DE102010011890A1

DE102010011890A1 - Trägerstruktur zur Befestigung eines Energiespeichermoduls, inbesondere eines Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010011890A1
Application number: DE102010011890A
Authority: DE
Inventors: Dennis Decker; Andreas Lehr
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-22
Also published as: EP2371599B1; EP2371599A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur zur Befestigung eines Energiespeichermoduls (1), insbesondere ein Batteriemodul in einem Kraftfahrzeug, bei dem das Energiespeichermodul (1) auf einer Trägerplatte (2) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass – die Trägerplatte (2) zwischen zwei Längsträgern (3) über randseitige erste Montagepunkte (4a, 4b) mit der Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs verbunden ist, – das Energiespeichermodul (1) über in Längsrichtung verlaufende zweite Montagepunkte (5a, 5b) mit der Trägerplatte (2) verbunden ist, – die ersten und zweiten Montagepunkte (4a, 4b, 5a, 5b) in Querrichtung (y-Richtung) fluchtend angeordnet sind, – wenigstens ein Querversteifungselement (6) vorgesehen ist, das quer fluchtende erste Montagepunkte (4a, 4b) miteinander verbindet, und – wenigstens ein Verbindungsmittel (7) vorgesehen ist, mit dem das Energiespeichermodul (1) mit der Trägerplatte (2) in den zweiten Montagepunkten (5a, 5b) unter Bildung eines Kraftschlusses mit dem Querversteifungselement (6) verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur zur Befestigung eines Energiespeichermoduls, insbesondere eines Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Automobilindustrie geht der Trend zunehmend zu Hybrid- und Elektrofahrzeugen, die neben den üblichen Starterbatterien sogenannte Traktionsbatterien mit sich führen, mit denen Elektromotoren als Fahrmotoren elektrisch mit Energie versorgt werden.
Im Hinblick auf die Fahrzeugsicherheit bei Unfällen (wie Frontalaufprall, Seitencrash) muss die Batterie so in das Fahrzeug integriert werden, dass die Batterie weder für die Insassen noch für die Umgebung eine Gefährdung darstellt. Dies gilt insbesondere für die Traktionsbatterien, die mit größerem Energieinhalt auch einen größeren Raumbedarf erfordern und aufgrund des höheren Gewichts solcher Batterien zudem erhöhte Anforderungen an das Batteriegehäuse, insbesondere hinsichtlich der Crashsicherheit gestellt werden.
Als Traktionsbatterien kommen unterschiedliche Technologien in Anwendung. Neben den üblichen Bleiakkumulatoren werden zunehmend auch Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Hierbei werden immer mehrere Zellen zu einem Verbund zusammengefasst und im Folgenden werden daher solche Zellenverbunde als Batteriemodule bezeichnet.
Aus dem Stand der Technik gemäß der JP 10138956 A ist eine Karosseriebodenstruktur für ein Elektrofahrzeug bekannt, bei dem ein Bodenblech zusammen mit einem U-förmigen Tunnelteil einstückig ausgeformt ist und dieses Bodenteil jeweils am äußeren Rand an einen Längsträger angebunden ist. Unterhalb dieses Bodenteils befindet sich eine Batterietrageplatte, auf der Batteriemodule angeordnet sind, die gegenüber dem Tunnelteil mit einer weiteren Montageplatte abgedeckt sind, so dass darauf ein weiteres Batteriemodul so montiert werden kann, dass es von dem Tunnelteil umschlossen wird.
