DE102020203961A1

DE102020203961A1 - Batterieträger für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges sowie Kraftfahrzeug mit einem solchen Batterieträger

Info

Publication number: DE102020203961A1
Application number: DE102020203961.5A
Authority: DE
Inventors: Jakob Hennig; Andreas Lemke; Frank Wesche; Henning Volkmar; Onur Misir; Marcus Klink
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Batterieträger für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges (10) mit einem Haupt-Aufnahmeraum (16) für Batteriezellen (30), der eine Gesamtlänge L und eine maximale Breite B aufweist, wobei der Haupt-Aufnahmeraum (16) zumindest im Bereich einer Crashseite hinsichtlich seiner Breite B verjüngt ausgebildet ist und sich in dem verjüngten Bereich nur über eine reduzierte Breite b erstreckt, wobei an den verjüngten Bereich des Haupt-Aufnahmeraums (16) angrenzend mindestens eine Crashstruktur (18, 20) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Batterieträger für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Explizit verwiesen wird an dieser Stelle auch auf Kraftfahrzeuge mit einem solchen Batterieträger, insbesondere einem Batterieträger mit Batteriezellen einer Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug, welche elektrische Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeuges bereitstellt.
Der Anteil elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge steigt zunehmend. Elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge (Elektrokraftfahrzeuge) weisen in der Regel Akkumulatoren auf, welche die für den elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs benötigte Energie elektrisch speichern und bereitstellen. Dazu werden üblicherweise mehrere Akkumulatoren, die auch Batteriemodule genannt werden, zu mindestens einer Traktionsbatterie verschaltet. Aufgrund des großen Volumens und des meist hohen Gewichts der Batteriemodule werden diese möglichst tief in Kraftfahrzeugen angeordnet.
Aus DE 10 2017 102 699 A1 ist ein Batterieträger in Form einer Wanne bekannt, die als tiefgezogenes Stahlblechumformbauteil mit lokal gehärteten Lastpfaden und/oder mit Anbindungsstellen für in der Wanne angebrachte Streben ausgeführt ist. In der Wanne sind eine Längsstrebe und mehrere Querstreben angeordnet, um eine hohe Steifigkeit mit Lastpfaden in Fahrzeugquerrichtung und in Kraftfahrzeuglängsrichtung bereitzustellen. Es sind auch verschiedene Ausführungsformen beschrieben, bei denen ein in Fahrzeuglängsrichtung vor dem vordersten Querträger angeordneter vorderer Abschnitt der Wanne, der sich über die gesamte Breite des Batterieträgers erstreckt, als Crashabschnitt duktil ausgestaltet ist, um von vorne in Richtung Batterieträger einwirkende kinetische Energie durch plastische Deformation - insbesondere nach Art einer Crashbox - in Verformungsenergie umzuwandeln. In diesem Fall geht relativ viel Volumen für die Anordnung von Batteriezellen für die Crashbox verloren. Ferner können - insbesondere bei Crashszenarien mit nur teilweiser Überdeckung - trotz Crashbox die in dem Batterieträger angeordneten Batteriezellen beschädigt werden, was zu einem vollständigen Ausfall einer Traktionsbatterie führen kann.
Es hat sich ferner gezeigt, dass aus der Praxis bekannte Kraftfahrzeuge mit Traktionsbatterien mit dem Nachteil verbunden sein können, dass diese bei bestimmten Crashszenarien zu einer unerwünscht hohen negativen Beschleunigung führen, insbesondere bei Crashtests mit Hindernissen, die nur eine teilweise Überdeckung mit dem Kraftfahrzeug aufweisen. Die negative Beschleunigung resultiert in solchen Fällen insbesondere daraus, dass das Kraftfahrzeug an dem Hindernis mit teilweiser Überdeckung zurückgehalten wird und somit „hängenbleibt“.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Batterieträger für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batterieträger zur Verfügung zu stellen, welche hinsichtlich Ihres Crashverhaltens, insbesondere bei Crashszenarien mit Hindernissen, die nur eine teilweise Überdeckung zu dem Kraftfahrzeug aufweisen, in Bezug auf die vorstehend genannten Probleme weiter verbessert sind, d.h. vorzugweise sollen die Batteriezellen einer Traktionsbatterie vor Beschädigung gut geschützt sein und/oder das beschriebene Hängenbleiben an dem Hindernis soll vermieden werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer Batterieträger für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges weist einen Haupt-Aufnahmeraum für Batteriezellen auf, der eine Gesamtlänge L und eine maximale Breite B aufweist. Dabei ist der Haupt-Aufnahmeraum zumindest im Bereich einer Crashseite hinsichtlich seiner Breite verjüngt ausgebildet und erstreckt sich in dem verjüngten Bereich nur über eine reduzierte Breite b. Ferner ist an den verjüngten Bereich des Haupt-Aufnahmeraums angrenzend mindestens eine Crashstruktur vorgesehen. Mit dem Begriff „vorgesehen“ ist dabei insbesondere eine einstückige Ausbildung der Crashstruktur an dem Haupt-Aufnahmeraum oder die Anordnung eines separaten Elements gemeint.
