电池载体框架及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于电动车辆电池的支撑框架,具体地,涉及一种用于电动乘用车的支撑框架。
背景技术
在本申请的上下文中,术语“电池”用作容纳在支撑框架中的整个电能存储器的同义词,因此显然还包括可再充电电池和多个单独电池的布置。术语“电动车辆”尤其包括电动驱动的乘用车,并且涉及完全电驱动的汽车和混合动力汽车,即具有这样的驱动装置的车辆,其中根据驱动概念和运行状态,电动机和内燃机共同或单独使用以提供驱动能量。
具有全电动或至少部分电动或混合动力驱动的电动车辆(根据驱动概念)需要容纳重达几百公斤的电池。为了容纳车辆中的电池,需要考虑多个方面。
电池应布置在朝向外部密封的支撑结构中,使得电池的任何泄漏都不会导致电池中的液体逸出进入环境。就生产而言,这要求支撑结构应该形成至少向下密封的托盘,以防止在发生损坏(电池壳体缺陷、事故等)的情况下液体在重力作用下溢出。此外,支撑结构应当从外侧密封到内侧,例如为了防止湿气和/或灰尘从外侧进入电池载体框架的内部,这反过来会增加短路或其他功能障碍的风险。
考虑到现代电动车辆的电池尺寸,用于电池的支撑结构越来越多地承担车体内的结构任务。因此,容纳电池的支撑结构的构造不仅应该考虑在行驶期间产生的力以及支撑结构与车体的其余部分的相互作用,而且尤其应该考虑在碰撞事故中出现的载荷。
上述两个要求都意味着构造容纳电池的支撑结构的结构部件的连接必须充分密封且稳定。然而,优选地用于制造支撑结构的金属型材(特别是考虑到有时所采用的型材的长度多于一米)在连接点处具有尺寸偏差,所述连接点优选地以粘结方式接合(典型地在框架的角部区域中),特别是导致连接的构件存在间隙或未对准的扭曲(twist),这尤其在自动化焊接工艺中,而且在粘合剂粘接操作(adhesive-bonding)和其他粘结(cohesive)连接技术期间,会导致连接强度和密封性以及工艺控制和自动化方面的问题。
发明内容
因此,本发明的一个目的是提供一种用于电动车辆电池的支撑框架,其在密封性、部件公差补偿和特别是发生碰撞时的载荷吸收方面进行了优化,并且能够容易地以自动化的方式焊接。本发明的另一目的是提供一种用于制造这种支撑框架的方法。
该目的通过根据权利要求1的电池支撑框架以及根据权利要求13或14的用于制造这种电池支撑框架的方法来实现。
据此,提供了一种用于电动车辆的电池支撑框架,其具有纵向型材并且具有横向型材,其中所述支撑框架具有形成内角的支撑框架角部。布置了角部元件作为纵向型材和横向型材之间的公差补偿,纵向型材和横向型材经由所述角部元件连接在一起。角部元件尤其可以构造为桥接支撑框架的内角的角部型材。
为了制造这种电池支撑框架,提供了以下方法步骤:
-将纵向型材或横向型材抵靠预先相对于标称位置定向的角部元件放置,其中纵向型材或横向型材相对于角部元件存在的标称尺寸偏差(尤其是型材扭转(torsion))被抵消,
-将抵靠角部元件的纵向型材或横向型材连接到角部元件,
-将尚未连接到角部元件的横向型材或纵向型材抵靠角部元件放置,以及
-将尚未连接到角部元件的横向型材或纵向型材连接到角部元件。
或者,可以提供以下方法步骤:
-将纵向型材或横向型材抵靠角部元件放置并且将抵靠角部元件放置的纵向型材或横向型材与角部元件连接,特别是不管传导到角部元件的纵向型材或横向部件的标称尺寸的任何现有偏差如何,
