KR20220031045A - 차량 배터리 팩 프레임을 위한 하이브리드 에너지 흡수 - Google Patents

차량 배터리 팩 프레임을 위한 하이브리드 에너지 흡수 Download PDF

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KR20220031045A
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디네시 문주룰리마나
다넨드라 쿠마르 나관시
커티스 칼러
아닐 티와리
카를로스 페레이라
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사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

차량용 차량 배터리 팩 프레임으로서, 길이 및 폭을 갖는 베이스; 베이스의 양측 상에 있고, 베이스의 길이를 따라 연장되고, 베이스의 주변부에 부착되는 사이드 부재; 및 사이드 부재 사이에서, 베이스의 폭을 가로질러 연장되는 크로스빔을 포함하고; 사이드 부재 각각은 크로스 빔을 향하는 제1 표면 및 반대쪽의 제2 표면을 갖는 측벽을 포함하는 프로파일형 본체; 및 프로파일형 본체에 부착되고 프로파일형 본체의 측벽의 제2 표면을 향하는 폴리머 보강재를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.

Description

차량 배터리 팩 프레임을 위한 하이브리드 에너지 흡수
엄격한 전 세계적인 이산화탄소 배출량 규제로 인해, 전기 차량, 예를 들어 완전-전기 차량("EV"), 플러그-인 하이브리드 차량("PHEV"), 및 하이브리드 차량("HEV"; 즉, 다수의 추진원을 이용하는 차량이며, 그 중 하나는 전기 구동 시스템임))의 개발 및 사용에 더 많은 관심이 집중되고 있다. 전기 차량의 중량을 감소시키면 그의 1회 충전 주행 가능 거리를 늘릴 수 있기 때문에, 중량 감소는 전기 차량의 생존력에 있어 핵심적이다.
중량 감소를 위해 중점적으로 다루는 영역 중 하나는, 예를 들어, 배터리 모듈 및 차량 배터리 팩 프레임을 포함하는 차량 배터리 팩 조립체이다. 현재 대부분의 차량 배터리 팩 프레임은 알루미늄 또는 고강도 강 설계를 사용한다. 이러한 설계는 충돌 동안 구조적 무결성 및 보호를 제공하지만 무겁다.
측면 충격 충돌(side impact collision) 동안 배터리 모듈을 보호할 수 있는 배터리 모듈용 경량 차량 배터리 팩 프레임을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본원에서는 차량용 차량 배터리 팩 프레임, 차량 배터리 팩 프레임 및 배터리 모듈을 포함하는 차량 배터리 팩 조립체, 및 차량 배터리 팩 조립체를 포함하는 전기 차량이 제공된다.
일 구현예에서, 차량 배터리 팩 프레임은 길이 및 폭을 갖는 베이스; 베이스의 양측 상에 있고, 베이스의 길이를 따라 연장되고, 베이스의 주변부에 부착되는 사이드 부재; 사이드 부재 사이에서, 베이스의 폭을 가로질러 연장되는 크로스빔; 및 차량 배터리 팩 프레임에서 복수의 배터리 모듈을 에워싸는 커버를 포함할 수 있다. 각각의 사이드 부재는 제1 측으로부터 연장되는 플랜지 및 제2 측 상의 채널을 갖는 프레임으로서, 베이스는 사이드 부재 사이에서 그리고 각각의 사이드 부재의 플랜지에 걸쳐 연장되는, 프레임; 및 채널에 위치하는 폴리머 보강재를 포함한다.
다음의 도면은 유사한 요소가 유사한 부호를 갖는 예시적인 구현예이다.
도 1은 도 5의 사이드 부재를 포함하는 차량 배터리 팩 프레임 및 배터리 모듈을 포함하는 대표적인 전기 차량용 배터리 팩의 사시도이다.
도 2는 차량 배터리 팩 조립체를 포함하는 차량의 대표적인 측면도이다.
도 3은 차량 플로어 로커에 부착된 차량 배터리 팩 조립체를 예시하는 도 2의 라인 A-A를 따라 취한 부분적인 측단면도이다.
도 4는 차량 배터리 팩 조립체의 사이드 부재에 부착되는 크로스빔을 예시하는 측면도이다.
도 5는 하이브리드 구조를 포함하는 사이드 부재의 일 구현예의 부분적인 사시도이다.
도 6은 폴리머 보강재 및 프레임을 포함하는 사이드 부재의 또 다른 구현예의 사시 확대 정면도이다.
도 7a는 폴리머 보강재의 또 다른 구현예의 부분적인 사시도이다.
도 7b는 라인 7B-7B를 따라 취한 도 7a의 폴리머 보강재의 단면도이다.
도 7c는 도 7a 및 도 7b의 폴리머 보강재를 포함하는 사이드 부재, 및 프레임의 또 다른 구현예의 측면도이다.
도 8a는 구조 보강 요소를 갖는 폴리머 보강재의 또 다른 구현예를 포함하는 사이드 부재의 또 다른 구현예의 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 구현예의 측단면도이다.
도 9는 폴리머 보강재를 갖는 프레임의 조립체를 예시하는 사이드 부재의 또 다른 구현예의 확대 사시도이다.
도 10은 사이드 부재의 또 다른 구현예의 부분적인 사시도이다.
도 11은 충돌 테스트 전에 상이한 사이드 부재를 각각 갖는 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예의 4개의 배터리 팩을 예시하는 개략적인 상면도이다.
도 12는 기둥(pole)에 대해 30 킬로미터/시간(km/h)에서 측면 충돌(side impact) 테스트 후의, 도 11의 4개의 배터리 팩을 예시하는 상면도이다.
도 13a 내지 도 13c는 도 8a 및 도 8b에 도시된 사이드 부재 구현예에 대한 충돌 테스트의 점진적인 세부 사항을 예시한다.
도 14는 충돌 테스트의 결과를 나타내는 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예에 대한 힘(킬로뉴턴(kN)) 대 침입(intrusion)(밀리미터(mm))을 그래프로 나타낸 것이다.
도 15a는 저온에서의 충돌 테스트의 결과를 나타내는 실시예 4에 대한 힘(킬로뉴턴(kN)) 대 침입(밀리미터(mm))을 그래프로 나타낸 것이다.
도 15b는 실시예 4에 대한 흡수된 에너지(주울(J) 단위) 대 온도(℃)를 그래프로 나타낸 것이다.
도 16a는 저온에서의 충돌 테스트의 결과를 나타내는 실시예 5에 대한 힘(kN) 대 침입(mm)을 그래프로 나타낸 것이다.
도 16b는 실시예 5에 대한 흡수된 에너지(J) 대 온도(℃)를 그래프로 나타낸 것이다.
에너지 흡수 및 분산 차량 배터리 팩 프레임이 제공된다. 차량 배터리 팩 프레임은 사이드 부재, 크로스빔, 베이스, 선택적으로 커버, 선택적으로 파티션(들), 선택적으로 후방 외부 지지부, 및 선택적으로 이차 전지 지지 영역을 포함한다. 사이드 부재는 크로스빔(들) 차량이 부착되는 프로파일형 본체를 포함한다. 사이드 부재는 차량의 길이 방향("L")에 평행한 방향으로(길이 방향으로) 연장되는 한편, 크로스빔(들)은 차량의 폭(W)을 가로질러 사이드 부재 사이에서(폭 방향으로) 연장된다. 예를 들어, 크로스빔은 사이드 부재 사이에서 그리고 사이드 부재에 수직이고 차량의 폭 방향에 평행한 방향으로 연장될 수 있다. 사이드 부재는, 30 km/h에서의 강체 기둥(rigid pole) 충돌 동안 차량 배터리 팩 프레임이 미국 연방 자동차 안전 기준 214(Federal Motor Vehicle Safety Standard 214)에 따른 구조적 무결성을 유지하도록 구성된다. 구조적 무결성의 유지는 충돌 후, 강체 기둥이 차량 배터리 팩 조립체의 내부 공간 내로 침입하지 않고 차량 배터리 팩 조립체 내의 배터리 모듈이 압축되지 않는다는 것을 의미한다.
