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Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung einer zur Traktion, also zum Antrieb eines Fahrzeugs, bevorzugt eines Elektrofahrzeugs dienenden elektrischen Energiequelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die gattungsbildende
DE 10 2010 033 123 A1 betrifft Anordnung einer Energiespeichereinrichtung an einem Rohbau eines Kraftwagens, insbesondere an einer Personenkraftwagenkarosserie, bei welcher die Energiespeichereinrichtung zumindest mittelbar an dem Rohbau des Kraftwagens gehalten ist, wobei wenigstens ein Betätigungselement vorgesehen ist, mittels welchem die Energiespeichereinrichtung vor oder bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung des Kraftwagens relativ zum Rohbau bewegbar ist.
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Die
DE 10 2013 008 428 A1 betrifft eine Anordnung zur Lagerung mindestens eines, in einem Gehäuse angeordneten Antriebsenergiespeichers in einem Kraftfahrzeug. Dabei soll eine Anordnung für einen Antriebsenergiespeicher mit verbessertem Energieabsorptionsverhalten zur Verfügung gestellt werden, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Bei einer bevorzugten Anordnung zur Lagerung mindestens eines in einem Gehäuse angeordneten Antriebsenergiespeichers in einem Kraftfahrzeug sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses zwischen dem Gehäuse und biegesteifen Karosserieelementen auf jeder Seite mindestens ein erstes Deformationselement und ein zweites Deformationselement angeordnet. Dabei ist das erste Deformationselement näher an dem Gehäuse angeordnet als das zweite Deformationselement, und das erste Deformationselement soll insofern eine andere Kraft-Weg-Kennung aufweisen als das zweite Deformationselement, als es weicher ausgelegt ist als das zweite Deformationselement.
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Die auf die Anmelderin zurückgehende
US 10 494 030 B1 stellt eine zusammenklappbare Batteriepackhalterungsbaugruppe und ein Verfahren für die Halterung bereit. Eine beispielhafte Halterungsbaugruppe beinhaltet unter anderem eine Bügelklammer, die ein Batteriepack an eine Fahrzeugkarosseriestruktur koppelt, und eine abgestimmte Klammer innerhalb eines offenen Bereichs der Bügelklammer.
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Die abgestimmte Klammer ist dazu konfiguriert, ein Zusammenklappen der Bügelklammer als Reaktion auf eine Belastung über einem Schwellenwert zu steuern, um eine Übertragung der Belastung auf das Batteriepack zu reduzieren. Ein beispielhaftes Verfahren für die Halterung beinhaltet Koppeln eines Batteriepacks an eine Fahrzeugkarosseriestruktur unter Verwendung einer Bügelklammer, die entlang des Batteriepacks angeordnet ist. Die Bügelklammer beinhaltet einen offenen Bereich, der eine abgestimmte Klammer aufnimmt. Die abgestimmte Klammer ist dazu konfiguriert, eine Verformung der Bügelklammer als Reaktion auf eine Belastung über einem Schwellenwert zu steuern, um eine Übertragung der Belastung auf das Batteriepack zu reduzieren.
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Die
DE 10 2012 019 922 A1 betrifft eine Batterieanordnung in einem Fahrzeug, mit einer Traktionsbatterie mit einem Batteriegehäuse, in dem crashsensible Batteriezellen und zumindest ein in Fahrzeugquerrichtung verlaufender Crashquerträger angeordnet sind, mit dem im Seitencrashfall die eingeleitete Aufprallkraft zur crashabgewandten Fahrzeugseite unter Überbrückung der Batteriezellen übertragbar ist. Bevorzugt weist das Batteriegehäuse außenseitig ein Kraftübertragungselement auf, das in Flucht zum Crashquerträger um einen Querversatz von einer Außenwand des Batteriegehäuses vorragt.
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Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik sind Kraftfahrzeuge bekannt, deren Hauptantrieb einen elektrischen Antriebsstrang mit einem Elektromotor beinhaltet, der mittels eines durch eine elektrische Energiequelle, etwa einen elektrochemischen Energiespeicher bzw. Energiewandler, erzeugten elektrischen Stromes betreibbar ist. Der elektrochemische Energiespeicher bzw. Energiewandler kann dabei beispielsweise von zumindest einem wiederaufladbaren Akkumulator, oftmals etwas ungenau auch als Traktionsbatterie bezeichnet, oder von einem Brennstoffzellenstapel („stack“) gebildet sein.
