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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb und eine Verwendung des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses.
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Technischer Hintergrund
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Die zunehmende bzw. anhaltende Elektrifizierung von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen, und der gleichzeitige Kundenwunsch nach hohen Reichweiten solcher Fahrzeuge, erfordert die Entwicklung von leistungsfähigen Batteriekonzepten. Insbesondere Batteriegehäuse, die die Batteriemodule aufnehmen bzw. in welchen die Batteriemodule aufgenommen sind, haben in der Regel eine wesentliche Erstreckung in Quer- und Längsrichtung des Fahrzeugs und sind mittig, insbesondere unterhalb der Fahrgastzelle unter dem Fahrzeugbodenblech montiert. Das Batteriegehäuse dient unter anderem zum Schutz der Batteriemodule vor Beschädigung wie auch zur Abfuhr der während der Fahrt des Fahrzeugs durch die Batteriemodule erzeugte Wärme. Damit ergeben sich komplexe Anforderungen hinsichtlich der Faktoren Bauraum, Crashperformance, Gewicht, Dichtigkeit etc.
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Insbesondere dem Schutz der Batteriemodule vor von unten eindringenden Fremdkörpern kommt wegen ihrer besonders exponierten Lage am Fahrzeugboden eine hohe Bedeutung zu. Für eine gute Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums beträgt der Abstand zwischen den sensiblen Batteriemodulen und dem ersten respektive untersten Boden des Gehäuses typischerweise weniger als 25 mm. Eindringende Fremdkörper müssen daher auf sehr kurzen Distanzen schnell abgebremst werden, bevor die Batteriemodule beschädigt werden und es zu einem kritischen Kurzschluss kommen kann. Dazu werden im Stand der Technik unterschiedliche Konzepte unter Verwendung eines Unterfahrschutzes aufgezeigt. Diese bestehen in der Regel aus einer kassettenartigen, abstützenden Struktur aus Längs- und/oder Querträgerelementen und einer nach unten abschließenden Platte aus einem insbesondere hochbelastbaren Werkstoff wie zum Beispiel Stahl.
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Die aus dem Stand der Technik bekannte kassettenartige, abstützende Struktur aus Längs- und/oder Querträgerelementen zwischen einem unteren Boden (Unterfahrschutz) des Gehäuses und dem Boden (Zwischenboden) des Gehäuses schafft den im Crashfall benötigten Deformationsraum zum Schutz der empfindlichen Batteriemodule bei einer Belastung von unten.
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Die Anordnung dieser Längs- und/oder Querträgerelemente richtet sich daher in der Regel nach der darüber liegenden Aufteilung der Batterieelemente innerhalb des Gehäuses. Bei der Gestaltung entsprechender Längs- und/oder Querträgerelemente, die vorzugsweise als Profile ausgebildet sind und im Deformationsraum eingesetzt werden, müssen daher verschiedene Anforderungen erfüllt und damit Kompromisse eingegangen werden, wie zum Beispiel:
- - sie müssen über eine möglichst hohe (Biege-)Steifigkeit und damit über eine hohe Wanddicke und/oder Profilquerschnitte sowie über eine bei Belastung möglichst spät einzusetzende plastische Deformation verfügen. Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende Deformationsraum unter Last möglichst gut ausgenutzt;
- - eine große Breite der Profile wirkt sich positiv auf die (Biege-)Steifigkeit aus und unterstützt den Zwischenboden gegen Intrusion;
- - sie dürfen nicht zu breit sein, damit der benötigte Freiraum unterhalb der Batteriemodule bestehen bleibt;
- - die für eine gute Ausnutzung des Deformationsraums vorteilhaften, besonders biegesteifen Profile neigen bei einer Belastung der frei liegenden Unterfahrschutzflächen zu einer nur wenig energieabsorbierenden Momentenübertragung in die darüber liegende Gehäusestruktur. Durch die globale Belastung und/oder Torsion kann es zu einer Beschädigung der Batteriemodule durch die direkt angrenzenden, deformierende Bauteile, wie zum Beispiel Zwischenboden, Längs- und/oder Querträgerelemente zwischen den Batteriemodulen, etc. kommen, ohne, dass der zur Verfügung stehende Deformationsraum bereits voll ausgenutzt wurde;
- - generell ist ein geringes Gewicht anzustreben.