Als Crashseite des Haupt-Aufnahmeraums ist insbesondere eine in Einbaulage in einem Kraftfahrzeug in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) der Kraftfahrzeuges nach vorne orientierte Seite des Haupt-Aufnahmeraums vorgesehen. Dabei kann der Haupt-Aufnahmeraum aus einem einzigen großvolumigen Stauraum bestehen oder aus einer Vielzahl von Teil-Aufnahmeräumen für die Anordnung von an die Aufnahmeräume angepassten Batteriemodulen, die üblicherweise aus zusammen geschalteten Batteriezellen bestehen und quaderförmig oder anders geformt als Standardelemente von Fahrzeugherstellern existieren.
Teil-Aufnahmeräume können dabei insbesondere mittels Querträgern und/oder Längsträgern gebildet werden, die sich vollständig oder teilweise durch den Haupt-Aufnahmeraum erstrecken. So kann - insbesondere wenn sich vollständig in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) und/oder in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) erstreckende Längsträger und/oder Querträger vorgesehen sind - zusätzlich die Steifigkeit des Haupt-Aufnahmeraums erhöht sein. Dazu können alternativ oder in Ergänzung als Lastpfade ausgelegte Steifigkeitsstrukturen beliebiger Form sich durch den Haupt-Aufnahmeraum erstreckend vorgesehen sein, beispielsweise fachwerkstrukturartige Steifigkeitsstrukturen.
Steifigkeitsstrukturen, insbesondere wie vorstehend beschriebene, können auch in einer Crashstruktur oder mehreren Crashstrukturen erfindungsgemäßer Batterieträger vorgesehen sein. Vorteilhaft ist in diesem Fall, dass Aufprallenergie auch über den Batterieträger und insbesondere über die daran angeordneten Crashstrukturen abgebaut werden kann, so dass die Crashstrukturen konstruktiv als Crashlasten aufnehmende Strukturen ausgebildet und ausgelegt sind.
Als Crashstruktur im Sinne der Erfindung werden insbesondere solche Strukturen angesehen, die unmittelbar angrenzend an die mindestens eine Verjüngung angeordnet sind und gegenüber dem Haupt-Aufnahmeraum konstruktiv derart gestaltet sind, dass die Crashstruktur eine geringere Steifigkeit aufweist als der Haupt-Aufnahmeraum, d.h. dass sich im Falle eines Crashs mit auf die Crashstruktur einwirkenden Kräften zunächst die Crashstruktur plastisch verformt, während der Haupt-Aufnahmeraum sich nicht oder nur unwesentlich plastisch verformt, und/oder dass eine Crashstruktur derart gegenüber dem Haupt-Aufnahmeraum angeordnet ist, dass sich die mindestens eine Crashstruktur gegenüber dem Haupt-Aufnahmeraum relativ derart bewegen lässt, dass Aufprallenergie aufgrund der Relativbewegung von einer ausschließlich oder überwiegend in Längsrichtung orientierten Richtung mehr in Querrichtung umgelenkt wird. Dazu gibt es unterschiedliche konstruktive Möglichkeiten, die auch miteinander kombinierbar sind. Auf diese wird im Folgenden im Detail eingegangen.
Zusammengefasst ist ein Batterieträger konstruktiv vorzugsweise so gestaltet, dass er in Fahrzeuglängsrichtung auf den Batterieträger einwirkende Aufprallkräfte, insbesondere wenn diese außermittig, d.h. vor allem außerhalb einer Haupt-Crashzone, auf den Batterieträger einwirken, sicher aufgrund der Gestaltung von Batterieträger und einer Crashstruktur oder mehreren Crashstrukturen seitlich an dem Haupt-Aufnahmeraum vorbeigelenkt werden. So können sowohl das eingangs beschriebene Hängenbleiben sowie eine unerwünschte Schädigung von in dem Haupt-Aufnahmeraum angeordneten Batteriezellen vermieden werden.
Vorzugsweise ist die Verjüngung des Haupt-Aufnahmeraums beidseitig rechts und links einer Haupt-Crashzone ausgebildet. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass lineare, pfeilförmige aufeinander zulaufende Schrägflächen an dem Haupt-Aufnahmeraum vorgesehen sind. Vorzugsweise sind die Schrägflächen in diesem Fall über einen sich in Querrichtung erstreckenden Verbindungsabschnitt miteinander verbunden und zueinander beabstandet.
