DE112019005708T5

DE112019005708T5 - Modularer Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge mit extrudierten Aluminium-Strukturbauteilen

Info

Publication number: DE112019005708T5
Application number: DE112019005708.1T
Authority: DE
Inventors: Vignesh Sekar; Kyle Butterfield; Tyler Collins; Nathaniel C. Wynn; Kyle O`Neil; Ehsan Baseri; Jagannathan Shankar Mahadevan; Anish Shah
Original assignee: Rivian IP Holdings LLC
Current assignee: Rivian IP Holdings LLC
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2021-07-22
Also published as: WO2020102236A1; CN112997351A; US20230264579A1; US11607961B2; US20200148066A1

Abstract

Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge mit Längs- und Querträgern aus extrudiertem Aluminium. Derartige Rahmen sind deutlich fester als herkömmliche Aluminiumgussrahmen, gleichzeitig aber auch viel leichter als Stahlrahmen. Die Querträger können mit Halterungen aus extrudiertem Aluminium an den Längsträgern befestigt sein. Längsträger unterschiedlicher Länge können eingesetzt werden, um Batteriesatzrahmen unterschiedlicher Größe modular herzustellen. Die Deckel und Bodenplatten des Batteriesatzes können abnehmbar am Rahmen befestigt sein, beispielsweise mit Bolzen, um die Wartungsfreundlichkeit zu verbessern.

Description

Einführung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge mit extrudierten Aluminium-Strukturbauteilen.
Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/760,536 , eingereicht am 13. November 2018, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen wird.
Zusammenfassung
Wesentlicher Bestandteil aktueller Elektrofahrzeuge ist der Batteriesatz. Herkömmliche Batteriepacks üben eine Reihe von Funktionen aus, einschließlich der Bereitstellung eines Schutzgehäuses, um einem Aufprall oder anderen Stößen standzuhalten, der Führung von elektrischen Leitungen und der Eindämmung von Batteriebränden.
Batteriesatzrahmen sind üblicherweise als Stahlrahmen konstruiert. Derartige Rahmen weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Die hohe Dichte von Stahl führt zu übermäßig schweren Rahmen. Versuche, leichtere Rahmen aus Materialien wie Gussaluminium zu formen, sind vor allem wegen der unzureichenden Festigkeit von Gussaluminium erfolglos geblieben.
Dementsprechend wird hierin ein verbesserter Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge beschrieben, der aus extrudiertem Aluminium konstruiert ist. Insbesondere sind die verschiedenen Strukturbauteile des Rahmens aus extrudiertem Aluminiumbauteilen gefertigt. Extrudiertes Aluminium ist deutlich fester als Aluminiumguss, und da Aluminium viel leichter ist als Stahl, sind Rahmen aus extrudiertem Aluminium deutlich fester als herkömmliche Aluminiumgussrahmen, während sie gleichzeitig viel leichter sind als Stahlrahmen.
Batteriesatzrahmen von Ausführungsformen der Offenbarung sind mit einem Paar von Längsträgern und einer Anzahl von Querträgern konstruiert, die sich zwischen den Innenflächen der Längsträger erstrecken und mit diesen gekoppelt sind. Die Längsträger und die verbindenden Querträger sind jeweils aus extrudiertem Aluminium gefertigt und bilden zusammen eine Rahmenstruktur, in der Batterien für Elektrofahrzeuge untergebracht werden können. Im Betrieb ist der Rahmen aus extrudiertem Aluminium von ausreichender Festigkeit, um die Batterien vor Beschädigungen und Witterungseinflüssen zu schützen, und ist gleichzeitig deutlich leichter als Stahlrahmen.
Die Querträger können an den Längsträgern mit Halterungen befestigt sein, die ebenfalls aus extrudiertem Aluminium gefertigt sein können. Die Halterungen selbst können auf beliebige Weise an den Innenflächen jedes Längsträgers, beispielsweise mit einem Klebstoff oder mit einem oder mehreren Befestigungselementen, wie z. B. Fließbohrschrauben, befestigt sein. Ebenso kann jede Halterung auf beliebige Weise an ihrem jeweiligen Querträger, beispielsweise mit einem Klebstoff oder mit einem oder mehreren Befestigungselementen, wie z. B. Fließbohrschrauben, befestigt sein.
Ausführungsformen der Offenbarung sehen auch einen Satz von Bauteilen für einen modularen Batteriesatzrahmen vor, der leicht in unterschiedlichen Größen konstruiert werden kann. Es können unterschiedliche Längsträger vorgesehen sein, die unterschiedliche Längen aufweisen. Die gleichen Querträger können mit Längsträgern jeder Länge verwendet werden, sodass Batteriesätze unterschiedlicher Größe mit Längsträgern einer gewünschten Länge hergestellt werden können. Auf diese Weise können mit einem Satz von Bauteilen je nach Wunsch Batteriesätze unterschiedlicher Größe konstruiert werden. Wie vorstehend beschrieben, kann jeder der Längsträger und Querträger aus extrudiertem Aluminium gefertigt sein.
Figurenliste
Die vorstehenden und andere Gegenstände und Vorteile der Offenbarung werden bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen sich gleiche Bezugszeichen durchgehend auf gleiche Teile beziehen und in denen:

