DE102012213308A1

DE102012213308A1 - Batteriepackgehäuseanordnung für Elektro- und Hybridfahrzeuge unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102012213308A1
Application number: DE102012213308A
Authority: DE
Inventors: Chi Hoon Choi; Gun Goo LEE; Cheol Choi; Hee June Kim; Yong Kil Kil; Yong Hoon Yoon; Tae Min Park
Original assignee: Hyundai Motor Co; LG Hausys Ltd
Current assignee: Hyundai Motor Co; LX Hausys Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-09-26
Also published as: US9254609B2; CN103325963B; JP2013201112A; US20130252059A1; US8835033B2; KR20130107823A; JP6093123B2; CN103325963A; KR101315741B1; US20140352886A1

Abstract

Beschrieben wird eine Batteriepackgehäuseanordnung für ein Elektro- oder ein Hybridfahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Die Batteriepackgehäuseanordnung umfasst einen Gehäusekörper und eine Abdeckung. Der Gehäusekörper nimmt ein Batteriepack auf und die Abdeckung ist mit dem Gehäusekörper gekoppelt. Der Gehäusekörper ist aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gebildet, in dem eine Langfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser als eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix verwendet wird. Ein separates verstärktes Element ist mit beiden Seitenhalterungsteilen zum Koppeln an eine Fahrzeugkarosserie verbunden und wird aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gebildet, in dem eine Langfaser, eine Endlosfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser als die Verstärkungsfaser in der Kunststoffmatrix verendet wird.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriepackgehäuseanordnung, die insbesondere für Elektro- und Hybridfahrzeuge geeignet ist, und ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackgehäuseanordnung. Sie betrifft insbesondere eine Batteriepackgehäuseanordnung für Elektro- und Hybridfahrzeuge, die zumindest teilweise aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gebildet ist, und ein Verfahren zum Herstellen derselben, die ein verringertes Gewicht und eine verbesserte Struktursteifigkeit, Maßhaltigkeit und verbesserte Kollisionskenngrößen aufweist.
(b) Stand der Technik
Angesichts der steigenden Ölpreise und CO₂-Vorschriften haben sich Studien in jüngster Zeit auf die Entwicklung von umweltfreundlichen Fahrzeugen konzentriert, die typische Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen können. Manche Fahrzeughersteller sind bereits bei der Vermarktung und Einführung von reinen Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen in den Markt erfolgreich gewesen.
Wie in 1 gezeigt, umfassen Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge eine Batterie 1 in dem unteren Teilbereich der Fahrzeugkarosserie oder in dem Kofferraum zum Zuführen von elektrischem Strom zu einem Elektromotor. Die Hochspannungsbatterie 1, die als Hauptenergiequelle in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen verwendet wird, weist eine allgemeine Anordnung auf, in der eine Gehäuseanordnung eine Mehrzahl von Batteriepacks unterbringt.
Wie in 2 gezeigt, umfasst eine typische Batteriepackgehäuseanordnung einen unteren Gehäusekörper 200 zum Aufnehmen einer Mehrzahl von Batteriepacks 300, eine Abdeckung 100, die derart angeordnet werden kann, um die Oberseite des unteren Gehäuses 200 abzudecken und zu koppeln, und verschiedene Arten von strukturverstärkenden Elementen (z. B. Querträger, Längsträger, etc.). Die Batteriepackgehäuseanordnung kann ferner zusätzliche dazugehörige Teile, wie zum Beispiel ein Batterie-Management-System (BMS) und ein Gebläse zusätzlich zu dem Batteriepack 300 beherbergen.
Da die Entfernung bis leer (Distance to Empty – DTE) von Elektrofahrzeugen umgekehrt proportional zu dem Fahrzeuggewicht ist, ist eine Gewichtsreduzierung in der Entwicklung von Elektrofahrzeugen zunehmend wichtiger geworden. Folglich werden aktiv Versuche gemacht, um Leichtbauwerkstoffe für verschiedene Teile von Elektrofahrzeugen zu verwenden.
Beispielsweise wird ein Versuch, um typische metallische Werkstoffe zu ersetzen, die gewöhnlich verwendet werden, um Batteriepackgehäuse zu bilden, mit einem Kunststoffverbundwerkstoff gemacht. Da die obere Abdeckung die Last der Batterie größtenteils nicht trägt, kann die obere Abdeckung durch ein typisches Kunststoffverbundwerkstoff-Formverfahren hergestellt werden. Da jedoch das untere Gehäuse und strukturverstärkende Elemente des Gehäuses in der Lage sein müssen, die Last der Batterie ausreichend tragen zu können, sind diese Strukturen durch separates Pressformen von Stahlteilen oder Einfügen eines stahlverstärkten Werkstoffs in einen Kunststoffverbundwerkstoff hergestellt worden.
Jedoch müssen bei dem unteren Gehäuse und den strukturverstärkenden Elementen der Batteriepackgehäuseanordnung verwendete Stahlwerkstoffe eine ausreichende Dicke aufweisen, um eine Steifigkeit und Haltbarkeit zu gewährleisten, und Teile wie zum Beispiel Halterungen müssen separat montiert werden. Infolgedessen nimmt das Gesamtgewicht der Batteriepackgehäuseanordnung zu.
Befestigungsanordnungen im unteren Fahrzeugkarosserieboden für eine Batteriepackgehäuseanordnung werden in EP 1950070 , EP 1939028 , EP 1939027 , EP 1939025 , US 2009/0236162 , US 7610978 und JP 2009-137408 beschrieben. Um die Steifigkeit zu erhöhen, verwenden diese entweder einen Kunststoffverbundwerkstoff, in dem ein Stahlrahmen eingesetzt ist, oder setzen eine Struktur ein, in der ein aus einem Stahlwerkstoff gebildeter separater Querträger gekoppelt ist, gefolgt von einem Einbau in einen Fahrzeugkarosserie-Querträger und einen Längsträger.
Jedoch erhöhen solche mit einem Stahlwerkstoff gebildeten Batteriepackgehäuseanordnungen das Gewicht der Fahrzeugkarosserie, insbesondere aufgrund der Verwendung von zahlreichen Stahlteilen. Als solches nimmt das Gesamtgewicht zu, was die DTE verringert.
Ferner sind große thermoplastische Teile wie zum Beispiel das untere Gehäuse der Batteriepackanordnung anfällig für ein Schrumpfen und/oder eine Verformung zufolge der Umformbedingungen, und nachträgliche Belastungen können ferner durch Eigenspannungen aufgrund einer wiederholten Schwindung und Ausdehnung bei Temperaturschwankungen während der Verwendung verursacht werden.
Somit wird dringend ein Verfahren zum Verbessern der Maßhaltigkeit von Teilen benötigt, während das Gewicht unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes verringert wird.
