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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Integrieren eines Hochvoltspeichers aufweisend zumindest ein Speichermodul in eine Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge. Diese Kraftfahrzeuge weisen im Antriebsstrang üblicherweise eine elektrische Maschine bzw. einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs sowie einen Hochvoltspeicher bzw. eine Traktionsbatterie zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine auf. Solche Hochvoltspeicher umfassen in der Regel eine Vielzahl von zusammengeschalteten Speichermodulen, welche üblicherweise in einem separaten, geschlossenen Speichergehäuse angeordnet sind. Dieses Speichergehäuse wird in der Regel aus Toleranzgründen mit einem bestimmten Mindestabstand, z.B. 10 mm, zu einer Karosserie des Kraftfahrzeugs am Kraftfahrzeug angeordnet. Die ohnehin negativen Auswirkungen des Hochvoltspeichers auf ein z-Maß, also auf einen im Kraftfahrzeug für den Hochvoltspeicher bereitzustellenden Bauraum in Fahrzeughochrichtung, werden durch das Speichergehäuse somit zusätzlich verstärkt. In der
DE 10 2015 205 413 A1 ist eine tragende Struktur für ein Fahrzeug beschrieben, bei welcher eine aus Trägern gebildete Rahmenstrukturstruktur Wannenelemente aufnimmt, in welchen Energiemodule angeordnet sind. Die Wannenelemente werden dabei durch ein Deckelelement abgedeckt. Hier wird das aus den Wannenelementen und dem Deckelelement gebildete Speichergehäuse in die Rahmenstruktur integriert.
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Außerdem führen das Speichergehäuse sowie eine Abstützung des Speichergehäuses an der Karosserie zu einer Gewichtssteigerung des Kraftfahrzeugs. Das Gewicht wird zusätzlich erhöht, wenn das Speichergehäuse, wie in der
DE 10 2009 040 598 A2 beschrieben, Aufprallenergie absorbierende Elemente aufweist, welche bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs deformiert werden und somit eine Beschädigung des Energiespeichers zumindest reduzieren. Dazu schlägt die
EP 2 704 915 B1 vor, Teile einer Tragstruktur des Kraftfahrzeugs durch das Speichergehäuse zu ersetzen. Diese Ausgestaltung des Hochvoltenergiespeichers als tragende Struktur mit Aufprallenergie absorbierenden Aufgaben („Crash-Aufgaben“) erfordert jedoch einen hohen Konstruktionsaufwand sowohl für den Hochvoltenergiespeicher als auch für die Tragstruktur.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie ein Hochvoltspeicher besonders einfach, gewichtssparend, platzsparend und materialsparend in eine Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs integriert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Integrieren eines Hochvoltspeichers aufweisend zumindest ein Speichermodul in eine Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs wird ein Gehäuseteil aufweisend eine Grundplatte und einen die Grundplatte umgebenden rahmenförmigen Rand bereitgestellt. Das zumindest einen Speichermodul wird an dem Gehäuseteil und/oder an der Tragstruktur angeordnet und der Rand des Gehäuseteils wird unterhalb und an einer aus Trägern der Tragstruktur gebildeten Rahmenstruktur angeordnet. Darüber hinaus wird das Gehäuseteil an der Tragstruktur unter Ausbildung eines Speichergehäuses für das zumindest eine Speichermodul befestigt, wobei ein Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses durch ein die Rahmenstruktur in Richtung einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeug abdeckendes Bodenteil der Tragstruktur, das Gehäuseteil und die Rahmenstruktur begrenzt wird.
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Die Tragstruktur des Kraftfahrzeugs ist insbesondere als ein Karosserieunterbau bzw. Karosserieboden einer Karosserie des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Karosserie des Kraftfahrzeugs ist insbesondere als eine selbsttragende Karosserie ausgebildet. Die Tragstruktur umfasst die die Rahmenstruktur bildenden Träger, welche zum Stabilisieren der Karosserie und/oder zum Aufnehmen von Kollisionskräften bei einer Kollision des Kraftfahrzeugs ausgebildet sind. Die die Rahmenstruktur bildenden Träger sind insbesondere zwei sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende Längsträger bzw. Schweller, ein sich in Fahrzeugquerrichtung erstreckender Frontquerträger und ein sich in Fahrzeugquerrichtung erstreckender Heckquerträger. Die Rahmenstruktur ist dabei von dem Bodenteil bzw. Bodenblech bedeckt. Das Bodenteil ist also in Fahrzeughochrichtung über der Rahmenstruktur angeordnet. Das Bodenteil liegt insbesondere auf der Rahmenstruktur auf. Das Bodenteil weist dabei eine einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Fahrbahn für das Kraftfahrzeug, zugewandte Unterseite sowie eine der Unterseite in Fahrzeughochrichtung gegenüberliegende und der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs zugewandte Oberseite auf.
