DE102014221167A1 - Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb - Google Patents

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Abstract

Beim Elektrofahrzeug BMW i3 ist der elektrische Antrieb auf der Fahrerseite im Hinterwagen oberhalb der Hinterachse eingebaut. Der Akkumulator für den elektrischen Antrieb ist am Boden der Fahrgastzelle angeordnet, die aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht. Optional ist eine Brennkraftmaschine als Range Extender lieferbar. Die Brennkraftmaschine ist auf der Beifahrerseite im Hinterwagen oberhalb der Hinterachse eingebaut. Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst energieeffizientes Kraftfahrzeug mit möglichst guten fahrdynamischen Eigenschaften zu schaffen. Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug einen elektrischen Antrieb (4) auf, der im Hinterwagen (3) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, einen Akkumulator (5), der als Flachspeicher am Boden einer Fahrgastzelle (1) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und eine Brennkraftmaschine (6) als Range Extender, der im Vorderwagen (2) des Kraftfahrzeugs untergebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Beim Elektrofahrzeug BMW i3 ist der elektrische Antrieb auf der Fahrerseite im Hinterwagen oberhalb der Hinterachse eingebaut. Der Akkumulator für den elektrischen Antrieb ist am Boden der Fahrgastzelle angeordnet, die aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht. Optional ist eine Brennkraftmaschine als Range Extender lieferbar. Bei Bedarf lädt der Range Extender über einen Generator den Akkumulator und verlängert so die Reichweite des Fahrzeugs. Die Brennkraftmaschine ist auf der Beifahrerseite im Hinterwagen oberhalb der Hinterachse eingebaut, die dazugehörige Abgasanlage ist in Fahrzeuglängsrichtung gesehen hinter der Brennkraftmaschine angeordnet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst energieeffizientes Kraftfahrzeug mit möglichst guten fahrdynamischen Eigenschaften zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug einen elektrischen Antrieb auf, der im Hinterwagen des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, einen Akkumulator, der als Flachspeicher am Boden einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und eine Brennkraftmaschine als Range Extender, der im Vorderwagen des Kraftfahrzeugs untergebracht ist. Durch die Anordnung der Brennkraftmaschine im Vorderwagen statt im Hinterwagen wie beim BMW i3 ergibt sich eine gleichmäßigere Verteilung der Achslast und insbesondere bei flachen Fahrzeugen ein günstigerer Gepäckraum. Je gleichmäßiger die Achslastverteilung ist, desto besser ist die Fahrdynamik.
  • Bevorzugt ist der Akkumulator als Flachspeicher an der Unterseite des Fahrzeugbodens der Fahrgastzelle angeordnet. Der Akkumulator ist ein besonders schweres Bauteil des Gesamtfahrzeugs. Entsprechend großen Einfluss hat die Anordnung des Akkumulators auf die Fahrdynamik. Durch die Anordnung unterhalb der Fahrgastzelle können negative Einflüsse auf die Achslastverteilung vermieden werden. Zudem ermöglicht die Anbringung an der Unterseite des Fahrzeugbodens eine in Fahrzeughöhenrichtung gesehen sehr tiefe Unterbringung, sodass der Schwerpunkt dieses sehr schweren Bauteils außerordentlich tief liegt. Somit liegt auch der Schwerpunkt des gesamten Kraftfahrzeugs außerordentlich tief, was ebenfalls zur Verbesserung der Fahrdynamik beträgt.
  • Idealerweise ist der Akkumulator im mittleren Bereich der Fahrgastzelle unterhalb des Fahrer- und des Beifahrersitzes und im Bereich unterhalb der Fondsitze angeordnet. Damit befindet sich der Schwerpunkt des Akkumulators in Fahrzeuglängsrichtung gesehen etwa mittig zwischen der Vorder- und der Hinterachse. Idealerweise ist der Akkumulator im Bereich des Fußraums der Fundpassagiere für eine niedrige Sitzposition im Fond ausgespart und ermöglicht dadurch einen aerodynamisch günstigen niedrigen Dachverlauf.
