DE102011112598A1

DE102011112598A1 - Batterietrog mit einem Troggehäuse zur Lagerung einer Vielzahl von Batteriezellen für ein Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102011112598A1
Application number: DE201110112598
Authority: DE
Inventors: Sven Crull; Bastian Schaar; Kai Kuchenbuch; Jens Weber; Matthias Tschech
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Batterietrog mit einem Troggehäuse (1) zur Lagerung einer Vielzahl von Batteriezellen (2) für ein Elektrofahrzeug (3), wobei die gelagerten Batteriezellen (2) mittels einer Zellverspannung mit Spannelementen (10) mechanisch verspannt sind. Erfindungsgemäß ist die Zellverspannung mit ihren Spannelementen (10) in einer zusätzlichen Funktion in das Troggehäuse (1) zu dessen Versteifung integriert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Batterietrog mit einem Troggehäuse zur Lagerung einer Vielzahl von Batteriezellen für ein Elektrofahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für eine optimale Nutzung der in einem Elektrofahrzeug verfügbaren Bauräume ist es bekannt, einen Batterietrog bodenseitig insbesondere unter den Frontsitzen mit einer maximalen seitlichen Ausdehnung zwischen den Seitenschwellern anzubringen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Steifigkeit des Batterietrogs in Fahrzeugquerrichtung bei einem Seitenaufprall des Fahrzeugs, insbesondere bei den hohen punktuell auftretenden Lasten eines Pfahlcrashs. Dazu ist ein Batterietrog bekannt ( US 2008/0190679 A1 ), der mittels bodenseitiger Querstreben mit seitlichen Karosserielängsträgern verschraubt ist. Diese und ähnliche Maßnahmen zur Sicherung der erforderlichen Steifigkeiten eines Batterietrogs sind mit erheblichen Gewichtszunahmen verbunden, welche dem Bestreben mit alternativen Antrieben zur ressourcenschonenden Mobilität beizutragen, entgegenwirken.
Aufgrund der Explosionsgefahr von Batteriezellen durch mechanische Schäden unterliegen diese bei einem Fahrzeugaufprall einem erhöhten Schutzbedürfnis, wobei zudem für die Integration der Batteriezellen in Fahrzeugbauräume spezifische batterieseitige Anforderungen zu berücksichtigen sind. Zu diesen Anforderungen zählt auch die mechanische Verspannung der Batteriezellen, insbesondere um beim elektrischen Aufladen eine Volumenzunahme der Batteriezellen zu verhindern. Eine entsprechende umlaufende Zellverspannung mit Spannplatten und Zugbändern ist aus US 2010/0190049 A1 und eine Zellverspannung durch vertikale und horizontale seitliche Stäbe ist aus JP 2008/110693 A bekannt.
Die Erfüllung dieser batterieseitigen Anforderungen erhöhen nachteilig das Batteriesystemgewicht und Schränken Freiräume in der Anordnung der Batteriezellen innerhalb des Batterietrogs ein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Batterietrog vorzuschlagen, der in Verbindung mit den darin gelagerten Batteriezellen gewichtsgünstiger ausgeführt werden kann und zudem mit wenigen Bauteilen kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Zellverspannung mit ihren Spannelementen in einer zusätzlichen Funktion in das Troggehäuse zu dessen Versteifung integriert ist. In einer solchen funktionsintegrierten Lösung sind die Steifigkeitsanforderungen an den Batterietrog mit der Zellverspannung kombiniert.
Ohne eine solche Integration besteht bei einem eingangs erwähnten gattungsgemäßen Batterietrog ein hohes Risiko, dass bei einem Seitenaufprall, insbesondere bei einem seitlichen Pfahlcrash in Fahrzeugquerrichtung verlaufende Profile beulen beziehungsweise ausknicken, so dass dann nur noch ein Bruchteil der Querkräfte aufgenommen und in Fahrzeugquerrichtung geleitet werden kann. Durch die Integration der ohnehin nötigen mechanischen Zellverspannung in das Troggehäuse werden Querprofile durch die verspannten Batteriezellen gestützt und versteift, sodass das Risiko zu beulen beziehungsweise auszuknicken erheblich reduziert ist. Die erforderlichen Bauteile können dadurch gegebenenfalls auch weniger massiv und damit gewichtsgünstiger dimensioniert werden, wie dies für alternativ angetriebene Fahrzeuge von besonderer Relevanz ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Troggehäuse eine Bodenplatte auf. Auf der Bodenplatte kann in einer Variante z. B. mittig eine senkrecht stehende, im eingebauten Zustand quer zur Fahrtrichtung und entlang der Bodenplatte verlaufende Versteifungsplatte angebracht sein. Die Versteifungsplatte dient zur Aufnahme und Weiterleitung einer durch einen Seitenaufprall verursachten Deformationskraft auf Trogseitenwände als Prallplatten. Die Versteifungsplatte kann beidseitig mit quer dazu und horizontal verlaufenden Zugankern als Spannelemente der Zellverspannung versehen sein. Durch diese Zuganker werden die Batteriezellen an die Seitenwände der Versteifungsplatte gepresst, so dass ein hochsteifes Troggehäuse durch einen Verbund aus Bodenplatte, Versteifungsplatte, verspannten Batteriezellen und Prallplatten ausgebildet wird. Insbesondere wird durch die an der Versteifungsplatte verspannten Batteriezellen diese gestützt, wodurch vorteilhaft ein Beulen und Einknicken der Versteifungsplatte bei einem Seitenaufprall verhindert wird.