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Der Hochvoltspeicher weist zumindest ein Speichermodul bzw. Batteriemodul, insbesondere eine Vielzahl von zusammengeschalteten Speichermodulen, auf. Ein Speichermodul weist zumindest eine Speicherzelle bzw. Batteriezelle auf. Das zumindest eine Speichermodul wird in dem Speichergehäuse angeordnet, wobei das Speichergehäuse durch Anordnen des Gehäuseteils an der Tragstruktur gebildet wird bzw. entsteht. Vor dem Ausbilden oder während des Ausbildens des Speichergehäuses kann das zumindest eine Speichermodul an der Tragstruktur und/oder an dem Gehäuseteil befestigt werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Speichermodul durch Einklemmen zwischen der Tragstruktur und dem Gehäuseteil in dem Gehäuseinnenraum gehalten wird. Zum Ausbilden des Speichergehäuses wird das Gehäuseteil insbesondere von unten an der Tragstruktur montiert, beispielsweise indem das Gehäuseteil in vertikaler Richtung (in Fahrzeughochrichtung) an die Tragstruktur gehoben und dort befestigt wird. Das Gehäuseteil wird also insbesondere hängend an der Tragstruktur angeordnet. Das Gehäuseteil kann beispielsweise als eine flache Platte ausgebildet sein, wobei sich der Rand und die Grundplatte in einer Ebene befinden. Auch kann vorgesehen sein, dass der Rand durch eine gegenüber der Grundplatte erhabene Wandung gebildet wird. Dieser Rand wird von unten an die Träger, beispielsweise an in Richtung der Fahrbahn blickenden Stirnseiten der Träger, angeordnet und kann die Stirnseiten vollständig überdecken. Das Gehäuseteil kann beispielsweise als eine Unterbodenverkleidung des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
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Das Bodenteil ist insbesondere angrenzend an die Rahmenstruktur, nicht aber an den Rand der Grundplatte ausgebildet. Das Speichergehäuse weist also den Gehäuseinnenraum auf, welcher durch die Unterseite des Bodenteils, die Rahmenstruktur und das Gehäuseteil begrenzt bzw. umschlossen ist. Dadurch, dass das Gehäuseteil von unten an der Tragstruktur angeordnet ist, kann das Speichergehäuse durch Abnehmen des Gehäuseteils auf einfache Weise wieder geöffnet werden. Die Rahmenstruktur ist ein Teil bzw. eine Komponente des Speichergehäuses des Hochvoltspeichers. Die Tragstruktur ersetzt also in vorteilhafter Weise separate Speichergehäuseelemente, wie beispielsweise einen separaten Gehäusedeckel, und trägt somit zur Gewichtsreduktion beim Integrieren des Hochvoltspeichers in das Kraftfahrzeug bei. Da die Träger, welche als Teile des Speichergehäuses genutzt werden, sowohl zur Versteifung der Karosserie als auch zum Aufnehmen von Kollisionskräften im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs dienen können, ist das Speichergehäuse besonders stabil und mit einer hohen Betriebsfestigkeit ausgebildet. Somit kann in vorteilhafter Weise auf zusätzliche und gewichtssteigernde Elemente zum Absorbieren von Kollisionskräften am Speichergehäuse verzichtet werden und dadurch das Gewicht des Kraftfahrzeugs zusätzlich reduziert werden.
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Vorzugsweise wird der Rand des Gehäuseteils durch eine gegenüber der Grundplatte erhöhte Wandung ausgebildet, wobei ein Gehäusedeckel des Speichergehäuses durch das Bodenteil, ein Gehäuseboden des Speichergehäuses durch die Grundplatte und eine Gehäusewand des Speichergehäuses durch die Wandung und die sich in Fahrzeughochrichtung über der Wandung befindliche Rahmenstruktur ausgebildet werden. Die Grundplatte weist eine dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs zugewandte Unterseite und eine der Tragstruktur zugewandte Oberseite auf. Die Grundplatte kann beispielsweise rechteckförmig ausgebildet sein. Die gegenüber der Oberseite der Grundplatte erhöhte Wandung weist insbesondere eine konstante Höhe auf und umläuft die Grundplatte insbesondere vollständig. Das Gehäuseteil ist somit im Wesentlichen wannenförmig und einseitig offen ausgebildet. Das Gehäuseteil ist vorzugsweise einteilig ausgebildet, wobei die Wandung beispielsweise als ein aufgebogener Außenbereich der Grundplatte ausgebildet sein kann. Das Gehäuseteil kann beispielsweise aus Blech gebildet sein. Ein solches Gehäuseteil kann besonders einfach und kostengünstig in hoher Stückzahl gefertigt bzw. hergestellt werden.
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Die Gehäusewand wird dabei durch die Wandung und die sich in Fahrzeughochrichtung darüber befindliche Rahmenstruktur gebildet. Dazu werden insbesondere entlang der Fahrzeuglängsrichtung orientierte Bereiche der Wandung an den Längsträgern der Tragstruktur angeordnet und entlang der Fahrzeugquerrichtung orientierte Bereiche der Wandung an den Front- und Heckquerträgern der Tragstruktur angeordnet. Eine Länge der entlang der Fahrzeuglängsrichtung orientierten Bereiche der Wandung entspricht insbesondere einer Länge der Längsträger. Eine Länge der entlang der Fahrzeugquerrichtung orientierten Bereiche der Wandung entspricht insbesondere einer Länge des jeweiligen Querträgers. Die Gehäusewand weist also einen Schichtstapel auf, welcher in Fahrzeughochrichtung eine erste Schicht in Form von der Wandung und eine darüber liegende zweite Schicht in Form von der Rahmenstruktur umfasst. Eine Höhe der Gehäusewand in Fahrzeughochrichtung setzt sich also aus einer Höhe der Wandung sowie aus einer Höhe der Träger zusammen. Durch die mehrschichtige Gehäusewand kann eine Höhe des Speichergehäuses vergrößert und somit ein höhenoptimiertes Speichergehäuse bereitgestellt werden.
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Insbesondere wird ein an die Wandung angrenzender flanschartiger Kragen ausgebildet und der Kragen wird anliegend an Stirnseiten der Träger der Rahmenstruktur angeordnet. Der von der Wandung seitlich abstehende, flanschartige Kragen umläuft die Wandung insbesondere vollständig. Das Kragen kann beispielsweise durch Umbiegen eines Außenbereiches der Wandung gebildet sein. Der flanschartige, rahmenförmige Kragen weist dabei eine stufenlose, ebene Fläche auf. Anders ausgedrückt weist der Kragen ein im Wesentlichen konstantes Höhenprofil auf. Auch die dem Gehäuseteil zugewandten bzw. nach unten orientierten Stirnseiten der Längsträger und der Querträger sind im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet, sodass die Stirnseiten ebenfalls eine stufenlose und ebene Fläche ausbilden. Die durch die Träger gebildete Rahmenstruktur sowie der rahmenförmige Kragen können beispielsweise deckungsgleich ausgebildet sein, um beispielsweise passgenau zusammengefügt zu werden. Der Kragen kann beispielsweise vollflächig anliegend an den Stirnseiten der Träger angeordnet werden. Dadurch kann eine stufenlose Dichtungsebene zwischen der Rahmenstruktur und dem Kragen gebildet werden. Durch die stufenlose Dichtungsebene kann das Speichergehäuse besonders zuverlässig gegenüber dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs abgedichtet bzw. abgeschlossen werden.
