DE102018205233A1

DE102018205233A1 - Batterieanordnung für ein Elektrofahrzeug oder Hybridelektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102018205233A1
Application number: DE102018205233.6A
Authority: DE
Inventors: Marius Sawatzki; Dominik Müller; Daniel Meckenstock; Jörgen Hilmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2019-10-10
Also published as: CN110350115A; US11005135B2; US20190312246A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein bzw. in einem Elektrofahrzeug oder Hybridelektrofahrzeug, mit mehreren Batteriemodulen, die Batteriemodulgehäuse (3) aufweisen, die jeweils mehrere Batteriezellen enthalten und mittels flexibler Leitungen miteinander verbunden sind, wobei sich die Batteriemodulgehäuse (3) in Fahrzeugquerrichtung zwischen seitlichen Schwellern des Fahrzeugs erstrecken und wobei die Batteriemodulgehäuse (3) in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnet und gemeinsam von einem Batteriegehäuse umgeben sind, wobei die Batteriemodulgehäuse (3) durch eine die Fahrzeugkarosserie verformende seitliche Krafteinwirkung auf das Fahrzeug unter Verformung des Batteriegehäuses in Fahrzeugquerrichtung gegeneinander beweglich sind. Gemäß der Erfindung haben einander zugewandte Oberflächen von Batteriemodulgehäusen (3) - gesehen in einer Ebene senkrecht zur Fahrzeugquerrichtung - formschlüssig ineinandergreifende Querschnitte.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein bzw. in einem Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug, mit mehreren Batteriemodulen, die Batteriemodulgehäuse aufweisen, die jeweils mehrere Batteriezellen enthalten und mittels flexibler Leitungen miteinander verbunden sind, wobei sich die Batteriemodulgehäuse in Fahrzeugquerrichtung zwischen seitlichen Schwellern des Fahrzeugs erstrecken und in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnet und gemeinsam von einem Batteriegehäuse umgeben sind, wobei die Batteriemodulgehäuse durch eine die Fahrzeugkarosserie verformende seitliche Krafteinwirkung auf das Fahrzeug unter Verformung des Batteriegehäuses in Fahrzeugquerrichtung gegeneinander beweglich sind, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche und wie aus der DE 10 2008 059 973 A1 bekannt.
Batterien für Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge werden möglichst geschützt untergebracht, häufig zentral unter dem Fahrgastraumboden, wo die Batterie durch Querträger und Schweller geschützt ist, wobei der Begriff Schweller unabhängig von dessen Funktion als Trittbrett hierin alle möglichen mehr oder weniger stabilisierenden Seitenrahmenstrukturen umfassen soll, die ungefähr auf der Höhe des Unterbodens liegen.
Der zentrale Unterbodenbereich bildet bei einem Frontal- oder Heck-Aufprall auf ein Hindernis eine relativ sichere Zone für eine Batterie. Bei einem seitlichen Aufprall von der Art, wie er mit einem sog. Pfahl-Seitenaufpralltest simuliert und getestet wird, tendieren Fahrzeugschweller und Querträger jedoch dazu, sich zu verbiegen und sich um den aufprallenden Pfahl zu wickeln. Darüber hinaus kann bei einem Seitenaufpralltest mit einem Stoßkörper die Bodenstruktur in Richtung der Batterie kollabieren. In beiden Fällen drohen schwere Beschädigungen eines Batteriefachs im zentralen Unterboden und damit des darin untergebrachten Batteriesystems. Die Karosseriestruktur entsprechend zu verstärken, würde jedoch die Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz und Abgasemissionen von Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen mindern.