차량 배터리 팩 조립체에서 사이드 부재는 다수의 기능을 수행할 수 있다. 사이드 부재는 하나 이상의 배터리 모듈을 포함할 수 있는 차량 배터리 팩 조립체의 크로스빔을 유지하고 지지하는 구조를 제공함으로써 차량 배터리 팩 조립체의 구조적 무결성, 예를 들어 강성에 기여할 수 있다. 바람직하게는, 또한 사이드 부재는 측면 충돌의 경우에 에너지를 흡수 및 분산하고 배터리 모듈 내로의 침입 및 그에 대한 충돌을 최소화 또는 방지하도록 설계될 수 있다. 본 발명의 사이드 부재는 폴리머 보강재를 포함한다.
본 발명의 설계에서, 사이드 임팩터(side impactor)는 후방 벽 및 선택적인 박스 구조와 접촉하기 전에, 그리고 그에 따라 크로스빔과 접촉하기 전에 폴리머 보강재와 먼저 접촉할 것이다. 바람직하게는, 임팩터의 침입은 여전히 폴리머 보강재의 깊이("D")보다 작을 것이다. 사이드 부재(폴리머 보강재, 및 폴리머 보강재에 걸쳐 있는 벽 및 그의 전방에 있는 선택적인 벽)는 크로스빔(들)이 부착되는 벽의 표면과 사이드 임팩터가 접촉하기 전에 에너지 흡수를 제공할 수 있다. 프로파일형 본체는 폴리머 보강재의 변형을 제한할 수 있지만, 최소량의 축방향 보강(axial stiffening)을 제공할 수 있다. 사이드 부재는, 차량 배터리 팩 조립체가 전기 차량에 장착될 수 있도록 굽힘 강성을 제공할 수 있다. 설계로 인해, 사이드 부재는 강성의 보호성 지지부를 형성하도록 배열된 멀티-피스 금속 부재에 비해 부품 통합 및 중량 절감을 제공한다.
차량에 설치될 때, 차량 배터리 팩 프레임은 전방 및 후방 차량 서스펜션 조립체 사이에 위치설정될 수 있고, 차량의 각 측면 상에 위치하는 차량 구조 부재(예를 들어, 로커 패널) 사이에 장착되고 그에 기계적으로 커플링될 수 있다. 차량 배터리 팩 프레임은 차량 플로어 패널의 아래에 장착되고 그에 부착될 수 있다.
차량 배터리 팩 조립체는 차량의 폭의 적어도 일부를, 즉 로커 패널로부터 로커 패널까지 가로지르고, 또한 전방 서스펜션과 후방 서스펜션 사이에서 연장된다. 차량 배터리 팩 조립체의 크기는 특별히 제한되지 않으며, 차량의 크기에 좌우되고, 원하는 배터리 용량 및 배터리 모듈의 크기에 좌우된다. 예를 들어, 차량 배터리 팩 조립체는 길이가 최대 3 미터(m)(예를 들어, 대략 2.7 m의 길이)이고, 폭이 최대 1.5 미터일 수 있다. 따라서, 사이드 부재는 최대 3 m, 예를 들어 1 m 초과 내지 3 m, 또는 1.5 m 내지 2.0 m의 길이를 가질 수 있다. 차량 배터리 팩 조립체의 두께는 0.1 미터 내지 0.18 미터로 다양할 수 있고, 더 두꺼운 치수는 배터리 모듈이 서로 겹쳐서 위치설정되는 차량 배터리 팩 조립체의 그러한 부분들에 적용 가능하다.
본원에 개시된 차량 배터리 팩 조립체는 첨부된 도면을 참조하여 더욱 완전히 이해할 수 있다. 이들 도면(본원에서 "도"로도 지칭됨)은 본 개시를 실증하는 편의성 및 용이성을 기초로 한 개략도일 뿐이고, 이에 따라, 디바이스 또는 이의 구성요소의 상대적 크기 및 치수를 나타내고/나타내거나 예시적인 구현예의 범위를 규정하거나 제한하도록 의도된 것은 아니다. 하기 설명에서 명확성을 위해 특정 용어가 사용되지만, 이들 용어는 도면에서 예시를 위해 선택된 구현예의 특정 구조만을 지칭하기 위해 의도된 것이고, 본 개시의 범위를 규정하거나 제한하는 것으로는 의도되지 않는다. 도면 및 하기 설명에서, 유사한 숫자 지정은 유사한 기능의 구성요소를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 배터리 모듈(12), 및 사이드 부재(30), 파티션 부재(18) 및 크로스빔(16)을 포함하는 차량 배터리 팩 프레임(11)을 포함하는 전기 차량용 차량 배터리 팩 조립체(10)의 대표적인 이미지이다. 단일 배터리 모듈(12)은 사이드 부재(30), 크로스빔(16) 및 베이스(14)에 의해 정의된 차량 배터리 팩 조립체(10)의 섹션 내에 위치설정될 수 있다. 사이드 부재(30)는 차량 배터리 팩 조립체(10)의 길이(L)를 따라 연장된다. 크로스빔(16)은 사이드 부재 사이에서 연장되고, 베이스(14)로부터 커버(20)(도 3 참조)에 걸쳐 있을 수 있는 높이를 가짐으로써, 폐쇄된 파티션을 형성한다. 파티션은 차량 배터리 팩 조립체(10)에서 크로스빔(16), 파티션 부재(18), 및 선택적으로 사이드 부재(30)에 의해 적어도 부분적으로 정의될 수 있다. 선택적으로, 파티션 부재(18)는 인접한 크로스빔(16) 사이에서, 그리고 인접한 배터리 모듈(12) 사이에서 연장될 수 있다. 배터리 모듈(12)은 차량 배터리 팩 조립체(10)의 베이스(14) 상에 배치될 수 있다. (인접한 크로스빔(16) 사이의) 섹션 각각은 하나 이상의 배터리 모듈(12), 예를 들어 한 쌍의 배터리 모듈(12)을 수용할 수 있다. 선택적으로, 백업 배터리 모듈(이차 전지 모듈이라고도 지칭함)이 존재할 수 있다.
도 3은 차량(22)에서 차량 배터리 팩 조립체(10)를 예시하는, 도 2의 라인 A-A를 따라 취한 부분적인 단면도이다. 차량 배터리 팩 조립체(10)는 플랜지(52)를 갖는 사이드 부재(30)를 포함하고, 플랜지(52)는 한 사이드 부재(30)로부터 반대쪽 사이드 부재(30)를 향해 연장된다. 베이스(14)는 플랜지(52) 상에 배치되고 그에 부착된다. 베이스(14)는 사이드 부재(30)의 플랜지(52) 상에 배치될 수 있고, 크로스빔(16)은 베이스(14) 상에 배치될 수 있다. 베이스(14)는 사이드 부재(30) 사이에서, 그리고 크로스빔(16) 아래에서 연장된다. 차량 배터리 팩 조립체(10)의 전방 및 후방 단부는 차량 배터리 팩 조립체(10)의 구조적 무결성을 개선하기 위해 부가적인 크로스빔(16)을 가질 수 있다. 베이스(14)는 배터리 모듈(12)의 열 전달, 예를 들어 냉각을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 베이스(14)는 배터리 모듈로부터 열을 제거하기 위해, 열 전달 유체(예를 들어, 차량 배터리 팩 조립체(10)의 내부로 진입하지 않는 공기 또는 액체(예를 들어, 물 또는 다른 열 전달 유체)와 같은 매체)를 위한 도관(80)을 포함할 수 있다. 도관(80)에 부가하여, 또는 그에 대한 대안으로서, 베이스는 주변 환경으로의 열 전달을 가능하게 하도록 열 전달 핀(82)을 가질 수 있다. 차량 배터리 팩 조립체(10)가 차량(22)에 부착될 때, 배터리 모듈(12)을 등지고 있는 베이스(14)의 측면은 환경에 노출된다.
