DE102013114317B4

DE102013114317B4 - Batterievorrichtung mit einem Batteriegehäuse für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013114317B4
Application number: DE102013114317.2A
Authority: DE
Inventors: Salvatore Decker
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: DE102013114317A1

Abstract

Batterievorrichtung (1) mit einem Batteriegehäuse (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei in dem Batteriegehäuse (10) mindestens eine Batteriezelle (12) und an dem Batteriegehäuse (10) wenigstens ein als CFK- oder GFK-Verbund aufgebautes Deformationselement (14) zur zumindest teilweisen Aufnahme einer ungewollten äußeren Krafteinwirkung auf das Batteriegehäuse (10) zum Schutz der Batteriezelle (12) angeordnet ist und die Anordnung des Deformationselementes (14) an dem Batteriegehäuse (10) zumindest hinreichend fest ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement (14) eine mehrschichtige Wabenstruktur aus in Kunststoff gegossenem Aluminium aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung mit einem Batteriegehäuse für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung, gemäß dem Anspruch 6.
DE 10 2011 086 050 A1 , DE 10 2012 213 308 A1 , DE 10 2011 051 437 A1 und US 2013 / 0 299 257 A1 offenbaren jeweils eine Batterievorrichtung mit einem Batteriegehäuse für ein Kraftfahrzeug, wobei in dem Batteriegehäuse mindestens eine Batteriezelle und an dem Batteriegehäuse wenigstens ein Deformationselement zur zumindest teilweisen Aufnahme einer ungewollten äußeren Krafteinwirkung auf das Batteriegehäuse zum Schutz der Batteriezelle angeordnet ist und die Anordnung des Deformationselementes an dem Batteriegehäuse zumindest hinreichend fest ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 033 123 A1 ist bekannt, dass ein Batteriegehäuse mit mindestens einer Batteriezelle in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Das Batteriegehäuse ist dabei vor ungewollten Krafteinwirkungen, welche auf das Kraftfahrzeug z.B. im Falle eines Unfalles wirken können, durch ein Betätigungselement geschützt. Das Betätigungselement ist dabei an einem Trägerelement des Kraftfahrzeuges angeordnet und kann die auf das Kraftfahrzeug auftretenden ungewollten Kräfte aufnehmen. Als nachteilig hat sich allerdings herausgestellt, dass eine Dimensionierung des Betätigungselementes, welches an dem Trägerelement des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, für eine bestimmte Dimensionierung eines Batteriegehäuses ausgelegt ist. Dabei ist es denkbar, dass ein für das Betätigungselement überdimensioniertes Batteriegehäuse in das Kraftfahrzeug angeordnet werden kann. Dies birgt ein enormes Sicherheitsrisiko bei der Nutzung des größeren Batteriegehäuses mit dem unterdimensionierten Betätigungselement, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf eine einfache und kostengünstige Art die Betriebssicherheit, die Nutzung eines Batteriegehäuses mit einer Batteriezelle, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zu erhöhen.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1, sowie durch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterievorrichtung, gemäß den Merkmalen des Anspruches 6. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein. Merkmale und Details, die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und umgekehrt.
