CN113103678A

CN113103678A - 具有分层蜂窝和波纹设计的冲击保护结构及其制造方法

Info

Publication number: CN113103678A
Application number: CN202110041700.5A
Authority: CN
Inventors: V·R·阿塔茹; 黄晓松; G·达利瓦尔; D·E·罗斯; T·R·巴瓦萨尔
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2041-01-13
Also published as: US20210214021A1; US11208155B2; CN113103678B; DE102020131876A1

Abstract

本发明公开了具有分层蜂窝和波纹设计的冲击保护结构及其制造方法。提出了具有蜂窝芯和波纹层设计的多层、纤维增强的冲击保护结构、制造/使用这样的结构的方法，和具有支承在由这样的结构制成的护板上的动力蓄电池包的交通工具。一种多层冲击保护结构包括以下：第一层，其具有嵌在聚合物基质中的连续纤维；和第二层，其附着于第一层并包含弹性体聚合物。第三层包括纤维增强的聚合物蜂窝和/或波纹结构，所述第三层附着于第一层的与第二层所在侧相反的一侧。任选的裂隙检测电路附着于第一或第三层，并配置为检测冲击保护结构中的破损。所述波纹结构可包括多个加强肋，所述加强肋插入一系列相互平行的伸长脊内，并基本垂直于所述一系列相互平行的伸长脊。比较而言，蜂窝结构包括毗连的多边形孔室的网格。

Description

具有分层蜂窝和波纹设计的冲击保护结构及其制造方法

技术领域

本公开大致涉及复合材料聚合物板。更具体地，本公开的方面涉及用于交通工具动力蓄电池包（traction battery packs）的底部护板（skid plate）的纤维增强的冲击保护结构。

背景技术

当前生产的机动交通工具，如现代汽车，原始配备有动力总成（powertrain），其运行以推动交通工具和驱动交通工具所载的电子设备。在汽车应用中，例如，交通工具动力总成通常以原动机为代表，所述原动机经由自动或手动换挡的变速器（automatic ormanually shifted power transmission）将驱动功率传送到交通工具的最终传动系统（例如差速器、半轴、负重轮等）。由于往复活塞式内燃机（ICE）总成的易得性和相对低廉的成本、轻重量和总体效率，汽车过去由往复活塞式内燃机（ICE）总成提供动力。这样的发动机包括压缩点火（CI）柴油发动机、火花点火（SI）汽油发动机、二冲程、四冲程和六冲程架构和转子发动机，作为一些非限制性实例。另一方面，混合电动和全电动（“电驱动”）交通工具利用替代能源推动交通工具，并因此最小化或消除牵引功率对基于化石燃料的发动机的依赖。

全电动交通工具（FEV） – 俗称为“电动车” – 是从动力总成系统中完全除去内燃机和相关外围组件，仅依赖电动力电动机的推动力和附件负荷支持的一类电驱动交通工具配置。基于ICE的交通工具的发动机总成、燃料供给系统和排气系统在FEV中被单个或多个动力电动机、动力蓄电池包和蓄电池冷却和充电硬件所替代。与此相比，混合电动交通工具（HEV）动力总成采用多种来源的牵引动力推动交通工具，最通常是与蓄电池供电或燃料电池供电的电动牵引电动机配合运行内燃机总成。由于混合型电驱动交通工具能够从发动机以外的来源获得它们的动力，混合电动交通工具的发动机可完全或部分关闭，同时通过一个或多个电动机推动交通工具。

高压电系统控制电力在一个或多个动力电动机和可再充电动力蓄电池包（也称为“电动交通工具蓄电池”或“EVB”）之间的传输，可再充电动力蓄电池包储存和供应许多电驱动的动力总成运行的必需动力。比12伏起动、照明和点火（SLI）蓄电池显著更大、更强力并且更高容量的动力蓄电池包含有蓄电池单体电池的多个堆叠，所述蓄电池单体电池的多个堆叠集合成单个蓄电池模块，并包装在蓄电池包壳体内。一些交通工具蓄电池系统采用多个可独立操作的高压蓄电池包，以经由增加的安培小时提供更高的电压输送和更大的系统容量。交通工具的电动系统可采用前端DC-DC电源转换器，其电连接到交通工具的一个或多个动力蓄电池包，以提高向高压主直流（DC）母线和电子功率逆变器模块（PIM）的电压供应。可通过采用PIM使用来自常驻蓄电池包控制模块（resident Battery Pack ControlModule）（BPCM）的脉冲宽度调制控制信号输出将DC电力转换成交流（AC）电力来实现多相电动机，如永磁同步动力电动机的运行和控制。