바람직하게는, 배터리 모듈(12)과 주변 환경 사이에 배리어가, 예를 들어 커버(20), 사이드 부재(30) 및 베이스(14)에 의해 형성된다. 환언하면, 베이스(14), 사이드 부재(30) 및 커버(20)는 배터리 모듈(12)을 수용하기 위한 인클로저를 형성한다. 또한, 차량 배터리 팩 조립체(10)의 전방측 및 후방측은 2개의 부가적인 크로스빔(16)으로 형성될 수 있다. 인클로저에는 공기유동을 위한 하나 이상의 개구가 제공될 수 있다. 커버(20)는 기계적 패스너 및/또는 화학적 부착을 이용하여 사이드 부재(30)에 부착될 수 있다. 기계적 패스너의 예는 스냅, 후크, 나사, 볼트(예를 들어, 나사산형 볼트(들), 리벳, 용접, 크림프(들)(예를 들어, 크림핑된 금속 벽)를 포함한다. 화학적 부착은 글루, 접착제 등과 같은 본딩제를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 커버(20)는 예를 들어 사이드 부재(30)의 손상 없이 분리될 수 있는 기계적 부착을 사용하여 사이드 부재(30)에 제거 가능하게 부착될 수 있다. 제거 가능한 부착은 배터리 모듈(12) 교체를 간단하게 할 뿐만 아니라 배터리 모듈(12) 상호연결 수단, 차량 배터리 팩 조립체(10)의 구성요소, 냉각 시스템 구성요소, 및 차량 배터리 팩 조립체(10)의 다른 구성요소가 수리 및/또는 교체되는 것을 가능하게 한다.
차량 배터리 팩 조립체(10)는 사이드 부재(30), 베이스(14) 및 커버(20) 사이의 밀봉에 기초하여, 실질적으로 기밀성인 인클로저로서 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 차량 배터리 팩 조립체(10)는 차량(22)에 커플링된다. 차량 배터리 팩 조립체(10)는 전술한 것들과 같은 다양한 기계적 패스너(들)를 이용하여 차량(22)에 부착될 수 있다. 기계적 패스너(28)를 이용하여 차량(22)의 플로어 로커(26)에 부착된 사이드 부재(30)가 도시된다. 따라서, 차량 배터리 팩 조립체(10)는 차량(22) 아래에, 차량 플로어 패널(84) 아래에 위치할 수 있고, 플로어 로커(26)에 부착되고 그 사이에서 연장될 수 있다.
차량 배터리 팩 조립체(10)는 사이드 부재에 평행한 방향으로 연장되고 배터리 모듈(12)을 분리하는 파티션 부재(18)를 포함할 수 있다. 파티션 부재(18) 각각은 배터리 모듈(12)의 적어도 일부와 중첩됨으로써 차량 배터리 팩 조립체(10) 내에 배터리 모듈(12)을 고정하는 것을 돕는 베이스(14)의 반대쪽 부분(24)을 포함할 수 있다.
도 4는 사이드 부재(30) 및 크로스빔(16)이 어떻게 부착될 수 있는지를 개략적으로 도시한다. 예를 들어, 사이드 부재(30)는 플랜지(52)를 포함할 수 있고, 크로스빔(16)은 플랜지(52)에, 인접하게 또는 베이스(14)를 통해 또는 또 다른 수단을 통해 부착될 수 있다. 베이스(14)는 플랜지(52) 상에, 예를 들어 플랜지(52)와 크로스빔(16) 사이에서 지지될 수 있다.
도 5는 하이브리드 사이드 부재(30)(즉, 프로파일형 본체(32) 및 그 안에 위치하는 폴리머 보강재(60)를 포함함)를 도시한다. 폴리머 보강재(60)는 선택적으로 프로파일형 본체(32)에 기계적으로 또는 화학적으로 부착될 수 있다. 예를 들어, 폴리머 보강재(60)는 프로파일형 본체(32) 상에 오버몰딩될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 기계적 패스너 및/또는 화학적 부착은 전술한 것들과 같이 채용될 수 있다. 마찰 끼워맞춤은 또한 프로파일형 본체(32)에 폴리머 보강재(60)를 유지하는 데 사용될 수 있다. 폴리머 보강재(60)는 크로스빔(16)이 부착되는 프로파일형 본체(32)의 표면의 반대쪽에 있기 때문에, 폴리머 보강재(60)는 크로스빔(16)에 직접 부착되지 않는다.
폴리머 보강재(60)는 접착제를 사용하지 않고 프로파일형 본체(32)와 폴리머 보강재(60) 사이에 기계적 본드를 생성하도록 프로파일형 본체(32)에 로킹될 수 있다. 선택적으로, 벽은 벽을 통과하는 개구(50)를 포함할 수 있고, 그에 따라 폴리머 보강재(60)가 형성될 때, 용융된 폴리머는 캐비티 내로부터 개구를 통과하고, 고화되어 폴리머 보강재(60)를 프로파일형 본체(32) 내에 추가로 고정할 수 있다.
하이브리드 사이드 부재는, 하이브리드 사이드 부재 외에 금속 또는 복합재만 사용해서는 달성하기 어려울 수 있는 복잡한 기하학적 형상을 얻는 것을 가능하게 한다. 폴리머 보강재는 리브 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 리브는 상단 벽(34)과 바닥 벽(36) 사이에서 그리고 그들에 의해 정의되는 채널(35)을 가로지르고/가로지르거나, 상단 벽(34)과 바닥 벽(36) 사이에서 그리고 그들에 의해 정의되는 채널(35)의 길이를 따라 측벽(42) 또는 후방 벽(40)을 향해 연장될 수 있다. 삼각형, 사각형, 대각선형, 십자형 등을 포함하는 다양한 리브 설계가 가능하다. 리브는 삼각형, 오각형, 육각형, 칠각형 및 팔각형 등과 같은 3개 이상의 변을 갖는 형상, 바람직하게는 육각형의 기하학적 형상을 갖는 형상과 같은 포상(alveolar) 구조(예를 들어, 벌집형의 기하학적 형상)를 형성하는 다수의 칼럼을 형성할 수 있다. 다른 기하학적 형상, 예를 들어 채널을 포함하는 기하학적 형상도 가능하다. 기하학적 형상의 칼럼 및/또는 채널은 하나 이상의 개방된 단부를 가질 수 있다.
선택적으로, 폴리머 보강재, 및 그에 따라 폴리머 보강재의 리브는 상단 벽(34)의 단부 에지(37)로부터 후방 벽(40)으로, 즉 상단 벽(34)의 폭을 정의하는 거리 d, 또는 거리 d의 적어도 일부에 걸쳐, 그리고 후방 벽(40)이 존재하지 않는 경우, 측벽(42)으로, 즉 거리 d 너머로 또는 상단 벽(34)의 폭 너머로 연장될 수 있다. 거리 D는 0이 아니다. 리브는 압출되고, 개별적으로 형성되고 함께 본딩되어, 사출 성형되거나 달리 형성된 원하는 구조를 형성할 수 있다. 선택적으로, 폴리머 보강재는 사출 성형 공정(예를 들어, 도 5, 도 8a 및 도 10의 설계 등)을 사용하여 플라스틱 보강재를 프로파일형 본체(32)로 오버몰딩함으로써 형성될 수 있다. 폴리머 보강재(60)는 프로파일형 본체(32)와 공압출되어 단일-피스를 생성할 수 있다. 폴리머 보강재(60)는 다수의 재료를 통합할 수 있는 다이를 사용하여 금속과 공압출될 수 있다. 예를 들어, 다이는 주변부 상에 금속을 압출하기 위한 설비를 수용할 수 있는 반면, 내측 플라스틱 재료는 금속이 압출되는 속도와 동일한 속도로 압출된다. 대안적으로, 폴리머 보강재(60)가 형성되고, 그 후 프로파일형 본체(32) 내로 삽입될 수 있다(도 5, 도 6, 도 7a, 도 9 및 도 10 참조). 폴리머 보강재(60)의 예비형성은 채널 및/또는 칼럼(33)이, 임의의 원하는 방향으로 배향되는 것을, 예를 들어 상단 벽(34)과 바닥 벽(36)(도 6, 도 7a 참조) 사이에서, 예를 들어 그러한 벽들에 대해 수직으로 연장되는 것을 가능하게 한다. 구조체의 채널 및/또는 칼럼(33)은, 예를 들어 그에 대해 수직이고 상단 벽(34) 및 바닥 벽(36)에 평행한 측벽(42)(도 5, 도 8a, 도 9 참조)을 향해 연장될 수 있다. 구조체의 칼럼 및/또는 채널(33)은 사이드 부재(30)의 길이를 따라, 예를 들어 측벽(42)에 평행하게 연장될 수 있다(예를 들어, 도 10 참조). 벽(34, 36, 42)에 대한 채널 및/또는 칼럼(33)의 배향은 바람직한 에너지 흡수 특성을 얻도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 개방된 단부는 상단 벽(34) 및/또는 바닥 벽(36)으로 지향될 수 있다.
