DE102019210676A1

DE102019210676A1 - Modulares Chassis für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102019210676A1
Application number: DE102019210676.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Grabsch; Armin Schuelke; Thilo Wolff von Gudenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul für ein modulares Chassis, insbesondere ein „Rolling Chassis“, für Kraftfahrzeuge und ein solches modulares Chassis für Kraftfahrzeuge. Das Modul umfasst ein selbsttragendes Gehäuse, das ausgestaltet und eingerichtet ist, um alle Elemente des Moduls zu tragen. Dabei ist das Modul derart ausgestaltet und eingerichtet, dass es mit wenigstens einem weiteren Modul zu dem modularen Chassis verbindbar ist. Das Modul kann verschiedene Funktionalitäten eines Fahrzeugs mittels seiner Elemente bereitstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul für ein modulares Chassis, insbesondere ein „Rolling Chassis“, für Kraftfahrzeuge und ein solches modulares Chassis für Kraftfahrzeuge. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Vorderachsmodul, ein Hinterachsmodul und ein Batteriemodul, sowie ein modulares Chassis umfassend ein solches Vorderradmodul, ein solches Hinterradmodul und wenigstens ein solches Batteriemodul.
Die Anforderungen an Fahrzeuge ändern sich fortlaufend. Es werden vermehrt neuartige, meist elektrifizierte, Fahrzeugkonzepte mit Use-Case spezifischen Anforderungen (z. B. urbanes Car-Sharing oder Taxis) benötigt. Die Differenzierung der Fahrzeuge erfolgt im Wesentlichen über den Aufbau und den Innenraum. Sogenannte „Rolling Chassis“ sind Unterbauten für Kraftfahrzeuge, die alle technischen Systeme zum Fahren (Antrieb, Lenkung, Bremse, etc.) sowie eine tragende Struktur beinhalten. Weiterhin sind Schnittstellen zu einem darüber liegenden Aufbau, beispielsweise einer Fahrgastzelle oder eine Kabine und einer Ladefläche oder anderen Aufbauten (z. B. Kühlcontainer für gefrorene Lebensmittel, Box zum Ausliefern von Paketen oder Essensbestellungen, etc.) vorgesehen. Es existieren mehrere Konzepte für Rolling Chassis. Diese Konzepte basieren auf festen Rahmenstrukturen, in welche die Komponenten integriert werden.
Die US 7,028,791 B2 offenbart ein mobiles Chassis für Karosserieaustauschbarkeit umfassend ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystem, das in eine rollende Plattform integriert ist. Über eine standardisierte Schnittstelle mit Anbringungskupplungen können Karosserien mit unterschiedlichem Design an dem mobilen Chassis bzw. der rollenden Plattform angebracht werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Modul für ein modulares Chassis für Kraftfahrzeuge gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und ein modulares Chassis für Kraftfahrzeuge gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 7 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Für eine Skalierbarkeit in Radstand und Batteriegröße sind herkömmlich unterschiedliche Rahmenkonstruktionen notwendig. Durch die vorliegende Erfindung wird insbesondere eine Konstruktion für ein Rolling Chassis geschaffen. Dabei lassen sich insbesondere eine Batteriegröße und ein Radstand ohne eine Erhöhung des Konstruktionsaufwands und Teilevielfalt variabel gestalten. Zusätzlich wird eine sehr günstige Verbindungstechnik für die einzelnen Module des modularen Chassis bereitgestellt. Somit wird ein modulares, skalierbares Konzept bei sehr günstigen Kosten realisiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Modul für ein modulares Chassis für Kraftfahrzeuge ein selbsttragendes Gehäuse. Das selbsttragende Gehäuse ist ausgestaltet und eingerichtet, um alle Elemente des Moduls zu tragen. Das Modul ist derart ausgestaltet und eingerichtet, dass es mit wenigstens einem weiteren Modul zu dem modularen Chassis verbindbar ist.
Die Grundidee ist es, das modulare Chassis aus wenigen unterschiedlichen Modulen (Bauteilen) aufzubauen. Die Module realisieren dabei die tragende Funktion des Chassis. Die Module werden bevorzugt durch einheitliche Verbindungsschnittstellen miteinander verbunden und zu einem modularen Chassis zusammengefügt.
Das Modul kann verschiedene Funktionalitäten eines herkömmlichen Chassis wie beispielsweise Antrieb, Lenkung, Fahrgestell, Radaufhängung, Energieversorgung, usw. mittels seiner Elemente bereitstellen. Dabei ist das Modul selbsttragend ausgestaltet, was mittels des selbsttragenden Gehäuses realisiert wird. Durch den Zusammenschluss mehrerer Module zu einem modularen Chassis, werden alle notwendigen Funktionalitäten eines Chassis durch die Module gemeinsam bereitgestellt. Die zu einem modularen Chassis verbundenen Module stellen durch die verbundenen selbsttragenden Gehäuse sicher, dass auch das modulare Chassis insgesamt selbsttragend ist. Ein Modul kann auch ein Leermodul sein und nur das selbsttragende Gehäuse und keine weitere Funktionalität umfassen.