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Er erweist sich als vorteilhaft, wenn zwischen dem Rand des Gehäuseteils und der Rahmenstruktur der Tragstruktur ein Dichtungselement zum Abdichten des Speichergehäuses gegenüber einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet wird. Das Dichtungselement kann beispielsweise in der stufenlosen Dichtungsebene zwischen den Stirnseiten der Träger und dem Kragen des Gehäuseteils angeordnet werden. Die Gehäusewand des Speichergehäuses wird also insbesondere durch den Rand mit der Wandung und dem Kragen, durch das Dichtungselement und durch die Träger gebildet. Das Dichtungselement kann beispielsweise ein Dichtungsring, ein Dichtungsschaum, eine Dichtungspaste oder dergleichen sein. Somit können die Komponenten innerhalb des Speichergehäuses, beispielsweise die Speicherzellen, Steuerelemente, eine Sensorik zur Speicherzellenüberwachung etc., besonders zuverlässig vor Umwelteinflüssen des Umgebungsbereiches, beispielsweise vor Feuchtigkeit, geschützt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird an einer einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs zugewandten Außenseite des Rands zumindest ein Steckerhalter zum Halten zumindest eines Steckverbinders für den Hochvoltspeicher ausgebildet. Insbesondere sind die Grundplatte, der Rand und der Steckerhalter einteilig ausgebildet. Der zumindest eine Steckerhalter kann beispielsweise als eine Lasche in dem Kragen des Gehäuseteils, beispielsweise an einer Querseite des Kragens, ausgebildet sein. Dabei befinden sich die Lasche und der Kragen auf einem gemeinsamen Höhenniveau, sodass der mit der Lasche versehene Kragen eine ebene, stufenlose Fläche ausbildet. Um das Speichergehäuse zuverlässig abzudichten, kann es vorgesehen sein, dass in der Rahmenstruktur der Tragstruktur eine mit der Lasche des Kragens korrespondierende weitere Lasche ausgebildet ist, sodass die Stirnseiten der Träger und der Kragen des Gehäuseteils beispielsweise deckungsgleich sind und im verbundenen Zustand die stufenlose Dichtungsebene ausbilden können.
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Der Steckverbinder kann ein Normstecker sein, welcher beispielsweise zum Kontaktieren des Hochvoltspeichers mit einem Kühlsystem und/oder zur Signalübertragung zwischen Komponenten innerhalb und außerhalb des Speichergehäuses dient. Dadurch, dass sich der Steckerhalter an der Außenseite des Gehäuseteils befindet, ist der durch den Steckerhalter gehaltene Steckverbinder von außen zugänglich. Die Komponenten im Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses sind insbesondere vor Anordnen des Gehäuseteils an der Tragstruktur -und damit vor Abschließen des Gehäuseinnenraumsvorverschaltet. Diese Komponenten können nach Anordnen des Gehäuseteils an der Tragstruktur -und damit nach Abschließen des Gehäuseinnenraums- über den von außen zugänglichen Steckverbinder mit Komponenten außerhalb des Gehäuseinnenraums kontaktiert werden, ohne dass das Speichergehäuse geöffnet werden muss.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Anzahl an Speichermodulen für den Hochvoltspeicher und/oder eine Höhe der Speichermodule in Abhängigkeit von einem Höhenprofil des Bodenteils bereitgestellt, durch welches der Gehäuseinnenraum mit einer ersten Höhe in einem ersten Bereich und mit einer gegenüber der ersten Höhe größeren zweiten Höhe in zumindest einem zweiten Bereich ausgebildet wird, wobei in dem ersten Bereich eine erste Anzahl von Speichermodulen übereinander angeordnet wird und/oder die Speichermodule mit einer ersten Höhe ausgebildet werden und in dem zumindest einen zweiten Bereich eine im Vergleich zur ersten Anzahl größere zweite Anzahl an Speichermodulen übereinander angeordnet wird und/oder die Speichermodule mit einer im Vergleich zur ersten Höhe größeren zweiten Höhe ausgebildet werden.
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Die Tragstruktur kann eine fahrzeugindividuelle Form aufweisen. Beispielsweise kann das Bodenteil der Tragstruktur aufgrund der Ausgestaltung der Fahrgastzelle Strukturen aufweisen, durch welche das Höhenprofil des Bodenteils, und damit eine Höhe des Gehäuseinnenraums des Speichergehäuses, räumlich variieren können. Solche Strukturen des Bodenteils können beispielsweise Vertiefungen im Bereich eines Fahrersitzes und Beifahrersitzes und/oder ein sich entlang der Fahrzeuglängsrichtung erstreckender Tunnel sein. Durch diese unterschiedlichen, strukturlosen und strukturbehafteten, Bodenteilbereiche werden Bereiche in dem Gehäuseinnenraum mit unterschiedlichen Höhen bzw. z-Maßen gebildet. Das Speichergehäuse bzw. der Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses weist also eine von dem Höhenprofil des Bodenteils abhängige Höhe auf. Der erste Bereich mit der ersten Höhe kann sich beispielsweise unterhalb des Fahrer- und Beifahrersitzes befinden. Der zumindest eine zweite Bereich mit der zweiten Höhe kann sich beispielsweise unterhalb des Tunnels in der Fahrgastzelle befinden. Dabei kann es sein, dass in dem ersten Bereich die Speichermodule nur die erste Höhe aufweisen dürfen und/oder in Fahrzeughochrichtung nur ein Speichermodul oder kein Speichermodul angeordnet werden kann. Es kann also beispielsweise nur eine oder keine Speichermodulebene mit Speichermodulen bestückt werden. In dem zweiten Bereich können die Speichermodule die zweite Höhe aufweisen und/oder es können in Fahrzeughochrichtung zumindest zwei Speichermodule übereinander angeordnet werden. Es können also zumindest zwei Speichermodulebenen mit Speichermodulen bestückt werden.