-加工尚未连接到所述纵向型材或横向型材的连接面,其中角部元件与已经连接到该角部元件的纵向型材或横向型材之间存在的标称尺寸的偏差被抵消,以及
-将尚未连接到角部元件的横向型材或纵向型材抵靠角部元件放置,并且
-将尚未连接到角部元件的横向型材或纵向型材连接到该角部元件。
纵向型材和横向型材与角部元件优选通过焊接接头进行连接。角部元件用作角部桥接部件,并且优选是(模具)铸造部件或锻造部件,并且还优选由轻金属合金,特别是铝合金制造,并且优选地作为固体材料部件。纵向型材和横向型材优选是由轻金属合金,特别是铝合金制成的挤压型材。优选地,纵向型材和/或横向型材是具有内部腹板的多室空心型材。当然,纵向型材和/或横向型材和/或角部元件也可以由任选的纤维增强塑料材料制成。特别是在这种情况下,还可以规定不同的部件通过粘合剂粘接结合。
由于使用了形成支撑框架角部的附加角部元件,所述附加角部元件是与纵向型材和横向型材分开的部件,并且用于避免需要将横向型材和纵向型材直接在一起,载体型材与理想标称尺寸的任何尺寸偏差(特别是扭曲或型材扭转)都可以通过角部元件补偿和抵消。其他标称尺寸的偏差,例如平直度偏差也可以被抵消。该角部元件形成角部桥接部件。
另一个优点是,要实现连接纵向和横向型材的焊缝或粘合剂粘接从紧邻角部区域移动到更容易到达的位置,因此可以以更可靠的方式进行焊接,在承载能力和密封性方面有更好的效果。在生产方面,由于焊接的复杂性较低,所以产生了承载性更高的连接点,这也以高度可靠的方式满足了电池支撑框架的密封性要求。纵向型材与角部元件的连接以及横向型材与角部元件的连接都可以由位于焊接平面中的周边焊缝形成。
为了能够特别容易地实现上述优点,规定由支撑框架角部呈现的内角由角部元件形成。因此,内角由角部元件形成而不是直接由两个型材连接形成,并且纵向和横向型材仅通过角部元件以彼此隔开的方式连接在一起。
当角部元件具有第一端侧和第二端侧,该第一端侧具有面向纵向部件的端侧的第一端侧平面,该第二端侧具有面向横向构件的端侧的第二端侧平面,该第二端侧平面与第一端侧平面成一角度(优选为90°)时,认为是有利的。以这种方式,纵向构件的端侧可以与角部元件的第一端侧平面对接,以便连接到角部元件并且随后可以连接到角部元件,和/或横向构件的端侧可以抵靠角部元件的第二端侧平面并且随后与其连接。因此角部元件彼此成一角度的两个端侧形成优选用于纵向型材或横向型材与角部元件的优选粘结(cohesive)连接的连接面,并且在完成的电池支承框架中,型材的侧面可以抵靠在角部元件的端侧平面上。因此,用于连接的焊缝优选将纵向型材端侧和横向型材端侧连接到角部元件的端侧平面。
可以规定,将一个或多个形状配合的栓钉布置在角部元件的第一端侧上,所述栓钉从第一端侧平面伸出并穿入纵向型材的端侧中,和/或将一个或多个形状配合的栓钉布置在角部元件的第二端侧上,所述栓钉伸出第二端侧平面并穿入横向型材的端侧中。这确保了角部元件能够以形状配合的方式穿入纵向或横向型材中,并因此,特别是在碰撞情况下,除了连接角部元件和纵向或横向型材的焊缝之外,还进一步由形状配合的栓钉产生以形状配合的方式横向于型材纵向方向起作用的载荷路径,所述载荷路径特别是在焊缝失效或高度变形时起作用。
此外规定,纵向型材和/或横向型材为多腔型材,并且具有将多腔型材的内腔彼此分开的内部腹板,并且规定,将多个形状配合的栓钉布置在角部元件的第一端侧上和/或角部元件的第二端侧上,所述栓钉穿入面向所述栓钉的纵向型材或横向型材的不同内腔中。