Mit dem Modul mit selbsttragendem Gehäuse und unterschiedlichen Funktionalitäten ist bei geringer Teilvielfalt eine große Anzahl an Varianten von modularen Chassis möglich. Aufgrund der großen Anzahl an Gleichteilen bei den Modulen, kann eine Reparatur oder Wartung einzelner Module durch Austausch erfolgen. Dadurch ist das modulare Chassis innerhalb kürzester Zeit wieder einsatzfähig, was insbesondere für Car-Sharing- und Taxi-Firmen wichtig ist. Die defekten Module können dabei im ausgebauten Zustand gewartet und repariert werden, bevor sie wieder erneut, evtl. in einem anderen modularen Chassis, zum Einsatz kommen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Modul ferner wenigstens eines der folgenden Elemente: eine Radaufhängung, ein Fahrwerk, eine Fahrgastzellenschnittstelle, eine Bremse, einen Antrieb, eine Batterie, eine Stromschiene, eine Ladeeinrichtung, ein Batteriemanagementsystem (BMS), ein Kühlsystem, ein Kühlmittelreservoir, eine Brennstoffzelle, ein Kraftstoffreservoir, eine Verbindungsschnittstelle und eine Crashbox. Die Radaufhängung ist derart ausgestaltet und eingerichtet, dass daran wenigstens ein Rad aufhängbar ist. Das Fahrwerk ist ausgestaltet und eingerichtet, um die Radaufhängung an dem selbsttragenden Gehäuse zu lagern. Die Fahrgastzellenschnittstelle ist ausgestaltet und eingerichtet, um das Modul mit einer Fahrgastzelle mechanisch zu verbinden und optional ferner elektrisch und/oder kommunikativ zu verbinden, sodass Informationen von der Fahrgastzelle in dem Modul empfangen und/oder von dem Modul an die Fahrgastzelle gesendet werden können. Die Bremse ist ausgestaltet und eingerichtet, wenigstens ein Rad, sofern dieses an der Radaufhängung aufgehängt ist, abzubremsen. Der Antrieb ist ausgestaltet und eingerichtet, ein Rad, sofern dieses an der Radaufhängung aufgehängt ist, anzutreiben. Die Batterie ist mit wenigstens einem Element und/oder wenigstens einem Element wenigstens eines weiteren Moduls elektrisch verbunden und ferner ausgestaltet und eingerichtet, um dem wenigstens einen Element und/oder dem wenigstens einen Element des weiteren Moduls elektrische Energie bereitzustellen. Die Stromschiene ist ausgestaltet und eingerichtet, um die Batterie mit einer Batterie wenigstens eines weiteren Moduls parallel elektrisch zu verbinden. Die Ladeeinrichtung ist mit der Batterie und/oder einer Batterie wenigstens eines weiteren Moduls elektrisch verbunden und ferner ausgestaltet und eingerichtet, um die Batterie und/oder die Batterie des wenigstens einen weiteren Moduls mit elektrischer Energie zu laden. Das BMS ist ausgestaltet und eingerichtet, um das Bereitstellen elektrischer Energie und/oder das Laden der Batterie und/oder einer Batterie wenigstens eines weiteren Moduls zu steuern. Das Kühlsystem ist ausgestaltet und eingerichtet, um wenigstens ein Element und/oder wenigstens ein Element wenigstens eines weiteren Moduls zu kühlen. Das Kühlmittelreservoir ist mit dem Kühlsystem und/oder einem Kühlsystem wenigstens eines weiteren Moduls liquide verbunden und ferner ausgestaltet und eingerichtet, um dem Kühlsystem und/oder dem Kühlsystem des wenigstens einen weiteren Moduls Kühlmittel bereitzustellen. Die Verbindungsschnittstelle ist ausgestaltet und eingerichtet, um das Modul mit wenigstens einem weiteren Modul mechanisch zu verbinden.
An das Modul kann, wenn es die Radaufhängung umfasst wenigstens ein Rad angeschlossen werden. Das Rad kann optional über den Antrieb des Moduls oder den Antrieb eines weiteren Moduls angetrieben werden. Die Radaufhängung kann über ein Fahrwerk oder direkt mit dem selbsttragenden Gehäuse des Moduls mechanisch verbunden sein.
Das Fahrwerk verbindet die Radaufhängung mit dem selbsttragenden Gehäuse des Moduls. Dazu kann die Radaufhängung eine Federung und/ oder eine Dämpfung umfassen, sodass das wenigstens eine an der Radaufhängung angeschlossene Rad gefedert und/oder gedämpft mit dem selbsttragenden Gehäuse des Moduls verbunden bzw. an diesem gelagert ist. Ferner kann das Fahrwerk eine Lenkeinrichtung umfassen.
Die Fahrgastzellenschnittstelle dient zur mechanischen Verbindung einer Fahrgastzelle mit dem Modul bzw. einem aus wenigstens zwei Modulen aufgebauten modularen Chassis. Die Fahrgastzelle kann kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig über die Fahrgastzellenschnittstelle mit dem Modul verbunden werden. Ferner kann die Fahrgastzelle über die Fahrgastzellenschnittstelle elektrisch mit dem Modul verbunden werden, sodass elektrische Energie von dem Modul für die Fahrgastzelle bereitgestellt werden kann. Zudem kann die Fahrgastzelle kommunikativ mit dem Modul über die Fahrgastzellenschnittstelle verbunden werden. Über die kommunikative und/oder elektrische Verbindung mittels der Fahrgastzellenschnittstelle können Informationen wie Steuerbefehle (z. B. Beschleunigen, Bremsen, Lenken, usw.) beispielsweise über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HID) wie ein Lenkrad, ein Joystick, eine Gangschaltung, ein Gaspedal, ein Bremspedal, ein Kupplungspedal, usw. und/oder Anzeigeinformationen (z. B. Geschwindigkeit, Drehzahl, Batterieladung, usw.) beispielsweise über einen Bildschirm, ein Tachometer, einen Drehzahlanzeiger, usw. von der Fahrgastzelle in dem Modul empfangen und/oder von dem Modul an die Fahrgastzelle gesendet werden.