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Dadurch, dass der Gehäusedeckel des Speichergehäuses durch das Bodenteil ausgebildet wird, können die fahrzeugindividuellen Höhen bzw. z-Maße vollständig als Bereiche des Gehäuseinnenraums ausgenutzt werden und beispielsweise mit der maximalen Anzahl an Speichermodulen befüllt werden. Dadurch kann eine Reichweite des Kraftfahrzeugs, welche abhängig ist von der Anzahl an Speichermodulen, erhöht werden. Gemäß dem Stand der Technik, welcher Speichergehäuse mit separaten Gehäusedeckeln nutzt, muss die Form des Speichergehäuses entweder mit einem hohen Konstruktionsaufwand individuell an die unterschiedlichen z-Maße angepasst werden oder es würde zur Verfügung stehender Bauraum nicht optimal genutzt. Vorliegend ist es jedoch in vorteilhafter Weise nicht notwendig, das Speichergehäuse umzugestalten, um es an das jeweilige Kraftfahrzeug anzupassen. Vielmehr können beispielsweise die Gehäuseteile als Standardkomponenten in hoher Stückzahl gefertigt werden, mit einer fahrzeugindividuellen Anzahl an Speichermodulen bestückt werden und an der Tragstruktur angeordnet werden. Das Speichergehäuse ist somit ein Baukastensystem, welches mit geringem Aufwand für verschiedene Kraftfahrzeugtypen bereitgestellt werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Tragstruktur und das an der Tragstruktur befestigte Gehäuseteil mit einem Korrosionsschutz beschichtet. Der Korrosionsschutz kann beispielsweise mittels kathodischer Tauchlackierung auf der Tragstruktur angeordnet werden. Dabei kann nach Anordnen des Gehäuseteils an der Tragstruktur die gesamte Karosserie die kathodische Tauchlackierung durchlaufen. Das Speichergehäuse muss also in vorteilhafter Weise nicht in einem separaten Schritt mit dem Korrosionsschutz beschichtet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zumindest eine Strebe, insbesondere mittels einer formschlüssigen Verbindung, auf der Grundplatte des Gehäuseteils befestigt, das zumindest eine Speichermodul wird an der zumindest einen Strebe angeordnet, insbesondere befestigt, und der Rand des das zumindest eine Speichermodul tragenden Gehäuseteils wird mit Befestigungselementen an der Rahmenstruktur befestigt. Die zumindest eine Strebe kann beispielsweise als eine Querstrebe und/oder eine Längsstrebe ausgebildet sein. Die zumindest eine Strebe wird beispielsweise durch Schweißen auf der Grundplatte des Gehäuseteils befestigt. Dabei können mehrere, in Fahrzeugquerrichtung orientierte Streben an der Oberseite der Grundplatte befestigt werden. Die Speichermodule einer ersten Speichermodulebene können, beispielsweise mittels Schrauben, an den jeweiligen Streben befestigt werden. Außerdem können Halteelemente an den Streben und/oder an der Grundplatte befestigt werden, welche Speichermodule der sich in Fahrzeughochrichtung über der ersten Speichermodulebene befindlichen zweiten Speichermodulebene halten können. Das Gehäuseteil kann somit vorkonfiguriert werden, indem die Speichermodule auf dem Gehäuseteil befestigt werden und dort beispielsweise entsprechend verschaltet werden. Das Gehäuseteil, welches die Speichermodule trägt, kann dann an der Tragestruktur angeordnet werden.
