KR20210072760A - 배터리 전기 차량용 배터리 격실의 충돌 프레임의 제조 방법 - Google Patents

배터리 전기 차량용 배터리 격실의 충돌 프레임의 제조 방법 Download PDF

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KR20210072760A
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마틴 폴라첵
토마스 휜젠
스테판 린드너
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오또꿈뿌 오와이제이
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Abstract

본 발명은, 층층이 배열되고 함께 고정되며, 후속 단계에서 충돌 프레임의 벽들을 생성하도록 내측 활성 매체 성형 공정의 사용에 의해 공간을 형성함으로써 공간이 변형 공간으로서 작용하여 배터리 격실 내부의 배터리 모듈을 충격에 대해 보호하게 하는, 금속 시트들을 사용하는 것에 의한 전기 구동 차량용 배터리 격실의 충돌 프레임을 위한 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 배터리 격실용 충돌 프레임의 사용에 관한 것이다.

Description

배터리 전기 차량용 배터리 격실의 충돌 프레임의 제조 방법
본 발명은, 층층이 배열되어 함께 고정되며, 후속 단계에서 충돌 프레임(crash frame)의 벽들을 생성하도록 내측 활성 매체 성형 공정(inner active media-forming process)의 사용에 의해 공간을 형성함으로써 공간이 변형 공간으로서 작용하여 배터리 격실(battery compartment) 내부의 배터리 모듈을 충격에 대해 보호하게 하는, 적어도 2개의 평탄 금속 시트(sheet)를 사용하는 것에 의한 전기 구동 차량용 배터리 격실의 충돌 프레임을 위한 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 가열 요소, 냉각용 유체 유동, 또는 충돌 프레임의 시스템 상태를 분석하기 위한 센서와 같은 측정 요소와 같은 추가의 기능들을 생성된 내측 공간 내로 통합시키는 것이 가능하다. 본 발명은 또한 배터리 격실용 충돌 프레임의 사용에 관한 것이다.
19세기 말에 연소 엔진을 갖는 자동차의 개발과 병행하여, 베르너 폰 지멘스(Werner von Siemens)와 같은 연구자들은 또한 그의 전기 동력식 캐리지로 전기 차량을 성공적으로 개발하였다(1882년). 20세기 말에 그리고 화석 연료의 가격 상승 및 제한성과 같은 변화하는 프레임 조건으로 인해, 전기 차량이 부흥을 맞이한다. 배터리 주행거리의 증가에 더하여, 배터리를 포함하는 배터리 격실의 안전성 통합의 주제가 하나의 우세한 개발 측면이다. 이러한 주제는 배터리 전기 차량 안전성이라 불린다.
일반적으로, 전기 구동 차량은 동반된 에너지 저장 장치와 조합된 전기 구동부를 구동 개념으로서 사용하는 것이다. 각각의 구동 개념에 따라, 전기 구동 차량은 순전히 전력을 사용하는 배터리 전기 차량(Battery Electric Vehicle, BEV), 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기 차량(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 또는 연소 모터와 전기 엔진을 조합한 주행거리 연장형 전기 차량(Range Extended Electric Vehicle, REEV)으로 분류될 수 있다. 또한, 수소 형태의 화학적 저장 에너지가 전기 에너지로 변화되는 연료 전지 차량(Fuel Cell Vehicle, FCV) 또는 연료 전지 하이브리드 차량(Fuel Cell Hybrid Vehicle, FCHV)이 전기 차량의 하나의 추가적인 그룹이다. 에너지 저장 시스템으로서, 리튬 이온 배터리와 같은 고전압 배터리(축전지)가 기본 전지(base cell)로서 사용되고, 이어서 모듈에 상호연결된다. 다양한 모듈이 최종 차량 배터리로 조립된다. 차량 배터리는 배터리 하우징, 배터리 팩, 배터리 케이스 또는 배터리 커버로도 불리우는 배터리 격실에 의해 보호된다.
오늘날, 전기 차량용 배터리 팩은 배터리의 무거운 중량을 겪고 있고, 이는 전기 차량의 보다 적은 주행거리에 직접적인 영향을 미치며, 보다 적은 주행거리는 이어서 구매자들 사이에서 보다 낮은 용인을 갖는다. 동시에, 측면 충격에 대한 또는 폴 하부차체 하중(pole underbody load)에 대한 요구되는 충돌 요건들은, 자동차 차체 중량에 그리고 역시나 주행거리 및 구매자 용인에 추가적으로 부정적인 영향을 미치는 두꺼운 시트들 및 패키지-집약식 다이캐스트 구성요소들을 사용하는 것을 필요하게 만든다.