Ferner ist aus der DE 102 61 630 A1 ein Batterie-Trägermodul bekannt, bei welchem Batteriemodule von einer einschaligen Wanne aufgenommen werden, die gleichzeitig als Bodenverkleidung dient. Diese Wanne wird von einem Trägerverbund aufgenommen, der als Versteifung und im Falle einer Kollision als Mittel zur Übertragung von Kollisionskräften dient. Dieser Trägerverbund besteht aus zwei Längsträgern sowie diese verbindende Querträger.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Trägerstruktur zur Integration eines Batteriemoduls in ein Fahrzeug anzugeben, mit der eine optimale Einleitung von Reaktionskräften des Batteriemoduls, insbesondere im Fall einer Kollision erzielt wird, jedoch nicht zu einer wesentlichen Erhöhung der Montagekosten und des Fahrzeuggewichts führt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Trägerstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei einer solchen Trägerstruktur zur Befestigung eines Energiespeichermoduls, insbesondere eines Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug, bei dem das Energiespeichermodul auf einer Trägerplatte angeordnet ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass

– die Trägerplatte zwischen zwei Längsträgern über randseitige erste Montagepunkte mit der Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs verbunden ist,
– das Energiespeichermodul über in Längsrichtung verlaufende zweite Montagepunkte mit der Trägerplatte verbunden ist,
– die ersten und zweiten Montagepunkte in Querrichtung fluchtend angeordnet sind,
– wenigstens ein Querversteifungselement vorgesehen ist, das quer fluchtende erste Montagepunkte miteinander verbindet, und
– wenigstens ein Verbindungsmittel vorgesehen ist, mit dem das Energiespeichermodul mit der Trägerplatte in den zweiten Montagepunkten unter Bildung eines Kraftschlusses mit dem Querversteifungselement verbunden wird.

Die erfindungsgemäße Trägerstruktur zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die ersten als auch die zweiten Montagepunkte in Querrichtung des Fahrzeugs fluchten, so dass die Reaktionskräfte des Batteriemoduls über dessen zweiten Montagepunkte in das Querversteifungselement eingeleitet und von dort über die steife Anbindung an die Längsträger von der Karosserie aufgenommen werden. Damit werden im Fahrbetrieb in allen Fahrsituationen die Reaktionskräfte des Energiespeichermoduls von der Trägerplatte mit nur geringer elastischer Verformung in die Fahrzeugkarosserie weitergeleitet.
Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung besonders dadurch aus, dass die zweiten Montagepunkte neben der Verbindungfunktion auch die Funktion der Krafteinleitung der Reaktionskräfte des Energiespeichermoduls in das Querversteifungselement übernehmen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Querversteifungselement trägerplattenseitig mit einem halboffenen, insbesondere U-förmigen Profil ausgebildet, wobei das Verbindungsmittel zur Verbindung des Energiespeichermoduls mit der Trägerplatte einen Kopf aufweist, dessen Kopfform an das Innenprofil des Querversteifungselements für eine im Wesentlichen flächenbündige Verbindung zwischen dem Kopf und dem Querversteifungselement angepasst ist.
Die Ausbildung als halboffenes Hohlprofil führt einerseits zu einer hohen Biegebelastung des Querversteifungselementes und andererseits zusammen mit der Trägerplatte zu einem geschlossenen Profil, so dass der dadurch entstehende Hohlraum von dem Kopf des für die Montage des Batteriemoduls auf der Trägerplatte vorgesehenen Verbindungsmittels flächenbündig ausgefüllt und dadurch gleichzeitig die kraftschlüssige Verbindung zu dem Querversteifungselement sichergestellt wird. Vorzugsweise ergibt sich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kopf des Verbindungsmittels und dem Querversteifungselement, wenn der Kopf mit dem Querversteifungselement verklebt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, als Verbindungsmittel für die Verbindung des Energiespeichermoduls mit der Trägerplatte eine Gewindebuchse mit einem Innengewinde, insbesondere mit einem Gewindeeinsatz und einem Kopf zu verwenden. Mit dem Außengewinde kann die Gewindebuchse in die Trägerplatte eingeschraubt werden, wobei eine Gewindeeinsatz für eine Schraubverbindung mit dem Energiespeichermodul im Falle einer Reparatur aus der Gewindebuchse geschraubt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Längsträger über einen Mitteltunnel des Kraftfahrzeug zu Aufnahme des Energiespeichermoduls verbunden. Damit wird der Mitteltunnel des Kraftfahrzeug von der Trägerplatte geschlossen, wodurch sich die Torsionssteifigkeit des Tunnels wesentlich erhöht.