尽管使用了形状配合的栓钉,为了确保公差补偿,规定在横向于型材的纵向延伸的至少一个方向上但优选在两个方向上,与纵向型材或横向型材的内部尺寸相比,或与纵向型材或横向型材经由内部腹板分开的内部腔室的内部尺寸相比,形状配合的栓钉的尺寸要较小。尽管形状配合的栓钉接合在各个型材中,但是至少在公差补偿所需的程度上,使得相对于角部元件扭曲纵向型材或横向型材成为可能。
为了进一步稳定电池支撑框架,可以规定,在角部元件上设置具有至少一个加强肋的沿水平延伸的肋条,该肋条围绕支撑框架角部的外侧接合,其中可以特别规定纵向型材和/或横向型材为多腔型材并且具有内部腹板,并且角部元件具有至少一个加强肋,该加强肋围绕支撑框架的外侧接合,其中所述至少一个加强肋布置在所述角部元件的顶侧和底侧之间,处于所述纵向型材和/或所述横向型材的内部腹板的水平处,使得所述加强肋延续纵向型材和/或横向型材的相关内部腹板。
为了在角部元件已经连接到纵向型材或横向型材之后进一步进行公差补偿,可以规定对角部元件面向纵向型材的端侧或者角部元件面向横向型材的端侧提供加工余量(allowance)。例如,如果角部元件已经连接到纵向型材,并且角部元件旨在通过其连接到横向型材的连接面的精确位置和/或取向不对应于连接面的标称位置或标称取向,则尤其是由角部元件的第二端面的面向横向型材的端面平面形成的连接面可通过材料去除而适配标称位置和/或标称取向。特别地,可以以这种方式校正因从纵向型材传递到角部元件的标称尺寸的偏差也会传递到连接面而可能出现的连接面的不对准。
为了不仅在角部元件和纵向或横向型材之间的连接点处产生支撑框架角部的密封性(tightness),而且还产生支撑框架相对于底板的密封性,可以规定,在纵向型材和横向型材已经连接到角部元件之后,对由角部元件、纵向型材和横向型材形成的支撑框角部的区域的下侧进行精加工。通过这种方式,特别是平面基板可以精确配合地连接到支撑框架。以这种方式可靠地消除了在基板和支撑框架连接的生产中,特别是在支撑框架角部的区域中可能对密封性和承载能力产生不利影响的任何残留的未对准或焊缝凸起。
上述电池支撑框架及其制造方法尤其允许以下电池支撑框架构造,其中纵向型材和横向型材为中空腔室型材,其中两个型材中的一个的向外指向的型材侧和两个型材中的另一个的向内指向的型材侧可以是密封型材侧,而开口或孔可以分别设置在另一型材侧。特别地,不需要额外地密封通过与角部元件的连接而封闭的型材端侧。
从以下参考附图对优选示例性实施例的描述中,本发明的其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
在附图中:
图1a/1b以两个不同的透视图示出用于电动车辆电池的常规支撑框架的角部区域;
图2a/2b以两个不同的透视图示出了用于电动车辆电池的支撑框架的角部区域,其具有插入支撑框架角部中的角部元件;
图3a/3b以两个不同的透视图示出用于电动车辆电池的支撑框架中的角部元件;
图4示出了从图3a和图3b连接到纵向型材和横向型材的角部元件的细节视图;
图5a示出了朝向由角部元件形成的内角的视图;
图5b示出了朝向由角部元件形成的内角的视图;
图6a/6b示出在x方向上指向角部元件的端侧的视图,其中纵向型材抵靠该端侧放置在不同假想位置;以及
图7示出了角部元件的面向y方向的端侧,其中指示了加工余量区域中的材料去除。
具体实施方式