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Das Gehäuseteil wird im Bereich des Rands mittels der Befestigungselemente an der Rahmenstruktur befestigt. Die Befestigungselemente können als Schrauben ausgebildet sein. Der Hochvoltspeicher kann somit besonders einfach in wenigen Montageschritten in die Tragstruktur des Kraftfahrzeugs integriert werden. Beispielsweise kann der an den Stirnseiten der Längsträger und Front- und Heckquerträger angeordnete Kragen des Gehäuseteils zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig umlaufend, mit den Trägern verbunden werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich die Befestigungselemente lediglich am Kragen, an welchem vorzugsweise das Dichtungselement angeordnet ist, befinden. Das so gebildete Speichergehäuse weist also eine hohe Dichtigkeit auf. Zum Stabilisieren des Speichergehäuses kann das Gehäuseteil mittels zumindest eines weiteren Befestigungselementes, insbesondere im Bereich der Grundplatte, an der Tragstruktur befestigt werden. Beispielsweise kann das Befestigungselement im Bereich eines Mittelpunktes oder eines Schwerpunktes der Grundplatte angeordnet sein und das Gehäuseteil zusätzlich mit einem weiteren Querträger der Tragstruktur verbinden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Strebe unter Ausbildung zumindest einer Zwischenwand in einem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses unterhalb eines Querträgers der Tragstruktur und anliegend an den Querträger angeordnet wird. Dieser Querträger ist insbesondere zu den Front- und Heckquerträgern unterschiedlich und dient beispielsweise zur weiteren Stabilisierung der Tragstruktur. Insbesondere wird das zumindest eine Speichermodul mittels Schrauben an der zumindest einen Strebe befestigt und in dem Querträger wird zumindest ein Aufnahmebereich zum Aufnehmen von Schraubenköpfen der Schrauben beim Anordnen der zumindest einen Strebe an dem zumindest einen Querträger ausgebildet. Beim Anschrauben der Speichermodule an den Streben ragen die Schraubenköpfe insbesondere über die Streben hinaus. Diese überstehenden Schraubenköpfe können in den Aufnahmebereichen der Querträger angeordnet werden. Dadurch kann das Gehäuseteil mit den Streben und den daran befestigten Speichermodulen besonders nah an den Querträgern angeordnet werden und somit der zur Verfügung stehende Bauraum für den Hochvoltspeicher bestmöglich ausgenutzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das zumindest eine Speichermodul an zumindest einer Klemmleiste angeordnet und die zumindest eine Klemmleiste wird mittels Befestigungselementen an zumindest einem Querträger der Tragstruktur befestigt. Der Querträger ist wiederum ein zu den Front- und Heckquerträgern unterschiedlicher Querträger. Die Klemmleisten erstrecken sich insbesondere in Fahrzeugquerrichtung und/oder Fahrzeuglängsrichtung. An den Klemmleisten können wiederum Halteelemente zum Halten von Speichermodulen weiterer Speichermodulebenen angeordnet sein. Aus dem Verbinden der Speichermodule mit der Tragstruktur des Kraftfahrzeugs über die Klemmleisten kann eine besonders hohe Stabilität und Festigkeit erreicht werden, da die Speichermodule durch die ohnehin steife und feste Karosserie gehalten werden. Das Gehäuseteil wird in diesem Fall entlastet und kann beispielsweise aus einem besonders leichten Material hergestellt sein.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Klemmleiste auf einer Montagevorrichtung angeordnet wird, die zumindest eine mit dem zumindest einen Speichermodul verbundene Klemmleiste mittels der Montagevorrichtung an dem zumindest einen Querträger angeordnet und mittels der Befestigungselemente befestigt wird, und das Gehäuseteil nach Entfernen der Montagevorrichtung an der Tragstruktur befestigt wird. Die Montagevorrichtung kann beispielsweise ein Montagerahmen oder eine Montageplatte sein, auf welcher die Klemmleisten, vor oder nach dem Verbinden mit den Speichermodulen, angeordnet werden können. Die Montagevorrichtung weist insbesondere Justierelemente, beispielsweise Stifte, auf, mittels welchen die Klemmleisten ausgerichtet und in definierten Lagen zueinander platziert werden können. Die Montagevorrichtung kann beispielsweise in Richtung der Tragstruktur angehoben werden, sodass die Klemmleisten mit den Speichermodulen an den Querträgern befestigt werden können. Beispielsweise können die als Schrauben ausgebildeten Befestigungselemente von unten durch die Klemmleisten hindurch in die Querträger geschraubt werden. Nach Entfernen der Montagevorrichtung kann dann das Gehäuseteil zum Abdichten des Speichergehäuses an der Tragstruktur befestigt werden.
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Da die Klemmleisten bereits mittels der Montageplatte an dem Karosserieunterbau befestigt wurden, kann das Gehäuseteil mittels besonders weniger Befestigungselemente an der Rahmenstruktur befestigt werden. Beispielsweise kann das Gehäuseteil in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Verprägungen aufweisen und im Bereich der Verprägungen an die Querträger geschraubt werden. Durch die Verprägungen kann an der Unterseite der Bodenplatte eine Versenkung zum versenkten Anordnen der Schraubenköpfe der Schrauben gebildet werden. Durch das Versenken der Schrauben kann eine im Wesentlichen ebene Unterseite des Gehäuseteils ohne überstehende Schraubenköpfe realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die zumindest eine Klemmleiste auf dem Gehäuseteil vormontiert, das zumindest eine Speichermodul wird an der Klemmleiste befestigt und das Gehäuseteil wird an der Tragstruktur angeordnet. Insbesondere wird mit den Befestigungselementen zum Befestigen der zumindest einen Klemmleiste an dem zumindest einen Querträger auch das Gehäuseteil an dem zumindest einen Querträger befestigt. Zum Vormontieren können die Klemmleisten an dem Gehäuseteil fixiert, beispielsweise festgeklemmt, werden. Dann können die Speichermodule an den Klemmleisten befestigt werden. Das Gehäuseteil kann an die Tragstruktur gehoben werden, sodass die Klemmleisten an den entsprechenden Querträgern angeordnet werden. Dabei werden die Klemmleisten mit den Befestigungselementen an den Querträgern der Tragstruktur befestigt. Die Befestigungselemente können