DE102011112977A1

DE102011112977A1 - Fahrzeug mit einer elektrochemischen Energiespeichereinheit

Info

Publication number: DE102011112977A1
Application number: DE102011112977A
Authority: DE
Inventors: Morris Hand; Dipl.-Ing. Jäger Gernot; Dipl.-Ing. Lendering Thomas; Tobias Moers; Thomas Strohmeier
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) mit zumindest einer elektrochemischen Energiespeichereinheit (4), welche in einem Mitteltunnel (3) einer Bodenstruktur (6) angeordnet ist. Erfindungsgemäß besteht der Mitteltunnel (3) zumindest abschnittsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrochemischen Energiespeichereinheit, die in einem Mitteltunnel einer Fahrzeugkarosserie angeordnet ist.
Aus der US 2010/0320012 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb bekannt, welches zumindest eine mit dem elektrischen Antrieb gekoppelte Energiespeichereinheit zur Speicherung elektrischer Energie umfasst. Weiterhin umfasst das Kraftfahrzeug ein Führungselement, welches die Energiespeichereinheit in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs verschiebbar hält. Das Führungselement ist im Bereich eines in Längsrichtung des Fahrzeugs verlaufenden Mitteltunnels angeordnet.
Die US 2010/0213741 A1 offenbart eine Bodenstruktur einer Fahrzeugkarosserie mit einem sich in Längsrichtung der Fahrzeugkarosserie erstreckenden Mitteltunnel, wobei in dem Mitteltunnel eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung angeordnet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das aus dem Stand der Technik bekannte Fahrzeug mit elektrochemischer Energiespeichereinheit in einer solchen Weise zu verbessern, dass die Energiespeichereinheit in besonders gewichtssparender Weise im Fahrzeug angeordnet werden kann und damit die Reichweite des Fahrzeugs optimiert werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Fahrzeug gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach ist die elektrochemische Energiespeichereinheit in einem Mitteltunnel des Fahrzeugs angeordnet, welcher zumindest abschnittsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht. Insbesondere kann der Mitteltunnel in Gestalt eines Gehäuses ausgeführt sein, in dem die Energiespeichereinheit oder Teile der Energiespeichereinheit aufgenommen ist bzw. sind. Vorzugsweise besteht der Mitteltunnel aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff. Solche kohlefaserverstärkten Kunststoffe (karbonfaserverstärkte Kunststoffe oder CFK) haben eine geringe spezifische Dichte und Steifigkeit, haben somit ein hohes Leichtbau-Potential und gelten daher als vielversprechende innovative Werkstoffe für den Automobilbau. Die zur Verstärkung eingesetzten Kohlefasern haben ein geringes spezifisches Gewicht, sind hochfest und haben darüber hinaus schwingungsdämpfende Eigenschaften. CFK eignet sich somit hervorragend für die Verwendung in Strukturbauteilen in der Automobilindustrie.
Die erfindungsgemäße Gestaltung des Mitteltunnels als faserverstärktes Kunststoffteil, insbesondere als CFK-Bauteil, führt somit – verglichen mit herkömmlich zum Einsatz kommenden Tunnelstrukturen aus Aluminium – zu einer erheblichen Gewichtsersparnis des Fahrzeugs, was eine Erhöhung der Reichweite des Fahrzeugs mit sich bringt. in Aluminiumbauweise hergestellte Fahrzeugteile sind aufgrund der zu verwendenden Wandstärken bis zu 30% schwerer als vergleichbare CFK-Bauteile, so dass durch den Werkstoff CFK eine deutliche Gewichtsersparnis gegenüber Aluminium erreicht werden kann. Insbesondere sind Carbonfaserkomponenten bei gleicher Stabilität um bis zu 50% leichter als Stahlkomponenten. Die Verwendung faserverstärkter Kunststoffe zur Herstellung des Mitteltunnels bringt somit Bauraumgewinn für die Batteriemodule und spart gleichzeitig Fahrzeuggewicht.
Der als CFK-Leichtbaustruktur ausgestaltete Mitteltunnel kann unter Zuhilfenahme von FEM-Berechnungen in einer solchen Weise ausgelegt werden, dass Rahmensteifigkeiten und Crash-Sicherheit im Spitzenbereich gängiger Automobil-Standards bei gleichzeitiger markanter Absenkung des Systemgewichts erreicht werden. Die Realisierung der CFK-Leichtbaustruktur setzt somit einen neuen Referenzstandard bei der Kombination aus Funktion und Sicherheit: High-End Fertigungstechnik und moderne Carbon-Konzeptentwicklung ermöglichen die Realisierung technischer Rohbaufunktionen und genügen hohen Anforderungen in Bezug auf Biege- und Torsionssteifigkeit und geometrischer Gestaltungsvielfalt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem einen Mitteltunnel bildenden Batteriegehäuse zur Aufnahme einer elektrochemischen Energiespeichereinheit;
2 eine Aufsicht auf das Fahrzeug der 1;
3a eine schematische Darstellung des Anordnung des Batteriegehäuses im Fahrzeug der 1;
