DE102015111749A1

DE102015111749A1 - Batterieeinrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE102015111749A1
Application number: DE102015111749.5A
Authority: DE
Inventors: Stanislaw Klimek; Bernd Palmer; Matthias Herntier; Ralf Keller; Florian Scheerer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2017-01-26
Also published as: JP2017027938A; CN106374066A; KR20170010727A; US20170025655A1; JP6360110B2; KR101977442B1; CN106374066B; US9929389B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung (1) für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug (100) und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterieeinrichtung (1). Die Batterieeinrichtung (1) umfasst eine Mehrzahl von Batteriemodulen (102) mit jeweils wenigstens einer Batteriezelle (103) und mit einer Aufnahmeeinrichtung (2) zur Aufnahme der Batteriemodule (102). Dabei umfasst die Aufnahmeeinrichtung (2) eine unterhalb der Batteriemodule (102) angeordnete Schottwand (3) und eine unterhalb der Schottwand (3) angeordnete Bodenplatte (4). Die Schottwand (3) und die Bodenplatte (4) sind an wenigstens einem Verbindungselement (5) angebracht und durch das Verbindungselement (5) beabstandet miteinander verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterieeinrichtung.
Die Batterieeinrichtungen von Elektrofahrzeugen bzw. Hybridfahrzeugen weisen häufig Batteriezellen auf, welche in Gruppen zu Batteriemodulen zusammengefasst sind. Dabei kommt der Anordnung der Batteriemodule häufig eine besondere Bedeutung zu, da diese zuverlässig und sicher in der Batterie untergebracht sein müssen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Aufnahmemöglichkeiten von Batteriemodulen in einer Batterie bekannt geworden. Allerdings sind die bekannten Lösungen in der Regel verbesserungswürdig, da die Batterie nicht nur als Träger für die Batteriemodule dient, sondern eine Reihe vielfältiger und komplexer Funktionen erfüllen muss. Solche Anforderungen sind beispielsweise die Kühlung der Batteriemodule, Mediendichtheit, Schutz der Batteriezellen im Crash Fall und Schutz der Batteriezellen von unten sowie bei dem sogenannten Pollerfalltest und Sonderereignissen. Zudem soll die Batterie einen Beitrag zur Gesamtkarosseriesteifigkeit liefern. Nicht zuletzt sollte die Batterie möglichst kostengünstig durch unaufwendige industrielle Verfahren herstellbar sein.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Konstruktion von Batterieeinrichtungen für wenigstens teilweise elektrisch betriebene Fahrzeuge zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren nach Anspruch 16. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung ist für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug vorgesehen. Die Batterieeinrichtung umfasst eine Mehrzahl von Batteriemodulen mit jeweils wenigstens einer Batteriezelle. Die Batterieeinrichtung weist wenigstens eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der Batteriemodule auf. Dabei umfasst die Aufnahmeeinrichtung wenigstens eine Schottwand, welche in einer bestimmungsgemäßen Betriebsposition unterhalb der Batteriemodule angeordnet ist. Die Aufnahmeeinrichtung umfasst zudem wenigstens eine unterhalb der Schottwand angeordnete Bodenplatte. Die Schottwand und die Bodenplatte sind an wenigstens einem Verbindungselement angebracht. Die Schottwand und die Bodenplatte sind durch das Verbindungselement beabstandet miteinander verbunden.
Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil ist, dass die Schottwand und die Bodenplatte durch wenigstens ein Verbindungselement beabstandet miteinander verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine strukturell und funktionell verbesserte Konstruktion der Batterieeinrichtung. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine solche Aufnahmeeinrichtung besonders unaufwendig und kostengünstig herstellbar ist. Besonders vorteilhaft ist auch, dass eine solche Aufnahmeeinrichtung einen wesentlichen Beitrag zur Karosseriesteifigkeit leistet und einen verbesserten Schutz der Batteriemodule im Crashfall sowie bei Einwirkungen von unten zur Verfügung stellt. Zudem wird durch die beabstandete Anordnung von Bodenplatte und Schottwand die Unterbringung einer Abkühlung der Batteriemodule vereinfacht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Verbindungselement wenigstens zwei sich gegenüberliegende Anbindungsabschnitte auf. Insbesondere sind die Schottwand und die Bodenplatte an den Anbindungsabschnitten befestigt. Beispielsweise ist der Anbindungsabschnitt planar ausgebildet. An einen solchen Anbindungsabschnitt können die Bodenplatte und/oder die Schottwand spaltfrei angelegt und befestigt werden. Dadurch erfolgt über das Verbindungselement nicht nur eine Beabstandung, sondern auch eine Ausrichtung, sodass die Montage erheblich vereinfacht wird.