Bei der gattungsbildenden bekannten Batterieanordnung befinden sich die Batteriezellen in einem Zwei-Hüllen-Aufbau aus einer deformierbaren Außenhülle und mehreren darin angebrachten Innenhüllen, in denen sich jeweils ein Batteriezellenpaket befindet. Die einzelnen Innenhüllen bzw. Batteriezellen können bei einem Seitenaufprall, bei dem sich die Außenhülle verformt, gegeneinander verschoben werden, ohne dass die Batteriezellen beschädigt werden. Es sind auch flexible Verbindungsleitungen zwischen den Innenhüllen offenbart, nicht jedoch, wo diese verlaufen sollen. Man könnte sie z. B. oberhalb oder unterhalb der Innenhüllen anordnen, oder auch in partiellen Hohlräumen, die in einem Ausführungsbeispiel zwischen den Innenhüllen und Führungselementen derselben existieren. In jedem Fall muss außerhalb der Innenhüllen relativ viel Platz gelassen werden, in dem sich die flexiblen Verbindungsleitungen ausbreiten und im Crashfall dehnen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bekannte Batterieanordnung hinsichtlich der Crashsicherheit, der Raumausnutzung und des Gewichts von Batterie und Rohkarosserie des zugehörigen Fahrzeugs zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren und ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung haben einander zugewandte Oberflächen von mindestens zwei der Batteriemodulgehäuse - gesehen in einer Ebene senkrecht zur Fahrzeugquerrichtung - formschlüssig ineinandergreifende Querschnitte. Dies gewährleistet einerseits eine Relativführung der Batteriemodulgehäuse, ohne separate Führungselemente und entsprechenden Platz dafür zu benötigen, und verleiht andererseits den einzelnen Batteriemodulgehäusen mit wenig Materialeinsatz zusätzliche Steifigkeit in Fahrzeugquerrichtung, auch im Zusammenwirken der einander zugewandten Oberflächen der Batteriemodulgehäuse. Ausreichende Steifigkeit der Batteriemodulgehäuse in Fahrzeugquerrichtung ist erwünscht, damit seitliche Crash-Belastungen auch auf die entgegengesetzte Fahrzeugseite übertragen werden, um in den auf dieser Seite vorhandenen Teilen der Batteriegehäuse und ggf. Fahrzeugstrukturen wie z. B. dem dortigen Schweller zerstreut und absorbiert zu werden.
Vorzugsweise sind die einander zugewandten Oberflächen der Batteriemodulgehäuse als komplementäre, schubladenartig ineinandergreifende, relativ zueinander bewegliche und vorzugsweise überall aneinander anliegende Gleitflächen ausgebildet.
Der Formschluss zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Batteriemodulgehäuse sollte mindestens in Bezug auf die Vertikale des Fahrzeugs bestehen, und in bevorzugten Ausführungsformen besteht der Formschluss auch in Bezug auf die Fahrzeuglängsrichtung.
In bevorzugten Ausführungsformen enthalten einander zugewandte Seitenflächen von Batteriemodulgehäusen Langlöcher, die sich mindestens über eine Länge, die der Summe aus einer auslegungsgemäßen maximalen Relativverschiebung der Batteriemodulgehäuse und einer Dicke der flexiblen Verbindungsleitungen entspricht, senkrecht zur Fahrzeugquerrichtung erstrecken und die bei unverformtem Batteriegehäuse miteinander fluchten, vorzugsweise auf ihrer ganzen Länge, wobei flexible Leitungen, die benachbarte Batteriemodulgehäuse miteinander verbinden, durch die Langlöcher in den einander zugewandten Seitenflächen der Batteriemodulgehäuse hindurchgehen. Dies ermöglicht es, die flexiblen Verbindungsleitungen, welche Strom- und/oder Kühlmittelleitungen sein können, besonders kurz zu halten und überdies platzsparend und gut geschützt unterzubringen.
Die Batteriemodulgehäuse sollten in Fahrzeugquerrichtung steifer sein als das umgebende Batteriegehäuse. Vorzugsweise sind die Batteriemodulgehäuse - mit Ausnahme der Formschlussstrukturen - allgemein quaderförmig und - zumindest jene mit Langlöchern in einander zugewandten Seitenflächen - in Fahrzeugquerrichtung langgestreckt.
Die Batterieanordnung eignet sich besonders als eine Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie, die dafür eingerichtet ist, zwischen den Fahrzeugachsen und zwischen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden seitlichen Schwellern auf, an oder unter einem Unterboden des Kraftfahrzeugs angebracht zu werden.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine Batterieanordnung in einem Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug ;
2 eine partielle Perspektivansicht zweier benachbarter Batteriemodulgehäuse in der Batterieanordnung von 1;
3 eine schematische partielle Horizontalschnittansicht durch zwei benachbarte Batteriemodulgehäuse in 1 und 2;
4 eine Draufsicht auf eine Batterieanordnung ähnlich jener von 1, die durch einen schrägen Pfahl-Seitenaufprall verformt worden ist; und
5 eine Draufsicht auf eine Batterieanordnung ähnlich jener von 1, die durch einen quer zum Fahrzeug bewegten quaderförmigen Stoßkörper verformt worden ist.

1 zeigt ein Batteriegehäuse 1, das unter dem Fahrgastraumboden eines Elektro- oder Hybridelektrofahrzeugs zwischen den Vorder- und Hinterachsen und seitlichen Schwellern angeordnet ist und sich zur Fahrzeugfront hin etwas verjüngt.