Ein erster Gegenstand der Erfindung offenbart eine Batterievorrichtung mit einem Batteriegehäuse für ein Kraftfahrzeug. In dem Batteriegehäuse ist mindestens eine Batteriezelle angeordnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an dem Batteriegehäuse wenigstens ein Deformationselement zur zumindest teilweisen Aufnahme einer ungewollten äußeren Krafteinwirkung auf das Batteriegehäuse zum Schutz der Batteriezelle angeordnet ist. Dabei ist die Anordnung des Deformationselements an dem Batteriegehäuse zumindest hinreichend fest. Hinreichend fest bedeutet dabei, dass die räumliche Anordnung von Batteriegehäuse und Deformationselement sich bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Batterievorrichtung nicht ändert. Dabei kann der bestimmungsgemäße Gebrauch der Batterievorrichtung z. B. in einem Kraftfahrzeug erfolgen. So kann die Batterievorrichtung eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug sein. Durch die Anordnung des Deformationselements hinreichend fest an das Batteriegehäuse kann die Anordnung der Batterievorrichtung durch einen Arbeitsschritt mit z. B. dem Kraftfahrzeug erfolgen. So kann ebenfalls ein einfacher Austausch des Batteriegehäuses mit dem Deformationselement aus dem Kraftfahrzeug erfolgen. Dementsprechend muss die Einheit z.B. ein Kraftfahrzeug, in die die Batterievorrichtung eingesetzt werden soll, nicht eine exakt dimensionierte Aufnahme mit einem Deformationselement aufweisen. Vielmehr erfolgt die Dimensionierung des Deformationselementes zusammen mit dem Batteriegehäuse. Die Anordnung des Deformationselementes an das Batteriegehäuse kann dabei über ein Kleb- oder Schweißverfahren erfolgen. Auch eine Schraubverbindung oder ein Klemmverfahren sind dabei denkbar. Dabei können die Schraubverbindung und das Klemmverfahren reversibel ausgestaltet sein, was vorteilhaft bei einem Austausch des Deformationselementes von dem Batteriegehäuse ist. Dabei kann das Deformationselement in dem Batteriegehäuse oder außen an dem Batteriegehäuse angeordnet sein.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Batteriegehäuse und das Deformationselement integral ausgeführt sind. Unter einer integralen Ausführung ist eine Einteiligkeit des Batteriegehäuses und des Deformationselementes zu verstehen. So kann die Herstellung des Batteriegehäuses und des Deformationselementes aus einem Werkstoff erfolgen. So kann z. B. das Batteriegehäuse und das Deformationselement über ein Spritzgussverfahren hergestellt werden. Auch kann ein Pressverfahren oder ein Giesverfahren dabei zum Einsatz kommen. Durch die integrale Ausführung sind das Batteriegehäuse und das Deformationselement dementsprechend derart miteinander verbunden, dass eine Lösung des Deformationselementes nicht ohne eine Zerstörung des Batteriegehäuses einhergehen würde.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Deformationselement eine Wabenstruktur aufweist. Durch die Wabenstruktur, wobei mehrere Waben hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sein können, können auftretende Kräfte auf das Deformationselement sehr gut aufgenommen werden. Dabei besteht ein Wabenelement in der Wabenstruktur aus mehreren einzelnen Wandelementen. Die einzelnen Wandelemente können die Kräfte an weiteren Wandelementen anderer Waben derart weiterleiten, so dass sich die Kraft über mehrere Wände der einzelnen Wabenelemente ableiten lässt. Dabei kann die Wabenstruktur für bestimmte Kräfte derart ausgestaltet sein, dass im Falle z. B. eines Kraftfahrzeugunfalls die gesamten auftretenden Kräfte durch eine Deformierung der Wabenstruktur abgeleitet und aufgenommen werden können. Dementsprechend kann das Batteriegehäuse wirkungsvoll vor den ungewollten auftretenden Kräften, verursacht z.B. durch ein Kraftfahrzeugunfall, geschützt werden. Dabei ist es vorgesehen, dass eine mehrschichtige, insbesondere zumindest zweischichtige Wabenstruktur aus Aluminium zum Einsatz kommt. Aluminium bietet den Vorteil, dass sich dieses bei Krafteinwirkung deformiert und somit die auftretenden Kräfte gut aufnehmen und ableiten kann. Zudem ist es vorgesehen, dass das Aluminium in Kunststoff gegossen ist. Dabei kann die äußere Form des Kunststoffes wabenförmig ausgestaltet sein, wobei die Waben einzelne Wandelemente aufweisen und die Wandelemente aus Kunststoff gefertigt sind, wobei in dem Kunststoff Aluminiumelemente zum Einsatz kommen können.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass das Batteriegehäuse wenigstens eine Fläche aufweist und das Deformationselement als Deckelelement mit einer Deckelfläche ausgestaltet ist, wobei die Anordnung der Deckelfläche an die Fläche des Batteriegehäuses hinreichend fest ist. Zur Anordnung der Deckelfläche an das Batteriegehäuse kann dabei ein Kleb- oder Schweißverfahren angewendet werden. Dabei kann das Deckelelement an dem Gehäuse oder auch in dem Gehäuse integriert angeordnet sein. Die Anordnung des Deckelelementes an dem Gehäuse bietet dabei den Vorteil, dass das Deckelelement im Falle einer Deformierung bei einem verbleibenden intakten Batteriegehäuse leicht ausgetauscht werden kann. Das Batteriegehäuse kann dabei einteilig aufgebaut sein und z. B. aus Kunststoff gefertigt sein. Das Deckelelement kann dabei z. B. aus Aluminium gefertigt sein. Damit können zwei verschiedene Materialien zur Herstellung des Batteriegehäuses mit dem Deckelelement genutzt werden.
