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Patent Searching and Data


Title:
BATTERY HOUSING FOR A VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/105746
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a battery housing (1) for accommodating battery modules (20), in particular for an electrically driven vehicle or a vehicle having a hybrid drive, and to the use of the battery housing (1) according to the invention.

Inventors:
NIERHOFF, Daniel (Am Rathaus 6, Mülheim an der Ruhr, 45468, DE)
Application Number:
EP2018/081358
Publication Date:
June 06, 2019
Filing Date:
November 15, 2018
Export Citation:
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Assignee:
THYSSENKRUPP STEEL EUROPE AG (Kaiser-Wilhelm-Straße 100, Duisburg, 47166, DE)
THYSSENKRUPP AG (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
International Classes:
H01M2/10; B60K1/04
Foreign References:
EP2910394A12015-08-26
DE102010024320A12011-12-22
DE102016117224A12017-03-23
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
THYSSENKRUPP INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Batteriegehäuse (1) zur Aufnahme von Batteriemodulen (20), insbesondere für ein elek- trisch angetriebenes Fahrzeug oder ein Fahrzeug mit FHybridantrieb, umfassend

- einen Kasten mit einem Rahmen und einem ersten Boden (2), welcher einen Innenbe- reich (3) bereitstellt,

- mindestens einen oberen Längsträger (4) und/oder mindestens einen oberen Querträ- ger (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) ausbil- det,

- mindestens einen unteren Längsträger (9) und/oder mindestens einen unteren Quer- träger (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 Deformations- raum (8) angeordnet ist,

- einen Deckel (11) zum Schließen des Kastens,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Zargenbereich (9.2, 10.2) des unteren Längsträgers (9) und/oder des unteren Quer- trägers (10) zumindest eine Stufe (9.21, 10.21) aufweist.

2. Batteriegehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Längsträger (9) und/oder der untere Querträger (10) derart im Deformationsraum (8) angeordnet ist, dass der optionale Flanschbereich (9.3, 10.3) mit dem zweiten Boden (7) und der Boden- bereich (9.1, 10.1) mit dem ersten Boden (2) in Kontakt steht.

3. Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zargenbereich (9.2, 10.2) des unteren Längsträgers (9) und/oder des unteren Querträgers (10) mehrere Stufen aufweist.

4. Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe (9.21, 10.21) oder Stufen im Zargenbereich (9.2, 10.2) des unteren Längsträgers (9) und/oder des unteren Querträgers (10) symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet ist oder sind.

5. Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Längsträger (9) unterhalb des oberen Längsträgers (4) und/oder der un- tere Querträger (10) unterhalb des oberen Querträgers (5) angeordnet ist.

6. Batteriegehäuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Boden- bereichs (9.1, 10.1) des unteren Längsträgers (9) und/oder des unteren Querträgers (10) gleich oder geringer ist als die Breite des oberen Längsträgers (4) und/oder des oberen Querträgers (5).

7. Batteriegehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des unteren Längsträgers (9) und/oder des unteren Querträgers (10) grö- ßer ist als die Breite des oberen Längsträgers (4) und/oder des oberen Querträgers (10).

8. Verwendung eines Batteriegehäuses nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Personenfahr- zeugen, Nutzfahrzeugen, Lastkraftwagen, Sonderfahrzeugen, Bussen, Omnibussen, ob mit Hybrid- oder reinem elektrischen Antrieb, aber auch in gleisgebundenen Fahrzeugen, wie beispielsweise Straßenbahnen oder personenbefördernden.

Description:
BATTERIEGEHÄUSE FÜR EIN FAHRZEUG

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse für ein elektrisch angetriebenes Fahr- zeug oder für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb und eine Verwendung des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses.

Technischer Hintergrund

Die zunehmende bzw. anhaltende Elektrifizierung von Fahrzeugen, insbesondere von Automo- bilen, und der gleichzeitige Kundenwunsch nach hohen Reichweiten solcher Fahrzeuge, erfor- dert 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 Be- schädigung wie auch zur Abfuhr der während der Fahrt des Fahrzeugs durch die Batteriemo- dule erzeugte Wärme. Damit ergeben sich komplexe Anforderungen hinsichtlich der Faktoren Bauraum, Crashperformance, Gewicht, Dichtigkeit etc.

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 zwi- schen den sensiblen Batteriemodulen und dem ersten respektive untersten Boden des Ge- häuses 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 be- stehen 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.

Die aus dem Stand der Technik bekannte kassettenartige, abstützende Struktur aus Längs- und/oder Querträgerelementen zwischen einem unteren Boden (Unterfahrschutz) des Gehäu- ses und dem Boden (Zwischenboden) des Gehäuses schafft den im Crashfall benötigten De- formationsraum zum Schutz der empfindlichen Batteriemodule bei einer Belastung von unten. 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 Verfü- gung stehende Deformationsraum unter Last möglichst gut ausgenutzt;

- eine große Breite der Profile wirkt sich positiv auf die (Biege-)Steifigkeit aus und unter- stützt den Zwischenboden gegen Intrusion;

- sie dürfen nicht zu breit sein, damit der benötigte Freiraum unterhalb der Batteriemo- dule bestehen bleibt;

- die für eine gute Ausnutzung des Deformationsraums vorteilhaften, besonders biege- steifen 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 Be- schädigung der Batteriemodule durch die direkt angrenzenden, deformierende Bautei- le, wie zum Beispiel Zwischenboden, Längs- und/oder Querträgerelemente zwischen den Batteriemodulen, etc. kommen, ohne, dass der zur Verfügung stehende Deforma- tionsraum bereits voll ausgenutzt wurde;

- generell ist ein geringes Gewicht anzustreben.