Das Batteriegehäuse 1 enthält mehrere Batteriemodule, die in sich gekapselte und normalerweise in sich stabile Einheiten bilden und die jeweils eine Reihe von Batteriezellen 2 enthalten, wobei zumindest die zwei in der Fahrzeuglängsrichtung x hintersten Batteriemodule jeweils ein eigenes Batteriemodulgehäuse 3 aufweisen, wie gezeigt. Auch die beiden vorderen Reihen Batteriezellen 2 können jeweils ein eigenes in sich stabiles Batteriemodulgehäuse aufweisen, was in 1 nicht näher gezeigt ist, oder die beiden vorderen Reihen Batteriezellen 2 können ein gemeinsames Batteriemodulgehäuse aufweisen, wie in 4 und 5 angedeutet.
Durch den modularen Aufbau ist die Batterieanordnung leicht an verschiedene Fahrzeuge anpassbar, indem mehr oder weniger Batteriemodule mit mehr oder weniger Batteriezellen vorgesehen werden.
Die Batteriemodulgehäuse 3 sind in der Fahrzeugquerrichtung y zwischen den seitlichen Schwellern des Fahrzeugs und in der Fahrzeuglängsrichtung x hintereinander angeordnet und sind gemeinsam von dem Batteriegehäuse 1 als Außenhülle umgeben, wobei die Batteriemodulgehäuse 3 in Fahrzeugquerrichtung y steifer sind als das umgebende Batteriegehäuse 1.
Die Batteriemodulgehäuse 3 sind durch Sollbruchstellen wie z. B. Scherbolzen miteinander und/oder mit dem Batteriegehäuse 1 verbunden und sind durch eine die Sollbruchkraft und die Steifigkeit des Batteriegehäuses 1 übersteigende seitliche Krafteinwirkung auf das Fahrzeug unter Verformung des Batteriegehäuses 1 in Fahrzeugquerrichtung y gegeneinander beweglich, wie in 4 und 5 veranschaulicht, auf die später noch eingegangen wird.
Damit die Batteriemodulgehäuse 3 nur in Fahrzeugquerrichtung y und leichtgängig relativ zueinander beweglich sind, haben ihre einander zugewandten Oberflächen formschlüssig ineinandergreifende Querschnitte, wie aus der in 2 gezeigten Perspektivansicht eines Abschnitts 4 der Batterieanordnung von 1 ersichtlich.
Insbesondere sind die einander zugewandten Oberflächen der Batteriemodulgehäuse 3 als komplementär ausgebildete, schubladenartig ineinandergreifende, relativ zueinander bewegliche und überall aufeinander liegende Gleitflächen ausgebildet. Die mögliche Relativverschiebung der Batteriemodulgehäuse 3 wird durch nicht gezeigte Anschläge auf einen Betrag Δy max beschränkt.
Wie in 2 außerdem gezeigt, befinden sich in den einander zugewandten Oberflächen der Batteriemodulgehäuse 3 Langlöcher 5, die sich mindestens über eine Länge, die der Summe aus der auslegungsgemäßen maximalen Relativverschiebung Δy max der Batteriemodulgehäuse 3 und der Dicke der flexiblen Leitungen 6 entspricht, in der Fahrzeugquerrichtung y erstrecken und insbesondere gleich lang sind. Solange das Batteriegehäuse 1 unverformt ist und die Batteriemodulgehäuse 3 nicht relativ zueinander verschoben sind, fluchten zwei benachbarte Langlöcher 5 miteinander, und wenn sie gleich lang sind, fluchten sie auf ihrer ganzen Länge miteinander.
3 ist eine schematische Horizontalschnittansicht durch einen Teil des Abschnitts 4 der Batterieanordnung von 1 und zeigt, wie zwei benachbarte Batteriemodulgehäuse 3 durch flexible Leitungen 6, insbesondere Hochvolt-Stromleitungen und/oder Kühlmittelleitungen, miteinander verbunden sind, wobei die flexiblen Leitungen 6 durch die Langlöcher 5 hindurchgehen und eine Überlänge haben, die dem Betrag Δy max entspricht oder etwas größer ist, so dass die Leitungen 6 nicht abgeschert werden können, wenn die Batteriemodulgehäuse 3 z. B. wie in 3 gegeneinander verschoben werden.
Relativverschiebungen der Batteriemodulgehäuse 3 können insbesondere bei einem schrägen oder geraden Seitenaufprall des Fahrzeugs auf ein Hindernis auftreten. Zwei typische Seitenaufprallsituationen, die durch standardisierte Tests simuliert werden, sind ein schräger Seitenaufprall auf einen feststehenden Pfahl, der durch einen zylindrischen Stoßkörper 7 simuliert wird, wie in 4 gezeigt, und ein gerader Seitenaufprall auf ein quaderförmiges Hindernis, der durch Bewegen eines quaderförmigen Stoßkörpers 8 simuliert wird, wie in 5 gezeigt.
