DE102011112977A1

DE102011112977A1 - Vehicle e.g. motor vehicle has electrochemical energy storage unit e.g. battery module that is arranged in center hollow frame that is utilized as battery housing

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

The vehicle (1) has an electrochemical energy storage unit e.g. battery module that is arranged in a center hollow frame (3) that is utilized as battery housing (2). The center hollow frame is made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP). The center tunnel is connected to a floor structure (6) by a bonding process. The battery module is attached to carbon fiber made support plate provided in floor structure.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrochemischen Energiespeichereinheit, die in einem Mitteltunnel einer Fahrzeugkarosserie angeordnet ist.The invention relates to a vehicle with an electrochemical energy storage unit, which is arranged in a center tunnel of a vehicle body.

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.From the US 2010/0320012 A1 a motor vehicle with an electric drive is known which comprises at least one coupled to the electric drive energy storage unit for storing electrical energy. Furthermore, the motor vehicle comprises a guide element which holds the energy storage unit displaceable in the longitudinal direction of the motor vehicle. The guide element is arranged in the region of a center tunnel running in the longitudinal direction of the vehicle.

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.The US 2010/0213741 A1 discloses a floor structure of a vehicle body having a center tunnel extending in the longitudinal direction of the vehicle body, wherein an electrochemical energy storage device is arranged in the center tunnel.

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.The invention is therefore based on the object to improve the known from the prior art vehicle with electrochemical energy storage unit in such a way that the energy storage unit can be arranged in a particularly weight-saving manner in the vehicle and thus the range of the vehicle can be optimized.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Fahrzeug gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved with a vehicle having the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the vehicle according to the invention are the subject of the dependent claims.

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.Thereafter, the electrochemical energy storage unit is arranged in a center tunnel of the vehicle, which at least partially consists of a fiber-reinforced plastic. In particular, the center tunnel can be designed in the form of a housing in which the energy storage unit or parts of the energy storage unit is or are received. Preferably, the center tunnel consists of a carbon fiber reinforced plastic. Such carbon fiber reinforced plastics (carbon fiber reinforced plastics or CFRP) have a low specific density and rigidity, thus have a high lightweight potential and are therefore considered promising innovative materials for the automotive industry. The carbon fibers used for reinforcement have a low specific weight, are high-strength and also have vibration-damping properties. CFRP is therefore ideally suited for use in structural components in the automotive industry.

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.The design of the center tunnel according to the invention as a fiber-reinforced plastic part, in particular as a CFRP component, thus leads to a considerable weight saving of the vehicle compared to conventionally used tunnel structures made of aluminum, which entails an increase in the range of the vehicle. Due to the wall thicknesses to be used, vehicle parts produced in aluminum construction are up to 30% heavier than comparable CFRP components, so that a significant weight saving compared to aluminum can be achieved with the CFRP material. In particular, carbon fiber components with the same stability are up to 50% lighter than steel components. The use of fiber-reinforced plastics for the production of the center tunnel thus brings space savings for the battery modules and simultaneously saves vehicle weight.

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.The center tunnel designed as a CFRP lightweight structure can be designed with the help of FEM calculations in such a way that frame stiffness and crash safety in the top range of common automotive standards can be achieved while significantly reducing the system weight. The realization of the CFRP lightweight construction structure thus sets a new reference standard in the combination of function and safety: High-end production technology and modern carbon concept development enable the realization of technical shell construction functions and meet high requirements in terms of bending and torsional rigidity and geometric design diversity.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawings. Showing:

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem einen Mitteltunnel bildenden Batteriegehäuse zur Aufnahme einer elektrochemischen Energiespeichereinheit; 1 a perspective view of a vehicle according to the invention with a center channel forming a battery housing for receiving an electrochemical energy storage unit;

2 eine Aufsicht auf das Fahrzeug der 1; 2 a top view of the vehicle 1 ;

3a eine schematische Darstellung des Anordnung des Batteriegehäuses im Fahrzeug der 1; 3a a schematic representation of the arrangement of the battery case in the vehicle of 1 ;

3b eine schematische Darstellung der im Batteriegehäuse der 3a aufgenommenen Batteriemodule; 3b a schematic representation of the battery in the housing 3a received battery modules;

3c eine schematische Darstellung einer Trägerplatte für die im Batteriegehäuse aufgenommenen Batteriemodule. 3c a schematic representation of a support plate for the battery modules accommodated in the battery module.