In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterieträgers ist der Batterieträger mittelbar oder unmittelbar mit mindestens zwei, sich in Längsrichtung erstreckenden Längsträgern verbunden, und es ist jeweils mindestens eine Crashstruktur außenseitig der Längsträger an den Haupt-Aufnahmeraum angrenzend angeordnet. Der Bereich zwischen den Längsträgern kann in diesem Fall als Haupt-Crashzone bezeichnet werden. Ein wie vorstehend erwähnter Verbindungsabschnitt erstreckt sich in diesem Fall vorzugsweise weitestgehend oder vollständig über die Haupt-Crashzone. Die Crashstrukturen sind vorzugsweise sich unmittelbar oder beabstandet zu der Haupt-Crashzone außenseitig an die Längsträger anschließend angeordnet. In diesem Fall können die Crashstrukturen selbst und deren Anbindung an den Haupt-Aufnahmeraum besonders gut an Crashszenarien mit nur teilweiser Überdeckung angepasst werden, bei denen über die Haupt-Crashzone keine Energie oder nur unwesentliche Anteile der Energie des Crashs absorbiert werden.
Die im Folgenden beschriebenen Varianten a) und b), welche auch miteinander kombinierbar sind, sind insoweit besonders geeignete konstruktive Lösungen, als die Erfindungsidee damit relativ einfach und kostengünstig umsetzbar ist. Bei einem solchen erfindungsgemäßen Batterieträger ist die mindestens eine Crashstruktur entweder gemäß Variante

a) als Scherabschnitt derart an dem Haupt-Aufnahmeraum ausgebildet oder angeordnet, dass bei Einwirkung einer in Längsrichtung auf die Crashstruktur wirkenden Sollkraft ein Abscheren der Crashstruktur von dem Haupt-Aufnahmeraum bewirkt wird

b) als Deformationsabschnitt derart an dem Haupt-Aufnahmeraum ausgebildet oder angeordnet, dass bei Einwirkung von in Längsrichtung auf die Crashstruktur wirkenden Sollkraft eine plastische Soll-Deformation der Crashstruktur derart bewirkt wird, dass mittels der deformierten Crashstruktur in Längsrichtung auf diese deformierte Crashstruktur wirkende Kräfte zumindest teilweise in Querrichtung nach außen gerichtete Reaktionskräfte bewirkt werden.

Mit anderen Worten ist es gemäß Variante a) vorgesehen, dass die Crashstruktur aufgrund ihrer konstruktiven Anbindung an den Haupt-Aufnahmeraum - frei oder geführt - relativbeweglich sein soll, sobald eine bestimmte Sollkraft überschritten wird. Dabei kann die Sollkraft beispielsweise dadurch definiert sein, dass stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindungen so ausgelegt sind, dass diese bei Überschreiten der Sollkraft eine Relativbewegung ermöglichen, entweder indem die Verbindung vollständig versagt oder indem die Klemmkraft überschritten wird und dadurch eine Relativverschiebung ermöglicht wird. In Bezug auf die Klemmkraft wird insbesondere auf die Möglichkeit verwiesen, eine Linearführung zwischen Haupt-Aufnahmeraum und Crashstruktur vorzusehen und mittels einer Klemmkraft die Relativbeweglichkeit zu unterbinden. Nur bei Überschreitung der Klemmkraft können sich die Elemente dann relativ zueinander verschieben. Dabei kann die Verschiebung irreversibel vorgesehen sein, oder es kann alternativ auch eine Rückstellvorrichtung vorgesehen sein, welche die Relativverschiebung bei Wegfall der einwirkenden Kraft vollständig oder teilweise wieder rückgängig macht.
Bei der vorstehend erläuterten Variante b) des erfindungsgemäßen Batterieträgers weist die Crashstruktur eine Ablenkfläche auf, die derart angeordnet ist, dass diese Ablenkfläche bei plastischer Verformung der Crashstruktur mittels in Längsrichtung einwirkender Kräfte eine gegenüber der Querrichtung in eine nach außen gerichtete Ablenkstellung bewegt wird. Dabei ist die mindestens eine Crashstruktur vorzugsweise derart ausgelegt, dass die plastische Verformung konstruktionsbedingt begrenzt ist. Insbesondere ist dazu ein Lastpfad vorgesehen, oder sind mehrere Lastpfade vorgesehen, um einer weiteren Deformation nach Erreichen einer Maximaldeformation mit deutlich erhöhtem Widerstand entgegenzuwirken. Nur beispielhaft wird insoweit auf eine gelenkig oder gelenkartig angebundene Ablenkfläche verwiesen, die mittels eines Gelenks oder mittels einer Materialelastizität eine Soll-Bewegung und ggf. auch einen Soll-Ablenkwinkel der Ablenkfläche vorgibt. Auf Einzelheiten dazu wird in Verbindung mit der Figurenbeschreibung noch näher eingegangen. Vorteilhaft an dieser Variante ist, dass das Crash-Verhalten mit Hilfe der Ablenkfläche und deren konstruktionsbedingt vorgegebenen, nach außen gerichteten Ablenkstellung vordefiniert ist und auf bestimmte, in der Praxis häufig vorkommende Crashsituationen und ein gewünschtes Ablenkverhalten der Kraftfahrzeugs abgestimmt sein kann. Insbesondere kann die Ablenkfläche so orientiert und ausgelegt sein, dass ein Kraftfahrzeug in Crashsituationen mit nur geringer Hindernis-Überdeckung, insbesondere bei einer Überdeckung von 40 Prozent oder weniger, mittels der Ablenkfläche sicher an dem Hindernis vorbeigelenkt wird. In diesem Fall erstreckt sich die reduzierte Breite b des Haupt-Aufnahmeraums ebenfalls bevorzugt über einen Bereich von 0 bis 80 % der maximalen Breite B des Haupt-Aufnahmeraums, weiter bevorzugt 0 bis 60 % und besonders bevorzugt 0 bis 50 Prozent oder nur 0 bis 40 Prozent. Dabei ist der verjüngte Bereich vorzugsweise in Querrichtung zentriert ausgerichtet bzw. angeordnet, so dass die verbleibende Breite für die Crashstrukturen außenseitig des verjüngten Bereichs beidseitig gleich groß ist.