Die obige in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information dient nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Batteriepackgehäuseanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bereit, die zumindest teilweise aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gebildet ist, und ein Verfahren zum Herstellen derselben bereit. Die vorliegende Erfindung kann eine Verringerung des Gewichts bereitstellen und kann gleichzeitig die Struktursteifigkeit, Kollisionskenngrößen und Maßhaltigkeit unter Verwendung eines Leichtbau-Kunststoffverbundwerkstoffes für das Gehäuse verbessern.
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung eine Batteriepackgehäuseanordnung für ein Elektrofahrzeug bereit, umfassend: einen Gehäusekörper zum Aufnehmen eines Batteriepacks; und eine Abdeckung, die mit dem Gehäusekörper abnehmbar gekoppelt ist, wobei der Gehäusekörper gebildet ist aus einem Kunststoffverbundwerkstoff, in dem eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix vorgesehen ist, und einem separaten verstärkten Element, das aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gebildet ist, in dem eine Verstärkungsfaser in der Kunststoffmatrix vorgesehen ist. Das separate verstärkte Element kann zum Koppeln an eine Fahrzeugkarosserie mit beiden Seitenhalterungsteilen verbunden sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die in dem Gehäusekörper verwendete Verstärkungsfaser eine Langfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser, und die in dem separaten verstärkten Element verwendete Verstärkungsfaser ist eine Langfaser, eine Endlosfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser. Die Langfasern, die in dem Gehäuseelement und dem separaten verstärkten Element verwendet werden können, können die gleichen oder unterschiedlich sein, die Endlosfaser, die in dem Gehäuseelement und dem separaten verstärkten Element verwendet werden können, kann die gleiche oder unterschiedlich sein, und die Mischung aus der Langfaser und der Endlosfaser, die in dem Gehäuseelement und dem separaten verstärkten Element verwendet werden können, kann die gleiche oder unterschiedlich sein. Ferner kann das beim Bilden des Gehäusekörpers verwendete Verstärkungselement das gleiche wie das beim Bilden des separaten verstärkten Elements verwendete Verstärkungselement sein (z. B. kann das Verstärkungselement für den Gehäusekörper eine Langfaser sein, während das Verstärkungselement des separaten verstärkten Elements eine Endlosfaser sein kann; das Verstärkungselement für den Gehäusekörper kann eine erste Art von Langfaser sein, während das Verstärkungselement des separaten verstärkten Elements eine zweite Art von Langfaser sein kann, etc.). Alternativ kann das beim Bilden des Gehäusekörpers verwendete Verstärkungselement anders als das beim Bilden des separaten verstärkten Elements verwendete Verstärkungselement sein.
In einem Ausführungsbeispiel weisen die Langfaser des Gehäusekörper und des verstärkten Elements ein Aspektverhältnis von ungefähr 1000 auf.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das verstärkte Element ein bügelartiges verstärktes Element mit einer Verstärkungsrippe sein. Das verstärkte Element kann ferner einen Strukturbereich mit einem geschlossenen Querschnitt zum Absorbieren von Kollisionsenergie umfassen, wenn das Seitenhalterungsteil und das bügelartige verstärkte Element miteinander gekoppelt sind.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das verstärkte Element in einer flächigen Bauart (d. h., aufweisend eine flächenartige Struktur) gebildet sein, um mit den beiden Seitenhalterungsteilen des Gehäusekörpers gekoppelt zu werden.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Batteriepackgehäuseanordnung ferner ein flächenartiges verstärktes Element umfassen, das an der Unterseite des Gehäuses angeordnet ist. Das flächenartige verstärkte Element kann unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes gebildet werden, der eine Endlosfaser als eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix umfasst.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Endlosfaser des verstärkten Elements, das an der Unterseite des Gehäuses angeordnet ist, in einer Richtung der Kunststoffmatrix angeordnet werden oder kann in einer Form von gewebten Fasern befestigt werden, in denen sich die Endlosfasern in Längs- und Querrichtungen kreuzen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Endlosfaser in einer Richtung angeordnet, die längs in einer rechten und linken Breitenrichtung ist. Die Längsrichtung der Endlosfaser kann orthogonal zu einer vorwärts gerichteten und rückwärts gerichteten Längsrichtung des Gehäuses sein.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackgehäuseanordnung für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bereit, umfassend einen Gehäusekörper zum Aufnehmen eines Batteriepacks und eine Abdeckung, die abnehmbar mit dem Gehäusekörper gekoppelt ist, wobei das Verfahren umfasst: Bilden des Gehäusekörpers unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes, in dem eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix vorgesehen ist, wobei das Bilden des Gehäusekörpers umfasst: Bilden eines separaten verstärkten Elements unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes, in dem eine Verstärkungsfaser in der Kunststoffmatrix vorgesehen ist; und Verbinden des verstärkten Elements mit beiden Seitenhalterungsteilen des Gehäusekörpers zum Koppeln an eine Fahrzeugkarosserie. Die Verstärkungsfaser des Gehäusekörpers kann eine Langfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser sein, und die Verstärkungsfaser des separaten verstärkten Elements kann eine Langfaser, eine Endlosfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser sein. Wie oberhalb beschreiben, kann jede Art von Langfasern, Endlosfasern und Mischungen davon in dem Gehäusekörper und dem separaten verstärkten Element vorgesehen sein.
In einem Ausführungsbeispiel kann in dem Bilden des Gehäusekörpers und des verstärkten Elements ein Aspektverhältnis einer verbleibenden Langfaser gleich oder größer als ungefähr 1000 sein. Was unter einer ”verbleibenden” Langfaser gemeint ist, ist der Zustand der Verstärkungsfaser selbst in dem Gehäusekörper als ein Ergebnis (d. h., nach) von einem Pressformen, und kann somit auch als Rest-Langfaser bezeichnet werden. Im Allgemeinen werden während dem Spritzgießen viele Fasern aufgebrochen und die maximale Länge von restlichen Glasfasern beträgt nach solch einem Spritzgießen 2~5 mm. Jedoch beträgt gemäß der vorliegenden Erfindung die maximale Länge von restlichen Glasfasern ungefähr 20 mm oder mehr, weil die meisten Fasern nach dem Umformverfahren intakt bleiben ohne aufgebrochen zu werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Umformen des verstärkten Elements derart durchgeführt werden, so dass das verstärkte Element eine bügelförmige Bauart mit zumindest einer Verstärkungsrippe darstellt. Das verstärkte Element kann einen Strukturbereich mit einem geschlossenen Querschnitt zum Absorbieren von Kollisionsenergie umfassen, wenn das Seitenhalterungsteil des Gehäusekörpers und das bügelartige verstärkte Element miteinander gekoppelt sind.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das verstärkte Element in einer flächigen Bauart (d. h., aufweisend eine flächenartige Struktur) gebildet werden, um an beide Seitenhalterungsteile des Gehäusekörpers gekoppelt zu werden.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Verfahren ferner umfassen: Bilden eines flächenartigen verstärkten Elements unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes, wobei der Kunststoffverbundwerkstoff eine Endlosfaser als eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix umfasst; und Anordnen des flächenartigen verstärkten Elements an einer Unterseite des Gehäusekörpers.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann in dem Bilden des flächenartigen verstärkten Elements ein unidirektionales Band oder eine gewebte Faser, die mit den Endlosfasern gewebt ist, verwendet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das unidirektionale Band verwendet und die Endlosfaser kann der Länge nach in einer rechten und linken Breitenrichtung, die orthogonal zu einer vorwärts gerichteten und rückwärts gerichteten Längsrichtung des Gehäusekörpers ist, angeordnet werden.
Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf deren bestimmte beispielhafte Ausführungsformen ausführlich beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachfolgend lediglich der Veranschaulichung dienen und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, wobei:
1 zeigt eine Ansicht, die eine in einem Fahrzeug angebrachte Batterie darstellt;
2 zeigt eine Ansicht, die die Struktur einer Batterie für ein Elektrofahrzeug darstellt, in der eine Mehrzahl von Batteriepacks durch eine Batteriepackgehäuseanordnung aufgenommen ist;
3 bis 5 zeigen Ansichten, die eine Batteriepackgehäuseanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, in denen 3 eine perspektivische Ansicht zeigt, die eine Oberseite eines unteren Gehäuses darstellt, 4 eine perspektivische Ansicht zeigt, die eine Unterseite des unteren Gehäuses darstellt, und 5 eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang der Linie A-A von 3 genommen ist;
6 zeigt eine perspektivische Ansicht, die ein endlosfaserverstärktes Element, das an einem Seitenhalterungsteil des unteren Gehäuses verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der 3 bis 5 darstellt;
7 zeigt eine Querschnittsansicht, die ein endlosfaserverstärktes Element, das an eine Seitenhalterung des unteren Gehäuses gekoppelt wird, gemäß einer Ausführungsform der 3 bis 5 darstellt;
8 zeigt eine Ansicht, die ein flächenartiges endlosfaserverstärktes Element, das an der Unterseite eines unteren Gehäuses angeordnet wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 zeigt eine Ansicht, die ein flächenartiges endlosfaserverstärktes Element mit einer großen Fläche, das an der Unterfläche eines unteren Gehäuses angeordnet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 zeigt eine Ansicht, die ein flächenartiges endlosfaserverstärktes Element, das an beide Seitenhalterungsteile gekoppelt wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
11 zeigt eine Ansicht, die ein flächenartiges endlosfaserverstärktes Element, das in Mehrzahl an beide Seitenhalterungsteile und die Unterseite eines unteren Gehäuses gekoppelt wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen umfassen eine Bezugnahme auf die folgenden Elemente, wie dies weiter unten erläutert wird:
Bezugszeichenliste

100: obere Abdeckung
200: unteres Gehäuse (Gehäusekörper)
211: Seitenhalterungsteil
212: bügelartiges endlosfaserverstärktes oder langfaserverstärktes Element
213: Verstärkungsrippe
215a, 215b: Verstärkungsrippe
220a, 220b, 220c: endlosfaserverstärktes oder langfaserverstärktes Element
300: Batteriepack

Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung, wie dies in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und weitere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, stellt ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug dar, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl Benzinangetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Die obigen und weiteren Merkmale der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriepackgehäuseanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, in der ein Leichtbau-Kunststoffverbundwerkstoff als ein Werkstoff für ein Gehäuse verwendet wird. Sie betrifft insbesondere einen Gehäusekörper, in dem Batteriepacks unter den verschiedenen anderen Komponenten einer Batteriepackgehäuseanordnung angeordnet sind, d. h., ein unteres Gehäuse, das hohe Lastaufnahme- und Steifigkeitseigenschaften erfordert.
In der vorliegenden Erfindung kann ein Gehäuse durch ein Extrusions-Pressformverfahren unter Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffes hergestellt werden, um das Gewicht zu verringern. Insbesondere kann eine Langfaser mit einem Aspektverhältnis (d. h., Länge durch Durchmesser (L/D)) von ungefähr 1000 oder mehr oder eine Endlosfaser (d. h., eine Faser ohne einen Bruch darin) verwendet werden, um die Struktursteifigkeit, die Kollisionskenngrößen und die Maßhaltigkeit des Gehäuses zu verbessern.
In der vorliegenden Erfindung, wenn ein großes Kunststoffverbundwerkstoff-Gehäuse hergestellt wird, das eine Mehrzahl von Batteriepacks aufnehmen kann, kann eine Endlosfaser an einem Abschnitt lokal verwendet werden, wo eine relativ große Steifigkeit erforderlich ist. Die Verwendung der Endlosfaser kann ermöglichen, dass ein oder mehrere verschiedene Teile wie zum Beispiel typische strukturverstärkende Querträger, Längsträger, Halterungen gleichzeitig weggelassen werden können, wodurch das Gewicht und die Kosten verringert werden.
Nachfolgend wir eine Ausführungsform, in der eine Endlosfaser (oder Langfaser mit einem Aspektverhältnis von ungefähr 1000 oder mehr) bei dem unteren Gehäuse (d. h., den Gehäusekörper, der eine hohe Lastaufnahme und hohe Steifigkeitseigenschaften erfordert) verwendet wird, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Jedoch kann die Endlosfaser (oder Langfaser mit einem Aspektverhältnis von ungefähr 1000 oder mehr) ebenfalls bei einer oberen Abdeckung (d. h., einer oberen Abdeckung, die angeordnet und gekoppelt ist, um das untere Gehäuse abzudecken) verwendet werden.
2 zeigt eine Ansicht, die die Struktur einer Batterie für ein Elektrofahrzeug darstellt, in der eine Mehrzahl von Batteriepacks durch eine Batteriepackgehäuseanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist. Die Batteriepackgehäuseanordnung kann ein unteres Gehäuse (ebenfalls als ein Gehäusekörper bezeichnet) 200 zum Aufnehmen eines Batteriepacks 300 und eine Abdeckung (ebenfalls als eine obere Abdeckung bezeichnet) 100, die an das untere Gehäuse 200 gekoppelt ist, umfassen.
3 bis 5 zeigen Ansichten, die eine Batteriepackgehäuseanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, in denen 3 eine perspektivische Ansicht zeigt, die eine Oberseite eines unteren Gehäuses 200 darstellt, 4 eine perspektivische Ansicht zeigt, die eine Unterseite des unteren Gehäuses 200 darstellt, und 5 eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang der Linie A-A von 3 genommen ist.
Unter Bezugnahme auf 3 kann das untere Gehäuse 200 unter Verwendung von langfaserverstärkten Thermoplasten (Long Fiber Reinforced Thermoplastics – LFRT) hergestellt werden, in denen eine Langfaser in einer Kunststoffmatrix verstärkt wird.
In diesem Fall kann die Kunststoffmatrix des faserverstärkten Verbundwerkstoffes ein oder mehrere thermoplastische Harzwerkstoffe umfassen, die in nicht einschränkender Weise Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfon (PPS), Polyphenylenäther (PPE) und thermoplastisches Polyurethan (TPU) umfassen.