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Bei Kraftfahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren sind Anordnungen der verschiedenen Komponenten („packaging“) des Kraftfahrzeugs (Antrieb, Fahrwerk, Karosserie) in jahrzehntelanger Entwicklung gereift. Die äußeren Dimensionen und Ankopplungen an andere Komponenten eines Kraftfahrzeugs unterscheiden sich bei einem Kraftfahrzeug mit einem elektrochemischen Energiespeicher bzw. Energiewandler als elektrische Energiequelle eines Fahrantriebs (im Folgenden auch als Elektrofahrzeuge bezeichnet) sehr stark von denen eines Kraftfahrzeugs mit konventionellem Verbrennungsmotor, da bei Elektrofahrzeugen im Allgemeinen kastenartige Traktionsbatterien bzw. Brennstoffzellenstapel über eine große Fläche des Fahrzeugbodens anzuordnen sind. Elektrofahrzeuge erfordern daher andere Lösungen der Anordnung von Komponenten innerhalb des Kraftfahrzeugs zur Gewährleistung einer Fahrzeugsicherheit im Fall eines Aufprallereignisses-
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Aufgrund der in der wiederaufladbaren Batterie speicherbaren Energiemenge bestehen erhöhte Anforderungen an die mechanische Unversehrtheit bei Eintreten eines Aufprallereignisses, um zu verhindern, dass die gespeicherte Energiemenge schlagartig freigesetzt wird.
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Um ein bestehendes Bedürfnis nach immer höheren Energiespeicherdichten der wiederaufladbaren Batterien zu erfüllen, können zukünftige Traktionsbatterien, beispielsweise von Plug-in-Hybridfahrzeugen („plug-in hybrid electric vehicle“ PHEV) oder Hybridelektrokraftfahrzeugen („hybrid electric vehicle“ HEV) oder auch Zwischenspeicherbatterien von Brennstoffzellenfahrzeugen keine internen lasttragenden Strukturen enthalten oder Durchgangslöcher bereitstellen, um Schrauben zu platzieren. Ferner wird ein verfügbarer Raum um die wiederaufladbare Batterie herum, der für energieabsorbierende Strukturen genutzt werden könnte, immer geringer. Infolgedessen besteht die Notwendigkeit, dass sich ein Gehäuse der wiederaufladbaren Batterie während eines Aufprallereignisses nicht verformen darf, da in einem Innenraum des Gehäuses kein Platz vorgesehen werden kann, um Verformungen auszugleichen, ohne den im Gehäuse aufgenommenen Batteriesatz zu beschädigen. Die einzigen potenziell verfügbaren Befestigungspunkte befinden sich damit an den Außenkanten des Batteriegehäuses.
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Zur Gewährleistung der Einhaltung existierender Sicherheitsvorschriften und - vereinbarungen, insbesondere hinsichtlich einer Fahrzeugsicherheit im Falle eines Aufprallereignisses (Crash-Sicherheit), beispielsweise solcher, die Teil des von europäischen Verkehrsministerien, Automobilclubs und Versicherungsverbänden herausgegebenen Neuwagen-Bewertungs-Programmes (European New Car Assessment Programme (Euro NCAP)) sind, wurden im Stand der Technik verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
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Beispielsweise ist aus der
US 9 505 442 B2 eine energieabsorbierende Schwelleranordnung bekannt. Die Schwelleranordnung beinhaltet einen Fahrzeugschweller an einer Seite eines Fahrzeugs und einen Batterieschweller an einer Seite eines Batteriesatzes des Fahrzeugs. Ein Energieabsorptionsverfahren beinhaltet das Einleiten eines ersten Teils einer mechanischen Seitenlast durch einen ersten Lastpfad, der sich durch einen Fahrzeugschweller an einer Seite eines Fahrzeugs erstreckt, und das Einleiten eines zweiten Teils der mechanischen Seitenlast durch einen zweiten Lastpfad, der sich durch einen Batterieschweller an einer Seite eines Batteriesatzes erstreckt.
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Der Fahrzeugschweller und der Batterieschweller absorbieren beim Zusammenbruch Energie, wobei der Fahrzeugschweller und der Batterieschweller zumindest teilweise unabhängig voneinander kollabieren können. Der Batterieschweller stellt im Fall eines Aufpralls mit einem äußeren Hindernis einen direkten und unabhängigen Lastpfad zwischen dem Batteriesatz und dem Hindernis bereit, der aufgrund der starken Batterieträgheit im Wesentlichen für die zusätzliche Last ausgelegt werden kann. Durch den unabhängigen Lastpfad zwischen dem Batteriesatz und dem Hindernis kann verhindert werden, dass das Hindernis eine Kraft direkt auf den Batteriesatz ausübt, ohne dass dazu Einsätze wie z. B. Schaumstoffeinlagen, Nyloneinsätze, Schweißabschnitte, usw. in dem Fahrzeugschweller erforderlich sind.
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Die
US 9 623 742 B2 schlägt eine Fahrzeugbatteriemontagestruktur vor, beinhaltend i) einen Batterierahmen, der einen oberen Batterierahmenteil aus faserverstärktem Kunststoff und einen unteren Batterieunterrahmenteil aus faserverstärktem Kunststoff aufweist, und der an einer Fahrzeugkarosserieunterseite eines Bodenblechs angeordnet ist und eine Batterie haltert; und ii) ein duktiles Element, das einen oberen Hauptkörperteilbereich aufweist, der mit dem oberen Batterierahmen verbunden ist, einen oberen Flanschabschnitt, der kontinuierlich in einer Fahrzeugbreitenrichtung gesehen an einem außenseitigem Endabschnitt des oberen Hauptkörperabschnitts vorgesehen ist, einen unteren Hauptkörperabschnitt, der mit dem unteren Batterierahmen verbunden ist, und einen unteren Flanschabschnitt, der kontinuierlich in der Fahrzeugbreitenrichtung gesehen an einem außenseitigem Endabschnitt des unteren Hauptkörperabschnitts vorgesehen ist, wobei der obere Flanschabschnitt und der untere Flanschabschnitt überlappend angeordnet und an einer unteren Oberflächenseite des Bodenblechs befestigt sind.