In einer bestimmten Ausprägung der Variante a), die vorstehend bereits allgemein erläutert wurde, sind der Haupt-Aufnahmeraum und/oder die mindestens eine Crashstruktur des erfindungsgemäßen Batterieträgers in Form von Wannen und/oder Rahmenkonstruktionen ausgebildet, wobei der Haupt-Aufnahmeraum und die mindestens eine Crashstruktur mittelbar und/oder unmittelbar über eine Linearführung mit einer ausreichend hohen Kraft formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform ist in der Praxis, insbesondere wenn eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen ist, besonders einfach und kostengünstig zu fertigen. Die Ausführungsformen mit Linearführung sind zwar in der Herstellung etwas kostenintensiver und aufwändiger, sind dafür aber mit dem Vorteil verbunden, dass auch bei Einwirkung relativ hoher Kräfte im Crashfall die Verbindung zwischen Haupt-Aufnahmeraum und Crashstruktur(en) beibehalten werden kann. Dies erleichtert eine spätere Reparatur, weil - insbesondere wenn es nicht zu signifikanten plastischen Verformungen gekommen ist, lediglich die korrekte Relativposition zwischen Haupt-Aufnahmeraum und Crashstruktur(en) wiederhergestellt werden muss.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterieträgers sind im Haupt-Aufnahmeraum und in der mindestens einen Crashstruktur Batteriezellen angeordnet, die mindestens teilweise miteinander zu einem Batteriesystem verschaltet sind. Die Verschaltung ist dabei insbesondere derart realisiert, dass eine hohe Kapazität einer Traktionsbatterie erzielt wird und/oder dass ein Fahrzeugsystem oder mehrere Fahrzeugsysteme - insbesondere ein Notfallsystem oder mehrere Notfallsysteme - des Kraftfahrzeugs redundant mit elektrischer Energie versorgt werden.
In Bezug auf die Erzielung einer hohen Kapazität sind die Batteriezellen im Haupt-Aufnahmeraum vorzugsweise mit den Batteriezellen aus einer Crashstruktur oder mehreren Crashstrukturen so zusammengeschaltet, dass sich die jeweiligen Kapazitäten aufaddieren.
In dem Haupt-Aufnahmeraum sind vorzugsweise Batteriezellen angeordnet, die zu einer Hochvolt-Batterie verschaltet sind, d.h. zu einer Batterie mit einer Spannung größer als 48 V, vorzugsweise größer als 100 V und weiter bevorzugt größer als 200 V. Aktuell übliche Hochvolt-Batterien weisen Spannungen auf, die zwischen 100 V und 400 V liegen, insbesondere 200 V bis 400 V. Von der Erfindung umfasst sind jedoch auch Batterien mit höheren Spannungen, insbesondere solche, deren Spannung zwischen 48 V und 1.000 V liegt, vorzugsweise zwischen 200 V und 1.000 V und besonders bevorzugt zwischen 300 V und 800 V oder zwischen 400 V und 800 V.
In den Crashstrukturen können ebenfalls Hochvolt-Batterien mit Spannungen wie oben genannt angeordnet sein oder alternativ auch Batteriezellen, die zu Batterien mit geringerer Spannung verschaltet sind, insbesondere mit Spannungen zwischen 6 V und 48 V.
