DE102017119020B4

DE102017119020B4 - Testaufbau für Traktions-Batterie-Systeme von Kraftfahrzeugen und mit dem Testaufbau ausführbares Verfahren

Info

Publication number: DE102017119020B4
Application number: DE102017119020.1A
Authority: DE
Inventors: Sven Ginsberg
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: DE102017119020A1

Abstract

Testaufbau für Crash-Tests für Traktions-Batterie-Systeme von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Traggestell (1) mit Haltevorrichtungen (7.1, 7.2) mit Anlenkpunkten für mindestens ein Traktions-Batterie-System (8) Fahrwerkskomponenten, wie Räder (4.1, 4.2, 5.1, 5.2), Achsen (2, 3), Federungs- bzw. Dämpfungs-Systeme (6.1, 6.2) usw., eines Elektro-Kraftfahrzeugs typgerecht anbringbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Testaufbau für Crash-Tests für Traktions-Batterie-Systeme von Kraftfahrzeugen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein mit dem Testaufbau ausführbares Verfahren.
Die nationalen und internationalen Vorschriften zur Betriebssicherheit und insbesondere zur Gewährleistung eines hohen und höchsten Sicherheitsniveaus, z. B. in Crash-Fällen stellen höchste Ansprüche an die Kraftfahrzeug-Hersteller. Es sollen die gleichen Sicherheitsstandards wie bei modernen, konventionell angetriebenen Kraftfahrzeugen gewährleistet werden können. Hinzukommen aber bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb zusätzliche Herausforderungen, wie z. B. durch elektrische Gefährdungen oder auch infolge chemischer Reaktionen, z. B. bei einem möglichen Austritt von eventuell giftigen Batteriesubstanzen; und auch die zusätzlichen thermischen Herausforderungen (Überhitzung, Feuer, Explosion), die bei solchen Systemen u.U. auftreten können, sollen nach Möglichkeit bewältigt werden können.
Üblicherweise werden solche Batterie-Systeme großflächig unterhalb der Fahrgastzelle von Kraftfahrzeugen angeordnet; sie reichen größtenteils bis weit an den seitlichen Bereich der annähernd zwischen den vorderen und hinteren Radkästen des Kraftfahrzeugs angeordneten Seitenschweller heran. Daraus können zusätzliche Herausforderungen in Sachen Sicherheit im Crash-Fall resultieren.
Um Lösungen zu finden, mit denen die vorgenannten Herausforderungen zu bewältigen sind, bedient man sich üblicherweise simulativer Methoden (z. B. Finite-Elemente-Methode) oder man testet die im und mit dem Batterie-System verbundenen Komponenten versuchsweise einzeln separat und versucht sich darüber, den auftretenden Belastungssituationen im Kraftfahrzeug bestmöglich anzunähern.
Im Unterschied zu Crash-Versuchen mit Gesamtfahrzeugen im Hinblick auf das Verhalten des Aufbaus und des Fahrwerks und der anderen Komponenten des Fahrzeugs müssen für die Tests der Batterie-Systeme sehr häufig eine Vielzahl von Versuchen mit entsprechend hohen Kosten durchgeführt werden.
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe Testvorrichtungen für Kraftfahrzeuge, auch für Kraftfahrzeuge mit Batterieantrieben bekannt. Z.B. zeigt und beschreibt die CN 204 202 842 U eine Testvorrichtung für ein Batteriesystem, mit dem „Rollover“-Tests durchgeführt werden können. Dazu wird ein Batterie-Block auf einen Träger in einen der Fahrzeugstruktur entsprechenden Rahmen gespannt, der mit Rollen bewegbar ist. Diese Konstruktion wird dann auf einer verschieb- und schwenkbaren Hubplatte fixiert, die über ein an ihr angreifendes Hydraulik-System und über Hub-Streben den „Rollover“-Effekt des gesamten Rahmens mit dem Batterie-System ausführen soll.
Die US 2016/03 05 850 A1 offenbart eine Roh-Karosseriestruktur für einen Fahrzeugtest mit geringer Überlappung im Kollisionsfall. Dazu sollen in einer Rohkarosse bestimmte Originalteile kostengünstig durch Substitutionsteile in entsprechender Größe und Gewicht, z.B. Antriebsstrang, Türen, Dach usw. ersetzt werden.