Alternativ zur oben angegebenen Ausführungsform ist es jedoch nicht zwingend erforderlich, die Versteifungsplatte mittig auf der Bodenplatte zu positionieren. Bei einer solchen mittigen Anordnung können beidseitig, d. h. links und rechts, der Versteifungsplatte gleich viele Batteriezellen gegen die Versteifungsplatte verspannt werden. Vielmehr kann in Abkehr zur obigen Ausführungsform die Versteifungsplatte auch seitlich zur Bodenplatten-Mitte versetzt positioniert sein. Zudem können anstelle einer einzigen Versteifungsplatte mehrere solcher Versteifungsplatten auf der Bodenplatte positioniert werden. Eine solche Gestaltung eignet sich insbesondere bei einem größeren Batterietrog bzw. bei kleiner dimensionierten Batteriezellen.
Als Zugelemente können beispielhaft jegliche Zuganker mit Verschraubungen verwendet werden. Alternativ dazu können die Zugelemente Spanngurte sein, etwa Stahlbänder, Metallspannbänder oder Kunststoffbänder, die ähnlich wie Sicherheitsgurte ausgestaltet sein können. Gemäß einer bevorzugten Variante können die Zugelemente gewichtsgünstig als dünne Stäbe mit endseitigen Spanngewinden ausgebildet werden. Diese können in geeigneter Weise an der Versteifungsplatte fixiert werden. Exemplarisch können bei einer solchen Fixierung die als dünne Stäbe ausgeführten Zugelemente z. B. in zwei übereinanderliegenden Reihen durch Bohrungen in der Versteifungsplatte gesteckt werden und in Spalten aneinandergrenzender quaderförmiger Batteriezellen verlaufen. Weiter wird zur Ausbildung der Zellverspannung und Troggehäuseversteifung vorgeschlagen, dass die Zuganker mit ihren Gewindeenden jeweils durch Bohrungen von Trogquerwände als Spannplatten gesteckt und dort verschraubt und verspannt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung eines Batterietrogs kann für eine einfache und funktionsgerechte Aufnahme von Elektro- und Elektronikkomponenten, wie Polverbinder, Zellcontroler, Verkabelung, etc. wenigstens ein Aufnahmefach an einer Spannplatte angebracht werden. In einer alternativen Variante können die Elektro- und Elektronikkomponenten in einem aufgesetzten Troggehäusedeckel integriert sein. In diesem Fall kann der Troggehäusedeckel z. B. ein Kunststoff-Inlay aufweisen, in dem die Komponenten angeordnet sind. Gemäß einer weiteren Variante kann unter Weglassung eines oder mehrerer der verspannten Batteriezellen eine Aufnahmekammer im Troggehäuse bereitgestellt werden. In der Aufnahmekammer können wiederum die Elektro- und Elektronikkomponenten platziert werden.
Zweckmäßig wird das Troggehäuse nach der Bestückung mit Batteriezellen und nach der Herstellung der Zellverspannung mit einem Troggehäusedeckel abgedeckt.
In einer besonders bevorzugten optionalen Weiterbildung ist jeweils seitlich an eine Prallplatte anschließend ein Deformationselement in der Art einer Crashbox angeordnet, wobei sich eine solche Crashbox vorzugsweise über die gesamte Fläche der zugeordneten Prallplatte erstreckt. Mit solchen Deformationselementen kann kinetische Aufprallenergie in Deformationsenergie umgewandelt werden, wodurch insbesondere ein Schutz der Batteriezellen verbessert wird.
