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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Batterie und einer Fahrzeug-Tragstruktur.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Fahrzeuge bekannt, welche zumindest teilweise elektrisch angetrieben werden. Diese Fahrzeuge benötigen Batterien, welche auch als Traktionsbatterien bezeichnet werden, die elektrische Leistung für den Vortrieb des Fahrzeugs speichern. Diese Batterien müssen im Fahrzeug sicher, stabil und möglichst platzsparend untergebracht werden, um beispielsweise den Laderaum in dem Fahrzeug nicht oder nur unwesentlich zu schmälern.
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Aus der
US 2010/0213741 A1 ist es daher bekannt, elektrochemische Komponenten, in diesem Fall Brennstoffzellen, im Mitteltunnel des Fahrzeugs, also im Bereich der Tragstruktur des Fahrzeugs, anzuordnen. Um die elektrochemischen Einheiten im Crashfall nicht unnötig zu belasten, weist der Mitteltunnel entsprechende Aussteifungen auf, welche zwischen den elektrochemischen Einheiten angeordnet sind und dafür sorgen, dass Kräfte im Falle eines Crashs nicht über die elektrochemischen Bauelemente geleitet werden. Dadurch wird die Sicherheit erhöht und die Gefahr einer eventuellen Beschädigung der elektrochemischen Baueinheiten wird verringert.
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Aus der
FR 2 942 764 A1 ist es ferner bekannt, Energiespeichereinrichtungen, beispielsweise auch Batterien, in Bereichen der Tragstruktur eines Fahrzeugs anzuordnen, in denen Freiräume verbleiben. Damit lassen sich platzsparend die entsprechenden Einrichtungen zur Energiespeicherung in die Tragstruktur des Fahrzeugs integrieren und nehmen keinen anderweitig benötigten Bauraum weg.
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Die beiden beschriebenen Schriften schildern also jeweils die Integration von Brennstoffzellen oder von Batterien in bestehende Hohlräume der Tragstruktur eines Fahrzeugs. Dies ist aus Sicht des an anderen Stellen des Fahrzeugs eingesparten Bauraums sicherlich von Vorteil. Allerdings wird auch der im Bereich der Tragstruktur verbleibende Bauraum häufig andersweitig benötigt, beispielsweise bei Hybridfahrzeugen für Elemente des verbrennungsmotorischen Antriebsstrangs oder des Getriebes, sodass dieser häufig nicht zur Verfügung steht oder auch andersweitig genutzt werden könnte, beispielsweise für einen Kraftstofftank.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Fahrzeug mit einer Batterie und einer Fahrzeug-Tragstruktur anzugeben, bei welchem der von der Batterie benötigte Bauraum weiter minimiert und neben seiner Funktionalität zur Aufnahme der Batterie auch anderweitig genutzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es also vor, dass die Batterie oder ein Teil der Batterie als Bauteil der Tragstruktur ausgebildet ist. Diese Doppelfunktionalität der Batterie einerseits als Batterie und damit als elektrochemischer Energiespeicher und andererseits als Bauteil der Tragstruktur ermöglicht eine deutliche Bauraumeinsparung, da nun nicht mehr Hohlräume im Bereich der Tragstruktur für die Batterie genutzt werden, sondern die Batterie oder ein Teil der Batterie selbst als Teil der Tragstruktur ausgebildet ist. Damit lässt sich zusätzlich zu den Aufbauten im Stand der Technik zumindest der Bauraum für den als Bauteil der Tragstruktur ausgebildeten Teil der Batterie einsparen.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist es dabei vorgesehen, dass die Batterie ein Batteriegehäuse umfasst, wobei zumindest ein Teil des Batteriegehäuses als Bauteil der Tragstruktur ausgebildet ist.
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Die Verwendung des Batteriegehäuses oder eines Teil des Batteriegehäuses als Bauteil der Tragstruktur ermöglicht eine stabile und steife Tragstruktur einerseits und erlaubt es andererseits, den elektrochemischen Aufbau der Batterie, welcher typischerweise in Form von einem oder mehreren Stapeln von prismatischen Batterieeinzelzellen ausgebildet ist, in herkömmlicher Art und Weise – vergleichsweise weich – auszuführen. Damit lässt sich Aufwand bei der Herstellung der Batterie und Baugewicht bei der Batterie einsparen, während gleichzeitig zumindest ein Teil des ohnehin benötigten Batteriegehäuses als hochstabiles Bauteil der Tragstruktur ausgebildet werden kann.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass das Batteriegehäuse wenigstens ein Versteifungselement aufweist.
