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EINFÜHRUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Fahrzeuge mit Elektroantrieb, einschließlich vollelektrischer und hybridelektrischer Konfigurationen. Insbesondere beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf Montagearchitekturen für Batterie-Packs von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV).
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Die derzeitigen Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordfahrzeugelektronik versorgt. Der Fahrzeugantriebsstrang, der einen Antrieb einschließt und zum Teil fälschlich als Antriebsstrangsystem bezeichnet wird, besteht im Allgemeinen aus einer Antriebsmaschine, die durch eine mehrstufige Energieübertragung die Antriebskraft zum Fahrzeug-Endantriebssystem (z. B. hinteres Differential, Achsen und Räder) liefert. Automobile wurden herkömmlich mit einem Verbrennungsmotor nach Hubkolbenbauart angetrieben, aufgrund dessen leichter Verfügbarkeit und relativ preiswerter Kosten, geringem Gewicht und dessen Gesamtwirkungsgrad. Die besagten Motoren beinhalten als nicht einschränkende Beispiele Zwei- oder Viertakt-kompressionsgezündete Dieselmotoren, Viertakt-Ottobenzinmotoren, Sechstakt-Motoren und Drehkolbenmotoren.
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Hybridfahrzeuge verwenden andererseits mehrere Antriebsstromquellen, wie eine Verbrennungsmotoranordnung und einen batteriebetriebenen Elektromotor, um das Fahrzeug anzutreiben. Auf diese Weise minimieren Hybridfahrzeuge die Abhängigkeit des Motors von der Leistung und erhöhen somit die Gesamtkraftstoffeinsparung. Ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) umfasst zum Beispiel sowohl elektrische Energie als auch chemische Energie und wandelt diese in mechanische Kraft um, um das Fahrzeug anzutreiben und die verschiedenen Fahrzeugsysteme zu versorgen. Das HEV nutzt im Allgemeinen eine oder mehrere elektrische Maschinen (E-Maschine), wie Elektromotoren/Generatoren, die einzeln oder zusammen mit einem Verbrennungsmotor betrieben werden, um das Fahrzeug anzutreiben. Da Hybridfahrzeuge ihre Leistung von anderen Quellen als dem Motor ableiten können, können die Motoren in Hybridfahrzeugen ganz oder teilweise abgeschaltet werden, während das Fahrzeug durch die alternative Leistungsquelle(n) angetrieben wird.
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Serienhybridarchitekturen - manchmal als Fahrzeuge mit Reichweitenverlängerung („Range-Extended Electric Vehicles“, REEVs) bezeichnet - werden im Allgemeinen durch einen Verbrennungsmotor typisiert, der antriebsmäßig mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Der elektrische Generator führt wiederum Leistung zu einem oder mehreren Vortriebselektromotoren zu, die zum Drehen der Endantriebselemente betrieben werden. In der Tat gibt es zwischen dem Motor und den Endantriebselementen in einem Reihenhybridantriebsstrang keine mechanische Verbindung. Das Eliminieren einer mechanischen Verbindung zwischen dem Motor und den Rädern ermöglicht, dass der Motor, selbst während sich die Fahrzeuggeschwindigkeit ändert, mit einer konstanten und effizienten Rate, z. B. näher dem theoretischen Grenzwert von 37 % als dem normalen Durchschnitt von 20 %, arbeitet. Der Elektromotor/Generator kann außerdem in einem Motormodus arbeiten, um eine Startfunktion für den Verbrennungsmotor bereitzustellen. Dieses System kann den/die Elektromotor(en) auch betreiben, um durch Verlangsamung des Fahrzeugs Energie zurückzugewinnen und die Energie in einer Elektrofahrzeugbatterie (EVB) durch „regeneratives Bremsen“ zu speichern.
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Parallelhybridarchitekturen, die am weitesten verbreitete Konstruktion im modernen Gebrauch, verwenden einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, von denen jeder eine antriebsmechanische Verbindung zur Kraftübertragung und somit zum Achsantrieb hat. Die meisten parallelen Hybridentwürfe kombinieren einen großen elektrischen Generator und einen Motor in einer Einheit, wobei sie Traktionsleistung bereitstellen und sowohl den herkömmlichen Anlassermotor als auch die Lichtmaschine ersetzen. Eine derartige parallele Hybrid-Antriebsstrangarchitektur umfasst ein Verbund-leistungsverzweigtes elektromechanisches Multimodusgetriebe, das ein Antriebselement zum Empfangen von Leistung von dem Verbrennungsmotor und ein Abtriebselement zum Zuführen von Leistung vom Getriebe zur Antriebswelle nutzt. Ein Paar Motoren/Generatoren arbeiten einzeln oder gemeinsam, um die Getriebeabtriebswelle zu drehen. Diese Motoren/Generatoren sind elektrisch mit einer Energiespeichervorrichtung verbunden, wie beispielsweise einem Batterie-Pack, um zwischen der Speichervorrichtung und dem ersten und dem zweiten Motor/Generator elektrische Leistung auszutauschen. Um den Austausch elektrischer Leistung zwischen der Energiespeichervorrichtung und den Motoren/Generatoren sowie den Austausch elektrischer Leistung zwischen den Motoren/Generatoren zu regulieren, wird eine Antriebsstrang-Steuereinheit eingesetzt.
