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Die Erfindung betrifft einen Batteriekasten für ein Elektrofahrzeug.
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Elektrofahrzeuge benötigen zur Versorgung des Antriebsmotors sowie anderer Systeme eine Energieversorgung. Neben Brennstoffzellen werden dabei vor allem Batterien (z.B. auf Lithium-Ionen-Basis) eingesetzt, die normalerweise als Batteriemodule oder Batteriepacks mit einer Mehrzahl von Einzelbatterien angeordnet sind. Um eine ausreichende Ladekapazität und somit ausreichende Reichweite sicherzustellen, ist derzeit ein erhebliches Volumen zur Unterbringung der Batterien notwendig. Der entsprechende Bauraum ist oftmals an der Unterseite des Fahrzeuges verfügbar, wo die Batterien in einem Batteriekasten untergebracht werden. Dieser kann z.B. zum Austausch von Batterien demontierbar sein. Seine Funktion besteht zum einen darin, die Batterien mit dem Fahrzeugkörper zu verbinden, also als Aufhängungselement zu fungieren. Zum anderen schützt er die Batterien auch vor Feuchtigkeit, Schmutz und mechanischer Beschädigung. Je nach Bauform kann auch vorgesehen sein, dass der Batteriekasten bei einem Extremereignis, insbesondere mit seitlichen Komponenten, eine Beschädigung der Batterien verhindert. Insgesamt besteht dabei zum einen die Anforderungen eines möglichst geringen Gewichts sowie andererseits die hiermit konkurrierende Anforderung einer möglichst hohen mechanischen Stabilität.
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Die
DE 10 2016 115 037 A1 offenbart einen Batteriekasten zur Aufnahme eines oder mehrerer Batterieelemente für ein Kraftfahrzeug, mit einer Seitenwandkonstruktion umfassend ein, einen Innenbereich bildendes Kastenprofil, welches zumindest teilweise äußere Seitenwände des Batteriekastens bereitstellt, mit einem Deckel, mit einem Boden, und mit einem Anbindungsprofil zur Anbindung des Batteriekastens an das Kraftfahrzeug, wobei die Seitenwandkonstruktion einen weiter innen als die äußeren Seitenwände liegenden Anbindungsbereich zur Verbindung der Seitenwandkonstruktion mit dem Deckel bereitstellt.
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Die
DE 10 2017 117 093 A1 zeigt einen Batteriekasten zur Aufnahme einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rahmen, der aus Rahmenprofilen gebildet ist, die über Eckverbinder miteinander verbunden sind. Dabei schließen die von dem wenigstens einen Eckverbinder gehaltenen Enden der Rahmenprofile eine Dichtung zwischen sich ein.
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Aus der
DE 10 2017 205 447 B4 ist eine Bodenstruktur für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bekannt, mit einem unterhalb eines Unterbodens angeordneten und an Tragstrukturen des Kraftfahrzeuges angebunden Batteriekasten, der als selbsttragende Konstruktion ausgeführt ist, wobei der Unterboden sich horizontal in dem Kraftfahrzeug erstreckt, um einen Fahrzeugsitzen zugeordneten Fußraum zu bilden und wobei der Batteriekasten mit einem zu dem Unterboden hin gerichteten Deckel zu dem Unterboden hin abgeschlossen ist. Der Deckel weist bereichsweise angeordnete Kontaktelemente auf, die in unmittelbarer Anlage mit dem Unterboden sind, um ein Abstützen des Unterbodens durch den Batteriekasten zu bewirken.
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Die
DE 10 2018 110 519 B4 zeigt einen Batteriekasten zur Anordnung unterhalb eines Fahrgastraumes eines Elektrofahrzeugs, wobei der Batteriekasten Streben aufweist, die diagonal zur Fahrzeuglängsachse und zur Fahrzeugquerachse verlaufen, um den unteren Bereich der Fahrgastzelle auszusteifen, wobei jeweils zwei Streben von einer vorderen und einer hinteren Rahmenwand des Batteriekastens zu einer linken und rechten Rahmenwand verlaufen. Oberhalb eines Bodens des Batteriekastens sind Innenverstrebungen angeordnet, die sich in Fahrzeuglängs- und/oder Querrichtung erstrecken, zur Begrenzung einzelner aufzunehmender Batteriemodule und zur Längs- und/oder Queraussteifung eines Innenraumes des Batteriekastens. Die Rahmenwände, die Streben und die Innenverstrebungen sind warmgeformt und pressgehärtet oder aus UHSS kaltgeformt und/oder aus UHSS rollgeformt.