폴리머 보강재(60)는 차량 배터리 팩 조립체에 대한 측면 충돌 동안 에너지를 흡수하도록 치수설정될 수 있다. 예를 들어, 인접하지 않은 리브 사이의 거리는 20 mm 내지 40 mm로 다양할 수 있고, 리브 두께는 1.5 mm 내지 5.0 mm로 다양할 수 있다.
폴리머 보강재(60)는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS); 폴리카보네이트; 아크릴-스티렌-아크릴로니트릴(ASA); 페닐렌 에테르; 폴리페닐렌 에테르; 폴리카보네이트(PC); 폴리아미드; 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET); 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT); 폴리아미드; 페닐렌 설파이드; 폴리비닐 클로라이드(PVC); (내충격성) 폴리스티렌; 폴리올레핀(예를 들어 폴리프로필렌(PP)(예를 들어, 발포 폴리프로필렌(EPP)) 또는 폴리에틸렌); 폴리실록산; 폴리우레탄; 또는 열가소성 올레핀(TPO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
폴리머 보강재(60)는 충전제, 예를 들어 섬유를 포함할 수 있다. 가능한 섬유 재료는 유리, 탄소, 아라미드, 또는 플라스틱 중 적어도 하나, 바람직하게는 유리를 포함할 수 있다. 섬유 길이는 세단(chop)되거나, 길거나, 짧거나, 연속적일 수 있다. 따라서, 폴리머 보강재(60)는 섬유-충전된 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유-충전된 폴리올레핀이 사용될 수 있다. 특히, 장유리 섬유-충전된 폴리프로필렌이 사용될 수 있다. 단유리 섬유 충전된 폴리머의 경우, 초기 섬유 길이는 1.5 내지 3 mm 미만으로 다양할 수 있고, 성형 후에 섬유 길이는 0.2 내지 0.5 mm로 다양할 수 있다. 장섬유는 상기 정의된 단유리 섬유보다 긴 성형 후 길이를 갖고, 적어도 3 mm 내지, 예를 들어 10 mm 내지 15 mm의 성형 전 초기 섬유 길이를 갖는 것으로서 정의된다.
선택적으로, 심미적 커버가 사이드 부재(30), 특히 폴리머 보강재에 걸쳐 존재할 수 있다. 커버는 부스러기가 폴리머 보강재에 진입하는 것을 억제할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 폴리머 보강재(60)는 프로파일형 본체(32)에 의해 형성된 채널(35)에 배치될 수 있다. 채널(35)은 상단 벽(34), 바닥 벽(36) 및 후방 벽(40) 또는 측벽(42)에 의해 형성될 수 있다. 후방 벽(40)은 상단 벽(34)의 하나의 단부에서 바닥 벽(36)과 상단 벽(34) 사이로 연장될 수 있다. 채널(35)의 반대쪽에 있는 후방 벽(40)의 측면 상에서, 프로파일형 본체는 후방 벽(40), 제1 커넥터 벽(44), 제2 커넥터 벽(46) 및 측벽(42)에 의해 형성된 박스 구조(38)(예를 들어, 4면 박스 구조; 예를 들어, 도 7c 참조)를 포함할 수 있다. 제1 커넥터 벽(44)은 측벽(42)과 상단 벽(34) 사이에서, 예를 들어 후방 벽(40)에서 연장되는 반면, 제2 커넥터 벽(46)은 측벽(42)과 바닥 벽(36) 사이에서, 예를 들어 후방 벽(40)에서 연장된다. 측벽(42)은 채널(35)의 높이보다 더 높고/높거나, 후방 벽(40)의 높이보다 더 높은 높이를 갖고, 그에 따라 박스 구조(38)의 위치에서 채널(35)의 높이가 증가한다. 바람직하게는, 측벽(42)의 적어도 하나의 종방향 에지는 후방 벽의 종방향 에지 너머로 연장된다. 보다 바람직하게는, 측벽(42)의 종방향 에지는 대칭 방식으로 후방 벽의 종방향 에지 너머로 연장되고, 즉, 연장부의 길이는 동등하게 분포한다. 제1 커넥터 벽(44) 및 제2 커넥터 벽(46)은 측벽(42)으로부터 채널(35)을 향해 90도의 각도(θ)로 연장될 수 있다. 대안적으로, 제1 커넥터 벽(44) 및 제2 커넥터 벽(46)은 측벽(42)으로부터 90도 미만의 각도(θ)로, 예를 들어 30 내지 75도, 바람직하게는 40 내지 50도의 각도로 채널(35)을 향해 연장될 수 있다. 박스 구조(38)는 직사각형 또는 사다리꼴의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 커넥터 벽(44, 46)은 또한 라운드형 또는 굽은 형태, 또는 심지어 단차형과 같은 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다.
플랜지(52)는 채널(35)의 반대쪽 방향으로 측벽(42)으로부터 연장될 수 있다. 플랜지(52)는 측벽(42)의 단부로부터, 또는 측벽의 단부로부터 0이 아닌 거리의 위치로부터 연장될 수 있다. 바람직하게는, 플랜지(52)는 측벽(42)의 하반부로부터 연장되며, 하반부는 프로파일형 본체(32)의 상단 벽(34)보다 바닥 벽(36)에 더 가까운 측벽(42)의 일부로서 정의된다. 베이스(14)는 플랜지(52) 및/또는 측벽(42)을 통해 사이드 부재(30)에 부착될 수 있고, 크로스빔(16)은 플랜지(52) 및 베이스(14)의 상단에 장착될 수 있다. 부착은 전술한 바와 같이 다양한 기계적 패스너 및/또는 화학적 부착을 이용하여 행해질 수 있다.
프로파일형 본체(32)는 차량 배터리 팩 조립체(10)에 구조적 무결성을 제공할 수 있다. 차량 배터리 팩 조립체(10)의 구조적 무결성은 운송 및 사용 동안 차량 배터리 팩 조립체(10)의 굽힘 및 비틀림 강성에 기초할 수 있다. 정확한 두께는 벽에 대한 특정 재료 및 원하는 구조적 무결성에 좌우된다. 예를 들어, 강 프로파일형 본체(32)의 경우, 벽의 두께는 0.5 mm 내지 2 mm일 수 있는 반면, 알루미늄의 경우, 벽의 두께는 1.0 mm 내지 8.0 mm일 수 있다. 그와 같이, 벽, 상단 벽(34), 바닥 벽(36), 후방 벽(40), 측벽(42), 제1 커넥터 벽(44), 및 제2 커넥터 벽(46) 각각의 두께는 원하는 구조적 무결성에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 폴리머 보강재(60)는 측면 충돌 에너지를 흡수하는 데 쓰이기 때문에, 상단 벽(34) 및 바닥 벽(36)의 두께는 후방 벽(40), 측벽(42), 제1 커넥터 벽(44) 및 제2 커넥터 벽(46)의 두께보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상단 벽(34) 및 바닥 벽(36)은 0.5 mm 내지 1.6 mm, 구체적으로 1.0 mm 내지 1.5 mm, 및 보다 구체적으로 1.3 mm 내지 1.4 mm의 두께를 가질 수 있다. 후방 벽(40)은 0.5 mm 내지 4.0 mm, 바람직하게는 1 mm 내지 1.5 mm의 두께를 가질 수 있다. 측벽(42)은 0.5 mm 내지 4.0 mm, 바람직하게는 1.00 mm 내지 1.5 mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 커넥터 벽(44) 및/또는 제2 커넥터 벽(46)은 0.5 mm 내지 3.00 mm, 바람직하게는 1.0 mm 내지 1.5 mm의 두께를 가질 수 있다.