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Ein solches Versteifungselement in dem Batteriegehäuse kann dazu dienen, das Batteriegehäuse als Bauteil der Tragstruktur ausreichend stabil und steif auszubilden, ohne dabei das gesamte Batteriegehäuse unnötig schwer ausführen zu müssen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs kann es ferner vorgesehen sein, dass die Batterie wenigstens eine Kühlvorrichtung umfasst, welche wenigstens eines der Versteifungselemente bildet.
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Der typische Aufbau von Batterien, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, sieht es vor, dass Batterieeinzelzellen verwendet werden, welche einer aktiven Kühlung bedürfen. Diese Batterieeinzelzellen, beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie, werden häufig als prismatische Batterieeinzelzellen zu einem oder mehreren Zellenstapeln aufgestapelt und zu der Batterie vereint. Um eine sichere und gleichmäßige Kühlung der Batterieeinzelzellen sicherstellen zu können, ist es häufig vorgesehen, dass wenigstens eine Kühlvorrichtung, welche oft als Platte oder in Form von Rohren ausgebildet ist und auf einer oder mehreren der Seiten des Zellenstapels angeordnet ist, zur Temperierung und Kühlung der Batterieeinzelzellen vorhanden ist. Diese Kühlvorrichtung, welche insbesondere als metallische Platte, welche aktiv von einem Kühlmedium, beispielsweise dem Kühlmittel einer Klimaanlage, durchströmt wird, ausgebildet ist, ist typischerweise sehr steif und kann neben der Funktionalität der Kühlung ideal auch die Funktionalität eines Versteifungselements in dem Batteriegehäuse übernehmen. Der Aufbau kann so ein sehr steifes Batteriegehäuse bereitstellen, welches sich ideal als Bauteil der Tragstruktur des Fahrzeugs eignet, und welches durch die Ausbildung der Versteifungselemente als Kühlvorrichtung zusätzlich Bauraum und Gewicht einer separaten Kühlvorrichtung oder separater Versteifungselemente einsparen kann. Alles in allem entsteht so ein sehr kompakter, einfacher, kostengünstiger und zuverlässiger Aufbau des Fahrzeugs und der Batterie beziehungsweise des Batteriegehäuses.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist es dabei vorgesehen, dass die Batterie als vormontierter integrierter Aufbau ausgebildet und in die Tragstruktur montiert ist. Die Batterie kann zusammen mit dem Batteriegehäuse als vormontierter integrierter Aufbau bereitgestellt werden. Bei der Montage des Fahrzeugs kann dieser Aufbau dann einfach und effizient in die Tragstruktur des Fahrzeugs montiert werden. Damit entsteht ein einfacher und effizienter Fertigungsablauf. Die Tragstruktur des Fahrzeugs, welche die Batterie oder einen Teil der Batterie als Bauteil der Tragstruktur nutzt, muss bis zur Montage entweder durch einen Platzhalter entsprechend stabilisiert werden oder so ausgelegt sein, dass diese die bis zur Montage der Batterie auftretenden Kräfte auch bei demontierter Batterie als Bauteil der Tragstruktur aufnehmen kann.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist es ferner vorgesehen, dass die Batterie als Traktionsbatterie zur Speicherung von elektrischer Antriebsleistung in dem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug vorgesehen ist. Die Batterie eignet sich insbesondere als Traktionsbatterie beispielsweise für ein Elektrofahrzeug oder insbesondere für ein Hybridfahrzeug, da sie weitgehend bauraumneutral in den bisherigen Aufbau der Tragstruktur des Fahrzeugs integriert werden kann und daher sehr platzsparend auch in bestehende Antriebskonzepte mit Verbrennungsmotor integrierbar ist. Eine Hybridisierung des Fahrzeugs wird damit einfach und effizient möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Tragstruktur eines Fahrzeugs;
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2 eine Schnittdarstellung einer Batterie; und
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3 die Integration einer Batterie in die Tragstruktur des Fahrzeugs gemäß der Erfindung in einem vergrößert dargestellten Ausschnitt aus 1.