Da das Batteriegehäuse 1 in Fahrzeugquerrichtung y weniger steif ist als die Batteriemodulgehäuse 3, werden bei einem Seitenaufprall, der so stark ist, dass er nicht allein in den Schwellern absorbiert werden kann, nur die unmittelbar getroffenen Batteriemodulgehäuse 3 in Fahrzeugquerrichtung y verschoben, und das Batteriegehäuse 1 wird nur dem betroffenen Bereich verformt, wie in 4 und 5 veranschaulicht.
Dabei übertragen die getroffenen Batteriemodulgehäuse 3 Aufprallenergie auf die dem Stoß gegenüberliegende Fahrzeugseite, wo das Batteriegehäuse 1 ebenfalls partiell verformt wird. Auf diese Weise wird auf beiden Seiten der Batterieanordnung, nämlich ungefähr in den in 4 und 5 markierten Zonen A, etwa gleich viel Aufprallenergie zerstreut und absorbiert, während eine in Fahrzeugquerrichtung y mittlere Zone B ungefähr markiert, wo die Batterieanordnung im Wesentlichen inkompressibel ist.
Die formschlüssig ineinandergreifenden Gleitflächen erleichtern eine Relativverschiebung der Batteriemodulgehäuse 3 ohne Blockieren und Festhaken, wie es besonders bei einem schrägen Seitenaufprall sonst leicht geschehen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008059973 A1 [0001]

Claims

Batterieanordnung für ein Elektrofahrzeug oder Hybridelektrofahrzeug, mit mehreren Batteriemodulen, die Batteriemodulgehäuse (3) aufweisen, die jeweils mehrere Batteriezellen (2) enthalten und mittels flexibler Leitungen (6) miteinander verbunden sind, wobei sich die Batteriemodulgehäuse (3) in Fahrzeugquerrichtung (y) zwischen seitlichen Schwellern des Fahrzeugs erstrecken und wobei die Batteriemodulgehäuse (3) in Fahrzeuglängsrichtung (x) hintereinander angeordnet und gemeinsam von einem Batteriegehäuse (1) umgeben sind, wobei die Batteriemodulgehäuse (3) durch eine die Fahrzeugkarosserie verformende seitliche Krafteinwirkung auf das Fahrzeug unter Verformung des Batteriegehäuses (1) in Fahrzeugquerrichtung (y) gegeneinander beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, dass einander zugewandte Oberflächen von Batteriemodulgehäusen (3) - gesehen in einer Ebene senkrecht zur Fahrzeugquerrichtung (y) - formschlüssig ineinandergreifende Querschnitte haben.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Oberflächen der Batteriemodulgehäuse (3) als komplementäre, schubladenartig ineinandergreifende, relativ zueinander bewegliche und aneinander anliegende Gleitflächen ausgebildet sind.
Batterieanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Batteriemodulgehäuse (3) in der Vertikalen und in der Fahrzeuglängsrichtung (x) wirksam ist.
Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Batteriemodulgehäuse (3) in Bezug auf die Vertikale und in Bezug auf die Fahrzeuglängsrichtung (x) wirksam ist.
Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodulgehäuse (3) allgemein quaderförmig und in Fahrzeugquerrichtung (y) langgestreckt sind.
Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Seitenflächen von Batteriemodulgehäusen (3) Langlöcher (5) aufweisen, die sich mindestens über eine Länge, die der Summe aus einer auslegungsgemäßen maximalen Relativverschiebung (Δy max) der Batteriemodulgehäuse (3) und einer Dicke der flexiblen Leitungen (6) entspricht, in der Fahrzeugquerrichtung (y) erstrecken und die bei unverformtem Batteriegehäuse (1) miteinander fluchten, wobei benachbarte Batteriemodulgehäuse (3) verbindende flexible Leitungen (6) durch die Langlöcher (5) in ihren einander zugewandten Oberflächen hindurchgehen.
Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Leitungen (6) Strom- und/oder Kühlmittelleitungen sind.
Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung eine Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie bildet, die dafür eingerichtet ist, zwischen den Fahrzeugachsen und zwischen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden seitlichen Schwellern auf, an oder unter einem Unterboden des Fahrzeugs angebracht zu werden.
Elektrofahrzeug oder Hybridelektrofahrzeug, insbesondere als ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine Batterieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.