In einer bevorzugten Anordnung liegt der Batterietrog in einem Elektrofahrzeug im Bereich unter den Frontsitzen und stützt sich jeweils seitlich über die Deformationselemente an Seitenschwellern der Karosserie ab.
Die Bodenplatte des Troggehäuses kann zusätzlich zu ihrer Funktion als Trag- und Aussteifungselement als Kühlplatte ausgebildet sein.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 die Grundstruktur eines Troggehäuses eines Batterietrogs,
2 die Grundstruktur nach 1 mit eingesetzten Zugankern,
3 die Anordnung nach 2 mit eingesetzten Batteriezellen,
4 die Anordnung nach 3 mit angebrachten Spannplatten,
5 die Anordnung nach 4 mit Elektro- und Elektronikkomponenten in einem Aufnahmefach,
6 die Anordnung nach 6 mit einem aufgesetzten Troggehäusedeckel;
7 die Anordnung nach 6 mit seitlich angebrachten Deformationselementen, und
8 eine schematische Darstellung der Anordnung eines Batterietrogs in einem Elektrofahrzeug.
In 1 ist die Grundstruktur eines Troggehäuses 1 eines Batterietrogs 20 zur Lagerung einer Vielzahl von Batteriezellen 2 eines Elektrofahrzeugs 3 gezeigt.
Das Troggehäuse 1 besteht aus einer rechteckigen Bodenplatte 4, welche in der 1 beispielhaft als Kühlplatte ausgeführt ist. Auf der Bodenplatte 4 können zumindest eine, in der 1 beispielhaft mittig angeordnete sowie senkrecht stehende, im eingebauten Zustand quer zur Fahrtrichtung verlaufende Versteifungsplatte 5 und beidseits der Enden der Versteifungsplatte 5 querverlaufende Prallplatten 6, 7 angebracht sein. Zudem ist seitlich im unteren Bereich der Prallplatte 7 eine Wassersammelleiste 8 angeordnet.
Das in der 1 gezeigte Ausführungsbeispiel soll die Tragweite der Erfindung nicht beschränken. So muss die Bodenplatte 4 nicht zwingend als Kühlplatte ausgeführt sein. Vielmehr kann bei Batteriezellen 2, die keine aktive Kühlung benötigen, auf eine derartige Kühlplatte verzichtet werden. Entsprechend kann in diesem Fall auch die oben erwähnte Wassersammelleiste 8 weggelassen werden.
Wie insbesondere aus 2 ersichtlich, ist die Versteifungsplatte 5 mit zwei übereinanderliegenden Reihen von Bohrungen 9 versehen, durch die jeweils Zuganker 10 in der Art dünner Stäbe mit endseitigen Spanngewinden 11 eingesteckt sind. Die Zuganker 10 verlaufen somit beidseitig, quer und horizontal zur Versteifungsplatte 5.
Anstelle der in den Figuren gezeigten Zuganker können jedoch auch jegliche andere Zugelemente verwendet werden, die in beliebiger Weise an der Versteifungsplatte fixierbar sind. Lediglich beispielhaft seien als weitere Zugelemente Spanngurte erwähnt, etwa Stahlbänder, Metallspannbänder oder Kunststoffbänder, die ähnlich wie Sicherheitsgurte ausgestaltet sein können.
In der 3 ist exemplarisch eine Anordnung von Batteriezellen gezeigt, die jedoch die Tragweite der Erfindung nicht beschränkt. So sind gemäß der 3 anliegend an die Versteifungsplatte 5 und die Prallplatten 6, 7 sowie zwischen die insgesamt 14 Zuganker 10 zwölf quaderförmige Batteriezellen 2 so eingesetzt, dass sich ein rechteckiger, plattenförmig flacher Aufbau eines Batterietrogs ergibt. Die Zuganker 10 stehen dabei mit ihren Spanngewinden 11 über die Batteriezellen 2 etwas vor.
Wie oben bereits erwähnt, sind in den Figuren die Zuganker 10 exemplarisch in zwei übereinanderliegenden Reihen angeordnet. Bei einem alternativen Battierietrog-Aufbau können die Zuganker 10 – je nach Steifigkeit der Versteifungsplatte 5 – in beliebiger, geeigneter Lage vorgesehen sein. Beispielhaft können die Zuganker 10 oder generell die Zugelemente in der Trog-Längsrichtung auch abwechselnd jeweils oben und unten angeordnet sein.