  • Einen weiteren wichtigen Aspekt für die Fahrdynamik bildet die Aerodynamik. Der Luftwiderstand eines Kraftfahrzeugs ist umso geringer, desto weniger die vorbeiströmende Luft durch vom Kraftfahrzeug abstehende Elemente verwirbelt wird. Deshalb sollte das Kraftfahrzeug möglichst einen flächigen, ebenen Unterboden aufweisen. Vorteilhafterweise ist der Unterboden der Fahrgastzelle so gestaltet, dass er zusammen mit dem Akkumulator einen solchen flächigen, ebenen Unterboden bildet, sodass die unten vorbei strömende Luft praktisch nicht verwirbelt wird. Der niedrige Luftwiderstand reduziert zudem den Energieaufwand zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs.
  • Neben der Achslastverteilung, einem tiefen Schwerpunkt und einer guten Aerodynamik trägt zur Fahrdynamik und zur Energieeffizienz maßgeblich das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs bei. Um dieses so gering wie möglich zu halten, ist der Akkumulator bevorzugt als ein tragendes Bauteil der Karosserie des Kraftfahrzeugs gestaltet. Der so gestaltete Akkumulator kann besonders viel zur Steifigkeit der Karosserie beitragen, wenn er in Fahrzeughöhenrichtung gesehen in zwei verschiedenen Ebenen mit der restlichen Karosserie verbunden ist. Auch die Anbindung des Akkumulators an ein möglichst momentensteifes Karosseriebauteil im Bereich des Unterbodens trägt zur Erhöhung der Gesamtsteifigkeit der Karosserie bei und ermöglicht es so, Gewicht einzusparen. Zusätzlich kann der Akkumulator mit einem Sitzquerträger der restlichen Karosserie verbunden sein, der in Fahrzeugquerrichtung die beiden Seitenschweller der Karosserie miteinander verbindet. Dadurch erhöht sich die Steifigkeit der Verbindung zwischen dem Akkumulator und der restlichen Karosserie und damit der Beitrag, den der Akkumulator zur Gesamtsteifigkeit des Kraftfahrzeugs beitragen kann.
  • Neben der optimalen Anordnung des Akkumulators spielt auch die Anordnung der Abgasanlage der Brennkraftmaschine eine große Rolle. Bei konventionellen Kraftfahrzeugen mit einer im Vorderwagen angeordneten Brennkraftmaschine ist die Abgasanlage stets auf der Fahrzeugunterseite angeordnet und die Abgase werden nach hinten abgeleitet. Idealerweise wird aber die erfindungsgemäße Abgasanlage der Brennkraftmaschine vor der Brennkraftmaschine angeordnet. Dadurch muss die Abgasanlage nicht auf der Fahrzeugunterseite angeordnet werden. Die Unterseite des Kraftfahrzeugs kann eben und flächig ausgestaltet werden, ohne dass eine Abgasanlage die Aerodynamik massiv negativ beeinflusst. Auch wird die Unterbringung des Akkumulators nicht behindert. Bevorzugt ist die Brennkraftmaschine oberhalb einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Abgasanlage befindet sich dann zwischen der Brennkraftmaschine und einem vorderen Stoßfänger. Zusätzlich ermöglicht diese Anordnung das Anbringen eines horizontalen Querbodens vor der Vorderachse auf der Unterseite des Vorderwagens. Dieser Querboden kann als Deformationselement bei einem Frontalcrash je nach konstruktiver Ausgestaltung viel zur gezielten Energieabsorption beitragen, sodass die Fahrgastzelle gut geschützt ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer Darstellungsweise:
  • 1 eine perspektivische, teiltransparente Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb,
  • 2 eine perspektivische Darstellung der Karosserie des Kraftfahrzeugs und
  • 3 eine perspektivische, teiltransparente Darstellung der Anbindung eines Akkumulators an die restliche Karosserie des Kraftfahrzeugs.
