DE102012000622A1

DE102012000622A1 - Batterieanordnung für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb

Info

Publication number: DE102012000622A1
Application number: DE201210000622
Authority: DE
Inventors: Uwen Malke; Mesut Yurtseven; Hartmut Fley
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-01-14
Filing date: 2012-01-14
Publication date: 2013-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, mit einem Batteriegehäuse (15), in dem crashsensible Batteriezellen (31, 32) angeordnet sind, die insbesondere in der Fahrzeugquerrichtung (y) über einen Zwischenraum (49) voneinander beabstandet sind, und in dem zumindest eine sich insbesondere in der Fahrzeugquerrichtung (y) erstreckende Verstärkungsstrebe (39) angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Verstärkungsstrebe (39) im Bereich des Zwischenraums (49) ein Deformationselement (43) auf, das im Crashfall unter teilweisem Aufbrauch des Zwischenraums (49) um einen Deformationsweg (Δd) verformbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Traktionsbatterie eines Elektro-Fahrzeuges kann ein weitgehend bauteilsteif ausgebildetes Batteriegehäuse mit darin angeordneten crashsensiblen Batteriezellen aufweisen. Diese müssen Seitencrashfall aus Sicherheitsgründen weitgehend deformationsfrei verbleiben. Zusätzlich zu den Batteriezellen sind in den Zwischenräumen zwischen den Batteriezellen weitere Bauteile verbaut, die als nicht crashsensibel einzustufen sind.
Aus der DE 10 2009 035 492 A1 ist eine gattungsgemäße Batterieanordnung bekannt. Diese weist eine äußere, rahmenartige Tragstruktur auf. Bei einem Seitencrashfall kann somit das Batteriegehäuse weitgehend deformationsfrei verbleiben und stellt die Tragstruktur einen Kräftepfad bereit, mit dem die eingeleitete Aufprallenergie auf die crashabgewandte Fahrzeugseite weitergeleitet werden kann. Hierzu weist das Batteriegehäuse zusätzliche Verstärkungsstreben auf, die sich zwischen den Batteriezellen innerhalb des Batteriegehäuses erstrecken.
Zudem sind Deformationselemente bekannt, die außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sind. Die Deformationselemente tragen im Crashfall zu einem Abbau der Aufprallenergie bei. Der hierzu erforderliche Bauraum außerhalb des Batteriegehäuses führt jedoch zu Packageproblemen.
Aus der DE 10 2009 040 598 A1 ist eine Batterieanordnung bekannt, bei der die Deformationselemente innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sind. Auch hier können Packageprobleme entstehen, da die Deformationselemente Bauraum einnehmen, der nicht mehr zur Anordnung von nicht crashsensiblen Bauteilen nutzbar ist, beispielsweise von Steuergeräten, etc..
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batterieanordnung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen, bei der der erforderliche Bauraum reduziert werden kann, ohne die Energieabsorptionsfähigkeit im Crashfall zu beeinträchtigen.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelost. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass innerhalb des Batteriegehäuses in gewissen Bereichen keine Batteriezellen verbaut sind, sondern vielmehr dort nicht crashrelevante Bauteile, etwa Steuergeräte oder ein Abgasanlagen-Kanal verbaut ist. Derartige Zwischenräume zwischen den Batteriezellen verbleiben im Hinblick auf eine verbesserte Energieabsorption erfindungsgemäß nicht mehr ungenutzt. Vielmehr werden in diesen Zwischenräumen zusätzlich Deformationselemente angeordnet, die bei einem Crash-Ereignis, insbesondere bei einem Seitencrash, Aufprallenergie teilweise absorbieren können. Vor diesem Hintergrund ist die sich innerhalb des Batteriegehäuse erstreckende Verstärkungsstrebe nicht mehr bauteilsteif ausgebildet, sondern ist darin zumindest ein Deformationselement integriert, das in dem Zwischenraum angeordnet ist. Im Crashfall kann sich das Deformationselement unter teilweisem Aufbrauch des Zwischenraums um einen Deformationsweg verformen. Auf diese Weise kann gegebenenfalls auf die Anordnung eines Deformationselementes außerhalb des Batteriegehäuses verzichtet werden und somit zusätzlicher freier Bauraum bereitgestellt werden.
