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Die Erfindung betrifft einen Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau und ein Herstellverfahren sowie ein Kraftfahrzeug und ein Herstellverfahren für dasselbe.
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Batteriegehäuse für Antriebsbatterien von Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder reinen Elektrofahrzeugen sind schwer und voluminös, wodurch sich bei Einsatz von Kraftfahrzeug-Karosserie-Rohbauten, die ursprünglich für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor vorgesehen sind, Bauraumprobleme ergeben. Ferner werden an einen Aufnahmeort für einen Kraftstofftank andere Anforderungen im Hinblick auf Crashsicherheit und Krafteinleitung in die Rohbaustruktur gestellt als an einen Aufnahmeort für eine Antriebsbatterie. Aufgrund dessen sind Bauraumanforderungen zur Unterbringung der Antriebsbatterie mit den Platzbedarfen konventioneller Karosseriekonzepte nur schwer vereinbar.
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Die Batteriezellen der Antriebsbatterie werden meist in Stacks zusammengefasst und in ein Gehäuse eingebaut, das sowohl mechanische Stabilität gibt als auch sicherstellt, dass keine korrosiven Stoffe aus den Zellen in Kontakt mit dem Rohbau kommen. Das Gehäuse hat nachteilig aber ein hohes Gewicht, was heutigen Leichtbaubestrebungen zuwider läuft.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau zu schaffen, der die gewichtsoptimierte Unterbringung einer Antriebsbatterie ohne Steifigkeitseinbußen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und mit einem Herstellverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, ein Kraftfahrzeug zu schaffen, das unter Verwendung des gleichen Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau-Typs wahlweise elektrisch oder durch Verbrennungsmotor angetrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und mit einem Herstellverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Weiterbildungen der Vorrichtungen und des Herstellverfahrens für den Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus ist in diesen vorteilhaft eine Aufnahmeschale, die zur Aufnahme einer Antriebsbatterie ausgebildet ist, kraftleitend und zur Übernahme struktureller Rohbaufunktionen in den Rohbau gefügt.
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Die Aufnahmeschale trägt durch die Art ihrer Integration in den Rohbau erfindungsgemäß einen Teil der Belastungen im Fahrbetrieb, wobei mit „strukturellen Rohbaufunktionen” etwa Torsionssteifigkeit, Biegesteifigkeit und die im Crashfall benötigte Deformationsfähigkeit gemeint sind. Bei der Konstruktion und Dimensionierung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus kann der Rohbau in dem Bereich, in den die Aufnahmeschale angeordnet wird, gezielt schwächer dimensioniert werden, da die Aufnahmeschale nach dem Einbau mit zur Erfüllung der Rohbaufunktionen beiträgt; man könnte die Aufnahmeschale daher auch als „rohbauintegriert” bezeichnen. Erst durch Zusammenwirkung des Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus mit der gefügten Aufnahmeschale ist der Rohbau vollständig und kann seine Funktion erfüllen. Im Vergleich mit Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbauten, bei denen zur Umrüstung auf Elektroantrieb lediglich nachträglich ein Batteriegehäuse eingesetzt wird ist der erfindungsgemäße Rohbau leichter und hat dennoch eine vergleichbare Steifigkeit.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Aufnahmeschale über einer Hinterachsmulde des Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus vorliegen. Alternativ oder zusätzlich kann der Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau mit der Aufnahmeschale beschichtet sein. Die Positionierung über der Hinterachsmulde ist vorteilhaft, da die Gewichtskraft der in der Aufnahmemulde aufgenommenen Batterien so ohne große Kraftwege direkt zu den Fahrwerkskomponenten geleitet werden kann. Indem die Aufnahmeschale hier vorgesehen wird, kann erreicht werden, dass eine darin aufgenommene Antriebsbatterie weniger Bauraum in Fahrzeughöhenrichtung als bisher benötigt und dadurch das Kofferraumvolumen bzw. Innenraumvolumen nur noch unwesentlich eingeschränkt wird.
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Darüber hinaus kann die Aufnahmeschale einen Abschnitt eines Antriebsbatteriegehäuses bilden. Das Antriebsbatteriegehäuse kann dabei insbesondere dreischalig sein und die Aufnahmeschale eine mittlere Hauptschale und eine obere Hauptschale aufweisen. Die mittlere Hauptschale und die obere Hauptschale können verschweißt, verschraubt, vernagelt, vernietet, verklebt und/oder durchsetzgefügt sein.