图1a和图1b示出了常规电池支撑框架1的角部区域。以其纵向范围在x方向上(平行于直行驾驶时向前行进的方向)取向的纵向型材2连接到沿y方向(横向于x方向并平行于路面)延伸的横向型材3。未在附图中完全示出的电池支撑框架1具有以这种方式构造的至少两个或总共多达四个角部,并且优选地以矩形方式形成。在纵向型材2和横向型材3的下侧,底板4固定在框架上。
纵向型材2和横向型材3被焊接。未在附图中明确示出的焊缝在其周边的大部分上沿纵向型材2的内侧面延伸,并且考虑横向型材3的端侧与纵向型材的作为连接面的侧面对接的事实,焊缝实施为填角焊接(fillet weld)。所述焊缝沿着紧接在横向型材和纵向型材之间的对接接头处出现的内角延伸。
在此结构中,纵向型材2和/或横向型材3的尺寸精度不足,导致在形成框架的内角的连接点的区域中形成不规则的间隙,这些不规则的间隙不容易校正,最终必须由焊缝桥接。特别是,纵向型材由于纵向型材扭转(torsion)而可能固有地扭曲。这种间隙又导致焊接接缝不够牢固且密封的风险更大,并且使可靠的自动化焊接变得更加困难。
该结构还表明,电池支承框架的密封性所需的面必须是纵向型材2的向内指向的表面和横向型材3的向外指向的表面,因为纵向型材2是其端侧开口的多腔室中空型材,并且纵向型材的内侧开口将不可避免地导致缺乏密封性。这同样适用于横向型材,横向型材的向内指向的面上设有开口,考虑到此点,向外指向的面中的另一开口将导致电池支撑框架的密封性不足。这种结构不容易允许将密封平面选择性地移动到所用型材的内表面或外表面上。
为了解决上述问题,根据图2a和2b的电池支撑框架1在纵向型材2和横向型材3之间设置了桥接支撑框架角部的角部元件5。一直由根据图1a和图1b的单个周边焊缝连接的型材2、3现在可以通过两个单独的焊缝连接。这两个周边焊缝现在布置在两个彼此成一定角度的焊接平面中,与由角部元件5本身再现的内部角部相距一定距离,并且因此对自动焊接工艺可更容易实现,并且可以更可靠地进行焊接。提高了对焊缝具有足够的可承载性和密封性的保证。
由于作为角部元件的结果,纵向型材和横向型材的开口端侧可以以密封方式封闭,所以设计者可以更自由地选择沿周边密封整个电池支撑框架的平面的系统边界。
在图2a和图2b所示的电池支撑框架1的情况下,底板4也与支撑框架连接。
图3a和图3b示出了用于制造电池支撑框架的角部元件4的进一步的实施例。角部元件4优选为由轻金属合金制成的铸造或锻造部件,其以其端侧指向x方向的方式限定端面平面5’,三个形状配合的栓钉(pegs)6在x方向上从所述端面平面5’凸出,在角部元件5已经连接到纵向型材2之后,所述栓钉6突出到纵向型材中。由于这些形状配合的栓钉6,例如在焊缝因事故而发生变形的情况下,形状配合的栓钉可以支撑作用在y方向上的载荷,如典型的侧面碰撞那样,并且通过在纵向型材内侧穿过抵靠纵向型材的侧壁的支撑邻接,可以防止横向于x方向的焊接的任何失效。
端面平面5’还形成连接面,通过该连接面,纵向型材2与角部元件5粘结地(cohesively)连接,如从图5a和5b中也可以看出的那样,其中焊缝清楚地由虚线标示。
以类似于纵向型材2的方式,横向型材3也与角部元件5连接,其中角部元件沿y方向指向的端面限定端面平面5”,在附图所示的示例性实施例中,该端面平面5”不具有任何形状配合的栓钉,而是以平面方式配置。尽管如此,也可在y方向指向的端面上设置形状配合的栓钉。与端面平面5’一样,端面平面5”也用作角部型材与抵靠该端面平面放置的横向型材之间的连接面。