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Aus dem Stand der Technik sind zum Beispiel nach unten oder nach oben offene, hutprofilartige Träger mit senkrechten oder schrägen Zargen bekannt. Es sind weiterhin geschlossene oder T- bzw. Doppel-T-förmige Profile bekannt. Bei der Auslegung aller beim Crash von unten beteiligten Bauteile ist eine genaue Abstimmung der vorgenannten Anforderungen erforderlich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Batteriegehäuse, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, bereitzustellen, welches im Wesentlichen die vorgenannten Anforderungen erfüllt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Batteriegehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriegehäuse zur Aufnahme von Batteriemodulen, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder ein Fahrzeug mit Hybridantrieb, bereitgestellt, welches
- - einen Kasten mit einem Rahmen und einem ersten Boden, welcher einen Innenbereich bereitstellt,
- - mindestens einen oberen Längsträger und/oder mindestens einen oberen Querträger, welcher im Innenbereich des Kastens angeordnet ist und Fächer zur Aufnahme der Batteriemodule bilden,
- - einen zweiten Boden, welcher beabstandet zum ersten Boden angeordnet ist und einen Deformationsraum zwischen sich und dem ersten Boden ausbildet,
- - mindestens einen unteren Längsträger und/oder mindestens einen unteren Querträger, welcher als Profil mit einem Bodenbereich, Zargenbereich und optionalen Flanschbereich ausgebildet ist und im Deformationsraum angeordnet ist,
- - einen Deckel zum Schließen des Kastens,
umfasst, wobei der Zargenbereich des unteren Längsträgers und/oder des unteren Querträgers zumindest eine Stufe aufweist.
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Die vorgenannten, teilweise widersprüchlichen Anforderungen können durch das Einbringen mindestens einer Stufe (pro Zargenseite) in den Zargenbereich des unteren Längsträgers und/oder des unteren Querträgers besonders vorteilhaft erfüllt werden. Die mindestens eine Stufe ist insbesondere so ausgeführt, dass die verbleibende Bodenbreite des unteren Längs- und/oder Querträgerprofils nicht breiter als der Zwischenraum zwischen den beiden darüber liegenden Batteriemodulen wird. Bevorzugt ist die verbleibende Bodenbreite des unteren Längs- und/oder Querträgerprofils so groß wie die Breite des oberen Längs- und/oder Querträgerprofils. Die mindestens eine Stufe im Zargenbereich erhöht die (Biege-)Steifigkeit in Längsrichtung. Sie kann auch bei entsprechender Auslegung gleichzeitig als Anfalthilfe für eine einsetzende plastische Deformation bei Überbelastung in z-Richtung des Fahrzeugs dienen. Auf diese Weise ist es möglich, die Crashenergie gezielt abzubauen und dabei die entstehende Deformation in einen Bereich zu verschieben, so dass die Batteriemodule zunächst nicht beeinträchtigt sind. Eine globale Biegung und/oder Torsion der darüber liegenden Struktur (erster Boden, oberer Längsträger und/oder Querträger, Deckel) kann deutlich abgeschwächt werden und dadurch die Gefahr einer Beschädigung der Batteriemodule durch benachbarte Bauteile (erster Boden, oberer Längsträger und/oder Querträger) vermindert werden kann. Die Stufe muss nicht unbedingt rechtwinklig ausgeführt sein, sondern kann insbesondere anhand der Ausführung respektive Geometrie des Zargenbereichs auch andere Winkel einnehmen.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist der untere Längsträger und/oder der untere Querträger derart im Deformationsraum angeordnet, dass der optionale Flanschbereich mit dem zweiten Boden und der Bodenbereich mit dem ersten Boden in Kontakt steht. Besonders bevorzugt ist der optionale Flanschbereich mit dem zweiten Boden und/oder der Bodenbereich mit dem ersten Boden kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden. Das nach unten geöffnete Profil kann in vorteilhafter Weise mit den beiden Flanschen (Flanschbereich) an den zweiten Boden stoffschlüssig gefügt werden. Alternativ kann auf die Flansche verzichtet werden, so dass der untere Längsträger und/oder untere Querträger im T-Stoß an