DE102018000950B4

DE102018000950B4 - Fahrzeugbatterie mit einem im Crashfall auf Druck beanspruchten FKV-Profilbauteil

Info

Publication number: DE102018000950B4
Application number: DE102018000950.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Meyer; Florian Eidmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2038-02-07
Also published as: CN110116608B; DE102018000950A1; CN110116608A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie mit einem Batteriegehäuse und wenigstens einem im Crashfall auf Druck beanspruchten FKV-Profilbauteil (300), welches mit einer Befestigungsanordnung im Batteriegehäuse befestigt ist, derart, dass das FKV-Profilbauteil (300) an seinen beiden Enden ausschließlich mithilfe von Steckverbindungen mit dem Batteriegehäuse verbunden und mittels dieser Steckverbindungen in Längsrichtung (L) auch schwimmend gelagert ist, wobei sich das FKV-Profilbauteil (300) aufgrund der schwimmenden Lagerung in seiner Längsrichtung (L) relativ zum Batteriegehäuse hin- und herbewegen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie mit einem Batteriegehäuse.
Die Crashsicherheit von Kraftfahrzeugkomponenten kann durch vorgegebene Lastpfade verbessert werden.
Die nächstliegende US 2013/0 175 104 A1 beschreibt u. a. eine Fahrzeugbatterie mit einem Batteriegehäuse, das eine Vielzahl von Batteriezellen aufnimmt. Das Batteriegehäuse ist auf einem sogenannten Chassis-Element befestigt, bspw. festgeklebt, welches an mehreren Befestigungspunkten mit einer Chassis-Struktur des Fahrzeugs, die bspw. als Stahlrahmen ausgebildet ist, verschraubt ist. Das Chassis-Element ist ein als Platte ausgebildetes Verbundbauteil mit einer Außenhaut, die einen Innenkern umschließt. Das Chassis-Element weist mehrere Faserverstärkungen auf, die insbesondere in der Außenhaut angeordnet sind. Jede besteht aus einer Matte aus ausgerichteten Fasern wie Karbon, Kevlar, Glas oder einem anderen steifen faserverstärkenden Material und verleiht der Platte in Richtung der Fasern zusätzliche Steifigkeit. Die Faserverstärkungen können sich jeweils zwischen einem gegenüberliegenden Paar von Befestigungspunkten erstrecken. Die Faserverstärkungen tragen zur Gesamtsteifigkeit der Chassis-Struktur, in die das Chassis-Element eingebaut ist, bei. Über die Befestigungspunkte können Kräfte von der Chassis-Struktur in die Faserverstärkungen übertragen werden. Selbsterklärend wird damit auch die Crashsicherheit verbessert.
Ferner eignen sich für Lastpfade aufgrund des geringen Gewichts, der guten Verfügbarkeit und der hohen Festigkeiten insbesondere aus Faserkunststoffverbund gebildete Profilbauteile (Faserkunststoffverbund-Profilbauteile werden im Rahmen der Erfindung als FKV-Profilbauteile bezeichnet), die in den betreffenden Komponenten verbaut werden.
Die Befestigung von FKV-Profilbauteilen ist mitunter sehr aufwendig. Beim Fügen mit Metallbauteilen muss außerdem eine unterschiedliche Wärmeausdehnung berücksichtigt werden (Delta-Alpha-Problematik). Die WO 2016 / 015 970 A1 beschreibt eine Verbindungsanordnung zwischen einem Faserkunstoffverbund-Profilteil und einem Karosserierahmenteil und ein Verfahren zu deren Herstellung. Das Ende des Faserkunstoffverbund-Profilteils wird auf ein Zwischenstück aufgesteckt und mit dem Zwischenstück verklebt sowie gegebenenfalls noch mit einer fließlochformenden Schraube festgeschraubt. Es sind Freilaufzonen vorhanden, die eine unterschiedliche Wärmeausdehnung ermöglichen. Ergänzend wird ferner auf die DE 10 2015 220 240 A1 , DE 10 2014 218 774 A1 und JP 2015 - 016 738 A hingewiesen.
Mit der Erfindung soll ausgehend von der o. g. US 2013 / 0 175 104 A1 eine Fahrzeugbatterie mit erhöhter Crashsicherheit bereitgestellt werden.