In Bezug auf die Realisierung von redundanten Fahrzeugsystemen kann die Verschaltung insbesondere derart realisiert sein, dass ein oder mehrere Fahrzeugsysteme gleichzeitig mit den Batteriezellen aus zwei oder mehr Crashstrukturen derart verbunden sind, dass bei Ausfall einer Crashstruktur (z.B. weil diese in einem Crashfall funktionsunfähig geworden ist) eine weitere Energieversorgung mittels der Batteriezellen aus mindestens einer anderen Crashstruktur gewährleistet ist und aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, sind in dem zuletzt genannten Fall die Batteriezellen in dem Haupt-Aufnahmeraum und in mindestens einer Crashstruktur und/oder die Batteriezellen in zwei oder mehr Crashstrukturen derart verschaltet, dass das Ausfallen - insbesondere das crashbedingte Ausfallen - der Batteriezellen einer Crashstruktur oder des Haupt-Aufnahmeraums ein Weiternutzen der übrigen Batteriezellen für die gleiche Funktion sicherstellt. Diese Art der Schaltung der Batteriezellen in verschiedenen der Elemente Haupt-Aufnahmeraum und Crashstruktur(en) kann auch als Redundanzschaltung bezeichnet werden.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Batterieträger bei welchen die mindestens eine Crashstruktur oder die mehreren Crashstrukturen vom Aufnahmevolumen für Batteriezellen kleiner oder sogar deutlich kleiner sind als der Haupt-Aufnahmeraum. Beispielsweise kann das Aufnahmevolumen der Crashstrukturen maximal 20 Prozent des Volumens des Haupt-Aufnahmeraums betragen, weiter bevorzugt maximal 15 Prozent und besonders bevorzugt maximal 10 Prozent. Unabhängig von der Spannung der in dem Haupt-Aufnahmeraum und in den Crashstrukturen angeordneten und zu Batterien verschalteten Batteriezellen ergibt sich bei den wie vorstehend beschriebenen Volumenverhältnissen eine Hauptbatterie mit verhältnismäßig großer Kapazität in dem Haupt-Aufnahmeraum sowie Nebenbatterien mit geringerer Kapazität in der einen Crashstruktur oder in den mehreren Crashstrukturen. Dabei können in den Haupt-Aufnahmeraum und in den Crashstrukturen auch unterschiedliche Zelltypen eingesetzt werden.
Insbesondere in wie vorstehend beschriebenen Fällen - und weiter bevorzugt in Fällen, in denen die Crashstruktur als Deformationsabschnitt für eine plastische Verformung ausgebildet ist - sind als Batteriezellen eine Mehrzahl von Großzellen und/oder ellipsoidischen Zellen und/oder prismatischen Zellen vorgesehen, insbesondere solche, deren Einzel-Zellspannung kleiner als 5 V ist. Von dem Begriff „ellipsoid“ sind in diesem Zusammenhang auch Rundzellen mit kreisförmiger Querschnittsform umfasst, insbesondere zylindrisch geformte Zellen. Die genannten Zelltypen weisen im Vergleich zu anderen Zelltypen eine besonders hohe Robustheit gegenüber plastischer Verformung auf. Insoweit sind Batteriezellen mit solchen Zelltypen für die vorstehend beschriebenen Anwendungsfälle bevorzugt.
Schließlich wird noch auf die Möglichkeit verwiesen, dass in einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterieträgers eine funktionale Verbindung zwischen dem Haupt-Aufnahmeraum und der mindestens einen Crashstruktur mittels einer aktiven Auslösevorrichtung und einem mit dieser gekoppelten Beschleunigungssensor vorgesehen ist, um ein Lösen der Verbindung zu unterstützen oder zu bewirken. Damit ist insbesondere die Möglichkeit gemeint, ähnlich wie bei der Auslösung eines Airbags einen Crashfall anhand einer gemessenen Fahrzeugverzögerung mittels eines Beschleunigungssensors zu detektieren und, insbesondere wenn es sich um einen Aufprall mit nur teilweiser Fahrzeugüberdeckung in Fahrzeugquerrichtung handelt, auf der Crashseite eine oder mehrere Crashstrukturen aktiv in eine Soll-Position zu verfahren, mittels welcher die Fahrzeugsicherheit hinsichtlich einer potentiellen Schädigung der Karosserie oder hinsichtlich der Erhaltung der Gesundheit von Fahrzeuginsassen verbessert wird. Dazu können beliebige aktive Auslösevorrichtungen vorgesehen sein, insbesondere pneumatische, pyrotechnische, elektrische oder hydraulische Auslösevorrichtungen. Von dem Begriff Auslösevorrichtung sollen auch Antriebsvorrichtungen umfasst sein, mittels welchen in einem Crashfall ein gezieltes Verfahren einer Crashstruktur in einer Soll-Position bewirkt werden kann.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 ein Kraftfahrzeug mit einem nur in 2 erkennbaren erfindungsgemäßen Batterieträger vor einem Crash mit teilweiser Überdeckung in einer Ansicht von oben, 2 das Kraftfahrzeug aus 1 während des Crashs in einer Ansicht von oben,
3 Darstellungen nur des Batterieträgers des Kraftfahrzeuges aus den 1 und 2 vor dem Crash in einer Ansicht a) von oben und in einer Ansicht b) von der Seite,
4 Darstellungen des Batterieträgers aus 3 während des Crashs in einer Ansicht a) von oben und in einer Ansicht b) von der Seite,
5 Darstellungen einer anderen Ausführungsform eines Batterieträgers vor einem Crash in einer Ansicht a) von oben und in einer Ansicht b) von der Seite,
6 Darstellungen des Batterieträgers aus 5 während des Crashs in einer Ansicht a) von oben und in einer Ansicht b) von der Seite,
7 vergrößerte Darstellungen einer Crashstruktur des Batterieträgers aus den 5 und 6 vor einem Crash in einer Ansicht a) von oben und in einer Ansicht b) von der Seite,
8 vergrößerte Darstellungen einer Crashstruktur des Batterieträgers aus den 5 und 6 während eines Crashs in einer Ansicht a) von oben und in einer Ansicht b) von der Seite,
9 vergrößerte Darstellungen einer Crashstruktur einer weiteren Ausführungsform eines Batterieträgers vor einem Crash in einer Ansicht von oben und
10 vergrößerte Darstellungen der Crashstruktur des Batterieträgers aus 9 während eines Crashs in einer Ansicht von oben.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, welche sich in Richtung der mit dem Pfeil F gekennzeichneten Fahrtrichtung auf ein Hindernis 12 zu bewegt. Wie aus 1 ersichtlich ist, handelt es sich bei der bevorstehenden Kollision mit dem Hindernis 12 um einen Crash(test), bei welchem das Kraftfahrzeug 10 in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) betrachtet nur eine Überdeckung von maximal 40 Prozent mit dem Hindernis 12 aufweist. Das Hindernis 12 kollidiert bei Weiterfahrt des Kraftfahrzeuges 10 insoweit nur mit einem Teil der linken Fahrzeughälfte. Die maximal 40 Prozent Überdeckung sind in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch zu verstehen. Die Erfindung betrifft ebenfalls Kollisionsfälle mit anderen Überdeckungswerten, insbesondere mit geringerer Überdeckung von beispielsweise 20 Prozent, 25 Prozent, 30 Prozent oder anderen Werten, insbesondere Werten zwischen 0 und 40 Prozent oder zwischen den oben genannten Werten.