den zweiten Boden gefügt wird. Der Bodenbereich des unteren Längsträgers und/oder unteren Querträgers kann mit dem ersten Boden kraftschlüssig, zum Beispiel durch Schrauben oder vorab am ersten Boden befestigten Schweißbolzen gefügt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Zargenbereich des unteren Längsträgers und/oder des unteren Querträgers mehrere Stufen aufweisen. Durch die Anzahl der Stufen, insbesondere zwei und mehr pro Zargenseite, kann gezielt stufenweise Einfluss auf das Deformationsverhalten in Abhängigkeit der umgebenden Gehäusegestaltung genommen werden, so dass eine Beschädigung der Batteriemodule möglichst verhindert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Stufe oder sind die Stufen im Zargenbereich des unteren Längsträgers und/oder des unteren Querträgers symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet. Die Anordnung kann individuell auf die geforderten Bedürfnisse angepasst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der untere Längsträger unterhalb des oberen Längsträgers und/oder der untere Querträger unterhalb des oberen Querträgers angeordnet. Durch diese vorteilhafte Anordnung wird verhindert, dass bei einem Einschlag von unten die Belastung über den ersten Boden unmittelbar an die Batteriemodule weitergeben würden, wie es der Fall wäre, wenn die unteren Längs- und/oder unteren Querträger unterhalb der Batteriemodule in der Höhe des Deformationsraums angeordnet wären. In bevorzugter Weise ist die Breite des Bodenbereichs des unteren Längsträgers und/oder des unteren Querträgers gleich oder geringer als die Breite des oberen Längsträgers und/oder des oberen Querträgers, so dass eine Kraftübertragung bei einer Belastung nur in die dafür vorgesehene obere Struktur (obere Längs- und/oder obere Querträger) und nicht in die seitlich angeordneten Batteriemodule erfolgt. Auch die Momentenübertragung und damit die globale Biegung und/oder Torsion können durch die kleine Hebelwirkung gering gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Breite, insbesondere die gesamte Breite des unteren Längsträgers und/oder des unteren Querträgers größer als die Breite des oberen Längsträgers und/oder des oberen Querträgers, um den zweiten Boden gegen eine Intrusion zu unterstützen. Insbesondere im Zusammenhang mit der mindestens einen Stufe im Zargenbereich bleibt der nötige Freiraum unterhalb der Batteriemodule auch bei einer Torsion erhalten.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder einem Fahrzeug mit Hybridantrieb, insbesondere ein Personenfahrzeug, Nutzfahrzeug, Sonderfahrzeug, vorzugsweise Bus, Omnibus, ein gleisgebundenes Fahrzeug, vorzugsweise Straßenbahn oder personenbefördernder Waggon.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses aus dem Stand der Technik und
- 2 eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriegehäuse gezeigt. Das Batteriegehäuse (1), welches für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit Hybridantrieb (nicht gezeigt), insbesondere ein elektrisch angetriebenes Personenfahrzeug bzw. Personenfahrzeug mit Hybridantrieb vorgesehen ist, umfasst einen Kasten mit einem Rahmen und einem ersten Boden (2), welcher einen Innenbereich (3) bereitstellt, mindestens einen oberen Längsträger (4) und/oder mindestens einen oberen Querträger (5), welcher im Innenbereich (3) des Kastens angeordnet ist und Fächer (6) zur Aufnahme der Batteriemodule (20) bilden, einen zweiten Boden (7), welcher beabstandet zum ersten Boden (2) angeordnet ist und einen Deformationsraum (8) zwischen sich (7) und dem ersten Boden (2) ausbildet, mindestens einen unteren Längsträger (9) und/oder mindestens einen unteren Querträger (10), welcher als Profil mit einem Bodenbereich (9.1, 10.1), Zargenbereich (9.2, 10.2) und optionalen Flanschbereich (9.3, 10.3) ausgebildet ist und im Deformationsraum (8) angeordnet ist, und einen Deckel (11) zum Schließen des Kastens. 