DE102012017879A1

DE102012017879A1 - Batterieanordnung in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012017879A1
Application number: DE201210017879
Authority: DE
Inventors: Hartmut Fley; Manuel Hentrich; Mesut Yurtseven; Uwen Malke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung in einem Fahrzeug, mit einer Traktionsbatterie (19), die am Fahrzeugrohbau (14) über zumindest einen Halter (18) fest angebunden ist, und einem Führungsmittel, mit dem die Traktionsbatterie (19) im Seitencrashfall in der Fahrzeugquerrichtung (y) verlagerbar ist. Erfindungsgemäß ist zur Ausbildung des Führungsmittels der Halter (18) in vordefinierter Weise in der Fahrzeugquerrichtung (y) plastisch defomierbar gestaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Halter für eine solche Batterieanordnung nach dem Patentanspruch 10.
Die Fahrzeugbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges kann sich beispielhaft unterhalb der Rücksitzbank in der Fahrzeugquerrichtung erstrecken. Entsprechend crashempfindlich ist die Traktionsbatterie bei einer Seitenkollision, etwa einem Pfahlcrash oder dergleichen.
Zum Schutz vor einer solchen Seitenkollision kann die Traktionsbatterie eine äußerst bauteilsteife, käfigartige Trägerstruktur mit Längs- und Querstreben aufweisen. Die Trägerstruktur der Traktionsbatterie ist dabei in steifer Anbindung mit den seitlichen Fahrzeug-Längsträgern. Dadurch wird im Seitenkollisionsfall ein Querkraft-Lastpfad bereitgestellt, der unter Überbrückung der crashempfindlichen Speicherzellen der Traktionsbatterie die Seitenaufprall-Energie vom crashzugewandten Längsträgerin die der Fahrzeugquerrichtung zum crashabgewandten Längsträger leitet.
Im weiteren Kollisionsverlauf kann aufgrund der fortschreitenden Deformation des crashzugewandten Längsträgers auch die Traktionsbatterie mitsamt Trägerstruktur querverlagert werden. Bei einer solchen Querverlagerung der Traktionsbatterie besteht das Risiko, dass sich die Traktionsbatterie bei der Querverlagerung verkantet und dadurch einer Intrusion ausgesetzt ist, wodurch die Traktionsbatterie im schlimmsten Fall beschädigt werden kann.
Aus der DE 10 2010 012 111 A1 ist eine Batterieanordnung bekannt, bei der die Traktionsbatterie über Verbindungsbauteile an den seitlichen Fahrzeug-Längsträgern fixiert ist. Eine aus einer Seitenkollision resultierende Kollisionskraft wird vom crashzugewandten Längsträger über die Traktionsbatterie auf den crashabgewandten Längsträger übertragen. Aus der DE 10 2010 012 109 A1 ist eine gattungsgemäße Batterieanordnung bekannt, bei der die Traktionsbatterie im Seitencrashfall in der Fahrzeugquerrichtung verlagerbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batterieanordnung in einem Fahrzeug bereitzustellen, bei der im Falle einer Seitenkollision die Crashsicherheit der Traktionsbatterie in einfacher Weise erhöht ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Der Erfindung liegt der Sachverhalt zugrunde, dass im Seitencrashfall die Traktionsbatterie aus ihrer Ruheposition verlagerbar ist und dadurch die mögliche Deformationszone vergrößert wird, wobei gleichzeitig auch die Deformationszone auf der crashabgewandten Seite genutzt werden soll. Es hat sich gezeigt, dass bei einer unfallbedingten Querverlagerung der Traktionsbatterie es zu einem Verkanten kommen kann, bei der die Traktionsbatterie einer Intrusion ausgesetzt sein kann und bei der es zu unzulässig hohen Beschleunigungen der Zellen der Traktionsbatterie kommen kann. Vor diesem Hintergrund ist der, die Traktionsbatterie am Fahrzeugrohbau befestigende Halter als Führungsmittel ausgebildet, der in vordefinierter Weise im Seitencrashfall in der Fahrzeugquerrichtung plastisch deformierbar gestaltet ist. Gleichzeitig ist der Halter in der Fahrzeughochrichtung und in der Fahrzeuglängsrichtung dagegen bauteilsteif ausgeführt. Auf diese Weise wird ein in der Fahrzeugquerrichtung biegsamer Halter bereitgestellt, mit dem die Traktionsbatterie im Seitencrashfall betriebssicher querverlagert werden kann.