2 zeigt das Kraftfahrzeug 10 aus 1 mit einem innerhalb des Kraftfahrzeuges 10 angeordneten - hier isoliert dargestellten - erfindungsgemäßen Batterieträger 14 während eines Crashs mit dem Hindernis 12. Der Batterieträger 14 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine insgesamt rechteckige Grundform auf und ist gebildet durch einen Haupt-Aufnahmeraum 16, eine ein Fahrtrichtung F betrachtet rechte Crashstruktur 18 und eine in Fahrtrichtung F betrachtet linke Crashstruktur 20.
In den 3 und 4 ist der Batterieträger 14 aus 2 mit einem damit verbundenen rechten Längsträger 22 und einem damit verbundenen linken Längsträger 24 dargestellt, wobei 3 den Batterieträger 14 vor dem Crash von oben (3 a)) und von der Seite (3 b)) zeigt und 4 den Batterieträger 14 nach dem Crash von oben (4 a)) und von der Seite (4 b)) zeigt.
Wie sich aus einer Zusammenschau der 2 bis 4 ergibt, handelt es sich bei den Crashstrukturen 18, 20 um solche, die gemäß der vorstehend beschriebenen Variante a) als Scherabschnitte derart an dem Haupt-Aufnahmeraum 16 angeordnet sind, dass bei Einwirkung einer in Längsrichtung auf die Crashstrukturen 18, 20 wirkenden Mindestkraft ein Abscheren der entsprechenden Crashstruktur, hier der linken Crashstruktur 20, von dem Haupt-Aufnahmeraum 16 bewirkt wird.
Im vorliegenden Fall ist eine - nur schematisch dargestellte - Linearführung 28 vorgesehen, welche bewirkt, dass sich die auf Seiten des Hindernisses 12 befindliche Crashstruktur 20 in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) nach hinten und in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) nach außen linear relativbewegt und somit linear verschoben wird, wenn die einwirkende Kraft die Sollkraft der Verbindung zwischen Crashstruktur 20 und Haupt-Aufnahmeraum 16 übersteigt. Dadurch wird ein Vorbeigleiten des Kraftfahrzeuges 10 - wie durch den Pfeil F in 2 angedeutet - an dem Hindernis 12 unterstützt und insbesondere sichergestellt, dass sich das Kraftfahrzeug 10 nicht mit dem Hindernis 12 verhakt und es so zur Einwirkung hoher Verzögerungskräfte auf Insassen kommt, welche die Gesundheit und das Leben der Insassen bedrohen könnten.
In den 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterieträgers 16 gezeigt, wobei in den 7 und 8 vergrößerte Teilabschnitte dieses Batterieträgers 16 dargestellt sind.
In den 9 und 10 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterieträgers 16 gezeigt, wobei zur Visualisierung dieser Ausführungsform nur die Teilabschnitte analog zu den 7 und 8 dargestellt sind.
Bei allen Ausführungsformen werden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei der ersten Ausführungsform.
Wie sich aus einer Zusammenschau der 5 bis 8 ergibt, handelt es sich bei den Crashstrukturen 18, 20 der zweiten Ausführungsform um solche, die gemäß der vorstehend beschriebenen Variante b) als Deformationsabschnitte derart an dem Haupt-Aufnahmeraum 16 angeordnet sind, dass bei Einwirkung der von in Längsrichtung auf die Crashstruktur 18, 20 wirkenden Sollkraft eine plastische Soll-Deformation der Crashstruktur 18, 20 derart bewirkt wird, dass mittels der deformierten Crashstruktur 18, 20 in Längsrichtung auf diese deformierte Crashstruktur 18, 20 wirkende Kräfte zumindest teilweise in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) nach außen gerichtete Reaktionskräfte bewirkt werden. Dies wird nachfolgend im Beispiel der linken Crashstruktur 20 in Verbindung mit den 5 bis 8 beschrieben. Die rechte Crashstruktur 18 ist spiegelsymmetrisch dazu ausgebildet und funktioniert analog.