Optional ist es denkbar, dass die Größe der Deckelfläche des Deformationselementes gleich der Größe der Fläche des Batteriegehäuses ist. Durch Wahl der Größe der Deckelfläche des Deformationselementes gleich der Größe der Fläche des Batteriegehäuses kann ein möglichst guter Zusammenschluss zwischen Deformationselement und Batteriegehäuse erfolgen. Dabei kann ein flächendeckendes Klebverfahren angewendet werden, wobei die Deckelfläche des Deformationselementes gesamtflächig klebend an die Fläche des Batteriegehäuses angeordnet werden kann. Zudem ist es denkbar, dass bei einem Zusammenschluss der Deckelfläche des Deformationselementes mit der Fläche des Batteriegehäuses ein Schweißverfahren zum Einsatz kommt. Dabei könnte über eine Schweißnaht das Deformationselement mit dem Batteriegehäuses verbunden werden. Dies biete sich besonderes bei einem metallischen Batteriegehäuse und einem metallischen Deformationselement an.
Vorgesehen ist es jedenfalls, dass das Deformationselement als CFK- oder GFK-Verbund aufgebaut ist. Ein CFK-Verbund ist ein Carbon-Faser verstärkter Kunststoff. Dazu werden Kohlenstofffasern, insbesondere in mehreren Lagen als Verstärkung in einer Kunststoffmatrix eingebettet. Die Festigkeit und Steifigkeit eines CFK-Verbundes ist dabei in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faserrichtung. Damit kann anhand der Faserrichtung die Festigkeit und Steifigkeit des CFK-Verbundes festgelegt werden. CFK-Verbundmaterialien lassen sich dabei leicht miteinander über ein Klebverfahren verbinden. Ein GFK-Verbund ist ein glasfaserverstärkter Kunststoff, wobei ein Faserkunststoffverbund aus Kunststoff und Glasfasern zum Einsatz kommt. Dabei hat der GFK-Verbund auch in einer aggressiven Umgebung ein sehr positives Korrosionsverhalten. Dies ist sehr vorteilhaft für den Einsatz des Deformationselementes in dem Batteriegehäuse.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass das Batteriegehäuse das Deformationselement zumindest teilweise umfasst. Dabei kann das Deformationselement nachträglich in dem Batteriegehäuse über ein Schweiß- oder Klebverfahren angeordnet sein. Auch die integrale Ausführung des Batteriegehäuses mit dem Deformationselement ist dabei denkbar. Dabei kann an jeder Fläche des Batteriegehäuses ein Deformationselement angeordnet sein, so dass das Batteriegehäuse in jeder Richtung durch das jeweilige Deformationselement durch ungewollt auftretende Krafteinwirkungen geschützt ist.
