WO2023198396A1 - Faserverbundbauteil und verfahren zur verortung einer verformung in einem faserverbundbauteil - Google Patents

Faserverbundbauteil und verfahren zur verortung einer verformung in einem faserverbundbauteil Download PDF

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WO2023198396A1
WO2023198396A1 PCT/EP2023/056705 EP2023056705W WO2023198396A1 WO 2023198396 A1 WO2023198396 A1 WO 2023198396A1 EP 2023056705 W EP2023056705 W EP 2023056705W WO 2023198396 A1 WO2023198396 A1 WO 2023198396A1
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sensor
composite component
fiber composite
deformation
motor vehicle
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PCT/EP2023/056705
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Julius Rausch
Oliver Stoll
Frieder Uerlings
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Audi Ag
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    • B62D25/00—Superstructure or monocoque structure sub-units; Parts or details thereof not otherwise provided for
    • B62D25/20—Floors or bottom sub-units
    • B62D25/2072—Floor protection, e.g. from corrosion or scratching

Definitions

  • the invention relates to a fiber composite component for a motor vehicle.
  • the invention also relates to an underbody element for a motor vehicle with such a fiber composite component and to a motor vehicle with such a fiber composite component.
  • the invention also relates to a method for locating a deformation in such a fiber composite component.
  • a motor vehicle that is designed for at least partially electric driving has a drive battery, which can alternatively be referred to as a traction battery.
  • the drive battery typically has several battery cells and can be arranged in a floor area of the motor vehicle.
  • this arrangement of the drive battery in the motor vehicle means that the drive battery can be damaged directly if a force is applied from below, for example a shock.
  • an underbody element can be provided for the drive battery, which is designed, for example, as an underrun protection. The underbody element ensures that the drive battery does not experience any direct force from the environment of the motor vehicle, but is protected by the underbody element.
  • damage to the drive battery can still occur, for example if an impact against the underbody element is so force-intensive that both the underbody element and, for example, a housing of the drive battery and/or the battery cells in the drive battery are damaged. Such damage can be referred to, for example, as intrusion of the drive battery. This can occur Intrusion of the drive battery, for example when the motor vehicle touches down when crossing a bollard.
  • a location indication which, when a force is applied to the underbody element and/or the drive battery, in particular in the event of an intrusion, indicates, for example, an area where the force was applied.
  • a part of the battery cells of the drive battery that is arranged in spatial proximity to the location of the intrusion can be specifically deactivated. A precise localization of any damage that may have occurred as a result of the force can therefore be quite interesting.
  • EP 3 901 010 A1 shows a structural component for a vehicle body that has a structural element and a sensor arrangement.
  • the sensor arrangement is connected to the structural element and comprises at least one optical waveguide.
  • the DE 102018 129 158 A1 shows a safety device for a battery, the safety device having an underbody part for a vehicle and several sensors arranged next to one another.
  • the sensors can detect a deformation of the underbody part and determine the location of the deformation of the underbody part with spatial resolution.
  • the DE 102017 206 663 A1 shows a battery pack with several deformation sensors which are arranged in separate segments of a protective plate of the battery pack.
  • a first aspect of the invention relates to a fiber composite component for a motor vehicle.
  • the fiber composite component can be designed, for example, as an underbody element for a motor vehicle.
  • the fiber composite component comprises several sensor devices, each of which has at least one electrically conductive sensor wire.
  • the at least one electrically conductive sensor wire is integrated into a flat carrier medium.
  • the carrier medium can alternatively be referred to as a carrier material or carrier layer.
  • the carrier medium can, for example, be designed as a flat element on which the at least one sensor wire is evenly distributed at least in a partial area of the entire surface of the carrier medium and covers it.
  • a wire material of the sensor wire can be applied to a flat textile semi-finished product as a flat carrier medium.
  • the carrier medium can be referred to as a textile material.
  • the carrier medium can be designed as a film, for example made of plastic, onto which the sensor wire is printed.
  • the carrier medium can serve as a carrier structure that can facilitate attachment of the sensor wire in the fiber composite component.
  • the fiber composite component can, for example, be made from several layers of the flat carrier medium. As a result, a particularly high strength of the fiber composite component can be achieved.
  • the sensor wire is, for example, at least partially made of metal, in particular of a carbon fiber or a metal-coated plastic filament.
  • the sensor wire can be a pure metal wire.
  • the sensor wire can be made at least in part from an alloy of copper, nickel and manganese, for example from constants with a copper content of 55 percent, a nickel content of 44 percent and a manganese content of 1 percent.
  • the sensor wire of the respective sensor device can, for example, be arranged in a meandering shape within the flat carrier medium. So the sensor wire can for example, in several bends and thus run in a serpentine manner.
  • the at least one sensor wire is connected to a voltage detection device of the control device.
  • the voltage detection device can be designed, for example, as a voltmeter, that is, as a measuring device for detecting voltage data.
  • the sensor wire of the respective sensor device is designed, for example, as a simple loop, that is, the entire sensor wire of the respective sensor device forms, for example, a rectangle, a square, an oval or a circle, with the rectangle, the square, the oval or the Circle the voltage detection device is integrated.
