DE102010014183A1

DE102010014183A1 - Montagestruktur für ein Batteriemodul zur Montage in einer Fahrzeugkarosserie

Info

Publication number: DE102010014183A1
Application number: DE201010014183
Authority: DE
Inventors: Daniel Werum; Dennis Decker; Andreas Lehr; Marco Ikker; Alois Stauber; Jan Lohmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: DE102010014183B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Montagestruktur für ein Batteriemodul (1, 2) zur Montage in einer Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs, wobei das Batteriemodul (1, 2) wenigstens eine Kühlplatte (3, 4) mit einer Vielzahl von darauf angeordneten Einzelzellen und die Fahrzeugkarosserie wenigstens ein für das Fahrzeug strukturrelevantes Trägerelement (5, 6) aufweist; erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Kühlplatte (3, 4) des Batteriemoduls (1, 2) mit dem Trägerelement (5, 6) kraftschlüssig verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Montagestruktur für ein Batteriemodul zur Montage in einer Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs gemäß Oberbegriffs 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. Solche Traktionsbatterien bestehen in der Regel aus einem Akkublock aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, bspw. Lithium-Ionen-Zellen.
Solche Batteriezellen bzw. Einzelzellen müssen gekühlt werden und sind hierzu auf einer Kühlplatte angeordnet, wie bspw. aus der DE 10 2007 063 187 A1 bekannt ist, um die entstehende Verlustwärme abzuführen.
Ferner ist es bekannt, Traktionsbatterien als Stapel von Akkublöcken auszubilden, wobei innerhalb des Stapels die Akkublöcke durch Kühlplatten voneinander getrennt sind.
Im Hinblick auf die Fahrzeugsicherheit bei Unfällen (wie Frontalaufprall, Seitencrash) muss eine Traktionsbatterie so in das Fahrzeug integriert werden, dass sie weder für die Insassen noch für die Umgebung eine Gefährdung darstellt. Dies gilt insbesondere für solche 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. Um dies sicherzustellen, werden schwere und massive Batteriegehäuse eingesetzt, über die die Traktionsbatterie steif mit der Karosserie verbunden wird und dadurch vor durch einen Crash erzeugten Kräften geschützt ist.
Nachteilig hieran ist jedoch, dass ein massives Batteriegehäuse das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs erhöht, welches einen höheren Energiebedarf und schlechtere Fahrleistungen zur Folge hat.
Hinsichtlich des Gewichtsproblems schlägt die US 7 021 412 B2 eine Montagestruktur für ein eine Hochvoltbatterie aufnehmendes Gehäuse in einem Hybrid-Fahrzeug vor, mit dem Ziel, die Anzahl der hierfür erforderlichen Teile als auch das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Dies wird durch Verwendung von Strukturelementen der Fahrzeugkarosserie erzielt, indem über ein zweiteiliges Rahmenteil das Batteriegehäuse mit einem linken und rechten Längsträger verbunden wird und ferner ein Querträger zum Verbinden der beiden Rahmenteile vorgesehen ist. Mit einer solchen Montagestruktur wird das Batteriegehäuse an der Rückseite der Rückbank des Kraftfahrzeugs montiert.
Eine ähnliche Lösung schlägt auch die JP 2004243882 A vor, wonach unter Reduzierung der Teilezahl eine Montagestruktur für ein auf einem Bodenblech zu montierendes Batteriemodul vorgeschlagen wird. Bei dieser Lösung befindet sich das Batteriemodul auf einem Bodenblech der Fahrzeugkarosserie und wird von einer haubenförmigen Abdeckung geschützt, wobei diese Abdeckung in einen Querträger strukturell integriert ist. Hierzu wird diese Abdeckung mit einem rechten und linken Radkasten verbunden, wobei die Anbindungspunkte höher liegen als bei einem üblichen Querträger.
Ferner ist aus der JP 10 138 956 A 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.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Montagestruktur anzugeben, mit der nicht nur ein gegenüber dem Stand der Technik verringertes Gewicht erzielt wird, sondern gleichzeitig auch die Fahrzeugsteifigkeit verbessert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Montagestruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei einer solchen Montagestruktur ist erfindungsgemäß die wenigstens eine Kühlplatte des Batteriemoduls mit einem strukturrelevanten Trägerelement der Fahrzeugkarosserie kraftschlüssig verbunden.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass ein Batterieelement, nämlich die Kühlplatte des Batteriemoduls neben ihrer Batteriefunktionalität, hier Kühlung der Einzelzellen, auch eine für die Fahrzeugkarosserie strukturrelevante Funktion übernimmt, also durch Integration in die Karosseriestruktur einen Beitrag zu deren Steifigkeit leistet. Da in der Regel sehr massive Kühlplatten zur Kühlung der Einzelzellen eingesetzt werden, sind diese hervorragend geeignet, deren mechanischen Eigenschaften zur Strukturversteifung der Fahrzeugkarosserie zu verwenden.
Insbesondere bilden diese Kühlplatten im Falle eines Crashs einen Lastpfad, über den die auftretenden Kräfte aufgenommen bzw. in das strukturrelevante Trägerelement zum Schutz der Einzelzellen des Batteriemoduls eingeleitet werden können.
Damit ergibt sich ebenfalls eine Reduzierung der zur Montage eines Batteriemoduls erforderlichen Teile und infolgedessen eine Gewichtsreduktion, jedoch nicht wie im Stand der Technik dadurch, dass ein strukturrelevantes Trägerelement bzw. ein Strukturelement der Fahrzeugkarosserie eine Funktion eines Batterieelementes bzw. eine Montagefunktion übernimmt, sondern dass die mechanischen Eigenschaften eines Batterieelementes neben ihrer Batteriefunktion auch eine strukturrelevante Funktion der Fahrzeugkarosserie übernehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das strukturrelevante Trägerelement als Batterieträgerplatte ausgebildet und verbindet zwei Längsträger der Fahrzeugkarosserie miteinander, vorzugsweise zwei einen Fahrzeugtunnel tragenden Tunnellängsträger der Fahrzeugkarosserie, wobei dieser Fahrzeugtunnel das Batteriemodul aufnimmt. Ferner ist vorzugsweise der Tunnellängsträger mit einem Bodenblech des Kraftfahrzeugs verbunden. Damit werden die im Falle eines Crashs auftretenden Kräfte in die Batterieträgerplatte eingeleitet und durch die Anbindung an das Bodenblech der Fahrzeugkarosserie von derselben aufgenommen. Strukturempfindliche Batterieelemente, wie bspw. die Einzelzellen werden somit geschützt.