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Die Verbindung der mittleren Hauptschale und der oberen Hauptschale ist vorteilhaft, da sie den eigentlichen „Batterieaufnahmeraum” umschließen, wobei durch eine Verbindung der mittleren Hauptschale und der oberen Hauptschale eine Art „Kapselung” der Antriebsbatterie erreicht werden kann, um zu verhindern, dass Feuchte eindringen bzw. Batterieflüssigkeit auslaufen kann. Zum Verschweißen der mittleren Hauptschale und der oberen Hauptschale kann insbesondere Laser- und/oder Widerstandspunktschweißen zum Einsatz kommen. Eine oder mehrere Schalen können wenigstens teilweise aus Metall, etwa einem rostfreien Edelstahl, oder aus einem faserverstärkten Kunststoff, bevorzugt mit einer thermoplastischen oder duroplastischen Matrix, bestehen. Die einzelnen Hauptschalen können auch vorteilhaft aus Werkstoffen unterschiedlicher Werkstoffgruppen gefertigt sein; während für die obere Hauptschale Metall wegen des hohen Elastizitätsmoduls vorteilhaft ist, kann für die mittlere Schale wegen der guten chemischen Beständigkeit, insbesondere gegen Säuren, ein Kunststoff verwendet werden.
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Ferner kann/können einzelne oder alle Aufnahme- oder Hauptschalen wenigstens zwei Teilschalen umfassen, die zusammen die jeweilige Aufnahme- oder Hauptschale bilden. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Aufnahmeschale mit einem oder mehreren Längsträger(n) und/oder Querträger(n) verbunden sein oder die Aufnahmeschale kann an einer Unterseite einen oder mehrere Schalenabschnitt(e) aufweisen, der/die einen Längsträger und/oder Querträger mit bildet/bilden.
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Die Längs- und/oder Querträger dienen dazu, die Steifigkeit des Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus in dem Bereich der Aufnahmeschale zu erhöhen, um dadurch etwa das NVH-Verhalten an gegebene Anforderungen anpassen zu können und/oder die Karosseriesteifigkeit im Bereich der Hinterachse für eine verbesserte Fahrdynamik zu erhöhen.
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Das Herstellverfahren für den erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen der Aufnahmeschale und einer Karosserie-Rohbau-Vorstufe und
- b) zur Übernahme struktureller Rohbaufunktionen kraftleitend Fügen der Aufnahmeschale und der Karosserie-Rohbau-Vorstufe, dadurch Erhalten des Karosserie-Rohbaus.
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Mit Karosserie-Rohbau-Vorstufe ist hierin eine Fertigungsvorstufe des Rohbaus gemeint, die die Aufnahmeschale noch nicht umfasst. Die Aufnahmeschale kann ähnlich wie bekannte Kofferraummulden automatisiert in den Rohbau eingeschweißt werden, so dass keine zusätzlichen Kosten zu erwarten sind.
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Der Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau kann gemäß einer anderen Ausführungsform auch beschichtet werden nachdem die Aufnahmeschale damit verbunden wurde, wodurch auch für die Aufnahmeschale selbst ein guter Korrosionsschutz erreicht werden kann.
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Beim Fügen der Aufnahmeschale können etwa die Fertigungsverfahren Schweißen, bevorzugt Laserschweißen oder Widerstandspunktschweißen und/oder Schrauben und/oder Nageln und oder Durchsetzfügen und/oder Nieten und/oder Kleben zum Einsatz kommen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist einen erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau auf.
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In der Aufnahmeschale kann in einer Ausführungsform ein Batteriemodul einer Antriebsbatterie angeordnet sein, das bevorzugt mehrere Batteriezellen, eine Lade- und/oder Entladeelektronik und elektrische Anschlüsse umfasst. Alternativ kann die Aufnahmeschale mit einem Blinddeckel verschlossen sein, wobei von der Aufnahmeschale und dem Blinddeckel ein Hohlraum umschlossen wird. Alternativ dazu oder zusätzlich kann mit der Aufnahmeschale zumindest ein Fahrzeugteil, bevorzugt ein Fahrwerksteil, kraftleitend verbunden sein.
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Eine Ausführungsform des Kraftfahrzeugs, bei der die Aufnahmeschale mit dem Blinddeckel verschlossen ist, eignet sich auch für den Einsatz ohne Antriebsbatterie mit einem Verbrennungsmotor. Der Blinddeckel kann der Innenkontur der Aufnahmeschale folgen, um so einen äußeren Stauraum zu erhalten, oder es kann ein Kraftstofftank in dem umschlossenen Hohlraum angeordnet werden. Sowohl bei elektrischem Antrieb als auch bei Antrieb durch einen Verbrennungsmotor kann der gleiche Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau verwendet werden, ohne dass größere Umbauten daran nötig wären.
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Das erfindungsgemäße Herstellverfahren für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit Batteriemodul umfasst die Schritte:
- a) Bereitstellen des Batteriemoduls, des Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus mit der Aufnahmeschale, der mittleren Hauptschale und der oberen Hauptschale,
- b) Verbinden der mittleren Hauptschale mit der oberen Hauptschale,
- c) in einer Montagehilfsstellung Montieren des Batteriemoduls an den aus b) erhaltenen Gegenstand,
- d) Verbinden des aus c) erhaltenen Gegenstands mit der unteren Hauptschale.
