DE102013223636A1

DE102013223636A1 - Schutzkäfig für eine fahrzeugbatterie und verfahren zur herstellung eines batteriekäfigs

Info

Publication number: DE102013223636A1
Application number: DE102013223636.0A
Authority: DE
Inventors: Srinivasan Sundararajan; Fubang Wu; Mohammed Omar Faruque; Michael M. Azzouz; Sino Johan Van Dyk
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-05-28
Also published as: US20140147717A1; US9236592B2; US20160087258A1; CN103832257A; US10276848B2; CN103832257B

Abstract

Es wird eine Käfiganordnung zum Schutz eines Akkupacks in einem Fahrzeug bereitgestellt. Die Käfiganordnung weist eine obere Baugruppe und eine untere Baugruppe auf, die zum Schutz des Akkupacks aneinander befestigt sind. U-förmige Rahmen und Basisrahmen sind mit röhrenförmigen Elementen miteinander verbunden.

Description

Diese Offenbarung betrifft einen Käfig zur Befestigung eines Akkupacks an einem Fahrzeug, der das Akkupack im Fall eines Aufpralls schützt und die Wartung des Akkupacks erleichtert. Batteriezellen für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV), Hybridelektrofahrzeuge (HEV) und Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEV) werden an Stellen verbaut, die von Knautschzonen entfernt sind, um das Risiko einer Beschädigung im Fall eines Aufpralls zu minimieren.
Der Tunnel, der in Längsrichtung entlang der Mitte des Bodens verläuft, kann ein geeigneter Bauraum für die Batterie sein, weil er von den Endpunkten des Fahrzeugs entfernt ist. Bei der Unterbringung eines typischen Akkupacks unter dem Boden können Zellen in Längs- und Querrichtung im Fahrzeug angeordnet werden. Das gesamte Akkupack kann in den Tunneln untergebracht werden, die in Längs- und Querrichtung im Boden des Fahrzeugs ausgelegt sind. Der Bereich unter den Tunneln ist eine verhältnismäßig sichere Zone für die Batteriezellen und zeigt in Versuchen mit vollem Frontalaufprall und Heckaufprall eine gute Leistung.
In Seitenaufpralltests mit Bewegung der verformbaren Barriere (MDB) sowie in Tests mit Aufprall auf einen seitlichen Pfosten zeigt das Fahrzeug aber eine Tendenz, sich zu biegen und um die aufprallende Barriere oder den Pfosten zu winden, wodurch der Tunnel seitlich kollabiert. Der Boden windet sich um den Pfosten und zwingt den Tunnel, auf sich selbst zu zusammenzuklappen, weil die Karosserieseite und das Fahrgestell nicht genügend Widerstand bieten. Durch Kollabieren des Tunnels können die Batteriezellen in einem solchen Aufprallmodus beschädigt werden.
Eine Verstärkung von Schweller, Querstreben und Fahrgestell bietet keinen wirksamen und gewichtseffizienten Schutz für die Batteriezellen im Tunnelraum. Eine Vergrößerung aller Bauteile des Fahrgestells, einschließlich des Tunnels und der Querstreben, sowie das Hinzufügen von Tunnelverstärkungen und Querwänden kann das Kollabieren des Tunnels bis zu einem gewissen Grad verringern. Das resultierende Zusatzgewicht überwiegt im Allgemeinen aber die Vorteile und bietet keine annehmbare Lösung.
Diese Offenbarung betrifft die Lösung der obigen Probleme und von anderen Problemen im Zusammenhang mit der Befestigung eines Akkupacks in einem BEV-, HEV- oder PHEV-Fahrzeug. Nach einem Aspekt dieser Offenbarung wird ein Käfig für ein Akkupack bereitgestellt. Der Käfig umfasst eine obere Baugruppe mit einer ersten Vielzahl von Röhren, die im Abstand voneinander angeordnet sind, und einer Vielzahl von beabstandeten Rahmen in Form eines umgekehrten U, deren Rahmenhöhe der Höhe von einer oder mehreren Batterien entspricht. Der Käfig umfasst auch eine untere Baugruppe mit einer zweiten Vielzahl von Röhren, die im Abstand voneinander angeordnet sind, und eine Vielzahl von beabstandeten Rahmen, deren Höhe geringer als die Rahmenhöhe ist, und die an der oberen Baugruppe montiert ist.
