DE102019220252A1

DE102019220252A1 - Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019220252A1
Application number: DE102019220252.7A
Authority: DE
Inventors: Henrik Fehner; Andreas Czok
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN113085586A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (13), das einen umlaufenden Gehäuserahmen (15) aufweist, wobei an einer Rahmen-Innenseite (25) des Rahmenteils (23) zumindest ein Anbindungsdom (33) ausgebildet ist, auf dem ein Batteriemodul (21) abstützbar sowie fest angebunden ist, insbesondere verschraubbar ist, wobei in einem Fahrzeug-Crashfall eine Crashkraft (Fs) auf ein crashzugewandtes Rahmenteil (23) des Gehäuserahmens (15) wirkt. Erfindungsgemäß ist für einen zumindest teilweisen Abbau von Crashenergie zwischen der Rahmen-Innenseite (25) des Rahmenteils (23) und dem Anbindungsdom (33) ein freier Deformationsraum (41) bereitgestellt, in den hinein das crashzugewandte Rahmenteil (23) über einen Deformationsweg verformbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Der Innenraum eines Batteriegehäuses einer solchen Hochvoltbatterie ist in Teilräume aufgeteilt, in denen jeweils ein Batteriemodul angeordnet ist. Das Batteriemodul ist auf gehäusefesten Schraubdomen abgestützt und über Schraubbolzen fest damit verspannt.
Ein gattungsgemäßes Batteriegehäuse weist einen umlaufenden Gehäuserahmen auf, an dessen Rahmen-Innenseite die gehäusefesten Schraubdome ausgebildet sind, an denen das jeweilige Batteriemodul abstützbar und festspannbar ist.
Der Gehäuserahmen ist Bestandteil einer Batteriegehäuse-Tragstruktur. Diese ist so ausgelegt, dass bei einer crashbedingten Krafteinleitung eine Beschädigung der crashsensiblen Batteriemodule aufgrund von Intrusion crashzugewandter Bauteile in die Batteriemodule verhindert ist. Im Stand der Technik sind die gehäusefesten Schraubdome massiv, das heißt komplett verbindungssteif, an den umlaufenden Gehäuserahmen angebunden. Bei einer crashbedingten Krafteinleitung in die Batteriegehäuse-Tragstruktur erfolgt daher an den gehäusefesten Schraubdomen keine Verformungsarbeit zum Abbau von Crashenergie.
Aus der EP 2 910 394 A1 ist eine Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochvoltbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen, bei der im Vergleich zum Stand der Technik die Crashperformance der Batteriegehäuse-Tragstruktur in konstruktiv einfacher sowie bauraumgünstiger Weise gesteigert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß ist der gehäusefeste Schraubdom (nachfolgend auch allgemein als Anbindungsdom bezeichnet) zur Anbindung des Batteriemoduls nicht mehr komplett verbindungssteif am Gehäuserahmen ausgebildet. Vielmehr ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 zwischen einer Rahmen-Innenseite des Rahmenteils und dem Schraubdom ein freier Deformationsraum bereitgestellt. Im Crashfall kann sich ein crashzugewandtes Rahmenteil des Gehäuserahmens über einen Deformationsweg in den Deformationsraum hinein verformen, wodurch Crashenergie teilweise abgebaut werden kann, ohne dass es zu einer Intrusion des Rahmenteils in das crashzugewandte Batteriemodul kommt.
In einer technischen Umsetzung können der Schraubdom und das Rahmenteil des Gehäuserahmens über einen, den freien Deformationsraum überbrückenden Verbindungssteg miteinander verbunden sein. Der Verbindungssteg kann in der Batteriehochrichtung eine stark (das heißt um ein Vielfaches) reduzierte Materialstärke aufweisen, und zwar im Vergleich zur Anbindungsdom-Bauhöhe und/oder zur Rahmenteil-Bauhöhe.
