DE102012218809A1

DE102012218809A1 - Elektrofahrzeug mit wechselbarer Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102012218809A1
Application number: DE102012218809A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Osterlänger; Verena Bräutigam; Wolfgang Döppling
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug (1) mit einem unterbodenseitigen Bauraum und einer in dem unterbodenseitigen Bauraum gehalterten, wechselbaren Traktionsbatterie (2), wobei an der Traktionsbatterie (2) Zentrierstifte (3, 5, 6, 7, 8) angeordnet sind, die im gehalterten Zustand in entsprechende Zentrierhülsen (4) im unterbodenseitigen Bauraum des Elektrofahrzeugs (1) eingeführt sind. Eine sichere Fixierung der Traktionsbatterie (2) im unterbodenseitigen Bauraum gelingt dadurch, dass die Zentrierstifte (3, 5, 6, 7, 8) einen sich axial erstreckenden Einführungsbereich mit einem in axialer Richtung konstanten ersten Stiftdurchmesser und einen daran angrenzenden Fixierbereich (9) mit einem in axialer Richtung konstanten zweiten Stiftdurchmesser aufweisen, der größer als der erste Durchmesser ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer wechselbaren Traktionsbatterie und einer Einrichtung zum Fixieren der Traktionsbatterie in einem unterbodenseitigen Bauraum des Fahrzeugs.
Im Zuge der Verknappung fossiler Energieträger und einer verstärkten Schadstoffbelastung durch die weltweite Zunahme des Individualverkehrs gewinnen elektrische Antriebskonzepte für Kraftfahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Einem flächendeckenden Einzug elektrisch betriebener Fahrzeuge stehen jedoch derzeit die hohen Kosten der zur Energiespeicherung benötigten Batterie entgegen sowie deren begrenzte Speicherkapazität und ihre im Vergleich zu einem Tankvorgang lange Ladedauer. Insbesondere die fehlende Eignung rein elektrisch betriebener Fahrzeuge für den Langstreckenverkehr begründet die derzeit noch fehlende Akzeptanz im Markt.
Ein Ansatz zur Ertüchtigung elektrisch betriebener Fahrzeuge für den Langstreckenverkehr stellt das in der US 2009082957 A1 offenbarte Batteriewechselsystem dar. Hiernach werden Fahrzeuge mit Wechselakkus ausgestattet, die in einem flächendeckenden Netz von Batteriewechselstationen gegen voll aufgeladene Akkus ausgetauscht werden können, sobald sich ihr Ladezustand dem Ende zuneigt. Ein derartiger Batteriewechselvorgang lässt sich deutlich schneller als ein Aufladen der Batterie durchführen.
Bei dem in oben genannter Schrift vorgestellten System erwirbt der Fahrer nicht die teure Traktionsbatterie. Hierdurch werden seine anfänglichen Investitionskosten für das Elektrofahrzeug deutlich reduziert, was zu einer erhöhten Kundenakzeptanz führen könnte. Hingegen ist beispielsweise der Betreiber der Wechselstation oder auch ein dritter Serviceprovider Eigentümer der Batterie, der sich über vom Nutzer des Fahrzeuges zu zahlende Nutzungsgebühren finanziert.
Die Attraktivität eines derartigen Systems hängt zum einen von den Kosten der Komponenten ab, die für einen Batteriewechsel auf Seiten einer Batteriewechselstation und des Fahrzeugs bzw. der Batterie benötigt werden. Des Weiteren müssen diese Komponenten einen schnellen Batteriewechsel und gleichzeitig eine sichere Fixierung der Traktionsbatterie im Fahrzeug während des Betriebs ermöglichen.
Aus der US 20100071979 A1 ist ein Batteriewechselsystem bekannt, bei dem die Traktionsbatterie in einer Rahmenkonstruktion gehaltert ist. Am Fahrzeug befinden sich vier Schnappriegel, die über ebenfalls am Fahrzeug befestigte Elektromotoren und diverse Getriebekomponenten betätigt werden. Die Schnappriegel greifen in einen an der Batterie befestigten Bolzen ein, um diese von der Fahrzeugunterbodenseite in das Fahrzeug zu heben und dort zu fixieren.
Die Traktionsbatterie wird hierbei unterbodenseitig in einen Bauraum des Fahrzeugs eingeführt, bevor sie dort mit den Schnappriegeln wie beschrieben fixiert wird. An der Traktionsbatterie sind Zentrierstifte vorgesehen, die in entsprechende Hülsen an der Fahrzeugkarosserie eingreifen, wenn die Batterie in den unterbodenseitigen Bauraum gehoben wird. Auf diese Art und Weise wird die Lage der Traktionsbatterie im unterbodenseitigen Bauraum des Fahrzeugs bestimmt.