Vorzugsweise ist das Verbindungselement als ein längliches Verbindungsprofil ausgebildet. Beispielsweise ist das Verbindungsprofil um ein Vielfaches länger als es breit und/oder hoch ausgebildet ist. Die Beabstandung der Bodenplatte und der Schottwand erfolgt dabei insbesondere durch die Breite oder Höhe des Verbindungselementes. Das Verbindungsprofil weist insbesondere einen rechteckigen Querschnitt auf. Möglich sind auch andere Profilausgestaltungen, z. B. kann ein quadratischer Querschnitt vorgesehen sein. Das Verbindungsprofil kann wenigstens teilweise hohl ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Verbindungsprofil massiv ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Verbindungsprofil aus einem Blech gefertigt. Das Verbindungsprofil kann Verstärkungen und/oder Auftragungen und/oder Ausnehmungen, beispielsweise zur Gewichtsoptimierung, umfassen. Besonders bevorzugt ist das Verbindungsprofil aus einem Blech gefertigt, sodass sich ein lang gestrecktes, massiv und mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildetes Bauteil ergibt.
Es ist bevorzugt, dass das Verbindungselement mit seiner Längsachse quer zur Längsachse der Batterieeinrichtung angeordnet ist. Die Längsachse der Batterieeinrichtung entspricht dabei insbesondere der im bestimmungsgemäßen Einbauzustand vorgesehenen Fahrtrichtungsachse des Trägerfahrzeugs, in welches die Batterieeinrichtung eingesetzt ist. Dadurch ergibt sich ein vorteilhafter Beitrag zur Gesamtkarosseriesteifigkeit im eingebauten Zustand. Zugleich ist dadurch auch eine bestimmte, gewünschte Verformbarkeit der Aufnahmeeinrichtung möglich. Das Verbindungselement kann auch parallel zur Längsrichtung der Batterieeinrichtung verlaufen. Möglich ist auch, dass sowohl quer als auch längs verlaufende Verbindungselemente vorgesehen sind.
Das Verbindungselement weist vorzugsweise wenigstens eine Montageeinrichtung zur lösbaren Befestigung der Bodenplatte auf. Möglich ist auch, dass das Verbindungselement wenigstens eine Montageeinrichtung zur lösbaren Befestigung der Schottwand aufweist. Eine solche lösbare Verbindung der Bodenplatte ermöglicht einen besonders einfachen und unaufwendigen Zugang zu dem Bereich zwischen der Bodenplatte und der Schottwand. Die Montageeinrichtung ist insbesondere für eine Verschraubung ausgebildet. Beispielsweise umfasst die Montageeinrichtung wenigstens einen Gewindeabschnitt. Beispielsweise kann der Gewindeabschnitt in einer Bohrung und/oder in einem Sackloch und/oder in einer Einpressbuchse vorgesehen sein, welche in das Verbindungselement eingebracht ist. Unter dem Begriff lösbare Befestigung wird im Sinne dieser Anmeldung insbesondere eine Verbindung verstanden, welche sich zerstörungsfrei lösen lässt. Es kann auch eine nicht zerstörungsfrei lösbare Verbindung vorgesehen sein. Beispielsweise können die Bodenplatte und oder die Schottwand unlösbar an das Verbindungselement angebunden sein, zum Beispiel durch Kleben und oder Schweißen und oder andere insbesondere stoffschlüssige Fügeverfahren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Aufnahmeeinrichtung eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Verbindungselementen. Die Verbindungselemente sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Insbesondere ist zwischen wenigstens einigen der Verbindungselemente und vorzugsweise zwischen allen Verbindungselementen jeweils wenigstens ein Hohlraum ausgebildet. Der Hohlraum ist insbesondere nach oben durch die Schottwand eingegrenzt. Bevorzugt ist der Hohlraum nach unten durch die Bodenplatte eingegrenzt.
Ein solcher Hohlraum trägt sowohl zur Stabilität als auch zur Gewichtsreduzierung bei und kann zudem für die Unterbringung weiterer Komponenten eingesetzt werden. Die Mehrzahl von Verbindungselementen umfasst wenigstens zwei Verbindungselemente und insbesondere drei oder vier oder fünf oder mehr Verbindungselemente. Es können auch zehn oder 15 oder 20 oder eine größere Anzahl an Verbindungselementen vorgesehen sein. Beispielsweise wird die Anzahl der Verbindungselemente in Abhängigkeit der Anzahl von Batteriemodulen festgelegt. Einige der Mehrzahl von Verbindungselementen können beispielsweise ein Viertel oder die Hälfte oder Dreiviertel oder 90 % oder auch mehr der vorgesehenen Verbindungselemente sein.