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Die
DE 10 2018 120 268 A1 zeigt einen Batteriekasten für ein Kraftfahrzeug zur Aufnahme von Batteriezellen mit einem Strukturrahmen mit wenigstens zwei endseitig aneinander gefügten Strukturbauteilen, wobei jedes Strukturbauteil wenigstens ein teilweise hohl ausgebildetes und im Querschnitt im Wesentlichen L-förmiges Profilsegment aufweist und innerhalb wenigstens eines der Profilsegmente ein Verstärkungselement zur Aufnahme von Aufprallenergie bei einem Aufprall angeordnet ist. Das Verstärkungselement ist ein Formteil mit einer Mehrzahl von offenen Zellen, die aneinander angrenzend und mit ihrer Längserstreckung im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
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Die
DE 10 2019 123 906 A1 offenbart einen Batteriekasten zur Aufnahme wenigstens einer Batterie für ein Elektrofahrzeug, mit einem außen umlaufenden Rahmen und mit einem Boden, wobei unterhalb des Rahmens ein umlaufendes Rahmenverstärkungselement zur Verstärkung des Rahmens angeordnet ist, und wobei die Materialstärke des Rahmenverstärkungselements seiner Querschnittshöhe entspricht.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung eines leichten und stabilen Batteriekastens noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leichten und gleichzeitig stabilen Batteriekasten bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Batteriekasten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Batteriekasten für ein Elektrofahrzeug zur Verfügung gestellt. Bei dem Elektrofahrzeug handelt es sich um ein Straßenfahrzeug wie einen Pkw oder Lkw. Der Begriff „Elektrofahrzeug“ schließt in diesem Fall sämtliche Fahrzeuge ein, die wenigstens anteilig und/oder zeitweise durch einen Elektromotor antreibbar sind. Dies schließt ausdrücklich auch Hybridfahrzeuge ein, die zusätzlich über einen Verbrennungsmotor verfügen. Der Batteriekasten dient zur Aufnahme einer Batterieeinheit, welche Energie zum Betrieb verschiedener Systeme des Elektrofahrzeugs speichert, insbesondere zum Betrieb des Elektromotors. Die Batterieeinheit kann eine Mehrzahl von getrennten Batteriemodulen aufweisen, die in unterschiedlichen Bereichen des Batteriekastens angeordnet sein können. Der Batteriekasten ist in eingebautem Zustand mit einem Fahrzeugkörper (z.B. einem Chassis) des Elektrofahrzeugs verbunden. Er kann z.B. an einer Unterseite des Fahrzeugkörpers angeordnet sein. Er ist dazu vorgesehen, die Batterieeinheit zu stützen und schirmt sie normalerweise nach unten gegen mechanische Beschädigung sowie gegen Schmutz und Feuchtigkeit ab. Zusätzlich kann er die Batterieeinheit in horizontaler Richtung und/oder nach oben hin abschirmen.
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Der Batteriekasten weist einen Wannenteil aus Metallblech auf. Dieser kann aus Aluminium (normalerweise einer Aluminiumlegierung) oder insbesondere aus hochfestem Stahl gebildet sein. Bei einem hochfesten Stahl mit z.B. einem martensitischen Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1500 MPa, kann das Metallblech sehr dünn und somit leicht ausgebildet sein, z.B. mit einer Dicke von höchstens 1 mm oder höchstens 0,5 mm. Sofern hier von Stahl bzw. Stahlblech gesprochen wird, schließt dies immer die Möglichkeit ein, dass der Stahl beschichtet ist, z.B. verzinkt. Der Wannenteil ist in aller Regel einstückig ausgebildet, d.h. er ist durch Umformung aus einem einzigen Stück Metallblech, insbesondere Stahlblech, hergestellt.
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Der Wannenteil weist einen sich waagerecht erstreckenden Unterbodenabschnitt auf, von welchem sich in Querrichtung beiderseits angeordnete seitliche Wandabschnitte aufwärts erstrecken. Wie bereits erwähnt, sind diese Abschnitte in aller Regel Teil ein und desselben Stücks Metallblech. Der Unterbodenabschnitt schließt den Batteriekasten normalerweise nach unten hin ab. Die Bezugnahmen auf Längs-, Quer- und Hochrichtung beziehen sich auf ein Koordinatensystem des Batteriekastens, welches allerdings in aller Regel im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand mit dem Koordinatensystem des Elektrofahrzeugs übereinstimmt (d.h. die Längsrichtung ist diejenige des Elektrofahrzeugs etc.). Der Unterbodenabschnitt erstreckt sich horizontal, wobei er wenigstens teilweise parallel zur horizontalen Ebene verlaufen kann, also der Ebene, die durch die Längsrichtung und die Querrichtung aufgespannt wird. Wenigstens teilweise kann er allerdings auch im Winkel zu dieser Ebene verlaufen. In Querrichtung beiderseits (man könnte sagen, „links“ und „rechts“) des Unterbodenabschnitts sind seitliche Wandabschnitte angeordnet. Diese schließen sich normalerweise unmittelbar an den Unterbodenabschnitt an. Sie erstrecken sich aufwärts, also entlang der Hochachse bzw. entlang der Hochrichtung. Sie können wenigstens teilweise parallel zur Hochrichtung verlaufen. Diese Wandabschnitte erstrecken sich entlang der Längsrichtung, sie müssen allerdings nicht parallel zur Längsrichtung oder Längsachse ausgerichtet sein, wenngleich dies möglich ist. Insbesondere können sie in ihrem oberen Bereich ein- oder mehrfach abgewinkelt sein. Durch ihre aufragende Form bilden sie beiderseits des Unterbodenabschnitts Begrenzungen, die wenigstens einen Aufnahmeraum für die Batterieeinheit seitlich begrenzen. Insgesamt ergibt sich im Querschnitt ein U-Profil, bei welchem die Wandabschnitte die Seiten des „U“ bilden.
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Des Weiteren weist der Batteriekasten einen zwischen den Wandabschnitten angeordneten und mit dem Wannenteil verbundenen Innenteil aus Metallblech auf, welcher dem Unterbodenabschnitt zugewandte Bodenabschnitte aufweist sowie wenigstens einen gegenüber den Bodenabschnitten aufragenden, mit wenigstens einem Bodenabschnitt einstückig verbundenen und sich in Querrichtung erstreckenden Rückenabschnitt. Der Innenteil ist ebenfalls aus Metallblech gebildet und kann wie der Wannenteil aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder insbesondere aus hochfestem Stahl gebildet sein. Normalerweise bestehen der Wannenteil und der Innenteil aus dem gleichen Material. Der Wannenteil kann einstückig ausgebildet sein oder aus mehreren Elementen bestehen. Auch bei Ausgestaltungen, in denen diese Elemente nicht unmittelbar miteinander verbunden sind, werden sie in ihrer Gesamtheit als „Innenteil“ bezeichnet. Der Innenteil ist mit dem Wannenteil verbunden, z.B. durch einen Formschluss, Kraftschluss und/oder Stoffschluss. Insbesondere können diese Teile miteinander verschweißt oder verschraubt sein. Der Innenteil weist Bodenabschnitte auf, die dem Unterbodenabschnitt zugewandt sind. Sie können wenigstens teilweise horizontal verlaufen. Außerdem sind sie normalerweise wenigstens teilweise benachbart zum Unterbodenabschnitt angeordnet. Bevorzugt ist jeder Bodenabschnitt mit dem Unterbodenabschnitt verbunden, bspw. durch Verschweißen oder Verschrauben.