Um eine verkantungsfreie Querverlagerung im Seitencrashfall zu unterstützen, ist es von Vorteil, wenn der Halter die Traktionsbatterie mit einem in der Fahrzeuglängsrichtung vor und/oder nach der Traktionsbatterie angeordneten Querträger verbindet. Besonders bevorzugt ist die Traktionsbatterie mit einem außenseitig umlaufenden, bauteilsteifen Halterahmen versehen, der über den Halter an dem Querträger befestigt ist. Für eine weitere Unterstützung der unfallbedingten Querverlagerung ist es von Vorteil, wenn die Traktionsbatterie in der Fahrzeuglängsrichtung sowohl mit einem vorderen Querträger als auch mit dem hinteren Querträger verbunden ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Halter technisch durch einen geschlossenen Tragrahmen realisiert sein, der in der Einbaulage eine obere und eine untere; horizontale Leiste aufweist, die über vertikale Rahmenleisten miteinander verbunden sind. Die von den Rahmenleisten begrenzte, fensterartige Ausnehmung ist in der Normallage in einer zur Fahrzeuglängsrichtung gelegenen Querebene angeordnet. Die obere Rahmenleiste des Halters kann hierbei am Fahrzeugrohbau, zum Beispiel an einem vorderen/hinteren Querträger, befestigt sein. Die Traktionsbatterie kann dagegen in einem Abstand von der oberen Rahmenleiste an den beiden vertikalen Rahmenleisten befestigt sein. Hierzu können an den vertikalen Rahmenleisten Blechlaschen angeformt sein, die in Schweißverbindung mit dem umlaufenden Tragrahmen der Traktionsbatterie sind. Bevorzugt kann der Halter ein Blechformteil sein, dass durch Blechumformung sowie durch Stanzen bearbeitetist.
Im Seitencrashfall kann der oben beschriebene Tragrahmen des Halters nach eines Parallelogramms in der Fahrzeugquerrichtung plastisch deformierbar sein. In diesem Fall wird beider Parallelogramm-Bewegung die untere horizontale Rahmenleiste zusammen mit den beiden vertikalen Rahmenleisten mit Bezug auf die ortsfest am Fahrzeugrohbau befestigte obere horizontale Rahmenleiste verlagert, und zwar in der oben erwähnten Querebene. Auf diese Weise ergibt sich ein in der Fahrzeugquerrichtung aufgezwungener Verlagerungsweg.
Zur betriebssicheren Befestigung am Fahrzeugrohbau kann die obere vertikale Rahmenleiste des Halters an einer Übergangskante in eine Basisplatte übergehen. Die Basisplatte ist in der Einbaulage horizontal ausgerichtet und zum Beispiel durch Schraubverbindung am vorderen/hinteren Querträger befestigt. Zur weiteren Unterstützung der unfallbedingten Querverlagerung sowie zur zusätzlichen Aussteifung in der Fahrzeughochrichtung und in der Fahrzeuglängsrichtung können die beiden vertikalen Rahmenleisten Wandabschnitte sein, die sich ausgehend von der unteren horizontalen Rahmenleiste keilförmig nach oben ausweiten und an Seitenkanten in die horizontale Basisplatte übergehen.