Der Hohlraum weist vorzugsweise eine Höhe auf, welche einer Breite und oder Höhe der Verbindungselemente entspricht. So kann der Hohlraum durch die Auswahl der Verbindungselemente unaufwendig angepasst werden. Beispielsweise kann je nach gewünschter Steifigkeit und oder Verwendungszweck der Hohlräume ein Verbindungselement mit einer gezielten Höhe und oder breiter ausgewählt werden. Vorzugsweise weist der Hohlraum einen rechteckigen Querschnitt auf. Bevorzugt weist der Hohlraum zwei gegenüberliegende Wände auf, welche jeweils durch die Schottwand und die Bodenplatte sowie durch zwei benachbarte Verbindungselemente gebildet werden. Es ist möglich, dass im Hohlraum beispielsweise Streben und oder Verstärkungen angeordnet sind. Möglich ist auch, dass der Hohlraum mit einem insbesondere aushärtenden Schaum gefüllt ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist entlang des Hohlraums wenigstens eine Modulgruppe angeordnet. Die Modulgruppe umfasst wenigstens ein Batteriemodul. Bevorzugt ist eine Modulgruppe mit wenigstens zwei oder drei oder mehr Batteriemodulen vorgesehen. Die Batteriemodule einer Modulgruppe können dabei mit ihrer Längsachse quer oder parallel zu einer Längsachse des Hohlraums ausgerichtet sein. Besonders bevorzugt ist die Modulgruppe durch die Schottwand vom Hohlraum abgegrenzt. Solche Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass der Hohlraum besonders gut zu Kühlungszwecken und oder Versorgungszwecken und oder Anschlusszwecken der Batteriemodule einsetzbar ist.
Es ist möglich und bevorzugt, dass innerhalb des Hohlraums wenigstens ein Kühlabschnitt einer Kühleinrichtung verläuft. Die Kühleinrichtung ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, die Batteriemodule zu temperieren. Insbesondere verläuft in jedem Hohlraum wenigstens ein Kühlabschnitt. Möglich sind auch zwei oder drei oder eine Mehrzahl von Kühlabschnitten im Hohlraum. Der Kühlabschnitt verläuft insbesondere parallel zu den Verbindungselementen. Der Kühlabschnitt verläuft bevorzugt unterhalb der Batteriemodule. Bevorzugt wird der Kühlabschnitt von wenigstens einem Kühlmedium durchströmt.
Vorzugsweise umfasst der Kühlabschnitt wenigstens einen Kühlkanal oder ist als ein solcher ausgebildet. Der Kühlkanal umfasst insbesondere wenigstens eine eigene Wandung. Beispielsweise ist der Kühlkanal aus einem Rohr und oder einem Hohlprofil gefertigt. Zum Beispiel kann der Kühlkanal aus einem gepressten, gezogenen oder gegossenen Aluminiumprofil gefertigt sein. Möglich ist auch, dass der Kühlkanal eine Wandung umfasst, welche durch die Bodenplatte und oder die Schottwand und oder das Verbindungselement bereitgestellt wird. Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Bauraumnutzung erreicht.
Es ist besonders bevorzugt, dass der Kühlabschnitt Wärme leitend an der Schottwand angebunden ist. Insbesondere ist der Kühlabschnitt an eine Unterseite der Schottwand angebunden, welche einer Oberseite gegenüberliegt, auf welcher die Batteriemodule angeordnet sind. Insbesondere ist der Kühlabschnitt an die Seite der Schottwand angebunden, an welcher auch die Verbindungselemente angebracht sind. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass einerseits eine sichere und mediendichte Trennung von Batteriemodulen und Kühlabschnitt erfolgt und zugleich die Kühlwirkung verbessert wird. Vorzugsweise ist der Kühlabschnitt an die Schottwand durch wenigstens eine Lötverbindung angebunden. Möglich ist auch, dass das der Kühlabschnitt geklebt und oder geschweißt wird. Es kann zwischen Kühlabschnitt und Schottwand wenigstens ein Mittel zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein, zum Beispiel eine Wärmeleitpaste. Zwischen dem Kühlabschnitt und der Bodenplatte kann ein Hohlraum vorgesehen sein. Der Hohlraum kann durch Schaum, Luft oder andere Materialen wenigstens teilweise gefüllt sein. Möglich ist auch, dass der Hohlraum vollständig durch den Kühlabschnitt ausgefüllt wird. Der Kühlabschnitt kann auch an das Verbindungselement Wärme leitend angebunden werden.
Es ist möglich und bevorzugt, dass die Aufnahmeeinrichtung wenigstens einen Quersteg umfasst. Vorzugsweise ist der Quersteg an der Schottwand angebracht. Insbesondere verläuft der Quersteg parallel zu dem Verbindungselement. Der Quersteg kann auch quer zu dem Verbindungselement verlaufen. Ein solcher Quersteg verbessert die Steifigkeit der Batterieeinrichtung zusätzlich. Dabei kann der Quersteg auch an dem Verbindungselement befestigt sein. Beispielsweise kann eine Verbindung vorgesehen sein, welche sich durch die Schottwand hindurch erstreckt. Möglich ist auch, dass die Aufnahmeeinrichtung wenigstens einen Längssteg umfasst.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Quersteg dort in einem Abschnitt auf der Oberseite der Schottwand angebracht, wo auf der Unterseite der Schottwand das Verbindungselement angebracht ist. Durch eine solche Anordnung liegen sich der Quersteg und das Verbindungselement gegenüber und werden durch die Schottwand voneinander getrennt. Das hat den Vorteil, dass auf den Quersteg einwirkende Kräfte nicht nur von der Schottwand aufgefangen werden, sondern besonders gut in die Verbindungselemente eingeleitet werden. Dadurch werden die Batteriemodule verbessert geschützt.
