwischen 3 cm und 30 cm, weiter vorzugsweise zwischen 5 cm und 20 cm voneinander beabstandet sind.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmasse der Batterie (2) oder des Batteriekastens (3) im Bereich von 100 kg bis 800 kg, vorzugsweise zwischen 200 kg und 600 kg, weiter vorzugsweise zwischen 300 kg und 500 kg liegt.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (2) bzw. die Batteriemasse im Bereich der Fahrzeugmitte (10), weiter vorzugsweise im Bereich des Unterbodens, weiter vorzugsweise im Bereich des Mitteltunnels des Fahrzeugs angeordnet ist.
Verfahren zur Aufnahme kinetischer Energie in einem eingetretenen oder kurz bevorstehenden Crashfall eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Lösen mindestens eines Fixierelements (4), welches eine Batterie (2) oder einen die Batterie (2) umgebenden Batteriekasten (3) im normalen Fahrbetrieb in einer vorgegebenen Position in oder an dem Fahrzeug hält, wobei das Lösen des Fixierelements (4) über das gezielte Versagen mindestens einer Sollbruchstelle des Fixierelements (4) und/oder durch ein automatisches Lösen des Fixierelements (4) und/oder durch das Überschreiten eines definierten Schwellenwertes der Fahrzeugbeschleunigung erfolgt, – Abbau kinetischer Energie der Batterie (2) oder des Batteriekastens (3) durch eine Wechselwirkung mit einem Energieabsorbierelement (5) und/oder – Abbau kinetischer Energie des Fahrzeugs durch eine Wechselwirkung mit einem Energieabsorbierelement (5).