Die als eine Verstärkungsfaser verwendete Langfaser kann aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Vulkanaschefasern, Naturfasern und Kombinationen davon ausgewählt werden.
Wenn das untere Gehäuse 200 unter Verwendung des faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffes, der die Verstärkungsfaser enthält, pressgeformt wird, kann das untere Gehäuse 200 derart gebildet werden, so dass die Länge von verbleibenden oder restlichen Verstärkungsfasern so bemessen wird, dass sie die Faser mit einem Aspektverhältnis von ungefähr 1000 oder mehr bereitstellt.
Insbesondere wenn das Aspektverhältnis der verbleibenden oder restlichen Verstärkungsfaser weniger als ungefähr 1000 beträgt, kann ein ausreichender Steifigkeitsverstärkungseffekt nicht erreicht werden. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann das Aspektverhältnis der verbleibenden Verstärkungsfaser von ungefähr 1000 bis ungefähr 10000 reichen.
Im Allgemeinen kann die Maßhaltigkeit von Teilen direkt durch die Form der Teile beeinflusst werden, aber kann durch die richtige Auswahl von Werkstoffen und Umformverfahren verbessert werden. Somit kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen das faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoff-Gehäuse durch ein Extrusions-Pressformverfahren hergestellt werden, das Eigenspannungen minimieren kann, die durch eine Scherkraft während des Pressformens des Produkts verursacht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, beim Herstellen des unteren Gehäuses 200, kann die Langfaser ungefähr 30 Gew.% bis ungefähr 70 Gew.% des Gesamtgewichts des Kunststoffverbundwerkstoffes betragen, der beim Bilden des unteren Gehäuses verwendet wird. Wenn das Gewicht der Langfaser weniger als ungefähr 30 Gew.% beträgt, können die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden. Andererseits, wenn das Gewicht der Langfaser größer als ungefähr 70 Gew.% ist, kann die Fließfähigkeit während des Formens verringert werden, was eine Verringerung der Formbarkeit und eine Verschlechterung der äußeren Qualität verursacht.
Wenn das untere faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoff-Gehäuse 200 hergestellt wird, kann die Langfaser und die Endlosfaser vermischt und als eine Verstärkungsfaser verwendet werden. Insbesondere kann eine endlosfaserartige Verstärkungsfaser mit der Langfaser vermischt werden. Die Endlosfaser kann auf den gesamten Bereich des unteren Gehäuses 200 (d. h., im ganzen unteren Gehäuse 200) eine Anwendung finden und in einigen bevorzugten Ausführungsformen kann die Endlosfaser lediglich bei einen oder mehreren Abschnitten lokal verwendet werden, wo eine hohe Steifigkeit erwünscht ist.
Beispielsweise kann die Endlosfaser nur teilweise bei Abschnitten des unteren Gehäuses 200, bei welchen typische Verstärkungsmittel wie zum Beispiel Querträger, Längsträger und Halterungen angeordnet sind, oder bei Abschnitten des unteren Gehäuses 200 verwendet werden, die an die Fahrzeugkarosserie durch Verschrauben und dergleichen gekoppelt sind. Wenn die Endlosfaser lokal verwendet wird, können typische strukturverstärkende Elemente integral mit der Gehäuse-Einbaustelle der Endlosfaser gebildet werden. Demzufolge können diese separaten Teile (z. B. Querträger, Längsträger, Halterungen etc.) weggelassen werden.
Im Stand der Technik kann ein unteres Gehäuse unter Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffes hergestellt werden und eine doppelt überlappende Plattenstruktur mit einem Strukturbereich mit geschlossenem Querschnitt kann anstatt einer einfachen ebenen Form gebildet werden, um eine Kollisionsenergie zu absorbieren. Somit können eine Bauteil-Steifigkeit und Bauteil-Kollisionseigenschaften erreicht werden.
Andererseits kann in der vorliegenden Erfindung das untere Gehäuse 200 in einer einlagigen Struktur anstatt einer doppelt überlappenden Platte hergestellt werden und die Langfaser und die Endlosfaser mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und einer exzellenten Maßhaltigkeit können ganz oder lokal zusammen verwendet werden. Somit können strukturverstärkende Elemente (d. h., periphere Teile wie zum Beispiel Querträger, Längsträger, Halterungen) weggelassen werden, um eine Gewichtsreduzierung, eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses, eine Verbesserung der Produktivität (Massen-produzierbar) und Kosteneinsparungen zu erzielen.
Getrennt von dem unteren Gehäuse 200 kann ein separates verstärktes Element (im Folgenden als ein endlosfaserverstärktes Element bezeichnet) 212 aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gebildet werden, in dem eine Endlosfaser als eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix verwendet wird. Das endlosfaserverstärkte Element 212 kann lokal an Abschnitte des unteren Gehäuses 200 gekoppelt werden, auf welche sich Belastungen während des Formens des unteren Gehäuses 200 konzentrieren.
Zusätzlich zu der Endlosfaser, die als die Verstärkungsfaser des unteren Gehäuses 200 verwendet wird, kann das endlosfaserverstärkte Element 212 zusätzlich verwendet werden. Die Vorteile der Verwendung der Endlosfaser in dem verstärkten Element 212 können jenen der Verwendung der Endlosfasern in dem unteren Gehäuse 200 ähnlich sein, wie dies oberhalb beschrieben ist.
Die Endlosfasern, die in dem unteren Gehäuse 200 und dem separaten endlosfaserverstärkten Element 212 verwendet werden, können aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Vulkanaschefasern, Naturfasern und Kombinationen davon ausgewählt werden.
Die Kunststoffmatrix des endlosfaserverstärkten Elements 212 kann zumindest einen thermoplastischen Harzwerkstoff wie zum Beispiel Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfon (PPS), Polyphenylenäther (PPE) und thermoplastisches Polyurethan (TPU) und Kombinationen davon umfassen.
Die Kunststoffmatrizen des unteren Gehäuses 200 und das endlosfaserverstärkte Element 212 können identisch sein oder sich voneinander unterscheiden. Wenn eine identische Kunststoffmatrix verwendet wird, kann die Grenzflächen-Haftfestigkeit zwischen unterschiedlichen Arten von Teilen weiter verbessert werden.
Wie in 3 bis 5 gezeigt, kann das endlosfaserverstärkte Element 212 bei Seitenhalterungsteilen 211 verwendet werden, die von sowohl der rechten als auch der linken Seite des unteren Gehäuses 200 jeweils hervorstehen. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht, die ein endlosfaserverstärktes Element 212 darstellt, das an einem Seitenhalterungsteil 211 des unteren Gehäuses verwendet wird. 7 zeigt eine Querschnittsansicht, die ein endlosfaserverstärktes Element 212 darstellt, das an ein Seitenhalterungsteil 211 des unteren Gehäuses 200 gekoppelt wird.
