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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein auswechselbares Batteriemodul für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sowie ein mit einem dementsprechenden Batteriemodul ausgestattetes Elektrofahrzeug.
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Elektromobilität gewinnt vor dem Hintergrund endlicher und womöglich versiegender globaler fossiler Brenn- und Kraftstoffvorkommen zunehmend an Bedeutung. Während hinreichend leistungsfähige Elektromotoren bereits für ein breites Anwendungsspektrum erhältlich sind, erweist sich das Speichern sowie das Mitführen elektrischer Energie nach wie vor als problematisch.
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Sämtlichen Speichereinrichtungen zur unmittelbaren Speicherung elektrischer Energie ist gemein, dass das Mitführen von z. B. Batterien oder Akkumulatoren, das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs in nicht unbeträchtlicher Weise erhöht. Zudem dauert das Aufladen einer zur Speisung eines Elektroantriebs vorgesehenen Fahrzeugbatterie oder eines mehrere Batterieeinheiten aufweisenden Batteriemoduls im Vergleich zum Befüllen eines Kraftstofftanks unverhältnismäßig lange. Auch muss im oder am Kraftfahrzeug ausreichender Stauraum für das mitzuführende Batteriemodul bereitgestellt werden, was mitunter weitreichende Eingriffe in den Fahrzeugaufbau, die Bauraumaufteilung sowie Modifikationen im Hinblick auf die Gewichtsverteilung und Schwerpunktverlagerung des Fahrzeugs mit sich bringt.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die zur Aufladung eines Batteriemoduls normalerweise erforderliche Stillstandszeit des Kraftfahrzeugs zu verkürzen und hierbei zugleich eine hinsichtlich Gewichts- und Schwerpunktverteilung verbesserte Anordnung des Batteriemoduls am Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen
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Diese Aufgabe wird mit einem auswechselbaren Batteriemodul gemäß Patentanspruch 1 sowie mit einem Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 8 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche sind.
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Demgemäß ist ein auswechselbares Batteriemodul für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug vorgesehen, welches zumindest einen lösbar an einer Tragstruktur des Fahrzeugs anordenbaren Träger aufweist, an welchem zumindest eine aufladbare Batterieeinheit angeordnet ist. Bevorzugt ist der Träger dazu ausgebildet, mehrere oder sogar sämtliche am Fahrzeug mitzuführende Batterieeinheiten aufzunehmen, sodass durch Auswechseln des Batteriemoduls mit einem bereits aufgeladenen Batteriemodul die Stillstandszeit des Kraftfahrzeugs deutlich verkürzt werden kann.
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Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug an einer Servicestation durch Auswechseln eines Batteriemoduls, hierbei insbesondere durch Einbau eines baugleichen aufgeladenen Batteriemoduls innerhalb kürzester Zeit wieder in einen die maximale Fahrzeugreichweite bereitstellenden Ausgangszustand versetzt werden.
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In dem bevorzugt sämtliche Batterieeinheiten gebündelt an zumindest einem, ggf. auch aus Gründen einer besseren Handhabbarkeit an mehreren auswechselbaren Batteriemodulen angeordnet sind, kann durch Aus- und Einbau von entladenen sowie aufgeladenen Batteriemodulen zumindest die Stillstandszeit des Kraftfahrzeugs merklich verkürzt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Träger hierbei zumindest eine Trägerplatte auf, an oder auf welcher die zumindest eine Batterieeinheit lösbar angeordnet ist. Die lösbare Anordnung einer oder mehrerer Batterieeinheiten an der Trägerplatte ermöglicht ferner, einzelne Batterieeinheiten, etwa zu Wartungszwecken auszubauen bzw. im Bedarfsfall auszutauschen. Hierbei kann insbesondere vorgesehen werden, dass der Träger bzw. die Trägerplatte ein normiertes Befestigungskonzept sowohl für die zumindest eine Batterieeinheit als auch für seine eigene lösbare Anordnung an der Tragstruktur des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Somit können sowohl Batterieeinheiten einzelner Batteriemodule sowie auch Batteriemodule selbst fahrzeug-, plattform- oder sogar herstellerübergreifend universell ausgetauscht werden.