  • Each of the sensor devices is designed to detect voltage data that describes a voltage applied to the sensor wire and to determine a deformation of the sensor wire depending on a change in the detected voltage data for the respective sensor device.
  • a current at a predetermined voltage flows through the sensor wire, with deformation of the sensor wire leading to a change in the voltage. If a change in the detected voltage is detected, it can therefore be concluded that the deformation of the fiber composite component in the area of the sensor wire of the sensor device for which the change in voltage was observed was observed.
  • the change in the voltage data is observed, for example, during an intrusion of a drive battery of a motor vehicle if the fiber composite component is arranged, for example, between the surroundings of the motor vehicle and the drive battery.
  • the voltage data can be recorded using the voltage detection device.
  • the evaluation of the voltage data can also be done by means of the voltage detection device and/or by means of a control device of the fiber composite component.
  • the control device of the fiber composite component can be a control device of the motor vehicle in which the fiber composite component is arranged.
  • the fiber composite component has two sensor layers that are spatially separated from one another in a vertical direction and each have at least two of the sensor devices. Each of the sensor layers has at least two of the sensor devices, which are arranged next to one another in a transverse direction to the vertical direction.
  • the transverse direction to the vertical direction is, for example, a longitudinal direction and/or a width direction of the fiber composite component.
  • the flat carrier medium extends over the longitudinal direction and the width direction of the fiber composite component and has a small height in the vertical direction in comparison.
  • the multiple sensor devices are therefore not only arranged distributed over the surface of the fiber composite component, but also over its height.
  • the sensor devices are namely distributed over at least two layers arranged one above the other in the vertical direction.
  • Each sensor layer with the multiple sensor devices can be integrated into a common flat textile element.
  • a main extension direction of the sensor wires of the sensor devices of the two sensor layers are arranged crossing each other.
  • the main extension directions of the two sensor layers can be arranged perpendicular to one another.
  • the main extension direction of the respective sensor wires can be oriented in the longitudinal direction
  • the main extension direction of the sensor wires arranged there is oriented in the width direction. This then causes the sensor wires to cross each other.
  • the main extension directions of the sensor wires intersect in such a way that they are arranged perpendicular to one another.
  • the main extension directions of the sensor wires are arranged only essentially perpendicular to one another, that is to say are arranged at an angle to one another between 80 degrees and 100 degrees, 85 degrees and 95 degrees, in particular 89 degrees and 91 degrees.
  • the main direction of extension is the direction in which a large proportion of the sensor wire is directed.
  • a grid or grid can be formed from sensor wires crossing at a distance from one another. If the main extension directions merely intersect, there can be, for example, an angle of greater than 0° and less than 90° between the main extension directions of the first sensor layer and the main extension directions of the second sensor layer.
  • the sensor wires of the various sensor devices and sensor layers do not touch each other directly because the two sensor layers are spatially separated from one another. There is therefore a distance between the two sensor layers that is greater than zero.
  • the distance can, for example, be filled with a filling material, such as an intermediate textile layer.
  • the fiber composite component is designed to provide location data for the respective control device for which the deformation of the sensor wire was determined.
  • the location data describes a location of the sensor device in the fiber composite component.
  • Each individual sensor device is assigned a specific location in the fiber composite component, which is provided in advance, for example, to the voltage detection device.
  • the location data can be stored in a storage unit of the voltage detection device and/or the control device. Depending on which sensor device of the several sensor devices, which are arranged next to each other in different sensor layers and in the transverse direction, a change in detected voltage data is detected, the corresponding location data is made available. It is envisaged that the corresponding location information, which is described by the location data, is provided only for the sensor device for which the change in the detected voltage data was detected.
  • the fiber composite component can be used A location of damage to a component of a motor vehicle, namely the fiber composite component in the motor vehicle, can be reliably determined.
  • the fiber composite component is designed to check whether the detected change in the recorded voltage data in at least one of the sensor devices is greater than a change limit value.
  • the check can be carried out, for example, by means of an evaluation device and/or by means of the voltage detection device of the respective sensor device.
  • the detected changes in the recorded change data can be provided in the form of change data which describe the detected change in the voltage data and thus the applied voltage.
  • the change limit is a predetermined value. Depending on where the fiber composite component was installed in the motor vehicle, a different change limit may be specified. If the fiber composite component is designed as an underbody element of the motor vehicle, if the change limit value is exceeded, it can be concluded that the drive battery is intruding, which is arranged above the underbody element in the vertical direction.
  • a warning message is only generated if the detected change in the recorded voltage data is greater than the change limit value.
  • the fiber composite component is generally designed to generate the warning message if the detected change in the recorded voltage data is greater than the change limit value.
  • the Warning message can be, for example, an acoustic and/or visual message that is issued, for example, in the motor vehicle.
  • the warning message can therefore be output, for example, by means of a loudspeaker device in the motor vehicle, which comprises at least one loudspeaker, and/or by means of a display device in the motor vehicle, which comprises at least one screen, for example a touch-sensitive screen.
  • the warning message can include, for example, text, symbols and/or warning lights.
  • the alert may include location data. It can therefore be specified exactly where the force on the fiber composite component was recorded.