Der Gehäuserahmen der Hochvoltbatterie weist in einer Batterie-Konstruktionslage eine horizontale Rahmenebene auf. In einem Seitencrashfall ist die auf den Gehäuserahmen einwirkende Crashkraft im Wesentlichen koplanar zur horizontalen Rahmenebene des Gehäuserahmens ausgerichtet. An einer oberseitigen Stützfläche des Schraubdoms ist ein Batteriemodul-Montageabschnitt abstützbar und damit verschraubt ist. Die Schraubachse dieser Schraubverbindung kann in diesem Fall rechtwinklig zur Rahmenebene ausgerichtet sein. Im Hinblick auf eine crashbedingte Verformbarkeit des Schraubdoms ist es bevorzugt, wenn der Schraubdom mit seinem bodenseitigen Schraubdom-Fuß über einen freien Höhenversatz von einem Batteriegehäuse-Boden beabstandet ist.
Der umlaufende Gehäuserahmen ist Bestandteil einer Batteriegehäuse-Tragstruktur. Im Batterie-Zusammenbauzustand ist an einer Gehäuserahmen-Unterseite ein Gehäuse-Boden angebunden. An einer Gehäuserahmen-Oberseite kann ein Gehäuse-Oberteil angebunden sein.
Im Hinblick auf eine zusätzlich gesteigerte Crashperformance ist es bevorzugt, wenn der Verbindungssteg unmittelbar am bodenseitigen Anbindungsdom-Fuß angebunden ist. In diesem Fall begrenzt der Verbindungssteg den freien Deformationsraum in einer Batteriehochrichtung nach unten. Demgegenüber kann der Schraubdom - mit Ausnahme des Verbindungsstegs - komplett anbindungsfrei gegenüber dem Rahmenteil des Gehäuserahmens sein.
In einer konkreten Ausführungsvariante kann der Gehäuserahmen mitsamt Schraubdom als ein Gußteil ausgebildet sein, in dem der Schraubdom sowie die Rahmenteile des Gehäuserahmens materialeinheitlich und einstückig ausgebildet sind.
Im erfindungsgemäßen Gehäuserahmen kann der Schraubdom an seiner, dem Rahmenteil zugewandten Außenseite über den freien Deformationsraum vom Rahmenteil beabstandet sein. Der Schraubdom kann zusätzlich an seiner, dem Batteriemodul zugewandten Innenseite über einen weiteren, zweiten Deformationsraum beabstandet sein. Bevorzugt ist der vom ersten Deformationsraum und vom zweiten Deformationsraum bereitstellbare Deformationsweg in etwa gleich groß.
Der Batteriemodul-Montageabschnitt kann über einen Schraubbolzen mit dem Anbindungsdom verschraubt sein. In diesem Fall kann der Anbindungsdom ein Innengewinde aufweisen, das in Gewindeeingriff mit dem Schraubbolzen bringbar ist.
Der Schraubdom kann sich in einer Rahmenteil-Längsrichtung mit einer Schraubdom-Länge erstrecken. Diese ist auf ein Vielfaches größer als die Wandstärke einer Stützrippe, die gegebenenfalls (zusätzlich zum Verbindungssteg) den freien Deformationsraum zwischen dem Rahmenteil und dem Anbindungsdom überbrücken kann. Die Stützrippe kann sich ausgehend vom bodenseitigen Verbindungssteg über eine Rippenhöhe nach batterieoben erstrecken. Bevorzugt kann die Rippen-Oberkante um einen Höhenversatz unterhalb der Anbindungsdom-Stützfläche angeordnet sein. Durch Einstellung der Rippen-Bauhöhe kann eine Verbindungssteifigkeit zwischen dem Anbindungsdom und dem Rahmenteil so eingestellt werden, dass im Crashfall eine einwandfreie Deformation des Rahmenteils in den freien Deformationsraum erfolgt.
Der umlaufende Gehäuserahmen kann im Profil U-förmig ausgebildet sein, und zwar mit einem, die Rahmen-Innenseite bildenden U-Profilboden sowie mit daran seitlich nach außen gezogenen, horizontalen U-Schenkeln. Der in der Batteriehochrichtung untere U-Profilschenkel kann mit einem Innenschenkel nach rahmeninnen verlängert sein, der die Bauteilsteifigkeit des Gehäuserahmens erhöht. Der Innenschenkel kann an dem jeweiligen Schraubdom eine Unterbrechung aufweisen, in der der Schraubdom unabhängig vom Innenschenkel an der Rahmen-Innenseite angebunden ist.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren besch rieben.