Unter Bezugnahme auf 3 bis 5 und 7 können die Seitenhalterungsteile 211 von sowohl der rechten als auch der linken Seite des unteren Gehäuses (Gehäusekörper) 200 zur Bolzen-Kopplung (oder eine andere geeignete Kopplung) mit der Fahrzeugkarosserie hervorstehen. Das endlosfaserverstärkte Element 212 kann an die Unterfläche/Unterseite des Seitenhalterungsteils 211 gekoppelt werden.
Somit können das endlosfaserverstärkte Element 212 und die Seitenhalterungsteile 211, die integral an beiden Seiten des unteren Gehäuses 200 gebildet sind, eine Seitenhalterung für eine Kopplung mit der Fahrzeugkarosserie bilden.
Wie in 5 und 7 gezeigt, kann das endlosfaserverstärkte Element 212, das die Seitenhalterung bildet, eine Bügelform aufweisen, die einen Strukturbereich mit geschlossenem Querschnitt bilden kann, wenn das endlosfaserverstärkte Element 212 an das Seitenhalterungsteil 211 des unteren Gehäuses 200 gekoppelt wird.
Unter Bezugnahme auf 6 kann eine Mehrzahl von Verstärkungsrippen 213 an der Unterfläche des endlosfaserverstärkten Elements 212 angeordnet werden. Die Mehrzahl von Verstärkungsrippen 213 kann in einem bestimmten Abstand, zum Beispiel einem gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Abstand angeordnet werden.
Das endlosfaserverstärkte Element 212 kann mit dem unteren Gehäuse 200 durch jedes geeignete Mittel, wie zum Beispiel einen Klebemittel oder einem aus einem Vibrationsschweißen, Ultraschallschweißen, Infrarot-(ID)Schweißen, Heizelementschweißen, Laserschweißen und Thermoschweißen verbunden werden.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann anstatt der Endlosfaser eine Langfaser als eine Verstärkungsfaser für das verstärkte Element 212 verwendet werden, das die Seitenhalterung des unteren Gehäuses 200 bildet. In diesem Fall kann das Aspektverhältnis von verbleibenden oder restlichen Langfasern gleich oder größer als ungefähr 1000 während des Pressformens des verstärkten Elements 212 sein, um einen ausreichenden Steifigkeitsverstärkungseffekt zu erzielen.
Insbesondere kann das langfaserverstärkte Element 212 eine Bügelform aufweisen und kann mit einer Langfaser mit einem Aspektverhältnis von ungefähr 1000 oder mehr verstärkt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Aspektverhältnis der Langfaser von ungefähr 1000 bis ungefähr 10000 während des Pressformens reichen.
Die Langfaser kann ungefähr 30 Gew.% bis ungefähr 70 Gew.% des Gesamtgewichts des Kunststoffverbundwerkstoffes ausmachen, der als ein Werkstoff zum Formen des langfaserverstärkten Elements 212 verwendet wird. Wenn das Gewicht der Langfaser weniger als ungefähr 30 Gew.% beträgt, können die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden. Andererseits, wenn das Gewicht der Langfaser größer als ungefähr 70 Gew.% ist, kann die Fließfähigkeit während des Formens verringert werden, was eine Verringerung der Formbarkeit und eine Verschlechterung der äußeren Qualität verursacht.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Langfaser und die Endlosfaser vermischt werden und die Mischung kann als eine Verstärkungsfaser für das verstärkte Element 212 verwendet werden.
Um die Struktursteifigkeit und die Kollisionsenergie-Absorptionsleistung des unteren Gehäuses 200 zu erhöhen, kann eine flächige Bauart (d. h., planare Struktur) von endlosfaserverstärkten Elementen 220a und 220b an der Unterseite des unteren Gehäuses (Gehäusekörper) 200 lokal angeordnet werden.
Insbesondere kann eine Mehrzahl von endlosfaserverstärkten Elementen 220a und 220b während dem Formen des unteren Gehäuses 200 integral gebildet werden. Auch können die endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220b wie gewünscht in geeignete Größen geschnitten werden und können dann an der Unterseite des unteren Gehäuses 200 jeweils in einer einzelnen Schicht oder in mehreren Schichten angeordnet werden.
Die endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220b können in der Unterseite des unteren Gehäuses 200 eingelassen werden oder können an der Oberfläche der Unterseite des unteren Gehäuses 200 angebracht werden.
Insbesondere können die endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220b an der Oberseite (Innenseite), der Unterfläche oder sowohl der Oberseite als auch der Unterfläche des unteren Gehäuses 200 wie gewünscht in einer bestimmten Anordnung und innerhalb einer bestimmten Fläche angeordnet werden.
8 zeigt eine Ansicht, die eine Mehrzahl von flächenartigen endlosfaserverstärkten Elementen 220a, die an der Unterseite eines unteren Gehäuses 200 angeordnet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 zeigt eine Ansicht, die ein flächenartiges endlosfaserverstärktes Element 220b mit einer großen Fläche, das an der Unterfläche eines unteren Gehäuses 200 angeordnet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Somit kann in der vorliegenden Erfindung, da die flächenartigen endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220b in dem unteren Gehäuse 220 lokal angebracht werden können, die Struktursteifigkeit und die Kollisionsenergie-Absorptionsleistung des unteren Gehäuses 200 verbessert werden.
Um die endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220b anzubringen, können die endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220b in geeignete Größen geschnitten werden und können dann in eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten gestapelt und vorgeheizt werden. Danach können die endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220b an gewünschten Stellen einer Form des unteren Gehäuses 200 angeordnet oder angebracht werden und dann kann das untere Gehäuse durch eine Extrusions-Formpressvorrichtung oder dergleichen geformt werden.
Wenn ein faserverstärkter Hochtemperatur-Verbundwerkstoff, der als ein Material des unteren Gehäuses 200 übergeben wird, in der Form zum Extrusionsformen angeordnet wird, kann das untere Gehäuse 200 integral mit den endlosfaserverstärkten Elementen 220a und 220b ohne einen separaten Folgeprozess gebildet werden.
10 zeigt eine Ansicht, die einen flächenartiges endlosfaserverstärktes Element 220c, das an beide Seitenhalterungsteile 211 eines unteren Gehäuses gekoppelt wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie gezeigt, wird das endlosfaserverstärkte Element an zwei Stellen angeordnet. Selbstverständlich könnte jede Anzahl von Stellen in geeigneter Weise verwendet werden, und somit ist die Erfindung nicht nur auf die dargestellte Anzahl und Positionen der endlosfaserverstärkten Elemente 220c beschränkt.
In dieser Ausführungsform kann anstatt des oberhalb beschriebenen bügelartigen endlosfaserverstärkten Elements 212 ein flächenartiges endlosfaserverstärktes Element 220c angeordnet werden. Das endlosfaserverstärkte Element 212 kann aus denselben Werkstoffen wie das bügelartige endlosfaserverstärkte Element 212 gebildet werden.