  • the fiber composite component is designed to provide the location data associated with the sensor device in which the detected change is greater than the change limit value only if the detected change in the detected voltage data is greater than the change limit value. This reliably ensures that an actual localization of the force effect only takes place and/or information is passed on to an occupant by means of the warning message if an expected effect of the force effect is sufficiently large because the change limit value has been exceeded. This avoids the occupant, for example a driver, being informed about every small impact against the fiber composite component, the effect of which only leads to a change in tension that is smaller than the change limit, and the location of the small impact in the fiber composite component, which he may consider as could be perceived as disturbing and unnecessary.
  • each of the sensor devices extends over a portion of a surface of the fiber composite component that is arranged perpendicular to the vertical direction.
  • the location data describing the location of the respective sensor device describes this subarea. For example, if there are two sensor devices arranged next to one another in a sensor layer, each of the sensor devices has a partial area which essentially comprises half of the entire area of the fiber composite component if the two sensor devices are at least approximately the same size. This makes it possible for the surface of the fiber composite component to be divided, for example in the longitudinal direction, into several sections of equal size, for example, and for one of the sensor devices to be arranged in each of the several sections. The section then represents the partial area.
  • a subdivision into several partial areas can be provided in the other sensor layer, so that the several adjacent sensor devices are assigned to respective fixed partial areas there too. It is preferably provided that the partial areas are approximately the same size.
  • the multiple subareas can be designated, for example, using numbers and/or letters.
  • the at least two sensor devices, which are arranged next to one another in the longitudinal direction in the first sensor layer lie in the partial areas 1 and 2, and the at least two sensor devices, which are arranged next to one another in the width direction in the other sensor layer, in the sub-areas A and B.
  • each sensor device is assigned the predetermined sub-area that describes the location of the respective sub-area.
  • the location data that describes the sub-area can be specified as coordinates, for example as coordinates of an edge area of the sub-area and/or a center point of the sub-area.
  • the partial area of each sensor device that is arranged in one of the two sensor layers overlaps with the partial areas of the at least two sensor devices that are arranged in the other sensor layer. Because the main extension directions of the sensor wires of the sensor devices cross each other in different sensor layers and, for example, are arranged perpendicular to one another, it is achieved that the partial areas of the individual sensor devices in different sensor layers also overlap at least in some areas.
  • the fiber composite component is designed to determine overlap data if the location data has been determined for at least one sensor device in both sensor layers.
  • the overlap data describes an overlap area of the partial areas of the sensor devices for which the location data was determined.
  • precise localization can be carried out in the grid or lattice-shaped structure made up of several sensor devices in the two sensor layers, since the actual location at which the deformation of the sensor wire occurs, for example due to a local impact, can be determined based on the partial areas assigned to the sensor devices in the different sensor layers occurred can be clearly determined. It can therefore be determined, for example, that location data was determined for the partial area 2 in the longitudinal direction and for the partial area C in the width direction, since the deformation of the sensor wire was determined for the sensor devices there.
  • the overlap data can therefore describe an area 2C of the fiber composite component, where the sub-area 2 overlaps with the sub-area C.
  • the overlap data is determined only for the overlap area that is assigned to the sensor devices in which the detected change in the recorded voltage data assumes the largest value compared to all sensor devices of the fiber composite component. Ultimately, this allows the determination of the location of the damage to the drive battery to be identified particularly reliably, since the overlap areas enable an exact location to be specified.
  • An additional exemplary embodiment provides that an intermediate textile layer made of the flat carrier medium is arranged between the two sensor layers.
  • the carrier medium is insulating Material so that no electrical energy can be transmitted through the intermediate textile layer between the sensor wires of the sensor device of the two sensor layers.
  • the carrier medium of the intermediate textile layer can differ in terms of material from the carrier medium of the sensor layer, that is, from the carrier medium into which the respective sensor wire is integrated.
  • the intermediate textile layer and the carrier medium of the sensor layer can be made of the same material. This ensures that each sensor layer can record and evaluate the respective voltage data and thus the deformations of the sensor wire can be reliably determined separately for both sensor layers.
  • one embodiment provides that at least one further textile layer made of the flat carrier medium adjoins a side of the respective sensor layer facing away from the intermediate textile layer.
  • the carrier medium of the further textile layer can differ in terms of material from the carrier medium of the sensor layer, that is, from the carrier medium into which the respective sensor wire is integrated.
  • the further textile layer and the carrier medium of the sensor layer can be made of the same material.
  • at least five layers are provided in the fiber composite component.
  • a textile layer is initially arranged at the top, followed by, for example, the first sensor layer, followed by the intermediate layer, followed by the second sensor layer and finally followed by a lower textile layer.
  • Further textile layers and/or differently designed layers can also adjoin the upper textile layer and/or the lower textile layer, so that overall the fiber composite component can be of any thickness.
  • the two sensor layers are located in an edge region of the fiber composite component when viewed in the vertical direction.
  • the upper textile layer can represent an outer textile layer of the fiber composite component, whereas further additional textile layers can adjoin the lower textile layer.
  • the lower one Textile layer then does not represent an outer textile layer of the fiber composite component in the vertical direction.
  • the edge region is preferably located adjacent to the drive battery. This ensures that the shocks actually acting on, for example, the drive battery can always be recorded and located.
  • the sensor wire is designed to change an electrical resistance when deformed. This means that the change in voltage and thus the deformation of the sensor wire is detected when the sensor wire changes its electrical resistance.