Das Deformationselement der Verstärkungsstrebe kann im Hinblick auf einen Seitencrash bevorzugt in der Fahrzeugquerrichtung nachgiebig ausgelegt sein, während es in der Fahrzeughochrichtung und in der Fahrzeuglängsrichtung dagegen steif ausgelegt ist. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass beim Seitencrash das Batteriegehäuse nicht nach unten wegknickt.
In dem Zwischenraum können zusätzlich zum Deformationselement der Verstärkungsstrebe weitere Bauteile verbaut sein. Diese Bauteile sind jedoch im Crashfall, im Gegensatz zu den Batteriezellen, nicht sicherheitsrelevant. Alternativ oder zusätzlich kann das nicht sicherheitsrelevante Bauteil ein Abgasanlagen-Kanal sein, der bei einem Hybridfahrzeug mit Brennkraftmaschine und Elektroantrieb in der Fahrzeuglängsrichtung am Batteriegehäuse der Traktionsbatterie vorbeigeführt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Batteriegehäuse eine äußere rahmenartige Tragstruktur aufweisen, die durch bauteilsteife Profile aufgebaut ist, und zwar mit hinteren und vorderen Querträgern sowie seitlichen Längsträgern, die die Batteriezellen rahmenartig einfassen. Die zumindest eine Verstärkungsstrebe kann hierbei mit Abstand zu den vorderen und hinteren Querträgern die seitlichen Längsträger des Batteriegehäuses überbrücken. Auf diese Weise sind die in der Fahrzeuglängsrichtung vorderen und hinteren Bereiche des Batteriegehäuses nach wie vor bauteilsteif ausgeführt, während der in der Fahrzeuglängsrichtung mittlere Bereich im Crashfall nachgiebig ausgeführt ist. Die Verstärkungsstrebe kann beispielsweise durch Befestigungsbolzen oder durch Verschweißung an den seitlich gegenüberliegenden Längsträgern des Batteriegehäuses befestigt sein.
Diese Befestigungsstellen können so ausgelegt sein, dass im Crashfall bei Erreichen einer vordefinierten Kraftbeaufschlagung die Befestigung freigegeben wird. Auf diese Weise kann sich die Verstärkungsstrebe über den, vom Deformationselement bereitgestellten Deformationsweg seitlich verlagern. Aus Sicherheitsgründen ist es bevorzugt, wenn sich im Seitencrashfall die Batteriezellen ebenfalls seitlich zumindest teilweise in den freien Zwischenraum hinein verlagern. Hierfür kann die Verstärkungsstrebe nicht unmittelbar, sondern über seitliche Crashplatten an den Batteriegehäuse-Längsträgern befestigt sein. Jede der Crashplatten kann, in der Fahrzeugquerrichtung betrachtet, sämtliche zugewandte Batteriezellen zumindest teilweise überdecken. Im Seitencrashfall kann daher die crashzugewandte Crashplatte die Batteriezellen in den Zwischenraum hinein verschieben.
In einer technischen Realisierung der Erfindung kann das Batteriegehäuse bodenseitig einen in der Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Mitteltunnel aufweisen. Dieser ist durch eine bodenseitige Gehäuse-Ausbuchtung nach oben begrenzt. Durch den Mitteltunnel kann beispielhaft der bereits oben erwähnte Abgasanlagen-Kanal geführt sein. Der Abgasanlagen-Kanal ist dabei über einen Montagefreigang von dem Mitteltunnel beabstandet.
Die Verstärkungsstrebe kann quer über den Mitteltunnel geführt sein. Das Deformationselement der Verstärkungsstrebe kann dabei fluchtend oberhalb des Mitteltunnels angeordnet sein. Wie oben erwähnt, ist eine crashbedingte Verlagerung der Batteriezellen in den Zwischenraum von Vorteil. Damit die Batteriezellen bei einer solchen Verlagerung beschädigungsfrei bleiben, kann die Verstärkungsstrebe durch zwei Tragrahmen aufgebaut sein. In jeder der Tragrahmen kann jeweils eine Batteriezelle angeordnet sein. Die beiden Tragrahmen können unter Zwischenschaltung des Deformationselementes miteinander verbunden sein.
