DE102017214275B3 - Unterfahrschutz für ein Batteriegehäuse - Google Patents

Abstract

Unterfahrschutz (1) für ein Batteriegehäuse (10) bestehend aus einem Werkstoffverbund, aufweisend:- eine erste und eine zweite Schicht (2) aus Stahl und- einer dazwischen angeordneten polymeren Schicht (3).

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Unterfahrschutz für ein Batteriegehäuse, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, sowie ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug aufweisend ein Batteriegehäuse mit dem erfindungsgemäßen Unterfahrschutz.
• Technischer Hintergrund
• Die zunehmende bzw. anhaltende Elektrifizierung von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen, und der gleichzeitige Kundenwunsch nach hohen Reichweiten solcher Fahrzeuge, erfordern die Entwicklung von leistungsfähigen Batteriekonzepten. Insbesondere Batteriegehäuse, die die Batterien aufnehmen bzw. in welchen die Batterien aufgenommen sind, haben in der Regel eine wesentliche Erstreckung in Quer- und Längsrichtung des Fahrzeugs und sind mittig, insbesondere unterhalb der Fahrgastzelle unter dem Fahrzeugbodenblech montiert. Das Batteriegehäuse dient unter anderem zum Schutz der Batterien vor Beschädigung wie auch zur Abfuhr der während der Fahrt des Fahrzeugs durch die Batterien erzeugte Wärme. Damit ergeben sich komplexe Anforderungen hinsichtlich der Faktoren Bauraum, Crashperformance, Gewicht, Dichtigkeit etc.
• Derzeit gibt es noch keine genormten Sonderlastfälle für Batteriegehäuse in Elektrofahrzeugen. Die Automobilbauer (OEM's) führen für sich hausinterne Tests durch, um eine gewisse Sicherheit dem Kunden hinsichtlich der Crashperformance zu bieten. Ein wichtiger Aspekt bei der Betrachtung respektive Auslegung von Batteriegehäusen ist unter anderem ein Poller-Auffahrtest, bei dem ein Poller oder ein vergleichbarer Testkörper von unten bzw. auf den unteren Teil des Batteriegehäuses trifft. Bei diesem Lastfall darf sich das Batteriegehäuse nur in einem gewissen Rahmen verformen, ohne dass sich der Innenraum des Batteriegehäuses, in dem sich die Batterien befinden, wesentlich deformiert. Zentrales Bauteil bei diesem Lastfall ist die Bodenplatte des Batteriegehäuses, der sogenannte Unterfahrschutz für das Batteriegehäuse. Das Ziel des sogenannten Unterfahrschutzes ist die Batterie vor Eindringen von Gegenständen und damit vor Bränden zu schützen. Der Poller-Auffahrtest ist eine mögliche Prüfmethode. Die Eindringtiefen sind derzeit noch nicht genormt, so dass jeder OEM seine eigenen Prüfmethoden verwendet. Eine Aufprallschutzvorrichtung über den Boden eines Batteriemoduls eines Fahrzeugs auf Basis einer Vielzahl von Drehkörpern ist aus der DE 102017005169 A1 bekannt.
• Der Unterfahrschutz ist eine im Wesentlichen ebene Platte, welche aufgrund des Lastfalls eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen muss. Zum Einsatz kommen insbesondere monolithische Werkstoffe, unter anderem Aluminiumplatten aufgrund der im Vergleich zu anderen Metallen, wie zum Beispiel Stahl gering(er)en Dichte und damit abhängig von der Dicke leicht(er) ausgeführt sind. Hinsichtlich der Leichtbaukosten eines Unterfahrschutzes für Batteriegehäuse bestehen Optimierungsmöglichkeiten.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Leichtbaukosten optimierten Unterfahrschutz für ein Batteriegehäuse, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, bereitzustellen.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Unterfahrschutz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
• Erfindungsgemäß ist ein Unterfahrschutz für ein Batteriegehäuse, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, bestehend aus einem Werkstoffverbund vorgesehen, aufweisend eine erste und eine zweite Schicht aus Stahl, insbesondere einem hochfesten Stahl und einer dazwischen angeordneten polymeren Schicht.
• Werkstoffverbunde aus unterschiedlichen Werkstoffen vereinen in der Regel gegensätzliche Eigenschaften. Durch die Schichten aus Stahl wird ein Werkstoffverbund bereitgestellt, welcher dem vorgenannten Lastfall einen gewissen Widerstand entgegensetzt und durch die polymere Schicht zwischen den Schichten aus Stahl kann der Werkstoffverbund im Vergleich zum monolithischen Werkstoff leichter ausgebildet und gleichzeitig eine hohe Biegefestigkeit erreicht werden.