프로파일형 본체(32), 베이스(14), 커버(20), 및 크로스빔(16)은 각각 개별적으로 금속 및/또는 복합재일 수 있다. 복합재는 폴리머(예컨대, 섬유 보강된 폴리머(예를 들어, 열가소성 또는 열경화성))를 포함할 수 있고, 프로파일형 본체(32), 베이스(14), 커버(20), 및 크로스빔(16)은 각각 개별적으로 금속 및 복합재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로파일형 본체(32)는 압출된 또는 스탬핑된 시트 금속 부품일 수 있다. 프로파일형 본체(32)는 복합 재료, 예를 들어 섬유 보강된 라미네이트 또는 시트일 수 있다. 예를 들어, 프로파일형 본체(32), 베이스(14), 커버(20), 및 크로스빔(16)은 각각 개별적으로 알루미늄, 강, 연속 유리 섬유 복합 라미네이트 또는 테이프, 연속 탄소 섬유 라미네이트 또는 테이프, 섬유 충전된 열가소성 수지, 및/또는 고도로 배향된 연속 폴리머 재료를 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7a 내지 도 7c는 폴리머 보강재(60)가 개별적으로 성형되고, 압출된 프로파일형 본체(32) 내로 삽입되는 구현예를 도시한다. 폴리머 보강재(60)를 위한 드로우 방향(draw direction) 또는 공구 이동은 수직 방향일 수 있다. 도 6은 프로파일형 본체(32)의 채널(35) 내로 삽입되는 폴리머 보강재(60)를 도시한다. 도 7a 내지 도 7c는 구형파 리브 설계를 갖는 폴리머 보강재(60)를 예시한다(도 7b 참조, 도 7a의 라인 7B-7B를 따르는 폴리머 보강재(60)의 단면도를 도시함). 도시된 바와 같이, 폴리머 보강재(60)는 구형파의 골에서 부가적인 리브(62)를 포함할 수 있다(도 7a 참조; 예를 들어, 구형파의 각각의 골에서 서로 평행한 리브를 예시함). 골에서의 리브는 충돌 방향에 수직인 방향, 예를 들어, 길이 방향(도 1 참조)으로 골의 한쪽으로부터 반대쪽으로 연장된다. 도 7c는 도 7a및 도 7b의 폴리머 보강재(60)를 포함하는 프로파일형 본체(32)의 측면도를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 제1 지지 벽(54)으로 연장되는 상단 벽(34), 제2 지지 벽(56)으로 연장되는 바닥 벽(36), 및 제1 지지 벽 및 제2 지지 벽(54, 56)의 위치에서, 상단 벽(34)과 바닥 벽(36) 사이에서 연장되는 보강 지지 요소(70)를 포함하는 프로파일형 본체(32')의 또 다른 설계를 예시한다. 제1 지지 벽(54)은 채널(35)로부터 멀리 상단 벽(34)으로부터 수직으로 연장될 수 있다. 제2 지지 벽(56)은 채널(35)로부터 멀리 바닥 벽(36)으로부터 수직으로 연장될 수 있다. 보강 지지 요소(70)는 선택적으로, 보강 지지 요소(70)의 측벽(76)의 단부로부터 각각 연장되는 제1 지지 아암(72) 및 제2 지지 아암(74)을 포함하고, 지지 아암 사이에 연결 섹션을 형성할 수 있다. 보강 지지 요소(70)는 제1 지지 벽(54), 제2 지지 벽(56), 상단 벽(34), 및 바닥 벽(36)의 총 두께보다 큰 두께를 가질 수 있다. 보강 지지 요소(70)의 두께는 사용되는 강성 요구조건 및 재료에 기초하여, 예를 들어 0.5 mm 내지 2.00 mm로 다양할 수 있다. 예를 들어, 보강 지지 요소(70)가 강을 포함하는 경우, 두께는 약 1.00 mm 이하일 수 있고, 보강 지지 요소(70)가 알루미늄을 포함하는 경우, 두께는 약 2.00 mm일 수 있다. 제2 폴리머 보강재(64)는 제1 지지 벽(54) 및/또는 제2 지지 벽(56)에 부착될 수 있다(예를 들어, 그 위에 오버몰딩 될 수 있다). 제2 폴리머 보강재(64)는 제1 지지 벽 및/또는 제2 지지 벽(54, 56)에 인접해 있을 수 있다. 또한, 제2 폴리머 보강재(64)는 각각 상단 벽 및/또는 바닥 벽(34, 36)에 인접해 있을 수 있고, 즉 제2 폴리머 보강재(64)는 상단 벽(34)과 제1 지지 벽(54) 사이에 형성된 코너, 및/또는 바닥 벽(36)과 제2 지지 벽(56) 사이에 형성된 코너에 제공될 수 있다. 제2 폴리머 보강재(64)는 프로파일형 본체(32)의 에너지 흡수 효율을 개선하는 것을 지원할 수 있는 부가적인 크러시 저항(crush resistance)을 제공할 수 있다. 제2 폴리머 보강재(64)의 두께는 1.5 mm 내지 4.00 mm로 다양할 수 있고, 제2 폴리머 보강재(64)는 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 제2 폴리머 보강재(64)는 전술한 바와 같이 폴리머 보강재(60)에 대해 전술된 바와 같은 기하학적 형상을 가질 수 있고, 채널(35) 내로 삽입된다. 폴리머 보강재(60) 및 제2 폴리머 보강재(64)의 기하학적 형상은 유사하거나 상이할 수 있다. 제2 폴리머 보강재(64)에 대해 구형파 기하학적 구조가 사용될 때, 제2 폴리머 보강재(64)의 교호하는 측벽 사이의 거리는 25 mm 내지 50 mm로 다양할 수 있고, 제2 폴리머 보강재(64)는 도 7a에 도시된 바와 같이 교호하는 상단 표면 및 바닥 표면을 포함할 수 있다. 교호하는 상단 표면 및 바닥 표면은 에너지 흡수 효율을 개선하는 것을 지원할 수 있는 부가적인 크러시 저항을 제공할 수 있다.
도 9는 사출 성형된 폴리머 보강재(60)가 압출된 프로파일형 본체(32) 내로 슬라이딩될 수 있는 구현예를 도시한다. 폴리머 보강재(60)는 채널(35)에서 연장될 리브 및/또는 포상 구조, 예를 들어, 벌집형을 포함할 수 있고, 측벽(42)과 후방 벽(40') 사이에서 연장될 더 짧은 리브를 추가로 포함한다. 이러한 구현예에서, 후방 벽(40')은 채널(35)의 단부로부터 연장되지만, 채널(35)을 가로질러 연장되지는 않는다. 다른 설계에서와 같이, 플랜지(52)는 채널(35)로부터 멀리 측벽(42)으로부터 연장된다.
도 10은 폴리머 보강재(60)가 (사이드 부재(30)의 길이에 수직인 것과는 대조적으로) 사이드 부재(30)의 길이에 걸쳐 연장되는 개구를 갖는 구현예를 도시한다. 이러한 설계에서, 폴리머 보강재(60)는 금속 또는 복합 라미네이트 또는 테이프로 제조된 프로파일형 본체(32)와 공압출될 수 있다. 대안적으로, 폴리머 보강재(60)는 개별적으로 형성되고 프로파일형 본체(32) 내로 삽입될 수 있다. 폴리머 보강재(60)는 프로파일형 본체(32)의 벽(34, 36)에 평행하게, 동시에 수직으로 연장되는 리브를 포함할 수 있다.
도 10의 설계에서, 후방 벽(40)은 존재하지 않는다. 제1 커넥터 벽(44)은 상단 벽(34)으로부터 측벽(42)까지 연장되고, 제2 커넥터 벽(46)은 바닥 벽(36)으로부터 측벽(42)까지 연장되며, 즉 커넥터 벽(44, 46)은 측벽(42)으로부터 채널(35)까지 연장되고, 따라서 프로파일형 본체(32)에서 박스 구조(예를 들어, 4면 박스 구조)를 형성한다. 제1 커넥터 벽(44) 및/또는 제2 커넥터 벽(46)은 측벽(42)으로부터 상단 벽 또는 바닥 벽까지 각각 90도 이하의 각도(θ)로, 예를 들어, 30 내지 75도, 바람직하게는 40 내지 50도의 각도로 연장될 수 있다.
