DE102012202163A1 - Device for e.g. lifting traction battery in under floor-side installation space of electric car, has lever mounted at battery tray with spindle and nut, and holding unit mounted at vehicle, where force arm of lever is connected with nut - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum unterbodenseitigen Austausch von Wechselbatterien bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, wobei die Einrichtung sowohl die Aufnahme eines unterbodenseitig in das Fahrzeug montierbaren Batterietrogs unterstützt als auch den aufgenommenen Batterietrog im Fahrzeug verliersicher fixiert. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das für einen Batteriewechsel unter zur Hilfenahme der gattungsgemäßen Einrichtung ausgestattet ist sowie einen hierfür eingerichteten Batterietrog.The invention relates to a device for the exchange-side replacement of replaceable batteries in an electrically driven vehicle, wherein the device supports both the inclusion of a bottom side mounted in the vehicle battery trough and fixed captive battery trough in the vehicle. Furthermore, the invention relates to a vehicle that is equipped for a battery change with the help of the generic device and a battery tray designed for this purpose.
Im Zuge der Verknappung fossiler Energieträger und verstärkter Schadstoffbelastung durch einen weltweit zunehmenden Individualverkehr gewinnt die Suche nach alternativen Antriebskonzepten zum Verbrennungsmotor an Bedeutung. So werden derzeit elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge als die Zukunft des Individualverkehrs gehandelt. Insbesondere dann, wenn die für den Betrieb der Elektrofahrzeuge eingesetzte Primärenergie regenerativer Art ist wie Sonne, Wind oder Gezeiten, kann eine deutliche Verbesserung der Ökobilanz des Individualverkehrs durch dessen Elektrifizierung erzielt werden.In the course of the scarcity of fossil fuels and increased pollutant pollution by an increasing individual traffic worldwide, the search for alternative drive concepts for internal combustion engines is gaining in importance. For example, electrically powered vehicles are currently being treated as the future of individual transport. In particular, if the primary energy used for the operation of the electric vehicles of regenerative nature such as sun, wind or tides, a significant improvement in the environmental performance of individual transport can be achieved by its electrification.
Einem flächendeckenden Einzug elektrisch betriebener Fahrzeuge stehen jedoch nach wie vor die hohen Kosten der zur Energiespeicherung benötigten Batterie entgegen sowie deren begrenzte Speicherkapazität und ihre im Vergleich zu einem Tankvorgang lange Ladedauer. Die derzeit verfügbare Batterietechnologie ermöglicht nicht die Energiedichte fossiler Brennstoffe, so dass die Reichweite rein elektrisch angetriebener Fahrzeuge nicht den Anforderungen vieler Verbraucher gerecht wird. Da das Laden der Batterie mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann, eignet sich das Elektrofahrzeug nicht ohne Weiteres für den Langstreckenverkehr.However, a nationwide collection of electrically powered vehicles are still the high cost of the energy storage required battery and their limited storage capacity and their compared to a refueling long charging time. The currently available battery technology does not allow the energy density of fossil fuels, so that the range of purely electrically powered vehicles does not meet the needs of many consumers. Since charging the battery can take several hours, the electric vehicle is not easily suitable for long-distance travel.
Ein Ansatz zur Ertüchtigung elektrisch betriebener Fahrzeuge für den Langstreckenverkehr stellen jedoch Batteriewechselsysteme dar, wie sie beispielsweise aus
Bei einem solchen Modell erwirbt nicht der Fahrer die teure Traktionsbatterie, was die anfänglichen Investitionen für ein Elektrofahrzeug deutlich reduziert. Vielmehr ist beispielsweise der Betreiber der Wechselstation oder ein weiterer Serviceprovider Eigentümer der Batterie, der sich wiederum über entsprechende Nutzungsgebühren finanzieren kann.In such a model, the driver does not purchase the expensive traction battery, which significantly reduces the initial investment for an electric vehicle. Rather, for example, the operator of the changing station or another service provider owner of the battery, which in turn can finance through appropriate user fees.
Die Attraktivität einer derartigen Infrastruktur hängt entscheidend davon ab, ob es gelingt, ein Batteriewechselsystem zu vernünftigen Kosten verfügbar zu machen, welches einen zügigen Wechsel des Akkumulators vergleichbar mit einem heutigen Tankvorgang erlaubt. Hierbei gilt es, die mechanischen und elektrischen Schnittstellen zwischen Fahrzeug, Batterie und Wechselstation unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimal aufeinander abzustimmen.The attractiveness of such an infrastructure depends crucially on whether it makes it possible to make available a battery replacement system at a reasonable cost, which allows a rapid change of the accumulator comparable to a current refueling process. Here, it is important to coordinate the mechanical and electrical interfaces between the vehicle, battery and changeover station under optimal technical and economic aspects.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Batteriewechsel bei einem elektrische angetriebenen Fahrzeug mit Wechselakkumulator zu vereinfachen.The invention has for its object to simplify a battery change in an electric vehicle with Wechselakkumulator.