3b eine schematische Darstellung der im Batteriegehäuse der 3a aufgenommenen Batteriemodule;
3c eine schematische Darstellung einer Trägerplatte für die im Batteriegehäuse aufgenommenen Batteriemodule.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einer Aluminium-Karosserie, in der ein Mitteltunnel 3 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) verbaut ist. Dieser Mitteltunnel 3 aus CFK bildet Teil einer Bodenstruktur 6 des Fahrzeugs 1 und ist als Gehäuse 2 ausgestaltet, in dem eine elektrochemische Energiespeichereinheit, insbesondere eine Antriebsbatterie des Fahrzeugs 1, aufgenommen ist. Dies ist in 3a und 3b gezeigt, in denen die schematische Anordnung des Gehäuses 2 und in seinem Inneren enthaltenen Batteriemodule 4 dargestellt ist. Die Batteriemodule 4 sind dabei auf einer in 3c gezeigten Trägerplatte 5 aus CFK befestigt, die das Batteriegehäuse 2 nach unten hin abschließt und die von unten her an die Karosserie 1 angeschraubt ist.
Der CFK-Mitteltunnel 3 stellt einen integrierten Bestandteil der Fahrzeugkarosserie dar und ist in einer solchen Weise gestaltet, dass es die Verwindungssteifigkeit der Karosserie erhöht. Der CFK-Mitteltunnel 3, der auch als „Batterie-Carbon-Monocoque” bezeichnet werden kann, bildet somit quasi das „Rückgrat” einer extrem verwindungssteifen Fahrzeugkarosserie. Er ist für höchste Anforderungen an die Crash-Sicherheit ausgelegt und schützt die Batteriemodule 4 in seinem inneren vor eindringenden Gegenständen oder Verformungen im Falle eines Crashs. Die Werkstoffe (Fasern, Kunststoffmatrix) sind dabei in einer solchen Weise gewählt, dass für die innenliegenden Batteriemodule 4 die geforderte Crash-Sicherheit selbst mit kleinstem Bauraum gewährleistet werden kann.
Der in 1 gezeigte CFK-Mitteltunnel 3 ist in einer solchen Weise gestaltet, dass der Aufnahmeraum für Batteriemodule 4 im geschützten Innenraum der Fahrzeugkarosserie optimiert wird; Die Breite des Mitteltunnels im vorderen und hinteren Bereich der Karosserie ist größer als im mittleren Bereich. Dadurch können Teile des Motorraums zur Unterbringung von Batteriemodulen genutzt werden, Weiterhin stehen Räume im Bereich der Rückwand, in denen bei Fahrzeugen mit Verbrennungsantrieb der Kraftstofftank untergebracht ist, zur Aufnahme weiterer Batteriemodule 4 zur Verfügung. Dabei ermöglicht die CFK-Bauweise eine geringe Wandstärke, so dass generell der freie Bauraum, der zur Aufnahme von Batteriemodulen 4 zur Verfügung steht, packageneutral maximiert werden kann.
Zur Erzeugung des CFK-Mitteltunnels 3 werden zunächst aus Carbonfaserbündeln mehrlagige Fasermatten hergestellt; dabei können insbesondere Web- und Nähverfahren zum Einsatz kommen. Die Fasermatten werden zu dreidimensionalen Gebilden, sogenannten Preforms, konfektioniert. Durch Injektion eines flüssigen Kunstharzes und anschließende Aushärtung in einem RTM- oder RIM-Werkzeug wird aus den Preforms das gewünschte Bauteil in seiner endgültigen Form gefertigt. Alternativ können zur Herstellung des CFK-Mitteltunnels Faserlagen verwendet werden, die bereits mit Harz imprägniert sind und in einem Autoklaven in die endgültige Bauteilform und ausgehärtet werden. Diese Herstellverfahren ermöglichen die Umsetzung einer komplexen Bauteilgeometrie und gewährleisten einen wanddickenoptimierten und belastungsgerechten CFK-Strukturaufbau.
Das hochfeste „Batterie-Carbon-Monocoque” 2 wird im Zuge des Fahrzeugrohbaus mit Hilfe von Klebe- und/oder Schraubverbindungen an die Aluminium-Fahrzeugstruktur angebunden. Alternativ sind auch andere Fügeverfahren (wie Schrauben etc.) einsetzbar. Die Batteriemodule 4 werden über Schraubverbindungen an der CFK-Trägerplatte 5 befestigt und im Zuge der Fahrzeugmontage von unten her an die Fahrzeugkarosserie bzw. den Mitteltunnel 3 angeschraubt, so dass die Batteriemodule 4 in dem Hohlraum zwischen Mitteltunnel 3 und Trägerplatte 5 aufgenommen sind.
Wie in 1 gezeigt, weist der CFK-Mitteltunnel 3 in seinem vorderen Bereich eine Öffnung auf, die einen Zugang zum Innenraum des Mitteltunnels 3 ermöglicht. Diese Öffnung gestattet es, in diesem Bereich zwei übereinander angeordnete Lagen von Batteriemodulen im Innenraum des Mitteltunnels 3 unterzubringen (siehe 3b).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0320012 A1 [0002]
US 2010/0213741 A1 [0003]

Claims

Fahrzeug (1) mit zumindest einer elektrochemischen Energiespeichereinheit (4), welche in einem Mitteltunnel (3) einer Bodenstruktur (6) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltunnel (3) zumindest abschnittsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltunnel (3) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltunnel (3) mit Hilfe eines Klebeverfahrens mit der Bodenstruktur (6) verbunden ist.