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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Batterieträger gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Im Zuge des Ausbaus und steigender Nachfrage nach Elektromobilität werden immer mehr Elektrokraftfahrzeuge eingesetzt. Die Elektrokraftfahrzeuge beziehen ihre Energie aus Akkumulatoren, nachfolgend vereinfacht auch Batterien genannt. Dies schließt sowohl sogenannte Zellen als auch Zellmodule ein. Diese werden über eine externe Stromquelle geladen und speichern elektrische Energie. Bei Bedarf geben die Batterien die elektrische Energie zum Antrieb des Elektrokraftfahrzeuges und/oder zum Betrieb von Peripheriegeräten an das Kraftfahrzeug ab.
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Zur Erzielung von aus Nutzersicht ausreichender Reichweiten der Elektrokraftfahrzeuge weisen die Batterien selbst ein relativ großes Volumen sowie ein hohes spezifisches Eigengewicht auf. Es hat sich daher etabliert, Batterieträger im Unterflurbereich eines Kraftfahrzeuges einzusetzen. Hierzu werden wannenartige Gebilde im Unterflurbereich des Kraftfahrzeuges montiert. Neben einem geringen Schwerpunkt ergibt sich gerade auch bei Austausch- oder bei Wartungsarbeiten eine gute Zugänglichkeit des Batterieträgers.
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Der Batterieträger selbst muss dabei mehreren Anforderungen genügen. Zum einen ist dies eine hohe Crashsteifigkeit, sofern das Kraftfahrzeug in einen Unfall verwickelt ist, da geladene Hochleistungsbatteriezellen bei Beschädigung zu Hitzeentwicklung und Explosion neigen. Weiterhin muss der Batterieträger dicht ausgebildet sein, um das Eindringen von Flüssigkeit und/oder Kondenswasser von außen zu verhindern sowie ein eventuelles Auslaufen von Dämpfen oder Batterieflüssigkeiten von innen nach außen ebenfalls verhindern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik einen Batterieträger bereitzustellen, der einfach und kostengünstig produzierbar ist sowie mindestens die Anforderungen hohe Crashsicherheit und gleichzeitig Dichtigkeit zu vereinen.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Batterieträger für ein Elektrokraftfahrzeug mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Der Batterieträger für ein Elektrokraftfahrzeug ist in einem Unterflurbereich des Elektrokraftfahrzeuges montiert. Der Batterieträger weist eine Wanne zur Aufnahme einer Mehrzahl von Batterien auf und einen die Wanne verschließenden Deckel. Erfindungsgemäß zeichnet sich der Batterieträger dadurch aus, dass die Wanne ein einstückig durch Umformen hergestelltes dünnwandiges Blechbauteil ist, wobei außen an der Wanne Verstärkungsstreben angeordnet sind. Bevorzugt weist die Wanne nach innen gerichtete Einprägungen auf, wobei die Verstärkungsstreben außen an der Wanne in den Einprägungen angeordnet sind.
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Der Batterieträger zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass außen an der Wanne ein umlaufender Rahmen angeordnet ist. Der Rahmen selbst ist aus Profilen ausgebildet. Bei den Profilen kann es sich um Extrusionsprofile handeln. Jedoch auch um Profile, die durch Umformen, insbesondere Blechumformen, ganz besonders bevorzugt Rollformen, hergestellt sind. Die Profile können im Querschnitt hohlprofilartig ausgebildet sein, als offenes Hohlprofil oder auch als geschlossenes Hohlprofil. Insbesondere können diese auch als Mehrkammerhohlprofil ausgebildet sein. Die Profile können jedoch auch als Gussteile ausgebildet sein mit Verstärkungsrippen, insbesondere Längsrippen.