  • In 1 ist eine schematische Ansicht eines Personenkraftfahrzeugs dargestellt. Dabei sind alle für den Kern der Erfindung unwesentlichen Bauteile teiltransparent dargestellt, sodass die wesentlichen Elemente deutlicher hervortreten. Das Personenkraftfahrzeug weist – in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen – im mittleren Bereich eine Fahrgastzelle 1 auf, an die vorne ein Vorderwagen 2 angrenzt, und die hinten in einen Hinterwagen 3 übergeht. Bei einem Crash soll sich die Fahrgastzelle 1 so wenig wie möglich deformieren, um den Passagieren einen möglichst guten Schutz zu bieten. Der Vorderwagen 2 und der Hinterwagen 3 dagegen sollen sich bei einem Crash gezielt deformieren und so Crashenergie absorbieren, um die Fahrgastzelle 1 zu schützen.
  • Das Personenkraftfahrzeug weist ausschließlich einen elektrischen Antrieb 4 auf. Dieser elektrische Antrieb 4 umfasst im Wesentlichen einen Elektromotor und ein Getriebe, die zusammen im Hinterwagen 3 untergebracht sind. Der elektrische Antrieb 4 ist oberhalb einer Hinterachse des Personenkraftfahrzeugs angeordnet. Der elektrische Antrieb 4 bezieht seine elektrische Energie aus einem Akkumulator 5, der als Flachspeicher an der Unterseite des Fahrzeugbodens der Fahrgastzelle 1 angeordnet ist. Trotz des vergleichsweise großen und schweren Akkumulators 5 ist die speicherbare Energiemenge begrenzt. Deshalb weist das Personenkraftfahrzeug zusätzlich eine Brennkraftmaschine 6 als Range Extender auf. Die Brennkraftmaschine 6 ist mit einem Generator gekoppelt, der den Akkumulator 5 und/oder den elektrischen Antrieb 4 mit Strom versorgen kann. Sie ist im Vorderwagen 2 des Personenkraftfahrzeugs angeordnet.
  • Diese Anordnung hat mehrere Vorteile: Das mit Abstand schwerste Bauteil ist der Akkumulator 5. Durch die Anordnung am Fahrzeugboden der Fahrgastzelle 1 ist das Gewicht außerordentlich tief im Fahrzeug angeordnet, sodass sich auch der Schwerpunkt des Gesamtfahrzeugs entsprechend tief befindet. Zudem ermöglicht diese Anordnung des elektrischen Antriebs 4, des Akkumulators 5 und der Brennkraftmaschine 6 eine annähernd gleichmäßige Achslastverteilung. Das Gewicht des elektrischen Antriebs 4 im Bereich der Hinterachse und das Gewicht der Brennkraftmaschine 6 im Vorderwagen differieren nur leicht. Durch eine entsprechende Anordnung des Akkumulators 5 am Fahrzeugboden der Fahrgastzelle 1 zwischen der Vorderachse und der Hinterachse kann eine annähernd ausgeglichene Achslastverteilung sichergestellt werden. Der tiefe Schwerpunkt des Gesamtfahrzeugs und die ausgewogene Achslastverteilung tragen zu sehr guten fahrdynamischen Eigenschaften des Personenkraftfahrzeugs bei.
  • Neben einem niedrigen Schwerpunkt und einer ausgewogenen Achslastverteilung trägt ein möglichst geringer Luftwiderstand des Personenkraftfahrzeugs viel zur Energieeffizienz und Fahrdynamik des Personenkraftfahrzeugs bei. Der Luftwiderstand ist dabei umso geringer, je weniger vom Personenkraftfahrzeug abragende Bauteile die vorbeiströmende Luft behindern. Deshalb weist das dargestellte Personenkraftfahrzeug einen im Wesentlichen horizontalen und ebenen Unterboden im Bereich der Fahrgastzelle 1 auf. Dazu weist der Fahrzeugboden der Fahrgastzelle eine entsprechende Ausnehmung auf der der Fahrbahn zugewandten Unterseite für den Akkumulator 5 auf, sodass der Fahrzeugboden mit dem daran angebrachtem Akkumulator 5 einen flächigen, ebenen Unterboden bildet.