Es zeigen:

1 in einer Seitenansicht mit teilweisem Aufriss ein Fahrzeug mit einer darin verbauten Hochvoltbatterie;
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus der 1;
3 in einer teilweisen Perspektivdarstellung einen umlaufenden Gehäuserahmen des Batteriegehäuses der Hochvoltbatterie;
4 und 5 eine Teilschnittdarstellung der Hochvoltbatterie im Normalbetrieb (4) sowie im Seitencrashfall (5); sowie
6 eine Ansicht entsprechend der 4.

In der 1 ist ein zweispuriges Fahrzeug in einer Seitenansicht dargestellt. Das Fahrzeug weist einen Fondsbereich 1 mit einer angedeuteten Rücksitzbank 3 auf. Die Rücksitzbank 3 ist auf einer in der 1 im Aufriss teilweise ersichtlichen Karosserie-Bodengruppe angeordnet. Die Karosserie-Bodengruppe ist in der 1 und in der 2 nur insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Von daher zeigen sowohl die 1 als auch die 2 keinen realitätsgetreuen Aufbau der Karosserie-Bodengruppe des Fahrzeugs.
In der 1 weist die Karosserie-Bodengruppe ein Fondsblechteil 5 auf, dessen Unterseite einen nach fahrzeugunten offenen Montageraum 7 für eine Hochvoltbatterie 9 definiert. Der Batterie-Montageraum 7 ist in der Fahrzeugquerrichtung y nach fahrzeugaußen durch einen heckseitigen Karosserie-Längsträger 11 (2) begrenzt. Wie aus der 2 weiter hervorgeht, ist die Hochvoltbatterie 9 an einer Anbindungsstelle B auf einem fahrzeugunteren Batterie-Tragelement 8 montiert. Das Batterie-Tragelement 8 weist einen plattenförmigen Aufsetzschutz 10 sowie seitlich davon abragende Montage-Konsolen 12 auf, über die das Batterie-Tragelement 8 an der Anbindungsstelle K am hinteren Karosserie-Längsträger 11 befestigt ist.
Nachfolgend wird anhand der 2 bis 4 der Aufbau des Batteriegehäuses 13 der Hochvoltbatterie 9 beschrieben: Demzufolge weist das Batteriegehäuse 13 in der 2 einen umlaufenden Gehäuserahmen 15 auf, der als ein Aluminium-Gußteil realisiert ist. Der umlaufende Gehäuserahmen 15 ist in der, in der 2 gezeigten Einbaulage in etwa auf gleicher Höhe wie der heckseitige Karosserie-Längsträger 11 positioniert. Am Gehäuserahmen 15 ist oberseitig eine Gehäuse-Oberschale 17 sowie an dessen Unterseite ein Gehäuseboden 19 montiert. Diese begrenzen einen Batterie-Innenraum, in dem eine Anzahl von Batteriemodulen 21 angeordnet ist, von denen in den Figuren lediglich ein Batteriemodul 21 teilweise angedeutet ist.
Der Gehäuserahmen 15 spannt in der Batterie-Konstruktionslage mit seinen Rahmenteilen 23 eine horizontale Rahmenebene R (3) auf. Der Gehäuserahmen 15 ist in der 2 im Querschnitt U-profilförmig ausgebildet, und zwar mit einer, eine Rahmen-Innenseite bildenden U-Profilboden 25 sowie mit davon horizontal nach außen gezogenen U-Profilschenkeln 27, 29. Zur Erhöhung der Rahmensteifigkeit ist in der 3 der untere U-Profilschenkel 29 nach rahmeninnen mit einem Innenschenkel 31 verlängert. Zudem sind an der Rahmen-Innenseite 25 Schraubdome 33 angeformt, auf deren oberer Stützfläche 35 ein Batteriemodul-Montageabschnitt 37 abstützbar ist. Die oberen Stützflächen 35 der Schraubdome 33 sind in etwa auf gleicher Höhe wie der obere U-Schenkel 27 des Gehäuserahmens 15 positioniert. Der Batteriemodul-Montageabschnitt 37 ist mittels eines Schraubbolzens 39 am Schraubdom 33 festgespannt, dessen Schraubachse rechtwinklig zur Rahmenebene R ausgerichtet ist.