1 eine isometrische Baugruppenansicht eines Batteriesatzdeckels, -rahmens und einer unteren Lage für ein Elektrofahrzeug ist, die gemäß Ausführungsformen der Offenbarung konstruiert sind;
2 eine isometrische Explosionsansicht eines Batteriesatzrahmens für Elektrofahrzeuge ist, der gemäß Ausführungsformen der Offenbarung konstruiert ist;
3 eine Draufsicht auf einen standardgroßen Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge ist, der gemäß Ausführungsformen der Offenbarung konstruiert ist; und
4 eine Draufsicht auf einen größeren Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge ist, der gemäß Ausführungsformen der Offenbarung konstruiert ist.

Ausführliche Beschreibung
In einigen Ausführungsformen bezieht sich die Offenbarung auf Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge, die mit Längs- und Querträgern aus extrudiertem Aluminium konstruiert sind. Derartige Rahmen sind deutlich fester als herkömmliche Aluminiumgussrahmen, gleichzeitig aber auch viel leichter als Stahlrahmen.
Batteriesätze können einen Rahmen, der die strukturelle Steifigkeit und Festigkeit bereitstellt, um Stößen standhalten zu können, eine untere Lage und eine Decklage oder einen Deckel aufweisen. Wie in 1 dargestellt, weist ein Batteriesatz 10 einen Satzdeckel 20 und eine untere Lage 40 auf, die oberhalb und unterhalb des Rahmens 30 angeordnet und jeweils daran befestigt sind, um eine Anzahl von Batteriemodulen zu umschließen, die nicht dargestellt, jedoch innerhalb des Rahmens 30 enthalten sind.
1 und 2 zeigen eine montierte bzw. Explosionsansicht eines Rahmens aus extrudiertem Aluminium, der gemäß den Ausführungsformen dieser Offenbarung konstruiert wurde. Wie im mittleren Abschnitt von 1 und in 2 zu sehen ist, weist der Rahmen 30 zwei Längsträger 100 auf, die sich entlang gegenüberliegender Außenseiten des Batteriesatzes 10 erstrecken, sowie eine Anzahl von Querträgern 110, die sich parallel zueinander zwischen den beiden Längsträgern 100 erstrecken. Gegenüberliegende Enden jedes Querträgers 110 sind mit jedem Längsträger 100 durch die in 2 gezeigten Halterungen 120 verbunden, obwohl die Längsträger 100 und Querträger 110 auf jede Art und Weise miteinander verbunden sein können, die eine ausreichende Festigkeit für den resultierenden Rahmen 30 vorsieht, um die darin befindlichen Batterien im Falle eines Fahrzeugaufpralls zu schützen.
Die Längsträger 100 und die Querträger 110 können jeweils eine beliebige Geometrie aufweisen, die ausreichend Platz für den Batteriespeicher innerhalb des Rahmens 30 bietet und eine ausreichende Festigkeit aufweist, damit eine strukturelle Steifigkeit und Stoßfestigkeit vorgesehen ist. Als ein Beispiel können ein oder mehrere Querträger 110 nacheinander entlang der Längsträger 100 in allgemein paralleler Weise zueinander positioniert werden, um zwei oder mehr Kanäle dazwischen zu bilden. Die inneren Querträger 110 sind für zusätzliche strukturelle Steifigkeit vorgesehen, um den Abstand zwischen den Längsträgern 100 und die Stoßfestigkeit zu erhalten. In der gezeigten Ausführungsform weisen die Querträger 100 einen im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt auf und umfassen vier innere Kanäle zur Steifigkeit und Gewichtseinsparung, obwohl eine beliebige Anzahl und Geometrie solcher Querträger 100 und Kanäle in Betracht gezogen wird. In anderen Ausführungsformen sind keine solchen Kanäle vorhanden, und die Querträger 100 können vollständig hohl, vollständig massiv oder eine beliebige Geometrie dazwischen sein. Zusätzlich können in einigen Ausführungsformen einer oder mehrere der Kanäle der Längsträger 100 zur Entlüftung von Gas oder zur Ableitung von Flüssigkeit aus dem Batteriesatz verwendet werden. So können beispielsweise Bohrungen in die Längsträger 100 bearbeitet oder anderweitig erzeugt werden, um den Eintritt von Gas oder Flüssigkeit in einen inneren Kanal zu ermöglichen. Eine beliebige Anzahl und Lage solcher Bohrungen ist denkbar.