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Ein energieabsorbierendes Element aus Metall ist zwischen dem Batterierahmen und einer Fahrzeugkarosserieunterseite des Schwellers angeordnet. Das energieabsorbierende Element umfasst ein inneres Element, das in Fahrzeugbreitenrichtung innenseitig so angeordnet ist, dass es nahe an einem Seitenwandabschnitt des Batterierahmens liegt, und ein äußeres Element, das mit einem vorbestimmten Spalt dazu angeordnet ist.
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Selbst wenn im Fall eines seitlichen Aufpralls des Fahrzeugs ein Teil der Aufpralllast über das Bodenblech in den oberen Flanschabschnitt und den unteren Flanschabschnitt eingeleitet wird, weisen der obere Flanschabschnitt und der untere Flanschabschnitt duktile Eigenschaften auf und brechen nicht einfach durch Biegen und Verformen. Das bedeutet, dass ein Abbrechen des Befestigungsabschnittes, der sich auf der Seite des Batterierahmens aus faserverstärktem Harz befindet und der auf der Seite des Bodenabschnitts befestigt ist, vermieden werden kann.
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Weiterhin sind im Stand der Technik Lösungen bekannt, die für den Fall eines Aufprallereignisses eine Bewegung der wiederaufladbaren Batterie vorsehen.
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So beschreibt etwa die
JP 2 866 998 B2 eine Batteriebefestigungsstruktur eines Elektrofahrzeugs zum Befestigen einer Batterie an einer Karosserie eines Elektrofahrzeugs. An der Batteriebefestigungsstruktur ist ein Träger mit einer Führungsnut entlang des unteren Abschnitts der Fahrzeugkarosserie befestigt und entlang einer Fahrzeuglängsrichtung ausgebildet. Ein Batterieträger zur Aufnahme der Batterie ist vorgesehen. Die Batteriebefestigungsstruktur beinhaltet eine Halterung, die in der Führungsnut geführt ist, und Scherstifte, mit denen die Halterung und der Träger verbunden sind. Wenn das Elektrofahrzeug kollidiert, werden die Scherstifte gebrochen, der Verbindungszustand der Halterung wird gelöst und die Halterung bewegt sich entlang der Führungsnuten zur Vorderseite der Fahrzeugkarosserie. Aufgrund der Bewegung des Batterieträgers wird ein Energieabsorptionselement verformt, und die kinetische Energie der Batterie wirkt nicht auf die Fahrzeugkarosserie.
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Zudem ist aus der
JP 2 932 134 B2 eine Energieabsorptionssteuerungsstruktur für ein Elektrofahrzeug bekannt mit einem Mechanismus, der den Batterieträger am Boden der Fahrzeugkarosserie abstützt und den Batterieträger oder die Batterie während einer plötzlichen Fahrzeugverzögerung, etwa einer Frontalkollision, relativ zum Fahrzeug kontrolliert nach vorne bewegt. Die Position des Batterieträgers ist eine vorbestimmte Strecke von der Fahrzeugkarosserie beabstandet angeordnet. Die Energieabsorptionssteuerungsstruktur ist so ausgelegt, dass der Batterieträger sich an einer Position befindet, die nach Beginn des Einwirkens der Aufprallkraft nach etwa 30 ms oder wenn eine Verformung der Fahrzeugkarosserie etwa 0,4 m beträgt, an der Fahrzeugkarosserie anliegt. Durch den derart zeitlich gesteuerten Verzögerungsverlauf kann somit die kinetische Energie des Batterieträgers sicher auf die Fahrzeugkarosserie übertragen werden. Es ist bekannt, dass bei einem Einhalten dieser Werte eine gute Insassensicherheit gewährleistet werden kann.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Befestigungsvorrichtungen für elektrische Energiequellen, die zur Traktion von Fahrzeugen, insbesondere von Elektrofahrzeugen dienen, noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungsvorrichtung einer zur Traktion eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs dienenden elektrischen Energiequelle bereitzustellen, die einen Einbauraum für die elektrische Energiequelle zwischen Seitenschwellern des Fahrzeugs, insbesondere des Elektrofahrzeugs möglichst wenig beeinträchtigt und zugleich im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses auf das Fahrzeug, insbesondere auf das Elektrofahrzeug eine Höhe einer auf die elektrische Energiequelle wirkenden Kraft oder eines auf die elektrische Energiequelle wirkenden Drehmoments derart zu begrenzen, dass eine mechanische Integrität der elektrischen Energiequelle erhalten bleibt.