Wie zum Beispiel in der 2 gezeigt ist, ist zwischen der Rahmen-Innenseite 25 des Rahmenteils 23 des Gehäuserahmens 15 und dem Schraubdom 33 ein erster freier Deformationsraum 41 bereitgestellt. Der Deformationsraum 41 ist in der Batteriehochrichtung z nach unten durch einen Verbindungssteg 43 begrenzt. Dieser überbrückt den freien Deformationsraum 41 und ist materialeinheitlich und einstückig an einem unteren Schraubdom-Fuß 45 angebunden. Der Schraubdom-Fuß 45 ist über einen freien Höhenversatz Δz (4) vom Batteriegehäuse-Boden 19 beabstandet. Zudem ist die 2 oder 4 der Schraubdom 33 an seiner, dem Batteriemodul 21 zugewandten Innenseite 47 über einen zweiten Deformationsraum 49 vom Batteriemodul 21 beabstandet. Die Spaltbreite b (6) des ersten Deformationsraums 41 und die Spaltbreite a (6) des zweiten Deformationsraums 49 sind in etwa gleich groß bemessen.
Nachfolgend wird anhand der 5 ein Crashverlauf bei einem Fahrzeug-Seitencrash beschrieben: Demnach wird eine Crashkraft Fs in der Fahrzeugquerrichtung y über eine Karosserie-Seitenstruktur in das crashzugewandte Rahmenteil 23 des batterieseitigen Gehäuserahmens 15 eingeleitet, und zwar in etwa koplanar zur Rahmenebene R des Gehäuserahmens 15. Das crashzugewandte Rahmenteil 23 des Gehäuserahmens 15 kann sich unter teilweisem Abbau der Crashenergie über einen ersten Deformationsweg d₁ in den ersten freien Deformationsraum 41 hinein verformen, und zwar maximal bis auf Block mit dem Schraubdom 33. In diesem Fall definiert der untere Verbindungssteg 43 eine Biegeachse, um die sich das crashzugewandte Rahmenteil 23 und der Schraubdom 33 gegeneinander verbiegen. Zusätzlich wird der Schraubdom 33 unter Aufbrauch des zweiten Deformationsraums 49 um einen zweiten Deformationsweg d₂ (5) in Richtung auf das Batteriemodul 21 verformt, und zwar unter weiterem Aufbrauch der Crashenergie sowie maximal bis auf Block mit der Batteriemodul-Seitenwand.
Wie aus der 6 weiter hervorgeht, ist der erste freie Deformationsraum 41 zwischen dem Schraubdom 33 und der Rahmen-Innenseite 25 durch eine zusätzliche Stützrippe 55 überbrückt. Die Stützrippe 55 erstreckt sich ausgehend vom bodenseitigen Verbindungssteg 43 über eine Rippenhöhe c nach batterieoben. Deren Rippen-Oberkante ist um einen Höhenversatz unterhalb der Schraubdom-Stützfläche 35 angeordnet. Die Wandstärke der Stützrippe 55 ist um ein Vielfaches kleiner als die Schraubdom-Länge I (3) in der Rahmenteil-Längsrichtung bemessen. Die Rippenhöhe c der Stützrippe 55 ist dabei so eingestellt, dass bei seitlich angreifender Crashkraft F_S einerseits eine ausreichende Verformungsarbeit geleistet wird und andererseits eine ausreichend große Verbindungssteifigkeit zwischen Schraubdom 33 und Rahmenteil 23 vorhanden ist.