beispielsweise Befestigungsclips sein. Insbesondere sind die Befestigungselemente Schrauben, durch welche zusätzlich das Gehäuseteil mit der zumindest einen Klemmleiste und damit mit der Tragstruktur verbunden werden kann. Beispielsweise können die Schrauben ausgehend von der dem Umgebungsbereich zugewandten Unterseite der Grundplatte durch die Klemmleisten hindurch zu dem Querträger geführt werden. Die Schrauben erfüllen also gleichzeitig mehrere Funktionen, nämlich einerseits die Speichermodule mit der Tragstruktur zu verbinden und andererseits das Gehäuseteil mit der Tragstruktur zu verbinden. Gemäß dieser Herstellungsvariante kann der Hochvoltspeicher in wenigen Montageschritten in die Tragstruktur des Kraftfahrzeugs integriert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine Tragstruktur sowie einen Hochvoltspeicher auf, wobei der Hochvoltspeicher mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer Ausführungsform davon in die Tragstruktur integriert ist. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet, beispielsweise als ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist insbesondere eine selbsttragende Karosserie auf, wobei die Tragstruktur durch einen Karosserieunterbau bzw. Karosserieboden gebildet ist.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung einer Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs und eines Hochvoltspeichers;
- 2 eine perspektivische Darstellung der Tragstruktur gemäß 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines Gehäuseteils mit Streben zum Halten von Speichermodulen;
- 4 eine schematische Darstellung eines Gehäuseteils mit Klemmleisten zum Halten von Speichermodulen;
- 5 eine schematische Darstellung des Gehäuseteils mit den Streben gemäß 3, welches mit Speichermodulen eines Hochvoltspeichers bestückt ist;
- 6 eine schematische Darstellung des Gehäuseteils mit den Klemmleisten gemäß 4, welches mit Speichermodulen eines Hochvoltspeichers bestückt ist;
- 7 eine Explosionsdarstellung des bestückten Gehäuseteils gemäß 5;
- 8 eine Explosionsdarstellung des bestückten Gehäuseteils gemäß 6;
- 9 eine Explosionsdarstellung aus Tragstruktur und dem bestückten Gehäuseteil gemäß 5;
- 10 eine Explosionsdarstellung aus Tragstruktur und dem bestückten Gehäuseteil gemäß 6,
- 11 eine Querschnittdarstellung der Tragstruktur und des bestückten Gehäuseteils gemäß 9; und
- 12 eine Querschnittdarstellung der Tragstruktur und des bestückten Gehäuseteils gemäß 10.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Anordnung 1 für ein hier nicht gezeigtes, elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Anordnung 1 weist eine hier nur teilweise dargestellte Karosserie 2 des Kraftfahrzeugs auf, welche in 1 aus einer ersten Perspektive (Blick von oben in die Karosserie 2 hinein) und in 2 aus einer zweiten Perspektive (Blick von unten auf die Karosserie 2) dargestellt ist. Außerdem weist die Anordnung 1 einen Hochvoltspeicher 3 auf, welcher hier eine Vielzahl von zusammengeschalteten Speichermodulen 4 umfasst. Die Speichermodule 4 sind hier auf einem Gehäuseteil 5 angeordnet. Die Karosserie 2 weist eine Tragstruktur 6 in Form von einem Karosserieunterbau bzw. Karosserieboden mit einer Rahmenstruktur 7 sowie mit einem Bodenteil 8 auf. Die Tragstruktur 6 dient zum Stabilisieren der Karosserie 2 sowie zum Aufnehmen von Kollisionskräften bei einer Kollision des Kraftfahrzeugs. In 1 ist eine Oberseite 9 des Bodenteils 8, in 2 eine Unterseite 10 des Bodenteils 8 dargestellt. Die Oberseite 9 ist dabei einer Fahrgastzelle für das Kraftfahrzeug zugewandt, die Unterseite 10 ist einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Fahrbahn für das Kraftfahrzeug, zugewandt.
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Die Rahmenstruktur 7 der Tragstruktur 6 ist hier durch zwei in Fahrzeuglängsrichtung L verlaufende Längsträger 11 bzw. Schweller sowie zwei sich in Fahrzeugquerrichtung Q erstreckende Hauptquerträger 12 in Form von einem Frontquerträger und einem Heckquerträger gebildet. Außerdem weist die Tragstruktur 6 weitere Nebenquerträger 13 auf, welche zum weiteren Stabilisieren der Tragstruktur 6 ausgebildet sind. Die Rahmenstruktur 7 befindet sich dabei insbesondere zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs. Das Gehäuseteil 5 wird mit der Tragstruktur 6 verbunden, sodass sich zwischen der Tragstruktur 6 und dem Gehäuseteil 5, insbesondere zwischen der Unterseite 10 des Bodenteils 8 und einer Oberseite 14 des Gehäuseteils 5, ein Gehäuseinnenraum ausbildet. Eine Unterseite 15 des Gehäuseteils 5 ist dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs zugewandt. Das Gehäuseteil 5 kann beispielsweise eine Unterbodenverkleidung des Kraftfahrzeugs ausbilden. In diesem gegenüber dem Umgebungsbereich abgeschlossenen Gehäuseinnenraum sind die Speichermodule 4 des Hochvoltspeichers 3 angeordnet. Die Tragstruktur 6 und das Gehäuseteil 5 bilden somit ein Speichergehäuse 16 für den Hochvoltspeicher 3 aus. Dabei bildet das Bodenteil 8 einen Gehäusedeckel des Speichergehäuses 16 aus. Der Hochvoltspeicher 3 wird somit teilweise in die Karosserie 2 des Kraftfahrzeugs integriert.
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Eine Höhe des Gehäuseinnenraumes des Speichergehäuses 16 ist dabei abhängig von einer Form des Bodenteils 8, welche wiederum abhängig ist von einer Ausgestaltung der Fahrgastzelle. Das Bodenteil 8 weist hier Strukturen 17 auf, durch welche eine Höhe des Bodenteils 8 einen ortsabhängigen Verlauf aufweist. Die Strukturen 17 können beispielsweise eine Vertiefung 18 im Bereich des Fahrersitzes und des Beifahrersitzes oder ein Tunnel 19 in der Fahrgastzelle sein. Die Höhe des Gehäuseinnenraums im Bereich der Vertiefung 18 ist dabei derart gering, dass in einer ersten Speichermodulebene 20 auf der Oberseite 14 des Gehäuseteils 5 keine Speichermodule 4 angeordnet werden können. Die Höhe des Gehäuseinnenraums unterhalb des Tunnels 19 ist hingegen groß genug, dass die erste Speichermodulebene 20 und eine sich in Fahrzeughochrichtung H darüber befindliche zweite Speichermodulebene 21 mit Speichermodulen 4 bestückt werden können. Unterhalb des Tunnels 19 können also mehrere Speichermodule 4 in Fahrzeughochrichtung H übereinander angeordnet bzw. gestapelt werden.