1 zeigt den Endzustand nach einer simulierten Belastung durch einen Fremdkörper (12), der von unten auf das Batteriegehäuse (1) respektive auf den zweiten Boden (7) eingewirkt hat. Durch die Einwirkung des Fremdkörpers (12) ist der zweite Boden (7) derart in den Deformationsraum (8) intrudiert, dass es zu einer Biegung und/oder Torsion der restlichen Bauteile (2, 4, 5, 11), was gut an dem aufgewölbten Deckel (11) zu erkennen ist, und es zu einem Kontakt mit dem ersten Boden (2) gekommen ist, so dass eine geringfügige Intrusion des ersten Bodens (2) in den Innenraum (3) und damit verbunden eine Beschädigung des Batteriemoduls (20) und damit die Gefahr eines Kurzschlusses nicht mehr ausgeschlossen werden kann.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ein Batteriegehäuse gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zu der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform weist der Zargenbereich (9.2, 10.2) des unteren Längsträgers (9) und/oder des unteren Querträgers (10) zumindest eine Stufe (9.21, 10.21) auf. Wie in 1 gezeigt, wurde auch bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform eine simulierte Belastung durch einen Fremdkörper (12) durchgeführt, der von unten auf das Batteriegehäuse (1) respektive auf den zweiten Boden (7) mit gleichen Parametern eingewirkt hat. Die Intrusion des zweiten Bodens (7) in den Deformationsraum (8) ist im Vergleich zur bekannten Ausführungsform geringer ausgefallen und eine Biegung und/oder Torsion der restlichen Bauteile (2, 4, 5, 11) kann im Wesentlichen verhindert werden. Eine Beschädigung des Batteriemoduls (20) kann durch das Vorsehen mindestens einer Stufe (9.21, 10.21) im Zargenbereich (9.2, 10.2) des mindestens einen unteren Längsträgers (4) und/oder des mindestens einen Querträgers (5) verhindert werden. Es können eine Stufe (9.21, 10.21) oder auch mehrere Stufen pro Zargenseite, wobei diese symmetrisch oder asymmetrisch je nach Auslegung im Zargenbereich (9.2, 10.2) angeordnet werden können. Der untere Längsträger (9) und/oder der untere Querträger (10) ist derart im Deformationsraum (8) angeordnet, dass der optionale Flanschbereich (9.3, 10.3) mit dem zweiten Boden (7) und der Bodenbereich (9.1, 10.1) mit dem ersten Boden (2) in Kontakt steht, besonders bevorzugt der optionale Flanschbereich (9.3, 10.3) mit dem zweiten Boden (7) und/oder der Bodenbereich (9.1, 10.1) mit dem ersten Boden (2) kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden ist. Alternativ und hier nicht dargestellt kann auf die Flansche (Flanschebreich) verzichtet werden, so dass die Zargen (Zargenbereich) der unteren Längsträgers und/oder unteren Querträger mit dem ersten Boden (2) kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden ist. Bevorzugt ist der untere Längsträger (9) unterhalb des oberen Längsträgers (4) und/oder der untere Querträger (10) unterhalb des oberen Querträgers (5) angeordnet. Die Breite des Bodenbereichs (9.1, 10.1) des unteren Längsträgers (9) und/oder des unteren Querträgers (10) ist gleich oder geringer als die Breite des oberen Längsträgers (4) und/oder des oberen Querträgers (5). In der dargestellten Ausführungsform ist der obere Längsträger (4) und/oder obere Querträger (5) als hutförmiges Profil ausgebildet, so dass die Breite des oberen Längsträgers (4) und/oder des oberen Querträgers (5) auch den Flanschbereich einschließt. Bevorzugt ist die Breite des unteren Längsträgers (9) und/oder des unteren Querträgers (10), was auch den Flanschbereich (9.3, 10.3) einschließt, größer als die Breite des oberen Längsträgers (4) und/oder des oberen Querträgers (5).
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführung beschränkt, sondern die einzelnen Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar. Der obere Längsträger und/oder obere Querträger ist nicht auf ein insbesondere hutförmiges Profil beschränkt. Vielmehr können auch andere Profilquerschnitte entsprechend eingesetzt werden. Besonders bevorzugt kann das erfindungsgemäße Batteriegehäuse in Personenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, Lastkraftwagen, Sonderfahrzeugen, Bussen, Omnibussen, ob mit Hybrid- oder reinem elektrischen Antrieb, aber auch in gleisgebundenen Fahrzeugen, wie beispielsweise Straßenbahnen oder personenbefördernden Waggons verwendet werden.