Vorderseitig, d.h. auf der in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) betrachtet nach vorne orientierten Seite, ist an der Crashstruktur 20 eine - hier als ebene Fläche ausgebildete - Ablenkfläche 26 vorgesehen, die bei in Längsrichtung auf die Crashstruktur 20 wirkenden Kräften um ein schematisch dargestelltes Gelenk 32 nach hinten verschwenkt. Dadurch ergibt sich eine in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) und in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) orientierte Crash-Stellung, die in den 6 a) und 8 a) gut erkennbar ist und ein Vorbeilenken des Kraftfahrzeugs 10 an dem Hindernis 12 unterstützt. Bei der in den 5 bis 8 gezeigten Ausführungsform ergibt sich die Crash-Stellung der Ablenkfläche 26 aus dem Betrag der Aufprallkraft A und der daraus resultierenden Verschiebung und Verformung der Ablenkfläche 26, die zum einen von der Auslegung der Steifigkeit der Crashstruktur 20 und von der Anzahl und dem Typ der in der Crashstruktur 20 angeordneten Batteriezellen 30 abhängt. Wie aus den 7 und 8 ersichtlich, sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Batteriezellen 30 Rundzellen in den Crashstrukturen 18, 20 angeordnet, die sich verschieben und auch bedingt komprimieren lassen, ohne dass die Zellen dadurch ihre Funktionsfähigkeit verlieren. Um das in den 6 a) und 8 a) gezeigte Verschwenken der Ablenkfläche 26 zu unterstützen und außenseitig ein unkontrolliertes Versagen der Crashstrukturen 18, 20 zu vermeiden, kann die Ablenkfläche 26 außenseitig linear geführt oder an einem teleskopartig ausgebildeten Außenabschnitt angebunden sein (beides nicht dargestellt).
In den 9 und 10 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterieträgers 10 gezeigt. Diese entspricht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform, unterscheidet sich jedoch darin, dass ein Anschlagelement 34 für die Ablenkfläche 26 in Form einer Versteifungsstruktur außenseitig der Crashstruktur 20 vorgesehen ist. Diese führt dazu, dass die Ablenkfläche 26 nach Verschwenken in die in 10 gezeigte Stellung von dem Anschlagelement 34 an einem weiteren Verschwenken gehindert wird und in dieser Stellung verbleibt. Dadurch kann zum einen die seitliche Ablenkung des Kraftfahrzeuges 10 im Crashfall gezielt gesteuert und optimiert werden, indem der Winkel mittels des Anschlagelements 34 vorgegeben wird. Zum anderen können so die auf die in der Crashstruktur 20 angeordneten Batteriezellen 30 wirkenden Maximalkräfte ausgelegt werden, so dass einem kompressionsbedingten Ausfallen der Batteriezellen 30 entgegengewirkt werden kann.
Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung eines wie in den 9 und 10 gezeigten Anschlagelements 34 beispielhaft zu verstehen ist. Ein solches Anschlagelement 34 kann auch innerhalb einer Crashstruktur 18, 20 vorgesehen sein. Ebenso können mehrere solche Anschlagelemente 34 vorgesehen sein, und die Anschlagelemente 34 können auch geometrisch anders gestaltet sein, beispielsweise als sich ausschließlich oder auch in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) erstreckende Anschlagelemente 34 oder als Fachwerkstrukturen mit einer Anschlagebene, welche bewirkt, dass die Ablenkfläche 26 im Crashfall eine Soll-Winkelstellung wie in 10 einnimmt, deren Winkel abhängig vom Kraftfahrzeug 10 so ausgelegt werden kann, dass ein Vorbeilenken wie in 2 gezeigt maximal unterstützt wird.