Die Längsträger 100, die Querträger 110 und die Halterungen 120 können jeweils maschinell bearbeitet oder auf andere Weise bearbeitet werden, um andere Strukturen innerhalb des Batteriesatzes aufzunehmen. Wie dargestellt, umfassen beispielsweise mehrere der Querträger 110 einen mittleren Ausschnitt in der Nähe ihrer Unterseite, um Strukturen wie Sammelschienen und Kühlmittelrohre aufzunehmen. Als weiteres Beispiel können Flansche in der Nähe der Unterseiten der Querträger 110 eine bessere Verbindung mit der unteren Lage 40 herstellen oder als Stütze für andere Komponenten vorgesehen sein. Jede Anzahl, Art und Position solcher Funktionen ist denkbar.
Die Querträger 110, Längsträger 100 und Halterungen 120 sind jeweils als extrudierte Aluminiumbauteile ausgebildet. Eine auf die Querträger 110 wirkende Seitenaufprallbelastung für ein Fahrzeug mit einem Gewicht >2600 kg liegt bekanntermaßen in der Größenordnung von 600 kN. Ein Querträger 110 aus extrudiertem Aluminium kann diese Last axial in einem wesentlich kleineren Bauraum aufnehmen als ein gestanzter oder rollgeformter Querträger aus Stahl, und das bei einer Gewichtseinsparung von >20 %. Dadurch ist ein kleinerer Rahmen vorgesehen, der mehr Freiraum innerhalb des Rahmens 30 für die Batterien bietet, was wiederum die Energiedichte des gesamten Batteriesatzes 10 verbessert.
Wie in 3 und 4 dargestellt, können die Längsträger 100 verschiedene Längen aufweisen, sodass die Rahmen 30 jede gewünschte Größe annehmen können. Insbesondere können zwei Längsträger 100 unterschiedlicher Größe verwendet werden, um Rahmen 30 mit zwei verschiedenen Größen zu konstruieren. Ein in 3 gezeigter kürzerer Rahmen 30 kann aus einem Paar kürzerer Längsträger 100 aufgebaut sein, während ein in 4 gezeigter längerer Rahmen 30 aus zwei längeren Längsträgern 100 aufgebaut sein kann. Für jeden Rahmen 30 in 1 und 2 werden die gleichen Querträger 110 verwendet. Dadurch können die Rahmen 30 gewissermaßen modular aufgebaut werden, wobei die gleichen Querträger 110 verwendet werden und die Größe des Rahmens 30 durch die Länge des verwendeten Längsträgers 100 bestimmt wird. Da die Längsträger 100 extrudiert werden, ist es außerdem relativ einfach, unterschiedlich lange Bauteile zu formen, da jedes Bauteil einfach auf die gewünschte Länge extrudiert wird, ohne dass separate Werkzeuge für unterschiedlich lange Längsträger erforderlich sind.
Obwohl nicht dargestellt, wird darauf hingewiesen, dass die Querträger 110 auch in verschiedenen Längen hergestellt werden können, sodass Rahmen in jeder gewünschten Breite gebaut werden können. Die Offenbarung zieht eine beliebige Länge oder Anzahl von Längen für die Längsträger 100 in Betracht, sodass Rahmen mit jeder gewünschten Länge konstruiert werden können. In ähnlicher Weise zieht die Offenbarung auch eine beliebige Länge oder Anzahl von Längen für die Querträger 110 in Betracht, um Rahmen jeder gewünschten Länge zu konstruieren.