Die Bremse kann eine Trommelbremse, eine Scheibenbremse, eine Achsbremse, eine Motorbremse, eine Wirbelstrombremse, usw. optional mit Energierückgewinnung sein. Über die Bremse kann das wenigstens eine an der Radaufhängung angeschlossene Rad abgebremst werden. Dazu kann die Bremse für jedes angeschlossene Rad eine separate Bremse umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Antrieb durch die Bremse abgebremst werden.
Der Antrieb kann eine Einheit zur Erzeugung kinetischer Energie (z. B. Motor elektrische Maschine / Elektromotor, Piezoelement/Piezostack, Turbine, usw.) umfassen. Zudem kann der Antrieb ein Getriebe und/oder eine Kupplung umfassen. Zur Steuerung des Antriebs können eine Motorsteuerung und/oder eine Leistungselektronik vorgesehen sein. Der Antrieb kann wenigstens ein an der Radaufhängung aufgehängtes Rad oder ein an der Radaufhängung eines anderen Moduls aufgehängtes Rad antreiben. Der Antrieb kann als Zentralantrieb oder radindividuell ausgeführt sein.
Die Batterie speichert elektrische Energie und gibt diese an Elemente des Moduls oder an Elemente eines weiteren Moduls ab. Insbesondere kann die Batterie den Antrieb bzw. den Elektromotor oder den Hybridantrieb des Antriebs mit elektrischer Energie versorgen. In mehreren verbundenen Modulen können unterschiedliche Batterien für unterschiedliche Aufgaben vorgesehen sein.
Die Stromschiene kann mehrere Batterien von mehreren verschiedenen Modulen miteinander parallel und/oder in Reihe elektrisch verbinden.
Über die Ladeeinrichtung kann die Batterie und/oder die Batterie wenigstens eines weiteren Moduls mit elektrischer Energie aufgeladen werden. Insbesondere kann die Ladeeinrichtung an ein Stromnetz und/oder an eine Ladestation bzw. Schnellladestation angeschlossen werden, um die elektrische Energie zum Laden der Batterie aufzunehmen.
Das Batteriemanagementsystem (BMS) steuert die Abgabe und Aufnahme von elektrischer Energie in der Batterie und/oder der Batterie wenigstens eines weiteren Moduls. Dabei kann das BMS Transformatoren, Gleichrichter bzw. AC/DC-Konverter einsetzen, um Ströme elektrischer Energie entsprechend für die Abgabe und/oder Aufnahme durch die Batterie einzustellen.
Das Kühlsystem dient der Kühlung von Elementen und/oder Elementen wenigstens eines weiteren Moduls. Insbesondere der Antrieb und die Batterie können über das Kühlsystem temperiert werden. Dabei kann insbesondere die Batterie je nach Umgebungstemperatur und Anwendungsfall auch über das Kühlsystem erwärmt statt gekühlt werden.
Das Kühlmittelreservoir stellt für das Kühlsystem und/oder das Kühlsystem wenigstens eines weiteren Moduls benötigtes Kühlmedium wie Kühlwasser oder Öl zur Verfügung.
Die Brennstoffzelle, insbesondere eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, ist ausgestaltet und eingerichtet die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes bzw. Reduktionsmittels, insbesondere Wasserstoffs (H₂), und eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff (O₂), in elektrische Energie zu wandeln. Es können je nach Brennstoffzellentyp außer H₂ auch viele andere Brennstoffe genutzt werden, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas. Von der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle wir die Reaktion 2H₂ + O₂ → 2H₂O als „kalte Verbrennung“ zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt. Die Wasserstoffzelle kann eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) bzw. Polyelektrolyt-Brennstoffzelle (Poly-Electrolyte Fuel Cell, PEFC) sein. Die PEMFC verwendet in der Regel H₂ als Energieträger, während andere Konstruktionen mit Methanol oder Methan arbeiten und daraus den Wasserstoff mittels Dampfreformierung erzeugen. Das Kernstück der PEMFC ist eine Protonenaustauschmembran, insbesondere eine Polymermembran (Proton Exchange Membrane, PEM), die ausschließlich für Protonen (H⁺-Ionen) durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, für gewöhnlich Luftsauerstoff, ist durch die PEM räumlich vom Reduktionsmittel getrennt. Der Brennstoff, hier H₂, wird an einer Anode katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Diese gelangen durch die PEM in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine elektrische Maschine wie einen Elektromotor, zur Kathode. An einer Kathode wird das Oxidationsmittel, hierO₂, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Wasserstoffionen zu Wasser reagieren. Die verwendeten PEMs sind saure Elektrolyten. Die Brennstoffzelle kann auch eine alkalische Wasserstoff-Brennstoffzelle sein. Diese arbeiten mit hochreinem Wasserstoff und Sauerstoff. In ihnen werden die Gase durch poröse, katalytisch wirksame Elektroden in eine basische Lösung eingeleitet. Die Brennstoffzelle kann zusätzlich oder alternativ zu der Batterie den Antrieb (z. B. Elektromotor) und die weiteren Elemente des Moduls und/oder die Batterie mit elektrischer Energie versorgen. Dazu ist die Brennstoffzelle elektrisch mit dem Antrieb und/oder den weiteren Elementen des Moduls und/oder der Batterie verbunden.