In allen beschriebenen Ausführungsformen weisen die Crashstrukturen 18, 20 eine dreieckige Grundform auf. Sie können in der Praxis alternativ auch eine andere Geometrie aufweisen. Da die Crashstrukturen 18, 20 unabhängig von der Ausführungsform crashbedingt dazu ausgelegt sind, sich als Ganzes oder zumindest im Bereich der Vorderseite (Ablenkfläche 26) relativ zu dem Haupt-Aufnahmeraum 16 zu verschieben und im Bereich der vorderen Außenseiten (Ecken) des Batterieträgers 16 angeordnet sind, können diese auch als „Crash-Ecken“ angesehen und bezeichnet werden.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Insoweit wird insbesondere noch einmal darauf verwiesen, dass anstelle von Gelenken 32 auch elastisch und/oder plastisch verformbare Umlenkgeometrien vorgesehen sein können. Ferner wird klargestellt, dass es nicht zwingend erforderlich ist, dass Ablenkflächen 26 vor oder nach einem Crash als ebene Fläche vorliegen müssen. Die Ablenkflächen 26 können alternativ auch eine gekrümmte Geometrie aufweisen oder nach einem Crash als gekrümmte Flächen vorliegen.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Hindernis
14: Batterieträger
16: Haupt-Aufnahmeraum
18: rechte Crashstruktur
20: linke Crashstruktur
22: rechter Längsträger
24: linker Längsträger
26: Ablenkfläche
28: Linearführung
30: Batteriezelle
32: Gelenk
34: Anschlagelement
F: Pfeil (Fahrtrichtung)
A: Aufprall kraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017102699 A1 [0003]

Claims

Batterieträger für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges (10) mit einem Haupt-Aufnahmeraum (16) für Batteriezellen (30), der eine Gesamtlänge L und eine maximale Breite B aufweist, wobei der Haupt-Aufnahmeraum (16) zumindest im Bereich einer Crashseite hinsichtlich seiner Breite B verjüngt ausgebildet ist und sich in dem verjüngten Bereich nur über eine reduzierte Breite b erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass an den verjüngten Bereich des Haupt-Aufnahmeraums (16) angrenzend mindestens eine Crashstruktur (18, 20) vorgesehen ist.
Batterieträger nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterieträger (14) mittelbar oder unmittelbar mit mindestens zwei, sich in Längsrichtung erstreckenden Längsträgern (22, 24) verbunden ist und jeweils mindestens eine Crashstruktur (18, 20) außenseitig der Längsträger (22, 24) an den Haupt-Aufnahmeraum (16) angrenzend angeordnet ist.
Batterieträger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Crashstruktur (18, 20) entweder a) als Scherabschnitt derart an dem Haupt-Aufnahmeraum (16) ausgebildet oder angeordnet ist, dass bei Einwirkung einer in Längsrichtung auf die Crashstruktur (18, 20) wirkenden Sollkraft ein Abscheren der Crashstruktur (18, 20) von dem Haupt-Aufnahmeraum (16) bewirkt wird und/oder b) als Deformationsabschnitt derart an dem Haupt-Aufnahmeraum (16) ausgebildet oder angeordnet ist, dass bei Einwirkung von in Längsrichtung auf die Crashstruktur (18, 20) wirkenden Sollkraft eine plastische Soll-Deformation der Crashstruktur (18, 20) derart bewirkt wird, dass mittels der deformierten Crashstruktur (18, 20) in Längsrichtung auf diese deformierte Crashstruktur (18, 20) wirkende Kräfte zumindest teilweise in Querrichtung nach außen gerichtete Reaktionskräfte bewirkt werden.
Batterieträger nach Variante b) des vorstehenden Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass die Crashstruktur (18, 20) eine Ablenkfläche (26) aufweist, die derart angeordnet ist, dass diese Ablenkfläche (26) bei plastischer Verformung der Crashstruktur (18, 20) mittels in Längsrichtung einwirkender Kräfte eine gegenüber der Querrichtung in eine nach außen gerichtete Ablenkstellung bewegt wird.
Batterieträger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-Aufnahmeraum (16) und/oder die mindestens eine Crashstruktur (18, 20) in Form von Wannen und/oder Rahmenkonstruktionen ausgebildet sind, wobei der Haupt-Aufnahmeraum (16) und die mindestens eine Crashstruktur (18, 20) mittelbar und/oder unmittelbar über eine Linearführung mit einer ausreichend hohen Kraft formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Batterieträger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die reduzierte Breite b des Haupt-Aufnahmeraums (16) über einen Bereich von 0 bis 80 % der maximalen Breite B des Haupt-Aufnahmeraums (16) erstreckt.
Batterieträger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Haupt-Aufnahmeraum (16) und in der mindestens einen Crashstruktur (18, 20) Batteriezellen (30) angeordnet sind, die mindestens teilweise miteinander zu einem Batteriesystem verschaltet sind.
Batterieträger nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (30) in dem Haupt-Aufnahmeraum (16) und/oder die Batteriezellen (30) in zwei oder mehr Crashstrukturen (18, 20) derart verschaltet sind, dass das Ausfallen der Batteriezellen (30) einer Crashstruktur (18, 20) oder des Haupt-Aufnahmeraums (16) ein Weiternutzen der übrigen Batteriezellen (30) sicherstellt.
Batterieträger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der mindestens einen Crashstruktur (18, 20) angeordneten Batteriezellen (30) eine Mehrzahl von Großzellen und/oder ellipsoidischen und/oder prismatischen Zellen ist.
Batterieträger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine funktionale Verbindung zwischen dem Haupt-Aufnahmeraum (16) und der mindestens einen Crashstruktur (18, 20) mittels einer aktiven Auslösevorrichtung und einem mit dieser gekoppelten Beschleunigungssensor vorgesehen ist, um ein Lösen der Verbindung zu unterstützen oder zu bewirken.