  • Jede Brennkraftmaschine benötigt eine Abgasanlage. Die zu der Brennkraftmaschine 6 des Personenkraftfahrzeugs gehörige Abgasanlage 7 ist in Fahrzeuglängsrichtung x vor der Brennkraftmaschine 6 im Vorderwagen 2 untergebracht, wobei die Brennkraftmaschine 6 sich etwa oberhalb einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs befindet. Auf diese Weise müssen die Abgase von der Abgasanlage 7 nicht über die gesamte Fahrzeuglänge nach hinten geführt werden. Eine solche Abgasführung nach hinten würde auch mit dem für den Akkumulator 5 benötigten Bauraum kollidieren und/oder die Aerodynamik auf der Unterseite des Personenkraftfahrzeugs negativ beeinflussen. Die vorne angeordnete Abgasanlage 7 behindert die gewünschte Deformation des Vorderwagens 2 bei einem Crash nur geringfügig.
  • In 2 ist die Karosserie des bereits in 1 gezeigten Personenkraftfahrzeugs separat dargestellt. Zumindest die Fahrgastzelle 1 der Karosserie des Personenkraftfahrzeugs besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff. Besonders geeignet sind hierbei kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), da diese eine außerordentlich hohe Steifigkeit bei einem vergleichsweise geringen Bauteilgewicht aufweisen. Die hier dargestellte Karosserie besteht vollständig aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK). Die vergleichsweise schmale Karosserie mit ihrer ausgeprägten Keilform, ihrer früh abfallenden Dachlinie und ihrer insgesamt geringen Höhe aufgrund einer entsprechend niedrigen Sitzposition für die Passagiere, sowie der hinten geringeren Spurbreite als vorne gewährleistet, dass die Karosserie einen außerordentlich geringen cw-Wert aufweist.
  • Im Vorderwagen 2 weist die Karosserie vor der Vorderachse auf der Unterseite einen Querboden 8 auf, der als Deformationselement konzipiert ist. Der Querboden 8 ist parallel zum Fahrzeugboden ausgerichtet. Bei einem Frontalcrash dient der Querboden als multifunktionales Crashelement, er wird entweder zusammengestaucht und absorbiert dabei viel Crashenergie oder leitet Kräfte im Crashfall gezielt um. Somit trägt der Querboden 8 maßgeblich zur gezielten Energieabsorption bzw. zur Ableitung von Kräften im Crash bei, um die Passagiere in der Fahrgastzelle 1 zu schützen.
  • Einen weiteren Beitrag zu einer sehr guten Aerodynamik leistet die Anordnung der Lufteinlässe in der Karosserie: So befinden sich nur die Einlässe für die Ladeluft der Brennkraftmaschine 6 auf der Oberseite des Vorderwagens 1, während alle sonstigen Lufteinlässe auf der Unterseite des Vorderwagens 1 angeordnet sind. Die Lufteinlässe für die Ladeluft auf der Oberseite und die sonstigen Lufteinlässe auf der Unterseite sind unabhängig voneinander ansteuerbar. Die Lufteinlässe für die Ladeluft sind nur geöffnet, wenn die Brennkraftmaschine läuft, ansonsten sind sie geschlossen, sodass sie die Aerodynamik praktisch nicht negativ beeinflussen.
  • In 3 ist im Detail die Anbringung des Akkumulators 5 an der Unterseite des Fahrzeugbodens der Fahrgastzelle 1 dargestellt. Der Akkumulator 5 ist dabei in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen nicht genau mittig unter Fahrgastzelle angeordnet, sondern der Akkumulator 5 befindet sich mehr im vorderen Bereich der Fahrgastzelle 1 unterhalb des Fahrer- und des Beifahrersitzes und optional auch unter den Fondsitzen. Der Akkumulator 5 ist dabei als tragendes Bauteil ausgestaltet, das zur Steifigkeit der Karosserie des Personenkraftfahrzeugs beiträgt.