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Nach einer Weiterbildung weist der Träger ferner zumindest ein Befestigungselement auf, welches mit einem tragstrukturseitig vorgesehenen Gegenbefestigungselement des Kraftfahrzeugs korrespondiert. Beispielsweise können an der Tragstruktur bzw. an der Karosserie des Kraftfahrzeugs eine oder mehrere, bevorzugt über die Fläche der Trägerplatte verteilt angeordnete Aufnahmen vorgesehen werden, die als Befestigungselement fungieren und zur Aufnahme einzelner Befestigungselemente des Trägers dienen können.
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Hierbei können verschiedenartigste Befestigungskonzepte zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann das tragstrukturseitige Gegenbefestigungsmittel eine Gewindebohrung zur Aufnahme eines als Schraube oder Schraubbolzen ausgebildeten Befestigungselements aufweisen. Bevorzugt können ferner auch form- und/oder reibschlüssige Befestigungskonzepte, insbesondere auch Schnellbefestigungs- oder Schnellverschlusskonzepte zum Einsatz kommen, die ein zügiges Lösen und Befestigen von Befestigungselementen und Gegenbefestigungselementen beim Ein- und Ausbau des Batteriemoduls an der Tragstruktur des Kraftfahrzeugs ermöglichen.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt ist vorgesehen, dass eine der zumindest einen Batterieeinheit abgewandte Unterseite der Trägerplatte des Trägers des Batteriemoduls als Bodenverkleidungsteil des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist oder als ein solches im Einbauzustand am Kraftfahrzeug fungiert.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Batteriemodul an der Bodenstruktur des Kraftfahrzeugs befestigbar ist, wobei eine Montage oder Demontage des Batteriemoduls vom Kraftfahrzeugboden her erfolgt. Insoweit sind zum Auswechseln des Batteriemoduls keine Öffnungen oder zum Zwecke des Batteriemodulwechsels lösbare Teile in der sichtbaren Außenverkleidung des Kraftfahrzeugs vorzusehen. So bleiben das Erscheinungsbild und das Design des Kraftfahrzeugs weitgehend unbeeinträchtigt vom hier vorgesehenen auswechselbaren Batteriemodul.
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Des Weiteren ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die Trägerplatte, insbesondere die der Batterieeinheit abgewandte Unterseite der Trägerplatte bei einem sich in Montageposition am Kraftfahrzeug befindlichen Batteriemodul im Wesentlichen flächenbündig in eine angrenzende Bodenverkleidung des Kraftfahrzeugs integriert ist. Bevorzugt ist die Trägerplatte weitgehend geschlossen ausgebildet und kann dabei eine hermetische Trennung zwischen Innen- und Außenraum des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Von Vorteil ist ferner vorgesehen, dass an einem Außenrand oder entlang einer außenliegenden Berandung der Trägerplatte zumindest ein Dichtungselement angeordnet ist, mittels welchem die Trägerplatte bzw. das Batteriemodul abdichtend in einer hierfür vorgesehene bodenseitige Aussparung der angrenzenden Bodenverkleidung des Kraftfahrzeugs befestigt werden kann.
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Auch kann insbesondere für die Zwecke des Insassenschutzes das Batteriemodul auch zum Fahrzeuginnenraum hin abgedichtet bzw. hermetische getrennt sein. Insbesondere können sämtliche am Batteriemodul vorgesehenen Batterieeinheiten entweder einzeln und gesondert oder zusammen gegenüber der Umgebung weitgehend hermetisch eingekapselt sein.
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Auch ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass das zumindest eine Befestigungselement und/oder die hiermit zusammenwirkenden und dementsprechend korrespondierend ausgebildeten Gegenbefestigungselemente eine im Wesentlichen in Fahrzeughochrichtung (z) ausgerichtete Montage- bzw. Demontagerichtung des Batteriemoduls vorgeben. Insoweit ist insbesondere vorgesehen, dass das Batteriemodul durch Absenken sowie durch ein entgegen gerichtetes Anheben in Fahrzeughochrichtung (z) von der Tragstruktur des Kraftfahrzeugs gelöst, respektive wieder hieran befestigbar ist.