Es ist möglich, dass die Batterieeinrichtung wenigstens einen Batteriedeckel umfasst. Bevorzugt ist der Batteriedeckel an dem Quersteg angebracht. Insbesondere befindet sich der Batteriedeckel oberhalb der Batteriemodule. Der Batteriedeckel ist insbesondere an einer Mehrzahl und vorzugsweise an allen Querstegen angebracht. Der Quersteg kann dazu wenigstens eine Montageeinrichtung umfassen. Beispielsweise kann der Quersteg eine Gewindebohrung oder eine Einpressbuchse aufweisen. Bevorzugt ist der Batteriedeckel an den Quersteg angeschraubt. Solche Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass der Batteriedeckel zur Steifigkeit der Batterieeinrichtung beiträgt.
Es ist bevorzugt, dass die Batterieeinrichtung eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Querstegen umfasst. Vorzugsweise sind die Querstege parallel zueinander angeordnet. Insbesondere ist zwischen wenigstens einigen benachbarten Querstegen jeweils wenigstens eine Modulgruppe mit wenigstens einem Batteriemodul angeordnet. Insbesondere ist zwischen sämtlichen Querstegen jeweils wenigstens eine Modulgruppe angeordnet. Es ist möglich und bevorzugt, dass die Anzahl an Quersteg in der Anzahl an Verbindungselementen entspricht. Möglich ist auch, dass zwischen benachbarten Querstegen längst Stege angeordnet sind. Eine solche Anordnung ermöglicht eine besonders sichere Aufnahme von Batteriemodulen in der Batterieeinrichtung.
An der Schottwand ist insbesondere wenigstens ein Befestigungselement zur Montage der Batteriemodule angebracht. Vorzugsweise ist wenigstens ein Befestigungselement je Batteriemodul vorgesehen. Insbesondere sind wenigstens zwei gegenüberliegende Befestigungselemente je Batteriemodul vorgesehen. Möglich ist auch, dass drei oder vier oder mehr Befestigungselemente je Batteriemodul an der Schottwand angeordnet sind. Die Anzahl der Befestigungselemente ist beispielsweise abhängig von der Größe des Batteriemoduls und oder der Anzahl der Batteriezellen im Batteriemodul. Möglich ist auch, dass das Befestigungselement an dem Querträger befestigt ist. Das Befestigungselement kann lösbar oder unlösbar angefügt sein. Beispielsweise wird das Befestigungselement dazu geschweißt, geklebt, geschraubt und/oder in anderer geeigneter Weise befestigt. Das Befestigungselement ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, lösbar mit dem Batteriemodul befugt verbunden zu werden. Beispielsweise wird das Batteriemodul an dem Befestigungselement verschraubt und oder verrastet. Besonders bevorzugt ist das Befestigungselement als ein Schweißbolzen ausgeführt, welcher an der Schottwand angeschweißt wird und an welchem das Batteriemodul verschraubt wird. Dadurch wird eine sehr zuverlässige und zugleich kostengünstig herzustellende Aufnahme der Batteriemodule erreicht.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass wenigstens eine Komponente der Aufnahmeeinrichtung aus einem metallischen Plattenwerkstoff gefertigt ist. Dabei ist die Komponente insbesondere aus einer Gruppe von Komponenten entnommen, welche die Schottwand, die Bodenplatte, das Verbindungselement, den Quersteg, den Batteriedeckel umfasst. Durch die Verwendung des metallischen Plattenwerkstoffes wird die industrielle herstellbar kalt erheblich verbessert, da die Komponenten unaufwendig aus halb Zeugen gefertigt und sehr unkompliziert und zugleich zuverlässig miteinander verbunden werden können. Zudem bieten solche Werkstoffe eine deutliche Verbesserung der Gesamtkarosseriesteifigkeit und einen zuverlässigen Schutz der Batteriemodule.