设计汽车底盘架以在静载荷过程中支承交通工具的动力总成组件、转向和制动系统、乘客等，并在动载荷过程中为交通工具刚度和缓冲作出贡献。一些底盘架具有阶梯状构造，具有一副相对的纵梁或门槛（rocker panels）经由一系列横向取向的横梁连接。从门槛/纵梁的前端向前伸出可为各自的前纵梁，其经由前横梁连接，以协作界定前支架（frontcradle）。以同样的方式，从门槛/纵梁的后端向后伸出可为各自的后纵梁，其经由后横梁连接，以协作界定后副架（rear subframe）。对于一些HEV配置，发动机、变速器和前悬架通常由前支架支承，而电动机、燃料箱和后悬架通常由后副架支承。电动交通工具通常将蓄电池包的重量支承在下方支撑托架上，所述托架锚定于底盘架并封装在后行李舱内或在后排乘客长条座椅下方。

发明内容

在本文中提出具有蜂窝和波纹设计的多层、纤维增强的冲击保护结构、其制造方法和使用这样的冲击保护结构的方法，和具有支承在由这样的冲击保护结构制成的护板上的动力蓄电池包的交通工具。例如，提出了具有包覆成型的波纹设计和蜂窝-芯夹层设计的冲击保护结构。该冲击保护结构可包括在面向舱内的“非冲击”侧上具有连续碳/玻璃纤维增强和在面向舱外的“冲击”侧上具有不连续碳/玻璃纤维增强的包覆成型的波纹层。任选地或替代性地，冲击保护结构可包括碳纤维（CF）蜂窝芯，例如具有可变厚度的蜂窝壁和大约2.5 kg/m²至大约3.5 kg/m²的空气重量（aerial weight）。在这种情况下，可在蜂窝芯的舱内和舱外表面上都施加连续玻璃/碳纤维面板。蜂窝芯的非冲击侧的面板可比冲击侧的面板厚50%-500%倍，或蜂窝芯的非冲击侧的面板可为冲击侧的面板50%-500%倍厚。将可压缩材料，如合成橡胶弹性体安装在波纹层/蜂窝芯的舱内侧，例如位于冲击保护结构和动力蓄电池壳体/托架之间。嵌在冲击侧的面板的内表面内或层压到冲击侧的面板的内表面上的由铜电线组成的任选传感装置监测结构的完整性，例如检测破损和裂纹。

至少一些公开的概念的附带益处可包括新颖的杂化复合材料、纤维增强聚合物（FRP）夹层结构，其被设计为耐受道路上的碎屑并保护电动交通工具的蓄电池包。本文中提出的杂化纤维增强构造有助于平衡性能和成本，并减轻/消除相邻金属组件的腐蚀。其它附带益处可包括护板设计，所述护板设计在减轻交通工具总重和附带改进交通工具可行驶里程和燃料经济性的同时有助于减轻交通工具噪声、振动和声振粗糙度（NVH）。至少一些公开的安装架构还有助于改进封装效率和底部的空气动力学性能。

本公开的方面涉及具有蜂窝芯和波纹层设计的多层、纤维增强的冲击保护结构。在一个实例中，多层冲击保护结构由包括嵌在聚合物基质中的连续纤维的第一（非冲击侧）层和附着于第一层的第一（舱内）侧并包括弹性体聚合物的第二（可压缩）层构成。第三（冲击侧）层包括纤维增强的聚合物蜂窝结构和/或FRP波纹结构，所述第三（冲击侧）层附着于第一层的与第二层所在侧相反的第二（舱外）侧。附着于前述层之一的任选裂隙检测电路可操作以检测冲击保护结构中的破损/裂纹。对于构造中第三层包括FRP波纹结构的构造，该波纹结构包括一系列伸长且相互平行的实心脊（solid ridges）。多个加强肋（reinforcement ribs）可插入这些实心脊内，并且取向基本垂直于这些实心脊。对于构造中第三层包括FRP蜂窝结构的构造，该蜂窝结构包括毗连的多边形孔室的网格。任选第四（外侧面板）层包括嵌在聚合物基质中的连续碳和/或玻璃纤维，所述任选第四（外侧面板）层可附着于第三层的与第一（内侧面板）层所在侧相反的一侧。