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Die Wanne ist insbesondere als einstückiges dünnwandiges metallisches Blechbauteil ausgebildet. Sie kann auch aus einer Tailored Welded Blank oder Tailored Welded Strip als Umformbauteil hergestellt sein. Bevorzugt kann die Wanne aus Stahlwerkstoff und hier insbesondere mit einer Wandstärke kleiner 1,5 mm hergestellt sein. Im Falle der Verwendung eines Stahlwerkstoffes wird die Wanne insbesondere durch Halbwarmformen, besonders bevorzugt durch Warmumformen und Presshärten hergestellt. Somit ist eine Zugfestigkeit Rm größer 800 MPa, insbesondere größer 1000 MPa, und besonders bevorzugt zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig größer 1350 MPa, realisierbar. Dies wirkt sich besonders vorteilig auf eventuelle Crasheigenschaften aus, die die Wanne mit übernimmt. Die Wanne kann jedoch auch aus einem Leichtmetall, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden und weist hierzu eine Wandstärke kleiner gleich 3,5 mm auf. Die Wanne wird insbesondere durch Tiefziehen hergestellt.
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Bei einer Wanne aus einer Aluminiumlegierung wird insbesondere eine naturharte oder walzharte Aluminiumlegierung der 5000er-Gruppe verarbeitet. Besonders bevorzugt findet die Verarbeitung durch Schnellerwärmen und Warmformen in einem kalten Pressenwerkzeug statt. Das Werkzeug kann dabei gleichmäßig kalt sein. Das Pressenwerkzeug kann jedoch auch nur lokal kalt sein, so dass insbesondere in den Bereichen mit hohen Umformgraden eine weniger rasche Abkühlung stattfindet. Die Umformung findet in einem Zeitraum von weniger als 60s, insbesondere weniger als 30s statt. Die Erwärmung erfolgt ebenfalls bevorzugt in weniger als 60s, bevorzugt weniger als 30s. Es wird eine Dehngrenze Rp0,2 größer 260 MPa ausgebildet.
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Bevorzugt können lokal Festigkeiten mit einer Dehngrenze Rp0,2 größer 350 MPa ausgebildet werden. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Wanne in den Bereichen hoher Festigkeitsanforderungen, mithin in Längsrichtung bzw. Querrichtung der Seitenwände der Wanne oder auch an Verbindungspunkten zur Struktur des Kraftfahrzeuges diese hohe Festigkeit besitzt. Die Wanne wird insbesondere als einstückiges und werkstoffeinheitliches Tiefziehbauteil mit dem zuvor beschriebenen Verfahren aus einer 5000er Aluminiumlegierung hergestellt. Als Umformverfahren kommt insbesondere ein Tiefziehverfahren zum Einsatz.Die Wanne besitzt somit einen Boden sowie einen außen umlaufenden Rand. Weiterhin bevorzugt steht gegenüber dem Rand nochmals seitlich ein Flansch hervor. Die Wanne ist einstückig und werkstoffeinheitlich ausgebildet. Die Einprägungen sind insbesondere in dem Boden ausgebildet. Die Einprägungen sind von außen nach innen ausgebildet, beispielsweise in Form von Sicken. Die Einprägungen selbst verstärken bereits die Wanne, wobei durch die Einstückigkeit der Wanne selber bereits eine Dichtigkeit gewährleistet ist. Tritt beispielsweise aus den Batterien Flüssigkeit aus, wird diese in der Wanne aufgefangen. Von außen entstehendes Kondenswasser aber auch beispielsweise Spritzwasser im Unterflurbereich des Kraftfahrzeuges tritt nicht nach innen. Durch die Einprägungen ist gleichzeitig eine Versteifung der Wanne gewährleistet. Mithin wird hierdurch die Crashsteifigkeit sowie auch die Verwindungssteifigkeit der Wanne erhöht.
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Die Verstärkungsstreben sind bevorzugt mit dem Rahmen gekoppelt, insbesondere verschweißt. Dies erhöht die Crashsteifigkeit im Falle eines Unfalls.