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Dabei kann die elektrische Energiequelle als Energiespeichertyp, beispielsweise als ein wiederaufladbarer Akkumulator, und/oder als Energiewandlertyp, beispielsweise als zumindest ein Brennstoffzellenstapel, ausgebildet sein. Im Folgenden wird der umgangssprachliche Begriff „Batterie“ bzw. „Antriebsbatterie“ auch als Synonym für elektrische Energiespeicher verwendet. Ebenso wird im Folgenden zwar ein Elektrofahrzeug genannt, wobei dieser Begriff aber nicht für reine Elektrofahrzeuge beschränkend sein soll. Vielmehr sind damit alle Fahrzeuge eingeschlossen, die eine Batterie für die Antriebsenergiespeicherung verwenden, also auch Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) oder Hybridelektrofahrzeuge (HEV) oder auch Fahrzeuge mit Brennstoffzelle (Batterie als Zwischenspeicher möglich), etc..
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Befestigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Die Befestigungsvorrichtung einer zur Traktion eines Elektrofahrzeuges dienenden elektrischen Energiequelle, die unterhalb eines Fahrzeugbodens zwischen Schwellern des Elektrofahrzeugs anordenbar ist, weist ein Gehäuse zur Aufnahme und Halterung der elektrischen Energiequelle und eine Vielzahl von Befestigungselementen zur Befestigung des Gehäuses an einer Karosserie des Elektrofahrzeugs auf.
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Dabei weisen die Befestigungselemente der Vielzahl von Befestigungselementen ein gehäuseseitiges Ende zur Befestigung an dem Gehäuse, ein schwellerseitiges Ende zur Befestigung an einem der Schweller und in einem Einbauzustand in zumindest einer senkrecht zu einer Geradeaus-Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs angeordneten, gedachten Ebene zwischen dem gehäuseseitigen Ende und dem schwellerseitigen Ende einen zumindest teilweise gekrümmten Verlauf mit zumindest einem Wendepunkt auf.
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Unter dem Begriff „Vielzahl“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere eine Anzahl von zumindest zwei verstanden werden.
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Erfindungsgemäß beinhaltet die Befestigungsvorrichtung zumindest ein im Einbauzustand oberhalb des Gehäuses und quer zur Geradeaus-Fahrtrichtung angeordnetes Querstrukturelement. Das Querstrukturelement ist an beiden Enden mit Schwellern an Seiten des Elektrofahrzeugs wirkverbindbar und weist in zumindest zwei in einer Richtung quer zur Geradeaus-Fahrtrichtung zusammenhängenden Bereichen eine geringere Festigkeit als ein Rest des Querstrukturelements auf.
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Unter dem Begriff „wirkverbindbar“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass Objekte derart miteinander verbindbar sind, dass eine Übertragung einer Kraft und/oder eines Drehmoments und/oder eines Torsionsmoments zwischen den Objekten möglich ist. Die Übertragung kann dabei sowohl durch direkten Kontakt als auch mittelbar, durch zumindest ein Zwischenelement, erfolgen.
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Dadurch kann erreicht werden, dass im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses durch die mittels eines Schwellers in das Querstrukturelement seitlich eingeleitete Kraft der Bereich des Querstrukturelements mit der geringeren Festigkeit zuerst deformiert wird und eine nach unten gerichtete Kraft auf das Gehäuse ausübt, wodurch das Gehäuse aus dem Krafteinleitungspfad herausbewegt wird. Zwar können die Befestigungselemente dabei zumindest teilweise verformt (gestaucht bzw. gedehnt) werden; das Gehäuse mit der darin aufgenommenen elektrischen Energiequelle kann jedoch weiterhin sicher und zuverlässig von der Vielzahl der Befestigungselemente gehalten werden.
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Bevorzugt ist das Querstrukturelement als Querträger ausgebildet. Weiterhin bevorzugt ist jeweils zumindest einer der zumindest zwei zusammenhängenden Bereiche des Querstrukturelements mit geringerer Festigkeit in einer schwellernahen Position angeordnet.
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Bevorzugt ist das Querstrukturelement in den zumindest zwei zusammenhängenden Bereichen auf einer dem Gehäuse zugewandten Seite mit jeweils einer Sollbruchstelle ausgestattet. Dadurch kann eine Position, an der das Querstrukturelement im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses durch die mittels eines Schwellers seitlich eingeleitete Kraft zuerst deformiert wird, vorausbestimmt werden, wodurch die Bewegung des Gehäuses aus dem Krafteinleitungspfad heraus detailliert ausgelegt werden kann.
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Mit der vorgeschlagenen Befestigungsvorrichtung kann eine mechanische Entkopplung der elektrischen Energiequelle und des im Einbauzustand darüber angeordneten Fahrzeugbodens erreicht werden, so dass sowohl eine Bewegung der elektrischen Energiequelle relativ zum Fahrzeugboden als auch zu den schwellerseitigen Enden der Befestigungselemente ermöglicht sein kann. Gleichzeitig kann die elektrische Energiequelle durch die Vielzahl der Befestigungselemente auf sichere und zuverlässige Weise an der Karosserie des Elektrofahrzeugs gehaltert werden.