Für einen Abbau der Aufprallenergie beim Seitencrash ist es bevorzugt, wenn die Traktionsbatterie in der Fahrzeugquerrichtung zwischen Deformationselementen gehalten ist. Die Deformationselemente sind wiederum an seitlich äußeren Karosserie-Längsträgern des Fahrzeuges abgestützt. Auf diese Weise kann das jeweils crashabgewandte Deformationselement in dem Abbau der Aufprallenergie mit einbezogen werden beziehungsweise die Energieabsorption vorteilhaft gesteigert werden. Daraus resultiert, dass bei konstruktiv gegebener Karosseriestruktur eine Traktionsbatterie größerer Breite und Kapazität verbaut werden kann, da die erforderlichen Verformungswege im Crashfall sich auf in Fahrzeugquerrichtung gegenüberliegenden Deformationselemente verteilen. Die beiden Deformationselemente sind dabei konstruktiv so auszulegen, dass die Traktionsbatterie bei normalem Fahrbetrieb beziehungsweise Querbeschleunigungen sicher gehalten ist, also nicht verlagert wird.
Zur Aufrechterhaltung einer sicheren Position der Traktionsbatterie können zudem die Deformationselemente in der Hochrichtung und in der Längsrichtung des Fahrzeuges steifer als in der Querrichtung ausgelegt sein. Insbesondere können die Deformationselemente durch eine Wabenstruktur gebildet sein. Die Wabenstruktur weist, in der Draufsicht gesehen wabenförmige, hochkant ausgerichtete sowie untereinander verbundene Metallbänder auf, die fertigungstechnisch einfach und besonders gewichtsgünstig ausführbar sind. Dabei können sich die Deformationselemente im Wesentlichen über die gesamte Länge des Traktionsbatterie-Rahmens erstrecken. Dadurch können auch schräg zur Querrichtung gerichtete Aufprallkräfte mit großer Abstützbasis aufgenommen werden und in die Karosseriestruktur wirksam eingeleitet werden.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegeben vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber 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 Ansicht von oben eine stark vereinfachte Übersichtsskizze eines Personenkraftfahrzeuges mit einer tragenden Karosseriestruktur mit einem Unterboden, seitlichen Schwellern und diversen Querträgern sowie mit einer in einem Rahmen gelagerten Traktionsbatterie, die über seitliche Deformationselemente abgestützt ist;
2 in einer vergrößerten, perspektivischen Teilansicht die in der Fahrzeugkarosserie gehaltene Batterieanordnung;
3 in einer perspektivischen Alleinstellung einen Halter der Batterieanordnung;
4 bis 6 jeweils unterschiedliche Ansichten des Halters;
7 und 8 jeweils vergrößerte Detailansichten im Normalbetrieb sowie bei einem Seitencrash.
In der 1 ist skizzenhaft ein Personenkraftfahrzeug 1 dargestellt, das eine tragende Karosseriestruktur mit u. a. einem Vorbau 2, einem Heckteil 3 und einem mittleren Unterboden 4 mit seitlichen Schwellern 5 aufweist. Zwischen den vorderen und hinteren Stoßfänger-Querträgern 6 des Vorbaus 2 bzw. des Heckteils 3 und den angrenzenden Längsträgern 7 sind Deformationselemente 8 bekannter Bauart (nur durch Striche angedeutet) eingesetzt, die insbesondere bei einem Frontalcrash oder Heckcrash des PKW die insbesondere in Längsrichtung auftretenden Aufprallkräfte absorbieren.
Im Vorbau 2 ist ein verbrennungsmotorisches Antriebsaggregat 9 zum Antrieb der Räder 10 der Vorderachse des PKW angeordnet. Die Räder 11 der Hinterachse des PKW sind elektrisch angetrieben.
Die zum elektrischen Antrieb erforderliche Traktionsbatterie 19 mit Kühleinrichtungen und Stromführungen (zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie, nicht dargestellt) ist hinter den nur angedeuteten Vordersitzen VS des PKW 1 am Unterboden 4 angeordnet. Die Traktionsbatterie 19 ist dazu in einem quadratischen oder rechteckförmigen, biegesteifen und tragenden Rahmen 12 aufgenommen, der über seitliche Deformationselemente 13 gehalten ist.
