DE102014219991A1

DE102014219991A1 - Elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014219991A1
Application number: DE102014219991.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Bauer; Stephan Bollner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-04-07

Abstract

Ein Abschnitt selbsttragender Struktur (1) der Karosserie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist als Batterie (A, B) ausgebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aufgrund der halbleitenden Eigenschaft von Kohlenstofffasern können kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die aus mindestens zwei Lagen mit einer Zwischenlage aus einem Dielektrikum bestehen, als Kondensator oder mit einer Zwischenlage aus einer semipermeablen Schicht als eine als galvanische Zelle ausgebildete Batterie eingesetzt werden (Doctoral Thesis „Multifunctional Composite Materials”, Tony Carlson, printed by Universitetstryckeriet, Lulea 2013). Für elektrisch betriebene Fahrzeuge ist diese Funktion in großflächigen Bereichen der CFK-Karosserie, wie Türen, Motorhaube und Kofferraumdeckel bereits umgesetzt worden (http://www.pm-magazin.de/a/elektroauto-von-volvo-karosserie-als-batterie).
Die damit erzielte Verlängerung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs lässt allerdings noch zu wünschen übrig.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Reichweite elektrisch angetriebener Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge) mit einer CFK-Karosserie wesentlich zu verlängern.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass selbst tragende Abschnitte der CFK-Karosserie als Batterie ausgebildet werden.
Die selbsttragenden Abschnitte der CFK-Karosserie besitzen eine erhebliche Wanddicke. Dieser massive Querschnitt kann aus einer Vielzahl von Lagen aufgebaut werden, die aus CFK-Lagen bestehen, wobei jeweils zwei benachbarte CFK-Lagen durch eine isolierende Lage getrennt sind. Dabei bilden die zwei benachbarten CFK-Lagen die Elektroden und die isolierende Lage das Dielektrikum eines Kondensators.
Das heißt, wenn die selbsttragende Struktur der Karosserie aus 3 × n Lagen besteht, wobei n als CFK-Lagen ausgebildete Lagen ein Elektrodenpaar bilden, dessen beide Elektroden durch eine isolierende Lage getrennt sind, um einen Kondensator zu bilden und jeder so gebildete Kondensator eine Spannung V erzeugt, wird durch Zusammenschalten der Kondensatoren eine Kondensatorbatterie mit einer Betriebsspannung n·V erhalten.
Die Spannung V, die von den einzelnen Kondensatoren erzeugt wird, hängt dabei von der eingesetzten Stoffpaarung ab. Durch die jeweilige Anzahl der so gebildeten Kondensatoren kann die nötige Spannung von 12 bis 14 Volt für das Bordnetz erhalten werden.
Wenn die selbsttragende Struktur der Karosserie also z. B. aus 30 Lagen besteht, dass heißt 20 CFK-Lagen, die durch 10 isolierende Lagen getrennt sind, werden auf diese Weise 10 Kondensatoren erhalten. Durch Zusammenschalten dieser Kondensatoren vorzugsweise parallel wird somit eine Kondensatorbatterie mit entsprechend hoher Betriebsspannung verwirklicht.
Falls die Dicke jeder CFK-Lage beispielsweise 0,4 mm und die jeder isolierenden Lage 0,1 mm beträgt, kann die Kondensatorbatterie damit in einer selbsttragenden CFK-Struktur der Karosserie mit einer Dicke von 9 mm erhalten werden.
Die CFK-Lagen können aus einem Kohlenstofffaser-Epoxyharz-Prepreg gebildet werden. Die das Dielektrikum bildenden isolierenden Lagen können einen Kunststofffilm z. B. aus Polyamid oder PET sein.
Stattdessen können die beiden Elektroden jedes Elektrodenpaar (anstelle einer isolierenden Lage) durch eine semipermeable, Ionen-durchlässige Schicht getrennt sein, um eine galvanische Zelle zu bilden, die eine Spannung V erzeugt, wobei durch Zusammenschalten der galvanischen Zellen eine Batterie mit einer Betriebsspannung von n·V erhalten wird.
Das heißt, wenn die die jeweils zwei CFK-Lagen trennenden Zwischenlagen anstelle eines Dielektrikums durch eine semipermeable, Ionen-durchlässige Schicht gebildet sind, kann die selbsttragenden CFK-Struktur auch als Batterie ausgebildet werden, die aus einer den Kondensatoren entsprechenden Anzahl von galvanischen Zellen besteht. Die galvanischen Zellen können dabei durch eine Lithium-Ionen-Zelle gebildet sein, um einen Lithium-Ionen-Akkumulator zu erzielen, bei dem die Kohlenstofffasern zumindest in der CFK-Lage, die die Anode bildet, zu einer Interkalation von Lithium führen.