  • the sensor wire is, for example, made of a metal, such as constants, which can change its length and/or thickness when deformed.
  • the sensor wire can break in the event of a strong deformation, for example, in which case the change in voltage is then detected by the fact that current suddenly no longer flows through the sensor wire.
  • the deformation is a force-induced deformation.
  • an external force is applied to the fiber composite component with the integrated sensor wires, which leads to a mechanical deformation of the sensor wire, which can be elastic and/or plastic.
  • the deformation can be temperature-induced.
  • the sensor wires are made of a material that measurably deforms when the temperature changes.
  • the material is preferably chosen such that only strong temperature changes of, for example, at least 100 Kelvin, in particular at least 500 Kelvin, lead to a measurable deformation, for example in which the change limit value is exceeded.
  • An alloy of copper, nickel and manganese, for example, is suitable as such a material. such as Constantan.
  • the change limit value is selected as a function of time, so that, for example, only rapid temperature changes of, for example, over 500 Kelvin within seconds or minutes lead to a warning and/or provision of the location data.
  • a rapid temperature change can occur, for example, due to local battery degassing of the drive battery or another defect in the drive battery, which, for example, leads to a fire and/or overheating within the drive battery. If the sensor wires then visibly bend due to the temperature increase that occurs, the location from which the temperature increase originates can be reliably determined using the fiber composite component.
  • the underbody element is, for example, an underrun protection.
  • the underbody element is designed as a fiber composite component, as already described.
  • the two sensor layers are each arranged in the vertical direction of the motor vehicle in an upper region of the underbody element.
  • the drive battery of the motor vehicle is typically connected to the underbody element, so that the Drive battery is arranged in the vertical direction above the underbody element. This ensures that the drive battery is in spatial proximity to the two sensor layers, and thus the deformation of the sensor wires in the sensor layers is meaningful for the state of the drive battery.
  • the underbody element can have a foam insert, which is arranged as a rigid intermediate layer between at least two textile layers.
  • the two sensor layers are preferably arranged on a common side of the foam insert and separated from the foam insert by at least one textile layer.
  • the foam insert is therefore located, for example, adjacent to the upper or lower textile layer of the fiber composite component.
  • a respective end of the sensor wire of the respective sensor device can be connected to a plug unit, which is integrated into the foam insert, for example.
  • the plug unit can be coupled to the voltage detection device and/or the control device via an exposed opening through at least one of the further textile layers by means of a plug. This makes it possible to supply the sensor devices with electrical energy.
  • An additional aspect of the invention relates to a motor vehicle with the fiber composite component described.
  • the fiber composite component is designed in particular as an underbody element, as already described, and/or as a battery housing wall.
  • the battery housing wall is preferably a battery housing base. It may therefore be the case, for example, that the fiber composite component is integrated into a bottom of the battery housing, which is arranged around the drive battery.
  • the fiber composite component can be in a bumper of the motor vehicle or another component of the motor vehicle in which precise location deformations and/or temperature changes are of interest.
  • the motor vehicle can, for example, have the drive battery and the underbody element as a fiber composite component.
  • the fiber composite component can be divided into several chambers, in each of which one or more battery cells of the drive battery are positioned.
  • the carrier medium with the sensor layers can now be arranged flat over these chambers or even partially in the area of the chambers. For example, distances can be maintained between the individual sensor devices of one or both sensor layers, on which, for example, side walls of the chambers can be arranged. Furthermore, several gaps can be provided in the carrier medium, along which, for example, the walls of the chambers run.
  • the motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
  • one aspect of the invention relates to a method for locating a deformation in a fiber composite component, as described above.
  • voltage data that describes the voltage present on the respective sensor wire is recorded.
  • a deformation of the sensor wire for the respective sensor device is determined.
  • location data that shows a location of the sensor device in Describe fiber composite component, provided, wherein the location data locates the deformation in the fiber composite component.
  • the method is preferably carried out using the voltage detection devices of the sensor devices and/or the control device.
  • the control device can alternatively be referred to as an evaluation device for the fiber composite component.
  • the control device can be arranged at least partially in the fiber composite component and/or at least partially outside the fiber composite component in the motor vehicle.
  • the voltage data and/or the provided location data and/or the overlap data can be provided to, i.e. transmitted to, another control unit in the motor vehicle, for example via a communication interface.
  • the invention also includes the control device.
  • the control device can have a data processing device or a processor device that is set up to carry out an embodiment of the method according to the invention.
  • the processor device can have at least one microprocessor and/or at least one microcontroller and/or at least one FPGA (Field Programmable Gate Array) and/or at least one DSP (Digital Signal Processor).
  • the processor device can have program code that is designed to carry out the embodiment of the method according to the invention when executed by the processor device.
  • the program code can be stored in a data memory of the processor device.
  • the invention also includes a computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer or a computer network, cause it to carry out an embodiment of the method according to the invention.
  • the storage medium can, for example, be designed at least partially as a non-volatile data storage (e.g. as a flash memory and/or as an SSD - solid state drive) and/or at least partially as a volatile data storage (e.g. as a RAM - random access memory).
  • the computer or computer network can provide a processor circuit with at least one microprocessor.