Nach anderen Aspekten dieser Offenbarung, die sich auf den Käfig für ein Akkupack beziehen, können die Rahmen in Form eines umgekehrten U eine Vielzahl von Öffnungen definieren, die jeweils eine erste Vielzahl von Röhren aufnehmen. Die beabstandeten Rahmen der unteren Baugruppe können jeweils eine Vielzahl von Öffnungen definieren, die jeweils eine der zweiten Vielzahl von Röhren aufnehmen. Die beabstandeten Rahmen in Form eines umgekehrten U können obere Füße aufweisen, die sich von den unteren Enden der U-förmigen Rahmen nach außen erstrecken, und die beabstandeten Rahmen der unteren Baugruppe können jeweils untere Füße aufweisen, die sich von den beabstandeten Rahmen an Stellen, die den oberen Füßen entsprechen, nach außen erstrecken, um die Montage der oberen Füße an den unteren Füßen mit Befestigungselementen zu erleichtern. Die untere Baugruppe kann ferner eine Wanne umfassen, die von einem Teil der Röhren und den beabstandeten Rahmen der unteren Baugruppe eingerahmt wird.
Nach weiteren Aspekten dieser Offenbarung kann die erste Vielzahl von Röhren einen ersten Satz von sich in Längsrichtung erstreckenden Röhren und einen ersten Satz von sich quer erstreckenden Röhren aufweisen. Die zweite Vielzahl von Röhren kann einen ersten Satz von sich in Längsrichtung erstreckenden Röhren und einen zweiten Satz von sich quer erstreckenden Röhren aufweisen. Der erste Satz von sich in Längsrichtung erstreckenden Röhren und der zweite Satz von sich in Längsrichtung erstreckenden Röhren können an einem sich in Längsrichtung erstreckenden Tunnel in einer Bodenwanne eines Fahrzeugs montiert sein und der erste Satz von sich quer erstreckenden Röhren und der zweite Satz von sich quer erstreckenden Röhren kann an einem sich quer erstreckenden Tunnel, der in der Bodenwanne des Fahrzeugs geformt ist, montiert sein.
Der Käfig für ein Akkupack eines Fahrzeugs wird in Kombination mit dem Akkupack bereitgestellt und umfasst ferner eine Vielzahl von Batteriezellen. Die obere Baugruppe und die untere Baugruppe werden an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen zusammengebaut. Die Kombination kann ferner einen Dämpfer umfassen, der ein Schaumpolster umfasst, das zwischen den Batteriezellen und der oberen Baugruppe und/oder der unteren Baugruppe angeordnet ist.
Nach anderen Aspekten dieser Offenbarung, die sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für ein Akkupack eines Fahrzeugs bezieht, kann das Verfahren die Montage einer ersten Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren und einer Vielzahl von beabstandeten Rahmen in Form eines umgekehrten U zur Bildung einer ersten Baugruppe und die Montage einer zweiten Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren und einer Vielzahl von beabstandeten Rahmen zur Bildung einer zweiten Baugruppe umfassen. Die erste Baugruppe und die zweite Baugruppe werden zusammengebaut, um das Akkupack zu umschließen.
Nach anderen Aspekten des Verfahrens kann die erste Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren an der Vielzahl von beabstandeten Rahmen im Form eines umgekehrten U festgeschweißt werden und die zweite Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren kann an der Vielzahl von beabstandeten Rahmen festgeschweißt werden. Die erste und zweite Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren kann extrudiert werden. Die U-förmigen Rahmen und die beabstandeten Rahmen können extrudiert werden. Alternativ können die U-förmigen Rahmen und die beabstandeten Rahmen durch Gießen geformt werden. Das Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für ein Akkupack kann ferner das Verschrauben der ersten Baugruppe an der zweiten Baugruppe umfassen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für ein Akkupack kann ferner die Einführung eines Dämpfers zwischen dem Akkupack und der zweiten Baugruppe umfassen.