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Elektrisch verstellbare Getriebe (EVT) stellen kontinuierlich variable Übersetzungsverhältnisse bereit, indem sie Merkmale sowohl von Reihen- als auch von Parallelhybrid-Antriebsstrangarchitekturen kombinieren. EVTs sind mit einem direkten mechanischen Weg zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Endantrieb betreibbar und ermöglichen somit eine verhältnismäßig hohe Getriebeeffizienz und die Anwendung kostengünstigerer, weniger voluminöser Motorhardware. EVTs sind ebenfalls mit einem Maschinenbetrieb, der mechanisch unabhängig vom Endantrieb ist, in verschiedenen mechanisch/elektrisch verzweigten Beiträgen betreibbar, wodurch variable Übersetzungsverhältnisse mit hohem Drehmoment, elektrisch dominierte Starts, Rückgewinnungsbremsung, Motorleerlauf und Multimodusbetrieb ermöglicht werden. Ein EVT kann kontinuierliche variable Drehmoment- und Übersetzungsverhältnisse zwischen Eingang und Ausgang erzielen, ohne die gesamte Leistung durch die variablen Elemente zu schicken. Das EVT kann Differentialgetriebe verwenden, um einen Bruchteil seiner übertragenen Leistung durch den (die) Elektromotor(en)/Generator(en) zu schicken. Der Rest seiner Leistung kann über einen anderen, parallelen Weg geschickt werden, der mechanisch und direkt (d. h. „festes Übersetzungsverhältnis“) oder wählbar ist.
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Ein vollelektrisches Fahrzeug (FEV) - umgangssprachlich als „rein elektrisches“ Fahrzeug bekannt - ist eine alternative Art von Elektroantriebsfahrzeugkonfiguration, die den Verbrennungsmotor und die zugehörigen peripheren Komponenten vollständig aus dem Antriebsstrangsystem eliminiert und sich für den Fahrzeugantrieb ausschließlich auf elektrische Traktionsmotoren stützt. Batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) verwenden beispielsweise Energie, die in einem aufladbaren fahrzeugeigenen Batterie-Pack statt in einem Kraftstofftank, einer Brennstoffzelle oder einem Schwungrad gespeichert ist, um diese Elektromotoren anzutreiben. Das Elektrofahrzeug verwendet ein elektrisches Energieverteilungssystem zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen dem fahrzeugeigenen Batterie-Pack und einem oder mehreren Elektromotoren über eine oder mehrere Motorsteuerungen. Plug-in-Elektrofahrzeug-Variationen (PEV-Variationen) ermöglichen das Wiederaufladen des Batterie-Packs von einer externen Stromquelle, beispielsweise einem öffentlichen Stromnetz über eine private oder kommerzielle Ladestation für Elektrofahrzeuge.
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Automobilfahrgestellrahmen sind so konstruiert, dass sie die Fahrzeugkomponenten, Karosserie und Passagiere während der statischen Belastung tragen und zur Fahrzeugsteifigkeit und Stoßdämpfung während der dynamischen Belastung beitragen. Viele Fahrgestellrahmen haben eine leiterartige Konstruktion mit einem Paar gegenüberliegender Seitenschienen oder Schweller, die über eine Reihe von quer ausgerichteten Querträgern verbunden sind. Vorderschienen, die über einen vorderen Querträger verbunden sind, z. B. um gemeinsam eine vordere Halterung zu definieren, können von den vorderen Enden der Schweller/Seitenschienen nach vorne vorragend. Im gleichen Sinne können von den hinteren Enden der Schwellerwände/Seitenschienen nach hinten vorstehende hintere Schienen vorgesehen sein, die über einen hinteren Querträger verbunden sind, z. B. um gemeinsam einen hinteren Hilfsrahmen zu definieren. Bei vielen Hybridfahrzeugkonfigurationen werden der Motor, der Elektromotor und die Vorderradaufhängung im Allgemeinen von der vorderen Halterung getragen, während der Kraftstofftank und die Hinterradaufhängung im Allgemeinen von dem hinteren Hilfsrahmen getragen werden. Elektrofahrzeuge tragen das Gewicht des Batterie-Packs allgemein auf einer darunterliegenden Tragschale, die an dem Fahrgestellrahmen verankert und in einem hinteren Kofferraum oder unter einer hinteren Fahrgastsitzbank untergebracht ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Hierin offenbart sind Scherplatten zum strukturellen Verbinden einer vorderen Halterung eines Fahrzeugfahrgestellrahmens mit einer Tragschale eines Traktionsbatterie-Packs, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung solcher Scherplatten und Elektroantriebsmotorfahrzeuge mit einem Fahrgestellrahmen mit einer vorderen Halterung, die mechanisch über eine Scherplatte mit einer Batterie-Pack-Tragschale verbunden ist. Als Beispiel und nicht als