Ein gegenüber der Umwelt dichter, insbesondere wasserdichter Batterieraum wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in einfacher und kostengünstiger Weise dadurch erreicht, dass zwischen dem Längsträger und der Trägerplatte ein Dichtmittel angeordnet ist.
Die gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Verwendung des Werkstoffes CFK sowohl für die Trägerplatte als auch das Querversteifungselement bietet die Möglichkeit, durch einen gezielten Lagenaufbau und gezielt gerichtete Fasern die Bauteileigenschaften auf die jeweilige Belastung optimal auszulegen.
So wird die Trägerplatte aus einem CFK-Werkstoff mit bidirektionalen CFK-Fasern hergestellt, wobei die Fasern in +450/–450-Richtung hinsichtlich der Längsrichtung verlaufen. Dagegen wird das Querversteifungselement aus einem CFK-Werkstoff mit unidirektional ausgebildeten CFK-Fasern hergestellt.
Schließlich wird bei einer letzten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Querversteifungselement zur Bildung eines geschlossenen Profils über Flanschflächen mit der Trägerplatte, vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung verbunden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematische Schnittdarstellung in Querrichtung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur im Bereich eines Batteriemodule aufnehmenden Mitteltunnels des Kraftfahrzeugs,
2 eine Draufsicht auf eine Trägerplatte der erfindungsgemäßen Trägerstruktur gemäß 1,
3 eine Sicht von unten auf eine Trägerplatte der erfindungsgemäßen Trägerstruktur gemäß 1, und
4 eine schematische Schnittdarstellung in Längsrichtung der erfindungsgemäßen Trägerstruktur gemäß 1.
Die Querschnittsebene der Darstellung nach 1 liegt in der z-y-Richtung und liegt im Bereich eines ein Batteriemodul 1 aufnehmenden Mitteltunnels 10 eines Kraftfahrzeugs.
Der Mitteltunnel 10 geht beidseitig des Batteriemoduls 1 jeweils in einen Längsträger 3 über, wobei die beiden Längsträger 3 über eine das Batteriemodul 1 tragende Trägerplatte 2 in ersten Montagepunkten 4a bzw. 4b verbunden werden. In diesen Montagepunkten 4a und 4b wird mittels Schraubverbindungsmittel 12, bspw. bestehend aus einer Schraube mit Mutter die Trägerplatte 2 mit den Längsträgern 3 kraftschlüssig verschraubt.
Wie aus der Draufsicht gemäß 2 ersichtlich ist, sind die Montagepunkte 4a bzw. 4b auf den gegenüberliegenden Längsseiten der Trägerplatte 2 randseitig in äquidistanten Abständen angeordnet. Zusätzlich sind auf der Stirnseite der Trägerplatte 2 jeweils weitere Montagepunkte 4c angeordnet, die mit Stirnseiten des Mitteltunnels 10 zur Bildung eines abgeschlossenen Batterieraumes verbunden werden, bspw. ebenfalls mit Schraubverbindungsmittel. In dieser Draufsicht sind auch die in den Montagepunkten 4a, 4b, 5a und 5b eingesetzten Verbindungsmittel dargestellt, also in den Montagepunkten 4a und 4b die Schraubverbindungsmittel 12 (nur die Schraube) und in den Montagepunkten 5a und 5b die im Folgenden erläuterten Gewindebuchsen 7.
Gemäß 1 ist das Batteriemodul 1 über zweite Montagepunkte 5a und 5b mittels Gewindebuchsen als Verbindungsmittel 7 mit der Trägerplatte 2 verbunden. Wie in 2 dargestellt, sind die ersten und zweiten Montagepunkte 4a, 4b, 5a und 5b in Querrichtung (y-Richtung) in einer Linie fluchtend angeordnet. Auf dieser Linie verbindet ein Querversteifungselement 6 die beiden ersten Montagepunkte 4a und 4b mit den Längsträgern 3. Die Schraubverbindungsmittel 12 verbinden daher gleichzeitig die Trägerplatte 2 als auch das Querversteifungselement 6 mit den Längsträgern 3.