11 zeigt eine Ansicht, die flächenartige endlosfaserverstärkte Elemente 220a und 220c, die in Mehrzahl an beide Seitenhalterungsteile 211 und die Unterseite des unteren Gehäuses 200 gekoppelt sind, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Insbesondere werden gemäß dieser Ausführungsform die endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220c an fünf Stellen angeordnet. Selbstverständlich könnte jede Anzahl von Stellen in geeigneter Weise verwendet werden und somit ist die Erfindung nicht nur auf die dargestellte Anzahl und Positionen der endlosfaserverstärkten Elemente 220a und 220c beschränkt.
Hierbei kann das endlosfaserverstärkte Element 220a an der Unterseite des unteren Gehäuses 200 durch ein Verfahren und eine Struktur, die jenen aus 8 und 9 ähnlich ist, angeordnet werden (das endlosfaserverstärkte Element kann ebenfalls an der Unterfläche des unteren Gehäuses 200 angeordnet werden).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die verstärkten Elemente 220a, 220b und 220c, die separat hergestellt und an dem unteren Gehäuse 200 angeordnet werden, eine Langfaser mit einem Aspektverhältnis von ungefähr 1000 oder mehr als eine Verstärkungsfaser anstatt der Endlosfaser umfassen.
Die langfaserverstärkten Elemente 220a, 220b und 220c, die mit der Langfaser mit einem Aspektverhältnis von ungefähr 1000 oder mehr verstärkt werden, können angeordnet werden, und in diesem Fall kann die Langfaser ungefähr 30 Gew.% bis ungefähr 70 Gew.% des Gesamtgewichts des die langfaserverstärkten Elemente 220a, 220b und 220c bildenden Kunststoffverbundwerkstoffes ausmachen.
Wenn das Gewicht der Langfaser weniger als ungefähr 30 Gew.% beträgt, können die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden, und wenn das Gewicht der Langfaser größer als 70 Gew.% ist, kann die Fließfähigkeit während des Formens verringert werden, was eine Verringerung der Formbarkeit und eine Verschlechterung der äußeren Qualität verursacht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Langfaser und die Endlosfaser vermischt werden und die Mischung kann als eine Verstärkungsfaser für die langfaserverstärkten Elemente 220a, 220b und 220c, die separat hergestellt werden, verwendet werden.
Wenn das bügelartige endlosfaserverstärkte Element 212, das die Seitenhalterung des unteren Gehäuses 200 bildet (3 bis 7), und die endlosfaserverstärkten Elemente 220a, 220b und 220c, die separat in dem unteren Gehäuse 200 angeordnet werden (8 bis 11), hergestellt werden, kann die Endlosfaser ungefähr 30 Gew.% bis ungefähr 70 Gew.% des Gesamtgewichts des die Verstärkungselemente bildenden Kunststoffverbundwerkstoffes ausmachen. Wenn das Gewicht der Langfaser weniger als ungefähr 30 Gew.% beträgt, können die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden, und wenn das Gewicht der Langfaser größer als ungefähr 70 Gew.% ist, kann die Fließfähigkeit während des Formens verringert werden, was eine Verringerung der Formbarkeit und eine Verschlechterung der äußeren Qualität verursacht.
Wie oberhalb beschrieben, wird in der vorliegenden Erfindung das untere Gehäuse 200 mit dem thermoplastischen Verbundwerkstoff unter Verwendung einer Verstärkungsfaser, insbesondere einer Verstärkungsfaser aus einer Endlosfaserart verstärkt. Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Endlosfaser kann sich merklich von der Langfaser mit Bezug auf eine bestimmte Länge unterscheiden, weil die Endlosfaser eine Faserstruktur ohne einen Bruch in einer oder sich kreuzenden Richtungen aufweist. Somit kann die vorliegende Erfindung einen zusätzlichen Vorteil gemäß der Verwendung der Endlosfaser bereitstellen.
Wenn die Endlosfaser in einer Kunststoffmatrix verwendet wird, um das untere Gehäuse zu bilden, und ferner eine Kunststoffmatrix eines endlosfaserverstärkten Elements bereitgestellt wird, kann ein mit einer Endlosfaser gewebtes unidirektionales Band oder ein Gewebe verwendet werden.
Hierbei kann das unidirektionale Band eine Anordnung aufweisen, in der sich viele Stränge von Langfasern in derselben Richtung längs erstrecken (Stranganordnung), und das Endlosfasergewebe kann eine gewebte Struktur aufweisen, in der die Endlosfasern in den Längs- und Querrichtungen einander kreuzen.
Kurz gesagt, kann die Endlosfaser eines unidirektionalen (DU) oder gewebten Typs verwendet werden. Einige Beispiele des gewebten Typs können Körper-, Leinwand- und Atlastypen, die bei 0°/90° gewebt sind, und einen Typ, der bei 0°/90°/–45°/45° gewebt ist, umfassen.
In der vorliegenden Erfindung können das untere Gehäuse und das endlosfaserverstärkte Element unter Verwendung des unidirektionalen Bandes oder des Endlosfasergewebes hergestellt werden, wie dies oberhalb beschrieben wird. Demzufolge können das untere Gehäuse und das endlosfaserverstärkte Element derart hergestellt werden, so dass die Endlosfaser in der Kunststoffmatrix in einer Richtung angeordnet oder in einer Form einer gewebten Faser fixiert werden kann.
In den Ausführungsformen von 8, 9 und 11, wenn das endlosfaserverstärkte Element, in dem die Endlosfaser in einer Richtung angeordnet ist, verwendet wird (zum Beispiel wird das unidirektionale Band als ein faserverstärkter Werkstoff verwendet), können die Endlosfasern in dem endlosfaserverstärkten Element in einer ”Kreuzungsrichtung” mit Bezug auf die vorwärts und rückwärts gerichtete Längsrichtung des unteren Gehäuses angeordnet werden (d. h., die Endlosfasern in dem endlosfaserverstärkten Element können in der rechten und linken Breitenrichtung mit Bezug auf die vorwärts und rückwärts gerichtete Längsrichtung des unteren Gehäuses angeordnet werden).
Die Bezugszeichen 215a und 215b bezeichnen an der Unterseite des unteren Gehäuses 200 angeordnete Verstärkungsrippen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl von Verstärkungsrippen teilweise oder gänzlich angeordnet werden, um die Steifigkeit des unteren Gehäuses 200 zu verbessern.
Die Verstärkungsrippen 215a und 215b können an der Bodenfläche gebildet werden, um eine große Fläche des unteren Gehäuses 200 zu belegen, und diese Verstärkungsrippen 215a und 215b können in verschiedenen Formen einschließlich in nicht einschränkender Weise einer L-Form, Gitter-, Netz-, Kreuz- und Wabenform gebildet werden.
Beispielsweise kann wie in 4 gezeigt, eine gitterartige Verstärkungsrippe 215a an der unteren Fläche des unteren Gehäuses 200 angeordnet werden und die separate Verstärkungsrippe 215b kann zusätzlich an der Innenseite der gitterartigen Verstärkungsrippe 215a angeordnet werden, um die gitterartige Verstärkungsrippe 215a diagonal zu kreuzen.