本公开的另外的方面涉及配有由公开的多层冲击保护结构制成的护板的交通工具。如本文所用的术语“交通工具”和“机动交通工具”可互换和同义地使用，以包括任何相关的交通工具平台，如载客交通工具（ICE、HEV、FEV、燃料电池、完全和部分自主驾驶，等）、商用交通工具、工业交通工具、履带式交通工具、越野和全地形交通工具（ATV）、摩托车、农业设备、水运工具、飞行器等。在一个实例中，机动交通工具包括具有多个负重轮和其它标准原始设备的交通工具底盘。在交通工具底盘上安装一个或多个电动力电动机，所述一个或多个电动力电动机独自运行（例如用于FEV动力总成）或与内燃机总成配合运行（例如用于HEV动力总成）以选择性驱动一个或多个负重轮，由此推动交通工具。还在交通工具体上安装一个或多个可再充电的动力蓄电池包，其选择性储存和传送电流以向一个或多个牵引电动机供电。一个或多个蓄电池包和一个或多个电动机经高压电路互相连接。

延续上述实例的论述，交通工具还包括沿交通工具底盘的底架附着并在其上支承动力蓄电池包的护板。所述护板由以下制成：第一层，其包含嵌在聚合物基质中的连续纤维；和第二层，其包含弹性体聚合物。第二层附着于第一层的舱内侧，位于其它护板层和蓄电池包之间。第三层附着于第一层的与舱内侧相反的舱外侧。这种第三层包括纤维增强的聚合物蜂窝结构和/或FRP波纹结构。

在本文中还提出了任何公开的冲击保护结构、蓄电池包和护板组装件，和/或机动交通工具的制造方法和使用方法。在一个实例中，提出了一种构建多层冲击保护结构的方法。这种代表性的方法包括，以任何顺序和以与上文和下文所公开的选项和特征中任何的任何组合：形成第一层，其包括将连续纤维嵌在聚合物基质中（例如经由树脂传递模塑）；将第二层附着于第一层的第一侧（例如经由层压、粘附、声波或热焊接等），第二层包含弹性体聚合物；和将第三层附着于第一层的与第一侧相反的第二侧，第三层包括纤维增强的聚合物蜂窝和/或波纹结构。这可包括通过蜂窝结构的压缩成型和/或波纹结构的包覆成型来形成第三层。方法可进一步包括将第四层附着于第三层的与第一层所在侧相反的一侧。第四层包括嵌在聚合物基质中的连续碳和/或玻璃纤维。作为进一步的选项，方法可进一步包括将裂隙检测电路附着于第一至第四层中的任何一个或多个，所述裂隙检测电路配置为检测冲击保护结构中的破损。

上文的发明内容不代表本公开的每个实施方案或每个方面。更准确地说，上文的发明内容仅提供本文中阐述的一些新颖概念和特征的实例。当联系附图和所附权利要求书理解时，本公开的上述特征和优点以及其它特征和附带优点将由用于实施本公开的示例性实例和模式的下列详述而显而易见。此外，本公开明确包括上文和下文给出的要素和特征的任何和所有组合与子组合。

本发明公开了以下条款：

1. 一种多层冲击保护结构，其包括：

第一层，其包含嵌在聚合物基质中的连续纤维；

第二层，其附着于第一层的第一侧并包含弹性体聚合物；和

第三层，其附着于第一层的与第一侧相反的第二侧，并包括纤维增强的聚合物（FRP）蜂窝和/或波纹结构。

2. 条款1的冲击保护结构，其进一步包括裂隙检测电路，其附着于第一层或第三层，并配置为检测冲击保护结构中的破损。

3. 条款2的冲击保护结构，其中裂隙检测电路包括层压到第一层上或嵌在第一层内的电线的工程化模式。

4. 条款1的冲击保护结构，其中第三层包括FRP波纹结构，所述FRP波纹结构包括一系列伸长的相互平行的脊。

5. 条款4的冲击保护结构，其中一系列伸长的相互平行的脊具有正弦波形轮廓或多边波形轮廓。

6. 条款4的冲击保护结构，其中一系列相互平行的脊中的各个脊具有大约10-30mm的高度和大约15-50mm的宽度。

7. 条款4的冲击保护结构，其中FRP波纹结构进一步包括多个加强肋，所述多个加强肋插入脊内并基本垂直于脊。

8. 条款4的冲击保护结构，其中FRP波纹结构包含具有大约20-60%的纤维体积分数的短切纤维。

9. 条款1的冲击保护结构，其中第三层包括FRP蜂窝结构，所述FRP蜂窝结构包括毗连的多边形孔室的网格。

10. 条款9的冲击保护结构，其中FRP蜂窝结构具有大约2.0 kg/m²至大约4.0 kg/m²的空气重量和具有可变壁厚度的蜂窝壁。

11. 条款10的冲击保护结构，其中FRP蜂窝结构进一步包括从毗连的多边形孔室的网格的分立部分（discrete sections）伸出并粘附或焊接到第一层上的多个凸缘。