안전성 관점에서, 연소 엔진을 갖는 종래의 차량의 엔진, 기어 및 냉각기와 같은 구성요소들이 하중 경로들의 일부를 형성하고 이에 따라 자동차 차체 안전성 및 강성에 전체적으로 기여한다. 이들 구성요소는 전기 차량의 일부가 아니다. 전기 차량을 위해 사용된 차량 설계에 따라, 배터리에 대한 공간 요건으로 인해 중심 터널과 같은 추가의 특징부가 생략될 수 있다. 결과적으로, 하나의 종래의 하중 경로가 상실된다. 부가적으로, 고전압 구성요소들은 하중 경로 내에 위치되어서는 안된다. 또한, 중력의 중심은 하부 위치로 이동된다. 기술된 사항들은 충돌 에너지를 흡수하는 더 작은 변형 공간(크럼블 존(crumble zone) 또는 크러시 존(crush zone)으로도 불림)을 초래하고 이에 따라 전기 차량 설계에 대한 난제를 제시한다. 배터리 격실이 대부분 위치되는 하부차체에서의 제한된 침입 방식으로 인해, 측면 충격뿐만 아니라 하부차체 충돌을 견디는 것이 중요하다. 시트 구조물로서 제조된 최첨단 배터리 격실의 경우, 하부차체 측으로부터의 폴, 바(bar) 또는 차량 진입 방지용 말뚝(bollard)과 같은 끝이 뾰족한 물체들의 국부적인 슬리팅(slitting)이 차량 배터리에 가장 중대한 영향이다. 결과적으로, 경량 및 안전성의 모순이 종래 기술의 하나의 큰 결점으로서 특히 전기 차량에 대해 존재한다. 추가의 단점으로서, 최첨단 배터리 격실은 BEV의 비용을 추가로 증가시키는 정교한 제조 때문에 비용이 많이 든다. 다른 단점은 필요한 구성요소 강성에 도달하기 위한 그러나 또한 냉각과 같은 추가의 기능을 통합하기 위한 알루미늄 압출 프로파일에 대한 제한이다. 따라서, 평탄 금속 시트들은 그들의 큰 산업적이고 전세계적인 비용-효과적 이용가능성에 관계없이 이러한 구성요소에 대해 경쟁적 단점을 갖는다.
당해 기술의 실행 예의 상태가 유럽 특허 출원 제2565958B1호에 의해 보여질 수 있는데, 여기서 어떠한 충돌 또는 충격 보호도 없는 배터리 하우징만이 계획된다. WO 특허 출원 제2017012850A1호는 보강 요소가 상이한 배터리 세그먼트들을 서로 연결하여 측면 충격 강도를 증가시키는 배터리 설비를 기술한다. 충격 에너지를 흡수하기 위한 목표 영역은 기술되어 있지 않다. 하부차체 구조의 관점에서, 보강 요소와 하부차체 시트 금속 부품 사이에 간극만이 포함되어 있다. 독일 특허 출원 제102016209105A1호는 다른 배터리 팩 시스템 및 통합을 기술하는데, 이에 의해 또한 이러한 배열의 경우, 하부차체 시트 금속 부품과 배터리 팩 사이의 거리가 하부차체 충격에 대한 어떠한 국부적인 보호도 없이 조절된다. 미국 특허 출원 제2015239331A1호는 통합된 배터리 팩을 이용하여 측면 충격 에너지를 흡수 및 분배하기 위한 시스템을 기술한다. 측면 충격 충돌 에너지를 흡수하는 방식은 다수의 종방향 채널을 갖는 측면 문틀(sill)들을 사용함으로써 실행된다. 프로파일 내의 루멘(lumen)들은 배터리 팩과 배터리 저부 패널 사이에 일정 거리를 생성한다. 미국 특허 출원 제2017029034A1호는 전단 핀(shear pin) 또는 다른 변형가능 커넥터가 트레이의 에지 보강부를 고정시키는 배터리 조립체를 기술한다. 측면 충격 동안, 전단 핀은 파괴되고 트레이는 충격 구역으로부터 멀리 측방향으로 이동한다. 이 경우에, 외부 로커와 배터리 조립체 사이에 간극이 구성된다. 미국 특허 출원 제2016233468A1호는 내부적으로 보강된 원통형 충격 흡수 요소들에 의해 둘러싸인 배터리 인클로저(enclosure)를 기술한다. 여기서 언급된 모든 특허 출원들의 경우, 배터리 팩은 하부차체 충격에 대한 어떠한 국부적인 보호도 없이 조절된다. 또한, 미국 특허 출원 제2016229308A1호는 보강재 및 흡수 요소를 위한 외측 표면 상의 T-형상 가이드들에 의해 보호되는 배터리 하우징을 기술한다. 부착물들은 수평 또는 수직 배향으로 연장되도록 배향된다. 또한, WO 특허 출원 제2018082898A1호는 서로 대면하는 조립 플랜지들에 의해 맞물리게 되는 튜브 부품들로 이루어진 배터리 하우징을 기술한다. 사용가능한 하우징 체적을 증가시키기 위해 특수 설계된 에지 섹션을 갖는 트레이 부품 형태의 다른 배터리 격실이 WO 특허 출원 제2018046207A1호에 지적되어 있다. 둘 모두의 특허 출원의 경우, 충돌 또는 충격 요건의 충족은 해결되지 않으며, 따라서 둘 모두의 하우징은 그 자체를 또는 수용된 배터리 모듈을 독자적으로 보호할 수 없다.