  • the instructions may be provided as binary code or assembler and/or as source code of a programming language (e.g. C).
  • the invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.
  • the invention therefore also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, provided that the embodiments have not been described as mutually exclusive.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a motor vehicle with a fiber composite component
  • Fig. 3 is a schematic side view of the fiber composite component
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a signal flow graph of a method for locating a deformation in a fiber composite component.
  • the exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention.
  • the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and which also further develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown.
  • the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
  • a motor vehicle 1 is sketched in FIG.
  • the motor vehicle 1 has an underbody element 2, which is arranged in a vertical direction (z-direction) of the motor vehicle 1 below a drive battery 3 of the motor vehicle 1.
  • the drive battery 3 has several battery cells 4 and a battery housing 5.
  • a battery housing base 6 of the battery housing 5 adjoins the underbody element 2 in the transverse direction to the vertical direction.
  • the transverse direction to the vertical direction (z-direction) is here a longitudinal direction (x-direction) and/or a width direction (y-direction) of the motor vehicle 1.
  • a bumper 7 of the motor vehicle 1 is sketched in FIG.
  • a fiber composite component 8 is sketched in FIG. 2, which can be integrated, for example, into the underbody element 2, the battery housing base 6 and/or the bumper 7 of the motor vehicle 1. In the case of the bumper 7, it can be integrated into an outer wall of the bumper 7.
  • the fiber composite component 8 comprises several sensor devices 9, 10, 11, 12. Here are two sensor devices 9, 10 arranged next to each other in the x direction and two next to each other in the y direction arranged sensor devices 11 and 12 are shown highlighted. Four sensor devices 9, 10, 11, 12 can represent a minimum number of sensor devices 9, 10, 11, 12 of the fiber composite component 8.
  • the x-direction corresponds to the longitudinal direction of the fiber composite component 8, the x-direction to the width direction and the z-direction to the vertical direction.
  • a third sensor device 9, 10, 11, 12 is provided here in the width direction (y-direction) and two further sensor devices 9, 10, 11, 12 in the longitudinal direction (x-direction).
  • Other numbers and arrangements of the sensor devices 9, 10, 11, 12 are possible.
  • Each of the sensor devices 9, 10, 11, 12 has at least one electrically conductive sensor wire 13, 14, which is integrated into a flat carrier medium.
  • Each of the sensor devices 9, 10, 11, 12 also has a voltage detection device 15, which can detect a voltage present on the respective sensor wire 13, 14.
  • the voltage detection devices 15 are designed, for example, as voltmeters.
  • a control device 16 can also be provided, which is designed, for example, to evaluate the data provided by the voltage detection devices 15 and, if necessary, to transmit data to another control device of the motor vehicle 1.
  • the control device 16 can be integrated into the fiber composite component 8 or can be arranged outside of it.
  • the control device 16 can be assigned to the motor vehicle 1.
  • two different sensor layers 17, 18 are highlighted, with the four sensor devices 9, 10, 11, 12, which are arranged next to one another in the longitudinal direction, that is to say here at least the sensor devices 9, 10, in the first sensor layer 17. and the three sensor devices 9, 10, 11, 12, which are arranged next to one another in the width direction, that is to say here at least the sensor devices 11, 12, are located in the second sensor layer 18.
  • the first sensor layer 17 and the second sensor layer 18 are spatially separated from one another, so that, for example, no current can flow between one or more of the sensor wires 13, 14 of the first sensor layer 17 and one or more sensor wires 13, 14 of the second sensor layer 18.
  • the sensor wire 13 and the sensor wires 13 running parallel to it are arranged in the first sensor layer 17.
  • the sensor wires 14 arranged here perpendicular to the sensor wires 13 are assigned to the second sensor layer 18.
  • the fiber composite component 8 has two sensor layers 17, 18 that are spatially separated from one another in the vertical direction, each of which has at least two of the sensor devices 9, 10, 11, 12, which are in a transverse direction to the vertical direction, that is to say in the longitudinal direction and/or or in the transverse direction, are arranged next to each other.
  • the main direction of extension of the sensor wires 13 is arranged parallel to the width direction and the main direction of extension of the sensor wires 14 is in the longitudinal direction.
  • the individual sensor devices 9, 10 of the first sensor layer 17 are assigned a respective partial area 19 and the individual sensor devices 11, 12 of the second sensor layer 18 are assigned a different partial area 20.
  • the partial areas 19, 20 each include a part of a surface 22 arranged perpendicular to the vertical direction (see reference number 22 in FIG. 3) of the fiber composite component 8. The surface 22 is therefore spanned by the x and y directions.
  • overlap areas 21 are shown purely as an example for the four sensor devices 9, 10, 11, 12 in FIG overlap. In the example outlined here, a total of twelve such overlap areas 21 are possible. If, for example, the individual sub-areas 19 of the sensor devices 9, 10, 11, 12 are numbered in the longitudinal direction from 1 to 4 and the sub-areas 20 of the individual sensor devices 9, 10, 11, 12 are designated with letters in the width direction, for example here with the Letters A, B, C, the following overlap areas 21 result: 1A, 2A, 3A, 4A, 1B, 2B, 3B, 4B, 1C, 2C, 3C, 4C. These run line by line in the order mentioned, from left to right in the x direction, from top to bottom in the y direction.