Um gewisse Lagetoleranzen bei der Positionierung der Traktionsbatterie vor dem Einführen in den unterbodenseitigen Bauraum zuzulassen, muss die Hülse, in die die Zentrierstifte eindringen, konisch geformt sein. Durch den konischen Einlauf des Bolzens in die Zentrierhülse wird der Abstand zwischen der Anbindestelle des Bolzens zur Führung prinzipbedingt relativ groß. Wenn nun durch die Zentrierung Querkräfte aus dem Fahrbetrieb aufgenommen werden sollen, erweist sich dieser Abstand als schädlich und führt durch den großen Hebelarm schnell zur Verformung derselben.
Andererseits ist es jedoch wünschenswert, der Zentrierung die Aufgabe, Querkräfte aufnehmen zu können, mit zu übertragen, damit eine zur Batteriefixierung vorgesehene Einrichtung vornehmlich nur noch Kräfte in vertikaler Richtung aufnehmen muss. In der horizontalen Ebene entlastet hingegen die Zentrierung eine solche Fixiereinrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Traktionsbatterie in einem derartigen Elektrofahrzeug auch unter hohen Querkräften sicher zu fixieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Alternativ wird die Aufgabe durch ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 2 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß umfassen die Zentrierstifte zwei Bereiche, die in axialer Richtung betrachtet aneinander angrenzen. Diese beiden Bereiche unterscheiden sich durch ihren Durchmesser. Beim Einführen der Traktionsbatterie in den unterbodenseitigen Bauraum dringt zunächst der Einführungsbereich des Zentrierstiftes in die entsprechende Zentrierhülse ein. Der Einführungsbereich besitzt einen geringeren Stiftdurchmesser als der beim weiteren Einführen der Traktionsbatterie folgende Fixierbereich. Der Fixierbereich bildet schließlich, im Gegensatz zum Einführungsbereich, eine spielfreie Passung mit der Zentrierhülse und nimmt daher in horizontaler Richtung Querkräfte auf. Er bewirkt somit eine Entlastung einer weiteren Klemmvorrichtung, die zur Fixierung der Traktionsbatterie im unterbodenseitigen Bauraum notwendig ist und die Halterung der Traktionsbatterie vornehmlich gegen vertikal wirkende Kräfte ermöglicht.
Die Traktionsbatterie muss damit nicht mehr durch reinen Kraftschluss gehalten werden, wie er beispielsweise durch die aus dem zitierten Stand der Technik bekannte Schnappriegelkonstruktion bewirkt wird.
Zum Beispiel müsste die Klemmkraft einer 400 kg schweren Batterie bei 4 Klemmmodulen und einem Reibbeiwert von 0,1 eine sehr große Vorspannkraft aufbringen, um beispielsweise eine Beschleunigung von 10g verrutschsicher festzuhalten.
Eine solche Kraft berechnet sich wie folgt: F = 400 kg × 9,81 m/s² × 10/4/µ = 108.000 N
Hierbei ist zu beachten, dass die Batterie in der horizontalen Ebene toleranzbedingt mit Spiel zum Fahrzeug ausgestattet sein muss. Es soll bis zu dieser 10g Beschleunigung jegliches Verrutschen verhindert werden, da dies Einfluss auf die Fahrstabilität, die Anschlüsse und schließlich auch das Fahrgeräusch verursacht. Die maximale Abweichung der Batterie zum Fahrzeug vor dem Einführen kann z. B. einen Wert von 25 mm betragen. Daraus ergibt sich eine Positionstoleranz von 50 mm. Hierbei müsste ein Einführkonus bei einer rein einstufigen Ausbildung des Zentrierstiftes entsprechend groß ausgeführt werden.
Durch die zweistufige Ausführung der erfindungsgemäßen Zentrierstifte wird hingegen erreicht, dass zuerst der dünnere Stiftbereich Kontakt mit der Zentrierbuchse hat und die Batterie beim Fügen zum Fahrzeug derart zentriert, dass kurz nach erfolgter Zentrierung die Steckkontakte für Strom- und Kühlanschluss gut vorzentriert ebenfalls einspuren können, ohne Schaden zu nehmen. Die zweite Stufe, der Zentrierbereich, ist hingegen wesentlich dicker gestaltet und greift erst am Ende des Einführungsweges kurz vor dem Endanschlag im Fahrzeug. Dadurch entsteht ein deutlich geringerer Hebelarm im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten einstufigen Variante und es können hohe Querkräfte ohne Verformung der Zentrierstifte übertragen werden.
In vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung können die Zentrierstifte als Hohlteile ausgebildet sein, wodurch Masse eingespart wird, ohne signifikant an Festigkeit zu verlieren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Elektrofahrzeug mindestens zwei Zentrierstifte mit kreisförmigen Querschnittsflächen im Einführungs- und Zentrierbereich und mindestens zwei Zentrierstifte mit ovalen, insbesondere elliptischen Querschnittsflächen im Einführungs- und Zentrierbereich, wobei der maximale Durchmesser der ovalen, insbesondere elliptischen Querschnittsfläche im Einführungsbereich dem ersten Stiftdurchmesser im Wesentlichen entspricht und der maximale Durchmesser der ovalen, insbesondere elliptischen Querschnittsfläche im Zentrierbereich dem zweiten Durchmesser im Wesentlichen entspricht.
Wenn die horizontale Ebene durch die orthogonal aufeinanderliegenden Richtungen X und Y definiert ist, nehmen die Zentrierstifte mit kreisförmigen Querschnittsflächen Kräfte sowohl in X- als auch in Y-Richtung auf. Hingegen nehmen die oval ausgebildeten Zentrierstifte nur Kräfte spielfrei in X-Richtung auf, um Überbestimmtheiten zu vermeiden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Wirkungsgleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 ein Elektrofahrzeug, in das unterbodenseitig eine wechselbare Traktionsbatterie eingeführt wird,
2 einen einstufigen Zentrierstift im Vergleich zu einem zweistufigen Zentrierstift gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
3 einen zweistufigen Zentrierstift mit runder Querschnittsfläche in einer Zentrierbuchse,
4 einen zweistufigen Zentrierstift mit ovaler Querschnittsfläche in einer Zentrierbuchse und
5–7 einen Einführvorgang eines zweistufigen Zentrierstiftes in eine Zentrierbuchse.
1 zeigt ein Elektrofahrzeug 1, in das unterbodenseitig eine wechselbare Traktionsbatterie 2 eingeführt wird. Unter dem Begriff Traktionsbatterie 2 wird hier sowie in der gesamten Anmeldung nicht nur die rein elektrochemische Einheit der Batterie verstanden, sondern auch eine hiermit verbundene mechanische Trägereinheit zusammen mit besagter Batterie.
An der Traktionsbatterie 2 befinden sich Zentrierstifte 3, die beim Einführen der Batterie in entsprechende Zentrierhülsen 4 eindringen, die sich an dem Fahrzeugchassis befinden. Nicht dargestellt in 1 sind ferner notwendige Verspannvorrichtungen, die die Traktionsbatterie 2 nach ihrem Einführen in den unterbodenseitigen Bauraum des Elektrofahrzeugs 1 in vertikaler Richtung gegen ein Herausfallen sichern.
2 zeigt einen einstufigen Zentrierstift 5 im Vergleich zu einem zweistufigen Zentrierstift 6 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist für beide Zentrierstifte 5, 6 ein Vorgang, bei dem diese in eine Zentrierhülse 4 mit konischem Innendurchmesser eindringen. Es ist deutlich zu erkennen, dass der einstufige Zentrierstift 5 in nahezu seiner gesamten Länge nahezu spielfrei am schmalsten Innendurchmesser der Zentrierhülse 4 anliegt. Hingegen verläuft der größte Teil des Einführganges beim zweistufigen Zentrierstift 6 unter erheblichem Spiel, da besagter zweistufiger Zentrierstift 6 im oberen Einführbereich einen deutlich schmaleren Durchmesser seiner Querschnittsfläche aufweist als die Zentrierhülse 4 an ihrer engsten Stelle. Die spielfreie Passung zwischen dem zweistufigen Zentrierstift 6 und der Zentrierhülse 4 tritt erst ein, wenn der Zentrierstift 6 nahezu vollständig in die Zentrierhülse 4 eingeführt ist.
3 zeigt einen zweistufigen Zentrierstift 7 mit runder Querschnittsfläche in einer Zentrierbuchse 4. Der Zentrierstift 7 ist hohl ausgebildet, wodurch Masse gespart wird, ohne signifikant die Stabilität des Zentrierstiftes 7 zu reduzieren. Aufgrund der runden Querschnittsfläche des Zentrierstiftes 7 werden in beiden horizontalen Richtungen (X- und Y-Richtung) Kräfte spielfrei aufgenommen, sobald der Zentrierstift 7 komplett in die Zentrierhülse 4 eingeführt ist und somit dessen Zentrierbereich mit dem großen Durchmesser an der Zentrierhülse 4 anliegt.
Von derartigen Zentrierstiften 7 sind bei einem Elektrofahrzeug vorteilhafterweise zwei vorgesehen, wobei zwei weitere Zentrierstifte vorzugsweise vorzusehen sind, die eine ovale Querschnittsfläche, vorzugsweise eine elliptische, aufweisen, wie sie in 4 dargestellt ist. In der dargestellten Schnittdarstellung ist der Zentrierstift 8, der eine ovale Querschnittsfläche aufweist, an einer Stelle geschnitten worden, an der dessen Durchmesser geringer ist als der kleinste Innendurchmesser der Zentrierhülse 4. Ein derartiger Zentrierstift 8 kann Kräfte nur in einer Richtung innerhalb der horizontalen Ebene spielfrei aufnehmen. Durch die Kombination zweier Zentrierstifte mit runder Querschnittsfläche zusammen mit zwei Zentrierstiften mit ovaler Querschnittsfläche wird eine mechanische Überbestimmtheit des Systems vermieden.