Dies wird erreicht durch die erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Fahr- bzw. Traktionsbatterie, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
Die erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein FKV-Profilbauteil an seinen (beiden) Enden ausschließlich mithilfe von Steckverbindungen mit dem Batteriegehäuse verbunden bzw. am Batteriegehäuse befestigt ist und ferner mittels dieser Steckverbindungen bzw. an diesen Steckverbindungen in (seiner) Längsrichtung auch schwimmend gelagert ist.
Erfindungsgemäß wird das FKV-Profilbauteil an beiden axialen Enden also nur über ein formschlüssiges Verbinden mittels Steckverbindungen befestigt. Ein Verkleben, Verschrauben, Vernieten, Verstiften oder dergleichen ist ausdrücklich nicht vorgesehen. (D. h., die Steckverbindungen sind verklebungs-, verschraubungs- und vernietungsfrei.) Die Steckverbindungen ermöglichen ein besonders einfaches, schnelles, energiearmes und emissionsfreies Fügen des FKV-Profilbauteils, was insbesondere in der Serienfertigung vorteilhaft ist.
Die Steckverbindungen sind ferner so beschaffen, dass das FKV-Profilbauteil nicht starr (wie beim Verkleben, Verschrauben oder Vernieten) befestigt, sondern in seiner Längsrichtung schwimmend gelagert ist und sich somit in definierten Grenzen bewegen kann. Die schwimmende Lagerung kann auch als längsbewegliche Einbauweise bezeichnet werden. Die schwimmende Lagerung ermöglicht einerseits unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen dem FKV-Profilbauteil und den anderen Bauteilen der Fahrzeugbatterie. Andererseits wird aber auch die Fertigungsflexibilität gesteigert, da das FKV-Profilbauteil bereits zu einem frühen Zeitpunkt eingefügt werden kann (bspw. schon vor einem KTL-Durchlauf). Aus der schwimmenden Lagerung ergibt sich im Hinblick auf Fertigungstoleranzen auch eine einfachere Vorfertigung und Montage. Ferner ergeben sich Kosteneinsparungen.
Aufgrund der schwimmenden Lagerung kann sich das FKV-Profilbauteil relativ zur Fahrzeugbatterie, insbesondere lose, hin- und herbewegen. Der axiale Bewegungsspielraum beträgt bspw. 0,3 mm bis 5,0 mm, bevorzugt 0,5 mm bis 2,0 mm, wobei dies auch der ermöglichten Wärmeausdehnung entspricht. Bevorzugt wird eine zu erwartende Wärme- bzw. Temperaturausdehnung (bzw. ein Delta-Alpha-Wert) berechnet und genau soviel Bewegungsspielraum zugelassen. Im Falle eines Crashs wird der Bewegungsspielraum aufgebraucht und das FKV-Profilbauteil schließlich bestimmungsgemäß auf Druck belastet (axiale Druckbeanspruchung). Die Steckverbindungen sind entsprechend ausgebildet.
Das FKV-Profilbauteil kann jeden geeigneten Querschnitt (Profil) aufweisen und ist bevorzugt als T-Profil, U-Profil oder Hohlprofil, insbesondere mit geschlossenem Querschnitt (z. B. mit Rund-, Oval- oder Rechteckquerschnitt), ausgebildet. Das FKV-Profilbauteil ist bevorzugt aus CFK oder GFK gebildet und kann bspw. mittels Pultrusion (Strangziehen) hergestellt und dann auf die vorgesehene Länge zugeschnitten werden. Pultrusionsprofile sind vergleichsweise günstig, leicht und sehr stabil. Das FKV-Profilbauteil kann aber auch z. B. durch Wickeln oder Flechten hergestellt sein.
Die Fahrzeugbatterie kann Steckelemente aufweisen, wobei die Enden des FKV-Profilbauteils und die Steckelemente, insbesondere in axialer Fügerichtung, ineinandergesteckt sind. D. h., die Enden des FKV-Profilbauteils sind auf die Steckelemente aufgesteckt oder in die Steckelemente eingesteckt. Die Steckelemente können als separate Elemente ausgebildet und in geeigneter Weise an der Fahrzeugbatterie befestigt sein. Die Steckelemente können aus Metall oder aus Kunststoff gefertigt sein, wobei aus Kunststoff gefertigte Steckelemente eine elektrochemische Reaktion verhindern können. Die axiale Überdeckung zwischen den Steckelementen und den ein- bzw. aufgesteckten Enden des FKV-Profilbauteils ist so bemessen, dass die Enden nicht Herausrutschen können und beträgt bspw. 1 mm bis 5 mm.