  • the sensor wire 13, 14, as sketched in FIG. 2 can cover, for example, a rectangular or square area. Alternatively or additionally, it can be provided that the sensor wire 13, 14 is integrated in a meandering manner into the flat carrier medium in the area of the respective sensor device 9, 10, 11, 12.
  • FIG. 2 A cross section through the fiber composite component 8 from FIG. 2 is sketched in FIG. It is clear that the two sensor layers 17, 18 are arranged spatially separated from one another.
  • An intermediate textile layer 23 made of the flat carrier medium is arranged between the two sensor layers 17, 18.
  • at least one further textile layer 24 made of the flat carrier medium is arranged here on the side of the respective sensor layer 17, 18 facing away from the intermediate layer 23.
  • 3 also highlights an upper region 25 of the fiber composite component 8, which comprises the first five layers in the vertical direction at the top, three of which are designed as a pure textile layer 24 including the intermediate textile layer 23, each of which has the sensor layers 17, 18 on both sides Frame vertical direction.
  • a first method step S1 voltage data 26 is recorded using, for example, the individual ones Voltage detection devices 15, this being carried out for all sensor devices 9, 10, 11, 12.
  • the respective sensor device 9, 10, 11, 12 is designed to detect the voltage data 26, which describe the voltage applied to the respective sensor wire 13, 14, by means of the voltage detection device 15.
  • a change value is then determined depending on a change 27 in the detected voltage data 26, which describes the change 27 in the detected voltages. This is done for each sensor device 9, 10, 11, 12. Based on the change 27 in the recorded voltage data for the respective sensor device 9, 10, 11, 12, a deformation of the sensor wire 13, 14 can ultimately be determined.
  • a method step S3 it is checked whether the detected change 27 in the detected voltage data 26 is greater than a change limit value 28 in at least one of the sensor devices 9, 10, 11, 12. Only if this is the case can location data 29 be provided in a method step S4, which describe a location of the sensor device 9, 10, 11, 12 in the fiber composite component 8, for which the deformation of the sensor wire 13, 14 was determined, since the change limit value 28 was exceeded.
  • a check can then be carried out in a method step S5 as to whether the location data 29 have been determined in both sensor layers 17, 18 for at least one of the sensor devices 9, 10, 11, 12 there. If this is the case, in a method step S6, overlap data 30 is determined, which describes the overlap area 21 of the partial areas 19, 20 of the sensor devices 9, 10, 11, 12, for which the location data 29 was determined, since the change limit value 28 was exceeded for these became.
  • the location data 29 describes, among other things, the sub-area 19, 20 to which the sensor device 9, 10, 11, 12 is assigned, for which the voltage data 26 are provided.
  • a method step S7 can be provided, in which a warning message 31 is generated and provided, for example, in the motor vehicle 1.
  • the warning message 31 can be an acoustic and/or visual warning message 31.
  • the sensor wire 13, 14 is made, for example, of carbon fiber, a metal-coated plastic filament and/or constants.
  • the deformation that is detected causes a change in the electrical resistance in the sensor wire 13, 14.
  • the deformation can be force-induced and/or temperature-induced. It is envisaged that the temperature-induced deformation only leads to such deformations within a few seconds or minutes in the event of rapid and strong temperature increases of, for example, 500 to 1000 Kelvin, such that the change 27 of the recorded voltage data 26 can be greater than the change limit value 28.
  • predetermined measures can be triggered, for example a shutdown or discharge of local battery cells that are arranged in the area of the overlap area; a warning to the driver by issuing the warning message 31 using an output device in the motor vehicle 1 and / or further measures, such as immediately stopping the vehicle and asking the driver to leave the motor vehicle 1.
  • the examples show a sensor matrix, damage localization and tracking.
  • complete decoupling of the sensor layers 18, 19 in the x and y directions is achieved by arranging the support structure with integrated sensor wire 13, 14 in different sensor layers 18, 19.
  • Short circuits or complex insulation of the sensor wires 13, 14 can thereby be avoided.
  • a defined number of sensor devices 9, 10, 11, 12 are arranged perpendicular to one another in the different sensor layers 17, 18.
  • the Corresponding sensor wires 13, 14 are integrated directly into the fiber composite component 8, but are located on different sensor layers 17, 18 and thus on different levels in the fiber composite component 8. They therefore each form a separate circuit from one another, and there is a particularly close-meshed superimposition in the transverse direction to the vertical direction possible. Depending on the application, this can be selected accordingly.
  • various fiber composite components 8 can be designed in such a way as the underbody element 2, various protective plates, such as the bumper 7, and/or the battery housing 5.
  • the localization of the deformation that occurs is possible in a defined area.
  • the resistance can be selected in terms of software, which is selected as the change limit 28, so that, for example, a quick-triggering or less quick-triggering method can be provided. This makes it possible to track and assign occurring deformations over a component life cycle.