Der Rahmen 12 weist neben dem durch die Deformationselemente 13 überbrückten Freiraum (Deformationsweg) zu den seitlichen Schwellern 5 einen Freiraum 17 in Längsrichtung x zu vor und hinter dem Rahmen 12 positionierten, am Unterboden 4 vorgesehenen Querträgern 14 auf. Dieser Freiraum 17 ist durch zwei vordere Halter 18 und zwei hintere Halter 18 überbrückt.
Die Deformationselemente 13 (2) setzen sich jeweils aus wabenförmig ausgebildeten, miteinander verschweißten Bändern 13a und einem umlaufenden Band 13b zusammen, die stehend ausgerichtet zwischen dem Rahmen 12 der Traktionsbatterie 19 und den seitlichen Schwellern 5 eingesetzt sind. Die Deformationselemente 13 können sich dabei über nahezu die gesamte Länge des Rahmens 12 erstrecken.
Die Deformationselemente 13 sind ferner konstruktiv so ausgelegt, dass sie in Fahrzeugquerrichtung y weicher und in Fahrzeuglängsrichtung x und Hochrichtung z steifer sind. Damit sind sie vorteilhaft an im regulärem Fahrbetrieb auftretende Belastungen einerseits und an zum Energieabbau in einem Crashfall auftretende Belastungen andererseits gezielt anpassbar.
Die Auslegung ist ferner so, dass neben der tragenden Funktion der Deformationselemente 13 im normalen Fahrbetrieb bei zum Beispiel einem Seitencrash des PKW diese sich unter Abbau der Aufprallenergie gezielt verformen.
Die vier Halter 18 der Batterieanordnung bewirken im Normalbetrieb eine bauteilsteife Anbindung der Traktionsbatterie 19 am Fahrzeugrohbau (das heißt den Querträgern 14). Die Halter 18 sind darüberhinaus geometrisch so ausgebildet, dass sie im später beschriebenen Seitencrashfall (8) als Führungsmittel wirken, die sich in der Fahrzeugquerrichtung y um einen vorgegebenen Verlagerungsweg d₂ plastisch deformieren, um eine verkantungsfreie Querverlagerung der Traktionsbatterie 19 mit entsprechend begrenzter Querbeschleunigung zu gewährleisten. Hierzu ist jeder der Halter 18 als ein Blechformteil ausgebildet. Das Blechformteil weist gemäß den 3 bis 6 einen geschlossenen Tragrahmen 21 auf, der in der Einbaulage in einer Querebene ausgerichtet ist. Der Tragrahmen 21 weist jeweils eine obere und eine untere horizontale Rahmenleiste 23, 24 sowie vertikale Rahmenleisten 25, 26 auf. Die Rahmenleisten 23 bis 26 begrenzen eine fensterartige Ausnehmung 27. Zudem sind in etwa auf halber Höhe der vertikalen Rahmenleisten 25, 26 nach innen abgewinkelte Blechlaschen 29 angeformt. Die Blechlaschen 29 können in Punktschweißverbindung mit dem umlaufenden bauteilsteifen Halterahmen 12 der Traktionsbatterie 19 sein.
Wie aus der 3 bis 6 ersichtlich ist, geht die obere vertikale Rahmenleiste 23 des Halters 18 an einer Übergangskante 33 in eine, in der Einbaulage horizontal ausgerichtete Basisplatte 35 über. Der Halterahmen 18 bildet somit im Profil einen Befestigungswinkel, bestehend aus der horizontalen Basisplatte 35 und dem vertikal abragenden Tragrahmen 21. Zur weiteren Unterstützung der Querverlagerung sowie zur gleichzeitigen Aussteifung in der Fahrzeughochrichtung z und in der Fahrzeuglängsrichtung x sind die beiden vertikalen Rahmenleisten 25, 26 Wandabschnitte, die sich ausgehend von der unteren horizontalen Rahmenleiste 24 keilförmig nach oben ausweiten und an Seitenkanten 37 materialeinheitlich und einstückig in die horizontale Basisplatte 35 des Halters 18 übergehen.