Erfindungsgemäß wird die Karosserie vorzugsweise durch eine Fahrgastzelle aus CFK gebildet mit einer Bodengruppe mit selbsttragender Struktur, wobei wenigstens ein Abschnitt mit selbsttragender Struktur beispielsweise die Stirnwand, die Bodenfläche, der oder die Schweller und/oder die Rückwand der Bodengruppe der Fahrgastzelle ist bzw. sind.
Dabei ist die Fahrgastzelle vorzugsweise auf einem Fahrwerk angeordnet, das zur Aufnahme einer Hochspannungs- oder HV-Batterie ausgebildet ist, welche den Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs versorgt.
Erfindungsgemäß kann mit der als Batterie ausgebildeten Karosserie oder Fahrgastzelle ein Energiespeicher gebildet werden, mit dem zumindest ein Teil, wenn nicht alle elektrischen Verbraucher in dem Fahrzeug über das Bordnetz versorgt werden können, beispielsweise Aktuatoren, wie Stellmotoren und/oder die Heizung. Damit übernimmt die als Batterie ausgebildete Karosserie eine Funktion, die bei der wachsenden Zahl von Komfortfunktionen im Auto immer bedeutender wird.
Da für die HV-Batterie die Versorgung der zahlreichen Verbraucher am Bordnetz entfällt, kann die Reichweite des Elektrofahrzeugs wesentlich verlängert werden.
Auch kann durch die als Batterie ausgebildete Karosserie oder Fahrgastzelle die Starterbatterie des Fahrzeugs kleiner ausgebildet werden und ggf. ganz entfallen.
Zudem kann die HV-Batterie leichter ausgebildet werden, wodurch das Gewicht des Fahrzeugs zugunsten einer größeren Reichweite verringert wird.
Auch kann die Höhe der im Fahrwerk angeordneten HV-Batterie verringert werden, wodurch die Designfreiheit für die Fahrgastzelle, beispielsweise hinsichtlich des Fahrkomforts vergrößert werden kann.
Wenn die Fahrgastzelle auf einem Fahrwerk angeordnet ist, das zur Aufnahme einer HV-Batterie ausgebildet ist, kann der als Batterie ausgebildete Abschnitt der selbsttragenden Struktur der Karosserie mit der Ladesteckdose für das Laden der HV-Batterie über einen DC-DC-Wandler aufladbar sein.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch
1 einen Längsschnitt durch eine Fahrgastzelle mit dem davon getrennt dargestellten Fahrwerk eines elektrisch angetriebenen Pkw;
2 einen Schnitt durch zwei CFK-Lagen mit dazwischen angeordneter elektrisch isolierender Lage zur Bildung eines Kondensators; und
3 eine Schaltung aus einer Vielzahl von Kondensatoren gemäß 2.
Gemäß 1 weist das Elektrofahrzeug eine Fahrgastzelle 1 auf, die auf einem Fahrwerk 2 mit HV-Batterien 3 angeordnet ist.
Die Fahrgastzelle 1 weist eine Bodengruppe mit einer Stirnwand 1a, dem bzw. den Schwellern 1b und eine Rückwand 1c auf. Die Fahrgastzelle 1 besitzt eine selbsttragende Struktur.
Die Stirnwand 1a, die Schweller 1b, die Rückwand 1c und die nicht dargestellte Bodenfläche der Fahrgastzelle besitzen eine erhebliche Wandstärke, also einen massiven Querschnitt, die bzw. der aus einer Vielzahl von Lagen besteht, die aus CFK-Lagen 4, 5 bestehen, wobei jeweils zwei benachbarte CFK-Lagen 4, 5 durch eine isolierenden Lage 6 getrennt sind. Dabei bilden, wie in 2 gezeigt, zwei benachbarte CFK-Lagen 4, 5 und die dazwischen angeordnete isolierende Lage 6 die Elektroden 4' und 5' und die isolierende Lage 6 das Dielektrikum 6' eines Kondensators 7.
Das heißt, wenn die Stirnwand 1a, die Schweller 1b und die Rückwand 1c aus einer Vielzahl von CFK-Lagen 4, 5 bestehen, wobei jeweils zwei benachbarte CFK-Lagen 4, 5 durch eine isolierende Lage 6 getrennt sind, wird auf diese Weise eine entsprechend große Anzahl von Kondensatoren 7 erhalten, wie in 3 dargestellt, wobei die parallele Zusammenschaltung A der Kondensatoren 7 in 3 die durch die Vorderwand 1a gebildete Kondensatorbatterie und die Zusammenschaltung B der Kondensatoren 7 die durch die Rückwand 1c gebildete Kondensatorbatterie beispielhaft veranschaulicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.pm-magazin.de/a/elektroauto-von-volvo-karosserie-als-batterie [0002]