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Unabhängig vom jeweiligen Befestigungskonzept kann nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen sein, dass am Träger und/oder an der zumindest einen Batterieeinheit wenigstens ein elektrisches Verbindungsmittel vorgesehen oder ausgebildet ist, welches mit einem fahrzeugseitig vorgesehenen elektrischen Verbindungselement korrespondiert. Auf diese Art und Weise kann erreicht werden, dass die batteriemodulseitigen elektrischen Verbindungsmittel mit Erreichen einer Endmontagestellung des Batteriemoduls am Kraftfahrzeug mit hiermit korrespondierenden fahrzeugseitigen elektrischen Verbindungselementen nahezu selbsttätig elektrisch verbunden werden können.
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Bei der Montage bzw. Demontage des Batteriemoduls am Kraftfahrzeug ist somit keine gesonderte elektrische Kontaktierung oder elektrisches Entkoppeln durchzuführen. Die batteriemodulseitigen und kraftfahrzeugseitigen elektrischen Verbindungselementen sind derart positioniert, dass die elektrischen Kontakte spätestens mit Erreichen einer Endmontagestellung des Batteriemoduls am Kraftfahrzeug miteinander in elektrischen Kontakt treten.
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Nach einem weiteren nebengeordneten Aspekt ist ferner ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Antrieb und mit zumindest einem zuvor bezeichneten lösbar an der Tragstruktur, insbesondere am Boden des Kraftfahrzeugs anordenbaren Batteriemodul vorgesehen. Das Kraftfahrzeug kann hierbei als rein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, aber auch als Hybridfahrzeug mit einem elektrischen Hilfsantrieb ausgestattet sein. Das Fahrzeug kann dabei zumindest ein, aber auch mehrere separat voneinander angeordnete Batteriemodule aufweisen, die jeweils zumindest eine ggf. auch mehrere Batterieeinheiten aufweisen.
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Die Batteriemodulgröße richtet sich insbesondere nach dem Gesamtgewicht des Batteriemoduls und der von ihm bereitzustellenden elektrischen Energie. Dessen Gewicht soll ein händisches Auswechseln ermöglichen, welches ggf. auch unter Zuhilfenahme hydraulischer oder anderweitig kraftunterstützter Hebe- und Trageinrichtungen erfolgen kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass das Batteriemodul bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung (y) in etwa mittig an der Tragstruktur des Kraftfahrzeugs lösbar angeordnet ist. Eine mittige Anordnung erweist sich im Hinblick auf die Gewichtsverteilung und Schwerpunktlage des Kraftfahrzeugs als vorteilhaft.
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Bezogen auf die Fahrzeuglängsrichtung (x) ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, das Batteriemodul in einem zwischen Vorderachse des Kraftfahrzeugs und vorderem Sitz liegenden Bereich lösbar anzuordnen. Je nach Größe und geometrischer Ausgestaltung des vorderen Fahrzeugsitzes sowie des Batteriemoduls kann hierbei auch vorgesehen werden, dass das Batteriemodul sogar in den Vorderachs- oder Vorderradbereich und/oder auch in den Full- oder Beinbereich der Vordersitze, bezogen auf die Fahrzeuglängsrichtung (x), hineinragt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Batteriemodul, bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z), unterhalb einer Fahrgastzelle und somit auch weitgehend unterhalb des vorderen Fahrzeugsitzes und/oder unterhalb einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs lösbar angeordnet ist. Eine derart tief liegende Anordnung des Batteriemoduls trägt zu einer möglichst tiefen Lage bzw. Verlagerung des Fahrzeugschwerpunktes bei. Ferner kann durch eine Anordnung vor bzw. bereichsweise unterhalb des vorderen Kraftfahrzeugsitzes erreicht werden, dass die Schwerpunktlage bzw. die fahrdynamischen Eigenschaften des Kraftfahrzeugs weitgehend unabhängig von der Konstitution, insbesondere vom Gewicht des oder der Fahrzeuginsassen ausgestaltet werden können.
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Durch die unmittelbar angrenzende Anordnung des Batteriemoduls zum Vorder- oder Fahrersitz des Kraftfahrzeugs kann erreicht werden, dass sich die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs weitreichend invariant in Bezug auf die Beladung oder Besetzung des Kraftfahrzeugs verhält.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Elektroantrieb des Kraftfahrzeugs, in Fahrtrichtung oder Fahrzeuglängsrichtung (x) des Fahrzeugs betrachtet, hinter einem vorderen Fahrzeugsitz bzw. hinter dem Fahrersitz liegend angeordnet. Dabei kann ein evtl. vorhandener Rücksitz, bezogen auf die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs, hinter dem elektrischen Antrieb zu liegen kommen. Insoweit kann der Antrieb zwischen vorderem und hinterem Sitz angeordnet sein.