Schließlich zeigt und beschreibt die US 2016/01 61 372 A1 einen Testaufbau, bei dem ein Original-Vorderwagen einer Rohkarosse über ein Kupplungselement mit einem mehrfach verwendbaren Testkörper für den Testablauf verbunden werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Testaufbau für Traktions-Batterie-Systeme von Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieben vorzuschlagen, der es ermöglicht, eine möglichst weitgehend wirklichkeitsnahe Crash-Belastung darzustellen. Auch soll ein mit dem Testaufbau ausführbares Verfahren bereitgestellt werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Testaufbau nach Anspruch 1 und durch das Verfahren nach Anspruch 7. Erfindungsgemäß sind an einem Traggestell für das Traktions-Batterie-System Fahrwerkskomponenten wie Räder, Achsen, Federungs- bzw. Dämpfungs-Systeme usw. eines Elektro-Kraftfahrzeugs typgerecht anbringbar.
Das Tragegestell nach der Erfindung kann aus einfachen Profilen z.B. aus Stahl- oder Aluminiumprofilen aufbaubar sein, z. B. durch Verschweißen, Verschrauben, Vernieten, o.ä.
In einer bevorzugten Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung kann das Tragegestell mit längs- und/oder quer- und/oder höhen- versetz- bzw. verschiebbaren Zusatzgewichten zur Veränderung der Massenverteilung bzw. des Schwerpunkts bestückbar sein. Des Weiteren kann am Traggestell ein zusätzlicher Anschlag oder Deformationselement im Bereich des Traggestells angeordnet sein, mit dem Zweck, ein zu starkes Kippen um die Längsachse zu verhindern.
Am Traggestell sind vorzugsweise Haltevorrichtungen mit Anlenkpunkten vorgesehen, an denen das mindestens eine Traktions-Batterie-System austauschbar befestigbar ist.
Zusätzlich können am Traggestell bzw. an den Haltevorrichtungen für das Batterie-System, insbesondere um für den Crash-Fall realitätsnahe konstruktive Bedingungen zu schaffen, Befestigungsmöglichkeiten für Teile des Aufbaus eines Elektrokraftfahrzeugs, wie z. B. Seitenschweller, A-, B-, C-Säulen vorgesehen sein.
In zweckmäßiger Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung können zur Vereinfachung und vor allem zur Veränderung der Bedingungen Zusatzgewichte, Traktions-Batterie-Systeme und/oder Aufbauteile am Traggestell anschraubbar oder in formschlüssigen Führungen fixierbar anbringbar sein.
Eine weitgehend realitätsnahe Durchführung von Crash-Versuchen mit einem Testaufbau für Traktions-Batterie-Systeme nach der Erfindung kann mit einem Verfahren unter Verwendung eines solchen Testaufbaus erreicht werden, wenn mit dem Tragegestell und mit den an diesem angebrachten Fahrwerkskomponenten Kipp-, Neige-, Rollbewegungen analog eines Kraftfahrzeugs unter Fahrbedingungen ausführbar sind. Das wird in einfacher Weise dadurch erreichbar, dass die gesamten Fahrwerkskomponenten mit dem Traggestell so verbunden sind, wie deren Verbindung mit dem Aufbau des entsprechenden Fahrzeugtyps ausgeführt sein soll.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfinderischen Lösung für einen Testaufbau für Batterie-Systeme und für ein Verfahren zur Ausführung von Tests mit einem Testaufbau nach der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen in den Figuren einer Zeichnung. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Es zeigt:

1 eine Draufsicht auf einen Testaufbau nach der Erfindung mit einem Traggestell und den daran angebrachten Fahrwerkskomponenten eines Fahrzeugs;
2 eine perspektivische Ansicht des Erfindungsgegenstandes nach 1;
3 eine alternative Versuchsanordnung mit einem Testaufbau nach 1 bzw. 2; und
4 eine schematische Darstellung eines dynamischen Crash-Versuchs mit dem Testaufbau nach 1 bis 3.