배터리 주행거리의 증가, 및 충돌 및 침입의 경우에 배터리를 보호하는 방법 외에도, 열 관리 시스템 또는 주위 조건 및 배터리 상태를 측정하기 위한 센서 기술과 같은 추가 기능 통합의 주제는 중요성의 증가가 얻어진다. 냉각 및 가열을 위한 열 관리 시스템을 또한 배터리 격실 구조물 내로 통합할 필요성은 95%에 이르는 온도-민감성 리튬-이온 구동 배터리에 대한 효율의 정도로 설명될 수 있다. 나머지 5%는 손실된 열을 나타내고, 특히, 더 높은 주위 온도 하에서 또는 고전압 부하 동안 제거되어야 하는데, 그 이유는, 35℃ 초과의 배터리 온도에서, 배터리의 충전 용량이 감소하고, 노화 과정이 가속되기 때문이다. 일반적으로, 냉각 시스템을 생성하는 2가지 방식, 즉 배터리 격실 내로 통합되고 배터리 전지와의 더 효율적인 직접 접촉을 갖는 직접 냉각 시스템, 또는 간접 냉각 시스템이 있다. 후자는 배터리 격실을 둘러싸며, 따라서 누설의 경우에 단락의 위험 없이 전체 격실을 간접적으로 냉각시킨다.
초기 재료로서 평탄 금속 시트로 제조된 강성이고 경량인 구조물을 생성하기 위한 상이한 방법들이 존재한다. 일례가 WO 특허 출원 제2012025594A1호에 주어져 있는데, 여기서 적어도 2개의 층이 사용되고 적어도 하나의 층이 보강 요소들로 구조화되고 시트들이 적층된 배향으로 서로 접합된다.
복합-성형된 구성요소들을 생성하기 위해 제조 산업에서 확립된 다른 성형 공정은, DIN8584 또는 VDI-가이드라인 VDI3146에서 표준화되고 인장 압축 성형 제조 공정들의 그룹으로 분류될 수 있는 내부 고압 성형 방법이다. 이는 반제품(semi-finished product)들의 용도에 의해, 튜브 또는 프로파일의 내부 고압 성형, 단일 시트의 내부 고압 성형, 또는 적어도 2개의 시트 이상을 채용하는 내부 고압 성형으로 추가로 구별될 수 있다. 본 발명은 마지막 카테고리에 속한다. 또한, 내부 고압 성형은 유체 또는 가스일 수 있는 사용되는 활성 매체에 의해 분류될 수 있다. 활성 매체의 사용으로 인해, 이 공정은 또한 "내측 활성 매체 성형"으로 불린다. 본 방법은 실온에서 또는 연속 생산 동안의 장비의 고유한 가온(warming)(T ≤ 120℃)만으로 작업을 하는 것을 의미하는 냉간 성형 작업으로서, 또는 WO 특허 출원 제9927142A1호에 지적된 것과 같이, 최대 1100℃의 더 높은 온도를 사용하는 의도적인 결정(이때, 열간 성형 또는 반열간(semi hot) 성형으로 불림)으로서 수행될 수 있다. 비용 효과적인 구성요소 비용에 도달하고 간단한 장비를 사용하는 비용 효율적인 해결책을 실현하기 위해, 냉간 성형 방법만이 본 발명의 방법 내에서 사용된다. 내측 활성 매체 성형 공정의 하나의 큰 이점은 활성 매체가 마찰 없이 작용하여 마모 및 마멸이 초래되지 않게 하고, 이는 생산 수명에 걸쳐 수리 비용을 감소시킨다는 것이다. 또한, 특수 윤활제, 성형 포일(foil) 또는 코팅된 공구가 필요치 않은데, 이는 특히 산화크롬 패시베이션(passivation) 층 표면 및 더 높은 내마모성 및 내열성을 갖는 스테인리스강을 사용할 때 추가로 비용 이익이다. 또한, 내측 활성 매체 성형을 사용하는 공정은 더 큰 규모의 성형 하중과 조합된, 시트들의 더 매끄러운 박화(thinning-out)를 허용한다. 그 결과, 구성요소로 제조된 재료는 더 낮은 수준의 예하중(preloading), 기하학적 구조의 노치(notch) 효과로 인한 국부적 고장의 더 낮은 위험, 및 더 낮은 국부적 응력 집중을 나타낸다. 종래 기술에서, 내측 활성 매체 성형 방법은, 특히 압력 용기, 탱크, 용기 또는 열 수집기의 목적을 위하여, 비-운송 응용에서 강성이지만 또한 경량인 하우징을 생성하는 데 사용된다. 독일 출원 공개 제102010051374A1호는 중공 플레이트들이 사용되는 압력 용기를 기술한다. 