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Durch die mechanische Entkopplung kann die elektrische Energiequelle im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses aus einem Krafteinleitungspfad herausbewegt werden, der von einem der Schweller des Elektrofahrzeugs ausgeht und auf die Fahrzeugmitte gerichtet ist.
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Durch die vorgeschlagene Befestigungsvorrichtung kann die elektrische Energiequelle während eines seitlichen Aufprallereignisses vor einem Einwirken eines Kraftstoßes bewahrt werden, der das Potenzial zur Zerstörung der mechanischen Integrität des Gehäuses und der darin aufgenommenen elektrischen Energiequelle besitzt.
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Als elektrische Energiequelle kann beispielsweise zumindest ein wiederaufladbarer Akkumulator oder zumindest ein Brennstoffzellenstapel eingesetzt werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Befestigungsvorrichtung sind die Befestigungselemente zu einem überwiegenden Teil aus einem duktilen Material hergestellt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Befestigungselemente im Falle eines Aufprallereignisses biegsam plastisch verformt werden können, ohne dass die mechanische Verbindung, die durch die Befestigungselemente hergestellt ist, gelöst wird.
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Unter dem Begriff „zu einem überwiegenden Teil“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere einen Anteil von mehr als 50 Vol.%, bevorzugt von mehr als 70 Vol.% und, besonders bevorzugt, von mehr als 90 Vol.% verstanden werden. Insbesondere soll der Begriff die Möglichkeit eines Anteils von 100 Vol.% einschließen.
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Bevorzugt können als duktiles Material Metalle mit hoher Zähigkeit, d.h. mit der Fähigkeit zur Absorption großer Energiemengen während der plastischen Verformung, zur Herstellung der Befestigungselemente verwendet werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Befestigungsvorrichtung sind die Befestigungselemente zu einem überwiegenden Teil aus einem Material mit federelastischen Eigenschaften hergestellt. Auf diese Weise kann ein im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses erzeugter Kraftstoß auf das Gehäuse bzw. die darin aufgenommene elektrische Energiequelle durch eine federnde Wirkung der Befestigungselemente abgemildert werden, da die Kraft über einen verlängerten Zeitraum ausgeübt werden kann.
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Bevorzugt ist zumindest eine Teilvielzahl der Vielzahl von Befestigungselementen, womit die Befestigungselemente gemeint sind, in Form eines Bandes mit im Wesentlichen gleichförmiger Breite ausgebildet. Dadurch können die Befestigungselemente auf wirtschaftliche und konstruktiv einfache Weise bereitgestellt werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Befestigungsvorrichtung weist der Verlauf in der gedachten Ebene zumindest einer Teilvielzahl der Vielzahl von Befestigungselemente, womit die Befestigungselemente gemeint sind, eine S-Form auf. In einer geeigneten Ausgestaltung kann die elektrische Energiequelle dadurch im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses aus dem Krafteinleitungspfad herausgenommen werden, der von einem der Schweller des Elektrofahrzeugs ausgeht und auf die Fahrzeugmitte gerichtet ist, indem ein Teil der eingeleiteten Kraft aufgrund der S-Form der Befestigungselemente in eine nach unten gerichtete Kraft auf das Gehäuse umgeleitet wird. Dabei wird das Gehäuse mit der darin aufgenommenen elektrischen Energiequelle weiterhin sicher und zuverlässig von der Vielzahl der Befestigungselemente gehalten.
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Bevorzugt sind das gehäuseseitige Ende und das schwellerseitige Ende zumindest einer Teilvielzahl der Befestigungselemente der Vielzahl von Befestigungselementen, womit die Befestigungselemente gemeint sind, geradlinig ausgebildet. Dadurch können im Falle eines Aufprallereignisses Kräfte in das Gehäuse bzw. den Schweller mit geringer Flächenpressung und geringer Scherspannungsdichte eingeleitet werden.
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Bevorzugt ist bei Befestigungselementen, deren Verlauf eine S-Form aufweist und deren gehäuseseitiges Ende und schwellerseitiges Ende geradlinig ausgebildet sind, im Einbauzustand in zumindest teilweiser paralleler Anlage zu einer Seitenwand des Gehäuses bzw. in zumindest teilweiser paralleler Anlage mit einem der Schweller verbunden, wodurch sich die bereits beschriebenen Vorteile ergeben können.
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Bevorzugt ist das gehäuseseitige Ende zumindest einer Teilvielzahl der Befestigungselemente, direkt oder indirekt an einer Seitenwand des Gehäuses befestigt, und eine Befestigungsstelle des schwellerseitigen Endes dieser Befestigungselemente ist im Einbauzustand oberhalb einer Befestigungsstelle des gehäuseseitigen Endes angeordnet. Auf diese Weise kann ein Teil einer durch ein seitliches Aufprallereignis eingeleiteten Kraft konstruktiv besonders einfach in eine nach unten gerichtete Kraft auf das Gehäuse umgeleitet werden, um das Gehäuse aus dem Krafteinleitungspfad herauszubewegen.