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Vorteilhaft kann durch die Vormontage in den Schritten b) und c) eine „Package-Anordnung” erreicht werden, die sich für die Fahrzeugmontage am Fließband eignet; die Baueinheit bestehend aus mittlerer und oberer Schale, eingebauter Batterie und eventuell vorzusehender Steuerelektronik und Anschlusskabel kann als Ganzes vormontiert werden, wodurch der Arbeitsablauf am Band beim Einbau nicht verzögert wird, da zur Montage des „Package” nicht mehr Zeit als für die Montage eines Benzintanks notwendig ist.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus,
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2 einen Längsschnitt durch ein mehrschaliges Batteriegehäuse,
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3 einen Querschnitt eines Teils des Batteriegehäuses,
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4 einen Längsschnitt eines Teils des Batteriegehäuses,
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5 einen Querschnitt eines Teils eines anderen Batteriegehäuses,
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6 einen Längsschnitt eines Teils eines anderen Batteriegehäuses.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau 1 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. In einem Innenbereich, der oberhalb der Hinterachsmulde 12 liegt, ist eine Aufnahmeschale 21 fest und kraftleitend mit dem Rohbau 1 verbunden, in der eine Antriebsbatterie aufgenommen werden kann. Erfindungsgemäß kann der Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau 1 in dem Bereich, in dem die Aufnahmeschale 21 vorliegt, schwächer dimensioniert werden als es für die Erfüllung der strukturellen Rohbaufunktionen eigentlich nötig wäre, da die Aufnahmeschale 21 in diesem Bereich einen Teil der Rohbaufunktionen, etwa Bereitstellen von Biege-/Torsionssteifigkeit, NVH-Anpassung oder Bereitstellen von Deformationsraum im Crashfall, von der Aufnahmeschale 21 mit übernommen wird. Die Aufnahmeschale 21 wird von Beginn des Entwicklungsprozesses an mit geplant und zusammen mit den weiteren Komponenten bei der Rohbaufertigung in den Rohbau eingefügt, etwa durch Schweißen. Somit kann ein Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau 1 mit Aufnahmeschale 21 für eine Antriebsbatterie geschaffen werden, der nicht schwerer als ein Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbau ohne Aufnahmeschale ist und dennoch eine mit bekannten Rohbauten vergleichbare Biege- und Torsionssteifigkeit hat.
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Das eigentliche Gehäuse 2 für die Antriebsbatterie wird mit durch die Aufnahmeschale 21 gebildet, wobei zwei weitere Hauptschalen, eine mittlere Hauptschale 22 und eine obere Hauptschale 23, die weiteren Bestandteile sind. Dies ist in dem Längsschnitt durch das Batteriegehäuse 2 der 2 zu sehen. Die mittlere Hauptschale 22 kleidet die Aufnahmeschale 21 quasi aus und kann vorteilhaft aus einem chemisch beständigen Material, etwa Kunststoff, bestehen, um zu verhindern, dass korrosive Stoffe aus den Batteriezellen bei einem Crash oder sonstigen Defekt der Antriebsbatterie in Kontakt mit der Aufnahmeschale kommen, da diese nicht auswechselbarer Teil des Karosserie-Rohbaus ist. Mit der mittleren Hauptschale 22 ist als „Deckel” die obere Hauptschale 23 verbunden, wobei in dem von der mittleren Hauptschale 22 und der oberen Hauptschale 23 gebildeten Aufnahmeraum die Batterie untergebracht wird. Bei der Montage kann das „Package” bestehend aus mittlerer Hauptschale 22, oberer Hauptschale 23, Antriebsbatterie und eventueller Hilfselektronik respektive elektrischer Leitungen als Einheit in die karosseriegebundene Aufnahmeschale 21 eingesetzt werden, wodurch ein damit auszustattendes Kraftfahrzeug auch bei Fließbandmontage mit den üblichen Taktzeiten hergestellt werden kann.
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In 3 ist ein Querschnitt durch das Batteriegehäuse 2 bezüglich der Schnittebene A-A (siehe 1) gezeigt, wobei die gestrichelte Linie die Symmetrieebene ist und zugleich die Längsmittelebene des Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus. Im Bereich der Querkante der Aufnahmeschale 21 sind zwei korrespondierende abgekantete Schalenabschnitte 21', 21'' angeordnet, die zusammen einen Längsträger 3 bilden, der zur zusätzlichen Versteifung des Kraftfahrzeugkarosserie-Rohbaus vorgesehen ist. In 4 ist ein Längsschnitt durch das Batteriegehäuse 2 (siehe 2) gezeigt, das an seiner Unterseite zwei Querträger 4 aufweist, die nicht durch eine Karosserieschale gebildet werden, sondern an der Aufnahmeschale 21 befestigt sind.
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5 zeigt wiederum einen Querschnitt eines anderen Batteriegehäuses, bei dem die Schalenabschnitte 21', 21'' des Längsträgers 3 eine abweichende Form haben. 6 zeigt einen Längsschnitt durch das Batteriegehäuse der 5, wobei die Querträger 4 in dieser Ausführungsform durch Ausformungen der Aufnahmeschale 21 gebildet werden.