Das Kraftstoffreservoir ist ausgestaltet und eingerichtet Kraftsoff (z. B. H₂, Erdgas (CNG), Autogas (LPG), Benzin, Diesel usw.) für den Antrieb, insbesondere einen Verbrennungsmotor (z. B. eines Hybridantriebs), und/oder die Brennstoffzelle bereitzustellen. Dazu ist das Kraftstoffreservoir liquide mit dem Antrieb und/oder der Brennstoffzelle verbunden.
Die Verbindungsschnittstelle sorgt für eine mechanische (kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder stoffschlüssige) Verbindung zwischen dem Modul und wenigstens einem weiteren Modul. Dabei kommt für die mechanische Verbindung über die Verbindungsschnittstelle insbesondere eine Verbindung über Zugbänder zum Einsatz, mit denen das Modul und das wenigstens eine weitere Modul miteinander kraftschlüssig verspannt werden. Alternativ oder zusätzlich können Bolzen (Passstifte) und entsprechende Löcher (Passbohrungen) mit Geometrien (z. B. Zylinder, Kegel, Kegelstumpf, Quader, Pyramide, usw.) und/oder Feder-Nut-Verbindungen zum Einsatz kommen. Weiterhin ist ein Einhängen der Module in einen Trägerrahmen oder ein Aufschieben der Module auf einen Tragrohrrahmen möglich.
Die Crashbox kann jede Art von Vorrichtung zum Absorbieren von Bewegungsenergie, die beispielsweise bei einem Auffahrunfall auf das Modul einwirkt, umfassen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das selbsttragende Gehäuse eine selbsttragende Rahmenstruktur auf.
Die selbsttragende Rahmenstruktur bildet eine besonders leichte und dennoch stabile Variante des selbsttragenden Gehäuses des Moduls.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Verbindungsschnittstelle eine Zentriereinrichtung und/oder eine Verrasteinrichtung.
Die Zentriereinrichtung kann einen Zapfen für eine entsprechende Aussparung an dem weiteren zu verbindenden Modul (oder umgekehrt) und/oder eine Verzahnungsgeometrie oder sonstige Formteile mit ausreichend genauer Passung umfassen. Die Verrasteinrichtung kann beispielsweise über einen Klick-Mechanismus mit Lasche und Haken sowie entsprechender Ausbuchtung an dem anderen Modul (oder umgekehrt) verfügen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Modul ferner wenigstens eines der folgenden Elemente: eine elektrische Schnittstelle, eine liquide Schnittstelle und eine kommunikative Schnittstelle. Die elektrische Schnittstelle ist ausgestaltet und eingerichtet, um wenigstens ein Element mit wenigstens einem Element wenigstens eines weiteren Moduls elektrisch zu verbinden. Die liquide Schnittstelle ist ausgestaltet und eingerichtet ist, um das Kühlsystem und/oder das Kühlmittelreservoir mit wenigstens einem Element und/oder wenigstens einem Element wenigstens eines weiteren Moduls liquide zu verbinden. Die kommunikative Schnittstelle ist ausgestaltet und eingerichtet, um wenigstens ein Element mit wenigstens einem Element wenigstens eines weiteren Moduls kommunikativ zu verbinden.
Zusätzlich oder alternativ zu der mechanischen Verbindung über die Verbindungsschnittstelle zwischen dem Modul und wenigstens einem weiteren Modul kann auch eine elektrische, kommunikative und/oder liquide Verbindung zwischen dem Modul und dem wenigstens einen weiteren Modul hergestellt werden. Dazu kann die elektrische Schnittstelle beispielsweise über eine Stecker-Buchse-Verbindung, kabelgebunden oder kabellos (z. B. induktiv) ausgeführt werden. Die liquide Schnittstelle kann beispielsweise über Stutzen mit Dichtungen, Schläuche und dergleichen gebildet werden. Die kommunikative Schnittstelle kann beispielsweise über eine Stecker-Buchse-Verbindung, kabelgebunden (z. B. USB, usw.) oder kabellos (z. B. WLAN, Bluetooth, ZigBee, usw.) ausgeführt werden. Insbesondere kann die elektrische Schnittstelle die Stromschiene umfassen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die elektrische Schnittstelle und/oder die liquide Schnittstelle und/oder die kommunikative Schnittstelle als eine kombinierte (gemeinsame) Schnittstelle ausgeführt.