- 1 zeigt eine schematische, geschnittene Darstellung einer konventionellen Befestigung einer zur Traktion von Elektrofahrzeugen dienenden elektrischen Energiequelle in einem Einbauzustand in einer Schnittebene senkrecht zu einer Geradeaus-Fahrtrichtung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
- 2 eine schematische, geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung einer zur Traktion von Elektrofahrzeugen dienenden elektrischen Energiequelle in einem Einbauzustand in einer Schnittebene senkrecht zu einer Geradeaus-Fahrtrichtung,
- 3 die Befestigungsvorrichtung gemäß der 2 in derselben Ansicht im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses,
- 4 ein Befestigungselement der Befestigungsvorrichtung gemäß der 2 in einer Detailansicht, und
- 5 eine alternative Befestigung des Befestigungselements der Befestigungsvorrichtung gemäß der 2 in einer Detailansicht.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. Wie bereits zuvor erläutert kann eine elektrische Energiequelle als Energiespeichertyp, beispielsweise als ein wiederaufladbarer Akkumulator, und/oder als Energiewandlertyp, beispielsweise als zumindest ein Brennstoffzellenstapel, ausgebildet sein. Von daher wird auch im Folgenden der umgangssprachliche Begriff „Batterie“ bzw. „Antriebsbatterie“ auch als Synonym für elektrische Energiespeicher verwendet. Ebenso wird im Folgenden zwar ein Elektrofahrzeug genannt, wobei dieser Begriff aber nicht für reine Elektrofahrzeuge beschränkend sein soll. Vielmehr sind damit alle Fahrzeuge eingeschlossen, die eine Batterie für die Antriebsenergiespeicherung verwenden, also auch Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) oder Hybridelektrofahrzeuge (HEV) oder auch Fahrzeuge mit Brennstoffzelle (Batterie als Zwischenspeicher möglich), etc..
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1 zeigt eine schematische, geschnittene Darstellung einer konventionellen Befestigung einer zur Traktion, also zum Antrieb von Elektrofahrzeugen dienenden elektrischen Energiequelle EQ in einem Einbauzustand in einer Schnittebene senkrecht zu einer Geradeaus-Fahrtrichtung GF des Elektrofahrzeugs.
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Die elektrische Energiequelle EQ kann beispielsweise als wiederaufladbarer Akkumulator („Hochleistungsbatterie“, „Traktionsbatterie“), etwa als Lithium-Ionen-Akkumulator, ausgebildet sein. Die elektrische Energiequelle EQ ist in einem Gehäuse G aufgenommen und gehaltert, das unterhalb eines Fahrzeugbodens FB zwischen Schwellern S des Elektrofahrzeugs angeordnet ist. Aufgrund hoher Anforderungen an eine elektrische Energiespeicherdichte weist die elektrische Energiequelle EQ keine von außen zugängliche innere Tragstruktur oder Durchgangsbohrungen zur Durchführung von Befestigungselementen wie etwa Schraubenelementen oder Zugstangen auf, so dass eine Befestigung der elektrischen Energiequelle EQ nur durch äußere Verbindungen mit dem Gehäuse G herstellbar sind. Ferner existiert kein nennenswerter Raum um die elektrische Energiequelle EQ herum, der für energieabsorbierende Strukturen genutzt werden könnte.
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Das Gehäuse G weist an beiden Seitenwänden SW angebrachte Tragbügel TB auf. Jeder der Schweller S ist innenseitig mit korrespondierenden Halteklammern HK ausgestattet. An den Tragbügeln TB ist das Gehäuse G mit geringem Abstand zum jeweiligen Schweller S an diesem mittels Bolzenverbindungen B befestigt.
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Im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses wird der vom Aufprall betroffene Schweller S in Richtung auf das Gehäuse G beschleunigt. Aufgrund des geringen Abstandes im normalen Einbauzustand ist ein ungebremster Aufprall des Schwellers S auf die Seitenwand SW des Gehäuses G wahrscheinlich. Die mechanische Integrität des Gehäuses G und der innen aufgenommenen elektrischen Energiequelle EQ ist daher stark gefährdet.
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2 zeigt eine schematische, geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung 10 einer zur Traktion eines Elektrofahrzeugs dienenden elektrischen Energiequelle 38 in einem Einbauzustand in einer Schnittebene senkrecht zu einer Geradeaus-Fahrtrichtung 50 des Elektrofahrzeugs.
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Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 zur Aufnahme und Halterung der elektrischen Energiequelle 38 auf. Das Gehäuse 12 entspricht dem Gehäuse G gemäß der 1 und kann beispielsweise aus Stahlblech oder aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial (FKV) gefertigt sein. Die elektrische Energiequelle 38 kann wie zuvor als wiederaufladbarer Akkumulator („Hochleistungsbatterie“, „Traktionsbatterie“), etwa als Lithium-Ionen-Akkumulator, ausgebildet sein.
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Ferner beinhaltet die Befestigungsvorrichtung 10 ein im Einbauzustand oberhalb des Gehäuses 12 und quer zur Geradeaus-Fahrtrichtung 50 angeordnetes Querstrukturelement 18, das als Querträger ausgebildet ist. Der Querträger ist an beiden Enden mit Schwellern 40, 42 an Seiten des Elektrofahrzeugs wirkverbunden.