Zudem ist ein Gegenstand der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5. Dabei kann die Batterievorrichtung in einem Frontbereich oder Heckbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet sein. Die Batterievorrichtung kann dabei als Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug genutzt werden. Die Traktionsbatterie kann dabei eine Hochvoltbatterie sein, insbesondere mit einer Brennstoffzellenanordnung. Die Brennstoffzellenanordnung kann dabei mehrere Hundert Volt als Spannung aufweisen. Dabei kann das Deformationselement als Aluminiumwabe ausgebildet sein und in einem Deckel aus faserverstärkten Kunststoff eingesetzt sein, wobei der Deckel auf einer Gehäuseseite des Batteriegehäuses aufgesetzt sein kann. Damit kann im Falle eines Crashs die auftretende Crashenergie durch das Deformationselement aufgenommen werden, wodurch eine Verformung des Batteriegehäuses der Traktionsbatterie verringert werden kann, womit die in dem Batteriegehäuse angeordneten Batteriezellen geschützt werden.
Besonders vorteilhaft kann es dabei sein, dass das Kraftfahrzeug einen Querträger aufweist, wobei ein Deformationselement an dem Querträger angeordnet ist. Der Querträger kann dabei als Hohlprofil aus Stahlblech ausgebildet sein, wobei z. B. bei Einsatz des Querträgers in einem Heckbereich zunächst der Querträger die auftretenden Kräfte bei einem Kraftfahrzeugunfall aufnehmen kann. Dazu kann das Deformationselement derart an dem Querträger angeordnet sein, dass im Falle eines Auffahrunfalles zunächst der Querträger deformiert wird. Auch ist eine hinreichend feste Anordnung des Querträgers an das Deformationselement denkbar.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Batterievorrichtung 1. Dabei weist die Batterievorrichtung 1 ein Batteriegehäuse 10 auf, wobei in dem Batteriegehäuse 10 eine Batteriezelle 12 angeordnet ist. Dabei können mehrere Batteriezellen 12 in dem Batteriegehäuse 10 zum Einsatz kommen. An einer Seite des Batteriegehäuses 10 ist ein Deformationselement 14 angeordnet. Das Deformationselement 14 ist dabei wabenförmig ausgeführt. Damit kann eine ungewollt auftretende Kraft F durch das Deformationselement 14 aufgenommen werden, wodurch die Batteriezelle 12 in dem Batteriegehäuse 10 geschützt ist. Die Richtung der angegebenen Kraft F ist dabei exemplarisch zu betrachten. Natürlich können ebenfalls seitliche Kräfte auf das Deformationselement 14 z.B. im Falle eines Kraftfahrzeugunfalls wirken. Die Anordnung des Deformationselementes 14 kann dabei gesamtflächig an der Fläche des Batteriegehäuses 10 erfolgen. Auch ist es denkbar, dass das Batteriegehäuse 10 das Deformationselement 14 teilweise umfasst. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass das Deformationselement 14 in dem Batteriegehäuse 10 angeordnet ist. Dabei können das Batteriegehäuse 10 und das Deformationselement 14 in einem Spritzgussverfahren hergestellt sein. Als Material wird dabei ein CFK-Verbund-Material oder ein GFK-Verbund-Material genutzt. Die Nutzung von Kunststoff bietet den Vorteil gegenüber der Nutzung von einem Metall, dass die Ausbildung des Batteriegehäuses 10 und des Deckelelementes 14 gewichtsreduzierend gegenüber Metall hergestellt werden kann. Allerdings weist auch das Deformationselement 14 Aluminium auf, wobei insbesondere das Deformationselement 14 ein Deckelement sein kann, wobei das Deckelelement einen Hohlraum aufweisen kann, in dem die Wabenstruktur angeordnet sein kann. Die Wabenstruktur ist dabei aus Aluminium gefertigt.