  • the localization of a local thermal event or a mechanical event can trigger defined measures as already mentioned.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil (8) für ein Kraftfahrzeug (1) und ein Verfahren. Das Faserverbundbauteil (8) umfassend mehrere Sensorvorrichtungen (9, 10, 11, 12), wobei mittels jeder davon Spannungsdaten (26), die eine an einem jeweiligen Sensordraht (13, 14) anliegende Spannung beschreiben, erfasst und in Abhängigkeit einer Änderung (27) der Spannungsdaten (26) für die jeweilige Sensorvorrichtung (9, 10, 11, 12) eine Verformung des jeweiligen Sensordrahts (13, 14) festgestellt wird. Das Faserverbundbauteil (8) weist zwei räumlich voneinander getrennte Sensorschichten (17, 18) auf, die jeweils zumindest zwei der Sensorvorrichtungen (9, 10, 11, 12) aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind, wobei Haupterstreckungsrichtungen der Sensordrähte (13, 14) der Sensorvorrichtungen (9, 10, 11, 12) der beiden Sensorschichten (17, 18) sich kreuzend angeordnet sind. Es werden für die Sensorvorrichtung (9, 10, 11, 12), für die die Verformung des Sensordrahts (13, 14) festgestellt wurde, Ortsdaten (29) bereitgestellt, die einen Ort der Sensorvorrichtung (9, 10, 11, 12) im Faserverbundbauteil (8) beschreiben.

Description

Faserverbundbauteil und Verfahren zur Verortung einer Verformung in einem
Faserverbundbauteil
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil für ein Kraftfahrzeug. Zudem betrifft die Erfindung ein Unterbodenelement für ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Faserverbundbauteil sowie ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Faserverbundbauteil. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verorten einer Verformung in einem derartigen Faserverbundbauteil.
Ein Kraftfahrzeug, das zumindest zum teilelektrischen Fahren ausgebildet ist, weist eine Antriebsbatterie auf, die alternativ als Traktionsbatterie bezeichnet werden kann. Die Antriebsbatterie weist typischerweise mehrere Batteriezellen auf und kann in einem Bodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Diese Anordnung der Antriebsbatterie im Kraftfahrzeug führt jedoch dazu, dass bei einer Krafteinwirkung von unten, beispielsweise einem Stoß, direkt die Antriebsbatterie beschädigt werden kann. Um derartige Beschädigungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, kann ein Unterbodenelement für die Antriebsbatterie vorgesehen sein, das beispielsweise als Unterfahrschutz ausgebildet ist. Das Unterbodenelement bewirkt, dass die Antriebsbatterie keine direkte Krafteinwirkung aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs erfährt, sondern durch das Unterbodenelement geschützt ist. Es kann jedoch dennoch zu Beschädigungen der Antriebsbatterie kommen, beispielsweise falls ein Stoß gegen das Unterbodenelement derart kraftintensiv ist, dass sowohl das Unterbodenelement als auch beispielsweise ein Gehäuses der Antriebsbatterie und/oder die Batteriezellen in der Antriebsbatterie beschädigt werden. Eine derartige Beschädigung kann beispielsweise als Intrusion der Antriebsbatterie bezeichnet werden. Auftreten kann die Intrusion der Antriebsbatterie beispielsweise bei einem Aufsetzen des Kraftfahrzeugs bei einer Pollerüberfahrt.
Es kann für eine Überwachung eines Zustands der Antriebsbatterie gewünscht sein, dass eine Ortsangabe bereitgestellt wird, die bei einer Krafteinwirkung auf das Unterbodenelement und/oder die Antriebsbatterie, insbesondere bei einer Intrusion, beispielsweise einen Bereich angibt, an dem die Krafteinwirkung erfolgt ist. Unter Berücksichtigung der Ortsangabe kann beispielsweise gezielt ein Teil der Batteriezellen der Antriebsbatterie deaktiviert werden, der in räumlicher Nähe zum Ort der Intrusion angeordnet ist. Eine genaue Lokalisation des gegebenenfalls durch die Krafteinwirkung aufgetretenen Schadens kann also durchaus interessant sein.
In der EP 3 901 010 A1 ist ein Strukturbauteil für eine Fahrzeugkarosserie gezeigt, das ein Strukturelement und eine Sensoranordnung aufweist. Die Sensoranordnung ist mit dem Strukturelement verbunden und umfasst zumindest einen Lichtwellenleiter.
Die DE 102018 129 158 A1 zeigt eine Sicherheitsvorrichtung für eine Batterie, wobei die Sicherheitsvorrichtung ein Unterbodenteil für ein Fahrzeug und mehrere nebeneinander angeordnete Sensoren aufweist. Die Sensoren können eine Verformung des Unterbodenteils feststellen und ortsauflösend den Ort der Verformung des Unterbodenteils ermitteln.