• Um eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit bereitzustellen, weisen gemäß einer ersten Ausgestaltung die Schichten aus Stahl jeweils eine Schichtdicke von mindestens 0,4 mm, insbesondere von mindestens 0,5 mm und die polymere Schicht eine Schichtdicke von mindestens 0,6 mm, insbesondere von mindestens 0,8 mm auf. Hinsichtlich der Leichtbaukosten können die Schichtdicken aus Stahl insbesondere auf maximal 2,5 mm, insbesondere auf maximal 2,0 mm, bevorzugt auf maximal 1,5 mm, besonders bevorzugt auf maximal 1,3 mm und die Schichtdicke aus Polymer auf maximal 5 mm, insbesondere auf maximal 3,5 mm, bevorzugt auf maximal 2,5 mm, besonders bevorzugt auf maximal 1,5 beschränkt sein, um gegenüber monolithischen Werkstoffen mit vergleichbarer Performance kostenneutraler bzw. kostengünstiger bei geringerem Gewicht und damit attraktiver für den OEM zu sein.
• Unter hochfestem Stahl sind Stähle mit einer Zugfestigkeit (R_m) von mindestens 600 MPa, insbesondere von mindestens 700 MPa, bevorzugt von mindestens 800 MPa, besonders bevorzugt von mindestens 900 MPa zu verstehen, die einen gewissen Widerstand aufweisen. Tritt der vorgenannte Lastfall auf, muss der hochfeste Stahl gleichzeitig auch eine gewisse Verformungseigenschaft, ohne bei geringfügiger Verformung sofort zu versagen, insbesondere eine Dehnung (A₈₀) von mindestens 10 %, vorzugsweise von mindestens 15 %, besonders bevorzugt von mindestens 20 % aufweisen. Es kommen kaltformbare Stähle zum Einsatz, insbesondere Mehrphasenstähle (DIN EN 10338) mit mindestens zwei Anteilen im Gefüge aus der Gruppe Ferrit, Restaustenit, Bainit, Martensit, Zementit, wobei vorzugsweise Dualphasenstähle (DIN EN 10338) mit im Wesentlichen Anteilen im Gefüge von Ferrit und Martensit oder Q&P-Stähle, sogenannte Quench&Partitioning-Stähle, mit einem überwiegenden Anteil im Gefüge an Martensit mit mindestens 70 Flächen-%, wobei mindestens ein Drittel, insbesondere mindestens die Hälfte angelassener Martensit ist, und der verbleibende Rest aus einem oder mehreren Anteilen an bis zu 30 Flächen-% Ferrit, an bis zu 30 Flächen-% Restaustenit, an bis zu 30 Flächen-% Bainit, an bis zu 5 Flächen-% Zementit bestehen kann. Die Herstellung der Mehrphasenstähle, vorzugsweise der DP-Stähle oder Q&P-Stähle sind aus dem Stand der Technik bekannt.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht die polymere Schicht aus einem thermoplastischen Polymer, insbesondere PP-, PA-, PE-, PS-Basis oder deren Mischung.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist mindestens eine der Schichten aus hochfestem Stahl zumindest außenseitig eine Korrosionsschutzschicht auf, insbesondere auf Zink- und/oder Aluminium-Basis. Vorzugsweise sind beide Schichten aus hochfestem Stahl beidseitig mit einer Korrosionsschutzschicht versehen.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Unterfahrschutz ein- oder beidseitig eine Polymerschicht auf, insbesondere Thermoplast-, Elastomer- und/oder Kautschuk-Basis. Insbesondere kann auf der Seite des Unterfahrschutzes, welche im montierten Zustand am Batteriegehäuse vom Batteriegehäuse abgewandt ist, eine Polymerschicht auf vorzugsweise Elastomer- oder Kautschuk-Basis vorgesehen sein, um dem Unterfahrschutz einen höheren Widerstand insbesondere hinsichtlich Prallverschleiß durch beispielsweise Steinschlag etc. zu verleihen. Zusätzlich oder alternativ kann auf der Seite des Unterfahrschutzes, welche im montierten Zustand am Batteriegehäuse dem Batteriegehäuse zugewandt ist, eine Polymerschicht auf vorzugsweise Thermoplast-Basis vorgesehen sein, um dem Unterfahrschutz einen höheren Korrosionsschutz zu verleihen.
• Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Batteriegehäuses mit einem vorbeschriebenen Unterfahrschutz in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder einem Fahrzeug mit Hybridantrieb, insbesondere ein Personenfahrzeug, Nutzfahrzeug, Sonderfahrzeug, vorzugsweise Bus, Omnibus, ein gleisgebundenes Fahrzeug, vorzugsweise Straßenbahn oder personenbefördernder Waggon.
• Figurenliste
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
• 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Unterfahrschutzes und
• 2 eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses.
• Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• In 1 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen erfindungsgemäßen Unterfahrschutz (1) gezeigt. Der Unterfahrschutz (1) besteht aus einem Werkstoffverbund, aufweisend eine erste und eine zweite Schicht aus einem hochfesten Stahl (2) mit jeweils einer Schichtdicke zwischen 0,4 und 2,5 mm und einer dazwischen angeordneten polymeren Schicht (3) mit einer Schichtdicke zwischen 0,6 und 5 mm. Bevorzugt wird ein hochfester Stahl (2) mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa und einer Bruchdehnung von mindestens 10 % verwendet, beispielsweise ein Mehrphasenstahl, vorzugsweise ein Dualphasenstahl oder Q&P-Stahl. Die polymere Schicht (3) besteht aus einem thermoplastischen Polymer, insbesondere PP-, PA-, PE-, PS-Basis oder deren Mischung. Des Weiteren weisen beide Schichten aus Stahl (2) jeweils beidseitig eine Korrosionsschutzschicht (4), vorzugsweise auf Zink-Basis auf. Zur Erhöhung der Haftung zwischen Metall und Polymer ist bevorzugt zwischen der polymeren Schicht (3) und dem beschichteten hochfesten Stahl (2) jeweils eine Haftvermittlerschicht (5) vorgesehen. Des Weiteren kann der Unterfahrschutz (1) auf einer Seite eine Polymerschicht (7) auf vorzugsweise Elastomer- oder Kautschuk-Basis und auf der anderen Seite eine Polymerschicht (6) auf vorzugsweise Thermoplast-Basis aufweisen. Auch zwischen den Polymerschichten (6, 7) und dem beschichteten hochfesten Stahl (2) kann eine Haftvermittlerschicht vorgesehen sein.
• Beispielsweise kann der hochfeste Stahl (2) aus einem Dualphasenstahl mit einer Zugfestigkeit von 800 MPa und einer Bruchdehnung von mindestens 15 % gebildet sein und jeweils eine Schichtdicke von 0,6 mm aufweisen. Die polymere Schicht (3) kann beispielsweise aus einer Mischung aus PE und PA bestehen und eine Schichtdicke von 1 mm aufweisen.
• In 2 ist eine schematische Darstellung eines Batteriegehäuses (10) gezeigt. Das Batteriegehäuse (10), welches für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit Hybridantrieb (nicht gezeigt), insbesondere ein elektrisch angetriebenes Personenfahrzeug bzw. Personenfahrzeug mit Hybridantrieb vorgesehen ist, weist einen Batterieaufnahmeraum (11) beispielsweise in Form einer einteilig ausgebildeten Wanne (13) auf. Die Wanne (13) weist einen umlaufenden Flansch (13.1) auf, über den die Wanne (13) mit einem Gehäuserahmen (14) verbunden ist. Der Gehäuserahmen (14) verläuft entlang des Randes des Batteriegehäuses (10) und weist einen fünfeckigen Querschnitt auf. Auch andere Querschnitte/Querschnittsformen sind denkbar. Über den Gehäuserahmen (14) kann das Batteriegehäuse 10 mit der Karosserie eines Fahrzeugs, insbesondere am Fahrzeugboden (nicht gezeigt) verbunden werden. Hierzu weist der Gehäuserahmen (14) mehrere Öffnungen (17) auf, über die das Batteriegehäuse (10) an der Karosserie angeschraubt werden kann. Ferner weist das Batteriegehäuse (10) einen Deckel (12) auf, mit dem die Wanne (13) verschlossen werden kann. Der Deckel (12) weist ebenfalls einen umlaufenden Flansch (12.1) auf. Über miteinander korrespondierende Öffnungen (18) in dem jeweiligen Flansch (12.1, 13.1) und im Gehäuserahmen (14) kann die Wanne (13) mit dem Deckel (12) am Gehäuserahmen (14) mittels einer Verschraubung verbunden werden. Das Batteriegehäuse (10) weist einen Unterfahrschutz (1) auf, welcher unter der Wanne (13) angeordnet und mit dem Gehäuserahmen (14) über einen Flansch (19) lösbar, beispielsweise mittels einer Verschraubung befestigt ist. Der Unterfahrschutz kann alternativ auch unlösbar angebunden werden. Der Unterfahrschutz (1) entspricht beispielsweise der in 1 gezeigten Ausführungsform und schützt das Batteriegehäuse (10) vor von unten auftreffenden Aufprallbeanspruchungen. Das Batteriegehäuse (10) weist ferner einen Raum (20), auch Kühlraum genannt, in welchem insbesondere Kühlelemente zum Kühlen und andere Elemente angeordnet sind (nicht dargestellt), auf, welcher zwischen der Wanne (13) und dem Unterfahrschutz (1) ausgebildet ist. Innerhalb des Batterieaufnahmeraums (11) können Längs- und/oder Querträger (15) und alternativ oder zusätzlich auch zwischen Wanne (13) und Unterfahrschutz (1) können Längs- und/oder Querträger (16) angeordnet sein, die im Batteriegehäuse (10) für eine zusätzliche Steifigkeit sorgen.
• Erfindungsgemäß sind die einzelnen Merkmale gemäß Ansprüchen beliebig miteinander kombinierbar. Besonders bevorzugt kann das Batteriegehäuse mit dem erfindungsgemäßen Unterfahrschutz in Personenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, Lastkraftwagen, Sonderfahrzeugen, Bussen, Omnibussen, ob mit Hybrid- oder reinem elektrischen Antrieb, aber auch in gleisgebundenen Fahrzeugen, wie beispielsweise Straßenbahnen oder personenbefördernden Waggons verwendet werden.
• Bezugszeichenliste