Die Halterungen 120 verbinden die Querträger 110 mit den Innenflächen der Längsträger 100, wie in 2 dargestellt. Die Halterungen 120 können eine beliebige Form und Ausgestaltung aufweisen, die für die Verbindung der Querträger 110 mit den Längsträgern 100 geeignet ist. Die Halterungen 120 sind mit hochfestem Klebstoff, Fließbohrschrauben oder einer Kombination aus beidem an den Längsträgern 100 und Querträgern 110 befestigt.
Die Längsträger 100, die Querträger 110 und die Halterungen 120 können in jeder Größe und Form geformt sein, die sich extrudieren lässt und die eine ausreichende Festigkeit des Batteriesatzes 10 vorsieht, um Fahrzeugstößen standzuhalten. Es kann jede geeignete Aluminiumlegierung eingesetzt werden.
Die Längsträger 100 und/oder Querträger 110 können auch derart ausgelegt sein, dass der Deckel 20 und/oder die untere Lage 40 auf beliebige Weise daran befestigt werden können. In einigen Ausführungsformen können die Längsträger 100 und/oder die Querträger 110 derart ausgelegt sein, dass der Deckel 20 und/oder die untere Lage 40 abnehmbar an dem Rahmen 30 befestigt sind. Zum Beispiel kann jeder Längsträger 100 und/oder jeder Querträger 110 nach dem Extrudieren mit Gewindebolzen- oder Schraubenbohrungen 130 versehen werden. Die Bolzen- oder Schraubenbohrungen 130 können entweder in eine oder beide der oberen oder unteren Flächen der Längsträger 100 und/oder Querträger 110 (d. h., die dem Deckel 20 bzw. der unteren Lage 40 in der Ansicht von 1 zugewandten Flächen) eingearbeitet werden, damit der Deckel 20 und/oder die untere Lage 40 leichter und wiederholbar angebracht und entfernt werden können. Hierdurch ist sowohl eine verbesserte Herstellbarkeit als auch eine verbesserte Wartungsfreundlichkeit vorgesehen. In Ausführungsformen der Offenbarung sind neben Bolzen oder Schrauben auch andere Bauteile zur Befestigung des Deckels 20 und/oder der unteren Lage 40 an den Längsträgern 100 und/oder Querträgern 110 denkbar. Es kann jede Art von Bauteil verwendet werden, z. B. Nägel, Klammern, Druckstifte und dergleichen.
In der vorstehenden Beschreibung wurde zu Zwecken der Erläuterung eine spezielle Nomenklatur verwendet, um ein umfassendes Verständnis der Offenbarung vorzusehen. Dem Fachkundigen auf dem Gebiet ist jedoch ersichtlich, dass die spezifischen Details nicht erforderlich sind, um die Verfahren und Systeme der Offenbarung auszuüben. Demnach werden die vorstehenden Beschreibungen spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgestellt. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit bzw. sollen die Erfindung nicht auf die offenbarten konkreten Formen beschränken. Im Hinblick auf die vorstehenden Lehren sind viele Änderungen und Varianten möglich. Beispielsweise können die Strukturbauteile des Rahmens aus einer beliebigen Art oder Legierung von extrudiertem Aluminium bestehen und eine beliebige Größe, Form oder Ausgestaltung aufweisen, die für einen Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge geeignet ist. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Offenbarung und ihre praktischen Anwendungen am besten zu erläutern, um dadurch anderen Fachkundigen auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Verfahren und Systeme der Offenbarung und verschiedenen Ausführungsformen mit verschiedenen Änderungen, wie sie für die jeweilige Verwendung geeignet sind, am besten zu nutzen. Zusätzlich können verschiedene Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, offenbart oder anderweitig, vermischt und angepasst oder anderweitig kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu schaffen, die durch die Offenbarung erwogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/760536 [0002]