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In 3 und 4 ist das Gehäuseteil 5 unbestückt gezeigt. Das Gehäuseteil 5 ist einteilig ausgebildet und kann beispielsweise aus Blech gefertigt sein. Das Gehäuseteil 5 weist eine Grundplatte 22 auf, welche einen Gehäuseboden des Speichergehäuses 16 ausbildet. Außerdem weist das Gehäuseteil 5 einen die Grundplatte 22 umlaufende Rand 23 auf. Der Rand 23 ist hier durch eine gegenüber der Grundplatte 22 erhöhte Wandung 24 sowie einen seitlich von der Wandung 24 abstehenden flanschartigen Kragen 25 ausgebildet. Der Kragen 25 weist eine ebene, stufenlose Fläche auf, durch welche eine Dichtungsfläche zum Abdichten des Speichergehäuses 16 ausgebildet wird. Die in Fahrzeuglängsrichtung L verlaufenden Bereiche des Kragens 25 können an Stirnseiten 37 (siehe 9. und 10) der Längsträger 11 der Rahmenstruktur 7 angeordnet werden und die in Fahrzeugquerrichtung Q verlaufenden Bereiche des Kragens 25 können an Stirnseiten 37 der Hauptquerträger 12 des Rahmenstruktur 7 angeordnet werden. Die Stirnseiten 37 der Träger 11, 12 bilden ebenfalls eine Dichtungsfläche aus, sodass ein Verbindungsbereich zwischen dem Kragen 25 und den Stirnseiten 37 der Träger 11, 12 eine Dichtungsebene ausbildet. Zwischen dem Kragen 25 und den Stirnseiten 37 kann außerdem ein hier nicht gezeigtes Dichtungselement, beispielsweise ein Dichtungsring, angeordnet sein. Außerdem weist das Gehäuseteil 5 einen Steckerhalter 26 zum Halten von Steckverbindern 35 (siehe 5 bis 8) des Hochvoltspeichers 3 auf, welche hier als Laschen im Kragen 25 ausgebildet sind. Der Kragen 25 und die laschenförmigen Steckerhalter 26 bilden ebenfalls eine stufenlose, ebene Fläche aus. Die Steckerhalter 26 sind also im Bereich der Dichtungsebene angeordnet.
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Gemäß 3 ist auf der Grundplatte 22 eine Vielzahl von hier in Querrichtung Q orientierten Streben 27 angeordnet, an welchen die Speichermodule 4 befestigt werden können. Die Streben 27 sind hier stoffschlüssig mit der Grundplatte 22 verbunden. Beispielsweise sind die Streben 27 auf die Grundplatte 22 geschweißt. Außerdem sind hier Halteelemente 28 an den Streben 27 befestigt, beispielsweise angeschraubt. Die Halteelemente 28 dienen dazu, Speichermodule 4 in der weiteren Speichermodulebene 21 zu halten. Die Speichermodule 4 können mittels Fixierungsleisten 29, welche hier auf die Streben 27 aufgesetzt gezeigt sind, an den Streben 27 befestigt werden. In 5 sind die Speichermodule 4 an den Streben 27 gemäß 3 fixiert gezeigt. Eine Explosionsdarstellung der Anordnung gemäß 5 ist in 7 gezeigt. Die Fixierungsleisten 29 und damit die Speichermodule 4 können beispielsweise mittels Schrauben 30 an den entsprechenden Streben 27 befestigt werden.
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In 4 ist auf der Grundplatte 22 eine Vielzahl von hier in Querrichtung Q orientierten Klemmleisten 31 angeordnet. In 6 sind die Speichermodule 4 an den Klemmleisten 31 befestigt gezeigt. Eine Explosionsdarstellung der Anordnung gemäß 6 ist in 8 gezeigt. Die Klemmleisten 31 sind hier lediglich auf das Gehäuseteil 5 aufgesetzt oder an dem Gehäuseteil 5 festgeklemmt. Zum Fixieren der Klemmleisten 31 können in dem Gehäuseteil 5 beispielsweise Buchsen 36 (siehe 6) angeordnet sein. Die Halteelemente 28 für die weitere Speichermodulebene 21 sind hier auf der Grundplatte 22 angeordnet.
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In 5 bis 8 ist außerdem gezeigt, dass sämtliche Komponenten des Hochvoltspeichers 3, beispielsweise die Speichermodule 4, Steuerelemente 33 zum Ansteuern der Speichermodule 4, Elemente 34 zur Zellüberwachung, etc., über Leitungen 32 bereits zusammengeschaltet sind. Die Leitungen 32 können zu den Steckverbindern 35 geführt werden, welche von dem Steckerhalter 26 gehalten werden können. Die Steckerhalter 26 und damit die Steckverbinder 35 sind nach Anordnen des Gehäuseteils 5 an der Tragstruktur 6 und damit nach Anordnen der Speichermodule 4 in dem Gehäuseinnenraum von außen zugänglich.
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In 9 ist eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform der Anordnung 1 mit der Karosserie 2 sowie mit dem Gehäuseteil 5 aufweisend die Streben 27 gemäß 3, 5 und 7 gezeigt. In 10 ist eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Anordnung 1 mit der Karosserie 2 sowie dem Gehäuseteil 5 aufweisend die Klemmleisten 31 gemäß 4, 6 und 8 gezeigt. Zum Herstellen der Anordnung 1 wird der Rand 23 des Gehäusebodens 5 an den Stirnseiten 37 der Träger 11, 12 angeordnet. Die Querträger 12 weisen hier mit den laschenförmigen Steckerhaltern 26 korrespondierende Laschen 38 auf, sodass die Rahmenstruktur 7 und der rahmenförmige Kragen 25 mit dem Steckerhalter 26 im Wesentlichen deckungsgleich sind. Der Kragen 25 mit dem Steckerhalter 26 kann somit passgenau an den Stirnseiten 37 der Träger 11, 12 angeordnet werden. Nach Anordnen des Gehäuseteils 5 an der Tragstruktur 6 wird durch die Wandung 24 des Gehäuseteils 5 sowie durch die Träger 11, 12 eine den Gehäuseinnenraum umgebende Seitenwand des Speichergehäuses 16 gebildet.