Zumindest eines der Steckelemente kann einen Anschlagpuffer (für das betreffende Ende des FKV-Profilbauteils) aufweisen, wie bspw. einen Gummipuffer, einen Schaumstoffeinleger oder eine Feder, mit dem das Hin- und Herbewegen des FKV-Profilbauteils gedämpft wird.
Zumindest ein Ende des FKV-Profilbauteils kann am betreffenden Steckelement auch festgeklemmt werden. Die Klemmung kann ein loses Hin- und Herschlagen des FKV-Profilbauteils verhindern (das FKV-Profilbauteil kann sich erst beim Überschreiten der Klemmkräfte bewegen), ohne jedoch die Wärmeausdehnung zu beeinträchtigen. Durch die Klemmung kann das FKV-Profilbauteil aber auch quer zur Längsrichtung fixiert werden. Das Festklemmen kann z. B. durch eine Presspassung oder mithilfe einer einfachen Klemmmechanik am Steckelement (z. B. ein Federbügel oder dergleichen) erfolgen. Die Klemmung kann auch mithilfe eines auf das betreffende Ende bzw. auf beide Enden des FKV-Profilbauteils aufgebrachten Schrumpfschlauchs herbeigeführt werden.
Das FKV-Profilbauteil kann zusätzlich bzw. ergänzend zu den Steckverbindungen an seinen Enden auch in seinem mittleren Bereich an der Fahrzeugbatterie abgestützt sein. Insbesondere kann durch die Abstützung im Crashfall ein Ausknicken verhindert oder zumindest erschwert werden. Im Bereich der mittigen Abstützung kann ebenfalls eine Klemmung (s. o.) vorgesehen sein.
Beim Zusammenbau bzw. während der Montage der Fahrzeugbatterie können die Enden des FKV-Profilbauteils und die Steckelemente, insbesondere in axialer Fügerichtung, einfach nur ineinandergesteckt werden (d. h. ohne andere Fügeprozesse). Vorzugsweise sind die anderen Bauteile der Fahrzeugbatterie Metallbauteile, insbesondere Aluminium- und/oder Stahlbauteile, die eine andere Wärmeausdehnung als das FKV-Profilbauteil aufweisen. Das FKV-Profilbauteil wird an seinen Enden lediglich über einen Formschluss an den anderen Bauteilen befestigt, derart, dass eine unterschiedliche Wärmeausdehnung ermöglicht ist, wie oben erläutert.
Die Fahrzeugbatterie ist demnach bevorzugt ein Zusammenbauteil bzw. eine Baugruppe aus mehreren Einzeltbaueilen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt das Gehäuseunterteil einer erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie mit einem darin befestigten FKV-Profilbauteil.
2 veranschaulicht schematisch die erfindungsgemäße Befestigung des in 1 gezeigten FKV-Profilbauteils am Gehäuseunterteil.

1 zeigt das zu einem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse bzw. Batteriekasten 200 gehörende Gehäuseunterteil (Unterschale) 200a. Das Gehäuseunterteil 200a ist wannenartig ausgebildet und weist einen Boden 210, eine Wandung bzw. Seitenwände 220 und Trennwände 230 auf. In dem Gehäuseunterteil 200a können in bekannter Weise Batteriemodule angeordnet werden. In dem Gehäuseunterteil 200a ist zwischen den Seitenwänden 210 in nachfolgend noch näher erläuterter Weise ein im Crashfall auf Druck beanspruchtes FKV-Profilbauteil 300 befestigt. Das FKV-Profilbauteil 300 bildet im Crashfall einen Lastpfad (Drucklastpfad) zum Schutz der Batteriemodule. Das FKV-Profilbauteil 300 erstreckt sich insbesondere quer zur Fahrtrichtung und bildet einen Seitencrashschutz.
2 veranschaulicht die erfindungsgemäße Befestigung des FKV-Profilbauteils 300 am Gehäuseunterteil 200a. Das beispielhaft als Rohr (Pultrusionsrohr) ausgebildete FKV-Profilbauteil 300 ist an seinen beiden axialen Enden ausschließlich mithilfe von Steckverbindungen befestigt (d. h., das FKV-Profilbauteil 300 ist nur gesteckt) und ist an diesen Steckverbindungen auch schwimmend gelagert, sodass sich dieses in seiner Längs- bzw. Axialrichtung L hin- und herbewegen kann, wie mit dem Doppelpfeil veranschaulicht. Die mit den Steckverbindungen ermöglichte axiale Beweglichkeit erlaubt unterschiedliche Wärmeausdehnungen des FKV-Profilbauteils 300 und des Gehäuseunterteils 200a.