1

Unterfahrschutz

2

Schicht aus hochfestem Stahl

3

polymere Schicht

4

Korrosionsschutzschicht

5

Haftvermittlerschicht

6, 7

Polymerschicht

10

Batteriegehäuse

11

Batterieaufnahmeraum

12

Deckel

12.1

Flansch

13

Wanne

13.1

Flansch

14

Gehäuserahmen

15, 16

Längs- und/oder Querträger

17,18

Öffnungen

19

Flansch

20

Raum, Kühlraum

Claims (10)

1. Unterfahrschutz (1) für ein Batteriegehäuse (10) bestehend aus einem Werkstoffverbund, aufweisend: - eine erste und eine zweite Schicht (2) aus Stahl und - einer dazwischen angeordneten polymeren Schicht (3).
2. Unterfahrschutz nach Anspruch 1, wobei die Schichten (2) aus Stahl jeweils eine Schichtdicke von mindestens 0,4 mm und die polymere Schicht (3) eine Schichtdicke von mindestens 0,6 mm aufwiesen.
3. Unterfahrschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der hochfeste Stahl eine Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa und eine Bruchdehnung von mindestens 10 % aufweist.
4. Unterfahrschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der hochfeste Stahl ein Mehrphasenstahl ist.
5. Unterfahrschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die polymere Schicht (3) aus einem thermoplastischen Polymer besteht.
6. Unterfahrschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Schichten (2) aus hochfestem Stahl zumindest außenseitig eine Korrosionsschutzschicht (4) aufweist.
7. Unterfahrschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Unterfahrschutz (1) ein- oder beidseitig eine Polymerschicht (6, 7) aufweist.
8. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder Fahrzeug mit Hybridantrieb aufweisend ein Batteriegehäuse (10) mit einem Unterfahrschutz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder Fahrzeug mit Hybridantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Personenfahrzeug, Nutzfahrzeug, Sonderfahrzeug, vorzugsweise Bus, Omnibus, ein gleisgebundenes Fahrzeug, vorzugsweise Straßenbahn oder personenbefördernder Waggon handelt.
10. Verwendung eines Unterfahrschutzes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder einem Fahrzeug mit Hybridantrieb.

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