Beispielsweise kann die elektrische Schnittstelle mit der kommunikativen Schnittstelle über eine gemeinsame Stecker-Buchse-Verbindung ausgeführt sein. Dabei können für die elektrische Verbindung und die kommunikative Verbindung jeweils separate Leitungen vorhanden sein, die zu einem gemeinsamen Kabel zusammengefasst sind. Es kann auch eine kommunikative Verbindung durch Modulation des Stroms über die elektrische Verbindung erfolgen. Auch eine kabellose kombinierte elektrische und kommunikative Schnittstelle (z. B. mittels Induktion) ist möglich. Die liquide Schnittstelle kann mit der elektrischen und/oder kommunikativen Schnittstelle als kombinierte Schnittstelle ausgeführt sein, indem beispielsweise ein Schlauch und ein Kabel zu einer einteiligen Komponente zusammengefasst sind oder indem die Stecker-Buchse-Verbindung zusätzlich eine Rohrleitung mit Stutzen und passender Dichtung umfasst.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die elektrische Schnittstelle und/oder die liquide Schnittstelle und/oder die kommunikative Schnittstelle in der Zentriereinrichtung oder der Verrasteinrichtung integriert.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Antrieb wenigstens einen Motor, eine Motorsteuerung und optional ein Getriebe.
Der wenigstens eine Motor kann ein Verbrennungsmotor oder ein Elektromotor oder ein Hybridantrieb sein. Das Getriebe kann ein Schaltgetriebe, ein Übersetzungsgetriebe, ein Verteilergetriebe und/oder ein Differentialgetriebe sein und optional eine Kupplung aufweisen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der wenigstens eine Motor ein Elektromotor, insbesondere ein Radnabenmotor, und die Motorsteuerung umfasst eine Leistungselektronik.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Modul ein Hinterachsmodul und umfasst wenigstens folgende Elemente:

- die Radaufhängung, die derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass daran wenigstens ein Hinterrad aufhängbar ist;
- das Fahrwerk; und
- die Fahrgastzellenschnittstelle.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Modul ein Vorderachsmodul und umfasst wenigstens folgende Elemente:

- die Radaufhängung, die derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass daran wenigstens ein Vorderrad aufhängbar ist;
- das Fahrwerk; und
- die Fahrgastzellenschnittstelle.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Modul ein Batteriemodul und umfasst wenigstens folgende Elemente:

- die Batterie; und
- die elektrische Schnittstelle.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein modulares Chassis für Kraftfahrzeuge wenigstens folgende miteinander verbundene Module auf: ein Hinterachsmodul und ein Vorderachsmodul. Wenigstens ein Antrieb und wenigstens eine Bremse, sowie, wenn kein Batteriemodul umfasst ist, wenigstens eine Batterie sind von einem der Module des modularen Chassis alleine oder von den Modulen des modularen Chassis gemeinsam umfasst.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Module lösbar oder nichtlösbar miteinander verbunden.
Die Module des modularen Chassis können mittels Stoffschluss (z. B. Schweißen, Kleben, usw.), Formschluss (Schnappelemente, Passstifte mit oder ohne Sicherung, usw.) und/oder Kraftschluss (Verschraubung, Zugbänder, Zugstange, Klammern, usw.) miteinander verbunden sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Module mittels wenigstens eines Zugbands miteinander verspannt.
Um die benötigte Steifigkeit des modularen Chassis bzw. der Gesamtstruktur zu erreichen, werden die Module mit dem wenigstens einen Zugband verspannt. Es können ein oder mehrere Zugbänder mit einer Zugfestigkeit von beispielsweise 10 kN [Kilonewton] insbesondere aus Polyethylen (PE), Polythiophen (PT) oder Polyethylenterephthalat (PET) (z. B. 25 mm [Millimeter] breit und 1,1 mm dick) und/oder aus Stahl (z. B.19 mm breit, 0,63 mm dick) und/oder textile Zugbänder zum Verspannen der Module des modularen Chassis miteinander verwendet werden. Auch kohle- oder glasfaserverstärkte Zugbänder können zum Einsatz kommen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Module entlang einer Längsachse des modularen Chassis und entlang ihres seitlichen Umfangs mittels des wenigstens einen Zugbands verspannt und/oder entlang der Längsachse des modularen Chassis und entlang ihres oberen und unteren Umfangs mittels des wenigstens einen Zugbands verspannt und/oder über Kreuz entlang ihres oberen und unteren Umfangs mittels wenigstens zweier Zugbänder verspannt.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.

1 zeigt eine schematische Ansicht eines Vorderachsmoduls gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Hinterachsmoduls gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines modularen Chassis gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine schematische Ansicht verschiedener Verspannungen der Module.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Trägerrahmen-Systems.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Tragrohrrahmen-Systems.

In 1 ist ein Vorderachsmodul 10 schematisch dargestellt. Das Vorderachsmodul 10 umfasst eine selbsttragende Rahmenstruktur 11 als selbsttragendes Gehäuse, eine Radaufhängung 12 die über ein Fahrwerk 13 an der selbsttragenden Rahmenstruktur 11 angebracht ist, eine Fahrgastzellenschnittstelle 14, eine Bremse (nicht dargestellt), eine Verbindungsschnittstelle 15, eine kombinierte elektrische und kommunikative Schnittstelle 16, eine liquide Schnittstelle 17, ein Kühlsystem 18 und ein damit verbundenes Kühlmittelreservoir 19.