  • Der Akkumulator 5 ist als Flachspeicher ausgelegt. Seine Erstreckung in Fahrzeughöhenrichtung z ist entsprechend relativ gering, während er sich in Fahrzeugbreite y fast über die gesamte Breite zwischen den Seitenschwellern 11 erstreckt und auch in Fahrzeuglängsrichtung x mehr als die Hälfte der zur Verfügung stehenden Längserstreckung des Unterbodens der Fahrgastzelle 1 beansprucht. Dabei sind die Oberseite 9 und die Unterseite 10 des Akkumulators 5 zueinander parallel und in etwa lotrecht zur Fahrzeughöhenerstreckung z. Der Akkumulator 5 ist dabei sowohl mit seiner Oberseite 9 als auch mit seiner Unterseite 10 mit der restlichen Karosserie verschraubt. Die Karosserie weist zudem einen Sitzquerträger 12 auf, der sich in Fahrzeugquerrichtung y zwischen den beiden Seitenschwellern 11 erstreckt. Er ist in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen etwa im mittleren Bereich der Fahrgastzelle 1 angeordnet. Der Akkumulator 5 ist zusätzlich mit diesem Sitzquerträger 12 verschraubt.
  • Die Befestigung des Akkumulators 5 an der restlichen Karosserie über zwei unterschiedliche Befestigungsebenen sowie die zusätzliche Befestigung am Sitzquerträger 12 tragen maßgeblich dazu bei, dass der Akkumulator 5 nennenswert die Steifigkeit des Gesamtfahrzeugs erhöht.

Claims (13)

  1. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb (4), einem Akkumulator (5) und mit einer Brennkraftmaschine (6) als Range Extender, wobei die Karosserie des elektrischen Kraftfahrzeugs in Fahrzeuglängsrichtung (x) einen Vorderwagen (2), eine Fahrgastzelle (1) und einen Hinterwagen (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (4) im Hinterwagen (3) untergebracht ist, der Akkumulator (5) als Flachspeicher am Boden der Fahrgastzelle (1) angeordnet ist, und die Brennkraftmaschine (6) im Vorderwagen (2) untergebracht ist.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (7) der Brennkraftmaschine (6) in Fahrzeuglängsrichtung (x) gesehen vor der Brennkraftmaschine (6) angeordnet ist.
  3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (6) oberhalb einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
  4. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Fahrzeuglängsrichtung (x) vor der Vorderachse auf der Unterseite des Vorderwagens (2) ein Querboden (8) als Deformationselement angeordnet ist.
  5. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe für die Ladeluft der Brennkraftmaschine (6) auf der Oberseite des Vorderwagens (2) angeordnet sind.
  6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sonstigen Lufteinlässe auf der Unterseite des Vorderwagens (2) angeordnet sind und unabhängig von den Einlässen für die Ladeluft der Brennkraftmaschine (6) ansteuerbar sind.
  7. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (5) als Flachspeicher an der Unterseite des Fahrzeugbodens der Fahrgastzelle (1) angebracht ist.
  8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (5) im mittleren Bereich der Fahrgastzelle (1) unterhalb des Bereichs des Fahrer- und des Beifahrersitzes angeordnet ist.
  9. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite der Fahrgastzelle (1) zusammen mit dem Akkumulator (5) einen flächigen, ebenen Unterboden bilden.
  10. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (5) ein tragendes Bauteil der Karosserie des Kraftfahrzeugs bildet.
  11. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (5 in Fahrzeughöhenrichtung (z) gesehen in zwei verschiedenen Ebenen mit der restlichen Karosserie verbunden ist.
  12. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (5) mit einem Sitzquerträger (12) der restlichen Karosserie verbunden ist, der in Fahrzeugquerrichtung (y) die beiden Seitenschweller (11) der Karosserie miteinander verbindet.
  13. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Fahrgastzelle (1) der Karosserie des Kraftfahrzeugs aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
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