In der Schnittdarstellung der x-z-Ebene gemäß 4 weist das Querversteifungselement 6 ein U-förmiges Profil auf, das über Flanschflächen 6a mit der Unterseite der Trägerplatte 2 verbunden ist, bspw. mittels einer Klebeverbindung.
Die Gewindebuchse 7 ist mit einem Gewindeeinsatz 7c zur Verschraubung mit einer Verbindungsschraube 8, einem Kopf 7a sowie einem Außengewinde 7b ausgebildet, wobei über das Außengewinde 7b die Gewindebuchse 7 derart von unten durch die Trägerplatte 2 eingeschraubt wird, dass der Kopf 7b dieser Gewindebuchse 7 auf der Unterseite der Trägerplatte aufliegt. Der Gewindeeinsatz lässt sich im Falle einer Reparatur aus der Gewindebuchse 7 entfernen. Der Kopf 7a der Gewindebuchse 7 ist so geformt, dass er – wie aus 4 ersichtlich – an die Innenform des U-förmigen Profils des Querversteifungselementes 6 angepasst ist und dadurch kraftschlüssig auf der Innenfläche des Querversteifungselementes 6 aufliegt. Der Kraftschluss wird noch verbessert, wenn mittels einer Klebeverbindung 9 ein Formschluss zwischen dem Kopf 7a und dem Querversteifungselement 6 hergestellt wird, da dies durch die großen Klebeflächen eine sehr steife Einbettung in die Trägerplatte 2 bewirkt und insbesondere durch Formschluss mit den die U-Form bildenden Querprofilseitenwänden eine zusätzliche Verdrehsicherung darstellt.
Aufgrund des Kraftschlusses der Gewindebuchsen 7 mit dem Querversteifungselement 6 werden die mit Kraftpfeilen K in 1 dargestellten Reaktionskräfte, ausgehend von einem Schwerpunkt S des Batteriemoduls 1 über die zweiten Montagepunkte 5a und 5b in den Querversteifungsträger 6 eingeleitet, der diese an den ersten Montagepunkte 4a und 4b über die feste Schraubverbindung 12 in die Längsträger 3 und damit in die Fahrzeugkarosserie ableiten.
Die Anzahl der verwendeten Querversteifungselemente 6 bestimmt sich nach der Anzahl der längsseitig vorgesehenen zweiten Montagpunkte 5a bzw. 5b. Da diese Querversteifungselemente 6 die Reaktionskräfte des Batteriemoduls 1 aufnehmen, werden sie hauptsächlich auf Biegung beansprucht, wogegen die Trägerplatte 2 hauptsächlich durch Schubkräfte beansprucht wird.
Zur Optimierung der Trägerplatte 2 und des Querversteifungselementes 6 hinsichtlich deren Beanspruchung wird zu deren Herstellung als Werkstoff CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) verwendet, der die Möglichkeit bietet, durch gezielten Lagenaufbau und gezielt gerichtete Fasern die Bauteileigenschaften auf eine bestimmte Belastung optimal auszulegen. So besteht die Trägerplatte 2 hauptsächlich aus bidirektionalen CFK-Fasern in +45°/–45°-Ausrichtung bezüglich der Längsrichtung (x-Richtung). Die Querversteifungselemente 6 werden aus unidirektionalen Fasern in 0°-Ausrichtung hergestellt. Damit ist auch eine einfache Verklebung des Querversteifungselementes 6 mit der Trägerplatte 2 realisierbar.