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In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 beziehungsweise die Tragstruktur 2 eines solchen Fahrzeugs 1 stark vereinfacht und prinzipmäßig angedeutet. Sie besteht im Wesentlichen aus Längsträgern 3 sowie Querträgen 4. Außerdem sind in der Darstellung der 1 Räder 5 des Fahrzeugs 1 zu erkennen. Die Fahrtrichtung des teilweise dargestellten Fahrzeugs 1 ist mit F bezeichnet, sodass das Fahrzeug 1 bei Vorwärtsfahrt in die Richtung des Pfeils F fährt. Zur besseren Orientierung sollen dabei die Längsträger 3 und die Querträger 4 in Fahrtrichtung F ausgehend von der Front des Fahrzeugs durchnummeriert werden. Im sogenannten Vorbau des Fahrzeugs 1 finden sich demnach die Längsträger 3.1, in der Mitte des Fahrzeugs 1 die Längsträger 3.2 und im Heckbereich des Fahrzeugs 1 die Längsträger 3.3. Die Querträger 4 sind ebenso nummeriert, sodass der auf den Vorbau folgende Querträger 4 mit 4.1, der mittlere Querträger mit 4.2 und der in Fahrtrichtung am weitesten hinten angeordnete Querträger mit 4.3 bezeichnet wird. Der Aufbau der Tragstruktur 2 ist dabei rein prinzipmäßig zu verstehen, selbstverständlich können mehr oder auch weniger der Längsträger 3 und der Querträger 4 in einer derartigen Tragstruktur verbaut sein.
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Der Querträger 4.2 ist quer zur Fahrtrichtung F unterbrochen. In dem Bereich dieser Unterbrechung ist eine Batterie 7 angeordnet, welche zumindest in Teilen ein Bauteil der Tragstruktur 2 bildet und als Teil des Querträgers 4.2 fungiert. Die Batterie 7 ist in der Darstellung der 2 in einem möglichen Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Batterie 7 weist eine Bodenwanne 6 als Teil eines Batteriegehäuses 8 auf. Die Batterie 7 weist außerdem in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel drei Zellenstapel 9 aus prismatischen Batterieeinzelzellen 10 auf, welche in der Richtung quer zur Fahrtrichtung F zu dem Zellenstapel 9 aufgestapelt sind. Die mit dem Bezugszeichen 10 versehenen Batterieeinzelzellen sind in der Schnittdarstellung der 3 zu erkennen. Das Batteriegehäuse 8 weist außer der Bodenwanne 6, welche vorzugsweise als Hohlraumkonstruktion ausgeführt ist, um bei möglichst geringem Gewicht eine hohe Steifheit aufzuweisen, außerdem einen Gehäusedeckel 11 auf, welcher bei der Montage der Batterie 7 im Bereich von Flanschen 12 mit korrespondierenden Flanschen 13 im Bereich der Bodenwanne 6 verbunden und typischerweise dicht verschlossen wird.
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Die Batterieeinzelzellen 10 der Zellenstapel 9 sollen dabei vorzugsweise in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt sein. Derartige Batterieeinzelzellen 10 erzeugen beim Laden und Entladen eine entsprechende Abwärme, sodass zur Temperierung in jedem Fall eine aktive Kühlung der Batterie 7 notwendig ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sollen als Kühlvorrichtung Kühlplatten 14 seitlich zwischen den Zellenstapeln 9 angeordnet sein. Typischerweise sind die Batterieeinzelzellen 10 des Zellenstapels 9 über eine elektrisch isolierende, jedoch wärmeleitende Zwischenschicht, in thermischem Kontakt mit der Kühlplatte 9 ausgeführt. Die Kühlplatte 9, welche typischerweise aus einem metallischen Material besteht, wird ihrerseits wiederum – in an sich bekannter Weise – von einem Kühlmedium aktiv gekühlt. Dieses Kühlmedium kann beispielsweise ein flüssiges Kühlmedium eines eigens für die Batterie 7 aufgebauten Kühlkreislaufs und/oder das Klimamittel aus einer Klimaanlage des Fahrzeugs 1 sein. Die Kühlplatten 14 weisen hierfür typischerweise Bohrungen (nicht dargestellt) auf und werden von dem Kühlmittel durchströmt. Dadurch, dass sie mit allen Batterieeinzelzellen 10 zumindest eines Zellenstapels 9 in thermischem Kontakt stehen, sorgen sie für eine Homogenisierung der Temperaturverteilung in dem Zellenstapel 9 sowie für eine gleichmäßige und effiziente Temperierung beziehungsweise Kühlung der Batterieeinzelzellen 10. Dieser Aufbau ist auch in der Darstellung der 4, welche eine Schnittdarstellung auf Höhe der Trennlinie zwischen der Bodenwanne 6 und dem Gehäusedeckel 11 – jedoch ohne die Flansche 12, 13 – zeigt, zu erkennen.