운송 응용 내에서 하이드로포밍(hydroforming)을 사용하는 일례가 중국 특허 출원 제C206938686U호에 주어져 있는데, 여기서 충돌-방지 루프 빔(roof beam) 에너지-흡수 박스는 개방 튜브 형상으로 형성된다. 또한, 내측 활성 매체 성형 방법은 지에타 플롭(Zieta Plopp) 설계 의자(https://zieta.pl/plopp-familv/)와 같은 설계 요소들을 위해 사용되는데, 여기서 2개의 얇은 강 시트가 그들의 에지 주위에서 함께 용접되고 고압 하에서 팽창되어 3D 물체를 제공한다. 유럽 특허 출원 제2110189A1호는 적어도 2개의 성형된 시트 금속 요소 중 적어도 하나와 연결되는 경계 요소가 성형 동안 시트 금속 요소들의 변형을 제한하기 위한, 시트 금속의 다이리스(dieless) 성형 방법을 기술한다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 일부 단점을 없애기 위한 것이고, 층층이 배열되어 함께 고정되며, 후속 단계에서 충돌 프레임의 벽들을 생성하도록 내측 활성 매체 성형 공정에서 공간을 형성함으로써 상기 공간이 변형 공간으로서 작용하여 배터리 격실 내부의 배터리 모듈을 충격에 대해 보호하게 하는, 적어도 2개의 평탄 금속 시트를 사용하는 것에 의한 전기 구동 차량용 배터리 격실을 위한 강성이고 경량이지만 일차 내충돌성이며 용이하게 생산가능한 충돌 프레임을 위한 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 독립항에 개시되는 것에 의해 한정된다. 바람직한 실시예들이 종속항들에서 기재된다.
<상세한 설명>
본 발명의 목적에 따르면, 차량 배터리 또는 더 정확히 말하면 배터리 모듈들의 그룹은, 바람직하게는 변형 공간 및 따라서 충격 침입에 대한 보호 공간을 제공하는 내측 활성 매체 성형 공정을 사용하여 제조된 충돌 프레임 내로 통합된 보울(bowl) 또는 용기로서 형상화된 배터리 격실에 의해 덮인다. 이를 위해, 적어도 2개의 금속 시트들이 층층이 배열됨으로써 상이한 설계 개념들이 가능하다. 바람직하게는, 평면 시트들이 사용된다. 본 발명의 일 실시예에서, 시트들은 완전히 중첩된다. 또한, 패치워크 블랭크(patchwork blank)들로부터 유래하는 선형뿐만 아니라 비선형 중첩 시트들이 본 발명의 방법에 적용될 수 있다. 다음 단계에서, 기술된 방식으로 배열된 시트들은, 바람직하게는 본질적으로 적어도 하나의 시트의 주연부를 따라, 서로 고정되고 밀봉된다. 이를 위해, 레이저 빔 용접, TIG 또는 플라즈마 용접과 같은 시일 시임(seal seam) 용접 절차, GMAW 용접, 또는 저항 롤러 시임 용접이 사용될 수 있다. 이에 의해, 사용된 용접 방법에 따라, 접합부들의 상이한 용접 형상들 및 유형들이 가능하다. 레이저 빔 공정의 경우, 랩 조인트(lap joint)뿐만 아니라 에지 조인트(edge joint)가 시험들 동안에 성공적으로 사용되었다. 또한, TIG 또는 플라즈마 용접 공정과 같은 충전재 금속이 없는 용접 공정의 경우, 에지 용접이 밀봉된 시임을 생성하기에 적합하였다. 추가의 충전재 금속의 사용은 선택적이지만 필요한 것은 아니고, 특히 고압 또는 고응력을 받는 구성요소들에서 타당하며, 이에 의해 이들은 기하학적 방식에서 안정하지만 또한 연성 오스테나이트계 충전재 금속, 더 바람직하게는 1.4370 또는 1.4316과 같은 오스테나이트계 스테인리스강 충전재 금속이 사용되는 경우에 야금학적 방식에서도 안정하다. 또한, 적어도 2개의 시트들의 전방 표면 상에서 용접하는 것이 필요하지 않다. 특히, 외부 액체 또는 먼지에 대해 배터리 격실을 그의 커버 플레이트로 밀봉하기 위한 추가의 영역이 마련되는 하나의 바람직한 실시예의 경우, 돌출 영역을 갖는 랩 조인트 구성이 적합하다. 또한, 주연부의 적어도 하나의 영역을 고정시키도록 비-용접 절차로서 절첩과 같은 성형 절차를 사용하고 이에 따라 배열된 시트들을 열 입력, 용접 연기 및 용접 튀기기 없이 밀봉식으로 고정시키는 것이 또한 가능하다.