12. 条款9的冲击保护结构，其进一步包括第四层，第四层附着于第三层的与第一层所在侧相反的一侧，并包含嵌在聚合物基质中的连续碳和/或玻璃纤维。

13. 条款12的冲击保护结构，其中第一层具有第一厚度，所述第一厚度比第四层的第四厚度厚大约50-500%，或所述第一厚度是第四层的第四厚度的大约50-500%。

14. 条款1的冲击保护结构，其中第一和第三层同时成型为一体的单件结构。

15. 一种构建多层冲击保护结构的方法，所述方法包括：

形成第一层，其包括将连续纤维嵌在聚合物基质中；

将第二层附着于第一层的第一侧，第二层包含弹性体聚合物；和

将第三层附着于第一层的与第一侧相反的第二侧，第三层包括纤维增强的聚合物（FRP）蜂窝和/或波纹结构。

16. 条款15的方法，其进一步包括将裂隙检测电路附着于第一层或第三层，裂隙检测电路配置为检测冲击保护结构中的破损。

17. 条款15的方法，其中第三层包括FRP波纹结构，所述FRP波纹结构包括一系列刚性和伸长的相互平行的脊，所述一系列刚性和伸长的相互平行的脊具有正弦波形轮廓或多边波形轮廓。

18. 条款17方法，其中FRP波纹结构进一步包括多个加强肋，所述多个加强肋插入脊内并基本垂直于脊。

19. 条款15的方法，其中第三层包括FRP蜂窝结构，所述FRP蜂窝结构包括毗连的多边形孔室的网格。

20. 条款15的方法，其中第一和第三层同时成型为一体的单件结构。

附图说明

图1是代表性的机动交通工具的立面透视图，其具有交通工具底盘的下侧的插入视图，以显示根据本公开的方面的底部护板。

图2是根据本公开的方面的具有波纹冲击层设计的代表性的多层、纤维增强的冲击保护结构的立面透视图。

图3是图2的代表性冲击保护结构的一部分的侧视图。

图4是根据本公开的方面的具有波纹冲击层设计的另一代表性的多层、纤维增强的冲击保护结构的一部分的侧视图。

图5是根据本公开的方面的具有蜂窝芯设计的再另一代表性的多层、纤维增强的冲击保护结构的一部分的侧视图。

本公开可接受各种修改和替代形式，并且一些代表性实施方案以举例的方式显示在附图中，并将在下文中详细描述。但应该理解的是，本公开的创新颖方面不限于上面列举的附图中图示说明的特定形式。更准确地说，本公开意在涵盖落在如例如所附权利要求书所包括的本公开的范围内的所有修改、等同物、组合、子组合、置换、分组和替代方案。

具体实施方式

本公开可接受许多不同形式的实施方案。本公开的代表性实施方案显示在附图中，并将在本文中详细描述，要理解的是，这些实施方案作为所公开原理的示例提供，而非限制本公开的广泛方面。在该程度上，例如描述在摘要、背景技术、发明内容和具体实施方式部分中但没有在权利要求书中明确提出的要素和限制不应单独地或共同地通过暗示、推论或其它方式并入权利要求书中。

为了本具体实施方式的目的，除非明确否认：单数包括复数，反之亦然；词语“和”和“或”应该既是合取性的又是析取性的；词语“任何”和“所有”应该都指“任何和所有”；并且词语“包括”、“含有”、“包含”、“具有”等应该各自是指“包括但不限于”。此外，近似词语，如“大约”、“几乎”、“基本”、“通常”、“近似”等，各自可在本文中以以下含义使用，例如“为、接近或接近于”或“在其0-5%内”或“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合。最后，方向形容词和副词，如前侧、后侧、舱内、舱外、右舷、左舷、垂直、水平、上、下、前、后、左、右等可相对于机动交通工具，如当交通工具在水平行驶表面上操作定向时，机动交通工具的向前行驶方向。