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Des Weiteren weist der Innenteil wenigstens einen Rückenabschnitt auf, der gegenüber den Bodenabschnitten aufragt. D.h. er erstreckt sich bezüglich der Hochachse höher als die Bodenabschnitte und bildet somit eine erhabene Struktur. Entsprechend erstreckt sich der jeweilige Rückenabschnitt nicht durchgehend horizontal, sondern wenigstens bereichsweise aufwärts und somit im Winkel zur horizontalen Ebene. Außerdem erstreckt er sich in Querrichtung, wobei er insbesondere wenigstens abschnittsweise parallel zur Querrichtung verlaufen kann. Vorteilhaft erstreckt sich der jeweilige Rückenabschnitt von einem seitlichen Wandabschnitt zum anderen und ist mit beiden Wandabschnitten verbunden. Zumindest in einigen Ausführungsformen kann der Rückenabschnitt auch als Rippenabschnitt oder als Querstrebenabschnitt bezeichnet werden. Es können insbesondere eine Mehrzahl von Rückenabschnitten vorgesehen sein, die in Längsrichtung beabstandet sind. Jeder Rückenabschnitt ist mit wenigstens einem Bodenabschnitt einstückig verbunden, d. h. diese beiden Abschnitte sind aus ein und demselben Blechteil gefertigt.
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Dabei ist wenigstens ein Bodenabschnitt wenigstens bereichsweise vom Unterbodenabschnitt horizontal beabstandet, so dass zwischen ihnen ein erster Zwischenraum ausgebildet ist. D.h. es ergibt sich zumindest eine bereichsweise doppelte Bodenstruktur mit einer durch den Unterbodenabschnitt gebildeten unteren Wandung, gefolgt von einem ersten Zwischenraum, und einer durch den Bodenabschnitt gebildeten oberen Wandung.
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Der erfindungsgemäße Batteriekasten lässt sich unter Verwendung von Metallblech, insbesondere hochfestem Stahlblech, mit dünnwandigen und somit leichten Bauteilen realisieren. Hierdurch lässt sich ein geringes Gesamtgewicht bei gleichzeitig gegebener hoher Stabilität erreichen. In diesem Zusammenhang ist der wenigstens eine Rückenabschnitt besonders vorteilhaft, da er eine Versteifung des Batteriekastens gegenüber jeglichen in Hochrichtung oder Querrichtung wirkenden Kräften bewirkt. Dies gilt insbesondere dann, wenn er mit den seitlichen Wandabschnitten verbunden ist. Auch wird der versteifende Effekt wesentlich verbessert, wenn der Rückenabschnitt über einen mit ihm verbundenen Bodenabschnitt mit dem Unterbodenabschnitt verbunden ist. Von Vorteil ist auch die Verdopplung des Bodens durch den Unterbodenabschnitt sowie den darüber angeordneten wenigstens einen Bodenabschnitt. Dies trägt zum einen zur weiteren Versteifung des Batteriekastens bei sowie zur Verbesserung des unterseitigen Schutzes der Batterieeinheit. Darüber hinaus kann der zwischen dem Unterbodenabschnitt und dem Bodenabschnitt ausgebildete erste Zwischenraum in unterschiedlicher Weise genutzt werden. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass sowohl der Wannenteil als auch der Innenteil zumindest in einigen Ausgestaltungen hauptsächlich oder ausschließlich durch Umformverfahren wie Biegen oder Walzprofilieren hergestellt werden können.