배열된 시트들 사이의 영역이 물과 같은 비-압축성 매체로 가압되는 내측 활성 매체 성형 공정이 뒤따를 수 있도록 시트들 중 하나에 입구 밸브가 구성되어야 한다. 또한, 물-오일 에멀젼과 같은 수계(water-based) 용액이 본 발명의 방법을 충족시킨다. 더욱이, 냉각제, 냉매, 또는 결빙 방지가 추가된 액체와 같은 냉각 유체들이 구성요소 수명 동안의 이후의 사용의 이익을 가지고 성형 공정에 사용될 수 있으며, 이어서 냉각 매체로서 작동하고 따라서 배터리들의 주행거리에 긍정적으로 영향을 주도록 사용될 수 있다. 본 발명의 방법의 경우, 내측 활성 매체 성형은 바람직하게는, 선택적으로 기하학적 구조를 위한 성형 도구들로서 주형 반부들을 사용하는 것에 의한, 그러나 더 바람직하게는 구성요소 비용 및 기계 투자를 감소시키는, 어떠한 공구도 없이 기하학적- 및 용접 시임-의존식 자유 성형을 사용하는 것에 의한, DIN8584에 따른 시트 금속 하이드로포밍 방법이다. 시트들이 내측 활성 매체 성형 공정에 의해 내부로 가압될 수 있는 공구에 대한 필요성을 피하기 위해, 기하학적 구조는 시트 설계, 시트 두께 및 재료 강도에 의해 영향을 받아야 한다. 때때로, 형상화를 지원하기 위해 클램핑 장치의 사용이 필요하다.
시트 설계에 의해 결과적인 구성요소의 기하학적 구조에 영향을 주기 위하여, 제한 요소들로서 용접부들을 부가하는 것이 바람직하다. 내측 활성 매체 성형 동안 제한 요소들에 영향을 미치는 하중을 제한하기 위해, 원형 저항 점 용접부들과 같은 둥근 기하학적 구조들, 또는 레이저 빔 용접에 의해 마련된 둥근 에지들을 갖는 직사각형 기하학적 구조와 같은 유사한 기하학적 구조들을 사용하는 것이 적합하다. 따라서, 5.0 mm ≤ r ≤ 12.5 mm 범위의 반경이 하중들을 견디고 균질한 액체 유동을 가능하게 하기 위한 최상의 비(ratio)를 나타낸다. 이들 용접된 제한 요소에 의해, 배열된 시트들은 함께 고정된다. 그 결과, 제한 요소들은 배열된 시트들 사이의 내측 공간의 가능한 높이(hi)를 제한하고 결과적인 기하학적 구조를 결정한다. 충격 동안 안전 기준으로서의 충분한 침입 공간과 소형 패키지의 양호한 절충을 마련하기 위해, 생성된 내측 공간의 높이(hi)는 10 mm ≤ hi ≤ 180 mm의 범위, 더 바람직하게는 30 mm ≤ hi ≤ 120 mm의 범위이어야 한다. 또한, 제한 요소들의 서로에 대한 또는 외측 에지에 대한 거리는 30 mm ≤ dL ≤ 100 mm의 범위이어야 한다.
단일의 평탄 금속 시트의 시트 두께는 경량화를 가능하게 하기 위해 t ≤ 4.0 mm, 더 바람직하게는 0.6 mm ≤ t ≤ 2.0 mm의 범위이어야 한다. 더 얇은 설계들은 구성요소 수명 동안 충격 상황을 견딜 수 없으며 제조 동안 너무 큰 내측 공간을 갖고서 너무 많이 확장된다. 배터리 모듈들이 평탄 표면 상에 도입될 수 있는 구성요소 설계를 생성하기 위해, 더 얇은 외측 시트들을 더 두꺼운 내측 시트들과 동시에 사용하여 외측 시트들이 내측 활성 매체 성형 공정 동안에 가장 많이 변형되게 하는 것이 적합하다. 따라서, 외부에 위치된 시트에 대한, 배터리 모듈들과 접촉하는 내부에 위치된 시트의 두께 비는 평탄 접촉부가 배터리 모듈들을 위치시킬 수 있도록 rt ≥ 2.0, 더 바람직하게는 2.5 ≤ rt ≤ 3.5이어야 한다. 구성요소 수명 동안 충격 상황 하에서도, 더 얇은 외측 시트는 변형될 것이고 변형 공간 내로 침입함으로써 높은 수준의 충격 에너지를 흡수할 것이다.
평탄 금속 시트들로서 사용되는 재료들로서, 변형 경화성의 내열성 및 내부식성 오스테나이트계 스테인리스강, 더 바람직하게는 항복 강도 RP0.2 ≥ 400 Mpa을 갖는 고강도 오스테나이트계 스테인리스강이 본 발명의 방법에 적합하다. 오스테나이트계 스테인리스강에 의해, 캐소드 딥-코팅 공정 없이도 하부차체 차량 영역의 부식 요건을 견뎌내는 것이 가능하며, 이는 총 구성요소 비용을 추가로 감소시키고 수명 사이클 환경 영향을 향상시킨다. 또한, 언급된 스테인리스강은 더 높은 하중 충격을 갖는 상황들에서 탑승자들을 추가로 보호하는 내산성 및 내열성 특성들을 갖는다. 불이 붙은 배터리의 화재 시험 동안, 오스테나이트 스테인리스강은 12분에 걸쳐 1,000℃의 온도까지의 온도를 견뎌내며, 이는 또한 도착한 구조 팀이 갇힌 탑승자들을 구조할 수 있게 한다. 고강도 스테인리스강을 사용함으로써, 재료들의 높은 연성과 조합된, 침입에 대한 더 높은 저항성을 갖는 것이 가능하고, 이는 높은 에너지 흡수를 가능하게 한다. 변형 경화의 특징은 구성요소 제조 동안, 이 경우에는 내측 활성 매체 성형 공정 후에, 최종 강도 수준에 도달할 가능성을 엔지니어에게 제공한다.