실시예
미국 연방 자동차 안전 기준 214에 따른 30 킬로미터/시간(km/h)에서의 강체 기둥 충돌을, 도 5(실시예 1), 도 7a 내지 도 7c(실시예 2) 및 도 8a 및 도 8b(실시예 3)에 도시된 사이드 부재를 포함하는 차량 배터리 팩 프레임에 대해 수행하였다. 비교예는 폴리머 보강재(60)를 포함하지 않는 압출된 알루미늄 사이드 부재를 포함하였다. 비교예는 130 밀리미터(mm) x 25 mm의 부착 부분 및 145 mm x 60 mm의 돌출된 직사각형 섹션을 갖는 직사각형 채널을 포함하였다. 두께는 1 mm 내지 8 mm로 다양하였고, 부착 부분은 8 mm의 두께를 가졌다. 비교예는 그 안의 복수의 리브를 단일의 압출된 금속에 포함하였다. 비교예는 압출된 알루미늄 벽을 포함하였다. 전체 설계는 굽힘 강성을 제공하는 상단 수평 벽 및 에너지 흡수 벽에 초점을 맞춘 T자의 레그를 갖는 T-구조를 나타냈다. 실시예 1 내지 실시예 3의 전체 치수는 비교예의 치수에 상응하며, 실시예 1 내지 실시예 3의 부착 부분의 두께는 5 mm였다. 비교예의 압출된 알루미늄 사이드 부재의 중량은 각각 대략 15 킬로그램(kg)이었고, 실시예 1 내지 실시예 3에서 사이드 부재 각각은 대략 12 kg의 중량을 갖고, 따라서 대략 20%의 중량 감소를 제공하였다. 따라서, 1.5 톤 차량에 대해, 20% 중량 감소와 함께 배터리 모듈의 유사한 보호가 성취될 수 있다는 것을 입증하였다.
도 11 내지 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에서 사이드 부재는 비교예에 필적하는 침입을 나타냈다. 침입은 충돌 방향에 수직인 차량의 폭을 따라 측정된다. 특히, 도 11은 충돌 테스트 전의 비교예(#90) 및 실시예 1 내지 실시예 3(각각 92, 94, 96)을 나타내고, 도 12는 30 킬로미터/시간(km/h) 기둥 충돌 후의 비교예 및 실시예 1 내지 실시예 3의 최대 침입을 나타낸다. 도 13a 내지 도 13c는 도 8a 및 도 8b에 도시된 구현예에 대한 충돌 테스트의 점진적인 세부 사항을 도시한다. 특히, 도 13a는 강체 기둥(140)과의 충돌 시작 시의 폴리머 보강재(60)를 도시하고, 도 13b는 강체 기둥(140)과의 충돌 동안의 폴리머 보강재(60)를 도시하고, 도 13c는 강체 기둥(140)과의 충돌 종료 시의 폴리머 보강재(60)를 도시한다.
도 14는 충돌 테스트의 결과를 나타내는 비교예(라인 C) 및 실시예 1 내지 실시예 3(각각 라인 1, 2 및 3)에 대한 힘(킬로뉴턴(kN)) 대 침입(밀리미터(mm))의 그래프이다. 이들 테스트에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1은 비교예에 가장 필적하는 결과를 나타냈으며, 실질적으로 동일한 곡선 아래 면적을 나타냈다. 실시예 3은, 보다 낮은 곡선 아래 면적에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특히 100 mm 침입, 및 100 mm 초과의 침입 및 높은 힘 하에서 완전히 크러시되지 않았다. 실시예 3은, (4면) 개구를 형성하기 위해 상단 벽, 바닥 벽, 및 이들 사이에서 연장되는 리브가 존재하는 폴리머 보강재(60)의 설계를 갖고, 리브 및 개구는 충돌 방향으로(예를 들어, 보강 지지 요소(70)의 측벽(76)으로부터 멀리) 연장된다.
다양한 저온, 즉 섭씨 0도 미만에서 XENOY™(SABIC에 의해 판매되는 PC/PBT 블렌드)(실시예 4) 또는 30 중량%의 장유리 섬유를 갖는 STAMAX™(SABIC에 의해 판매되는 장유리 섬유 충전된 폴리프로필렌)(실시예 5)로 제조된 폴리머 보강재(60)를 갖는 사이드 부재 상에서 추가의 테스트를 수행하였다. 실시예 4(도 15a) 및 실시예 5(도 16a)에 대한 힘(킬로뉴턴(kN)) 대 침입(밀리미터(mm))의 그래프는 저온 충돌 테스트의 결과를 나타낸다.
도 15a는 XENOY™ 보강재의 경우, 곡선 아래 면적이 섭씨 영하 10도(테스트 12), 섭씨 영하 20도(테스트 13) 및 섭씨 영하 30도(테스트 14)의 온도에 대해 거의 유사함을 나타낸다. 유사한 거동을 도 15b의 칼럼에서 볼 수 있고, 여기서 흡수된 에너지의 양을 나타내는 칼럼은 섭씨 영하 10도, 섭씨 영하 20도 및 섭씨 영하 30도에서 거의 동등하거나 적어도 현저하게 변하지 않는다. 도 15b의 섭씨 영하 40도에서의 테스트(테스트 15)의 곡선 및 칼럼은 XENOY™ 보강재가, 고온에서와 마찬가지로 유사한 양의 에너지를 흡수할 수 없음을 나타낸다. 이는 섭씨 영하 30도 미만의 XENOY™ 재료의 취화로 인한 것이며, 섭씨 영하 40도에서 XENOY™ 보강재의 전체 파손을 야기한다.
도 16a는 STAMAX™ 보강재의 경우, 곡선 아래 면적이 섭씨 영하 10도, 섭씨 영하 20도, 섭씨 영하 30도 및 영하 40도의 온도에 대해 거의 유사함을 나타낸다. 유사한 거동을 도 16b의 칼럼에서 볼 수 있고, 여기서 흡수된 에너지의 양을 나타내는 칼럼은 섭씨 영하 10도(테스트 37), 섭씨 영하 20도(테스트 40), 섭씨 영하 30도(테스트 41) 및 섭씨 영하 40도(테스트 27)에서 거의 동등하거나 적어도 현저하게 변하지 않는다. 이와 같이, STAMAX™ 보강재(60)는 각각의 테스트된 저온에서 안정된 성능을 가지며, 섭씨 영하 40도에서 취성이 되지 않는다. 또한, 최대 하중 대 침입, 및 XENOY™ 및 STAMAX™ 둘 모두에 대해 흡수된 에너지의 총량을 비교할 때, STAMAX™ 보강재는 동일한 온도에서 더 많은 에너지를 흡수하고 더 높은 하중을 흡수하는 능력을 나타낸다.
이러한 개시는 하기 양태를 추가로 포함한다.