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Beispielsweise kann der erste Zwischenraum mit einem Füllmaterial ausgefüllt sein. Er kann ausgeschäumt sein, beispielsweise mit einem Polymerschaum. Auf diese Weise wird der unterseitige Schutz weiter verbessert. Außerdem kann durch das Füllmaterial, insbesondere einen Schaum, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Unterbodenabschnitt und dem Bodenabschnitt hergestellt werden, die weiter zur Versteifung des Batteriekastens beiträgt. Alternativ oder zusätzlich zu einem Füllmaterial kann wenigstens ein Hilfselement für die Batterieeinheit in dem ersten Zwischenraum angeordnet sein, also ein Element, welches die Funktion der Batterieeinheit unterstützt oder ermöglicht. Hierbei könnte es sich bspw. um eine elektrische Leitung handeln oder insbesondere um ein Kühlelement bzw. eine Kühlmittelleitung.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Innenteil wenigstens einen am Unterbodenabschnitt anliegenden ersten Bodenabschnitt aufweist sowie wenigstens einen demgegenüber aufwärts versetzten zweiten Bodenabschnitt, der wenigstens bereichsweise vom Unterbodenabschnitt horizontal beabstandet ist, so dass zwischen ihnen ein erster Zwischenraum ausgebildet ist. D.h., es ergibt sich eine stufenartige Form, bei welcher der erste Bodenabschnitt eine untere Stufe bildet und der zweite Bodenabschnitt eine obere Stufe. Der tiefer liegende erste Bodenabschnitt liegt am Unterbodenabschnitt an und kann mit diesem bspw. durch Punktschweißungen verbunden sein. Er kann insgesamt flächig am Unterbodenabschnitt anliegen, was die Verbindung zwischen diesen Abschnitten und somit insgesamt die Verbindung von Innenteil und Wannenteil verbessert. Der zweite Bodenabschnitt ist wenigstens bereichsweise vom Unterbodenabschnitt beabstandet. Der erste und der zweite Bodenabschnitt können vorteilhaft miteinander verbunden sein, insbesondere einstückig verbunden. D. h. sie können Abschnitte ein und desselben Blechteils bilden. Ein zweiter Bodenabschnitt kann bspw. in Längsrichtung zwischen einem ersten Bodenabschnitt und einem Rückenabschnitt zwischengeordnet sein. Es ist allerdings auch möglich, dass ein erster Bodenabschnitt in Längsrichtung zwischen einem zweiten Bodenabschnitt und einem Rückenabschnitten zwischengeordnet ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der Unterbodenabschnitt einen Basisabschnitt sowie gegenüber diesem nach oben vorspringende, mit wenigstens einem Bodenabschnitt verbundene Verbindungsstrukturen auf, wobei zwischen dem Basisabschnitt und dem wenigstens einen Bodenabschnitt wenigstens ein erster Zwischenraum ausgebildet ist. Der Basisabschnitt kann sich bspw. parallel zur horizontalen Ebene erstrecken. Die Verbindungsstrukturen können bspw. durch Umformung des Metallblechs erzeugt werden. Die einzelne Verbindungsstruktur kann dabei als Verprägung innerhalb des Metallblechs bezeichnet werden. Sie könnten nach Art einer Sicke langgestreckt oder nach Art einer Noppe lokal ausgebildet sein. Es wäre allerdings auch möglich, dass die Verbindungsstrukturen wenigstens teilweise durch separat gefertigte, nachträglich mit dem Metallblech verbundene Elemente gebildet sind. Bspw. könnte eine Mutter oder Schraube als Verbindungsstruktur an den Unterbodenabschnitt angeschweißt werden, welche dann mit einer Schraube bzw. Mutter zusammenwirkt, die den Bodenabschnitt am Unterbodenabschnitt sichert. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen denkbar. Allgemein kann die jeweilige Verbindungsstrukturen insbesondere durch Verschrauben oder Verschweißen, bspw. Punktschweißen, mit dem Bodenabschnitt verbunden sein. Bei dem verbundenen Bodenabschnitt kann es sich insbesondere um einen oben erwähnten zweiten Bodenabschnitt handeln.
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Die mechanische Stabilität des Batteriekastens lässt sich gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weiter verbessern, wenn sich vom Unterbodenabschnitt in Längsrichtung beiderseits angeordnete stirnseitige Wandabschnitte aufwärts erstrecken. Die stirnseitigen Wandabschnitte sind an der Vorderseite sowie an der Rückseite des Unterbodenabschnitt angeordnet. Gemäß einer Ausgestaltung sind sie einstückig mit dem Unterbodenabschnitt sowie mit den seitlichen Wandabschnitten ausgebildet. Zusätzlich können Sie bspw. durch direktes Verschweißen oder durch verbindende Eckelemente mit den seitlichen Wandabschnitten verbunden sein. Es ist auch möglich, dass die stirnseitigen Wandabschnitte durch separate Bauteile gebildet sind oder dass sie Abschnitte des Innenteils sind. Die stirnseitigen Wandabschnitte können unterseitige Flanschabschnitte zur Anbindung an den Unterbodenabschnitt aufweisen und/oder seitliche Flanschabschnitte zur Anbindung an die seitlichen Wandabschnitte.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der Innenteil einteilig ausgebildet. Dabei kann er eine Mehrzahl von Rückenabschnitten aufweisen, die durch Umformen wie bspw. durch Biegen oder Walzprofilieren hergestellt werden können. Zusätzlich können eine Mehrzahl von Bodenabschnitten, insbesondere ersten und zweiten Bodenabschnitte ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass lediglich ein Bauteil für den Innenteil notwendig ist, was den Zusammenbau des Batteriekastens vereinfacht. Andererseits ist die Fertigung des Innenteils u.U. aufwendig, wenn eine größere Zahl von unterschiedlichen Bereichen in einem einzigen Blechteil erzeugt werden müssen. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass der Innenteil eine Mehrzahl von Innenmodulen aufweist, von denen jedes wenigstens einen Bodenabschnitt und wenigstens einen Teil eines Rückenabschnitts bildet. Die Innenmodule können untereinander direkt verbunden sein. Es ist allerdings auch möglich, dass zwei Innenmodule lediglich indirekt über den Unterbodenabschnitt miteinander verbunden sind. Jedes Innenmodul weist einen Bodenabschnitt auf, wobei es sich insbesondere um einen ersten Bodenabschnitt und/oder einen zweiten Bodenabschnitt handeln kann. Der modulare Aufbau bedeutet zwar einen größeren Aufwand beim Zusammenbau des Batteriekastens, allerdings lassen sich die einzelnen Innenmodule mit geringerem Aufwand fertigen. Auch ist es möglich, z.B. durch Variation der Anzahl oder der Anordnung der Innenmodule den Batteriekasten zur Aufnahme unterschiedlicher Batterieeinheiten einzurichten.