Die obigen Aspekte der Offenbarung und anderer Aspekte werden unten in der detaillierten Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
1 ist eine fragmentarische Perspektivansicht eines Batteriekäfigs, der eine Vielzahl von Batteriezellen in einem als Phantom gezeigten Fahrzeug umschließt.
2 ist eine Perspektivansicht eines Käfigs und eines Akkupacks.
3 ist eine Perspektivansicht einer oberen Baugruppe des Käfigs für ein Akkupack.
4 ist eine Perspektivansicht einer unteren Baugruppe des Käfigs für ein Akkupack.
5 ist eine Perspektivansicht des montierten Käfigs für ein Akkupack.
6 ist eine diagrammatische Querschnittsansicht eines Akkupacks, das auf einem Isolator angeordnet ist.
Eine ausführliche Beschreibung der gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung folgt unten. Die offenbarten Ausführungsformen sind Beispiele der Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein können. Die Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht. Einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Bauteile zu zeigen. Die spezifischen strukturellen und funktionalen Einzelheiten, die in dieser Anmeldung offenbart werden, sind nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für die Unterrichtung eines Fachmanns, wie er die Erfindung in die Praxis umsetzen kann.
Bezugnehmend auf 1 ist ein Fahrzeug 10 mit einem Akkupack 12 gezeigt. Das Akkupack 12 ist teilweise von einer Käfiganordnung 16 umschlossen. Die Käfiganordnung 16 ist zum Schutz des Akkupacks 12 vorgesehen, für den Fall, dass das Fahrzeug 10 in einen Aufprall verwickelt ist. Die Käfiganordnung 16 verhindert die direkte Übertragung von Aufprallkräften auf das Akkupack 12. Die Käfiganordnung 16 schützt das Akkupack 12 vor Verformung durch die Unfallbelastung.
Bezugnehmend auf 2 ist das Akkupack 12 ausführlicher gezeigt und in der Käfiganordnung 16 angeordnet. Das Akkupack 12 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Batteriezellen 18. Die Batteriezellen 18 können in einem Längsstapel 20 angeordnet sein, der sich in einer Fahrzeuglängsrichtung erstreckt. Der Längsstapel 20 weist wie gezeigt einen Abschnitt auf, der einen doppelten Stapel 22 von Batteriezellen 18 und einen einzelnen Stapel 24 von Batteriezellen 18 aufweist. Ein Querstapel 26 von Batteriezellen 18 ist ebenfalls in 2 gezeigt und erstreckt sich in Fahrzeugquerrichtung. Der Querstapel 26 schneidet den Längsstapel 20. Es versteht sich, dass das Akkupack 12 und die Käfiganordnung 16 mit einer unterschiedlichen Anzahl von Batteriezellen 18 oder in einer anderen Anordnung je nach verfügbarem Bauraum in einem gegebenen Fahrzeugdesign angeordnet sein können.
Bezugnehmend auf 3 ist eine obere Baugruppe 30 der Käfiganordnung 16 gezeigt. Die obere Baugruppe 30 weist eine Vielzahl von U-förmigen Rahmen 32 im Bereich des einzelnen Stapels 24 der Käfiganordnung 16 auf. Eine Vielzahl von doppelt gestapelten U-förmigen Rahmen 34 ist ebenfalls als Teil des Längsstapels 20 vorgesehen, der den doppelten Stapel 22 der Batteriezellen 18 aufweist. Die U-förmigen Rahmen 32, 34 weisen jeweils ein Paar von oberen Füßen 36 an den unteren Enden der U-förmigen Rahmen auf. Die Käfiganordnung 16 kann mit U-förmigen Rahmen 32, 34 geformt sein, die als Aluminiumextrusion oder Magnesiumgussteile geformt sind. Alternativ können kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe zur weiteren Reduzierung des Gewichts der U-förmigen Rahmen 32 und 34 verwendet werden.
Löcher 38 sind in den oberen Füßen 36 zur Aufnahme von (nicht gezeigten) Befestigungselementen vorgesehen. Röhren 40 sind in die oberen Löcher 42, die in den U-förmigen Rahmen 32 und in den doppelt gestapelten U-förmigen Rahmen 34 vorgesehen sind, eingeführt. Zwischenlöcher 44 sind an einer Zwischenstelle auf den doppelt gestapelten U-förmigen Rahmen 34 vorgesehen.