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Erfindungsgemäß ist jedoch weiterhin vorgesehen, dass in den Einprägungen Verstärkungsstreben angeordnet sind. Bei den Verstärkungsstreben handelt es sich bevorzugt um Hohlprofile. Diese können beispielsweise als Ein- oder Mehrkammerstrangpressprofile oder auch als Rollformprofile hergestellt werden. Bevorzugt weisen die Verstärkungsstreben eine Dehngrenze RP 0,2 größer gleich 200 MPa auf. Insbesondere sind die Verstärkungsstreben ebenfalls aus einem Leichtmetall hergestellt. Sie können jedoch auch aus Stahl hergestellt sein.
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Die Verstärkungsstreben sind insbesondere mit der Wanne gefügt. Bevorzugt wird hier ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, wie beispielsweise Kleben oder Schweißen verwendet. Auch können jedoch weitere Kopplungsverfahren verwendet werden, beispielsweise Nieten oder Clinchen.
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Durch die Verstärkungsstreben, welche insbesondere in den Einprägungen an der Außenseite der Wanne angeordnet sind, werden die Crasheigenschaften sowie Steifigkeitsanforderungen an den Batterieträger erfüllt. Es handelt sich bei den Verstärkungsstreben um besonders einfache und kostengünstig hergestellte Bauteile, ohne komplexe Bauteilgeometrien.
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Weiterhin besonders bevorzugt ist der Deckel ebenfalls als Wanne ausgebildet. Die Wanne des Deckels weißt bevorzugt die zuvor beschriebenen Eigenschaften in Bezug auf Einprägungen sowie Verstärkungsstreben auf. Weiterhin bevorzugt können die eigentliche Wanne sowie die Wanne als Deckel als Gleichteile ausgebildet sein. Hierdurch ist es möglich die Stückzahlen des herzustellenden Bauteils zu steigern und damit die Produktionskosten zu senken. Auch können der Rahmen des Deckels und der Rahmen der Wanne als Gleichteile ausgebildet sein.
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Die Produktionskosten sind somit gering, gleichzeitig kann den geforderten Eigenschaften hinsichtlich Dichtigkeit und Crashperformance sowie Steifigkeit des Batterieträgers entsprochen werden.
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Optional können die Verstärkungsstreben direkt mit der Wanne gekoppelt sein. Es kann jedoch auch eine Dämmschicht zwischen Verstärkungsstrebe und Wanne eingegliedert sein.
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Als Werkstoff der Wanne wäre es in einer Alternative auch vorstellbar, diese aus einem Kunststoffwerkstoff herzustellen. Um eine EMV-Verträglichkeit zu gewährleisten, könnten in den Kunststoff elektrisch leitfähige Bestandteile eingelassen sein, beispielsweise eine Folie, Fasern oder Partikel.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann durch die Verstärkungsstreben der Wanne eine Kühlflüssigkeit geleitet werden. Hierdurch ist es möglich die in den Batterien entstehende Wärme während der Leistungsentnahme abzuführen.
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Weiterhin besonders bevorzugt sind die mehreren Verstärkungsstreben in einer jeweiligen Einprägung parallel nebeneinander angeordnet. Alternativ oder Ergänzend können auch zwei Verstärkungsstreben kreuzweise zueinander angeordnet sein. Insbesondere verlaufen die Verstärkungsstreben in einem Winkel von 90° zueinander. Weiterhin bevorzugt besitzen die Verstärkungsstreben bevorzugt im Bereich der Kreuzung eine Ausklinkung, so dass diese formschlüssig ineinander greifen jedoch beide auf gleicher Höhe angeordnet sind. Auch können die Verstärkungsstreben in den Kreuzungspunkten stoffschlüssig gekoppelt sein. Insbesondere verlaufen die Verstärkungsstreben in Kraftfahrzeuglängsrichtung sowie Kraftfahrzeugquerrichtung.