Die Befestigungsanordnung zur Befestigung des FKV-Profilbauteils 300 umfasst zwei Steckelemente 310, die unterschiedlich oder auch identisch ausgebildet sein können. Die als separate Elemente ausgebildeten und vorzugsweise einstückig aus Kunststoff gefertigten Steckelemente 310 sind in geeigneter konventioneller Weise am Gehäuseunterteil 200a (d. h. an dessen Wandung 210) befestigt, bspw. angeklebt, angeschraubt und/oder angenietet. Die Steckelemente 310 können auch direkt am Gehäuseunterteil 200a ausgebildet sein. Die Enden des FKV-Profilbauteils 300 und die schuhartig ausgebildeten Steckelemente 310 sind formschlüssig ineinandergesteckt, sodass sich axiale Überdeckungen U ergeben. An seinem linken Ende ist das FKV-Profilbauteil 300 ferner am Steckelement 310 festgeklemmt, das hierzu mit Federbügeln 320 oder dergleichen ausgebildet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt an beiden Enden des FKV-Profilbauteils 300 sowohl ein innerer als auch ein äußerer Formschluss mit den Steckelementen 310. Ebenso kann auch nur ein innerer oder äußerer Formschluss vorgesehen sein. Beide Steckelemente 310 weisen zudem dämpfende Anschlagpuffer 330 auf.
Zusätzlich ist das FKV-Profilbauteil 300 mittig abgestützt. Die mittige Abstützung kann bspw. mithilfe wenigstens einer Muffe 340 oder dergleichen erfolgen, die am Gehäuseunterteil 200a (bspw. an einer der Trennwände 230) angeordnet ist. Das FKV-Profilbauteil 300 ist in Längs- bzw. Axialrichtung L relativbeweglich in der Muffe 340 gelagert. Die Muffe 340 hat somit nicht nur eine Abstützfunktion, sondern auch eine Führungsfunktion. An der Muffe 340 kann auch eine Klemmung erfolgen.
Das Gehäuseunterteil 200a ist ein Zusammenbauteil, insbesondere in sogenannter Mischbauweise (Materialmix). Das FKV-Profilbauteil 300 wird während des Zusammenbaus bzw. bei Montage des Gehäuseunterteils 200a durch Auf- oder Einstecken mit den Steckelementen 310 verbunden und wird dabei von den anderen, insbesondere metallischen, Bauteilen quasi so umschlossen bzw. umbaut, dass dieses nur formschlüssig in den Bauteilverbund eingebunden und über den Formschluss auch schwimmend gelagert und entsprechend geführt ist.

Claims

Fahrzeugbatterie mit einem Batteriegehäuse (200), gekennzeichnet durch wenigstens ein im Crashfall auf Druck beanspruchtes FKV-Profilbauteil (300), welches mit einer Befestigungsanordnung im Batteriegehäuse (200) befestigt ist, derart, dass das FKV-Profilbauteil (300) an seinen beiden Enden ausschließlich mithilfe von Steckverbindungen mit dem Batteriegehäuse (200) verbunden und mittels dieser Steckverbindungen in Längsrichtung (L) auch schwimmend gelagert ist, wobei sich das FKV-Profilbauteil (300) aufgrund der schwimmenden Lagerung in seiner Längsrichtung (L) relativ zum Batteriegehäuse (200) hin- und herbewegen kann.
Fahrzeugbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (200) mit Steckelementen (310) ausgebildet ist, wobei die Enden des FKV-Profilbauteils (300) und die Steckelemente (310) ineinandergesteckt sind.
Fahrzeugbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Überdeckung (U) zwischen den Steckelementen (310) und den Enden des FKV-Profilbauteils (300) 1 mm bis 5 mm beträgt.
Fahrzeugbatterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckelemente (310) mit Anschlagpuffern (330) ausgebildet sind.
Fahrzeugbatterie nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das FKV-Profilbauteil (300) an wenigstens einem der Steckelemente (310) festgeklemmt ist.
Fahrzeugbatterie nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das FKV-Profilbauteil (300) zusätzlich im mittleren Bereich am Batteriegehäuse (200) abgestützt ist.
Fahrzeugbatterie nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Fahrzeugbatterie eine Traktionsbatterie ist.