Der metallische Plattenwerkstoff ist insbesondere als ein Metallblech ausgebildet oder umfasst ein solches. Besonders bevorzugt sind die Schottwand und die Bodenplatte und die Verbindungselemente sowie die Querstege aus einem Metallblech gefertigt. Beispielsweise können Bleche aus Aluminiumlegierungen oder Stahllegierungen verwendet werden. Möglich ist auch, dass laminierte Plattenwerkstoffe aus verschiedenen Metallen verwendet werden. Möglich sind auch metallische Plattenwerkstoffe, in welche Kunststoffe eingearbeitet sind. Beispielsweise können sogenannte Multimaterial-Sandwichplatten verwendet werden. Möglich ist aber auch, dass die Komponenten aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sind. Beispielsweise kann ein thermoplastischer Kunststoff mit einer Verstärkung aus Glasfasern, Kohlefasern und/oder Aramidfasern zur Verwendung kommen. Der Plattenwerkstoff ist insbesondere Plan ausgebildet. Möglich ist auch, dass Vertiefungen und oder Erhebungen eingebracht sind, z. B. Sicken. Möglich ist auch, dass Aussparungen eingebracht sind, beispielsweise zur Gewichtsoptimierung. Es können auch Verstärkungen an dem Plattenwerkstoff vorgesehen sein, beispielsweise durch Anfügen weiterer Bleche und oder Profile.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Batterieeinrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug. Die Batterieeinrichtung umfasst eine Mehrzahl von Batteriemodulen mit jeweils wenigstens einer Batteriezelle. Die Batterieeinrichtung umfasst wenigstens eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen der Batteriemodule. Dabei wird wenigstens ein Verbindungselement an wenigstens einer unterhalb der Batteriemodule vorgesehenen Schottwand angebracht. Wenigstens eine unterhalb der Schottwand vorgesehene Bodenplatte wird an dem Verbindungselement angebracht. Dabei werden die Bodenplatte und die Schottwand durch das Verbindungselement beabstandet miteinander verbunden. Die Reihenfolge der Anbringung der Schottwand und der Bodenplatte an dem Verbindungselement ist dabei beliebig.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es industriell und kostengünstig durchgeführt werden kann und zudem eine vorteilhafte Konstruktion einer Batterieeinrichtung ermöglicht. Insbesondere wird das Verbindungselement mit einem Anbindungsabschnitt an der Schottwand angebracht. Dabei wird an einem gegenüberliegenden Anbindungsabschnitt des Verbindungselementes die Bodenplatte angebracht. Das hat den Vorteil, dass die Bodenplatte und die Schottwand gegenüberliegend zueinander ausgerichtet sind. Es ergibt sich ein besonders gleichmäßiger Hohlraum. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise durch ein Schweißverfahren. Möglich ist auch ein Kleben, Pressen sowie ein anderes geeignetes insbesondere stoffschlüssiges Fügeverfahren. Möglich ist auch eine lösbare Montage, beispielsweise durch Verschrauben. Vorzugsweise wird die Bodenplatte an dem Verbindungselement angeschraubt. Das ermöglicht einen besonders einfachen Zugang beispielsweise für Wartungszwecke. Die Schottwand wird vorzugsweise stoffschlüssig an das Verbindungselement angefügt, beispielsweise durch Schweißen. Eine solche Verbindung ist kostengünstig herzustellen und zuverlässig. Zudem wird die Mediendichtheit der Schottwand dadurch nicht ungünstig beeinflusst.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt wenigstens ein Herstellungsschritt aus einer Gruppe von Herstellungsschritten, welche die Anbringung wenigstens eines Querstegs an der Schottwand, die Anbringung wenigstens eines zur Montage der Batteriemodule ausgebildeten Befestigungselementes an der Schottwand, Anbindung wenigstens eines Kühlabschnitts einer Kühleinrichtung zur Temperierung der Batteriemodule an der Schottwand, Anbringung wenigstens eines Batteriedeckels an einem Quersteg umfassen.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert wird.
In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Untersicht eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung;
2 eine schematische perspektivische Ansicht einer Batterieeinrichtung;
3 einen stark schematisierten und entlang der Linie A-A geschnittenen Ausschnitt der Batterieeinrichtung nach 1 in einer Explosionsdarstellung; und
4 die Batterieeinrichtung nach 3 in einer zusammengesetzten Darstellung.
Die 1 zeigt die Unterseite eines wenigstens teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs 100 mit einer erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung 1. Zur besseren Anschaulichkeit wurden Komponenten dargestellt, welche sonst durch andere Bauteile verdeckt wären. Das Fahrzeug 100 ist hier als ein Elektrofahrzeug ausgebildet. Das Fahrzeug 100 kann auch ein Hybridfahrzeug sein.
Die Batterieeinrichtung 1 versorgt einen elektrischen Fahrantrieb 105 mit Energie und ist hier als eine Unterboden-Traktionsbatterie ausgebildet, welche zwischen den Schwellerbereichen 101 des Fahrzeugs 100 angeordnet ist. Die Batterieeinrichtung 1 ist mit einer Leistungselektronik 104 wirkverbunden. Die Batterieeinrichtung 1 kann noch andere Komponenten umfassen, wie z. B. eine Steuereinrichtung und/oder ein Ladegerät. Um die Batterieeinrichtung 1 im Betrieb und während der Ladevorgänge optimal zu temperieren, ist eine Kühleinrichtung 7 vorgesehen.