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Einerseits kann der Innenteil eine Mehrzahl gleichartiger Innenmodule aufweisen. Auch hierbei sind bereits verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten denkbar, bspw. kann der Abstand der Innenmodule variiert werden oder es kann im Falle asymmetrisch ausgebildeter Innenmodule die Ausrichtung einzelner Innenmodule verändert werden. Sofern dies zur Aufnahme der Batterieeinheit sowie ggf. im ersten Zwischenraum angeordneter Hilfselemente ausreichend ist, ist diese Ausgestaltung vorteilhaft, da nur eine Art von Innenmodulen benötigt wird und hergestellt werden kann. Alternativ oder auch zusätzlich kann der Innenteil eine Mehrzahl unterschiedlich ausgebildeter Innenmodule aufweisen. Hierdurch eröffnen sich weitere Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich der Aufnahme der Batterieeinheit sowie ggf. vorgesehener Hilfselemente. Denkbar wäre in diesem Zusammenhang bspw., dass eine spezielle Art von Innenmodule für die bezüglich der Längsrichtung vorderste sowie hinterste Position vorgesehen ist, wo das Innenmodul einen o.g. stirnseitigen Wandabschnitt bildet.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass wenigstens ein Rückenabschnitt zwei aufwärts verlaufende, in Längsrichtung beabstandete Flankenabschnitte aufweist sowie einen diese verbindenden, sich horizontal erstreckenden Deckabschnitt, wobei zwischen dem Rückenabschnitt und dem Unterbodenabschnitt ein zweiter Zwischenraum ausgebildet ist. Die Flankenabschnitte sind dabei bezüglich der Längsrichtung vorderseitig und rückseitig am Rückenabschnitt angeordnet. Bevorzugt verlaufen sie in einem Winkel von wenigstens 70° zur horizontalen Ebene, insbesondere können sie wenigstens abschnittsweise vertikal verlaufen. Die Flankenabschnitte werden an ihren oberen Enden durch den Deckabschnitt verbunden, der sich horizontal erstreckt und wenigstens abschnittsweise parallel zur horizontalen Ebene verlaufen kann. Insgesamt kann der Rückenabschnitt somit ein nach unten geöffnetes U-Profil aufweisen. Durch den Abstand der Flankenabschnitte definiert dieses U-Profil zusammen mit dem Unterbodenabschnitt einen zweiten Zwischenraum. Dieser kann leer bleiben, wodurch das Gesamtgewicht minimiert wird. Alternativ kann er ähnlich dem ersten Zwischenraum mit Filmmaterial gefüllt sein und/oder ein Hilfselement für die Batterieeinheit aufnehmen.
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In einigen Ausführungsformen können die Wandabschnitte die äußeren Bereiche des Batteriekastens bilden. Dies kann bspw. in Bezug auf die seitlichen Wandabschnitte dann der Fall sein, wenn der Batteriekasten zwischen zwei Längsträgern des Elektrofahrzeugs angeordnet ist, welche aufgrund ihrer Stabilität einen ausreichenden Widerstand gegen seitlich wirkenden Extremereignisse bieten. In anderen Fällen ist es bevorzugt, dass an wenigstens einem Wandabschnitt außenseitig ein Verstärkungselement angeordnet ist. Dabei können seitliche Verstärkungselemente an den seitlichen Wandabschnitten vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich sind auch stirnseitige Verstärkungselemente an den stirnseitigen Wandabschnitten möglich. Das jeweilige Verstärkungselement kann dabei vornehmlich dazu dienen, den Batteriekasten gegenüber horizontal einwirkenden Kräften zu verstärken. Zusätzlich oder alternativ kann es allerdings auch dazu vorgesehen sein, bei einwirkenden Kräften durch Verformung Energie zu absorbieren. Das Verstärkungselement kann wie der Wannenteil und der Innenteil aus Metallblech gebildet sein. Vorteilhaft ist das Verstärkungselement mit dem Wannenteil verbunden, insbesondere mit dem benachbarten Wandabschnitt. Die Verbindung kann in unterschiedlicher Weise, bspw. durch Verschweißen oder Verschrauben hergestellt sein. Bevorzugt definiert das Verstärkungselement wenigstens einen Hohlraum, entweder allein oder zusammen mit einem anderen Element. Bspw. könnte der Hohlraum zwischen dem Verstärkungselement und dem Wandelement ausgebildet sein. Selbstverständlich ist auch eine Mehrzahl von Hohlräumen denkbar. Optional könnte ein solcher Hohlraum auch wiederum ausgeschäumt sein, um die Energieabsorption zu erhöhen. Das Verstärkungselement kann ebenfalls durch Umformung eines Metallblechs hergestellt sein. Es könnte ein geschlossenes Profil aufweisen oder ein bspw. offenes U-Profil. Gemäß einer Ausgestaltung weist das Verstärkungselement ein mäandrierendes oder wellenförmiges Profil auf.
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Optional kann an wenigstens einem Verstärkungselement außenseitig eine sich horizontal erstreckende Außenwand angeordnet sein. Die Außenwand kann wenigstens teilweise parallel zur Hochrichtung verlaufen. Sie kann wie das Verstärkungselement aus Metallblech gebildet sein. U.U. kann man die Außenwand auch als Teil des Verstärkungselements ansehen. In aller Regel ist sie unmittelbar mit dem Verstärkungselement verbunden. Eine Funktion der Außenwand kann darin bestehen, einen lokal einwirkenden Druck über eine größere Fläche zu verteilen und an das Verstärkungselement weiterzugeben. Es ist auch möglich, dass die Außenwand unmittelbar mit einem Wandabschnitt verbunden ist, bspw. wenn die Außenwand oder der Wandabschnitt einen sich horizontal erstreckenden Bereich aufweisen, der gewissermaßen das Verstärkungselement überbrückt.