Bezugnehmend auf 4 ist eine untere Baugruppe 46 gezeigt, die eine Vielzahl von Basisrahmen 48 aufweist, die über röhrenförmige Segmente 50 miteinander verbunden sind. Die Röhren 40, 50 können als extrudierte Röhren oder als nahtlose Aluminiumschläuche geformt sein. Die röhrenförmigen Segmente 50 können zwischen zwei Basisrahmen 48 oder durch sechs oder mehr Basisrahmen 48 wie in 4 gezeigt reichen. Die Löcher 52, welche die röhrenförmigen Segmente 50 aufnehmen, sind in jedem der Basisrahmen 48 vorgesehen. Die Röhren 40, 50 sind vorzugsweise in den Löchern 38, 52 durch MIG-Schweißen oder andere Verbindungstechniken festgeschweißt. Ein Paar von unteren Füßen 54 ist auf jedem der Basisrahmen 48 vorgesehen. Ein Loch 56 für ein (nicht gezeigtes) Befestigungselement ist in jedem der unteren Füße 54 vorgesehen.
Bezugnehmend auf 5 ist die Käfiganordnung 16 gezeigt, wobei die obere Baugruppe 10 in 3 am Boden der Baugruppe 46 in 4 montiert ist. Die oberen Füße 36 sind mit Befestigungselementen, die durch das Loch 38 in den oberen Füßen 36 und die Löcher 56 in den unteren Füßen 54 eingeführt sind, an den unteren Füßen 54 befestigt. Die untere Baugruppe 46 kann mit einem Rahmenblech konstruiert sein, welches das Akkupack hält und die Entnahme des gesamten Akkupacks für Wartungszwecke ermöglicht.
Bezugnehmend auf 6 ist ein Dämpfer 60 diagrammatisch gezeigt und das Akkupack 12 wird von dem Dämpfer 60 getragen. Der Dämpfer 60 weist eine Schaumstoffschicht 62 auf, die an oberen und unteren Seiten von einer starren Schicht 64 flankiert wird. Der Dämpfer 60 kann von einer Bodenwanne 66 getragen werden, die zwischen dem Dämpfer 60 und den Basisrahmen 48 angeordnet ist. Der U-förmige Rahmen 32 ist an dem Basisrahmen 48 zum Umschließen des Akkupacks 12 montiert gezeigt. Der Dämpfer 60 verhindert die direkte Übertragung von Aufprallkräften auf das Akkupack. Die Käfiganordnung 16 verhindert eine nachteilige Verformung des Akkupacks aufgrund einer Unfallbelastung. Das Akkupack 12 kann von dem Dämpfer 60 isoliert werden, um die Wirkungen einer schädlichen plötzlichen Beschleunigung oder Abbremsung des Akkupacks bei einem Aufprall des Fahrzeugs zu verringern.
Eine untere Baugruppe 46 kann von der oberen Baugruppe 30 entfernt werden, wenn die Batteriezellen 48 gewartet werden müssen. Die obere Baugruppe 30 kann an dem Fahrzeug 10 befestigt werden und die untere Baugruppe 46 ist unter der oberen Baugruppe 30 befestigt. Die Befestigungselemente für die Befestigung der unteren Baugruppe 46 an der oberen Baugruppe 30 können entfernt werden und die untere Baugruppe 46 kann entfernt werden, um Zugang zu den Batteriezellen 18 zu bieten oder um die Entfernung des Akkupacks 12 aus dem Fahrzeug 10 zu gestatten, während die obere Baugruppe 30 an dem Fahrzeug 10 befestigt bleibt, oder die obere Baugruppe kann mit der unteren Baugruppe 46 mit dem Akkupack 12 entfernt werden.
Die Käfiganordnung 16 ist eine leichte Rahmenkonstruktion zum Schutz von Batteriezellen eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs, eines Hybridelektrofahrzeugs oder eines Plug-in-Hybridelektrofahrzeugs bei Unfällen des Fahrzeugs.
Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der offenbarten Vorrichtung und des Verfahrens beschreiben sollen. Stattdessen sind die in der Spezifikation verwendeten Wörter beschreibende und nicht einschränkende Wörter und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen möglich sind, ohne vom Geist und Umfang der beanspruchten Offenbarung abzuweichen. Die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen können zur Bildung weiterer Ausführungsformen der offenbarten Konzepte kombiniert werden.