또한, 마르텐사이트계 강, 바람직하게는 크롬 함량 ≥12%를 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강이 본 발명의 방법에 대해 높은 잠재력을 나타낸다. 이러한 경우에, 구성요소는 어닐링된 전달 조건에서 마르텐사이트계 강으로 제조되고, 이어서 구성요소의 간접 프레스 경화 공정에 의해 제조된다. 제조된 배터리 격실의 양호한 환경친화적 거동의 목표에 의해, 전체 격실을 위한 일관된 재료로서의 스테인리스강의 사용은 전기 아크 노 내부에서의 구성요소 수명 후의 완전한 재활용성 및 처리를 가능하게 하여 스테인리스강으로부터 추가 제품을 생성하도록 한다. 이에 의해, 스테인리스강의 그룹 내에서, 상기 언급된 오스테나이트 등급 및 마르텐사이트 등급과 같은 상이한 세부 등급들을 조합하는 것이 가능하다. 내부식성 및 연성의 에너지 흡수 외측 요소라는 발상을 추가로 지원하기 위해, 오스테나이트계 스테인리강이 요구되는 특성들을 지원한다. 동시에, 더 두꺼운 내측 부품은 더 높은 강도를 갖지만 더 낮은 내부식성을 갖는 프레스 경화된 마르텐사이트 등급일 수 있다.
동일한 파라미터들(시트 설계, 시트 두께, 재료 강도)이 필요한 성형 압력에 영향을 미친다. 조절되는 압력 수준은 사용된 시트 두께 및 시트 강도에 따라 40 바와 120 바 사이에서 변하였다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 시트 설계는 충돌 프레임의 상이한 영역들이 단일 시트 배열로 실현될 수 있는 방식으로 마련된다. 도 3은 굽힘 성형 공정을 사용함으로써, 성형된 구성요소로부터 하부차체 벽뿐만 아니라 상이한 측벽들이 작업될 수 있는 하나의 바람직한 시트 설계를 보여준다. 그 결과, 폐쇄 커버를 제외한 모든 벽면이 조립식 평탄 금속 시트들로부터 제조되고, 내측 활성 매체 성형 공정 후에 일측 개방 프레임으로 굽힘 성형된다. 후속 단계 동안, 생성된 벽면들은 그들의 에지들에서 함께 용접될 수 있거나, 또는 또한 밀착 프레임을 실현하도록 접촉 표면들로서 지정될 수 있다. 이러한 단계는 통합된 배터리 모듈들을 갖는 내부에 위치된 배터리 격실이 밀봉된 보울 또는 용기라면 생략될 수 있다. 한편, 단지 상이한 단일 구성요소들을 내측 활성 매체 성형 공정에 의해 제조하고, 이어서 적어도 2개의 단일 구성요소를 함께 단단히 용접하는 것이 또한 가능하다. 바람직하게는 하부차체 벽 또는 저부에 대한 추가의 실시예는 2개의 단일 구성요소를 층층이 배열하여, 상이한 기능들을 위해 사용되는 적어도 2개의 독립적인 내측 공간, 바람직하게는 충돌 보호로서의 외측 공간 및 열 관리를 위한 내측 공간을 생성하는 것이다. 이러한 경우에, 한정된 높이(hi)를 갖는 자유 내측 공간은 추가의 또는 증가된 기능들을 위한 보조 재료를 부가하는 것에 의해 사용된다. 추가의 특성을 생성하는 하나의 방식은 내부에 위치된 배터리 모듈들에 대한 추가의 충돌 및 열 보호로서 변형 공간의 적어도 소정 비율을 절연 재료로 충전하는 것이다. 이로부터, 전형적인 보조 재료는 바람직하게는 공동 및 구멍 충전으로서 사용되는 폴리우레탄 조립 폼(foam)과 같은 절연 폼이다.
추가의 기능을 부가하는 다른 방식은 전기 저항 가열 요소에 의한 가열 또는 냉각 유체에 의한 냉각과 같은 열 기능; 또는 온도, 변형 또는 시스템 상태를 측정하기 위한 센서와 같은 측정 요소를 통합하는 것이다. 통합된 가열의 경우에, 금속 와이어, 바람직하게는 구리 합금으로 제조된 공업용 니트웨어(knitwear) 또는 공업용 천(fabric)이 용접 및 내측 활성 매체 성형 전에 금속 시트들 사이에 적용 및 설치될 수 있다. 그러한 니트웨어는 전기 저항 가열의 물리적 작동 원리(줄(Joule)의 법칙)를 이용한다.