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Zum Verschluss des Batterieträgers sind bevorzugt der Deckel und die Wanne unter Eingliederung einer Dichtung gekoppelt und miteinander verschraubt. Weiterhin bevorzugt können bei der Wanne sowie dem Deckel ebenfalls ausgebildet als Wanne die jeweiligen nach außen abstehenden Flansche flächig unter Eingliederung einer Dichtung aneinanderlegen.
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Weiterhin besonders bevorzugt läuft an jeder Wanne außen ein Rahmen um. Der Flansch liegt bevorzugt auf dem Rahmen auf. Der Rahmen selbst ist bevorzugt aus einem Hohlprofil, insbesondere Mehrkammerhohlprofil ausgebildet. Zur Koppelung beider Wannen, können dann die jeweils an einer Wanne außen umlaufenden Rahmen miteinander verschraubt sein. Weiterhin besonders bevorzugt kann mindestens ein Rahmen aus einem im Querschnitt L-förmigen Hohlprofil, insbesondere Mehrkammerhohlprofil ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Batterieträger mit Einprägung,
- 2 eine Perspektivansicht eines Deckels,
- 3 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Wanne und
- 4 eine Teilschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Batterieträger.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Batterieträger 1 in einer Längsschnittansicht. Eine untere Wanne 2 ist einstückig und werkstoffeinheitlich ausgebildet. Diese weist insbesondere einen flächigen Boden 3 sowie eine um den Boden 3 umlaufende Wand 4 und einen an der Wand 4 ausgebildeten Flansch 5 auf. Der Flansch 5 steht nach außen hin ab.
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Erfindungsgemäß sind in der Wanne 4 nach innen gerichtet Einprägungen 6 ausgebildet. In den Einprägungen 6 sind Verstärkungsstreben 7 von außen angeordnet. Die Einprägungen 6 sind derart ausgebildet, dass sie von einer Außenmantelfläche 8 in Richtung eines Innenraumes 9 des Batterieträgers 1 vorstehend ausgebildet sind.
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Die Außenmantelfläche 8 des Batterieträgers 1 mit den eingesetzten Verstärkungsstreben 7 ist im Wesentlichen flächig bzw. plan ausgebildet. In dem Batterieträger 1 selbst ergeben sich Aufnahmeräume zur Anordnung nicht näher dargestellter Batterien.
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Der Flansch 5 liegt an einem außen umlaufenden Rahmen 11 auf. Der Rahmen 11 selbst ist ebenfalls als Mehrkammerhohlprofil ausgebildet und in diesem Fall im Querschnitt L-förmig ausgebildet. Der Deckel 12 ist ebenfalls als Wanne ausgebildet. Der Deckel 12 weist somit ebenfalls erfindungsgemäße Einprägungen 6 auf, die in den Innenraum 9 des Batterieträgers 1 gerichtet sind. Auch an dem Deckel 12 sind somit Verstärkungsstreben 7 angeordnet. Hier dargestellt sind mehrere Verstärkungsstreben 7 parallel zueinander in einer jeweiligen Einprägung 6 angeordnet. Die Verstärkungsstreben 7 sind in Kraftfahrzeugquerrichtung Y orientiert angeordnet. Ferner kann eine oder mehrere mittlere Einprägung 6m ausgebildet sein, in welcher eine oder mehrere nicht näher dargestellte mittlere Verstärkungsstrebe 7m verläuft. Auch der Deckel 12 besitzt einen außen umlaufenden Rahmen 11. Der Rahmen 11 ist ebenfalls als Mehrkammerhohlprofil ausgebildet. In diesem Fall ist der Rahmen 11 des Deckels 12 jedoch nicht L-förmig ausgebildet. In der Schnittansicht gut zu erkennen ist, dass der Deckel 12 sowie die Wanne 2 als Gleichteile ausgebildet sind. Einziger Unterschied ist der außen umlaufende Rahmen 11 der unteren Wanne 2.