Wie aus 4 ersichtlich, werden dann in einem weiteren Montageschritt Trogquerwände als Spannplatten 12, 13 aufgesetzt, wobei die Spanngewinde 11 der Zuganker 10 durch in dieser Ausführung zugeordnete Bohrungen der Spannplatten 12, 13 geführt und von außen mittels Spannmuttern 14 verspannt sind. An der Spannplatte 12 ist zudem noch ein Aufnahmefach 15 angebracht, in dem, wie aus 5 ersichtlich, Elektro- und Elektronikkomponenten 16 eingesetzt sind.
Anschließend ist gemäß 6 das Troggehäuse 1 mit den darin verspannten Batteriezellen 2 mit einem Troggehäusedeckel 17 abgedeckt.
Wie aus 7 zu ersehen, wird in einem weiteren Montageschritt das Troggehäuse 1 jeweils seitlich an den Prallplatten 6, 7 mit Deformationselementen 18, 19 in der Art von Crashboxen bestückt, womit der Batterietrog 20 fertig montiert ist. Optional kann der Batterietrog auch ohne derartige Crashboxen fertig montiert werden.
In 8 ist schematisch strichliert eine Rohkarosserie 21 eines Elektrofahrzeugs 3 dargestellt mit einem darin im bevorzugten Bereich unter den Frontsitzen angeordneten Batterietrog 20. Dieser erstreckt sich ersichtlich in Querrichtung zwischen Seitenschwellern 22, 23 und stützt sich dort mit seinen Deformationselementen 18, 19 ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0190679 A1 [0002]
US 2010/0190049 A1 [0003]
JP 2008/110693 A [0003]

Claims

Batterietrog mit einem Troggehäuse (1) zur Lagerung einer Vielzahl von Batteriezellen (2) für ein Elektrofahrzeug (3), wobei die gelagerten Batteriezellen (2) mittels einer Zellverspannung mit Spannelementen (10) mechanisch verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverspannung mit ihren Spannelementen (10) in einer zusätzlichen Funktion in das Troggehäuse (1) zu dessen Versteifung integriert ist.
Batterietrog nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Troggehäuse (1) eine Bodenplatte (4) aufweist, auf der zumindest eine senkrecht stehende Versteifungsplatte (5) zur Aufnahme und Weiterleitung einer durch einen Seitenaufprall verursachten Deformationskraft auf Trogseitenwände als Prallplatten (6, 7) angebracht ist.
Batterietrog nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsplatte (5) beidseitig mit quer dazu und horizontal verlaufende Zugelementen (10) als Spannelemente der Zellverspannung versehen ist, wobei die Batteriezellen (2) damit an die Seitenwände der Versteifungsplatte (5) pressbar sind, so dass ein hochsteifes Troggehäuse durch einen Verbund aus Bodenplatte (4), Versteifungsplatte (5), verspannten Batteriezellen (2) und Prallplatten (6, 7) ausgebildet und insbesondere ein Einknicken der Versteifungsplatte (5) bei einem Seitenaufprall verhindert wird.
Batterietrog nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (10) Zuganker sind, die als dünne Stäbe mit endseitigen Spanngewinden (11) ausgebildet sind, die vorzugsweise in zwei übereinanderliegenden Reihen durch Bohrungen (9) in der Versteifungsplatte (5) gesteckt sind und in Spalten aneinandergrenzender, quaderförmiger Batteriezellen (2) verlaufen.
Batterietrog nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuganker (10) mit ihren endseitigen Spanngewinden (11) jeweils durch Bohrungen von Trogquerwänden als Spannplatten (12, 13) gesteckt und zur Ausbildung der Zellverspannung und Troggehäuseversteifung an den Spannplatten (12, 13) verschraubt und verspannt sind.
Batterietrog nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Spannplatte (12) ein Aufnahmefach (15) für Elektro- und Elektronikkomponenten (16), wie Polverbinder, Zellcontroler, Verkabelung, etc. angebracht ist.
Batterietrog nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Troggehäuse (1) nach der Bestückung mit Batteriezellen (2) und der Herstellung der Zellverspannung mit einem Troggehäusedeckel (17) abgedeckt ist.
Batterietrog nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils seitlich an die Prallplatten (6, 7) anschließend ein Deformations-Element (18, 19) in der Art einer Crashbox angeordnet ist, das sich vorzugsweise über die gesamte Fläche der zugeordneten Prallplatte (6, 7) erstreckt.
Batterietrog nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterietrog (20) in einem Elektrofahrzeug (3) im Bereich unter den Frontsitzen angeordnet ist und sich seitlich jeweils über die Deformationselemente (18, 19) an Seitenschwellern (22, 23) der Karosserie (21) abstützt.
Batterietrog nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (4) des Troggehäuses (1) als Kühlplatte ausgebildet ist.