Claims

Elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Karosserie aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, wobei wenigstens ein Abschnitt der Karosserie als Batterie ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der als Batterie ausgebildete Abschnitt eine selbsttragende Struktur ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Karosserie eine Fahrgastzelle (1) aufweist, wobei der wenigstens eine Abschnitt durch eine selbsttragende Struktur der Fahrgastzelle (1) gebildet wird.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Abschnitt der selbsttragenden Struktur aus mehreren kohlenstofffaserverstärkten Kunststofflagen (4, 5), die durch isolierenden Lagen (6) getrennt sind, zusammengesetzt ist, wobei zwei durch eine isolierende Lage (6) getrennte kohlenstofffaserverstärkte Kunststofflagen (4, 5) jeweils einen Kondensator (7) mit den kohlefaserverstärkten Kunststofflagen (4, 5) als Elektroden (4', 5') und der isolierenden Lage (6) als Dielektrikum (6') bilden und die so gebildeten Kondensatoren (7) zu einer Kondensatorbatterie (A, B) zusammengeschaltet sind, um einen höhere Betriebsspannung zu erzeugen.
Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (7) der Kondensatorbatterie (A, B) parallel zusammengeschaltet sind.
Fahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Kondensatorbatterie (A, B) erzeugte Betriebsspannung mindestens 12 V beträgt.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Abschnitt der selbsttragenden Struktur aus mehreren kohlenstoffverstärkten Kunststofflagen, die durch eine Ionendurchlässige Schicht getrennt sind, zusammengesetzt ist, wobei zwei durch eine Ionen-durchlässige Lage getrennte kohlenstofffaserverstärkte Kunststofflagen jeweils eine galvanische Zelle bilden und die so gebildeten galvanischen Zellen zu einer Batterie zusammengeschaltet sind.
Fahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrgastzelle (1) auf einem Fahrwerk (2) angeordnet ist, das zur Aufnahme von Hochspannungsbatterien (3) ausgebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der als Batterie ausgebildete Abschnitt der selbsttragenden Struktur der Karosserie mit der Ladesteckdose zum Laden der Hochspannungsbatterie über einen DC-DC-Wandler aufladbar ist.