본 발명의 방법으로 제조된 배터리 격실용 충돌 프레임의 기능은 전기 구동 차량 내에서의 그의 장착 위치와 독립적이다. 바람직하게는, 배터리 격실은 최대 배터리 주행거리, 낮은 무게 중심 및 균형 잡힌 주행 동력학을 보장하기 위해 전체 하부차체 위에 위치된다. 그러나, 일측 격실, 전방 또는 후방 위치설정과 같은 국부화된 구성도 또한 효과가 있을 것이다. 이에 의해, 좌측 및 우측 차량 측면(측면 충격)과 저부 면(하부차체 슬리팅)은 기술된 충돌 프레임의 사용 및 그의 제조 방법을 위한 바람직한 면들이다. 그러나, 배터리 시스템의 위치에 따라, 임의의 다른 차량 면이 안전성을 위해 중요해질 수 있다. 배터리 격실이 또한 후방 좌석 구조물 또는 뒷좌석 벤치(bench) 뒤에 위치될 수 있다는 것이 하이브리드 전기 차량과 같은 최신 차량으로부터 잘 알려져 있다. 이 경우에, 후방 면 및 저부 면만이 완전히 보호되어야 한다. 측면 영역은 본 발명의 방법에 따라 제조된 구조물에 의해 선택적으로 보호될 수 있지만, 차량 구성에 따라 단지 부분적으로만 보호될 수 있다. 더욱이, 하이브리드 전기 차량의 경우, 또한 연료 또는 수소 탱크를 배터리 격실 옆에 본 발명의 충돌 프레임 내로 통합시켜 전체 에너지 저장부를 위한 단일 충돌 프레임을 갖는 것이 가능하다.
본 발명의 방법으로 제조된 충돌 프레임은 독자적으로 충돌 또는 충격 상황을 견뎌낼 수 있으며, 따라서 내부에 위치된 배터리 모듈들을 보호할 수 있다. 이는 주변 차량 부품들의 중량이 감소될 수 있기 때문에 전체 전기 구동 차량에 대한 추가 중량 감소 및 비용 이점을 초래한다. 일례로서, 배터리 하우징을 덮는 로커 패널(rocker panel)은 더 얇게 설계될 수 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 예시된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서 내측 활성 매체 성형 공정을 사용함으로써 2개의 평탄 금속 시트로 제조된 충돌 프레임을 갖는 배터리 격실의 하나의 벽의 개략 측면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예로서의 다른 벽의 개략 평면도.
도 3은 굽힘 성형을 위한 본 발명의 다른 실시예로서의 평탄 금속 시트 배열의 다른 개략 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 2개의 금속 시트로 제조된 구성요소가 배터리 격실용 충돌 프레임의 2개의 벽을 형성하도록 구부러진 배열의 개략 측면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예로서의 배터리 격실의 개략 측면도.
도 6은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 충돌 프레임을 갖는 다른 배터리 격실의 개략 측면도.
도 7은 본 발명의 추가의 실시예에 따라 제조된 배터리 격실의 개략 측면도.
도 8은 측면도로부터 개략적으로 보여지는 바람직한 밀봉 실시예들의 2개의 상세도.
도 9는 본 발명에 따른 공정과 관련하여 2개의 금속 시트를 함께 시밍(seaming)하기 위한 선택사양을 도시하는 도면.
도 1은 층층이 배열되고 나서 위치(3)들에서 함께 용접되며, 내측 활성 매체 성형 공정의 사용에 의해 높이(hi)(4)를 갖는 한정된 내측 공간을 형성하여 배터리 격실에 사용될 수 있고 또한 "구성요소"(c)로 불리는 일체형 벽 요소가 얻어지게 하는, 2개의 평탄 금속 시트(1, 2)를 예시한다.
도 2는 용접에 의해 생성된 제한 요소(5)들을 도입시키도록, 위로부터 시트(2)의 표면으로의 관찰로서 개략적으로 보여지는, 배터리 격실에 사용될 수 있는 구성요소를 제조하기 위한 본 발명의 다른 실시예를 예시한다. 이들 제한 요소(5)에서, 시트(1, 2)들이 함께 고정된다. 그 결과, 제한 요소(5)들은 공간의 가능한 높이(hi)를 제한하고 결과적인 기하학적 구조를 결정한다.
도 3은 도 2에 기본적으로 묘사된 구성요소가 굽힘선(8)들에서 굽힘 성형 공정을 사용함으로써 저부 벽(6) 및 상이한 측벽(7)들을 갖는 배터리 격실을 형성하도록 제조될 수 있음을 평면도로서 예시한다. 결과적인 측벽(7)들은 그들의 접촉 표면(9)들에서 함께 용접될 수 있다.