Das strukturrelevante Trägerelement kann auch als Querträger, insbesondere als Sitzquerträger ausgebildet sein, mit dem die Kühlplatte des Batteriemoduls kraftschlüssig verbunden ist.
Umfasst ein Batteriemodul wenigstens eine weitere Kühlplatte, so dass in zwei übereinander angeordneten Ebenen Einzelzellen gestapelt sind oder werden zwei Batteriemodule mit jeweils einer Kühlplatte übereinander angeordnet, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die weitere Kühlplatte mit einem in deren Ebene liegenden Querträger der Fahrzeugkarosserie, insbesondere einem Sitzquerträger kraftschlüssig verbunden.
Eine besonders vorteilhafte Anbindung des Batteriemoduls an den Querträger bzw. den Sitzquerträger der Fahrzeugkarosserie ergibt sich mit einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, wenn das Batteriemodul in einem Fahrzeugtunnel des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und vorzugsweise die Kühlplatte zusätzlich kraftschlüssig mit dem Fahrzeugtunnel verbunden ist.
Dies gilt insbesondere bei einem Batteriemodul mit mehreren Kühlplatten, bei der eine erste Kühlplatte mit dem Batterieträger kraftschlüssig verbunden ist und eine weitere Kühlplatte mit dem Sitzquerträger bzw. zusätzlich mit dem Fahrzeugtunnel. Auch können zwei übereinander angeordnete jeweils eine Kühlplatte aufweisende Batteriemodule von dem Fahrzeugtunnel aufgenommen werden, wobei die Kühlplatte des zweiten Batteriemoduls mit dem Sitzquerträger bzw. zusätzlich mit dem Fahrzeugtunnel verbunden ist. Damit werden die im Falle eines Crashs auftretenden Kräfte nicht nur über die Kühlplatte in die mit derselben verbundenen Batterieträgerplatte eingeleitet, sondern zusätzlich auch in den Querträger und den Fahrzeugtunnel, die mit der weiteren Kühlplatte bzw. mit der Kühlplatte des zweiten Batteriemoduls verbunden sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung in Querrichtung eines Fahrzeugtunnels zur Darstellung eines Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Montagestruktur, und
2 eine schematische Schnittdarstellung in Längsrichtung der erfindungsgemäßen Montagestruktur gemäß 1.
Nach 1 sind in einem Fahrzeugtunnel 9 ein erstes Batteriemodul 1 mit einer Kühlplatte 3 und ein darüber angeordnetes weiteres Batteriemodul 2 mit einer weiteren Kühlplatte 4 integriert.
Eine Batterieträgerplatte 5 spannt sich zwischen einem rechten und einem linken Tunnellängsträger 7 bzw. 8 auf, wobei die Tunnellängsträger 7 und 8 jeweils in ein Bodenblech 10 übergehen. Ferner tragen die beiden Tunnellängsträger ein haubenförmige Tunnelblech 9a, das den Fahrzeugtunnel 9 bildet.
Das Batteriemodul 1 ist mittels seiner Kühlplatte 3 mit der Batterieträgerplatte 5 kraftschlüssig verbunden und entspricht dabei in seiner Querrichtung dem Abstand der beiden Tunnellängsträger 7 und 8.
Die über dem Batteriemodul 1 angeordnete Kühlplatte 4 des weiteren Batteriemoduls 2 ist randseitig jeweils mit dem Tunnelblech 9a des Fahrzeugtunnels 9 und einem Sitzquerträger 6 kraftschlüssig verbunden.
In der Längsschnittdarstellung gemäß 2 ist zusätzlich zu erkennen, dass der Fahrzeugtunnel 9 stirnseitig jeweils mit einem Stirnblech 9b und 9c abgeschlossen wird. Ferner ist schematisch ein Getriebe- oder Motorblock 11 in 2 in einer Crash-Situation dargestellt, in der dieser auf das Stirnblech 9b des Fahrzeugtunnels 9 unter einer Krafteinleitung K geschoben wurde.
Mit den Pfeilen F in den 1 und 2 sind die aufgrund der Krafteinleitung entstehenden Lastpfade dargestellt. Hieran ist zu erkennen, dass sich diese Lastpfade so aufgebaut haben, dass die Kräfte über die Kühlplatte 3 in die Batterieträgerplatte 5 und über die Kühlplatte 4 in den Sitzquerträger 6 eingeleitet werden. Auch die in die Batteriezellen eingeleiteten Kräfte werden über das Tunnelblech 9a in die Tunnelquerträger 7 und 8 bzw. in den Sitzquerträger 6 abgeleitet.
Damit stellen sowohl die Kühlplatte 3 des Batteriemodules 1 als auch die Kühlplatte 4 des weiteren Batteriemoduls 2 ein Strukturteil der Fahrzeugkarosserie dar, wodurch diese Kühlplatten 3 und 4 einen Beitrag zur Steifigkeit der Fahrzeugkarosserie leisten.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind die beiden Batteriemodule 1 und 2 mit Abstand übereinander angeordnet. Ebenso kann ein Batteriemodul mit mehreren übereinander gestapelten aus Einzelzellen bestehenden Akkublöcken in den Fahrzeugtunnel 9 eingesetzt werden, so dass die Akkublöcke lediglich durch Kühlplatten getrennt werden.
Diese Akkublöcke werden in der Regel zusammen mit einem Gehäuse auf den Kühlplatten befestigt, jedoch können diese Gehäuse mit der erfindungsgemäßen Montagestruktur mit weniger Steifigkeit, also leichter ausgebildet werden, da die einwirkenden Kräfte nicht in die Einzelzellen eingeleitet werden. Falls das Tunnelblech 9a mit entsprechender Steifigkeit ausgebildet wird, kann dieses auch die Funktion eines Gehäuses der Batteriemodule 1 und 2 übernehmen, so dass auf ein separates Gehäuse für diese Batteriemodule 1 und 2 verzichtet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodul
2: Batteriemodul
3: Kühlplatte des Batteriemoduls 1
4: Kühlplatte des Batteriemoduls 2
5: Trägerelement, Batterieträgerplatte
6: Trägerelement, Querträger, Sitzquerträger
7: Längsträger, rechter Tunnellängsträger
8: Längsträger, linker Tunnellängsträger
9: Fahrzeugtunnel
9a: Tunnelblech
9b: Stirnblech des Fahrzeugtunnels 9
9c: Stirnblech des Fahrzeugtunnels 9
10: Bodenblech
11: Getriebe- oder Motorblock
F: Lastpfade
K: Krafteinleitung