Dieser Aufgabe wird durch eine Einrichtung zum Heben und Fixieren einer Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs in einen unterbodenseitigen Bauraum des Fahrzeugs mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Diese umfasst
- – einen Batterietrog zur Aufnahme der Traktionsbatterie,
- – eine Spindel mit einem Spindelkopf, über den ein Antriebsmoment von einem Aktuator auf die Spindel übertragbar ist,
- – eine mit der Spindel formschlüssig verbundene, in Richtung der Spindelachse bewegliche und drehfest gelagerte Gewindemutter,
- – einen drehbar gelagerten Hebel, dessen Kraftarm mit der Gewindemutter unmittelbar verbunden ist derart, dass eine Bewegung der Gewindemutter in Richtung der Spindelachse eine Schwenkbewegung des Hebels um seinen Angelpunkt bewirkt, und
- – ein Haltemittel, in das der Hebel während der Schwenkbewegung eingreifen kann, um das Heben des Batterietroges in das Fahrzeug und dessen Fixierung zu bewirken,
- – das Haltemittel am Batterietrog befestigt ist und der Hebel mit der Spindel und der Mutter am Fahrzeug montierbar sind oder
- – der Hebel mit der Spindel und der Mutter am Batterietrog befestigt sind und das Haltemittel am Fahrzeug montierbar ist.
- A battery tray for holding the traction battery,
- A spindle with a spindle head, via which a drive torque can be transmitted from an actuator to the spindle,
- A threaded nut connected in a form-fitting manner with the spindle and movable in the direction of the spindle axis, and non-rotatably mounted,
- - A rotatably mounted lever whose power arm is directly connected to the threaded nut such that a movement of the threaded nut in the direction of the spindle axis causes a pivotal movement of the lever about its pivot point, and
- A holding means, in which the lever can engage during the pivoting movement, in order to bring about the lifting of the battery trough into the vehicle and its fixation,
- - The holding means is attached to the battery tray and the lever with the spindle and the nut are mounted on the vehicle or
- - The lever with the spindle and the nut are attached to the battery tray and the retaining means is mounted on the vehicle.
Die Lösung der Aufgabe gelingt ferner durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch einen Batterietrog gemäß Patentanspruch 10.The object is also achieved by a vehicle with the features of
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.Advantageous embodiments of the invention can be found in the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Einrichtung stellt eine einfache und kostengünstige Lösung für einen schnellen Batteriewechsel dar. Es wird vorzugsweise ein passives System vorgeschlagen, bei dem kein elektromotorischer oder hydraulischer Antrieb an Bord des Fahrzeugs oder direkt an der Batterie bzw. an dem zu dessen Halterung dienenden Batterietrog benötigt werden. Vielmehr kann die Aktuierung der Spindel von einem externen Antrieb geschehen, der einer Batteriewechselstation zugeordnet ist. Hierdurch kann die fahrzeug- oder batterieseitig verbaute Einrichtung zum Wechseln der Batterie deutlich kostengünstiger gestaltet werden. Der externe Antrieb greift an den Spindelkopf an, um sein Antriebsmoment auf die Spindel zu übertragen und diese in eine Drehbewegung um die Spindelachse zu versetzen. Diese Drehbewegung wird in eine translatorische Bewegung der drehfest auf der Spindel gelagerten Gewindemutter gewandelt, wobei die Bewegungsrichtung der Gewindemutter von der Drehrichtung der Spindel abhängt und stets in Richtung der Spindelachse orientiert ist.The inventive device provides a simple and inexpensive solution for a quick battery change. It is preferably proposed a passive system in which no electromotive or hydraulic drive on board the vehicle or directly to the battery or to the serving for its holder battery tray are needed , Rather, the actuation of the spindle can be done by an external drive, which is assigned to a battery changing station. This allows the vehicle or battery side built-in device for changing the battery can be made significantly cheaper. The external drive engages the spindle head to transmit its drive torque to the spindle and to set it in a rotational movement about the spindle axis. This rotational movement is converted into a translational movement of the rotatably mounted on the spindle threaded nut, wherein the direction of movement of the threaded nut depends on the direction of rotation of the spindle and is always oriented in the direction of the spindle axis.