Durch kontrolliert zugelassene Verformungen des Batteriegehäuses können daher Bereiche, die mit nicht crashsensiblen Bauteilen belegt sind, verformt werden und kann somit ein verbessertes Crashverhalten erreicht werden. Wesentlich ist auch die Integration der Batteriezellen-Tragstruktur in das Crashsystem, um Verformungswege in eine für das Crashverhalten relevante Größenordnung und das Kraftniveau im erforderlichen Bereich einzustellen. Das Deformationselement kann anwendungsspezifisch in unterschiedlichen Materialien ausgeführt sein. Durch die Integration der Batteriezellen-Tragstruktur ist zudem eine Gewichtsreduzierung ermöglicht, da auch die crashabgewandte Fahrzeugseite zur Crashperformance beiträgt.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Prinzipdarstellung den Fondbereich eines Fahrzeuges mit einer angedeuteten Rückbank, unter der die Batterieanordnung des Kraftfahrzeuges erkennbar ist;
2 in einer Explosionsdarstellung die Batterieanordnung des Kraftfahrzeuges;
3 Das Batteriegehäuse mit weggelassener Oberschale; und
4 und 5 jeweils Ansichten der Batterieanordnung von oben zur Veranschaulichung der Choreografie bei einem Seitencrash.
In der 1 ist in einer Prinzipdarstellung der Fahrzeug-Fondbereich grob vereinfacht dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich die Bauteile angedeutet, die zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind. So ist in der 1 ein, den Fahrzeuginnenraum bodenseitig begrenzendes Fahrzeug-Bodenblech 1 gezeigt, das im Heckbereich des Fahrzeuges unterhalb einer angedeuteten Rückbank 3 stufenartig nach oben verlagert ist. Dadurch ergibt sich unterhalb der Rückbank 3 auf der, der Fahrbahn zugewandten Seite des Bodenbleches 1 ein Montageraum 5, in dem eine Traktionsbatterie 7 angeordnet ist. Der Montageraum 5 kann nach unten mit einer Abdeckung verschlossen sein.
Im vorliegenden Fall wird von einem Hybridfahrzeug ausgegangen, das neben einem Elektroantrieb mit der zugeordneten Traktionsbatterie 7 eine frontseitige Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage aufweist, deren Abgasanlagen-Kanal 11 bis zur Fahrzeug-Heckseite geführt ist. Der Abgasanlagen-Kanal 11 ist in einem, entlang der Fahrzeuglängsmitte verlaufenden Mitteltunnel 13 verlegt. Dieser ist bis zur heckseitigen Abstufung 9 des Bodenbleches 1 unmittelbar im Bodenblech 1 geformt und in der Fahrzeuglängsrichtung x nach hinten durch eine entsprechend bodenseitige Ausbuchtung im Gehäuse 15 der Traktionsbatterie 7 verlängert.
Das Batteriegehäuse 15 erstreckt sich in der Fahrzeugquerrichtung y bis unmittelbar an die beiden, nur in den 4 und 5 gezeigten Fahrzeug-Längsträgern 17. Zudem ist die Traktionsbatterie 7 über Befestigungskonsolen 19 am Bodenblech 1 des Fahrzeuges befestigt.
Wie aus der Explosionsdarstellung der 2 hervorgeht, ist die Traktionsbatterie mehrteilig aufgebaut und zwar mit einer bauteilsteifen rahmenartigen Tragstruktur 21, die durch ein an den Rahmen-Ecken angefaste Vierkantprofil gebildet ist. Die rahmenartige Tragstruktur 21 weist vordere und hintere Querträgern 22, 23 sowie seitliche Längsträger 24, 25 auf. An den beiden Querträgern 22, 23 sind die Befestigungskonsolen 19 angeformt. In der Fahrzeugquerrichtung y in etwa mittig sind die beiden Querträger 22, 23 über Längsstreben 27 miteinander verbunden. Die so gebildete Tragstruktur 21 ist außenseitig an einer Gehäuse-Unterschale 27 des Batteriegehäuses 15 angeordnet, die zusammen mit einer Gehäuse-Oberschale 29 (1) einen nach außen hermetisch verschlossenen Batterieraum begrenzt, in dem die Batteriezellen 31, 32 angeordnet sind.