现在参考附图，其中在几个视图中相同附图标记是指相同部件，在图1中显示代表性的汽车的透视图，其整体标作10并在本文中为论述目的而描述为轿车型电驱动的载客交通工具。在汽车10车身内，例如在电动机舱12的后部和在乘客舱14的下方，安装动力蓄电池包16，其电耦合到一个或多个电动机-发电机18，它们运行以推动交通工具10。图示说明汽车10（在本文中也称为“机动交通工具”或简称为“交通工具”）仅是可实践本公开的方面和特征的示例性应用。以同样的方式，本概念在全电动交通工具配置中的实施也应被理解为本文中公开的新颖概念的示例性应用。相应地，本公开的方面和特征可并入其它动力总成配置中，可实施于任何逻辑上相关类型的机动交通工具，并可相似地用于汽车和非汽车应用。最后，本文给出的附图不一定按比例，并仅为指导目的提供。因此，附图中所示的具体和相对尺寸不应被解释为限制。

图1的交通工具10可呈现需要改进的底部保护的任何电力驱动的交通工具配置，作为一些非限制性实例，如混合电动交通工具（HEV）、插电式电动交通工具（PEV）、增程式电动交通工具（E-REV）或蓄电池电动交通工具（battery electric vehicle）（BEV）。在这方面，交通工具10用以下构建：可再充电储能系统（RESS），如高压高安培小时的动力蓄电池包16（具有一系列的铅酸、锂离子、锂硅、镍金属氢化物）或其它合适类型的电动交通工具蓄电池（EVB）。代表性的蓄电池包16配有刚性保护性蓄电池包壳体22，其将八（8）个蓄电池模块（不可见）装入其中，所述八（8）个蓄电池模块以每排两个蓄电池模块的四个横排的模式排列。蓄电池包16可由更多或更少的蓄电池模块组成，所述更多或更少的蓄电池模块可以与上文所述类似的模式或替代性的模式排列。各蓄电池模块可包括一系列的圆柱形、棱柱形或袋式蓄电池单体电池，如例如独立密封的锂离子（Li离子）、锂聚合物（LiPo）和/或镍金属氢化物（NiMH）蓄电池单体电池的堆叠。为了简化设计和维护，以及为了降低成本，这些模块可大致相同，或一般而言，彼此相等。如果需要，在蓄电池包壳体22内可安置可变形的不导电隔片、冷却流体管路和外围控制硬件（未显示）。

交通工具10原始配备刚性地板（rigid floor pan）（不可见），其延伸穿过蓄电池包模块的顶部，例如将动力蓄电池包16与乘客舱14的内部分开。地板和蓄电池包16，即蓄电池壳体22，锚定到底盘架26，底盘架26在其上支承交通工具体20的所选部分，或替代性地可与交通工具体20的所选部分组合（例如在单片式汽车车身框架构造中）。底盘26由一对纵向取向、侧面间隔并大致平行的箱形梁底盘纵梁30和32（例如门槛）形成。一系列横向取向的U形横梁（在图1中隐藏在护板24和剪力板（shear plate）28之后的视图）彼此纵向间隔并功能在于将底盘纵梁30、32互连。从各底盘纵梁30、32的前端伸出的是各自的前纵梁34和36。对于一些应用，为中间横梁提供有座椅架（seat mounts）（未显示），其在功能上在其上支承驾驶员侧和乘客侧的座椅框架。前悬架支架38通过结构剪力板28（其构成交通工具底架的一部分）机械连接到动力蓄电池包16上。

充当空气动力学底部板和充当用于保护动力蓄电池包16的下侧的屏障，例如护板24包括或可基本由多层的、纤维增强的冲击保护结构组成，其非限制性实例显示在附图中的124（图2和3）、224（图4）和324（图5）。尽管外观不同，但应该认识到，图2的代表性的冲击保护结构124可包括下文对图4和5的冲击保护结构224和324分别描述的任何特征和选项，反之亦然。如本文所用的术语“层”包括，但不一定要求，复合材料构造的特定的段跨越（span）所有剩余层的整体（即与所有剩余层共同延伸）。另外，列举冲击保护结构124、224和324的构成层（如在发明内容、具体实施方式或权利要求书中那样）作为简化参考的方式提供，并且因此不应被解释为指定的顺序或所需的量。此外，术语“不连续纤维”或“短切纤维”或“短纤维”可互换和同义地使用以涉及具有大约1毫米（mm）至大约30 mm的近似纤维长度的纤维，并且（如果需要）其以主要随机取向排列以提供各向同性性能。与此相比，术语“连续纤维”和“长纤维”能可互换和同义地使用以涉及具有相对较高的长径纵横比的纤维（例如大约80-100的长纤维AR对大约3-5的短纤维AR），（如果需要）所述具有相对较高的长径纵横比的纤维以预定取向排列以提供各向异性性能。纤维可采取任何合适的材料，如玻璃、碳、芳族聚酰胺、硼、金属和/或玄武岩，并且各纤维可具有宽度/直径为大约5-50微米（µm）的方形或圆形横截面。