Einschränkung wird ein batterieelektrisches Fahrzeug mit einer einzigartigen Batterie-Pack-Montagearchitektur vorgestellt, die eine Scherplatte verwendet, die eine Vorderradaufhängung strukturell mit den Schwellern des Fahrgestellrahmens und mit der darunterliegenden Tragschale eines Traktionsbatterie-Packs verbindet. Durch Verbinden der Halterung und des Batterie-Packs mit der Scherplatte werden die Festigkeit und Steifigkeit des Batterie-Packs ausgenutzt, um die Leistungsanforderungen auf Fahrzeugniveau zu erfüllen. So können beispielsweise der Fahrgestellrahmen und die Struktur des Batterie-Packs individuell und gleichzeitig abgestimmt werden, um die Anforderungen an die Fahrzeugaufprallleistung zu erfüllen und gleichzeitig die Gesamtfahrzeugmasse zu minimieren. In dieser Hinsicht kann die Scherplatte so konfiguriert sein, dass sie eine Sperrlast in die untere Struktur des Packs verteilt. Wahlweise kann die Scherplatte konfiguriert sein, um Torsionsbelastungen von Komponenten des Aufhängungssystems zu der unteren Packstruktur zu übertragen. Die Scherplatte kann auch als eine aerodynamische Unterbodenverkleidung und als eine Abschirmung zum Schützen des Traktionsbatterie-Packs dienen.
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Zu den begleitenden Vorteilen für mindestens einige der offenbarten Konzepte gehört eine verbesserte Fahrzeugkapazität, um statische und dynamische Lasten ohne übermäßige Ablenkung oder Verzerrung des Fahrgestellrahmens durch Verwendung des Traktionsbatterie-Packs als ein Fahrzeugstrukturelement zu dämpfen oder zu zerstreuen.
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Offenbarte Batterie-Pack-Montagearchitekturen können auch dazu beitragen, Fahrzeuggeräusche, -vibrationen und -härte (NVH) zu mildern, während gleichzeitig das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert wird. Während eines Front- oder Heck-Fahrzeugaufprallereignisses kann die Scherplatte abstimmbar sein, um ein vorbestimmtes Ausmaß an Lastfestigkeit in Längsrichtung bereitzustellen. Zumindest einige der offenbarten Montagearchitekturen tragen auch dazu bei, die Verpackungseffizienz und die aerodynamische Unterbodenleistung zu verbessern.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen Unterboden-Scherplatten zum strukturellen Verbinden ausgewählter Teile eines Fahrzeugfahrgestellrahmens, um Teile eines Traktionsbatterie-Packs eines Hybrid-Elektrofahrzeugs oder FEV-Fahrzeugs auszuwählen. So ist beispielsweise eine Scherplatte für ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrgestellrahmen und einem Traktionsbatterie-Pack offenbart. Der Fahrgestellrahmen, der eine beliebige relevante Konfiguration annehmen kann, wie etwa Leiterrahmen, Unibody-Rahmen, Perimeterrahmen usw., umfasst eine vordere Halterung mit einer oder mehreren Halterungsschienen, die mit einem oder mehreren Halterungsquerträgern verbunden sind. Das Traktionsbatterie-Pack, das wesentlich größer, leistungsstärker und kapazitätsstärker als eine Starter-, Beleuchtungs- und Zündungsbatterie (SLI-Batterie) ist, enthält ein oder mehrere elektrische Batteriemodule, die auf einer Tragschale montiert sind. Die Scherplatte beinhaltet einen verlängerten Plattenkörper mit gegenüberliegenden vorderen und hinteren Streben, die durch einander gegenüberliegende rechte und linke Streben verbunden sind, oder kann im Wesentlichen aus diesem bestehen. Die vordere Strebe ist so konfiguriert, dass sie sich z. B. über ein oder mehrere Gewindebefestigungselemente mechanisch mit dem Halterungsquerträger der vorderen Halterung verbindet. Umgekehrt ist die hintere Strebe so konfiguriert, dass sie sich z. B. über ein oder mehrere Gewindebefestigungselemente mechanisch mit der Tragschale des Traktionsbatterie-Packs verbindet. Der verlängerte Plattenkörper ist konfiguriert, um Lastkräfte, die von der vorderen Halterung, z. B. über die vordere Strebe, durch die rechten und linken Streben empfangen werden, z. B. über die hintere Strebe zu der Tragschale zu übertragen. Der verlängerte Körper der Scherplatte kann ferner eine oder mehrere Rippen aufweisen, die zwischen den vorderen und hinteren Streben angeordnet sind und diese miteinander verbinden. Diese Rippen sind abstimmbar, um die Lastkräfte in einer vorbestimmten Weise zu dämpfen oder zu übertragen. Der verlängerte Plattenkörper, einschließlich der vorderen, hinteren, rechten und linken Streben, kann integral als eine einteilige einheitliche Struktur ausgebildet (z. B. maschinell als eine gestanzte Metallplatte hergestellt) sein.