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Die Bodenwanne 6 der Batterie 7 bildet dabei ein Bauteil der Tragstruktur 2 des Fahrzeugs 1 und kann so helfen, Bauraum einzusparen, da der genutzte Bauraum sowohl für die Batterie 7 als auch als Bauteil der Tragstruktur 2 verwendet werden kann. Die Batteriewanne 6 weist seitlich entsprechende Aufnahmen 15 auf, welche beispielsweise mit der Bodenwanne 6 der Batterie 7 verschweißt sind. Diese Aufnahmen 15 lassen sich, wie es in der Schnittdarstellung der 3 zu erkennen ist, lösbar mit dem Querträger 4.2 der Tragstruktur 2 verbinden, insbesondere verschrauben, wie es durch die symbolisch angedeuteten Schrauben 16 dargestellt ist. Die Bodenwanne 6 übernimmt somit als Teil des Querträgers 4.2 eine tragende Aufgabe als Bauteil der Tragstruktur 2 des Fahrzeugs 1. Um die Bodenwanne 6 nicht in ihrer Gesamtheit unnötig stabil und damit unnötig groß und schwer ausbilden zu müssen, können die Kühlplatten 14, welche ohnehin benötigt werden, und welche typischerweise aus einem stabilen metallischen Material ausgeführt sind, hierbei gleichzeitig die Funktionalität von Querstegen im Bereich der Bodenwanne 6 übernehmen, und so als Versteifungselemente fungieren. Ergänzend oder alternativ hierzu können auch eigens zur Versteifung der Bodenwanne 6 vorgesehene Elemente (hier nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die Bodenwanne 6 zusammen mit ihren Versteifungselementen, welche insbesondere als die Kühlplatten 14 ausgebildet sind, kann so bei einfachem Aufbau sehr platzsparend die Batterie 7 aufnehmen und in die Tragstruktur 2 integrieren.
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Die Batterie 7, wie sie in 2 in ihrer Gesamtheit dargestellt ist, kann dabei unabhängig von der Tragstruktur 2 des Fahrzeugs aufgebaut und als integrierter vormontierter Aufbau beispielsweise an eine Fertigungslinie für das Fahrzeug 1 geliefert werden. Sie besteht aus der Bodenwanne 6, dem Gehäusedeckel 11 sowie den darin angebrachten und, wie es in den 2 und 3 beispielhaft dargestellt ist, über entsprechende Halteelemente 17 gelagerten Zellenstapel 9, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus drei der Zellenstapel 9. Dieser vormontierte integrierte Aufbau der Batterie 7 kann dann bei der Montage des Fahrzeugs 1 in die Tragstruktur 2 integriert werden. Durch die lösbare Verbindung über die Schrauben 16 kann der Aufbau beispielsweise zwecks einer Wartung oder eines Austauschs der Batterie 7 ebenso leicht wieder entfernt werden. Er ist dabei Teil der Tragstruktur 2 und hilft in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Querträger 4.2, Querkräfte in dem Fahrzeug 1 aufzunehmen und von der einen Seite auf die andere Seite zu übertragen. Da bei der Wartung oder einem Austausch der Batterie ebenso wie bei der Montage des Fahrzeugs 1 diese Querkräfte typischerweise nicht in dem hohen Maße auftreten wie im Betrieb des Fahrzeugs 1, ist die Lücke in dem Querträger 4.2 bei noch nicht montierter oder demontierter Batterie 7 typischerweise unkritisch, sodass auch im Fertigungsablauf keine speziellen Abläufe berücksichtigt werden müssen.
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Analog zur Integration der Batterie 7 in einem der Querträger 4, hier dem Querträger 4.2, wäre es selbstverständlich auch denkbar, diese in einen anderen Querträger 4 oder einen der Längsträger 3 entsprechend zu integrieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0213741 A1 [0003]
- FR 2942764 A1 [0004]