Die 5 bis 7 zeigen einen Einführvorgang eines zweistufigen Zentrierstiftes 6 in eine entsprechende Zentrierhülse 4. Hierbei befinden sich beispielsweise insgesamt vier Zentrierstifte 6 an der Traktionsbatterie, während korrespondierende vier Zentrierhülsen 4 an der Fahrzeugkarosserie im Bereich des unterbodenseitigen Bauraums angeordnet sind. Umgekehrt ist aber auch denkbar und von der Erfindung umfasst, dass die Zentrierstifte 6 an der Fahrzeugkarosserie angeordnet sind und in entsprechende Zentrierhülsen 4 der Traktionsbatterie eingreifen.
Die Figuren zeigen deutlich auf, wie sich der im Einführungsbereich sehr schmale Zentrierstift 6 zunächst am äußeren Bereich der Zentrierhülse 4 randseitig einfädelt (5) und anschließend in den Bereich mit großem Durchmesser der Zentrierhülse 4 eindringt (6). In 7 befindet sich der Zentrierstift 6 schließlich komplett innerhalb der Zentrierhülse 4. Sein Zentrierbereich 9 schmiegt sich spielfrei an die Zentrierhülse 4 an und kann somit in horizontaler Richtung Kräfte aufnehmen.
Bezugszeichenliste

1: Elektrofahrzeug
2: Traktionsbatterie
3: Zentrierstift
4: Zentrierhülse
5: Einstufiger Zentrierstift
6: Zweistufiger Zentrierstift
7: Zweistufiger Zentrierstift mit runder Querschnittsfläche
8: Zweistufiger Zentrierstift mit ovaler Querschnittsfläche
9: Fixierbereich

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

US 2009082957 A1 [0003]
US 20100071979 A1 [0006]

Claims

Elektrofahrzeug (1) mit • einem unterbodenseitigen Bauraum und • einer in dem unterbodenseitigen Bauraum gehalterten, wechselbaren Traktionsbatterie (2), wobei an der Traktionsbatterie (2) Zentrierstifte (3, 5, 6, 7, 8) angeordnete sind, die im gehalterten Zustand in entsprechende Zentrierhülsen (4) im unterbodenseitigen Bauraum des Elektrofahrzeugs (1) eingeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierstifte (3, 5, 6, 7, 8) einen sich axial erstreckenden Einführungsbereich mit einem in axialer Richtung konstanten ersten Stiftdurchmesser und einen daran angrenzenden Fixierbereich (9) mit einem in axialer Richtung konstanten zweiten Stiftdurchmesser aufweisen, der größer als der erste Durchmesser ist.
Elektrofahrzeug (1) mit • einem unterbodenseitigen Bauraum und • einer in dem unterbodenseitigen Bauraum gehalterten, wechselbaren Traktionsbatterie (2), wobei am unterbodenseitigen Bauraum Zentrierstifte (3, 5, 6, 7, 8)) angeordnete sind, die im gehalterten Zustand in entsprechende Zentrierhülsen (4) der Traktionsbatterie (2) eingeführt sind, wobei die Zentrierstifte (3, 5, 6, 7, 8) einen sich axial erstreckenden Einführungsbereich mit einem in axialer Richtung konstanten ersten Stiftdurchmesser aufweisen und einen daran angrenzenden Fixierbereich (9) mit einem in axialer Richtung konstanten zweiten Stiftdurchmesser aufweist, der größer als der erste Durchmesser ist.
Elektrofahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Innendurchmesser der Zentrierhülse (4) von der der Traktionsbatterie (2) zugewandten Öffnung in Richtung des Inneren der Zentrierhülse (4) abnimmt.
Elektrofahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zentrierstifte (3, 5, 6, 7, 8)) als Hohlteile ausgebildet sind.
Elektrofahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens zwei Zentrierstiften (7) mit kreisförmigen Querschnittsflächen im Einführungs- und Fixierbereich (9) und mindestens zwei Zentrierstiften (8) mit ovalen, insbesondere elliptischen Querschnittsflächen im Einführungs- und Fixierbereich (9), wobei der maximale Durchmesser der ovalen, insbesondere elliptischen Querschnittsfläche im Einführungsbereich dem ersten Stiftdurchmesser im Wesentlichen entspricht und der maximale Durchmesser der ovalen, insbesondere elliptischen Querschnittsfläche im Fixierbereich (9) dem zweiten Durchmesser im Wesentlichen entspricht.