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Andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind auf Elektroantriebsmotorfahrzeuge mit verbesserten Batterie-Pack-Montagearchitekturen gerichtet. Ein „Kraftfahrzeug“, wie es hierin verwendet wird, kann jede relevante Fahrzeugplattform, wie zum Beispiel Personenkraftfahrzeuge (Hybrid-, Vollelektro-, Brennstoffzellenhybrid-, vollständig oder teilweise autonome Fahrzeuge usw.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Kettenfahrzeuge, Geländefahrzeuge (ATV), Landmaschinen usw., sein. In einem Beispiel wird ein Elektrofahrzeug vorgestellt, das einen Fahrgestellrahmen mit gegenüberliegenden Seitenschienen (z. B. Schweller) beinhaltet, die an ihren vorderen Enden eine Vorderradaufhängungshalterung tragen. Die Vorderradaufhängungshalterung beinhaltet ein Paar seitlich beabstandeter Halterungsschienen, die durch einen quer ausgerichteten Halterungsquerträger verbunden sind. Ein Traktionsbatterie-Pack, das an dem Fahrgestellrahmen verankert ist, beinhaltet eine Anordnung von elektrischen Batteriemodulen, die auf einer Tragschale montiert sind. Das Elektrofahrzeug umfasst auch einen elektrischen Traktionsmotor, der oberhalb der vorderen Halterung innerhalb eines Motorraums montiert ist. Dieser Motor ist elektrisch mit dem Traktionsbatterie-Pack verbunden und betreibbar, um das Fahrzeug anzutreiben, indem dem Endantriebssystem Traktionsleistung zugeführt wird.
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Eine Scherplatte ist entlang der Unterseite der Fahrzeugkarosserie, beispielsweise unter dem Fahrgastraum, zwischen der vorderen Halterung und dem Traktionsbatterie-Pack positioniert. Diese Scherplatte weist einen verlängerten Plattenkörper mit gegenüberliegenden, quer ausgerichteten vorderen und hinteren Streben auf, die durch gegenüberliegende, seitlich beabstandete rechte und linke Streben verbunden sind. Die rechten und linken Streben sind mechanisch, z. B. über Bolzen, mit dem Fahrgestellrahmen verbunden. Die vordere Strebe ist direkt mechanisch, z. B. über Bolzen, mit dem Halterungsquerträger verbunden, während die hintere Strebe direkt mechanisch, z. B. über Bolzen, mit der Tragschale verbunden ist. Der verlängerte Körper der Scherplatte ist so ausgelegt, dass er Belastungskräfte in der Ebene und Torsionsbelastungskräfte, die von der vorderen Halterung über die vordere Strebe durch die rechten und linken Streben aufgenommen werden, über die hintere Strebe an die Tragschale überträgt.
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Zusätzliche Aspekte dieser Offenbarung sind auf Verfahren zur Herstellung und auf Verfahren zur Verwendung von Unterbodenscherplatten zum strukturellen Verbinden ausgewählter Teile eines Fahrzeugfahrgestellrahmens zum Auswählen von Teilen eines Traktionsbatterie-Packs gerichtet. So wird beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen einer Scherplatte für ein Elektrofahrzeug mit einem Fahrgestellrahmen und einem Traktionsbatterie-Pack offenbart. Das Verfahren beinhaltet in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination: Aufnehmen eines verlängerten Plattenkörpers; Bilden von rechten und linken Streben an gegenüberliegenden rechten und linken Seiten des verlängerten Plattenkörpers; und Bilden von vorderen und hinteren Streben an gegenüberliegenden vorderen und hinteren Seiten des verlängerten Plattenkörpers, sodass die vorderen und hinteren Streben durch die rechten und linken Streben verbunden sind. Die vordere Strebe ist so ausgebildet, dass sie mechanisch mit einem Halterungsquerträger einer vorderen Halterung eines Fahrgestellrahmens verbunden ist, und die hintere Strebe ist so ausgebildet, dass sie mechanisch mit einer Tragschale eines Traktionsbatterie-Packs verbunden ist. Der Plattenkörper ist so ausgebildet, dass er die in Längsrichtung und von der Aufhängung getragene Lastkräfte, die von der vorderen Halterung über die vordere Stütze empfangenen werden, über die rechten und linken Streben über die hintere Strebe an die Tragschale überträgt.