도 4는 예컨대 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따라 제조된 구성요소가 충돌 프레임의 저부(6) 및 측벽(7)을 각각 형성하도록 평각에서 어떻게 구부러졌는지를 상세 측면도로 도시한다. 대안적으로, 도 1 및 도 2에 묘사된 바와 같은 별개의 단일 구성요소들이 10에서 함께 용접되어, 저부 벽 및 측벽들을 갖는 결과적인 배터리 격실 충돌 프레임을 생성할 수 있다.
도 5는 예컨대 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따라 제조된 구성요소가 배터리 하우징(11)이 설치된 배터리 모듈(12)들과 함께 삽입되는 충돌 프레임을 형성하도록 어떻게 구부러졌는지를 예시한다. 이 시스템은 폐쇄 플레이트(13)에 의해 덮인다.
도 6은 상이한 기능들을 위해 사용되는 적어도 2개의 독립적인 내측 공간, 바람직하게는 충돌 보호로서의 외측 공간(15) 및 냉각과 같은 열 관리 기능을 위한 내측 공간(14)을 생성하도록 층층이 배열된 2개의 별개의 구성요소(14, 15)의 배열을 예시한다.
도 7은 주로 외측 시트들이 내측 활성 매체 성형 공정 동안 변형되도록 더 두꺼운 내측 시트(17)들과 조합된 더 얇은 외측 시트(16)들의 사용을 측면도로서 예시한다. 케이싱(11) 내의 배터리 모듈(12)들은 거의 평탄한 더 두꺼운 내측 시트(17) 상에 조립될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 폐쇄된 배터리 격실을 제공하는, 측벽들에서의 2개의 밀봉 실시예의 상세 측면도를 예시한다. 둘 모두의 실시예는 더 얇은 외측 시트(16), 더 두꺼운 내측 시트(17) 및 내부에 위치된 배터리 모듈(12)들을 포함한다. 또한, 밀봉 층(20)을 위한 공간을 생성하기 위해 내부 활성 매체 성형된 측벽들의 외측 표면에 만입부(18, 19)들이 제공되어, 제거가능한 폐쇄 플레이트(21)가 배터리 격실 상에 단단히 고정될 수 있게 한다. 도 8a에서, 만입부(18)는 내부 활성 매체 성형된 측벽을 더 얇은 외측 시트(16)의 외부로부터 가압함으로써 생성된다. 도 8b에서, 만입부(19)는 더 얇은 외측 시트(16)를 가짐으로써 생성되는데, 외측 시트의 에지는 더 두꺼운 내측 시트(17) 외부로 돌출되고 후속적으로 시일(seal) 재료(20)를 수용하도록 성형된다.
도 9는 비-용접 성형 절차에 의한, 여기서는 절첩에 의한 주연방향 고정의 적어도 하나의 영역의 고정을 예시한다. 층층이 배열된 2개의 평탄 금속 시트(22, 23)가 구부러지고 서로 절첩되어, 그들의 주연부를 따라 밀봉된 시임을 생성한다.

Claims (14)

  1. 전기 구동 차량들용 배터리 격실(battery compartment)을 위한 충돌 프레임(crash frame)의 제조 방법으로서,
    - 적어도 2개의 금속 시트(sheet)들을 제공하고 상기 적어도 2개의 금속 시트들을 층층이 배열하는 단계
    - 상기 적어도 2개의 금속 시트들을, 본질적으로 적어도 하나의 시트의 주연부에서, 함께 접합하는 단계
    - 함께 접합된 상기 적어도 2개의 시트들 사이에 매체를 도입시키는 단계
    - 상기 매체에 압력을 가하여, 적어도 하나의 시트의 변형을 야기하고, 상기 적어도 2개의 시트들 사이의 공간을 포함하는 구성요소를 형성하는 단계
    를 포함하는, 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 시트들은 본질적으로 평면인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 2개의 시트들은 용접 또는 절첩에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 저부 벽 및 측벽들을 갖는 격실을 생성하도록 적어도 2개의 축을 따라 구성요소를 구부리는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 저부 벽 및 측벽들을 갖는 격실을 생성하도록 복수의 구성요소들을 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 접합하는 단계는 용접에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 접합된 금속 시트들은 상이한 두께들을 갖는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 더 큰 두께를 갖는 시트가 상기 배터리 격실의 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2개의 구성요소들이 층층이 배열되어 시트들 사이의 적어도 2개의 독립적인 공간들을 제공하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간이 열 관리를 위해 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 밀봉 화합물을 수용하기 위한 만입부들이 상기 구성요소의 벽 내에 제공되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 내부에 위치된 배터리 격실의 배터리 모듈들에 대한 추가의 충돌 및 열 보호로서, 생성된 공간을 절연 재료로 충전하는 단계를 더 포함하는, 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 시트들은 스테인리스강인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  14. 전기 구동 차량들에서의 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 충돌 프레임의 용도.
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