首先转向图2和3，显示了具有包覆成型的波纹冲击层设计的冲击保护结构124的实例。在一个实例中，压缩成型制造系统采用高流量压缩成型压机制造各种热塑性或热固性纤维增强聚合物（FRP）夹层结构中的任何，所述热塑性或热固性纤维增强聚合物（FRP）夹层结构通常由至少三层组成：第一（非冲击侧，中间）层150；第二（面向蓄电池包的侧（pack-facing side），可压缩）层152，其附着于第一层150的第一（舱内）侧；和第三（面向道路，冲击侧）层154，其附着于第一层150的与第二层152所在侧相反的第二（舱外）侧。根据举例说明的实例，第一和第二层150和152基本跨越彼此的整体，并且因此在长度和宽度上彼此共同延伸。这两个层也可共享例如大约3至8mm的相同高度。反之，图示说明的第三层154不与第一和第二层150和152共同延伸：尽管其跨越层150和152的前后宽度，但第三层154仅跨越它们的侧边到侧边长度的一部分。此外，第三层154可为第一和第二层150和152的任一个的三(3)至八(8)倍厚。此外，第二和第三层152、154显示为直接安装到第一层150的分别相反表面上。

尽管描述为三部分构造（tripartite construction），但预计冲击保护结构124包括多于如图3中所示的三个层。例如，任何图示说明的冲击保护结构可包括一个或多个粘合剂层、附加增强层和/或任选层压层或表面涂层（例如耐腐蚀喷雾、铝镀层、漆、增强纤维素材料或它们的任何组合）。反之，还预计冲击保护结构124、224、324基本由或仅由图示说明的层组成，并因此限于总共三个或四个层。在这方面，可单独或组合修改图示说明层的各自和集体的尺寸以适应其它可预见的应用。可认识到，所选层可同时或一齐成型为单件的一体结构。

具有波纹几何形状的包覆成型的冲击结构设计并入杂化的复合材料配置，其将不同纤维类型整合到复合材料结构的所选区域中。根据图2和3的代表性实例，中间的第一层150完全或部分由嵌在热固性聚合物基质中的连续碳纤维（CF）或玻璃纤维（GF）制成。非冲击侧FRP第一层150可通过粘合剂粘结、专用安装支架和/或机械紧固件组装到被保护的组件，如图1的动力蓄电池包16上。例如，可在第一层150上制造多个通孔155以用于接收螺栓或其它合适的紧固件。比较而言，面向蓄电池包（pack-facing）的可压缩的第二层152完全或部分由弹性聚合物，如合成和/或天然橡胶弹性体制成。对于动力蓄电池包应用，第二层152布置在蓄电池包壳体22和非冲击侧第一层150之间。另一方面，面向地面的冲击侧第三层154是完全或部分由嵌在热固性聚合物基质中的不连续CF/GF制成的FRP结构。为了易于制造和减少零件总数和成本，第三层154可直接包覆成型到第一层150上。

为了保护交通工具底架和可再充电储能系统免受道路碎屑、恶劣气候和其它引发损伤的行驶要素，面向地面的第三层154由工程化的波纹（engineered corrugations）形成。代表性的波纹几何形状可至少部分以一系列伸长的相互平行的脊156为代表。各脊156具有实心的半圆柱形状，其一个或两个侧边毗连相邻的脊156。对于蓄电池包应用，伸长脊156的纵向长度在相对于交通工具10的前后方向上延伸。在这种布置下，这一系列的脊156具有正弦波形轮廓，最好如图3中所见。在这一实例中，各脊156具有大约5 mm至大约40 mm，或在一些实施方案中大约10 mm至大约20 mm的共同脊高H _R1。另外，各脊156具有大约15 mm至大约60 mm，或在一些实施方案中大约25 mm至大约50 mm的共同脊宽W _R1。脊156可通过脊间距S _R1彼此相隔。

为了提高关于交通工具的图2的冲击保护结构124的侧面强度，第三层154也可由多个横向取向、相互平行的加强肋158制成，它们基本垂直于脊156。据设想，这些肋158可围绕这一系列脊156的周边安置并由此将其框住；但是，在图示说明配置中，肋158插在脊156内，前排的三个侧向间隔的肋158从脊156的前沿向后插入，且后排的三个侧向间隔的肋158从脊156的后沿向前插入。各肋158可具有实心的半圆柱形状，其一个或两个纵向末端面向相邻的肋158。图2和3的波纹结构可包括具有大约25-60%的纤维体积分数的短切纤维（或连续纤维）。如所示，第三层152是具有实心脊和肋的一体的单件结构；替代性的配置可用空心凹槽通道替代一些或所有实心脊和/或肋。