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Gemäß einer Ausgestaltung könnte der jeweilige Rückenabschnitt gewissermaßen stumpf gegen den seitlichen Wandabschnitt stoßen, d.h. eine randseitige Kante des Blechs, welches den Rückenabschnitten bildet, bildet einen linienartigen Anlagebereich. Um eine bessere Verbindung zu ermöglichen, bspw. durch Punktschweißen, ist es bevorzugt, dass wenigstens ein Rückenabschnitt in Querrichtung endseitig einen mit einem Wandabschnitt verbundenen Flanschabschnitt aufweist. Der Flanschabschnitt ist durch einen abgewinkelten Abschnitt des Blechteils gebildet. Während sich der Rückenabschnitt in seiner Gesamtheit in Querrichtung erstreckt, verläuft der Flanschabschnitt in Längsrichtung, parallel zum seitlichen Wandabschnitt. Der Flanschabschnitt kann sich insbesondere an einen oben erwähnten Flankenabschnitt des Rückenabschnitts anschließen.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der Batteriekasten an einer Unterseite randseitig ein Rahmenelement auf. Das Rahmenelement ist normalerweise vollständig umlaufend ausgebildet. Es kann vertikal unterhalb des Verstärkungselements angeordnet sein. Es kann eine unterseitige Verbindung zwischen einer Außenwand und dem Wannenteil herstellen. Neben einer mechanischen Verstärkung kann es auch dazu dienen, ein Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit zu verhindern, bspw. in den Bereich zwischen Außenwand und Wannenteil. Es kann auch zur Anbindung des Batteriekastens an den Fahrzeugkörper dienen. Beispielsweise kann es Durchgangsöffnungen für Schrauben aufweisen, mit welchen der Batterierahmen am Fahrzeugkörper angeschraubt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Batteriekasten ein oberseitig mit den Wandabschnitten verbundenes Deckelelement aufweist. Dieses Deckelelement kann aus Metallblech oder aus Kunststoff gebildet sein. Normalerweise erstreckt es sich überwiegend horizontal. Es bildet einen oberseitigen Abschluss des Batteriekastens und schützt die im Innern desselben befindliche Batterieeinheit, hauptsächlich vor Schmutz und Feuchtigkeit. Bis zu einem gewissen Grad kann das Deckelelement auch die mechanische Stabilität des Batteriekastens verbessern. Randseitig kann es mit den Wandabschnitten, einem Verstärkungselement und/oder einer Außenwand verbunden sein, wobei die Verbindung lösbar ausgebildet sein kann, um einen zerstörungsfreien Zugang zu der Batterieeinheit zu ermöglichen. Bspw. kann das Deckelelement angeschraubt sein.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens;
- 2 eine perspektivische Ansicht von Teilen des Batteriekastens aus 1, einer Batterieeinheit sowie einer ersten Ausführungsform eines Großfahrzeugs mit aufgeladenen Containern des Batteriekastens aus 1 ;
- 3 eine Schnittdarstellung eines Details des Batteriekastens aus 1;
- 4 eine Schnittdarstellung eines Details einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens;
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Innenteils des Batteriekastens aus 1 ;
- 6 eine perspektivische Ansicht eines Innenteils einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens;
- 7 eine perspektivische Ansicht von Teilen einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens;
- 8 eine Schnittdarstellung eines Teils des Batteriekastens auf 1;
- 9 eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens;
- 10 eine Schnittdarstellung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens;
- 11 eine Detailansicht von 9;
- 12 eine 10 entsprechende Detailansicht einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens;
- 13-14 perspektivische Detailansichten einer achten und neunten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens;
- 15 eine Seitenansicht von Innenmodulen einer zehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriekastens; sowie
- 16 eine der zu einem Innenteil zusammengefügten Innenmodule aus 15.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Batteriekastens 1, welcher zum Einbau in einem nicht dargestellten Elektrofahrzeug, bspw. einen Pkw, vorgesehen ist. Hier und in den weiteren Figuren sind die Längsrichtung X, die Querrichtung Y sowie die Hochrichtung Z des Batteriekastens 1 eingezeichnet, welche in eingebautem Zustand den genannten Richtungen bzw. Achsen des Elektrofahrzeugs entsprechen. Erkennbar ist ein Wannenteil 10, welcher aus einem einzigen Stück hochfestem Stahlblech hergestellt ist. Das Profil des Wannenteils 10 kann bspw. durch Rollprofilieren hergestellt werden. Der Wannenteil 10 weist einen überwiegend horizontal verlaufenden Unterbodenabschnitt 11 auf sowie in Querrichtung Y beiderseits desselben zwei seitliche Wandabschnitte 14, die überwiegend parallel zur Längsrichtung X sowie zur Hochrichtung Z verlaufen, allerdings im oberen Bereich zweifach abgewinkelt sind.
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Des Weiteren ist ein Innenteil 20 erkennbar, der ebenfalls aus einem einzigen Stück hochfesten Stahlblechs hergestellt ist. Auch in diesem Fall kann das Profil durch Rollprofilieren hergestellt werden. Der Innenteil 20, welcher in 5 einzeln dargestellt ist, weist eine Mehrzahl von Bodenabschnitten 21, 22 auf, die in eingebautem Zustand dem Unterbodenabschnitt 11 zugewandt sind, sowie eine Mehrzahl von Rückenabschnitten 23, die gegenüber den Bodenabschnitten 21, 22 bezüglich der Hochrichtung Z aufragen. In diesem Fall sind insgesamt sechs erste Bodenabschnitte 21 vorgesehen, die in eingebautem Zustand am Unterbodenabschnitt 11 anliegen, wie bspw. in der Schnittdarstellung in 8 erkennbar ist, sowie drei zweite Bodenabschnitte 22, die vom Unterbodenabschnitt 11 vertikal beabstandet sind und erste Zwischenräume 33 definieren. Zwei Rückenabschnitte 23 weisen jeweils senkrecht verlaufende Flankenabschnitte 24 auf sowie einen oberseitig angeordneten Deckabschnitt 25, der sich horizontal erstreckt. Bezüglich der X-Achse jeweils endseitig sind weitere Rückenabschnitte 23 ausgebildet, die in diesem Beispiel stirnseitige Wandabschnitte 15 bilden. Die stirnseitige Wandabschnitte 15 weisen ein ähnliches Profil auf wie die seitlichen Wandabschnitte 14, verlaufen allerdings parallel zur Querrichtung Y.