Unmittelbar in Kontakt mit der Gewindemutter steht der schwenkbare Hebel. Unmittelbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen der Gewindemutter und dem Hebel keine weiteren sich in Richtung der Hebelarme ersteckende kraft- bzw. momentübertragende, gelenkig an den Hebel und/oder die Gewindemutter angebundene Komponenten angeordnet sind.Immediately in contact with the nut is the pivoting lever. Immediately means in this context that between the nut and the lever no further in the direction of the lever arms ersteckende force or torque transmitting, hinged to the lever and / or the threaded nut components are arranged.
Der Hebel erfährt bei der translatorischen Bewegung der Gewindemutter eine Drehbewegung um seinen Aufhängungspunkt, d. h. dessen Angelpunkt. Um die Batterie in das Fahrzeug zu heben, greift der Lastarm des Hebels in das Haltemittel ein und wandelt so die Schwenkbewegung des Hebels wiederum in eine translatorische Bewegung des Batterietroges in den unterbodenseitigen Bauraum um.During the translational movement of the threaded nut, the lever undergoes a rotational movement about its suspension point, i. H. its pivot. In order to lift the battery in the vehicle, the load arm of the lever engages in the holding means and thus converts the pivoting movement of the lever in turn into a translational movement of the battery tray in the lower-side space.
Erfindungsgemäß werden mindestens drei, vorzugsweise vier derartiger Einrichtungen vorgesehen, um die Traktionsbatterie in das Fahrzeug zu heben und dort verliersicher zu verspannen. Hierbei sind grundsätzlich zwei unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten für die Hebel mit der Spindel und der Gewindemutter einerseits und die hiermit wechselwirkenden Haltemittel andererseits denkbar und von der Erfindung gleichermaßen umfasst. So kann das Haltemittel am Batterietrog befestigt sein und der Hebel mit der Spindel und der Gewindemutter am Fahrzeug befestigt werden. Es kann jedoch auch umgekehrt der Hebel mit der Spindel und der Gewindemutter am Batterietrog befestigt sein und das Haltemittel am Fahrzeug.According to the invention, at least three, preferably four such devices are provided to lift the traction battery in the vehicle and to clamp it captive. Here are basically two different arrangements for the lever with the spindle and the threaded nut on the one hand and the hereby interacting holding means on the other conceivable and equally encompassed by the invention. Thus, the holding means can be attached to the battery tray and the lever with the spindle and the threaded nut are fastened to the vehicle. However, it may also be reversed, the lever with the spindle and the threaded nut to be attached to the battery tray and the holding means on the vehicle.
Eine einfache und dennoch zweckmäßige Ausbildung des Haltemittels stellt ein Bolzen dar. Dieser kann beim Heben von dem Hebel gegriffen, gehoben und verspannt werden. Hierzu weist der Hebel vorzugsweise eine schaufelartige Funktionskontur im Bereich seines Lastarmes auf.A simple, yet functional design of the holding means is a bolt. This can be grasped when lifting the lever, lifted and braced. For this purpose, the lever preferably has a blade-like functional contour in the region of its load arm.
Der über den Spindelkopf eingeleitete Hebe- und Verspannvorgang gelingt in einer Wechselstation mit einem außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Aktuator besonders leicht, wenn der Spindelkopf von unten – d. h. an der Unterseite des Fahrzeugs – leicht zugänglich ist, so dass ein z. B. elektromotorischer Antrieb sein Drehmoment auf den Spindelkopf ohne etwaige Winkeltriebe direkt übertragen kann. Demnach gestaltet sich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung als besonders vorteilhaft, bei der die Spindel eine im Wesentlichen vertikale Drehachse aufweist und der Spindelkopf eine Innen- oder Außenkontur aufweist, über die die Spindel mittels eines außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Aktuators in Drehung versetzt werden kann. Im Wesentlichen bedeutend in diesem Zusammenhang, dass die Ausrichtung der Spindel je nach Hebelstellung durchaus um wenige Grade, beispielsweise maximal 5, vorzugsweise maximal 3, besonders bevorzugt nicht mehr als 2 Grad, von der exakten Vertikalen abweichen kann. Je kleiner die Abweichung von der Vertikalen ist, desto günstiger gestalten sich die Last- oder Momentübertragungsverhältnisse in dem System.The lifting and tensioning process introduced via the spindle head is particularly easy in a change station with an actuator arranged outside the vehicle, when the spindle head is moved from below - d. H. at the bottom of the vehicle - easily accessible, so that a z. B. electric motor drive torque can be transmitted directly to the spindle head without any angle drives. Accordingly, an embodiment of the device according to the invention designed as particularly advantageous, in which the spindle has a substantially vertical axis of rotation and the spindle head has an inner or outer contour over which the spindle can be rotated by means of an actuator disposed outside of the vehicle in rotation. Essentially important in this context that the orientation of the spindle depending on the lever position can vary quite a few degrees, for example, a maximum of 5, preferably a maximum of 3, more preferably not more than 2 degrees, from the exact vertical. The smaller the deviation from the vertical, the more favorable the load or momentum transfer ratios in the system.