Wie aus den 2 und 3 hervorgeht, ist der Batterieraum in zwei rechts und links des Mitteltunnels 13 gebildete Segmente 33, 34 (2) aufgeteilt, in denen jeweils zwei der Batteriezellen 31, 32 hintereinander angeordnet sind. Der Mitteltunnel 13 des Abgasanlagen-Kanals 11 ist dabei durch eine bodenseitige Aufwölbung 37 in der Gehäuse-Unterschale 27 gebildet. Der Abgasanlagen-Kanal 11 verlauft dabei zwischen den beiden Längsstreben 27, die zusammen mit dem Kanal 11 in Fahrzeuglängsrichtung x durch die Aufwölbung 37 geführt ist.
Im eingebauten Zustand sind die beiden Längsträger 24, 25 der Tragstruktur 21 über zwei zusätzliche, quer verlaufende Verstärkungsstreben 39 miteinander verbunden. Die Verstärkungsstreben 39 erstrecken sich durch den Batterieraum quer über die Aufwölbung 37. Jede der Verstärkungsstreben 39 ist als ein Modulträger ausgeführt, der zwei bauteilsteife Tragrahmen 41 aufweist, in denen jeweils eine der Batteriezellen 31, 32 gehaltert ist. Die Tragrahmen 41 der Verstärkungsstreben 39 sind unter Zwischenschaltung eines Deformationselementes 43 miteinander verbunden. Die Deformationselemente 43 sind im Gegensatz zu den Tragrahmen 41 der Verstärkungsstreben 39 in der Fahrzeugquerrichtung y nachgiebig ausgelegt.
In der Einbaulage sind die Deformationselemente 43 der Verstärkungsstreben 39 fluchtend oberhalb der den Mitteltunnel 13 bildenden Gehäuse-Aufwölbung 37 angeordnet. Im Fahrbetrieb erfolgt über den entlang der Gehäuse-Aufwölbung 37 geführten Abgasanlagen-Kanal 11 ein Wärmeeintrag in den Batterieraum der Traktionsbatterie 7. Damit dieser Wärmeeintrag nicht die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen 31, 32 beeinträchtigt, sind in dem, Zwischenraum 49 oberhalb der Aufwölbung 37 keine Batteriezellen vorgesehen. Der im mittleren Bereich des Batteriegehäuses 15 befindliche Zwischenraum 49 bleibt daher frei, um dort eine Abkühlung durch Luftumwälzung zu erreichen. Vielmehr wird erfindungsgemäß der freie Zwischenraum 49 durch die Deformationselemente 43 der Verstärkungsstreben 39 belegt. Die beiden Verstärkungsstreben 39 sind seitlich außen jeweils an Crashplatten 51 miteinander verbunden. Die Crashplatten 51 sind wiederum an Befestigungspunkten 53 an den Längsträgern 24, 25 der Traktionsbatterie 7 befestigt.
Nachfolgend wird das Crashverhalten der so gebildeten Traktionsbatterie 7 anhand der 4 und 5 erläutert. So wird gemäß der 5 bei einem Seitencrash aufgrund des Aufprallimpulses A die crashzugewandte Crashplatte 51 aus ihrer Verankerung 53 gelöst und erfolgt über die Crashplatte 51 eine Krafteinleitung, bei der der Aufprallimpuls A in der Fahrzeugquerrichtung y bis zur crashabgewandten Fahrzeugseite geführt wird. Dadurch werden die Deformationselemente 43 unter teilweisem Abbau der Aufprallenergie um einen Deformationsweg Δd bis auf eine Restblocklänge (5) verformt und wird der verbleibende Kraftanteil bis zur crashabgewandten Crashplatte 51 weitergeleitet. Die in der 5 rechten Tragrahmen 41 werden dabei zusammen mit den darin gehalterten Batteriezellen 32 unter teilweisem Aufbrauch des Zwischenraums 49 nach links verschoben.