为了监测冲击保护结构124的完整性和检测其保护层中的任何裂纹、裂隙、孔或气蚀（统称“破损”），将裂隙检测电路（在图3的插入视图中笼统标作160）附着于冲击保护结构的层150、152、154的任何一个或多个上。根据所示实例，裂隙检测电路160嵌在非冲击侧第一层150内，或层压到第一层150的舱外表面上。裂隙检测电路160被设计为检测冲击侧第三层154中的破损。如所示，裂隙检测电路160包括在交通工具运行过程中携带电流的铜电线162的工程化模式。如果抛射物击穿或以其它方式损坏第三层154并随之破坏或以其它方式损伤电线162中的一个，则电路被破坏并且电流中断；交通工具载计算机设备（未显示）感测到这种中断并生成电子信号以警告交通工具驾驶员。

图4显示具有包覆成型的波纹冲击层设计的冲击保护结构224的另一实例。在这一实例中，通过连续和不连续CF或GF的压缩成型和包覆成型的组合，将FRP夹层结构形成为具有至少四个层的四部分组装件（quadripartite assembly）：第一（非冲击侧，中间）层250；第二（面向蓄电池包的侧，可压缩）层252，其附着于第一层250的第一（舱内）侧；第三（面向道路，冲击侧）层254，其附着于第一层250的与第二层252所在侧相反的第二（舱外）侧；和任选第四（传感器）层260，其夹在第一和第二层250、252之间。根据图示说明的实例，这四个层250、252、254、260彼此共同延伸，并因此共享相同的长度和宽度。另一方面，各层250、252、254、260可具有不同高度。此外，第二和第三层252、254显示为分别直接安装到第一和第四层250、260上。

类似于图2的冲击保护结构124，图4的冲击保护结构224的第一层250完全或部分由嵌在热固性聚合物基质中的连续碳或玻璃纤维制成，且可压缩的第二层252（类似于图2的层152）完全或部分由弹性聚合物制成。同样地，冲击侧第三层254完全或部分由嵌在热固性聚合物基质中的不连续碳或玻璃纤维制成，且第四层260在结构内容和运行上类似于裂隙检测电路160，但所述第四层260是层压到，而非嵌入，第一层250上。在一个具体实例中，第三层254由立即可模塑的（ready-to-mold）玻璃纤维增强的聚酯材料，如合适的片状模塑料（sheet molding compound）（SMC）制成。

面向地面的第三层254由工程化波纹形成，以保护交通工具底架和可再充电储能系统。类似于图3的代表性几何形状，波纹第三层254以一系列伸长的相互平行的脊256为代表，所述脊256被交错的谷257隔开。各脊256具有实心的多面体形状（例如截去尖端的正方棱锥），其一个或两个侧边毗连相邻的脊256。类似于图2和3的脊156，图4的伸长脊256的纵向长度可在相对于交通工具10的前后方向上延伸。在这种布置下，一系列的脊256具有多边波形轮廓。在这一实例中，各脊256具有大约5 mm至大约40 mm，或在一些实施方案中大约15mm至大约30 mm的共同脊高H _R2。另外，各脊256具有大约15 mm至大约60 mm，或在一些实施方案中大约15 mm至大约25 mm的共同脊宽W _R2。脊256可通过各个谷257的谷宽度W _V2彼此相隔。

接着转向图5，显示了具有吸收能量的蜂窝芯设计的夹层冲击保护结构324的实例。这种配置由至少四个层组成：第一（非冲击侧、内面板）层350；第二（面向蓄电池包的侧，可压缩）层352，其附着于第一层350的第一（舱内）侧；第三（面向道路，冲击侧）层354，其附着于第一层350的与第二层352所在侧相反的第二（舱外）侧；和第四（冲击侧、外面板）层364，其附着于第三层354的面向道路的（舱外）表面。根据图示说明实例，第一、第二、第三和第四层350、352、354和364可基本跨越彼此的整体，并因此可在长度和宽度上彼此共同延伸。此外，第三层354可为其它层350和352的五（5）至十（10）倍厚。以同样的方式，内面板第一层350可比外面板第四层364厚大约50-500%（例如1-3mm对3-5mm），或内面板第一层350可为外面板第四层364的大约50-500%厚（例如1-3mm对3-5mm）。此外，第二和第三层352、354显示为直接安装到第一层350的各相反表面上，而面板350、364各自显示为直接安装到蜂窝芯层354的各表面上。