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf den Deckel 12. Die Außenmantelfläche 13 des Deckels 12 im Wesentlichen plan ausgebildet. Die einzelnen Verstärkungsstreben 7 sind in Kraftfahrzeugquerrichtung Y orientiert und parallel zueinander angeordnet. Eine mittlere Verstärkungsstrebe 7m ist in Kraftfahrzeuglängsrichtung X orientiert ausgerichtet. Die in Kraftfahrzeugquerrichtung ausgerichteten Verstärkungsstreben 7 kreuzen sich mit der mittleren Verstärkungsstrebe 7m. Außen umlaufend ist der Rahmen 11 angeordnet. In diesem Fall als Zweikammerhohlprofil. Die einzelnen Rahmenseiten sind abgelängt und miteinander gekoppelt. Ein Flansch 5 liegt unterseitig an dem Rahmen an.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße Wanne 2. Die Wanne 2 weist in den Innenraum gerichtete Einprägungen 6 auf. Auf der Unterseite der Wanne 2, welche in 3 nicht sichtbar ist, sind erfindungsgemäß Verstärkungsstreben angeordnet. Ein umlaufender Flansch 5 der Wanne 2 steht jeweils seitlich in Kraftfahrzeuglängs- und Kraftfahrzeugquerrichtung X, Y ab und liegt auf dem Rahmen 11 der Wanne 2 auf. Der Rahmen 11 ist im Querschnitt als L-förmiges Mehrkammerhohlprofil ausgebildet.
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Der in 2 dargestellte Deckel 12 sowie die in 3 dargestellte Wanne 2 sind insbesondere als Gleichteile ausgebildet. Zur Koppelung können die jeweiligen Flansche 5 formschlüssig aufeinander unter Eingliederung einer Dichtung aufliegen. Ein sich ergebender Innenraum ist somit fluiddicht abgeschlossen. Eine nicht näher dargestellte elektrische Anschlussleitung verbindet die ebenfalls nicht näher dargestellten Batterien dann mit dem Kraftfahrzeug.
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4 zeigt eine Teilschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Batterieträger 1. Die auf die Bildebene bezogen untere Wanne 2 sowie die obere Wanne 2 sind jeweils ohne Einprägungen ausgebildet. An einer jeweiligen Außenseite bzw. Außenmantelfläche 8 der Wanne 2 sind erfindungsgemäß Verstärkungsstreben 7 angeordnet. Jede Wanne 2 weist eine außen umlaufende Wand 4 sowie einen Boden 3 auf. Gegenüber der außen umlaufenden Wand 4 steht jeweils ein Flansch 5 nach außen über. Die Wanne 4 vom oberen Deckel 12 als auch die untere Wanne 2 sind als Gleichteile ausgebildet. Ebenfalls außen umlaufend ist ein jeweiliger Rahmen 11, ausgebildet aus Hohlprofilen, an den Wannen 2 angeordnet. Auch hier sind die Hohlprofile beider Rahmen 11 als Gleichteile ausgebildet und somit beide Rahmen 11 als Gleichteile ausgebildet. Bevorzugt kann eine Verschraubung 14 angeordnet sein, welche beide Rahmen 11 durchfasst, so dass diese miteinander verschraubt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Batterieträger
- 2 -
- Wanne
- 3 -
- Boden zu 2
- 4 -
- Wand zu 2
- 5 -
- Flansch zu 2
- 6 -
- Einprägung
- 6m -
- mittlere Einprägung
- 7 -
- Verstärkungsstrebe
- 7m -
- mittlere Verstärkungsstrebe
- 8 -
- Außenmantelfläche
- 9 -
- Innenraum zu 1
- 10 -
- Aufnahmeräume
- 11 -
- Rahmen
- 12 -
- Deckel
- 13 -
- Außenmantelfläche zu 12
- 14 -
- Verschraubung
- X -
- Kraftfahrzeuglängsrichtung
- Y -
- Kraftfahrzeugquerrichtung