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. 1 shows a schematic representation of a vehicle 1 with an aluminum body in which a center tunnel 3 made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is installed. This middle tunnel 3 made of CFRP forms part of a soil structure 6 of the vehicle 1 and is as a housing 2 configured in which an electrochemical energy storage unit, in particular a drive battery of the vehicle 1 , recorded. This is in 3a and 3b shown in which the schematic arrangement of the housing 2 and battery modules contained within 4 is shown. The battery modules 4 are doing an on 3c shown carrier plate 5 made of CFK attached to the battery case 2 closes at the bottom and the bottom of the body 1 screwed on.

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.The CFRP center tunnel 3 represents an integral part of the vehicle body and is designed in such a way that it increases the torsional rigidity of the body. The CFRP center tunnel 3 , which can also be referred to as a "battery carbon monocoque", thus forms virtually the "backbone" of an extremely torsion-resistant vehicle body. It is designed for the highest demands on crash safety and protects the battery modules 4 in its interior against invading objects or deformations in the event of a crash. The materials (fibers, plastic matrix) are chosen in such a way that for the internal battery modules 4 the required crash safety can be guaranteed even with the smallest space.

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.The in 1 shown CFRP center tunnel 3 is designed in such a way that the receiving space for battery modules 4 is optimized in the protected interior of the vehicle body; The width of the center tunnel in the front and rear of the body is greater than in the middle area. As a result, parts of the engine compartment can be used for accommodating battery modules. Furthermore, there are rooms in the region of the rear wall, in which the fuel tank is accommodated in vehicles with combustion drive, for receiving further battery modules 4 to disposal. The CFRP construction allows a small wall thickness, so that in general the free space, for receiving battery modules 4 is available, can be maximized packageneutral.

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.For the production of the CFRP center tunnel 3 First, multi-layer fiber mats are made from carbon fiber bundles; In particular, weaving and sewing methods can be used. The fiber mats are assembled into three-dimensional structures, so-called preforms. By injection of a liquid synthetic resin and subsequent hardening in an RTM or RIM tool, the desired component is produced in its final form from the preforms. Alternatively, fiber layers which are already impregnated with resin and are cured in an autoclave into the final component shape and hardened can be used to produce the CFRP center tunnel. These manufacturing methods enable the implementation of a complex component geometry and ensure a wall thickness-optimized and load-compatible CFRP structure structure.

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.The high-strength "battery-carbon monocoque" 2 is connected to the aluminum vehicle structure in the course of vehicle body construction with the help of adhesive and / or screw connections. Alternatively, other joining methods (such as screws, etc.) can be used. The battery modules 4 are screw connections on the CFK carrier plate 5 attached and in the course of vehicle assembly from below to the vehicle body or the center tunnel 3 screwed on, leaving the battery modules 4 in the cavity between the center tunnel 3 and support plate 5 are included.

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).As in 1 shown, shows the CFRP center tunnel 3 in its front area an opening that gives access to the interior of the center tunnel 3 allows. This opening allows, in this area, two superimposed layers of battery modules in the interior of the center tunnel 3 to accommodate (see 3b ).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims

Vehicle ( 1 ) with at least one electrochemical energy storage unit ( 4 ), which are in a center tunnel ( 3 ) a soil structure ( 6 ) is arranged, characterized in that the center tunnel ( 3 ) consists at least in sections of a fiber-reinforced plastic.

Vehicle ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the center tunnel ( 3 ) consists of carbon fiber reinforced plastic (CFRP).

Vehicle ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the center tunnel ( 3 ) by means of a gluing process with the soil structure ( 6 ) connected is.