Die Verstärkungsrippen 215a und 215b können ferner eine Kombination von Strukturen von verschiedenen Formen aufweisen, wie dies oberhalb beschrieben ist.
Somit kann, wenn der faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoff in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Endlosfaser bei den Seitenhalterungen oder Abschnitten, wo eine hohe Steifigkeit erforderlich ist, verwendet werden, wodurch die Kapazität für einen Massenproduktion bereitgestellt wird und Einschränkungen der Maßabweichung und Verformung nach dem Formen in wirksamer Weise überwunden werden. Auch ist die vorliegende Erfindung in der Lage, sowohl die Steifigkeit als auch die Kollisionskenngrößen von Teilen zu verbessern.
Ebenfalls kann, da das Gehäuse mit den Endlosfasern zusätzlich zu dem Kunststoffverbundwerkstoff lokal verstärkt wird, das Gewicht im Vergleich zu der Verwendung von typischen Stahlteilen und Verstärkungselementen maßgeblich verringert werden. Ferner können verschiedene Teile wie zum Beispiel Querträger und Längsträger weggelassen werden. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung in hohem Maße zu einer Verringerung des Gesamtgewichts des unteren Gehäuses und der Anordnung und den Herstellungskosten beitragen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung durch die folgenden Beispiele genauer beschrieben. Jedoch ist es für den Fachmann ersichtlich, dass diese Beispiele lediglich für eine Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung und sind nicht dazu vorgesehen, dieselbe zu beschränken.
Beispiel 1:
Das untere Gehäuse 200 und das bügelartige verstärkte Element 212 wurden durch ein Extrusions-Pressformverfahren unter Verwendung eines PA6-Verbundwerkstoffes (Werkstoff-A) hergestellt, der mit ungefähr 30 Gew.% Kohlenstofffaser mit eine durchschnittlichen Aspektverhältnis von ungefähr 1000 verstärkt ist (siehe 3 bis 7).
Hierbei betrugen die Zugfestigkeit und der Zugmodul des PA6-Verbundwerkstoffes in der Längsrichtung der Faser ungefähr 250 MPa beziehungsweise ungefähr 20 GPa. Die Verbindung zwischen dem unteren Gehäuse 200 und dem bügelartigen verstärkten Element 212 wurde durch ein Vibrationsschweißverfahren durchgeführt. Während des Vibrationsschweißens wurde eine Schweißraupenstruktur zu einem überlappenden Bereich von ungefähr 1,5 mm hinzugefügt (siehe 7).
Die obere Abdeckung 100 wurde durch dasselbe Verfahren unter Verwendung des PA6-Kunststoffverbundwerkstoffes (Werkstoff-A) hergestellt und die Gehäuseanordnung wurde unter Verwendung des unteren Gehäuses, mit welchem die verstärkten Elemente 212 verbunden sind, und der oberen Abdeckung 100 fertig gestellt.
Eine typische Gehäuseanordnung unter Verwendung von Stahlteilen wurde durch Schweißen von mehr als 30 Teilen hergestellt und das Gesamtgewicht der Gehäuseanordnung betrug 35 kg. Jedoch wurde in der Gehäuseanordnung gemäß dem Beispiel das Gewicht der Gehäuseanordnung unter Verwendung von vier Teilen des unteren Gehäuses 200 einschließlich des Kunststoffverbundwerkstoffes, des bügelartigen verstärkten Elements 212 an den rechten und linken Seiten und der oberen Abdeckung 100 auf ungefähr 11 kg verringert.
Auch wurden der Vibrations-Härtetest und der Schlittenkollisionstest unter Verwendung des derzeitigen Batteriepacks 300 durchgeführt und es wurde bestätigt, dass bestimmte Anforderungen alle erfüllt wurden. Nach dem Formen betrug die Konzentrationsrate des unteren Gehäuses ungefähr 1,5/1000 (0,15%).
Beispiel 2:
Ein flächenartiges endlosfaserverstärktes Element 220a wurde unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes (Werkstoff-B) hergestellt, in dem ungefähr 57 Gew.% Kohlenstofffaser einer Endlosfaser und gewebte Fasertypen verwendet wurden und PA66 als eine Matrix verwendet wurde. Nach dem Vorheizen wurde das endlosfaserverstärkte Element 220a in der Form des unteren Gehäuses angebracht und dann wurde der Werkstoff-A des ersten Beispiels, der von der Extrusionsvorrichtung erhalten wurde, umspritzt, um das endgültige mit dem endlosfaserverstärkten Element 220a montierte untere Gehäuse 200 herzustellen.
In diesem Fall wurde ein bügelartiges verstärktes Element 212 an dem Seitenhalterungsteil 211 des unteren Gehäuses 200, ähnlich wie das des ersten Beispiels, angebracht.
Die Zugfestigkeit und der Zugmodul des Werkstoffs-B betrugen in der Längsrichtung der Faser ungefähr 785 MPa beziehungsweise 53 GPa. Aufgrund der Hinzufügung eines verstärkten Kohlefasergewebeelements war der Effekt der Gewichtsreduzierung der des ersten Beispiels äquivalent, aber die Konzentrationsrate nach dem Formen wurde auf ungefähr 1/1000 (0,1%) verringert, was zeigt, dass die Maßhaltigkeit verbessert wurde.
Somit ist es gemäß einer Batteriepackgehäuseanordnung für ein Elektrofahrzeug und einem Verfahren zum Herstellen der Batteriepackgehäuseanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, da ein Leichtbau-Kunststoffverbundwerkstoff als Gehäusewerkstoff verwendet wird und eine Endlosfaser an einem Abschnitt lokal verwendet wird, wo sich Belastungen konzentrieren, das Gewicht zu verringern und gleichzeitig die Struktursteifigkeit, die Kollisionskenngrößen und die Maßhaltigkeit zu verbessern.