In 1 ist ein Traggestell 1 schematisch dargestellt, das aus z. B. Stahlprofilen zusammengeschweißt und/oder zusammengeschraubt o.ä. sein kann. Am Traggestell 1 sind entsprechend Achsabstand, Fahrspur usw. Fahrwerkskomponenten, befestigt, z. B. Vorderachse 2, Hinterachse 3, Vorderräder 4.1 und 4.2 und Hinterräder 5.1 und 5.2 sowie Federungs- bzw. Dämpfungs-Systeme 6.1 und 6.2 angebracht. Alle Fahrwerkskomponenten 2 bis 6 usw. sind in idealer Weise entsprechend dem zu untersuchenden Fahrzeugtyp am Traggestell 1 so befestigt, dass in einem solchen Testaufbau Bewegungssituationen, z. B. Kipp-, Neige-, Rollbewegungen eines Fahrzeugs im normalen Straßen- bzw. Geländeeinsatz nachgestellt werden können.
Am Traggestell 1 sind Haltevorrichtungen 7.1 und 7.2 vorgesehen, an denen an Anlenkpunkten mindestens ein Traktions-Batterie-System 8 so befestigbar ist, dass es der Befestigung im Kraftfahrzeug entspricht. Ferner können am Traggestell 1 (oder auch alternativ an den Haltevorrichtungen 7.1 bzw. 7.2) Befestigungsmöglichkeiten für weitere Aufbauteile eines Elektro-Kraftfahrzeugs vorgesehen werden, wie z. B. für die Seitenschweller 9.1 bzw. 9.2.
Nur andeutungsweise ist in 1 der zu untersuchende Bereich UB (gestrichelte Linie) angedeutet. Ebenfalls nur angedeutet ist die alternative Anordnung von Pfählen 10.1 bzw. 10.2, mit denen ein seitlicher Pfahlaufprall eines Fahrzeugs an unterschiedlichen Stellen im Bereich der Seitenschweller 9.1 bzw. 9.2 simulierbar ist (siehe dazu nachstehend 4).
2 zeigt den Testaufbau nach der Erfindung mit dem Traggestell 1 und allen daran angeordneten Fahrwerkskomponenten in einer perspektivischen Ansicht, um den vergleichsweise einfachen Aufbau des Traggestells 1 in einem Ausführungsbeispiel mit den daran angeordneten Haltevorrichtungen 7.1 bzw. 7.2 für ein Batterie-System 8 schematisch näher darzustellen. Wie erkennbar, kann das Traggestell 1 in relativ einfacher Weise als eine Art Gitteraufbau ausgeführt sein. Am Gitteraufbau des Traggestells 1 sind die Haltevorrichtungen 7.1 bzw. 7.2 für das Batteriesystem und an diesen Befestigungsmöglichkeiten für z. B. Seitenschweller 9.1 bzw. 9.2 vorgesehen.
Am Traggestell 1 sind - im Ausführungsbeispiel in einfachster Weise - Möglichkeiten vorgesehen, um zur Veränderung von Masseverteilung, Schwerpunktlage usw. analog dem Gesamtfahrzeug Veränderungen einstellen zu können. Dazu können Zusatzgewichte 11 unterschiedlicher Größe längs- und/oder quer (nicht dargestellt)-versetz- bzw. - verschiebbar im Traggestell 1 angeordnet werden. Zur Veränderung des Schwerpunkts können die Gewichte 11 auch höhenversetzbar (nicht dargestellt) angeordnet sein.
3 zeigt den Versuchsaufbau nach den 1 bzw. 2 in einer alternativen Versuchsanordnung. Dazu ist ein Hindernis 12 zum Ausführen eines sogenannten „smalloverlap“-Versuchs - siehe Untersuchungsbereich UB (gestrichelt) - angeordnet. Mit einer solchen Versuchsanordnung können in einfacher Weise und kostengünstig eventuell auftretende Beschädigungen am Batteriesystem durch das Verschieben bzw. unter Umständen Eindringen der Vorderräder 4.1 bzw. 4.2 und sonstiger Fahrwerkskomponenten an bzw. in das Batterie-System 8 untersucht werden.
4 zeigt schematisch die möglichen Untersuchungen mit einem Testaufbau entsprechend dem Erfindungsgegenstand, wenn wie eingangs beschrieben das Traggestell 1 mit dem darin untergebrachten Batterie-System 8 mit dem Fahrgestell (Fahrwerkskomponenten 2, 3, 4, 5, 6) so angelenkt ist, dass es der typbedingten Verbindung von Fahrwerk und Aufbau weitestgehend entspricht. Unter Verwendung einer aus dem Stand der Technik bekannten „flying-floor“-Testeinheit können beliebige Bewegungsabläufe mit dem Testaufbau nach der Erfindung erreicht werden. Auf einem „flying-floor“ 13, der in unterschiedliche Richtungen und ggfs. mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen bewegbar ist, wird der Versuchsaufbau mit dem Traggestell 1 positioniert. Der Versuchsaufbau wird unter Erzeugung von entsprechenden Bewegungen (Kippen, Neigen, Rollen usw.) auf dem „flying-floor“ 13 bewegt, um z. B. mit dem Pfahl 10.1 einen Seitencrash unter fahrdynamischen Bedingungen zu simulieren.
Die Vorteile eines solchen Testaufbaus nach der Erfindung sind für den Fachmann offensichtlich:

- Mit dem Testaufbau lässt sich bei realistischem Radstand, Spur usw. unter vorgegebener Masse und ggf. Schwerpunktlage typbedingt das kinematische Verhalten im Crash-Fall eines Fahrzeugs darstellen;
- Die offene Konstruktion des Traggestells 1 ermöglicht eine genaue Beobachtung des Batterie-System-Deformationsverhaltens;
- Der Testaufbau ermöglicht dynamische Belastungen unter Berücksichtigung aller auftretender Effekte in einem Batterie-System.

Claims

Testaufbau für Crash-Tests für Traktions-Batterie-Systeme von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Traggestell (1) mit Haltevorrichtungen (7.1, 7.2) mit Anlenkpunkten für mindestens ein Traktions-Batterie-System (8) Fahrwerkskomponenten, wie Räder (4.1, 4.2, 5.1, 5.2), Achsen (2, 3), Federungs- bzw. Dämpfungs-Systeme (6.1, 6.2) usw., eines Elektro-Kraftfahrzeugs typgerecht anbringbar sind.
Testaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Traggestell (1) aus Stahlprofilen aufbaubar ist.
Testaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Traggestell (1) mit längs- und/oder quer- und/oder höhen-versetz- bzw. - verschiebbaren Zusatzgewichten (11) zur Änderung von Masseverteilung und/oder Schwerpunktlage bestückbar ist.
Testaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Traggestell (1) bzw. an Haltevorrichtungen (7.1, 7.2) des Traktions-Batterie-Systems (8) Teile des Aufbaus (9.1, 9.2) des Elektro-Kraftfahrzeugs, wie z. B. Seitenschweller, anbringbar sind.
Testaufbau nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzgewichte (11), Traktions-Batterie-System (8) und/oder Aufbauteile (9.1, 9.2) am Traggestell (1) und/oder an Haltevorrichtungen (7.1, 7.2) im Traggestell (1) anschraubbar befestigbar sind.
Testaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzgewichte (11), Traktions-Batterie-System (8) und/oder Aufbauteile (9.1, 9.2) am Traggestell (1) und/oder an Haltevorrichtungen (7.1, 7.2) am Traggestell (1) in formschlüssigen Führungen fixierbar anbringbar sind.
Mit einem Testaufbau nach Anspruch 1 ausführbares Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Traggestell (1) und mit den an ihm angebrachten Fahrwerkskomponenten (2, 3, 4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) Kipp-, Neige-, Rollbewegungen analog eines Kraftfahrzeugs unter Fahrbedingungen ausführbar sind.