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Der Innenteil 20 ist so dimensioniert, dass er zwischen die seitlichen Wandabschnitte 14 eingesetzt werden kann, wonach die ersten Bodenabschnitte 21 durch Punktschweißungen mit dem Unterbodenabschnitt 11 verbunden werden können. Außerdem können die stumpf gegen die seitlichen Wandabschnitte 14 stoßenden Flankenabschnitte 24 der Rückenabschnitte 23 mit den Wandabschnitten 14 verschweißt werden. Der entsprechende Zusammenbau von Innenteil 20 und Wannenteil 10 geht aus 2 sowie 8 hervor. Gemäß einer in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform können bezüglich der Y-Achse endseitig an den Rückenabschnitten 23 Flanschabschnitte 26 angeordnet sein, die durch Biegen des Metallblechs hergestellt werden können. In eingebautem Zustand liegen die Flanschabschnitte 26 an den seitlichen Wandabschnitten 14 an und können bspw. durch Punktschweißungen 46 mit diesen verbunden werden.
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Wie bspw. aus 2 hervorgeht, definieren der Wannenteil 10 und der Innenteil 20 zwischen jeweils zwei Rückenabschnitten 23 angeordnete Aufnahmebereiche 32 für Batteriemodule 50 einer Batterieeinheit. Außerdem können in den ersten Zwischenräumen 33 Kühlelemente 51 aufgenommen werden, welche in 2 und 8 stark schematisiert dargestellt sind. Zwischen den Rückenabschnitten 23 und dem Unterbodenabschnitt 11 sind zweite Zwischenräume 34 ausgebildet, welche in diesem Beispiel leer bleiben.
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Der Batteriekasten 1 weist außerdem Verstärkungselemente 30 auf, die in horizontaler Richtung außenseitig jedes Wandabschnitts 14, 15 angeordnet sind, wie insbesondere aus der Schnittdarstellung in 3 erkennbar ist. Die Verstärkungselemente 30 sind ebenfalls aus je einem einzigen Stück hochfesten Stahlblechs hergestellt und weisen einen Querschnitt auf, der einer Ziffer „8“ ähnelt und zwei Hohlräume 31 definiert. Auf diese Weise verstärkt das jeweilige Verstärkungselement 30 die jeweiligen Wandabschnitte 14, 15 nach außen hin, kann allerdings auch durch Verformungsenergie absorbieren, wobei die Hohlräume 31 wenigstens teilweise zusammengedrückt werden können. Nach außen hin außenseitig der Verstärkungselemente 30 sind wiederum Außenwände 35 angeordnet, die ebenfalls aus Stahlblech hergestellt sind. Wie aus 3 hervorgeht, sind die Außenwände jeweils mit den Wandabschnitten 14, 15 sowie mit den Verstärkungselementen 30 durch Punktschweißungen 46 verbunden. Unterseitig weist der Batteriekasten 1 ein umlaufendes Rahmenelement 45 auf, das durch Punktschweißungen 46 mit dem Unterbodenabschnitt 11 sowie mit der Außenwand 35 verbunden ist. Dabei können Schrauben 47 durch in 1 nicht dargestellte Löcher im Rahmenelement 45 sowie in einem horizontalen Flanschabschnitt der Außenwand 35 geführt werden und mit dem Fahrzeugkörper des Elektrofahrzeugs verbunden werden, bspw. mit einem Längsträger oder einem anderen Teil des Chassis.
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Nach oben hin wird der Batteriekasten 1 durch ein Deckelelement 40 abgeschlossen, welches ebenfalls aus Stahlblech oder aber aus Kunststoff gebildet sein kann. Dieses Deckelelement 40 ist in diesem Beispiel eben ausgebildet und verläuft in horizontaler Richtung. Es wird ebenfalls durch Schrauben 47 mit dem Wannenteil 10 verbunden, wobei die Schrauben 47 gemäß 3 durch den oberen Teil des Wandabschnitts 14, 15 sowie durch das Verstärkungselement 30 geführt sind.
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4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Verstärkungselements 30, das eine mäandrierende Form aufweist und zwischen sich und der Außenwand 35 bzw. zwischen sich und dem Wandabschnitt 14, 15 sowie dem Rahmenelement 45 insgesamt fünft Hohlräume 31 definiert. Außerdem ist in diesem Beispiel das Deckelelement 40 aufwärts gewölbt, um den Aufnahmebereich 32 für die Batteriemodule 50 zu vergrößern, ohne die Wandabschnitte 14, 15 vertikal zu verlängern. Zwischen dem Deckelelement 40 und dem oberen Teil des Wandabschnitts 14, 15 ist eine elastomeres Dichtungselement 41 zwischengeordnet.