Claims

Käfig für ein Akkupack, umfassend: eine obere Baugruppe mit einer ersten Vielzahl von Röhren, die im Abstand voneinander angeordnet sind, und einer Vielzahl von beabstandeten Rahmen in Form eines umgekehrten U, deren Rahmenhöhe einer Batteriehöhe entspricht; und eine untere Baugruppe mit einer zweiten Vielzahl von Röhren, die im Abstand voneinander angeordnet sind, und einer Vielzahl von beabstandeten Rahmen, deren Höhe geringer als die Rahmenhöhe ist, und die an der oberen Baugruppe montiert ist.
Käfig für das Akkupack nach Anspruch 1, worin die Rahmen in Form eines umgekehrten U eine Vielzahl von Öffnungen definieren, die jeweils eine der ersten Vielzahl von Röhren aufnehmen.
Käfig für das Akkupack nach Anspruch 1, worin die beabstandeten Rahmen der unteren Baugruppe jeweils eine Vielzahl von Öffnungen definieren, die jeweils eine der zweiten Vielzahl von Röhren aufnehmen.
Käfig für das Akkupack nach Anspruch 1, worin die beabstandeten Rahmen in Form eines umgekehrten U ein Paar von oberen Füßen aufweisen, die sich von einem Paar von unteren Enden der U-förmigen Rahmen nach außen erstrecken, und worin die beabstandeten Rahmen der unteren Baugruppe jeweils untere Füße aufweisen, die sich von den beabstandeten Rahmen an Stellen, die den oberen Füßen entsprechen, nach außen erstrecken, und worin die oberen Füße mit Befestigungselementen an den unteren Füßen montiert sind.
Käfig für das Akkupack nach Anspruch 1, worin die untere Baugruppe ferner eine Wanne umfasst, die von einem Teil der Röhren und den beabstandeten Rahmen der unteren Baugruppe eingerahmt wird.
Käfig für das Akkupack nach Anspruch 1, worin die erste Vielzahl von Röhren einen ersten Satz von sich in Längsrichtung erstreckenden Röhren und einen ersten Satz von sich quer erstreckenden Röhren aufweist und die zweite Vielzahl von Röhren einen ersten Satz von sich in Längsrichtung erstreckenden Röhren und einen zweiten Satz von sich quer erstreckenden Röhren aufweist, worin der erste Satz von sich in Längsrichtung erstreckenden Röhren und der zweite Satz von sich in Längsrichtung erstreckenden Röhren an einem sich in Längsrichtung erstreckenden Tunnel in einer Bodenwanne eines Fahrzeugs montiert sind und der erste Satz von sich quer erstreckenden Röhren und der zweite Satz von sich quer erstreckenden Röhren an einem sich quer erstreckenden Tunnel in der Bodenwanne des Fahrzeugs montiert sind.
Käfig für das Akkupack nach Anspruch 1, worin die U-förmigen Rahmen der oberen Baugruppe und die beabstandeten Rahmen der unteren Baugruppe Gussteile sind.
Käfig für das Akkupack nach Anspruch 1, worin die U-förmigen Rahmen der oberen Baugruppe und die beabstandeten Rahmen der unteren Baugruppe extrudierte Teile sind.
Käfig für das Akkupack nach Anspruch 1 in Kombination mit dem Akkupack, ferner umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen und worin die obere Baugruppe und die untere Baugruppe auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen zusammengebaut sind.
Käfig für ein Akkupack in Kombination mit dem Akkupack nach Anspruch 9, ferner umfassend einen zwischen den Batteriezellen und der oberen Baugruppe und der unteren Baugruppe angeordneten Dämpfer, worin der Dämpfer ein nachgiebiges Schaumstoffpolster ist.
Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für ein Akkupack eines Fahrzeugs, umfassend: Montage einer ersten Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren und einer Vielzahl von beabstandeten Rahmen in Form eines umgekehrten U zur Bildung einer ersten Baugruppe; und Montage einer zweiten Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren und einer Vielzahl von beabstandeten Rahmen zur Bildung einer zweiten Baugruppe; und Zusammenbauen der ersten Baugruppe und der zweiten Baugruppe, um das Akkupack zu umschließen.
Verfahren zur Herstellung des Käfigs für das Akkupack nach Anspruch 11, ferner umfassend: Festschweißen der ersten Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren an der Vielzahl von beabstandeten Rahmen in Form eines umgekehrten U; und Festschweißen der zweiten Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren an der Vielzahl von beabstandeten Rahmen.
Verfahren zur Herstellung des Käfigs für das Akkupack nach Anspruch 11, ferner umfassend: Extrusion der ersten und zweiten Vielzahl von im Abstand angeordneten Röhren.
Verfahren zur Herstellung des Käfigs für das Akkupack nach Anspruch 11, ferner umfassend: Extrusion der U-förmigen Rahmen; und Extrusion der beabstandeten Rahmen.
Verfahren zur Herstellung des Käfigs für das Akkupack nach Anspruch 11, ferner umfassend: Gießen der U-förmigen Rahmen; und Gießen der beabstandeten Rahmen.
Verfahren zur Herstellung des Käfigs für das Akkupack nach Anspruch 11, ferner umfassend: Verschrauben der ersten Baugruppe an der zweiten Baugruppe.
Verfahren zur Herstellung des Käfigs für das Akkupack nach Anspruch 11, ferner umfassend: Einführung eines Dämpfers zwischen dem Akkupack und der zweiten Baugruppe.