양태 1. 차량용 차량 배터리 팩 프레임으로서, 길이 및 폭을 갖는 베이스; 베이스의 양측 상에 있고, 베이스의 길이를 따라 연장되고, 베이스의 주변부에 부착되는 사이드 부재; 및 사이드 부재 사이에서, 베이스의 폭을 가로질러 연장되는 크로스빔을 포함하고; 사이드 부재 각각은 크로스 빔을 향하는 제1 표면 및 반대쪽의 제2 표면을 갖는 측벽을 포함하는 프로파일형 본체; 및 프로파일형 본체에 부착되고 프로파일형 본체의 측벽의 제2 표면을 향하는 폴리머 보강재를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 2: 차량용 차량 배터리 팩 프레임으로서, 길이 및 폭을 갖는 베이스; 베이스의 양측 상에 있고, 베이스의 길이를 따라 연장되고, 베이스의 주변부에 부착되는 사이드 부재; 사이드 부재 사이에서, 베이스의 폭을 가로질러 연장되는 크로스빔; 및 사이드 부재 사이에서 연장되는 커버를 포함하고, 크로스빔은 커버와 베이스 사이에 배치되고, 바람직하게는 커버는 차량 배터리 팩 프레임에서 복수의 배터리 모듈을 에워싸도록 구성되고; 사이드 부재는 크로스빔을 부착하기 위한 부착 표면을 갖는 프로파일형 본체; 및 프로파일형 본체의 부착 표면의 반대쪽에 위치하는 폴리머 보강재를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 3: 차량용 차량 배터리 팩 프레임으로서, 길이 방향으로 길이 및 폭 방향으로 폭을 갖는 베이스; 베이스의 양측 상에 있고, 베이스의 길이를 따라 연장되고, 베이스의 주변부에 부착되는 사이드 부재; 사이드 부재 사이에서, 베이스의 폭을 가로질러 연장되는 크로스 빔; 및 사이드 부재 사이에서 연장되는 커버를 포함하고, 크로스 빔은 커버와 베이스 사이에 배치되고, 바람직하게는 커버는 차량 배터리 팩 프레임에서 복수의 배터리 모듈을 에워싸도록 구성되고; 사이드 부재 각각은 크로스 빔이 부착되는 프레임; 및 크로스 빔이 부착되는 프레임의 표면의 반대쪽에 위치하는 폴리머 보강재를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 4. 차량용 차량 배터리 팩 프레임으로서, 길이 및 폭을 갖는 베이스; 베이스의 양측 상에 있고, 베이스의 길이를 따라 연장되고, 베이스의 주변부에 부착되는 사이드 부재; 사이드 부재 사이에서, 베이스의 폭을 가로질러 연장되는 크로스빔; 및 사이드 부재 사이에서 연장되는 커버를 포함하고, 크로스빔은 커버와 베이스 사이에 배치되고, 바람직하게는 커버는 차량 배터리 팩 프레임에서 복수의 배터리 모듈을 에워싸도록 구성되고; 사이드 부재 각각은, 제1 측으로부터 연장되는 플랜지, 및 제2 측 상의 채널을 갖는 프로파일형 본체로서, 베이스는 사이드 부재 사이에서 그리고 플랜지에 걸쳐 연장되는, 프로파일형 본체; 및 채널에 위치하는 폴리머 보강재를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 5. 양태 1 내지 양태 4 중 어느 하나에 있어서, 사이드 부재 사이에서 연장되는 커버를 추가로 포함하고, 크로스빔은 커버와 베이스 사이에 배치되고, 바람직하게는, 베이스, 사이드 부재 및 커버는 차량 배터리 팩 프레임에서 복수의 배터리 모듈을 에워싸는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 6: 양태 1 내지 양태 5 중 어느 하나에 있어서, 폴리머 보강재는 측벽의 제2 표면에 인접해 있는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 7: 양태 1 내지 양태 6 중 어느 하나에 있어서, 폴리머 보강재는 크로스빔이 부착되는 프로파일형 본체의 표면과 접촉하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 8. 양태 1 내지 양태 7 중 어느 하나에 있어서, 프로파일형 본체는 금속, 바람직하게는 알루미늄 또는 강, 보다 바람직하게는 알루미늄을 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 9. 양태 1 내지 양태 8 중 어느 하나에 있어서, 사이드 부재 각각은 프로파일형 본체에 오버몰딩된 폴리머 보강재를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 10. 양태 1 내지 양태 9 중 어느 하나에 있어서, 폴리머 보강재는 크로스빔으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 리브를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 11. 양태 1 내지 양태 10 중 어느 하나에 있어서, 폴리머 보강재의 강성은 프로파일형 본체의 강성보다 작은, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 12. 양태 1 내지 양태 11 중 어느 하나에 있어서, 폴리머 보강재는 폼, 포상 구조, 예를 들어, 벌집형, 리브, 또는 상기 설명된 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 13. 양태 1 내지 양태 12 중 어느 하나에 있어서, 포상 구조의 칼럼은 20 내지 40 밀리미터의 가변 직경, 및 1.5 내지 5.0 밀리미터의 벽 두께를 갖는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 14. 양태 1 내지 양태 13 중 어느 하나에 있어서, 사이드 부재는, 각각의 폴리머 보강재가 미국 연방 자동차 안전 기준 214에 따라 30 킬로미터/시간에서 강체 기둥 충돌 동안 충돌 에너지를 흡수하여 각각의 프로파일형 본체 및 차량 배터리 팩 프레임이 강체 기둥 충돌 이후에 구조적 무결성을 유지하도록 구성되는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 15: 양태 1 내지 양태 14 중 어느 하나에 있어서, 프로파일형 본체는 크로스 빔으로부터 멀리 연장되는 채널을 포함하고; 폴리머 보강재는 채널에 배치되는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 16. 양태 1 내지 양태 15 중 어느 하나에 있어서, 프로파일형 본체는 크로스빔이 부착되는 프로파일형 본체의 표면의 반대쪽에 있는 채널을 포함하고; 폴리머 보강재는 채널에 있는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 17. 양태 1 내지 양태 16 중 어느 하나에 있어서, 프로파일형 본체는 채널에 인접한 박스 구조를 포함하고, 박스 구조는 채널로부터 이격된 측벽을 포함하고, 박스 구조는 측벽과 채널의 상단 벽 사이에서 연장되는 제1 커넥터 벽, 및 측벽과 채널의 바닥 벽 사이에서 연장되는 제2 커넥터 벽에 의해 형성되는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 18. 양태 17에 있어서, 박스 구조는 측벽, 커넥터 벽, 및 채널의 후방 벽에 의해 형성되거나, 박스 구조는 채널로 통하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 19. 양태 17 또는 양태 18에 있어서, 측벽은 채널의 높이보다 높고/높거나, 후방 벽의 높이보다 높은 높이를 갖고, 그에 따라 박스 구조의 높이는 채널의 높이보다 큰, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 20. 양태 17 내지 양태 19 중 어느 하나에 있어서, 제1 커넥터 벽 및 제2 커넥터 벽은 측벽으로부터 채널을 향해 90도 이하의 각도(θ)로, 바람직하게는 30 내지 75도, 바람직하게는 40 내지 50도의 각도로 연장되는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 21. 양태 1 내지 양태 16 중 어느 하나에 있어서, 프로파일형 본체는 상단 벽, 바닥 벽(이들 사이에 채널이 형성됨), 및 상단 벽과 바닥 벽 사이에서 연장되는 보강 지지 요소를 포함하고, 제1 지지 벽은 채널로부터 멀리 상단 벽으로부터 연장되고, 제2 지지 벽은 채널로부터 멀리 바닥 벽으로부터 연장되고, 보강 지지 요소는 제1 지지 벽 및 제2 지지 벽의 위치에 제공되는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 22. 양태 21에 있어서, 제2 폴리머 보강재는 각각 제1 지지 벽 및/또는 제2 지지 벽에, 바람직하게는 제1 지지 벽 및/또는 제2 지지 벽에 인접하게, 그리고/또는 상단 벽 및/또는 바닥 벽에 인접하게 부착되는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 23. 양태 1 내지 양태 22 중 어느 하나에 있어서, 폴리머 보강재는 채널의 종축에 수직으로 배향된 칼럼을 갖는 포상 구조를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 24. 양태 1 내지 양태 23 중 어느 하나에 있어서, 보강 구조는 채널의 장축에 수직으로 배향된 벌집형을 포함하고, 채널의 장축은 길이 방향인, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 25. 양태 1 내지 양태 24 중 어느 하나에 있어서, 사이드 부재는 1 미터 초과 내지 3 미터, 바람직하게는 1.5 미터 내지 2.0 미터의 길이를 갖는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 26. 양태 1 내지 양태 25 중 어느 하나에 있어서, 각각의 프로파일형 본체는 플랜지를 추가로 포함하고; 한 사이드 부재의 플랜지는 측벽으로부터 다른 사이드 부재의 플랜지를 향해 연장되고; 베이스는 사이드 부재 사이에서 연장되고, 각각의 사이드 부재의 플랜지 상에 배치되는, 차량 배터리 팩 프레임.
양태 27. 양태 1 내지 양태 26 중 어느 하나에 따른 차량 배터리 팩 프레임; 및 차량 배터리 팩 프레임 내에 복수의 배터리 모듈을 포함하는, 차량 배터리 팩 조립체.
양태 28. 양태 27에 따른 차량 배터리 팩 조립체를 포함하는 차량.
양태 29. 양태 1 내지 양태 26 중 어느 하나에 따른 차량 배터리 팩 프레임을 형성하는 방법으로서, 사이드 부재를 형성하기 위해 폴리머 보강재와 프로파일형 본체를 조합하는 단계; 및 크로스빔 및 프로파일형 본체를 서로 부착시키는 단계를 포함하는, 방법.