An die Radaufhängung 12 kann hier ein linkes und ein rechtes Vorderrad aufgehängt werden. Das Fahrwerk 13 umfasst eine Federung und eine Dämpfung, sodass die Radaufhängung 12 gefedert und gedämpft gegenüber der selbstragenden Rahmenstruktur 11 gelagert ist. Das Fahrwerk 13 umfasst ferner eine Lenkung zum Lenken bzw. vorgeben eines Lenkwinkels. Über die Fahrgastzellenschnittstelle 14 kann eine Fahrgastzelle mit dem Vorderradmodul (10) mechanisch verbunden werden. Die Bremse kann an der Radaufhängung aufgehängte Räder abbremsen. Die Verbindungsschnittstelle 15 wird von einer Kombination aus Zentrierstiften bzw. Passstiften und passenden Vertiefungen bzw. Passlöcher gebildet. Mittels der Verbindungsschnittstelle können weitere Module 20, 30 (siehe 2 und 3) mit dem Vorderachsmodul 10 mechanisch verbunden werden. Die kombinierte Schnittstelle 16 ist in der Verbindungsstruktur 15 ausgebildet, indem in einen Zentrierstift eine Buchse und in eine Vertiefung ein Stecker integriert sind. Die liquide Schnittstelle 17 ist ebenfalls in der Verbindungsstruktur 15 ausgebildet, indem in einen Zentrierstift ein Anschluss mit Dichtung und in eine Vertiefungen ein Stutzen integriert sind. In dem Kühlsystem 18 kann Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir 19 gekühlt werden und über die liquide Schnittstelle 17 zur Kühlung anderer Elemente weiterer Module 20, 30 (siehe 2 und 3) bereitgestellt werden.
In 2 ist ein Hinterachsmodul 20 schematisch dargestellt. Das Hinterachsmodul 20 umfasst hier dieselben Elemente wie das Vorderachsmodul 10 aus 1. Jedoch kann das Fahrwerk 13 bei dem Hinterachsmodul optional keine Lenkung umfassen. Ferner umfasst das Hinterachsmodul 20 einen Antrieb 21. In der kombinierten Schnittstelle 16 ist eine Stromschiene enthalten, über welche elektrische Energie von einer Batterie eines weiteren Moduls (nicht dargestellt) für den Antrieb übertragen werden kann.
Der Antrieb 21 umfasst einen Elektromotor, eine Motorsteuerung mit Leistungselektronik zum steuern des Elektromotors und ein Getriebe zum übertragen kinetischer Energie an die Radaufhängung 12. Der Elektromotor wird über die Stromschienen in der kombinierten Schnittstelle 16 mit elektrischer Energie von einer Batterie versorgt. Über das Kühlsystem 18 kann Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir 19 über die liquide Schnittstelle 17 zur Kühlung des Antriebs 21 bereitgestellt werden.
In 3 ist ein Batteriemodul 30 schematisch dargestellt. Das Batteriemodul 30 umfasst eine selbsttragende Rahmenstruktur 11 als selbsttragendes Gehäuse eine Verbindungsschnittstelle 15 und eine kombinierte elektrische und kommunikative Schnittstelle 16, in der teilweise eine Stromschiene 31 enthalten ist, eine Batterie 32 und ein Batteriemanagementsystem (BMS) 33.
Elektrische Energie kann von der Batterie 32 über die Stromschienen 31 abgegeben oder aufgenommen werden. Die Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie von der Batterie 32 wird von dem BMS 33 gesteuert. Über die Stromschiene 31 und die kombinierte Schnittstelle 16 können Batterien anderer Module 10, 20, 30 mit der Batterie 32 parallel elektrisch verbunden werden. Über das Kühlsystem 18 kann Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir 19 über die liquide Schnittstelle 17 zur Kühlung der Batterie 32 bereitgestellt werden.
Eine Batterie 32 kann auch in dem Vorderachsmodul 10 oder dem Hinterachsmodul 20 zusätzlich oder alternativ enthalten sein. Eine Ladevorrichtung (nicht dargestellt) für die Batterie 32 kann von einem der Module 10, 20, 30 umfasst sein.
In 4 ist ein modulares Chassis 40 schematisch dargestellt. Das modulare Chassis 40 ist mindestens aus einem Vorderachsmodul 10 und einem Hinterachsmodul 20 aufgebaut. Wenn kein Batteriemodul 30 umfasst ist, müssen die Komponenten des Batteriemoduls 30, nämlich die Batterie 32 und das BMS 33 und optional die Stromschiene 31, in dem Vorderachsmodul 10 und/oder dem Hinterachsmodul 20 enthalten sein. Hier weist das modulare Chassis 40 neben dem Vorderachsmodul 10 und dem Hinterachsmodul 20 noch drei Batteriemodule 30 auf. Die Module 10, 20, 30 sind über die Verbindungsschnittstellen 15 mechanisch verbunden. Die elektrische, kommunikative und liquide Verbindung erfolgt über die entsprechenden hier nicht dargestellten Schnittstellen (siehe 1-3).
In 5 sind verschiedener Verspannungen der Module 10, 20, 30 des modularen Chassis 40 dargestellt.
Die Module 10, 20, 30 können entlang einer Längsachse des modularen Chassis 40 und entlang ihres seitlichen Umfangs mittels zweier Zugbänder 50 verspannt sein (vgl. 5a). Alternativ oder zusätzlich können die Module 10, 20, 30 entlang der Längsachse des modularen Chassis 40 und entlang ihres oberen und unteren Umfangs mittels zweier Zugbänder 50 verspannt sein (vgl. 5b). Zudem können die Module 10, 20, 30 alternativ oder zusätzlich über Kreuz entlang ihres oberen und unteren Umfangs mittels zweier Zugbänder 50 verspannt sein (vgl. 5c).