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7 zeigt einen Wannenteil 10 sowie einen Innenteil 20 einer weiteren Ausführungsform eines Batteriekastens 1, der insgesamt überwiegend wie die in der jeweiligen 1, 2, 3, 5 und 8 dargestellte erste Ausführungsform ausgebildet ist. Allerdings sind in diesem Fall die stirnseitigen Wandabschnitte 15 nicht durch den Innenteil 20 gebildet, sondern durch den Wannenteil 10. Jeweils ein stirnseitiger Wandabschnitt 15 und ein seitlicher Wandabschnitt 14 werden durch ein Eckelement 17 verbunden, welches aus Kunststoff oder Metall ausgebildet sein kann.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Batteriekastens 1, wobei nur der Wannenteil 10 und der Innenteil 20 dargestellt sind. In diesem Fall sind insgesamt vier Aufnahmebereiche 32 für Batteriemodule 50 vorgesehen, die durch drei Rückenabschnitte 23 voneinander getrennt sind. Unterhalb jedes Aufnahmebereichs 32 sind je zwei erste Bodenabschnitte 21 ausgebildet, die wiederum durch Punktschweißungen 46 mit dem Unterbodenabschnitt 11 verbunden sind, sowie ein zweiter Bodenabschnitt 22. Dieser ist ebenfalls durch Punktschweißungen 46 mit dem Unterbodenabschnitt 11 verbunden. Um dies zu ermöglichen, weist der Unterbodenabschnitt 11 neben einem ebenen Basisabschnitt 12 nach oben vorspringende Verprägungen auf, die Verbindungsstrukturen 13 bilden. Jede Verbindungsstruktur 13 ist durch eine Punktschweißung 46 mit dem zweiten Bodenabschnitt 22 verbunden, wie auch in 11 erkennbar ist. Alternativ zu einer Schweißverbindung könnte auch entsprechend 12 ein Gewindebolzen 52 mit der Verbindungsstruktur 13 verschweißt sein, welcher durch eine Öffnung im zweiten Bodenabschnitt 22 geführt und mit einer Mutter 53 gesichert wird. Zwischen den Verbindungsstrukturen 13 können wiederum Kühlelemente 51 angeordnet sein.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Batteriekastens, bei welcher wiederum drei Aufnahmebereiche 32 für Batteriemodule 50 vorgesehen sind, die durch zwei Rückenabschnitte 23 voneinander getrennt sind. Zwischen diesen Rückenabschnitten 23 ist ein zweiter Bodenabschnitt 22 ausgebildet, während endseitig jeweils ein zweiter Bodenabschnitt 22 und ein erster Bodenabschnitt 21 ausgebildet sind, die wiederum durch Punktschweißungen 46 mit dem Basisabschnitt 12 bzw. mit den Verbindungsstrukturen 13 verbunden sind. In diesem Fall sind die ersten Zwischenräume 33 sowie die zweiten Zwischenräume 34 mit Füllmaterial 27 gefüllt, bspw. mit einem Polymerschaum.
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13 und 14 zeigen Details von Ausführungsformen, bei welchen der stirnseitige Wandabschnitt 15 durch ein eigenes Wandblech 28 gebildet ist, welches über Flanschabschnitte 29 mit dem Unterbodenabschnitt 11 sowie dem seitlichen Wandabschnitt 14 verbunden ist. Bei der Ausführungsform gemäß 13 ragen die Flanschabschnitte 29 in Längsrichtung X nicht bis zum Ende des Wannenteil. Dies erleichtert das Aufbringen von Dichtungsmaterial, um diesen Bereich gegen eindringende Feuchtigkeit und Korrosion zu schützen.
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15 und 16 zeigen eine Ausführungsform, bei welcher der Innenteil 20 nicht aus einem einzigen Blechteil gefertigt ist, sondern aus einer Mehrzahl von Innenmodulen 36 hergestellt wird. Die resultierende Form des Innenteils 20 entspricht der Ausführungsform in 10. In diesem Fall sind drei Innenmodule 36 vorgesehen, die in 15 einzeln dargestellt sind. Zwei endseitige Innenmodule 36, welche die ersten Bodenabschnitte 21 sowie die außenseitigen zweiten Bodenabschnitte 22 bilden, sind spiegelsymmetrisch ausgebildet, d. h. sie weisen eine identische Form auf und sind lediglich entgegengesetzt orientiert. Ein mittleres Innenmodul 36, welches den mittleren zweiten Bodenabschnitt 22 bildet, unterscheidet sich in seiner Form. Jedes der Innenmodule 36 bildet jeweils einen Teil eines der Rückenabschnitte 23. In zusammengebautem Zustand überlappen sich die Innenmodule 36 teilweise und sind durch Punktschweißungen 46 verbunden.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Batteriekasten
- 10
- Wannenteil
- 11
- Unterbodenabschnitt
- 12
- Basisabschnitt
- 13
- Verbindungsstruktur
- 14
- seitlicher Wandabschnitt
- 15
- stirnseitige Wandabschnitt
- 17
- Eckelement
- 20
- Innenteil
- 21
- erster Bodenabschnitt
- 22
- zweiter Bodenabschnitt
- 23
- Rückenabschnitt
- 24
- Flankenabschnitt
- 25
- Deckabschnitt
- 26, 29
- Flanschabschnitt
- 27
- Füllmaterial
- 28
- Wandblech
- 30
- Verstärkungselement
- 31
- Hohlraum
- 32
- Aufnahmebereich
- 33
- erster Zwischenraum
- 34
- zweiter Zwischenraum
- 35
- Außenwand
- 36
- Innenmodul
- 40
- Deckelelement
- 41
- Dichtungselement
- 45
- Rahmenelement
- 46
- Punktschweißung
- 47
- Schraube
- 48
- Füllmaterial
- 50
- Batteriemodul
- 51
- Kühlelement
- 52
- Gewindebolzen
- 53
- Mutter
- X
- Längsrichtung
- Y
- Querrichtung
- Z
- Hochrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016115037 A1 [0003]
- DE 102017117093 A1 [0004]
- DE 102017205447 B4 [0005]
- DE 102018110519 B4 [0006]
- DE 102018120268 A1 [0007]
- DE 102019123906 A1 [0008]