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Der Querträger weist in zwei in einer Richtung quer zur Geradeaus-Fahrtrichtung 50 zusammenhängenden Bereichen 20 eine geringere Festigkeit auf als ein Rest des Querträgers. Beispielsweise kann die geringere Festigkeit der beiden Bereiche 20 durch Auswahl einer geringeren Materialstärke hergestellt sein. Zusätzlich kann jeder der beiden Bereiche 20 mit geringerer Festigkeit auf einer dem Gehäuse 12 zugewandten Seite des Querträgers mit einer Sollbruchstelle 22 ausgestattet sein.
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Die elektrische Energiequelle 38 ist in dem Gehäuse 12 aufgenommen und gehaltert und in dem in der 2 dargestellten Einbauzustand unterhalb eines Fahrzeugbodens 48 zwischen den Schwellern 40, 42 des Elektrofahrzeugs mit geringem Abstand 16 zu dem jeweiligen Schweller 40, 42 angeordnet (4).
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Des Weiteren enthält die Befestigungsvorrichtung 10 eine Vielzahl von Befestigungselementen 24, 26 zur Befestigung des Gehäuses 12 an einer Karosserie des Elektrofahrzeugs, insbesondere zur Befestigung des Gehäuses 12 an den Schwellern 40, 42.
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Einzelheiten zu den Befestigungselementen 24, 26 können am besten aus 4 entnommen werden, in der exemplarisch ein Befestigungselement 26 der Vielzahl von Befestigungselementen 24, 26 der Befestigungsvorrichtung 10 gemäß der 2 in einer Detailansicht darstellt ist. Das im Folgenden zu dem Befestigungselement 26 gesagte gilt analog für das Befestigungselement 24.
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Jedes Befestigungselement 26 der Vielzahl von Befestigungselementen 24, 26 ist vollständig aus einem duktilen Material, beispielsweise aus Stahl mit einer hohen Zähigkeit, hergestellt und in Form eines Bandes mit im Wesentlichen gleichförmiger Breite (in 4 senkrecht zur Zeichenebene) ausgebildet. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die Befestigungselemente auch vollständig aus einem Material mit federelastischen Eigenschaften hergestellt sein.
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Jedes Befestigungselement 26 der Vielzahl von Befestigungselementen 24, 26 weist ein gehäuseseitiges Ende 28 zur Befestigung an einer Seitenwand 14 des Gehäuses 12 auf. Das gehäuseseitige Ende 28 ist dabei gradlinig ausgebildet, befindet sich im Einbauzustand in paralleler Anlage zu einer Seitenwand 14 des Gehäuses 12 und ist mit dieser direkt fest verbunden, beispielsweise mittels einer Schraub- oder Bolzenverbindung 30.
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Jedes Befestigungselement 26 der Vielzahl von Befestigungselementen 24, 26 weist ein schwellerseitiges Ende 32 zur Befestigung an einem der Schweller 42 auf. Das schwellerseitige Ende 32 ist dabei ebenfalls gradlinig ausgebildet, befindet sich im Einbauzustand teilweise in paralleler Anlage zu einem fest an dem Schweller 42 angebrachten Rechteckprofil 44 und ist mit diesem fest verbunden, beispielsweise mittels einer Schraub- oder Bolzenverbindung 34.
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Eine Position der Befestigung des schwellerseitigen Endes 32 jedes der Befestigungselemente 24, 26 ist im Einbauzustand oberhalb einer Befestigungsstelle des gehäuseseitigen Endes 28 des entsprechenden Befestigungselementes 24, 26 angeordnet.
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In dem in der 4 dargestellten Einbauzustand weist jedes der Befestigungselemente 26 der Vielzahl von Befestigungselementen 24, 26 in einer senkrecht zu der Geradeaus-Fahrtrichtung 50 des Elektrofahrzeugs angeordneten, gedachten Ebene, die mit der Zeichenebene der 4 übereinstimmt, zwischen dem gehäuseseitigen Ende 28 und dem schwellerseitigen Ende 32 einen gekrümmten Verlauf mit einem Wendepunkt 36 auf. Der Verlauf in der gedachten Ebene ist in einer S-Form ausgebildet, wobei ein gehäuseseitiger Bogen der S-Form nach oben konvex und ein schwellerseitiger Bogen der S-Form nach oben konkav angeordnet ist.