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Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der repräsentativen Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Vorderansicht eines repräsentativen Elektroantriebsmotorfahrzeugs mit einer eingefügten Unteransicht eines Traktionsbatterie-Packs, das mechanisch mit einer Vorderradaufhängungshalterung des Fahrgestellrahmens durch eine Scherplatte gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung verbunden ist.
- 2 ist eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Unteransichtsdarstellung des Traktionsbatterie-Packs (mit der rechten Seite nach oben und invertiert dargestellt), wobei die vordere Halterung und die Scherplatte zusammengebaut und an dem Fahrgestellrahmen von 1 montiert sind.
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Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den hinzugefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt und hierin in detaillierten exemplarischen Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, mit der Erkenntnis, dass die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung zu betrachten ist, und nicht als eine Einschränkung der breiten Aspekte der Offenbarung bezüglich der dargestellten Ausführungsformen. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten der Kurzdarstellung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, aber nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden. Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; das Wort „alle“ bedeutet „alle und jegliche“; das Wort „jegliche“ bedeutet „alle und jegliche“; und die Wörter „einschließlich“ und „umfassend“ bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können beispielsweise Wörter für Annäherungen, wie „etwa“, „fast“, „wesentlich“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 3-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder jegliche logische Kombination davon verwendet werden. Schließlich können Richtungsadjektive, wie etwa vorn, hinten, rechts, links, innen, außen usw., in Bezug auf ein Fahrzeug, wie etwa eine Vorwärtsfahrtrichtung eines Automobils, vorliegen, wenn das Fahrzeug operativ auf einer normalen Fahroberfläche ausgerichtet ist.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist 1 die perspektivische Darstellung eines repräsentativen Fahrzeugs, das im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird und hierin zu Zwecken der Erörterung einer Vier-Personen-Limousine-Version eines Pkws dargestellt wird. Innerhalb der Karosserie des Automobils 10, z. B. hinter einem Motorraum 12 und unterhalb eines Fahrgastraums 14, ist ein Traktionsbatterie-Pack 16 angebracht, das elektrisch mit einem oder mehreren Elektromotorgeneratoren 18 verbunden ist, die das Fahrzeug 10 antreiben. Das dargestellte Automobil 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die neuartigen Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Implementierung der vorliegenden Konzepte in eine rein elektrische Fahrzeugkonfiguration ebenfalls als eine exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuartigen Konzepte betrachtet werden. Somit versteht es sich, dass die Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf andere Batterie-Packkonfigurationen angewendet, in andere elektrische Antriebsfahrzeugantriebsstränge eingebaut und für jeden logisch relevanten Typ eines Kraftfahrzeugs implementiert werden können. Letztendlich sind die hierin abgebildeten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit gelten die spezifischen und relativen Maße der Zeichnungen nicht als einschränkend.
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Wie oben angegeben, veranschaulicht 1 ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 10, das ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) sein kann, um einige nicht einschränkende Beispiele zu nennen. Das Fahrzeug 10 ist mit einer elektrischen Speichereinheit aufgebaut, die in den Zeichnungen als ein in Längsrichtung montiertes Traktionsbatterie-Pack 16 mit einer Anordnung 20 aus Bleisäure-, Lithiumionen- oder anderen anwendbaren Typen wiederaufladbarer Elektrofahrzeugbatterien (EVB) dargestellt ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen 12-V-Bleisäure-Starter-, Beleuchtungs- und Zündungs-Batterien (SLI-Batterien) ist eine Elektrofahrzeugbatterie so ausgelegt, dass sie über längere Zeiträume konstante Leistung liefert, z. B. mit einer hohen Amperestundenkapazität. Das repräsentative Batterie-Pack 16 ist in 2 mit einer Batterietragschale 22 ausgestattet gezeigt, die eine darunterliegende Halterung für acht elektrische Batteriemodule 24 bereitstellt, die in einem Muster von vier Reihen von zwei Batterien pro Reihe angeordnet sind. Das Batterie-Pack 16 kann aus mehr oder weniger Batteriemodulen 24 bestehen, die in ähnlichen oder alternativen Mustern angeordnet sein können als diejenigen, die in den Zeichnungen gezeigt sind. Jedes der veranschaulichten Batteriemodule 24 kann eine Reihe von Pouch-/prismatischen Batteriezellen enthalten, wie zum Beispiel prismatische Lithiumionen- (Li-Ionen) oder Li-Ionen-Polymer-Batteriezellen und Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen (NiMH-Batteriezellen). Zur Vereinfachung der Konstruktion und Wartung und zur Kostenreduzierung kann jedes Modul 24 ungefähr gleich groß oder identisch sein. Ein deformierbares nichtleitendes Distanzstück, ein Kühlfluidkanal und/oder periphere Steuerungshardware (nicht dargestellt) können, falls gewünscht, zwischen den Batteriezellen angeordnet sein.