Nachfolgend ist anhand der 7 und 8 der Crashverlauf bei einem Seitencrash veranschaulicht. So wird mit dem seitlichen Aufprallimpuls (Pfeil F_A) auf das Fahrzeug mit gleichzeitiger Verformung des dem Aufprallimpuls zugewandten Deformationselementes 13 der die Traktionsbatterie 19 tragende bauteilsteife Rahmen 12 um den Deformationsweg d₂ verschoben, wie es in der 8 angedeutet ist. Auf diese Weise wird auch das dem Aufprallimpuls abgewandte Deformationselement 13 zur Wirkung gebracht. Der zum Energieabbau benötigte Deformationsweg kumuliert sich entsprechend, wodurch die Energieaufnahme zudem auf beide Schweller 5 des Fahrzeuges verteilt ist.
Die Tragrahmen 21 der Halter 18 werden im Seitencrashfall nach Art eines Parallelogramms in der Fahrzeugquerrichtung y plastisch deformiert. Aufgrund der speziellen Geometrie der Halter 18 ist gewährleistet, dass die plastische Deformation der Tragrahmen 21 der Halter 18 im Wesentlichen in einer Querebene erfolgt. Auf diese Weise kann ein Verkanten der Traktionsbatterie 19 bei der Querverlagerung zuverlässig verhindert werden.
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 102010012111 A1 [0005]
DE 102010012109 A1 [0005]

Claims

Batterieanordnung in einem Fahrzeug, mit einer Traktionsbatterie (19), die am Fahrzeugrohbau (14) über zumindest einen Halter (18) fest angebunden ist, und einem Führungsmittel, mit dem die Traktionsbatterie (19) im Seitencrashfall in der Fahrzeugquerrichtung (y) verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Führungsmittels der Halter (18) in vordefinierter Weise in der Fahrzeugquerrichtung (y) plastisch deformierbar gestaltet ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (18) in der Fahrzeughoch- und -längsrichtung (z, x) bauteilsteifer gestaltet ist als in der Fahrzeugquerrichtung (y).
Batterieanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (18) die Traktionsbatterie (19) beziehungsweise einen umlaufenden bauteilsteifen Halterahmen (12) der Traktionsbatterie (19) mit einem in der Fahrzeuglängsrichtung (x) vor und/oder nach der Traktionsbatterie (19) angeordneten Querträger (14) verbindet.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (18) einen geschlossene Tragrahmen (21) aufweist, der in Einbaulage eine obere und untere horizontale Leiste (23, 24) sowie vertikale Rahmenleisten (25, 26) aufweist, und dass insbesondere die obere Rahmenleiste (23) am Fahrzeugrohbau (14) befestigt ist und die Traktionsbatterie (19) an den vertikalen Rahmenleisten (25, 26) befestigt ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Seitencrashfall der Tragrahmen (21) des Halters (18) nach Art eines Parallelogramms in der Fahrzeugquerrichtung (y) plastisch deformierbar ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obere horizontale Rahmenleiste (23) des Halters (18) an einer Übergangskante (33) in eine, in Einbaulage horizontale Basisplatte (35) übergeht, die am Querträger (14) befestigt ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Rahmenleisten (25, 26) Wandabschnitte sind, die sich ausgehend von der unteren horizontalen Rahmenleiste (24) keilförmig nach oben ausweiten und an Seitenkanten (37) in die horizontale Basisplatte (35) übergehen.
Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsbatterie (19) in der Fahrzeugquerrichtung (y) zwischen Deformationselementen (13) gehalten ist, die andererseits an seitliche Längsträger (5) des Fahrzeugs abgestützt sind.
Batterieanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationselemente (13) durch in Draufsicht gesehen wabenförmige, stehend ausgerichtete und untereinander verbundene Bänder (13a, 13b) aus Metall gebildet sind.
Halter für eine Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.