Die Batterieeinrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl von Batteriemodulen 102, welche jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen 103 aufweisen. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde nur eine Zelle exemplarisch eingezeichnet. Die Batteriemodule 102 sind in einer Aufnahmeeinrichtung 2 angeordnet und zu Modulgruppen 112 zusammengefasst. Eine Modulgruppe 112 besteht hier beispielhaft aus drei quer zur Längsachse der Batterieeinrichtung 1 nebeneinander angeordneten Batteriemodulen 102. Beispielsweise umfasst die Batterieeinrichtung 1 hier noch eine Modulgruppe mit einem parallel zur Längsachse der Batterieeinrichtung 1 angeordneten Batteriemodul 122.
In der 2 ist die Batterieeinrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht mit einem exemplarisch eingezeichneten Batteriemodul 102 gezeigt. Die Batteriemodule 102 sind auf einer Schottwand 3 der Aufnahmeeinrichtung 2 befestigt. Die Aufnahmeeinrichtung 2 umfasst hier Querstege 8 und Längsträger 12, welche zwischen den Batteriemodulen 102 verlaufen. Unterhalb der Schottwand 3 verlaufen Verbindungselemente 5 parallel zu den Querstegen 8. Die Aufnahmeeinrichtung 2 umfasst hier eine Rahmeneinrichtung 32 und seitliche Koppeleinrichtungen 42, welche zur Anbindung an die Karosserie des Fahrzeugs 100 ausgebildet sind.
In den 3 und 4 ist ein Ausschnitt der entlang der Linie A-A geschnittenen Batterieeinrichtung 1 der 1 gezeigt. Die Batteriemodule 102 sind auf der Schottwand 3 angeordnet und über Befestigungselemente 33 befestigt. Die Befestigungselemente 33 sind hier als Schweißbolzen 43 ausgebildet, welche auf der Oberseite 13 der Schottwand 3 angeschweißt sind. Die Batteriemodule 102 sind vorzugsweise jeweils an mehreren Schweißbolzen 43 angeschraubt. Zwischen den Batteriemodulen verlaufen Querstege 8. Zur Abdeckung der Batterieeinrichtung 1 ist ein Batteriedeckel 9 vorgesehen, welcher hier an den Querstegen 8 befestigt ist.
An der Unterseite 23 der Schottwand 3 sind Verbindungselemente 5 angeordnet, welche hier als längliche Verbindungsprofile 15 ausgebildet sind. Die Verbindungsprofile 15 erstrecken sich mit ihrer Längsachse quer zu der Längsachse der Batterieeinrichtung 1, die hier der Fahrtrichtungsachse des Fahrzeugs 100 entspricht. Die Verbindungselemente 5 sind beabstandet und parallel zueinander angeordnet. Der Abstand der Verbindungselemente 5 entspricht hier dem Abstand der an der Oberseite 13 der Schottwand 3 angeordneten Querstege 8. Der Abstand der Querstege 8 zueinander ist so bemessen, dass zwischen ihnen die Batteriemodule 102 einsetzbar sind. Die Verbindungselemente 5 und die Querstege 8 sind bezüglich ihrer Mittellinien zentriert zueinander an der jeweils gegenüberliegenden Seite der Schottwand 3 ausgerichtet.
Unterhalb der Schottwand 3 ist die Bodenplatte 4 angeordnet. Die Bodenplatte 4 ist dabei ebenfalls an den Verbindungselementen 5 befestigt. Das Verbindungselement 5 weist an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Anbindungsabschnitt 35, 45 auf. An dem oberen Anbindungsabschnitt 35 ist die Schottwand 3 angebunden. An dem unteren Anbindungsabschnitt 45 ist die Bodenplatte 4 befestigt. Das Verbindungselement 5 beabstandet die Schottwand 3 von der Bodenplatte 4, sodass zwischen diesen ein Hohlraum 6 gebildet wird.
In den Hohlraum 6 sind Kühlabschnitte 17 der Kühleinrichtung 7 angeordnet. Die Kühlabschnitte 17 sind hier als Kühlkanäle 27 ausgebildet, welche von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium durchströmt werden. Die Kühlkanäle 27 verlaufen mit ihrer Längsachse parallel zu den Verbindungselementen 5. In dem verbleibenden Bereich des Hohlraums 6 kann beispielsweise ein Schaumaterial 16 angeordnet sein. Möglich sind auch andere stabilisierende und oder dämmende Materialien. In den Hohlraum 6 kann auch Luft vorgesehen sein.
Die Kühlkanäle 27 sind hier unterhalb und entlang der Batteriemodule 102 angeordnet, sodass deren Wärme auf das durch die Kühlkanäle 27 strömende Medium übertragen wird. Dazu sind die Kühlkanäle 27 vorzugsweise Wärme leitend an die Schottwand 3 angebunden. Beispielsweise sind die Kühlkanäle 27 aus einem hohlen Metallprofil gefertigt und an die Schottwand 3 gelötet. Die Schottwand 4 ist vorzugsweise aus einem Metallblech gefertigt. So ergibt sich ein besonders guter Wärmeübergang von den Batteriemodulen 102 auf das Kühlmedium und somit eine besonders gute Kühlwirkung.