In 2 ist ein separates Batteriegehäuse 10 mit einer Batteriezelle 12 dargestellt. Dabei weist das Batteriegehäuse 10, welches als Quader dargestellt ist, eine Fläche 16 auf. Weiterhin ist separat ein Deformationselement 14 dargestellt, wobei das Deformationselement 14 als Deckelelement ausgestaltet ist. Das Deckelelement 14 weist dabei einen Hohlraum auf. Dabei ist das Deckelelement aus einem GFK- oder CFK-Verbund aufgebaut. Zudem ist es vorgesehen, dass das Deckelelement aus einem Metall gefertigt ist. Das Deckelelement ist dabei quaderförmig aufgebaut, wobei in dem quaderförmigen Deckelelement 14 ein Hohlraum ausgebildet ist. In dem Hohlraum ist eine Wabenstruktur mit mehreren Wabenelementen angeordnet. Das Deformationselement 14, d. h. das Deckelement weist eine Fläche 18 auf, wobei die Fläche 18 gleich der Größe der Fläche 16 des Batteriegehäuses 10 ist. In einem Arbeitsschritt kann dabei die Fläche 18 mit der Fläche 16 des Batteriegehäuses 10 über ein Kleb- oder Schweißverfahren angeordnet werden.
In 3 ist eine schematische Ansicht einer Batterievorrichtung 1 innerhalb eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Dabei ist die Batterievorrichtung 1 direkt neben einem Motor 24 angeordnet. Die Batterievorrichtung 1 weist dabei ein Batteriegehäuse 10 auf, wobei in dem Batteriegehäuse 10 eine Batteriezelle 12 angeordnet ist. An einer Vorderseite ist ein Deformationselement 14 an dem Batteriegehäuse 10 angeordnet. Die Anordnung des Deformationselementes 14 mit dem Batteriegehäuse 10 kann dabei integral erfolgen. Die schematische Ansicht weist dabei eine Heckansicht eines Kraftfahrzeuges auf, wobei vor der Batterievorrichtung 1 und dem Motor 24 ein Querträger 20 angeordnet ist. Der Querträger 20 kann dabei als Hohlraum ausgestaltet sein. Der Querträger 20 ist dabei in einem Heckbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet. Bei einem Auffahrunfall nimmt dabei vorteilhafterweise zunächst der Querträger 20 die ungewollten unvorhergesehenen Kräfte auf. Das Kraftfahrzeug weist an der linken und an der rechten Seite jeweils einen Längsträger 22 auf, wobei die Längsträger 22 ebenfalls wie der Querträger 20 als Hohlprofil aus einem Stahlblech hergestellt sein können. Dabei kann das Hohlprofil des Längsträgers 22 ebenfalls auftretende Kräfte eines Kraftfahrzeugunfalls in einem Seitenbereich des Kraftfahrzeuges aufnehmen.

Claims

Batterievorrichtung (1) mit einem Batteriegehäuse (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei in dem Batteriegehäuse (10) mindestens eine Batteriezelle (12) und an dem Batteriegehäuse (10) wenigstens ein als CFK- oder GFK-Verbund aufgebautes Deformationselement (14) zur zumindest teilweisen Aufnahme einer ungewollten äußeren Krafteinwirkung auf das Batteriegehäuse (10) zum Schutz der Batteriezelle (12) angeordnet ist und die Anordnung des Deformationselementes (14) an dem Batteriegehäuse (10) zumindest hinreichend fest ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement (14) eine mehrschichtige Wabenstruktur aus in Kunststoff gegossenem Aluminium aufweist.
Batterievorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (10) und das Deformationselement (14) integral ausführt sind.
Batterievorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (10) wenigstens eine Fläche (16) aufweist und das Deformationselement (14) als Deckelelement mit einer Deckelfläche (18) ausgestaltet ist, wobei die Anordnung der Deckelfläche (18) an die Fläche (16) des Batteriegehäuses (10) hinreichend fest ist.
Batterievorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Deckelfläche (18) des Deformationselementes (14) gleich der Größe der Fläche des Batteriegehäuses (10) ist.
Batterievorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (10) das Deformationselement (14) zumindest teilweise umfasst.
Kraftfahrzeug mit einer Batterievorrichtung (1), wobei die Batterievorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgestaltet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug einen Querträger (20) aufweist, wobei ein Deformationselement (14) an dem Querträger (20) angeordnet ist.