In 6 ist ein Trägerrahmen-System (60) zum Verbinden der Module 10, 20, 30 des modularen Chassis 40 schematisch dargestellt. Die Module 10, 20, 30 werden über entsprechende Vorsprünge 61 ihrer selbsttragenden Rahmenstruktur 11 in einen Trägerrahmen 62 eingehängt.
In 7 ist ein Tragrohrrahmen-System 70 zum Verbinden der Module 10, 20, 30 des modularen Chassis 40 schematisch dargestellt. Die Module 10, 20, 30 werden über entsprechende Durchgangsbohrungen 71 in ihrer selbsttragenden Rahmenstruktur 11 auf einen tragrohrrahmen 72 aufgeschoben und mit Sicherungen 73 gesichert.
Obwohl hier spezifische Ausführungsformen illustriert und beschrieben wurden, ist für den Fachmann ersichtlich, dass es eine Vielzahl von Alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen gibt. Es ist zu würdigen, dass die exemplarischen Ausgestaltungen oder Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise einzuschränken. Vielmehr wird die vorstehende Zusammenfassung und detaillierte Beschreibung dem Fachmann hinreichende Anweisungen für die Umsetzung von mindestens einer bevorzugten Ausführungsform liefern, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung der Elemente, die in einer beispielhaften Ausgestaltung beschrieben werden, nicht von dem in den beigefügten Ansprüchen und ihren rechtlichen äquivalenten dargelegten Anwendungsbereich hinausführen. In der Regel ist diese Anmeldung dazu gedacht, alle Anpassungen oder Variationen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen abzudecken.
In der vorstehenden ausführlichen Beschreibung wurden verschiedene Merkmale in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst, um die Offenbarung knapp zu halten. Es versteht sich, dass die obige Beschreibung illustrativ und nicht restriktiv sein soll. Sie soll alle Alternativen, Änderungen und äquivalente abdecken, die im Rahmen der Erfindung enthalten sein können. Viele andere Beispiele werden einem Fachmann bei dem Studium der obigen Offenbarung offensichtlich werden.
Um ein umfassendes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, wird eine spezifische Nomenklatur verwendet, die in der vorstehenden Offenbarung verwendet wurde. Es wird jedoch für einen Fachmann im Lichte der darin enthaltenen Spezifikation ersichtlich sein, dass die spezifischen Details nicht erforderlich sind, um die Erfindung zu anzuwenden. So werden die vorstehenden Beschreibungen spezieller Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Illustrations-und Beschreibungszwecken dargestellt. Sie sind nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die oben offenbarten genauen Ausführungsformen zu beschränken; offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen im Hinblick auf die oben genannten Lehren möglich. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen am besten zu erklären und um somit anderen Fachkräften die Möglichkeit zu geben, die Erfindung und verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, sowie es für die jeweilige Verwendung geeignet erscheint, am besten anzuwenden. In der gesamten Spezifikation werden die Begriffe „einschließlich“ und „in welchem/welcher“ als Äquivalente der jeweiligen Begriffe „umfassend“ bzw. „worin“ verwendet. Darüber hinaus werden die Begriffe „erster/erste/erstes“, „zweiter/zweite/zweites“, „dritter, dritte, drittes“ usw. lediglich als Bezeichnung verwendet und sind nicht dazu gedacht, numerische Anforderungen an die Objekte zu stellen oder eine bestimmte Rangfolge vorzugeben. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen ist die Verbindung „oder“ als Aufnahme („und/oder“) zu verstehen und nicht exklusiv („entweder... oder“).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7028791 B2 [0003]

Claims

Modul (10, 20, 30) für ein modulares Chassis (40) für Kraftfahrzeuge, umfassend: - ein selbsttragendes Gehäuse (11), das ausgestaltet und eingerichtet ist, um alle Elemente des Moduls (10, 20, 30) zu tragen, wobei das Modul (10, 20, 30) derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass es mit wenigstens einem weiteren Modul (10, 20, 30) zu dem modularen Chassis (40) verbindbar ist.