根据图5的代表性实例，两个面板，即第一和第四层350、364完全或部分由嵌在热固性或热塑性聚合物基质中的CF/GF/Kevlar纤维制成。类似于图2和4的第一层150和250，图5的第一层350可通过粘合剂粘结、专用安装支架和/或机械紧固件可操作地连接到被保护的组件，如图1的动力蓄电池包16上。所有图示说明的第二层152、252、352可完全或部分由弹性体聚合物制成。蜂窝芯层354由CF或GF增强的聚酯材料或其它合适的SMC制成。如图5的插入视图中所见，第三层354可由以下制造：具有水平取向的共面凸缘（coplanarflanges）366的分布排列，各凸缘从蜂窝芯的分立部分（discrete sections）伸出；这些凸缘366粘附或焊接到第一和/或第四层350、364上。

延续冲击结构的第三层354的FRP蜂窝构成的论述，该蜂窝通常以毗连的多边形（例如方形、矩形、六边形等）孔室367的网格为代表。如所示，第三层354的FRP蜂窝结构具有大约2.0 kg/m²至大约4.0 kg/m²的空气重量。此外，蜂窝壁的壁厚度T _W3可在垂直方向上变化，即蜂窝壁厚度从顶部（~3mm）向底部（~1mm）逐渐缩小，以使冲击减缓最优化。可希望所公开的构建多层冲击保护结构的方法包括：形成第一层，其包括将连续纤维嵌在聚合物基质中；将第二层附着于第一层的第一侧，第二层包括弹性体聚合物；和将第三层附着于第一层的与第一侧相反的第二侧，第三层包括纤维增强的聚合物（FRP）蜂窝和/或波纹结构。构建多层冲击保护结构的方法可包括：同时形成第一层（其包括将连续纤维嵌在聚合物基质中）和与第一层相邻的第三层（包括纤维增强的聚合物（FRP）波纹结构）；和将第二层附着于第一层的与第三侧相反的第一侧，第二层包括弹性体聚合物。应该认识到，可改变本文描述的操作的实施顺序，可加入附加操作，并可修改所描述操作中的一些，将所描述操作中的一些组合成单个操作或消除。

已经参考图示说明的实施方案详细描述了本公开的方面；但是，本领域技术人员会认识到，可对其作出许多修改而不背离本公开的范围。本公开不限于本文中公开的精确构造和构成；由上文的描述显而易见的任何和所有修改、改变和变动在如所附权利要求书界定的本公开的范围内。此外，本概念明确地包括前述要素和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims

1.一种多层冲击保护结构，其包括：

第一层，其包含嵌在聚合物基质中的连续纤维；

第二层，其附着于所述第一层的第一侧并包含弹性体聚合物；和

第三层，其附着于所述第一层的与第一侧相反的第二侧，并包括纤维增强的聚合物（FRP）蜂窝和/或波纹结构。

2.根据权利要求1所述的冲击保护结构，其进一步包括裂隙检测电路，其附着于第一层或第三层，并配置为检测冲击保护结构中的破损。

3.根据权利要求2所述的冲击保护结构，其中所述裂隙检测电路包括层压到第一层上或嵌在第一层内的电线的工程化模式。

4.根据权利要求1所述的冲击保护结构，其中所述第三层包括FRP波纹结构，所述FRP波纹结构包括一系列伸长的相互平行的脊。

5.根据权利要求4所述的冲击保护结构，其中所述一系列伸长的相互平行的脊具有正弦波形轮廓或多边波形轮廓。

6.根据权利要求4所述的冲击保护结构，其中所述一系列相互平行的脊中的各个脊具有大约10-30mm的高度和大约15-50mm的宽度。

7.根据权利要求4所述的冲击保护结构，其中所述FRP波纹结构进一步包括多个加强肋，所述多个加强肋插入脊内并基本垂直于脊。

8.根据权利要求4所述的冲击保护结构，其中所述FRP波纹结构包含具有大约20-60%的纤维体积分数的短切纤维。

9.根据权利要求1所述的冲击保护结构，其中所述第三层包括FRP蜂窝结构，所述FRP蜂窝结构包括毗连的多边形孔室的网格。

10.根据权利要求9所述的冲击保护结构，其中所述FRP蜂窝结构具有大约2.0 kg/m²至大约4.0 kg/m²的空气重量和具有可变壁厚度的蜂窝壁。