Aus dem Stand der Technik sind zum Beispiel nach unten oder nach oben offene, hutprofilar- tige 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 erforder- lich.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Batteriegehäuse, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, bereitzustellen, welches im Wesentlichen die vorgenann- ten Anforderungen erfüllt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Batteriegehäuse mit den Merkmalen des Patentan- spruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

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 Querträ- ger, 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 Querträ- gers zumindest eine Stufe aufweist.

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 Quer- trägerprofils. 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 die nen. Auf diese Weise ist es möglich, die Crashenergie gezielt abzubauen und dabei die entste- hende Deformation in einen Bereich zu verschieben, so dass die Batteriemodule zunächst nicht beeinträchtigt sind. Eine globale Biegung und/oder Torsion der darüber liegenden Struk- tur (erster Boden, oberer Längsträger und/oder Querträger, Deckel) kann deutlich abge- schwächt werden und dadurch die Gefahr einer Beschädigung der Batteriemodule durch be- nachbarte Bauteile (erster Boden, oberer Längsträger und/oder Querträger) vermindert wer- den kann. Die Stufe muss nicht unbedingt rechtwinklig ausgeführt sein, sondern kann insbe- sondere anhand der Ausführung respektive Geometrie des Zargenbereichs auch andere Win- kel einnehmen.

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 stoff- schlüssig gefügt werden. Alternativ kann auf die Flansche verzichtet werden, so dass der un- tere 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 be- festigten Schweißbolzen gefügt werden.

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 Defor- mationsverhalten in Abhängigkeit der umgebenden Gehäusegestaltung genommen werden, so dass eine Beschädigung der Batteriemodule möglichst verhindert werden kann.

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 wer- den.

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 Batte- riemodule 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 Struk- tur (obere Längs- und/oder obere Querträger) und nicht in die seitlich angeordneten Batterie- module erfolgt. Auch die Momentenübertragung und damit die globale Biegung und/oder Torsion können durch die kleine Hebelwirkung gering gehalten werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Breite, insbesondere die gesamte Breite des un- teren Längsträgers und/oder des unteren Querträgers größer als die Breite des oberen Längs- trägers und/oder des oberen Querträgers, um den zweiten Boden gegen eine Intrusion zu unterstützen. Insbesondere im Zusammenhang mit der mindestens einen Stufe im Zargenbe- reich bleibt der nötige Freiraum unterhalb der Batteriemodule auch bei einer Torsion erhalten.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemä- ßen Batteriegehäuses in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder einem Fahrzeug mit Hybridantrieb, insbesondere ein Personenfahrzeug, Nutzfahrzeug, Sonderfahrzeug, vorzugs- weise Bus, Omnibus, ein gleisgebundenes Fahrzeug, vorzugsweise Straßenbahn oder perso- nenbefördernder Waggon.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses aus dem Stand der Technik und

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses gemäß einer erfindungsge- mäßen Ausführungsform.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ein aus dem Stand der Tech- nik 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 vorge- sehen ist, umfasst einen Kasten mit einem Rahmen und einem ersten Boden (2), welcher einen Innenbereich (3) bereitstellt, mindestens einen oberen Längsträger (4) und/oder min- destens 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), wel- cher beabstandet zum ersten Boden (2) angeordnet ist und einen Deformationsraum (8) zwi- schen 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 Bodenbe- reich (9.1, 10.1), Zargenbereich (9.2, 10.2) und optionalen Flanschbereich (9.3, 10.3) ausge- bildet ist und im Deformationsraum (8) angeordnet ist, und einen Deckel (11) zum Schließen des Kastens. Figur 1 zeigt den Endzustand nach einer simulierten Belastung durch einen Fremdkörper (12), der von unten auf das Batteriegehäuse (1) respektive auf den zweiten Bo- den (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 Beschädi- gung des Batteriemoduls (20) und damit die Gefahr eines Kurzschlusses nicht mehr ausge- schlossen werden kann.

In Fig. 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 Figur 1 gezeigt, wurde auch bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform eine simulierte Belastung durch einen Fremdkörper (12) durchgeführt, der von unten auf das Bat- teriegehäuse (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 min- destens 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) un- terhalb des oberen Längsträgers (4) und/oder der untere Querträger (10) unterhalb des obe- ren Querträgers (5) angeordnet. Die Breite des Bodenbereichs (9.1, 10.1) des unteren Längs- trägers (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 Ausfüh- rungsform 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).

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführung beschränkt, sondern die einzelnen Merk- male sind beliebig miteinander kombinierbar. Der obere Längsträger und/oder obere Querträ- ger ist nicht auf ein insbesondere hutförmiges Profil beschränkt. Vielmehr können auch ande- re Profilquerschnitte entsprechend eingesetzt werden. Besonders bevorzugt kann das erfin- dungsgemäße Batteriegehäuse in Personenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, Lastkraftwagen, Sonderfahrzeugen, Bussen, Omnibussen, ob mit Hybrid- oder reinem elektrischen Antrieb, aber auch in gleisgebundenen Fahrzeugen, wie beispielsweise Straßenbahnen oder perso- nenbefördernden Waggons verwendet werden.