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Unabhängig davon kann das Fahrzeug ferner ein elektrisches Mittelmotorkonzept bereitstellen. Der Motor ist dabei ähnlich dem Batteriemodul ebenfalls unterhalb der Fahrgastzelle respektive unterhalb eines zwischen Vordersitz und Rücksitz liegenden Bodenabschnitts der Fahrgastzelle angeordnet.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann schließlich insbesondere der Vordersitz, in Fahrzeuglängsrichtung bzw. in Fahrtrichtung (x) betrachtet, hinter dem Batteriemodul und vor dem Antrieb liegend angeordnet sein. Dies ermöglicht eine vergleichsweise tief liegende Anordnung des Vorder- oder Fahrersitzes, sodass die Gesamtaufbauhöhe des Kraftfahrzeug, insbesondere zur Optimierung seiner Aerodynamik, vergleichsweise gering gehalten werden kann.
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Auch kann nach einer weiteren Ausgestaltung eine Hebe- und/oder Absenkeinrichtung am Fahrzeug vorgesehen werden, mittels welcher das Batteriemodul bei Bedarf zum Wechseln abgesenkt und/oder angehoben werden kann. Die zum Betrieb der mit einem Elektromotor ausgestatteten Hebe- und/oder Absenkeinrichtung erforderliche Leistung kann entweder von einem zweiten Batteriemodul oder durch separate und unabhängig vom Montagezustand elektrische Verbindung erfolgen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine teilgeschnittene Seitenansicht des mit einem auswechselbaren Batteriemodul versehenen elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs,
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2 eine perspektivische Darstellung der Unterseite des Kraftfahrzeugs mit einem daran angeordnetem Batteriemodul und
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3 eine der 2 vergleichbare Ansicht mit gelöstem bzw. demontiertem Batteriemodul.
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Detaillierte Beschreibung
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Das in den 1 bis 3 in unterschiedlichen Konfigurationen gezeigte Elektrofahrzeug 20 weist eine Tragstruktur 22 auf, die zum Beispiel nach Art eines Gitterrahmens aufgebaut sein kann. Angrenzend oder hineinragend in einen Vorderradbereich 30 ist ein am Boden der Tragstruktur 22 lösbar angeordnetes Batteriemodul 10 vorgesehen. Dieses weist einen Träger 12 mit einer Trägerplatte 13 auf, an deren dem Kraftfahrzeuginnenraum zugewandten Oberseite mehrere Batterieeinheiten 14 angeordnet sind.
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Während das vorliegende Ausführungsbeispiel mehrere einzelne, etwa elektrisch in Reihe oder parallel geschaltete Batterieeinheiten 14 aufweist, kann nach anderen Ausgestaltungen und Ausführungsformen auch lediglich eine einzige dementsprechend größer dimensionierte Batterieeinheit vorgesehen werden, die mittels des Trägers 12 lösbar an der Unterseite der Tragstruktur 22 anordenbar ist.
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Zur lösbaren Befestigung des Batteriemoduls 10, insbesondere seines Trägers 12 oder seiner Trägerplatte 13 können am Träger 12 sowie an der Trägerplatte 13 bevorzugt mehrere über die Fläche der Trägerplatte 13 verteilt angeordnete Befestigungselemente 16, etwa in Form von Schrauben oder Schraubbolzen vorgesehen sein, die zur Befestigung des Batteriemoduls 10 an der Tragstruktur 22 mit hiermit korrespondierend ausgebildeten Gegenbefestigungselementen, etwa mit Gewindebohrungen 17 zusammenwirken.
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Ferner ist am Träger 12 oder an zumindest einer der Batterieeinheiten 14 eine elektrische Steckverbindung 18 ausgebildet, mittels welcher eine elektrische Kontaktierung des Batteriemoduls 14 mit dem fahrzeugseitig angeordneten Antrieb 24 bereit gestellt werden kann. Die elektrische Kontaktierung kann herbei weitgehend selbsttätig bzw. korrespondierend mit der mechanischen Befestigung des Batteriemoduls 10 an der Tragstruktur 22 des Kraftfahrzeugs erfolgen. Die elektrische Kontaktierung ist fahrzeugseitig und batteriemodulseitig derart ausgebildet, dass ein elektrischer Kontakt mit Erreichen einer Endmontagekonfiguration des Batteriemoduls 10 an der Tragstruktur 22 des Kraftfahrzeugs 20 erreicht werden kann.