Die hier gezeigte Batterieeinrichtung wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Herstellung erfolgt beispielsweise durch die nachfolgend aufgeführten Schritte. Dabei kann die aufgeführte oder eine andere sinnvolle Reihenfolge vorgesehen sein.
In einem ersten Schritt werden die Querstege 8 an der Schottwand 3 fixiert. Bevorzugt wird dazu ein Laserschweißverfahren eingesetzt. Vorzugsweise können auch andere Schweißverfahren oder auch Klebeverfahren eingesetzt werden. Die Querstege 8 und die Schottwand 3 sind vorzugsweise aus einem Metallblech gefertigt, z. B. aus Aluminium oder Stahl. Beispielsweise kann die Stärke der Querstege 8 zehn Millimeter betragen. Die Stärke der Schottwand 3 kann beispielsweise drei Millimeter betragen.
In einem nächsten Schritt erfolgt beispielsweise die Anbindung der als Schweißbolzen 43 ausgeführten Befestigungselemente 33 an die Schottwand 3. Die Befestigungselemente 33 können auch geklebt, eingepresst, genietet oder geschraubt werden.
In einem anderen Schritt werden die Verbindungselemente 5 mit der Schottwand 3 verbunden. Bevorzugt werden dazu Laserschweißverfahren oder andere Lichtbogenschweißverfahren eingesetzt. Beispielhafte Positionen von Schweißverbindungen 65 sind in der 4 eingezeichnet. Es kann auch ein Klebeverfahren oder eine andere geeignete Fügetechnik vorgesehen sein. Die Verbindungselemente 5 sind bevorzugt aus einem Metallblech zugerichtet, beispielsweise aus Aluminium oder Stahl. Die Verbindungselemente 5 haben z. B. eine Stärke von acht Millimetern und eine Breite von 30 mm. Ihre Länge ist dabei so bemessen, dass sich die Verbindungselemente 5 in geeigneter Weise über die Breite der Batterieeinrichtung 1 erstrecken.
In einem weiteren Schritt werden die Kühlkanäle 27 an der Schottwand 3 befestigt, bevorzugt durch ein Lötverfahren. Die Kühlkanäle 27 sind beispielsweise aus einem stranggepressten Aluminiummaterial gefertigt.
Nachfolgend wird die Bodenplatte 4 an den Verbindungselementen 5 angebunden. Vorzugsweise ist eine lösbare Verbindung vorgesehen. Beispielsweise wird die Bodenplatte 4 mittels Schraubelementen 44 und insbesondere Schrauben an den Verbindungselementen 5 befestigt. Dazu können die Verbindungselemente 5 Montageeinrichtungen 55 aufweisen, wie zum Beispiel eine Einpressbuchse oder eine Gewindebohrung. Die Bodenplatte kann auch mittels Klebe- oder Schweißverfahren und insbesondere einem Lochschweißverfahren an den Verbindungselementen 5 befestigt werden. Die Bodenplatte ist bevorzugt aus einem Aluminium- oder Stahlblech gefertigt. Die Bodenplatte 4 kann auch aus einem faserverstärkten Kunststoff oder aus einer Multimaterial-Sandwichplatte aufgebaut sein, welche sowohl Kunststoffe als auch Metallwerkstoffe umfassen kann. Zum Beispiel beträgt die Stärke der Bodenplatte 4 sechs Millimeter.
Anschließend werden die Batteriemodule 102 zwischen die Querstege 8 eingesetzt, angeschlossen und über die Befestigungselemente 33 auf der Schottwand 3 verschraubt.
Um die Batterieeinrichtung 1 von oben abzuschließen, wird ein Batteriedeckel 9 an den Querstegen 8 angebracht. Dazu werden vorzugsweise Schraubelemente 19 und insbesondere Schrauben eingesetzt. Möglich sind auch andere lösbare oder unlösbare Verbindungen. Der Batteriedeckel 9 ist vorzugsweise aus einem Aluminium- oder Stahlblech gefertigt. Es können auch andere Materialien, wie zum Beispiel faserverstärkte Kunststoffe oder Multimaterial-Sandwichplatten vorgesehen sein. Die Stärke des Batteriedeckels 9 beträgt beispielsweise 2 mm.
Die hier vorgestellte Batterieeinrichtung 1 bietet durch die Schottwand 3 und die Bodenplatte 4 und ihre Anbindung an die Verbindungselemente 5 eine besonders steife und dichte Bodenkonstruktion, die zudem wirtschaftlich herstellbar ist. Die Batteriemodule 102 sind sehr gut kühlbar und zugleich mediendicht abgegrenzt. Im Crashfall und bei Einwirkungen vom Boden her bietet die Bodenkonstruktion einen zuverlässigen Schutz. Zudem wird die Gesamtkarosseriesteifigkeit verbessert.