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3 zeigt die Befestigungsvorrichtung 10 gemäß der 2 in derselben Ansicht im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses (A), durch das in einem der Schweller eine Kraft 52 eingeleitet wird. Die Höhe der Kraft 52 führt zu einer Verformung des Schwellers 40, der in Richtung auf das Gehäuse 12 bewegt wird (B). Aufgrund der Ausgestaltung der Befestigungselemente 24, 26 der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung 10 können das Gehäuse 12 und die darin aufgenommene elektrische Energiequelle 38 eine seitliche Ausgleichsbewegung ausführen (C); gleichzeitig wird durch das Befestigungselement 24 bereits in der entsprechenden Seitenwand 14 des Gehäuses 12 eine nach unten gerichtete Kraft erzeugt, die das Gehäuse 12 nach unten bewegen will. Die in den betroffenen Schweller 40 eingeleitete Kraft 52 wird in den Querträger weitergeleitet. Bei Überschreitung einer vorbestimmten Kraft wird einer der Bereiche 20 des Querträgers mit der geringeren Festigkeit zuerst deformiert. Die in diesem Bereich 20 auf der dem Gehäuse 12 zugewandten Seite angeordnete Sollbruchstelle 22 bewirkt bei Erreichen eines vorbestimmten Grades der Deformierung eine Bruchstelle (D), durch die eine zusätzliche, nach unten gerichtete Kraft 54 auf das Gehäuse 12 ausgeübt wird. Das Gehäuse 12 wird aus dem Pfad der Krafteinleitung herausbewegt und ist dadurch weder von einer Kraft noch von einem Drehmoment belastet.
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Das dem betroffenen Schweller 40 zugewandte Befestigungselement 24 wird durch die Bewegung des Gehäuses 12 gestreckt, und das dem betroffenen Schweller 40 jenseits des Gehäuses 12 gegenüberliegende Befestigungselement 26 wird durch die Bewegung des Gehäuses 12 gestaucht. Das Gehäuse 12 und die darin aufgenommene elektrische Energiequelle 38 sind gleichwohl durch die Vielzahl von Befestigungselementen 24, 26 sicher und zuverlässig gehalten.
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5 zeigt eine alternative Befestigung des exemplarischen Befestigungselements 26 der Befestigungsvorrichtung 10 gemäß der 2 in einer Detailansicht. Gegenüber der exemplarisch gezeigten Anordnung des Befestigungselements 26 gemäß der 4 ist das Befestigungselement 26 in der Anordnung gemäß der 5 zunächst um eine Achse parallel zur Geradeaus-Fahrtrichtung 50 um 90° und anschließend in der Vertikalen um 180° gedreht.
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Das gehäuseseitige Ende 28 des Befestigungselements 26 befindet sich im Einbauzustand in paralleler Anlage zu einem unteren Schenkel einer L-förmigen Profilschiene 46, die mit dem senkrechten Teil der L-Form fest mit der Seitenwand 14 des Gehäuses 12 verbunden ist. Das gehäuseseitige Ende 28 des Befestigungselements 26 ist mit der L-förmigen Profilschiene 46 fest verbunden, beispielsweise mittels einer Schraub- oder Bolzenverbindung 30.
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Das schwellerseitige Ende 32 des Befestigungselements 26 befindet sich im Einbauzustand teilweise in paralleler Anlage mit einer Unterseite des fest an dem Schweller 42 angebrachten Rechteckprofils 44 und ist mit diesem fest verbunden, beispielsweise mittels einer Schraub- oder Bolzenverbindung 34. Der gehäuseseitige Bogen der S-Form ist nach außen konvex und der schwellerseitige Bogen der S-Form nach außen konkav angeordnet.
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Die Funktion der Befestigungselemente 26 in der alternativen Befestigungsweise im Falle eines seitlichen Aufprallereignisses entspricht der zuvor gegebenen Beschreibung. Auch in dieser Anordnung wird durch Einleiten einer Kraft 52 in den betroffenen Schweller 40 durch das Befestigungselement 26 in der entsprechenden Seitenwand 14 des Gehäuses 12 eine nach unten gerichtete Kraft erzeugt , die das Gehäuse 12 nach unten bewegen will und bei Entstehung der Bruchstelle in dem Bereich 20 des Querträgers (3) mit der geringeren Festigkeit dazu beiträgt, das Gehäuse 12 und die darin aufgenommene elektrische Energiequelle 38 aus dem Pfad der Krafteinleitung herauszubewegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Befestigungsvorrichtung
- 12
- Gehäuse
- 14
- Seitenwand
- 16
- Abstand
- 18
- Querstrukturelement
- 20
- Bereich geringerer Festigkeit
- 22
- Sollbruchstelle
- 24
- Befestigungselement
- 26
- Befestigungselement
- 28
- gehäuseseitiges Ende
- 30
- Schraub- oder Bolzenverbindung
- 32
- schwellerseitiges Ende
- 34
- Schraub- oder Bolzenverbindung
- 36
- Wendepunkt
- 38
- elektrische Energiequelle
- 40
- Schweller
- 42
- Schweller
- 44
- Rechteckprofil
- 46
- Profilschiene
- 48
- Fahrzeugboden
- 50
- Geradeaus-Fahrtrichtung
- 52
- Kraft (seitlich)
- 54
- Kraft (nach unten)
- B
- Bolzenverbindung
- EQ
- elektrische Energiequelle
- FB
- Fahrzeugboden
- G
- Gehäuse
- GF
- Geradeaus-Fahrtrichtung
- HK
- Halteklammer
- S
- Schweller
- S
- Schweller
- SW
- Seitenwand
- TB
- Tragbügel