Der Verlagerungsweg ist dabei so ausgelegt, dass eine Deformierung sowie eine Berührung der in der Fahrzeugquerrichtung y gegenüberliegenden Batteriezellen 31; 32 im Crashfall weitgehend ausgeschlossen ist. Auf diese Weise wird im Seitencrashfall lediglich der Abgasanlagen-Kanal 11 oder gegebenenfalls die nur in der 4 angedeuteten, nicht crashsensiblen Bauteile 55 beschädigt, während die crashsensiblen Bauteile 31, 33 unbeschädigt verbleiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009035492 A1 [0003]
DE 102009040598 A1 [0005]

Claims

Batterieanordnung für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, mit einem Batteriegehäuse (15), in dem crashsensible Batteriezellen (31, 32) angeordnet sind, die insbesondere in der Fahrzeugquerrichtung (y) über einen Zwischenraum (49) voneinander beabstandet sind, und in dem zumindest eine sich insbesondere in der Fahrzeugquerrichtung (y) erstreckende Verstärkungsstrebe (39) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrebe (39) im Bereich des Zwischenraums (49) ein Deformationselement (43) aufweist, das im Crashfall unter teilweisem Aufbrauch des Zwischenraums (49) um einen Deformationsweg (Δd) verformbar ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement (43) der Verstärkungsstrebe (39) in der Fahrzeugquerrichtung (y) nachgiebig und in der Fahrzeughochrichtung (z) sowie in der Fahrzeuglängsrichtung (x) steif ausgelegt ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (47) zusätzlich zum Deformationselement (43) mit Bauteilen belegt ist, die im Crashfall im Gegensatz zu den Batteriezellen (31, 32) nicht sicherheitsrelevant sind, etwa ein Abgasanlagen-Kanal (11), der in der Fahrzeuglängsrichtung (x) am Batteriegehäuse (15) vorbeigeführt ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (15) eine äußere rahmenartige Tragstruktur (20) mit vorderen und hinteren Querträgern (22, 23) und mit seitlichen Längsträgern (24, 25) aufweist, die die Batteriezellen (31, 32) rahmenartig einfassen.
Batterieanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrebe (39) mit Abstand zu den vorderen und hinteren Querträgern (22, 23) die seitlichen Längsträger (24, 25) des Batteriegehäuses (15) überbrückt, und dass insbesondere eine Befestigung (53) der Verstärkungsstrebe (39) an den Längsträgern (24, 25) im Crashfall bei Erreichen einer vordefinierten Kraftbeaufschlagung (A) freigebbar ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrebe (39) über seitliche Crashplatten (51) an dem Gehäuse (24, 25) befestigt ist, und dass insbesondere jede der Crashplatten (51) jede der in der Fahrzeuglängsrichtung (x) hintereinander angeordneten Batteriezellen (31, 32) in der Fahrzeugquerrichtung (y) betrachtet zumindest teilweise überdeckt.
Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (15) bodenseitig einen in der Fahrzeuglängsrichtung (x) verlaufenden Mitteltunnel (13) aufweist, durch den insbesondere ein Abgasanlagen-Kanal (11) führbar ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Mitteltunnel (13) begrenzende Gehause-Aufwölbung (37) das Batteriegehäuse (15) in der Fahrzeugquerrichtung (y) unter Bildung des Zwischenraums (49) in Teilsegmente (33, 34) aufteilt, in denen jeweils Batteriezellen (31, 32) angeordnet sind.
Batterieanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrebe (39) quer über den Mitteltunnel (13) geführt ist, und dass insbesondere das Deformationselement (43) fluchtend oberhalb des Mitteltunnels (13) angeordnet ist.
Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrebe (39) zwei Tragrahmen (41) aufweist, in denen jeweils eine Batteriezelle (31, 32) angeordnet ist, und dass insbesondere die beiden Tragrahmen (41) unter Zwischenschaltung des Deformationselements (43) miteinander verbunden sind.