Modul (10, 20, 30) gemäß Anspruch 1, wobei das Modul (10, 20, 30) ferner wenigstens eines der folgenden Elemente umfasst: - eine Radaufhängung (12), die derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass daran wenigstens ein Rad aufhängbar ist; - ein Fahrwerk (13), das ausgestaltet und eingerichtet ist, um die Radaufhängung (12) an dem selbsttragenden Gehäuse (11) zu lagern; - eine Fahrgastzellenschnittstelle (14), die ausgestaltet und eingerichtet ist, um das Modul (10, 20, 30) mit einer Fahrgastzelle mechanisch zu verbinden und optional ferner elektrisch und/oder kommunikativ zu verbinden, sodass Informationen von der Fahrgastzelle in dem Modul (10, 20, 30) empfangen und/oder von dem Modul (10, 20, 30) an die Fahrgastzelle gesendet werden können; - eine Bremse, die ausgestaltet und eingerichtet ist, wenigstens ein Rad, sofern dieses an der Radaufhängung (12) aufgehängt ist, abzubremsen; - einen Antrieb (21), der ausgestaltet und eingerichtet ist, ein Rad, sofern dieses an der Radaufhängung (12) aufgehängt ist, anzutreiben; - eine Batterie (32), die mit wenigstens einem Element und/oder wenigstens einem Element wenigstens eines weiteren Moduls (10, 20, 30) elektrisch verbunden ist und ferner ausgestaltet und eingerichtet ist, um dem wenigstens einen Element und/oder dem wenigstens einen Element des weiteren Moduls (10, 20, 30) elektrische Energie bereitzustellen; - eine Stromschiene (31), die ausgestaltet und eingerichtet ist, um die Batterie (32) mit einer Batterie (32) wenigstens eines weiteren Moduls (10, 20, 30) parallel elektrisch zu verbinden; - eine Ladeeinrichtung, die mit der Batterie (32) und/oder einer Batterie (32) wenigstens eines weiteren Moduls (10, 20, 30) elektrisch verbunden ist und ferner ausgestaltet und eingerichtet ist, um die Batterie (32) und/oder die Batterie (32) des wenigstens einen weiteren Moduls (10, 20, 30) mit elektrischer Energie zu laden; - ein Batteriemanagementsystem, BMS, (33) das ausgestaltet und eingerichtet ist, um das Bereitstellen elektrischer Energie und/oder das Laden der Batterie (32) und/oder einer Batterie (32) wenigstens eines weiteren Moduls (10, 20, 30) zu steuern; - ein Kühlsystem (18), das ausgestaltet und eingerichtet ist, um wenigstens ein Element und/oder wenigstens ein Element wenigstens eines weiteren Moduls (10, 20, 30) zu kühlen; - ein Kühlmittelreservoir (19), das mit dem Kühlsystem (18) und/oder einem Kühlsystem (18) wenigstens eines weiteren Moduls (10, 20, 30) liquide verbunden ist und ferner ausgestaltet und eingerichtet ist, um dem Kühlsystem (18) und/oder dem Kühlsystem (18) des wenigstens einen weiteren Moduls (10, 20, 30) Kühlmittel bereitzustellen; - eine Brennstoffzelle; - ein Kraftstoffreservoir; - eine Verbindungsschnittstelle (15), die ausgestaltet und eingerichtet ist um das Modul (10, 20, 30) mit wenigstens einem weiteren Modul (10, 20, 30) mechanisch zu verbinden; und - eine Crashbox.
Modul (10, 20, 30) gemäß Anspruch 2, wobei das Modul (10, 20, 30) ferner wenigstens eines der folgenden Elemente umfasst: - eine elektrische Schnittstelle (16), die ausgestaltet und eingerichtet ist, um wenigstens ein Element mit wenigstens einem Element wenigstens eines weiteren Moduls (10, 20, 30) elektrisch zu verbinden; - eine liquide Schnittstelle (17), die ausgestaltet und eingerichtet ist, um das Kühlsystem (18) und/oder das Kühlmittelreservoir (19) mit wenigstens einem Element und/oder wenigstens einem Element wenigstens eines weiteren Moduls (10, 20, 30) liquide zu verbinden; und - eine kommunikative Schnittstelle (16), die ausgestaltet und eingerichtet ist, um wenigstens ein Element mit wenigstens einem Element wenigstens eines weiteren Moduls kommunikativ zu verbinden.
Modul (20) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei das Modul (20) ein Hinterachsmodul (20) ist und wenigstens folgende Elemente umfasst: - die Radaufhängung (12), die derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass daran wenigstens ein Hinterrad aufhängbar ist; - das Fahrwerk (13); und - die Fahrgastzellenschnittstelle (14).
Modul (10) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei das Modul (10) ein Vorderachsmodul (10) ist und wenigstens folgende Elemente umfasst: - die Radaufhängung (12), die derart ausgestaltet und eingerichtet ist, dass daran wenigstens ein Vorderrad aufhängbar ist; - das Fahrwerk (13); und - die Fahrgastzellenschnittstelle (14).
Modul (30) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei das Modul (30) ein Batteriemodul (30) ist und wenigstens folgende Elemente umfasst: - die Batterie (31); und - die elektrische Schnittstelle (16).
Modulares Chassis (40) für Kraftfahrzeuge, das wenigstens folgende miteinander verbundene Module (10, 20, 30) aufweist: - ein Hinterachsmodul (20) gemäß Anspruch 4; und - ein Vorderachsmodul (10) gemäß Anspruch 5, wobei wenigstens ein Antrieb (21) und wenigstens eine Bremse, sowie, wenn kein Batteriemodul (30) gemäß Anspruch 6 umfasst ist, wenigstens eine Batterie (31) von einem der Module (10, 20) des modularen Chassis (40) alleine oder von den Modulen (10, 20) des modularen Chassis (40) gemeinsam umfasst sind.
Modulares Chassis (40) gemäß Anspruch 7, wobei die Module (10, 20, 30) lösbar oder nichtlösbar miteinander verbunden sind.
Modulares Chassis (40) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die Module (10, 20, 30) mittels wenigstens eines Zugbands (50) miteinander verspannt sind.
Modulares Chassis (40) gemäß Anspruch 9, wobei die Module (10, 20, 30) entlang einer Längsachse des modularen Chassis (40) und entlang ihres seitlichen Umfangs mittels des wenigstens einen Zugbands (50) verspannt sind und/oder entlang der Längsachse des modularen Chassis (40) und entlang ihres oberen und unteren Umfangs mittels des wenigstens einen Zugbands (50) verspannt sind und/oder über Kreuz entlang ihres oberen und unteren Umfangs mittels wenigstens zweier Zugbänder (50) verspannt sind.