Claims

Batterieeinrichtung (1) für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug (100) mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen (102) mit jeweils wenigstens einer Batteriezelle (103) und mit wenigstens einer Aufnahmeeinrichtung (2) zur Aufnahme der Batteriemodule (102), dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (2) wenigstens eine unterhalb der Batteriemodule (102) angeordnete Schottwand (3) und wenigstens eine unterhalb der Schottwand (3) angeordnete Bodenplatte (4) umfasst und dass die Schottwand (3) und die Bodenplatte (4) an wenigstens einem Verbindungselement (5) angebracht und durch das Verbindungselement (5) beabstandet miteinander verbunden sind.
Batterieeinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Schottwand (3) und die Bodenplatte (4) an zwei sich gegenüberliegenden Anbindungsabschnitten (35, 45) des Verbindungselementes (5) befestigt sind.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (5) als ein längliches Verbindungsprofil (15) ausgebildet ist.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (5) mit seiner Längsachse quer zur Längsachse der Batterieeinrichtung verläuft.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (5) wenigstens eine Montageeinrichtung (55) zur lösbaren Befestigung der Bodenplatte (4) aufweist.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von nebeneinander und/oder parallel zueinander angeordneten Verbindungselementen (5), wobei zwischen wenigstens einigen der Verbindungselemente (5) jeweils wenigstens ein Hohlraum (6) ausgebildet ist, welcher nach oben durch die Schottwand (3) und/oder nach unten durch die Bodenplatte (4) eingegrenzt ist.
Batterieeinrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei entlang des Hohlraums (6) wenigstens eine Modulgruppe (112) mit wenigstens einem Batteriemodul (102) angeordnet sind.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Hohlraums (6) wenigstens ein Kühlabschnitt (17) einer Kühleinrichtung (7) zur Temperierung der Batteriemodule (102) verläuft.
Batterieeinrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Kühlabschnitt (17) Wärme leitend an der Schottwand (3) angebunden ist.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Schottwand (3) wenigstens ein parallel zu dem Verbindungselement (5) verlaufender Quersteg (8) angebracht ist.
Batterieeinrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Quersteg (8) dort in einem Abschnitt auf der Oberseite (13) der Schottwand (3) angebracht ist, wo auf der Unterseite (23) der Schottwand (3) das Verbindungselement (5) angebracht ist.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei an dem Quersteg (8) wenigstens ein Batteriedeckel (9) angebracht ist.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von nebeneinander und/oder parallel zueinander angeordneten Querstegen (8), wobei zwischen wenigstens einigen benachbarten Querstegen (8) jeweils wenigstens eine Modulgruppe (112) mit wenigstens einem Batteriemodul (102) angeordnet ist.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Schottwand (3) wenigstens ein Befestigungselement (33) zur Montage der Batteriemodule (102) angebracht ist.
Batterieeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Komponente der Aufnahmeeinrichtung (2) aus einem metallischen Plattenwerkstoff und insbesondere aus einem Metallblech gefertigt ist, wobei die Komponente aus einer Gruppe von Komponenten entnommen ist, umfassend die Schottwand (3), die Bodenplatte (4), das Verbindungselement (5), den Quersteg (8), den Batteriedeckel (9).
Verfahren zur Herstellung einer Batterieeinrichtung (1) für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug (100) mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen (102) mit jeweils wenigstens einer Batteriezelle (103) und mit wenigstens einer Aufnahmeeinrichtung (2) zum Aufnehmen der Batteriemodule (102), gekennzeichnet durch die folgenden Herstellungsschritte in der aufgeführten oder einer anderen sinnvollen Reihenfolge: – Anbringung wenigstens eines Verbindungselementes (5) an wenigstens einer unterhalb der Batteriemodule (102) vorgesehenen Schottwand (3); – Anbringung wenigstens einer unterhalb der Schottwand (3) vorgesehenen Bodenplatte (4) an dem Verbindungselement (5), sodass die Bodenplatte (4) und die Schottwand (3) durch das Verbindungselement (5) beabstandet miteinander verbunden sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei wenigstens ein Herstellungsschritt aus einer Gruppe von Herstellungsschritten erfolgt, umfassend die Anbringung wenigstens eines Querstegs (8) an der Schottwand (3), die Anbringung wenigstens eines zur Montage der Batteriemodule (102) ausgebildeten Befestigungselementes (33) an der Schottwand (3), Anbindung wenigstens eines Kühlabschnitts (17) einer Kühleinrichtung (7) zur Temperierung der Batteriemodule (102) an der Schottwand (3), Anbringung wenigstens eines Batteriedeckels (9) an einem Quersteg (8).