Claims

Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge, der Rahmen umfassend: erste und zweite Längsträger, die zur Definition eines Raums zwischen deren Innenflächen ausgerichtet sind; und eine Vielzahl von Querträgern, die jeweils mit den Innenflächen des ersten und zweiten Längsträgers gekoppelt sind, um sich durch den Raum zu erstrecken; wobei die ersten und zweiten Längsträger und jeder Querträger der Vielzahl von Querträgern extrudiertes Aluminium umfassen.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Halterungen, wobei jede Halterung an der Innenfläche eines der ersten und zweiten Längsträger befestigt ist, und ferner an einem Ende eines der Querträger befestigt ist, um das Ende des einen Querträgers mit dem einen des ersten und zweiten Längsträgers zu koppeln.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 2, wobei jede Halterung extrudiertes Aluminium umfasst.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 2, wobei jede Halterung an der Innenfläche ihres jeweiligen Längsträgers klebend befestigt ist.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 2, wobei jede Halterung an der Innenfläche ihres jeweiligen Längsträgers durch eine oder mehrere Fließbohrschrauben befestigt ist.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 2, wobei jede Halterung an dem Ende ihres jeweiligen Querträgers klebend befestigt ist.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 2, wobei jede Halterung an der Innenfläche ihres jeweiligen Querträgers durch eine oder mehrere Fließbohrschrauben befestigt ist.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 1, wobei einer oder mehrere des Querträgers, des ersten Längsträgers oder des zweiten Längsträgers ein oder mehrere Befestigungsbohrungen aufweist, die auf einer oberen Fläche oder einer gegenüberliegenden unteren Fläche davon ausgebildet sind.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 1, wobei die Querträger eine im Allgemeinen rechteckige Querschnittsform aufweisen.
Batteriesatzrahmen für Elektrofahrzeuge nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei der Querträger unterschiedliche Längen aufweisen.
Satz von Batteriesatzrahmen-Bauteilen für Elektrofahrzeuge, der Satz umfassend: erste Längsträger mit einer ersten Länge; zweite Längsträger mit einer zweiten Länge, die sich von der ersten Länge unterscheidet; und modulare Querträger, die jeweils im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen; wobei zwei erste Längsträger und eine Vielzahl der modularen Querträger miteinander verbunden sind, wobei die modularen Querträger parallel zueinander ausgerichtet sind und die zwei ersten Längsträger an gegenüberliegenden Enden der modularen Querträger befestigt sind, um einen ersten Batteriesatzrahmen mit einer ersten Größe auszuformen, wobei zwei zweite Längsträger und eine Vielzahl der modularen Querträger miteinander verbunden sind, wobei die modularen Querträger parallel zueinander ausgerichtet sind und die zwei zweiten Längsträger an gegenüberliegenden Enden der modularen Querträger befestigt sind, um einen ersten Batteriesatzrahmen mit einer zweiten Größe auszuformen, die sich von der ersten Größe unterscheidet; und wobei die ersten und zweiten Längsträger und jeder modulare Querträger extrudiertes Aluminium umfassen.
Satz nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Vielzahl von modularen Halterungen, wobei jede modulare Halterung an einem der ersten und zweiten Längsträger befestigt ist, und ferner an einem Ende eines der modularen Querträger befestigt ist, um das Ende des einen modularen Querträgers mit dem einen der Längsträger zu koppeln.
Satz nach Anspruch 12, wobei jede modulare Halterung extrudiertes Aluminium umfasst.
Satz nach Anspruch 12, wobei jede modulare Halterung an der Innenfläche ihres jeweiligen Längsträgers klebend befestigt ist.
Satz nach Anspruch 12, wobei jede modulare Halterung an der Innenfläche ihres jeweiligen Längsträgers durch eine oder mehrere Fließbohrschrauben befestigt ist.
Satz nach Anspruch 12, wobei jede modulare Halterung am Ende ihres jeweiligen modularen Querträgers klebend befestigt ist.
Satz nach Anspruch 12, wobei jede Halterung an der Innenfläche ihres jeweiligen modularen Querträgers durch eine oder mehrere Fließbohrschrauben befestigt ist.
Satz nach Anspruch 11, wobei die ersten Längsträger und die zweiten Längsträger aus einer einzigen Düse extrudiert und auf unterschiedliche Längen geschnitten werden.
Satz nach Anspruch 11, wobei einer oder mehrere der Querträger, der ersten Längsträger oder der zweiten Längsträger ein oder mehrere Befestigungsbohrungen aufweisen, die auf einer oberen Fläche oder einer gegenüberliegenden unteren Fläche davon ausgebildet sind.
Satz nach Anspruch 11, wobei die Querträger eine allgemein rechteckige Querschnittsform aufweisen.