양태 30. 양태 29에 있어서, 크로스빔이 부착되는 프로파일형 본체의 표면의 반대쪽에 있는 채널에 폴리머 보강재(60)를 사출 성형하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 31. 양태 29 또는 양태 30에 있어서, 폴리머 보강재(60) 및 프로파일형 본체를 공압출하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 32. 양태 29 내지 양태 31 중 어느 하나에 있어서, 폴리머 보강재(60)를 성형하는 단계; 시트 금속을 압출 또는 스탬핑함으로써 프로파일형 본체를 형성하는 단계; 및 폴리머 보강재(60)를 프로파일형 본체에 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "배터리 모듈"은 리튬 이온(예를 들어, 리튬 인산철, 리튬 코발트 산화물, 다른 리튬 금속 산화물 등), 리튬 이온 폴리머, 니켈 금속 수소화물, 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 니켈 아연, 은 아연, 또는 다른 배터리 타입/구성을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 상이한 배터리 타입, 화학적 성질 및 구성 중 임의의 것을 지칭할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "배터리 팩"은 단일 피스 또는 멀티 피스 하우징 내에 수용된 다수의 개별적인 배터리 모듈을 지칭하며, 개별적인 배터리 모듈은 전기적으로 상호연결되어, 특정 적용에 대해 원하는 전압 및 용량을 달성한다.
조성물, 방법, 및 물품은 본원에 개시된 임의의 적절한 구성요소 또는 단계를 대안적으로 포함하거나, 이로 이루어지거나, 이로 본질적으로 이루어질 수 있다. 조성물, 방법, 및 물품은 추가적으로 또는 대안적으로, 조성물, 방법, 및 물품의 기능 또는 목적의 달성을 달리 필요로 하지 않는 임의의 단계, 구성요소, 재료, 성분, 애주번트, 또는 종이 결여되거나 실질적으로 존재하지 않도록 배합될 수 있다.
본원에 개시된 모든 범위는 종점을 포함하며, 종점은 독립적으로 서로 조합 가능하다(예를 들어, "최대 25 중량%, 또는 보다 구체적으로 5 중량% 내지 20 중량%"의 범위는 "5 중량% 내지 25 중량%" 범위의 종점 및 모든 중간값 등을 포함함). "조합"은 블렌드, 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. 단수 용어("a" 및 "an" 및 "the")는 본원에서 달리 명시하지 않거나 문맥에 의해 명확하게 모순되지 않는 한, 수량의 한계를 나타내지 않고, 단수 및 복수 둘 모두를 망라하는 것으로 해석되어야 한다. 달리 명확하게 기술하지 않는 한, "또는"은 "및/또는"을 의미한다. 명세서 전반에 걸쳐 "구현예"에 대한 언급은 구현예와 관련하여 기술된 특정 요소가 본원에 기술된 적어도 하나의 구현예에 포함되어 있고, 다른 구현예에 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 기술된 요소는 다양한 구현예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본원에서 상반되게 명시하지 않는 한, 모든 테스트 표준은 본 출원의 출원일, 또는 우선권이 주장되는 경우 테스트 표준이 등장한 가장 빠른 우선권 출원의 출원일 부로 유효한 가장 최근의 표준이다.
달리 규정하지 않는 한, 본원에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 본 출원이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 인용된 모든 특허, 특허 출원, 및 다른 참고 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 그러나, 포함된 참고 문헌의 용어와 본 출원의 용어가 모순되거나 상충되는 경우, 포함된 참고 문헌의 상충되는 용어보다 본 출원의 용어가 우선한다.
특정 구현예가 기술되었지만, 현재 예측되지 않거나 예측되지 않을 수 있는 대안, 수정, 변형, 개선, 및 실질적인 등가물이 출원인 또는 여타 당업자에게 발생할 수 있다. 이에 따라, 출원되고 보정될 수 있는 첨부된 청구범위는 이러한 모든 대안, 수정 변형, 개선, 및 실질적인 등가물을 포함하도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 차량용 차량 배터리 팩 프레임(11)으로서,
    길이 및 폭을 갖는 베이스(14);
    베이스의 양측 상에 있고, 베이스의 길이를 따라 연장되고, 베이스의 주변부에 부착되는 사이드 부재(30); 및
    사이드 부재 사이에서, 베이스의 폭을 가로질러 연장되는 다수의 크로스빔(16)을 포함하고;
    사이드 부재 각각은
    크로스 빔을 향하는 제1 표면 및 반대쪽의 제2 표면을 갖는 측벽(42)을 포함하는 프로파일형 본체(32); 및
    프로파일형 본체에 부착되고 프로파일형 본체의 측벽의 제2 표면을 향하는 폴리머 보강재(60)를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
  2. 제1항에 있어서, 사이드 부재 사이에서 연장되는 커버(20)를 추가로 포함하고, 크로스빔은 커버와 베이스 사이에 배치되고, 바람직하게는, 베이스, 사이드 부재 및 커버는 차량 배터리 팩 프레임에서 복수의 배터리 모듈을 에워싸는, 차량 배터리 팩 프레임.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폴리머 보강재는 측벽의 제2 표면에 인접해 있는, 차량 배터리 팩 프레임.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 프로파일형 본체는 크로스 빔으로부터 멀리 연장되는 채널(35)을 포함하고, 채널은 상단 벽(34) 및 바닥 벽(36)을 포함하고 채널은 그 사이에 존재하고; 폴리머 보강재는 채널에 배치되는, 차량 배터리 팩 프레임.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 프로파일형 본체는 채널에 인접한 박스 구조(38)를 포함하고, 박스 구조는 채널로부터 이격된 측벽(42), 및 측벽(42)과 채널의 상단 벽 사이에서 연장되는 제1 커넥터 벽(44), 및 측벽과 채널의 바닥 벽 사이에서 연장되는 제2 커넥터 벽(46)에 의해 형성되는, 차량 배터리 팩 프레임.
  6. 제4항에 있어서, 박스 구조는 측벽, 커넥터 벽, 및 채널의 후방 벽(40)에 의해 형성되거나, 후방 벽은 상단 벽과 바닥 벽 사이에서 연장되거나; 박스 구조는 채널로 통하는, 차량 배터리 팩 프레임.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 측벽은 채널의 높이보다 높고/높거나, 후방 벽의 높이보다 높은 높이를 갖고, 그에 따라 박스 구조의 높이는 채널의 높이보다 큰, 차량 배터리 팩 프레임.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 커넥터 벽 및 제2 커넥터 벽은 측벽으로부터 채널을 향해 90도 이하의 각도(θ)로, 바람직하게는 30 내지 75도, 바람직하게는 40 내지 50도의 각도로 연장되는, 차량 배터리 팩 프레임.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 프로파일형 본체는 상단 벽(34), 바닥 벽(36)(이들 사이에 채널(35)이 형성됨), 및 상단 벽과 바닥 벽 사이에서 연장되는 보강 지지 요소(70)를 포함하고, 제1 지지 벽(54)은 채널로부터 멀리 상단 벽으로부터 연장되고, 제2 지지 벽(56)은 채널로부터 멀리 바닥 벽으로부터 연장되고, 보강 지지 요소는 제1 지지 벽 및 제2 지지 벽의 위치에 제공되는, 차량 배터리 팩 프레임.
  10. 제9항에 있어서, 제2 폴리머 보강재(64)는 각각 제1 지지 벽(54) 및/또는 제2 지지 벽(56)에, 바람직하게는 제1 지지 벽(54) 및/또는 제2 지지 벽(56)에 인접하게, 그리고/또는 상단 벽(34) 및/또는 바닥 벽(36)에 인접하게 부착되는, 차량 배터리 팩 프레임.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 프로파일형 본체는 플랜지(52)를 추가로 포함하고;
    한 사이드 부재의 플랜지는 측벽으로부터 다른 사이드 부재의 플랜지를 향해 연장되고;
    베이스는 사이드 부재 사이에서 연장되고, 각각의 사이드 부재의 플랜지 상에 배치되는, 차량 배터리 팩 프레임.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리머 보강재는 채널의 종축에 수직으로 배향된 칼럼(33)을 갖는 포상(alveolar) 구조를 포함하는, 차량 배터리 팩 프레임.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 차량 배터리 팩 프레임(11); 및
    차량 배터리 팩 프레임 내에 복수의 배터리 모듈(12)을 포함하는, 차량 배터리 팩 조립체(10).
  14. 제12항에 따른 차량 배터리 팩 조립체를 포함하는 차량.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 차량 배터리 팩 프레임(11)을 형성하는 방법으로서,
    사이드 부재(30)를 형성하기 위해 폴리머 보강재(60)와 프로파일형 본체(32)를 조합하는 단계; 및
    크로스 빔(16) 및 프로파일형 본체를 서로 부착시키는 단계를 포함하는, 방법.
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