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Das Fahrzeug 10 ist ursprünglich mit einer starren Bodenwanne (nicht sichtbar) ausgestattet, die sich über die Oberseite der Batterie-Packmodule 24 erstreckt, um z. B. das Batterie-Pack 16 von dem Innenraum des Fahrgastraums 14 zu trennen. Die Bodenwanne und der Batterie-Pack 16, nämlich die Batterietragschale 22, sind an einem Fahrgestellrahmen 26 verankert, der mindestens einen Teil einer Fahrzeugkarosserie 28 trägt und im Allgemeinen mit dieser vereinheitlicht sein kann. Der Fahrgestellrahmen 26 ist mit einem Paar längs ausgerichteter, seitlich beabstandeter und allgemein paralleler Fahrgestell-Seitenschienen 30 und 32 (z. B. Schwellern) ausgebildet. Eine Reihe von transversal orientierten U-förmigen Querträgern (von denen drei in 2 bei 34, 36 und 38 dargestellt sind) sind in Längsrichtung voneinander beabstandet und dienen dazu, die Fahrgestell-Seitenschienen 30, 32 miteinander zu verbinden. Von einem vorderen Ende jeder Fahrgestell-Seitenschiene 30, 32 steht jeweils eine vordere Seitenschiene 40 und 42 vor. In einem Beispiel erstreckt sich ein vorderer (erster) Querträger 38 zwischen den vorderen Seitenschienen 40, 42 und ist an diesen starr angebracht, wohingegen dazwischen liegende (zweite und dritte) Querträger 36, 38 sich zwischen den Fahrgestell-Seitenschienen 30, 32 erstrecken und starr daran befestigt sind. Für einige Anwendungen sind die Zwischenquerträger 36, 38 mit Sitzbefestigungen (nicht dargestellt) versehen, die daran fahrerseitige und beifahrerseitige Sitzrahmen tragen.
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Unter Bezugnahme auf beide 1 und 2, kann die Batterietragschale 22 eine Bodenwanne 44 aufweisen, die ausreichend strukturell nachgiebig ist (z. B. als eine gewellte Aluminium- oder Stahlplatte gestanzt ist), um die Komponenten des Traktionsbatterie-Packs 16 zu unterstützen und allgemein vor der Straßenoberfläche, Wetter und äußerem Schmutz zu schützen. Diese Bodenwanne 44 ist starr, z. B. über Nieten, Schweißen oder eine andere Verbindungstechnik, an einer metallischen Kastenrohrrahmenstruktur 46 befestigt. Gemäß dem dargestellten Beispiel besteht die Rahmenstruktur 46 aus zwei seitlich beabstandeten, in Längsrichtung orientierten Seitenrohren 48 und 50, die durch in Längsrichtung beabstandete, quer ausgerichtete vordere und hintere Rohre 52 und 54 miteinander verbunden sind. Sequentiell entlang der Länge der Bodenwanne 44 beabstandet ist eine Reihe von verlängerten Querträgern 56, wobei sich jeder Querträger 56 zwischen den Seitenrohren 48, 50 erstreckt und mit diesen verbunden ist. Es liegt im Rahmen dieser Offenbarung, dass die Kastenrohrrahmenstruktur 46 mehr oder weniger Rohre mit ähnlichen oder unterschiedlichen Formen, Größen und Ausrichtungen als den in den Zeichnungen dargestellten beinhaltet. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Rahmenstruktur 46 eine Zusammenstellung von kastenförmigen, hutförmigen, L-förmigen, U-förmigen oder soliden zylindrischen Rohren oder einer beliebigen Kombination davon sein, die aus einem ausreichend nachgiebigen polymeren oder metallischen Material gebildet sind und zu einer gewünschten Größe und Form befestigt, geschweißt oder integral geformt werden.