Jeder Hebel lässt sich durch einen Kraftarm und einen Lastarm kennzeichnen, die am Angelpunkt des Hebels aneinandergrenzen. Erfindungsgemäß ist der Kraftarm unmittelbar, d. h. ohne weitere bauraumeinnehmende, gelenkig angebundene Übertragungsmittel, mit der Gewindemutter gekoppelt, während der Lastarm in das Haltemittel zum Heben und Verspannen der Batterie eingreift. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass der Hebel mit der Gewindemutter in einem fixen Angriffspunkt verbunden sind, so dass der Kraftarm des Hebels während dessen Schwenkbewegung um den Angelpunkt des Hebels konstant ist und wobei die Spindel um die vertikale Drehachse in einem Maße schwenkbar gelagert ist, dass ein für die Schwenkbewegung des Hebels benötigter Schwenkfreiraum verbleibt. Hierbei ist nur eine vergleichsweise leichte Schwenkbewegung der Spindel während der Hubbewegung erforderlich, die keinen nennenswerten Bauraum in Anspruch nimmt. Diese Schwenkbewegung ist vorzugsweise durch einen Schwenkwinkel von maximal 5°, vorzugsweise maximal 3°, besonders bevorzugt nicht mehr als 2° gekennzeichnet.Each lever can be characterized by a power arm and a load arm, which adjoin each other at the pivot point of the lever. According to the invention, the power arm is directly coupled to the threaded nut, ie without further space-accommodating, articulated transmission means, while the load arm engages in the holding means for lifting and bracing the battery. An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the lever with the threaded nut are connected in a fixed point, so that the power arm of the lever during its pivotal movement about the pivot point of the lever is constant and wherein the spindle about the vertical axis of rotation in a measure is pivotally mounted, that a required for the pivoting movement of the lever pivoting space remains. In this case, only a comparatively slight pivoting movement of the spindle during the lifting movement is required, which does not take up any appreciable installation space. This pivoting movement is preferably characterized by a pivoting angle of at most 5 °, preferably at most 3 °, particularly preferably not more than 2 °.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausgestaltungsform weist die Spindel einen schwenkbar gelagerten Spindelkopf mit einer ballig ausgebildeten Kopfanlagefläche auf, die in einer konisch geformten Gegenfläche gelagert ist. Hierdurch kann der Spindelkopf die geforderte Schwenkbewegung mitgehen und dennoch eine weitgehend stabile Lagerung in Richtung der Spindelachse aufweisen.In an advantageous embodiment of this embodiment, the spindle has a pivotally mounted spindle head with a crowned head contact surface, which is mounted in a conically shaped counter surface. This allows the spindle head to go along with the required pivoting movement and still have a largely stable bearing in the direction of the spindle axis.
Alternativ zu der vorgenannten Schwenkbarkeit ist aber auch eine Ausgestaltung der Erfindung denkbar und von der Erfindung umfasst, bei der der Hebel mit der Gewindemutter über einen Schiebesitz mit einem verschiebbaren Angelpunkt verbunden ist, so dass der Kraftarm des Hebels während dessen Schwenkbewegung eine Längenänderung erfährt. Entsprechend kann hier beispielsweise im Hebel ein Langloch zur Aufnahme eines mit der Gewindemutter verbundenen Zapfens vorgesehen werden.As an alternative to the aforementioned pivotability but also an embodiment of the invention is conceivable and includes of the invention, wherein the lever is connected to the threaded nut via a sliding seat with a movable pivot, so that the power arm of the lever during its pivoting movement undergoes a change in length. Accordingly, a slot for receiving a pin connected to the threaded nut can be provided here, for example, in the lever.