Der Batterieinnenraum, also der von der Trägerplatte 2 und dem Tunnel 10 gebildete Raum wird wasserdicht gegenüber dem Fahrzeugaußenraum dadurch abgedichtet, dass zwischen der Trägerplatte 2 und den Längsträgern 3 eine auf der Trägerplatte 2 umlaufende Dichtung 11, bspw. ausgeführt als Schaumdichtung vorgesehen ist (vgl. 1 und 2). Zusammen mit der Verklebung des Kopfes 7a der Gewindebuchse 7 in dem Hohlprofil des Querversteifungselementes 6 ergibt sich eine vollständige Abdichtung des Batterieraums. Ein solcher mit der Trägerplatte 2 verschlossener Mitteltunnel 10 weist eine höhere Torsionssteifigkeit gegenüber üblichen Tunnelkonstruktionen auf.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeichermodul
2: Trägerplatte
3: Längsträger
4a: erste Montagepunkte
4b: erste Montagepunkte
4c: weitere Montagepunkte
5a: zweite Montagepunkte
5b: zweite Montagepunkte
6: Querversteifungselement
7: Verbindungsmittel, Gewindebuchse 7
7a: Kopf des Verbindungsmittels
7b: Außengewinde der Gewindebuchse 7
7c: Innengewinde in der Gewindebuchse 7
8: Verbindungsschraube
9: Klebeverbindung
10: Mitteltunnel
11: Dichtmittel
12: Schraubverbindungsmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 10138956 A [0005]
DE 10261630 A1 [0006]

Claims

Trägerstruktur zur Befestigung eines Energiespeichermoduls (1), insbesondere ein Batteriemodul in einem Kraftfahrzeug, bei dem das Energiespeichermodul (1) auf einer Trägerplatte (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Trägerplatte (2) zwischen zwei Längsträgern (3) über randseitige erste Montagepunkte (4a, 4b) mit der Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs verbunden ist, – das Energiespeichermodul (1) über in Längsrichtung verlaufende zweite Montagepunkte (5a, 5b) mit der Trägerplatte (2) verbunden ist, – die ersten und zweiten Montagepunkte (4a, 4b, 5a, 5b) in Querrichtung (y-Richtung) fluchtend angeordnet sind, – wenigstens ein Querversteifungselement (6) vorgesehen ist, das quer fluchtende erste Montagepunkte (4a, 4b) miteinander verbindet, und – wenigstens ein Verbindungsmittel (7) vorgesehen ist, mit dem das Energiespeichermodul (1) mit der Trägerplatte (2) in den zweiten Montagepunkten (5a, 5b) unter Bildung eines Kraftschlusses mit dem Querversteifungselement (6) verbunden wird.
Trägerstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Querversteifungselement (6) mit einem trägerplattenseitigen, halboffenen, insbesondere U-förmigen Profil ausgebildet ist, und – das Verbindungsmittel (7) einen Kopf (7a) aufweist, dessen Kopfform an das Innenprofil des Querversteifungselements (6) für eine im Wesentlichen flächenbündige Verbindung zwischen dem Kopf (7a) und dem Querversteifungselement (6) angepasst ist.
Trägerstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (7a) des Verbindungsmittels (7) mit dem Querversteifungselement (6) formschlüssig, vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung (9) verbunden wird.
Trägerstruktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (7) als Gewindebuchse mit Innengewinde (7c), insbesondere einem Gewindeeinsatz und Kopf (7a) ausgebildet ist.
Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (7) ein Außengewinde (7b) aufweist.
Trägerstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Längsträger (3) über einen Mitteltunnel (10) des Kraftfahrzeug zu Aufnahme des Energiespeichermoduls (1) verbunden sind.
Trägerstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Längsträger (3) und der Trägerplatte (2) ein Dichtmittel (11) angeordnet ist.
Trägerstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (2) aus einem CFK-Werkstoff mit bidirektionalen CFK-Fasern ausgebildet ist, die in +45°/–45°-Richtung hinsichtlich der Längsrichtung (x-Richtung) verlaufen.
Trägerstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Querversteifungselement (6) aus einem CFK-Werkstoff mit unidirektional ausgebildeten CFK-Fasern ausgebildet ist.
Trägerstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Querversteifungselement (6) zur Bildung eines geschlossenen Profils über Flanschflächen (6a) mit der Trägerplatte (2), vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung verbunden wird.