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An einem vorderen Ende des Fahrzeugfahrgestellrahmens 26 ist eine Vorderradaufhängungshalterung 60 (hierin auch als „vordere Halterung“ bezeichnet) angebracht, die beispielsweise als eine Befestigungsstruktur für die operative Verbindung von vorderen Fahrzeugaufhängungskomponenten, wie zum Beispiel Streben, Schraubenfedern, Steuerarmen usw., mit den Antriebsstrang tragenden Segmenten des Rahmens 26 verwendet wird. Es sollte erkannt werden, dass die verschiedenen neuen Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung, obwohl sie unter Bezugnahme auf eine vordere Halterung beschrieben sind, in ähnlicher Weise für Fahrzeuganwendungen implementiert werden können, wie beispielsweise eine Hinterradaufhängungshalterung oder eine andere energieabsorbierende Fahrgestellstruktur. Wie in 2 gezeigt, ist die vordere Halterung 60 mit vorderen und mittleren Halterungsquerschienen 62 bzw. 64 hergestellt, die im Allgemeinen parallel zu einem quer ausgerichteten hinteren Halterungsquerträger 66 sind. Die vorderen und mittleren Halterungsquerschienen 62, 64 sind mit dem hinteren Halterungsquerträger 66 durch ein Paar von vorderen Halterungsschienen 68 und 70 verbunden, die allgemein parallel zueinander und zu den Fahrgestell-Seitenschienen 30, 32 verlaufen. Die vordere Halterung 60 kann ebenso wie der Fahrgestellrahmen 26 und die Batterieschalenrahmenstruktur 46 aus verschiedenen Schienen- und Querträgern bestehen, die zu einer Einheit zusammengebaut sind, oder alternativ integral in einer einteiligen Struktur ausgebildet sein können, z. B. durch Gießen, Hydroforming oder ein beliebiges anwendbares Herstellungsverfahren in der Technik. Es sollte beachtet werden, dass die vordere Halterung 60 aus Stahl, Aluminium oder einem beliebigen geeigneten Material bestehen kann, wobei ein Querschnitt des Materials hohl oder solide sein kann.
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Die Vorderradaufhängungshalterung 60 ist mechanisch an dem Traktionsbatterie-Pack 16 durch eine strukturelle Scherplatte 58 befestigt, die einen Teil des Fahrgestells des Fahrzeugs bildet. Als aerodynamische Unterbodenverkleidung und als Schutzschild für einen Teil des Traktionsbatterie-Packs 16 agierend, beinhaltet die Scherplatte 58 zum Beispiel einen verlängerten Plattenkörper 72 Plattenkörper oder kann im Wesentlichen daraus bestehen, der an der Unterseite des Fahrgestells 26 befestigt ist, wobei die Hauptlänge der Karosserie 72 quer zum Fahrzeug 10 ausgerichtet ist. Der verlängerte Plattenkörper 72 ist mit gegenüberliegenden, quer ausgerichteten vorderen und hinteren Streben 74 bzw. 76 hergestellt, die durch in Längsrichtung ausgerichtete, seitlich beabstandete rechte und linke Streben 78 bzw. 80 verbunden sind. Bei zumindest einigen Konfigurationen ist der verlängerte Plattenkörper 72, einschließlich der vorderen und hinteren Streben 74, 76, der rechten und linken Streben 78, 80 und der Rippen 90, 92 integral als eine einteilige einheitliche Struktur ausgebildet. Als Beispiel und nicht als Einschränkung ist der verlängerte Plattenkörper 72 in den 1 und 2 als eine gestanzte Metallplatte gezeigt, bei der die vorderen, hinteren, rechten und linken Streben 74, 76, 78, 80 zusammenhängend als ein kontinuierlicher Rand ausgebildet sind, der sich um den Außenumfang der Scherplatte 58 erstreckt. Alternativ ist vorgesehen, dass die Scherplatte 58 eine ausgewählte Anordnung einzelner Strebensegmente und Rippen umfasst, die strukturell verbunden sind, um eine einheitliche Struktur zu bilden.
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Die vordere (oder vorderste) Strebe 74 der strukturellen Scherplatte 58 kann so ausgebildet sein, dass sie direkt mechanisch mit dem Halterungsquerträger 66 der vorderen Halterung 60 verbunden ist, während die hintere (oder hinterste) Strebe ausgebildet sein kann, um sich direkt mechanisch mit der Batterietragschale 22 des Traktionsbatterie-Packs 16 zu verbinden. In der gleichen Weise kann die rechte (oder am weitesten rechts liegende) Strebe 78 der strukturellen Scherplatte 58 ausgebildet sein, um sich mechanisch mit der ersten (rechten) vorderen Seitenschiene 40 des Fahrgestellrahmens 26 zu verbinden. Gleichermaßen kann die linke (oder die am weitesten links liegende) Strebe 80 ausgebildet sein, um sich mechanisch mit der zweiten (linken) vorderen Seitenschiene 42 des Fahrgestellrahmens 26 zu verbinden. Gemäß der in den Zeichnungen gezeigten repräsentativen Konfiguration beinhaltet jedes Strebensegment 74, 76, 78, 80 der Scherplatte 58 eine entsprechende Reihe von Bolzenlöchern (jede Reihe ist in 2 jeweils mit 84, 86, 88 und 90 bezeichnet) die durch sie hindurch Bolzen oder andere mechanische Befestigungsmittel aufnehmen, um dadurch den verlängerten Plattenkörper 72 direkt an der Vorderradaufhängung 60, dem Traktionsbatterie-Pack 16 und dem Fahrzeugfahrgestellrahmen 26 zu befestigen. Sobald die strukturelle Scherplatte 58 richtig angebracht ist, ist eine nach hinten gerichtete Kante 75 der hinteren Strebe 76 so konturiert, dass sie bündig an einer komplementären nach vorne gerichteten Kante 43 der Bodenwanne 44 der Tragschale 22 anliegt, wie in 1 zu sehen ist. Zur gleichen Zeit stößt eine Schnittstellenfläche des verlängerten Plattenkörpers 72 - z. B. eine (oberste) Fläche der zusammenhängend gebildeten vorderen, hinteren, rechten und linken Streben 74, 76, 78, 80 - bündig an einer ( untersten) Halterungsfläche des Halterungsquerträgers 66 und einer (untersten) Rahmenfläche des vorderen Rohrs 52 an.