图4示出了角部元件4的外侧上设有多个加强肋7,所述肋围绕角部元件的外侧并因此围绕支撑框架角部的外侧接合。从布置在纵向型材2内和横向型材3内的内部腹板8的虚线图明显可见,加强肋7就其高度而言位于角部元件顶侧和角部元件底侧之间,使得加强肋7延续纵向型材和横向型材的内部腹板。结果,特别有效地实现了将载荷从型材引入角部元件,反之亦然。
图5a清楚地示出了用于将纵向型材2和横向型材3连接到角部元件5的焊缝的布线。对于电池支撑框架的紧邻内角,焊缝从角部朝向内侧(y方向)以及朝向前方或后方(x方向)移位一小段距离,并且通过两个均位于焊接平面内的周边焊缝实现连接。在这种情况下,将纵向型材2连接到角部元件的焊缝的焊接平面与将横向型材连接到角部元件的焊缝的焊接平面成一角度(优选为90°)。
图5b从下方以透视图示出了支撑框架角部。当按照预期使用时,支撑框架角部可以在向下指向的面9中具有配合台阶10,台阶10受引导围绕由角部元件形成的内角,所述配合台阶10与待连接、尤其是待焊接到角部元件5的下侧9(也参见图2a和图2b中的底板4)的底板4的边缘型材匹配,并因此允许底板安装在支撑框架1的下侧的精确位置处。此外,在角部件连接到纵向型材和横向型材之后,可以对在图5b中可见的支撑框架角部的下侧9进行精加工以去除任何不规则性,例如焊珠或校正由尺寸不准确引起的任何不对准。配合台阶10尤其也可以实现为支撑框架角部下侧的这种精加工的一部分。
图6a借助于投影到端面平面5’上的纵向型材2的横截面示出了纵向型材对于角部元件的理想标称对接,其以纵向型材的完美尺寸精度呈现。相比之下,图6b以放大图示出了纵向型材相对于角部元件的两种实际对接(abutment),这在实践中经常发生,并且由于纵向型材的通常不可避免的型材扭转而出现。
为了避免当首先将纵向型材和角部元件连接在一起,然后将横向型材连接到角部元件时纵向型材扭转经由角部元件传递到横向型材的情况,可以预先对准角部元件,使得用于连接到横向型材的连接面以对应于标称定向的方式定向,并且即使当纵向型材处于与标称对接不对应的实际对接中时,也可以将纵向型材连接到角部元件。或者,尽管具有任何纵向型材扭转,可以规定纵向型材总是抵靠角部元件放置并且以图6a所示的标称对接方式与其连接,其中如果未在用于连接横向型材的连接面5”处对角部元件进行正确的精加工,则纵向型材的扭曲接着经由角部元件传递到横向型材,从而矫正与标称取向不对应的该连接面的不对准。为此,如图7所示,可以在角部元件上提供机械加工余量11,所述加工余量11形成材料余量,该余量用于随后校正与标称取向不对应的连接面5”的方向。在将角部元件连接到纵向型材之后,通过对用于连接到横向型材的连接面进行修整(trim)来进行连接面取向的校准。
图6b进一步结合图3b中所示的形状配合的栓钉示出,特别是在纵向型材不一定旨在如图6a所示的对接方式抵靠端面平面5’放置的情况下,与型材的内部尺寸或多腔室型材的内部腔室的内部尺寸相比,形状配合的栓钉应该较小,以便可以允许型材相对于角部元件扭曲,如图6b所示。
在上文中,就纵向型材扭转以及首先将纵向型材连接到角部元件,然后才将横向型材连接到角部元件的效果,描述了电池支撑框架的生产。应该注意的是,型材扭转当然可以同样存在于横向型材中并且横向型材可以首先与角部元件连接并且也可以对纵向型材执行上述公差补偿的步骤。
附图标记列表
1 电池支撑框架
2 纵向型材
3 横向型材
4 底板
5 角部元件
5’ 沿x方向指向的角部元件的端面平面
5” 沿y方向指向的角部元件的端面平面
6 形状配合的栓钉
7 加强肋
8 内部腹板
9 角部元件的向下指向的面
10 配合台阶
11 加工余量