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Je nach Ausgestaltung der elektrischen Kontaktierung und je nach Anzahl der am Träger 12 vorzusehenden Batterieeinheiten 14 kann der Träger 12 eine elektrische Kontaktierung einzelner Batterieeinheiten 14 untereinander sowie eine Kontaktierung zum Antrieb 24 bereitstellen. Die elektrische Kontaktierung zur zumindest einen Batterieeinheit 14 kann aber auch unabhängig hiervon erfolgen, etwa indem fahrzeugsseitig vorgesehene Kontaktelemente 18 derart normiert an vorgegebenen Positionen in Bezug auf den Batteriemodulträger 12 an der Tragstruktur des Kraftfahrzeugs 20 angeordnet sind, dass spätestens mit Montage des Batteriemoduls 10 an der Tragstruktur 22 ein elektrischer Kontakt zwischen Antrieb 24 und Batteriemodul 10 hergestellt wird.
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Das in den 1 bis 3 in unterschiedlichen Darstellungen und Konfigurationen gezeigte Kraftfahrzeug weist einen schalenartig ausgebildeten Vorder- oder Fahrersitz 26 auf, dessen Sitzfläche in Fahrzeuglängsrichtung betrachtet überlappend und oberhalb eines in Fahrtrichtung hinten liegenden Bereichs des Batteriemoduls 10 zu liegen kommt. Ferner befindet sich der Vordersitz 26, bezogen auf die Fahrzeuglängsrichtung (x) in etwa zwischen einem elektromotorischen Antrieb 24 und dem bodenseitig angeordneten Batteriemodul 10. Indem das Batteriemodul 10, auf die Fahrtrichtung bezogen, dem Vordersitz 26 zumindest bereichsweise vorgelagert, der Antrieb 24 aber, welcher ebenfalls unterhalb der Fahrgastzelle 28 vorgesehen ist, dem Vordersitz 26 nachgelagert angeordnet ist, kann eine vergleichsweise tief liegende Positionierung des Vordersitzes 26 erreicht werden.
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Der schalenartig ausgebildete Vordersitz 26 ermöglicht hierbei gemäß der Darstellung nach 1 sogar eine annähernd liegende Sitzposition des Fahrers, wobei der Beinbereich des Fahrers größtenteils oberhalb des Batteriemoduls 10 zu liegen kommt.
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Der Träger 12 sowie die unten liegende Trägerplatte 13 ist ferner als Bodenverkleidungsteil des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Wie in 2 gezeigt, kann die Trägerplatte 13 mit ihrer Unterseite 15 weitgehend flächenbündig sowie abdichtend zur angrenzenden Bodenverkleidung 32 angeordnet sein. Das Batteriemodul 10 stellt insoweit zugleich eine hermetische Trennung zwischen Innen- und Außenbereich des Kraftfahrzeugs 20 bereit.
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Wie ferner anhand 1 zu erkennen ist, befindet sich das Batteriemodul 10 im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs und kann hierbei, in Fahrzeuglängs (x)als auch in Fahrzeughochrichtung (z) betrachtet, in einen Vorderradbereich 30 hinein ragend zu liegen kommen. Eine achsnahe Anordnung des Batteriemoduls 10 ist im Hinblick auf die fahrdynamischen Eigenschaften des Kraftfahrzeugs sowie für eine möglichst günstige Schwerpunktlage von Vorteil.
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Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Erfindung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Erfindung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Erfindung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Aquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriemodul
- 12
- Träger
- 13
- Trägerplatte
- 14
- Batterieeinheit
- 15
- Unterseite
- 16
- Befestigungselement
- 17
- Befestigungselement
- 18
- Elektrische Verbindung
- 20
- Kraftfahrzeug
- 22
- Tragstruktur
- 24
- Antrieb
- 26
- Vordersitz
- 28
- Fahrgastzelle
- 30
- Vorderrad
- 32
- Bodenverkleidung