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Durch strukturelles Verbinden der Vorderradaufhängungshalterung 60 und des Batterie-Packs 16 mit der Scherplatte 58 können die Festigkeit und die Steifigkeit der Batterietragschale 22 des Batterie-Packs ausgenutzt werden, um die Leistungsanforderungen auf Fahrzeugniveau zu erfüllen. So ist beispielsweise der verlängerte Plattenkörper 72 geformt, konturiert und positioniert, um Ebenenlasten in Längsrichtung und/oder von der Aufhängung erzeugte Torsionskräfte von der vorderen Halterung 60 über die vordere Strebe 74 aufzunehmen, diese Lasten durch die Streben 78, 80 und Rippen 90, 92 hindurchzuführen und diese Lasten über die hintere Strebe 76 auf die Batterietragschale 22 zu übertragen. Um abstimmbare Energiedissipations- und Übertragungseigenschaften bereitzustellen, kann der verlängerte Plattenkörper 72 mit einer oder mehreren Rippen (von denen zehn in den Zeichnungen gezeigt sind, von denen einige mit 90 und 92 bezeichnet sind) ausgebildet sein. Diese Rippen 90, 92, die zwischen den rechten und linken Streben 78, 80 angeordnet sind und in derselben Ebene positioniert sein können, verbinden die vorderen und hinteren Streben 74, 76 miteinander, um Lasten dazwischen zu übertragen. Wie in 1 gezeigt, kann sich jede Rippe 90, 92 von den vorderen und hinteren Streben 74, 76 in schrägen Winkeln erstrecken. Zum Beispiel erstreckt sich eine erste Rippe 90 (oder ein erster Satz von Rippen) von der vorderen Stütze 74 in einem ersten schrägen Winkel A1 (z. B. etwa 50 Grad), während eine zweite Rippe 92 (oder zweite Gruppe von Rippen) sich von der vorderen Strebe 74 mit einem zweiten schrägen Winkel A2 (z. B. etwa 60 Grad) erstreckt, der sich von dem ersten schrägen Winkel A1 unterscheidet. In dieser Hinsicht erstreckt sich die erste Rippe 90 (oder der erste Satz von Rippen) von der hinteren Strebe 76 in einem dritten schrägen Winkel A3 (z. B. etwa 60 Grad), während sich die zweite Rippe 92 (oder zweite Gruppe von Rippen) von der hinteren Strebe 76 in einem vierten schrägen Winkel A4 (z. B. etwa 70 Grad) erstreckt, der sich von dem dritten schrägen Winkel A3 unterscheidet.
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Zusätzlich oder als eine alternative Möglichkeit, jede der Rippen 90, 92 so anzuordnen, dass sie von den vorderen und hinteren Streben 74, 76 in bestimmten schrägen Winkeln vorstehen, können die Rippen zusammenwirkend in vorbestimmten Mustern angeordnet sein, um eine gewünschte Art der Lastübertragung und/oder -dämpfung bereitzustellen. In Übereinstimmung mit dem dargestellten Beispiel können die Rippen 90, 92 in abgewinkelten Rippenpaaren angeordnet sein, wobei jedes Paar mit der vorderen und/oder hinteren Strebe verbunden ist, um zusammenwirkend eine dreieckige Draufsichtkonstruktion T1 zu definieren, wie am besten mit Bezugnahme auf die Ausschnittsansicht von 1 zu sehen ist. Diese abgewinkelten Rippenpaare können so angeordnet sein, dass jedes Paar eine im Wesentlichen identische dreieckige Draufsichtkonstruktion teilt. Alternativ können die abgewinkelten Rippen so angeordnet sein, dass jedes abgewinkelte Rippenpaar (oder eine Gruppe von Paaren) eine dreieckige Draufsichtkonstruktion aufweist, die sich von einem anderen abgewinkelten Rippenpaar (oder einer Gruppe von Paaren) unterscheidet. Zum Beispiel können die abgewinkelten Rippenpaare ein erstes abgewinkeltes Rippenpaar beinhalten, das eine erste dreieckige Draufsichtkonstruktion definiert, und ein zweites abgewinkeltes Rippenpaar, das eine zweite dreieckige Draufsichtkonstruktion definiert, die sich von der ersten dreieckigen Draufsichtkonstruktion unterscheidet.
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Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; jegliche und alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen festgelegt. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.