Bezugszeichenliste

1: Fondsbereich
3: Rücksitzbank
5: Fondsblechteil
7: Montageraum
8: Batterie-Tragelement
9: Hochvoltbatterie
10: plattenförmiger Aufsetzschutz
12: Montagekonsole
11: Karosserie-Längsträger
13: Batteriegehäuse
15: Gehäuserahmen
17: Gehäuse-Oberteil
19: Gehäuse-Boden
21: Batteriemodul
23: Rahmenteil
25: U-Profilboden
27, 29: U-Profilschenkel
31: Innenschenkel
33: Schraubdom
35: Stützfläche
37: Batteriemodul-Montageabschnitt
39: Schraubbolzen
41: erster Deformationsraum
43: Verbindungssteg
45: Schraubdom-Fuß
47: Schraubdom-Innenseite
49: zweiter Deformationsraum
55: Stützrippe
R: Rahmenebene
K: karosserieseitiger Anbindungspunkt
B: batterieseitiger Anbindungspunkt
a, b: Spaltbreiten des ersten und zweiten Deformationsraums
c: Rippenhöhe der Stützrippe
FS: Seitencrashkraft
I: Schraubdom-Länge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2910394 A1 [0005]

Claims

Hochvoltbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (13), das einen umlaufenden Gehäuserahmen (15) aufweist, wobei an einer Rahmen-Innenseite (25) des Rahmenteils (23) zumindest ein Anbindungsdom (33) ausgebildet ist, auf dem ein Batteriemodul (21) abstützbar sowie fest angebunden ist, insbesondere verschraubbar ist, wobei in einem Fahrzeug-Crashfall eine Crashkraft (Fs) auf ein crashzugewandtes Rahmenteil (23) des Gehäuserahmens (15) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass für einen zumindest teilweisen Abbau von Crashenergie zwischen der Rahmen-Innenseite (25) des Rahmenteils (23) und dem Anbindungsdom (33) ein freier Deformationsraum (41) bereitgestellt ist, in den hinein das crashzugewandte Rahmenteil (23) über einen Deformationsweg verformbar ist.
Hochvoltbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsdom (33) und das Rahmenteil (23) über einen, den Deformationsraum (41) überbrückenden Verbindungssteg (43) miteinander verbunden sind, und dass der Verbindungssteg insbesondere in der Batteriehochrichtung (z) im Vergleich zur Anbindungsdom-Bauhöhe und/oder zur Rahmenteil-Bauhöhe eine reduzierte Materialstärke aufweist.
Hochvoltbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsdom (33) eine oberseitige Stützfläche (35) aufweist, auf der ein Montageabschnitt (37) des Batteriemoduls (21) abstützbar ist, und dass der Anbindungsdom (33) einen bodenseitigen Anbindungsdom-Fuß (45) aufweist, der über einen Höhenversatz (Δz) von einem Batteriegehäuse-Boden (19) beabstandet ist.
Hochvoltbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungssteg (43) am Anbindungsdom-Fuß (45) angebunden ist, und/oder dass der Verbindungssteg (43) den Deformationsraum in der Batteriehochrichtung (z) nach unten begrenzt, und dass der Anbindungsdom (33) ausgehend von dem Verbindungssteg (43) nach batterieoben anbindungsfrei gegenüber dem Rahmenteil (23) ist, so dass insbesondere im Crashfall (Fs) der Schraubdom (33) in der Batteriehochrichtung (z) zwischen dem bodenseitigen Verbindungssteg (43) und der oberseitigen Anbindungsdom-Stützfläche (35) als ein Hebelarm wirkt.
Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsdom (33) und das Rahmenteil (23) materialeinheitlich und/oder einstückig ausgebildet sind, und/oder dass der Gehäuserahmen (15) mitsamt Rahmenteil (23) und Anbindungsdom (33) als ein Gußteil ausgebildet ist.
Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsdom (33) an seiner dem Rahmenteil (23) zugewandten Außenseite über den Deformationsraum (41) vom Rahmenteil (23) beabstandet ist, und/oder dass der Anbindungsdom (33) an seiner dem Batteriemodul (21) zugewandten Innenseite (47) über einen zweiten Deformationsraum (49) beabstandet ist.
Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriemodul-Montageabschnitt (37) über einen Schraubbolzen (39) mit dem Anbindungsdom (33) verspannt ist, und dass insbesondere der Schraubbolzen (39) in Gewindeeingriff mit einem Anbindungsdom-Innengewinde ist.
Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anbindungsdom (33) in einer Rahmenteil-Längsrichtung mit einer Anbindungsdom-Länge (I) erstreckt, und/oder dass der Anbindungsdom (33) nicht nur über den Verbindungssteg (43), sondern zusätzlich über eine Stützrippe (55) mit dem Rahmenteil (23) verbunden ist, und dass insbesondere die Rippen-Wandstärke in der Rahmenteil-Längsrichtung kleiner ist als die Anbindungsdom-Länge (I).
Hochvoltbatterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stützrippe (55) ausgehend vom bodenseitigen Verbindungssteg (43) über eine Rippenhöhe nach batterieoben erstreckt, und dass insbesondere eine Rippen-Oberkante um einen Höhenversatz unterhalb der Anbindungsdom-Stützfläche (35) angeordnet ist.