Insbesondere da eine Langfaser und eine Endlosfaser mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und einer hervorragenden Maßhaltigkeit verwendet werden, können typische strukturverstärkende Elemente (d. h., periphere Teile wie zum Beispiel Querträger, Längsträger und Halterungen) weggelassen werden. Demzufolge können verschiedene Vorteile wie zum Beispiel eine Gewichtreduzierung, eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses, eine Verbesserung der Produktivität (Massen-produzierbar) und Kosteneinsparungen erreicht werden.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf deren bevorzugte Ausführungsformen ausführlich beschrieben. Allerdings wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, wobei deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten festgelegt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1950070 [0008]
EP 1939028 [0008]
EP 1939027 [0008]
EP 1939025 [0008]
US 2009/0236162 [0008]
US 7610978 [0008]
JP 2009-137408 [0008]

Claims

Batteriepackgehäuseanordnung für ein Elektrofahrzeug, aufweisend: einen Gehäusekörper zum Unterbringen eines Batteriepacks; und eine Abdeckung, die mit dem Gehäusekörper abnehmbar gekoppelt ist, wobei der Gehäusekörper gebildet ist aus einem Kunststoffverbundwerkstoff, in dem eine Langfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser als eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix verwendet wird, und einem separaten verstärkten Element, das mit einem oder mehreren Seitenhalterungsteilen des Gehäusekörpers verbunden ist, wobei das separate verstärkte Element aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gebildet ist, in dem eine Langfaser, eine Endlosfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser als die Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix verwendet werden.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei die Langfaser des Gehäusekörpers und die Langfaser des verstärkten Elements beide ein Aspektverhältnis von ungefähr 1000 aufweisen.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei die Langfaser des Gehäusekörpers und die Langfaser des verstärkten Elements beide ein Aspektverhältnis von ungefähr 1000 bis ungefähr 10000 aufweisen.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kunststoffmatrix des verstärkten Elements aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus: Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfon (PPS), Polyphenylenäther (PPE), thermoplastischen Polyurethan (TPU) und Kombinationen davon.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kunststoffmatrix des Gehäusekörpers aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfon (PPS), Polyphenylenäther (PPE), thermoplastisches Polyurethan (TPU) und Kombinationen davon besteht.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei die Langfaser oder Endlosfaser des Gehäusekörpers und die Langfaser oder Endlosfaser des verstärkten Elements aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Vulkanaschefasern, Naturfasern und Kombinationen davon.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei das verstärkte Element eine bügelartige Form mit einer oder mehreren Verstärkungsrippen aufweist, und wobei, wenn das Seitenhalterungsteil des Gehäusekörpers und das verstärkte Element miteinander gekoppelt sind, ein Strukturbereich mit einem geschlossenen Querschnitt zum Absorbieren von Kollisionsenergie gebildet ist.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei das verstärkte Element eine planare Form aufweist und an die entgegengesetzten Seitenhalterungsteile des Gehäusekörpers gekoppelt ist.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein verstärktes Element mit einer flächenartigen Form, das an einer Unterseite des Gehäusekörpers angeordnet ist, wobei das an der Unterseite des Gehäusekörpers angeordnete verstärkte Element aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gebildet ist, der eine Endlosfaser als eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix aufweist.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei das verstärkte Element an der Unterseite des Gehäusekörpers angeordnet ist und mit einer Oberfläche der Unterseite des Gehäusekörpers verbunden ist oder innerhalb der Unterseite des Gehäusekörpers angeordnet ist.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei das verstärkte Element mit einer Oberfläche der Unterseite des Gehäusekörpers verbunden ist, wobei die Oberfläche eine obere Fläche, eine untere Fläche oder sowohl eine untere als auch eine obere Fläche der Unterseite ist.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 9, wobei die Endlosfaser des an der Unterseite des Gehäusekörpers angeordneten verstärkten Elements in einer Richtung in der Kunststoffmatrix angeordnet ist, oder in einer Form einer gewebten Faser fixiert ist, in der die Endlosfasern einander in Längs- und Querrichtungen kreuzen.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 12, wobei die Endlosfaser der Länge nach in einer Richtung in einer rechten und linken Breitenrichtung angeordnet ist, die orthogonal zu einer vorwärts und rückwärts gerichteten Längsrichtung des Gehäusekörpers ist.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 10, wobei die Kunststoffmatrix des verstärkten Elements, das an der Unterseite des Gehäusekörpers angeordnet ist, aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus: Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfon (PPS), Polyphenylenäther (PPE), thermoplastischen Polyurethan (TPU) und Kombinationen davon.
Batteriepackgehäuseanordnung nach Anspruch 9, wobei die Endlosfaser des verstärkten Elements, das an der Unterseite des Gehäusekörpers angeordnet ist, aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus: Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Vulkanaschefasern, Naturfasern und Kombinationen davon.
Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackgehäuseanordnung für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend einen Gehäusekörper zum Aufnehmen eines Batteriepacks, und eine Abdeckung, die mit dem Gehäusekörper abnehmbar gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist: Bilden des Gehäusekörpers unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes, in dem eine Langfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser als eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix verwendet wird; Bilden eines separaten verstärkten Elements unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes, in dem eine Langfaser, eine Endlosfaser oder eine Mischung aus einer Langfaser und einer Endlosfaser als die Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix verwendet wird; und Verbinden des verstärkten Elements mit beiden Seitenhalterungsteilen des Gehäusekörpers zum Koppeln an eine Fahrzeugkarosserie.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei in dem Schritt zum Bilden des Gehäusekörpers und des verstärkten Elements ein Aspektverhältnis einer verbleibenden Langfaser in dem Gehäusekörper und in dem verstärkten Element gleich oder größer als ungefähr 1000 ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Kunststoffmatrix des verstärkten Elements aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus: Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfon (PPS), Polyphenylenäther (PPE), thermoplastischen Polyurethan (TPU) und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Langfaser oder Endlosfaser des Gehäusekörpers und die Langfaser oder Endlosfaser des verstärkten Elements aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Vulkanaschefasern, Naturfasern und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt zum Bilden des verstärkten Elements ein Bilden des verstärkten Elements in einer bügelartigen Form mit einer oder mehreren Verstärkungsrippen aufweist, wobei, wenn das Seitenhalterungsteil des Gehäusekörpers und das verstärkte Element mit der bügelartigen Form miteinander verbunden sind, ein Strukturbereich mit einem geschlossenen Querschnitt zum Absorbieren von Kollisionsenergie gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt zum Bilden des verstärkten Elements ein Bilden des verstärkten Elements in einer flächenartigen Form zum Koppeln an beide Seitenhalterungsteile des Gehäusekörpers aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner aufweisend: Bilden eines verstärkten Elements mit einer flächenartigen Form unter Verwendung eines Kunststoffverbundwerkstoffes, aufweisend eine Endlosfaser als eine Verstärkungsfaser in einer Kunststoffmatrix; und Anbringen des verstärkten Elements mit einer flächenartigen Form an der Unterseite des Gehäusekörpers.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei in dem Schritt zum Bilden des verstärkten Elements mit einer flächenartigen Form ein unidirektionales Band oder eine gewebte Faser, die mit der Endlosfaser gewebt ist, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei ein unidirektionales Band verwendet wird und die Endlosfaser der Länge nach in einer rechten und linken Breitenrichtung angeordnet wird, die orthogonal zu einer vorwärts und rückwärts gerichteten Längsrichtung des Gehäusekörpers ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Kunststoffmatrix des verstärkten Elements, das an der Unterseite des Gehäusekörpers angebracht ist, aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus: Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfon (PPS), Polyphenylenäther (PPE), thermoplastischen Polyurethan (TPU) und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Endlosfaser des verstärkten Elements, das an der Unterseite des Gehäusekörpers angebracht wird, aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Vulkanaschefasern, Naturfasern und Kombinationen davon.