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 102007063187 A1 [0003]
US 7021412 B2 [0007]
JP 2004243882 A [0008]
JP 10138956 A [0009]

Claims

Montagestruktur für ein Batteriemodul (1, 2) zur Montage in einer Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs, wobei das Batteriemodul (1, 2) wenigstens eine Kühlplatte (3, 4) mit einer Vielzahl von darauf angeordneten Einzelzellen und die Fahrzeugkarosserie wenigstens ein für das Fahrzeug strukturrelevantes Trägerelement (5, 6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kühlplatte (3, 4) des Batteriemoduls (1, 2) mit dem Trägerelement (5, 6) kraftschlüssig verbunden ist.
Montagestruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (5, 6) als Batterieträgerplatte ausgebildet ist und zwei Längsträger (7, 8) der Fahrzeugkarosserie miteinander verbindet.
Montagestruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsträger (7, 8) als Tunnellängsträger ausgebildet sind und einen Fahrzeugtunnel (9, 9a, 9b, 9c) der Kraftfahrzeugs tragen, der das Batteriemodul (1, 2) aufnimmt.
Montagestruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnellängsträger (7, 8) mit einem Bodenblech (10) des Kraftfahrzeugs verbunden sind.
Montagestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (3) oder eine weitere Kühlplatte (4) des Batteriemoduls (1, 2) mit einem Querträger (6) als Trägerelement der Fahrzeugkarosserie kraftschlüssig verbunden ist.
Montagestruktur nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Querträger (6) als Sitzquerträger der Fahrzeugkarosserie ausgebildet ist.
Montagestruktur nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1, 2) mit der mit dem Querträger (6) bzw. Sitzquerträger kraftschlüssig verbundenen Kühlplatte (4) in dem Fahrzeugtunnel (9, 9a, 9b, 9c) des Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Montagestruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (4) zusätzlich mit dem Fahrzeugtunnel (9, 9a, 9b, 9c) kraftschlüssig verbunden ist.