Die Batterie kann bis zu 500 kg wiegen und muss bei Beschleunigungen im Fahrzeug von bis zu 8 g sicher im unterbodenseitigen Bauraum fixiert werden. Um ein unbeabsichtigtes Lösen der Gewindemutter auch unter dynamischer Last zu verhindern, steht daher in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Spindel mit der Gewindemutter über ein Gewinde formschlüssig in Eingriff, dessen Steigung eine Selbsthemmung der Gewindemutter-Spindelverbindung erzeugt.The battery can weigh up to 500 kg and must be securely fixed in the compartment-side installation space when accelerating in vehicles of up to 8 g. In order to prevent inadvertent loosening of the threaded nut even under dynamic load, therefore, in an advantageous embodiment of the invention, the spindle with the threaded nut via a thread form-fitting engagement, the slope generates a self-locking nut threaded connection.
Ferner kann vorteilhafterweise die Einrichtung einen Sensor zur Erkennung einer verriegelten Stellung des Batterietroges im Fahrzeug aufweisen und somit auch einen Warnmeldung erzeugt werden, wenn die Verriegelung nicht vollständig geschehen ist und somit eine sichere Arretierung der Batterie im Fahrzeug nicht gegeben ist.Furthermore, the device can advantageously have a sensor for detecting a locked position of the battery trough in the vehicle and thus also a warning message are generated when the lock is not done completely and thus a secure locking of the battery in the vehicle is not given.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.In the following the invention with reference to the embodiments illustrated in the figures will be described and explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet.For identical or equivalent elements of the invention, identical reference numerals are used.
Die Aktoren
Durch Drehen der Spindel ziehen mit der Spindel trieblich gekoppelte Hebel den Batterietrog
Eine detaillierte Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt.A detailed representation of an advantageous embodiment of the device according to the invention is shown in the following figures.
So zeigt
Die Einrichtung umfasst eine Spindel
Eingeleitet wird die Drehbewegung über den Spindelkopf
Extern ist hier sowie im gesamten Dokument in Bezug auf den Aktuator derart auszulegen, dass er nicht Teil der Einrichtung ist und somit weder dazu vorgesehen ist, am Batterietrog befestigt zu werden noch an der Fahzeugkarosserie. Er ist vielmehr beispielsweise Teil einer Wechselstation und muss daher nicht im Fahrzeug mitgeführt werden. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen mit aktiven Wechselsystemen an Karosserie oder Batterietrog werden hierdurch Kosten, Gewicht und Bauraum an Bord des Elektrofahrzeugs eingespart. Bei vier Verankerungspunkten der Batterie im Fahrzeug können so z. B. auch vier Elektromotoren im Fahrzeug im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen eingespart werden.Extern is here as well as in the entire document in relation to the actuator interpreted in such a way that it is not part of the device and thus is not intended to be attached to the battery tray still on the vehicle body. For example, it is part of a change station and therefore does not have to be carried in the vehicle. In contrast to known designs with active alternating systems on the body or battery tray, this saves costs, weight and installation space on board the electric vehicle. At four anchoring points of the battery in the vehicle can be such. B. also four electric motors in the vehicle compared to solutions known from the prior art can be saved.
Die Gewindemutter
Der Hebel
Die Schwenkbewegung des Hebels
Deutlich erkennbar ist, dass die Spindel
In
In
Es ist jedoch auch denkbar, die Einrichtung in umgekehrter Weise auf Fahrzeugkarosserie und Batterietrog
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Unterbodenseitiger Bauraum des FahrzeugsUnderbody space of the vehicle
- 22
- Batterietrogbattery tray
- 33
- Spindelspindle
- 44
- Spindelkopfspindle head
- 55
- Gewindemutterthreaded nut
- 66
- Hebellever
- 77
- Kraftarmpower arm
- 88th
- Angelpunktcrucial point
- 99
- Haltemittelholding means
- 1010
- KopfanlageflächeHead contact surface
- 1111
- konisch geformten Gegenflächeconically shaped counter surface
- 1212
- Zapfenspigot
- 1313
- Schraubenscrew
- 1414
- Flügelwing
- 1515
- DurchgangslöcherThrough holes
- 1616
- Führungsbolzenguide pins
- 1717
- Aufnahmeadmission
- 1818
- Steckerplug
- 1919
- BuchseRifle
- 2020
- Sensorsensor
- 2121
- Signalleitungsignal line
- 2222
- Aktoractuator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 20100071979 A1 [0007] US 20100071979 A1 [0007]
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- 2012-02-14 DE DE201210202163 patent/DE102012202163A1/en not_active Withdrawn
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