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Zum Herstellen der ersten Ausführungsform der Anordnung 1 gemäß 9 wird das die Speichermodule 4 tragende Gehäuseteil 5 am Rand 23, hier an sich in Längsrichtung L erstreckenden Bereichen des Kragens 25, mit Befestigungselementen 39, beispielsweise Schrauben, an der Rahmenstruktur 7 befestigt. Zum Stabilisieren des Speichergehäuses 16 kann außerdem ein weiteres Befestigungselement 39 in einem Schwerpunkt der Grundplatte 22 angeordnet und mit einem Nebenquerträger 13 der Tragstruktur 6 fest verbunden werden. Die hier nicht sichtbaren, sich auf der Oberseite 14 des Gehäuseteils 5 befindlichen Streben 27 werden unter Ausbildung von Zwischenwänden in dem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses 16 an den Nebenquerträgern 13 angeordnet. Die Nebenquerträger 13 können Aufnahmebereiche 40 aufweisen, in welchen Schraubenköpfe 41 (siehe 11) der Schrauben 30 zum Befestigen der Speichermodule 4 an den Streben 27 angeordnet werden können. Ein Querschnitt eines Teils der zusammengefügten Anordnung 1 gemäß 9, bei welchem die Schraubenköpfe 41 in den Aufnahmebereichen 40 angeordnet sind, ist in 11 gezeigt.
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Zum Herstellen der zweiten Ausführungsform der Anordnung 1 gemäß 10 werden die hier nicht sichtbaren Klemmleisten 31 an der Tragstruktur 6, beispielsweise an den Nebenquerträgern 13, befestigt, sodass die Speichermodule 4 von der Tragstruktur 6 gehalten werden. Die Klemmleisten 31 können beispielsweise mittels Befestigungselementen 42 mit den Nebenquerträgern 13 fest verbunden werden. Dazu können die Befestigungselemente 42, wie in 10 gezeigt, ausgehend von der Unterseite 15 der Grundplatte 22 durch die Klemmleisten 31 hindurch an die Nebenquerträger 13 geschraubt werden. Die Befestigungselemente 42, welche insbesondere als Schrauben ausgebildet sind, befestigen somit auch das Gehäuseteil 5 an der Tragstruktur 6, wobei das Gehäuseteil 5 hier beispielsweise keine tragende Funktion erfüllt. In 12 ist ein Querschnitt eines Teils der zusammengefügten Anordnung 1 gemäß 10 dargestellt. Schraubenköpfe 44 der als Schrauben ausgebildeten Befestigungselemente 42 sind hier an der Unterseite 15 des Gehäuseteils 5 angeordnet. Zum versenkten Anordnen der Schrauben können Versenkungen 43 in dem Gehäuseteil 5 ausgebildet sein. Zum Ausbilden der Versenkungen 43 können in der Unterseite 15 der Grundplatte 22 des Gehäuseteils 5 Verprägungen vorgesehen sein, in welchen die Schraubenköpfe 44 angeordnet werden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Klemmleisten 31 mit den Speichermodulen 4 in einem ersten Montageschritt an den Querträgern 13 befestigt werden. Dazu können die Klemmleisten 31 mit den Speichermodulen 4 auf einer Montagevorrichtung angeordnet werden, welche nach Verbinden der Klemmleisten 31 mit den Querträgern 13 wieder entfernt wird. In einem zweiten Montageschritt kann dann das Gehäuseteil 5 mit einigen wenigen Befestigungselementen an der Tragstruktur 6 befestigt werden. Sobald das Gehäuseteil 5 an der Tragstruktur 6 befestigt ist und dadurch der Hochvoltspeicher 3 in die Tragstruktur 6 integriert wurde, kann die Anordnung 1 mit einem Korrosionsschutz, beispielsweise mittels kathodischer Tauchlackierung, beschichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Karosserie
- 3
- Hochvoltspeicher
- 4
- Speichermodule
- 5
- Gehäuseteil
- 6
- Tragstruktur
- 7
- Rahmenstruktur
- 8
- Bodenteil
- 9
- Oberseite des Bodenteils
- 10
- Unterseite des Bodenteils
- 11
- Längsträger
- 12
- Querträger
- 13
- Querträger
- 14
- Oberseite des Gehäuseteils
- 15
- Unterseite des Gehäuseteils
- 16
- Speichergehäuse
- 17
- Struktur
- 18
- Vertiefung
- 19
- Tunnel
- 20
- erste Speichermodulebene
- 21
- zweite Speichermodulebene
- 22
- Grundplatte
- 23
- Rand
- 24
- Wandung
- 25
- Kragen
- 26
- Steckerhalter
- 27
- Strebe
- 28
- Halteelement
- 29
- Fixierungsleiste
- 30
- Schrauben
- 31
- Klemmleiste
- 32
- Leitung
- 33
- Steuerelement
- 34
- Elemente zur Zellüberwachung
- 35
- Steckverbinder
- 36
- Buchse
- 37
- Stirnseiten
- 38
- Lasche
- 39
- Befestigungselemente
- 40
- Aufnahmebereich
- 41
- Schraubenköpfe
- 42
- Befestigungselemente
- 43
- Versenkung
- 44
- Schraubenköpfe
- L
- Fahrzeuglängsrichtung
- Q
- Fahrzeugquerrichtung
- H
- Fahrzeughochrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015205413 A1 [0002]
- DE 102009040598 A2 [0003]
- EP 2704915 B1 [0003]