Die DE 102017 206 663 A1 zeigt einen Batteriepack mit mehreren Deformationssensoren, die in separaten Segmenten einer Schutzplatte des Batteriepacks angeordnet sind.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels derer zuverlässig ein Ort einer Beschädigung einer Komponente eines Kraftfahrzeugs ermittelt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen sowie die nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Figuren offenbart.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil für ein Kraftfahrzeug. Das Faserverbundbauteil kann beispielsweise als Unterbodenelement für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Das Faserverbundbauteil umfasst mehrere Sensorvorrichtungen, die jeweils zumindest einen elektrisch leitfähigen Sensordraht aufweisen. Der zumindest eine elektrisch leitfähige Sensordraht ist in ein flächiges Trägermedium integriert. Das Trägermedium kann alternativ als Trägermaterial oder Trägerschicht bezeichnet werden. Das Trägermedium kann beispielsweise als flächiges Element ausgebildet sein, auf dem der zumindest eine Sensordraht gleichmäßig zumindest in einem Teilbereich der gesamten Fläche des Trägermediums verteilt ist und diesen abdeckt. Beispielsweise kann ein Drahtmaterial des Sensordrahts auf ein flächiges textiles Halbzeug als flächiges Trägermedium aufgebracht sein. In diesem Beispiel kann das Trägermedium als Textilmaterial bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Trägermedium als Folie, beispielsweise aus Kunststoff, ausgebildet sein, auf die der Sensordraht aufgedruckt ist. Das Trägermedium kann als Trägerstruktur dienen, die eine Anbringung des Sensordrahts im Faserverbundbauteil erleichtern kann. Das Faserverbundbauteil kann beispielsweise aus mehreren Schichten des flächigen Trägermediums hergestellt sein. Hierdurch kann eine besonders hohe Festigkeit des Faserverbundbauteils erreicht werden.
Der Sensordraht ist beispielsweise zumindest zum Teil aus Metall hergestellt, insbesondere aus einer Karbonfaser oder einem mit Metall beschichteten Kunststofffilament. Der Sensordraht kann ein reiner Metalldraht sein. Der Sensordraht kann zumindest zum Teil aus einer Legierung aus Kupfer, Nickel und Mangan hergestellt sein, beispielweise aus Konstanten mit einem Kupferanteil von 55 Prozent, einem Nickelanteil von 44 Prozent und einem Mangananteil von 1 Prozent. Innerhalb des flächigen Trägermediums kann der Sensordraht der jeweiligen Sensorvorrichtung beispielsweise mäanderförmig angeordnet sein. Der Sensordraht kann also zum Beispiel in mehreren Biegungen und somit schlangenförmig verlaufen. Der zumindest eine Sensordraht ist mit einer Spannungserfassungseinrichtung der Steuervorrichtung verbunden. Die Spannungserfassungseinrichtung kann beispielsweise als ein Voltmeter, das heißt als ein Messgerät zum Erfassen von Spannungsdaten, ausgebildet sein. In einer einfachen Ausgestaltung ist der Sensordraht der jeweiligen Sensorvorrichtung beispielsweise als einfache Schlaufe ausgebildet, das heißt der gesamte Sensordraht der jeweiligen Sensorvorrichtung bildet beispielsweise ein Rechteck, ein Quadrat, ein Oval oder einen Kreis, wobei in das Rechteck, das Quadrat, das Oval beziehungsweise den Kreis die Spannungserfassungseinrichtung integriert ist.
Jede der Sensorvorrichtungen ist dazu ausgebildet, Spannungsdaten, die eine am Sensordraht anliegende Spannung beschreiben, zu erfassen und in Abhängigkeit einer Änderung der erfassten Spannungsdaten für die jeweilige Sensorvorrichtung eine Verformung des Sensordrahts festzustellen. Der Sensordraht wird während eines Betriebs mit einem Strom bei einer vorgegebenen Spannung durchflossen, wobei eine Verformung des Sensordrahts zu einer Änderung der Spannung führt. Bei einer festgestellten Änderung der erfassten Spannung kann daher auf die Verformung des Faserverbundbauteils im Bereich des Sensordrahts der Sensorvorrichtung, für die die Änderung der Spannung beobachtet wurde, geschlossen werden. Die Änderung der Spannungsdaten wird beispielsweise bei einer Intrusion einer Antriebsbatterie eines Kraftfahrzeugs beobachtet, falls das Faserverbundbauteil beispielsweise zwischen einer Umgebung des Kraftfahrzeugs und der Antriebsbatterie angeordnet ist. Das Erfassen der Spannungsdaten kann mittels der Spannungserfassungseinrichtung erfolgen. Das Auswerten der Spannungsdaten kann ebenfalls mittels der Spannungserfassungseinrichtung und/oder mittels einer Steuervorrichtung des Faserverbundbauteils erfolgen. Die Steuervorrichtung des Faserverbundbauteils kann eine Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs sein, in dem das Faserverbundbauteil angeordnet ist. Das Faserverbundbauteil weist zwei in einer Hochrichtung räumlich voneinander getrennte Sensorschichten auf, die jeweils zumindest zwei der Sensorvorrichtungen aufweisen. Jede der Sensorschichten weist zumindest zwei der Sensorvorrichtungen auf, die in einer Querrichtung zur Hochrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die Querrichtung zur Hochrichtung ist beispielsweise eine Längsrichtung und/oder eine Breitenrichtung des Faserverbundbauteils. Das flächige Trägermedium erstreckt sich über die Längsrichtung und die Breitenrichtung des Faserverbundbauteils und weist eine im Vergleich dazu kleine Höhe in der Hochrichtung auf. Die mehreren Sensorvorrichtungen sind also nicht nur über die Fläche des Faserverbundbauteils verteilt angeordnet, sondern auch über dessen Höhe. Die Sensorvorrichtungen sind nämlich über zumindest zwei übereinander in der Hochrichtung angeordnete Schichten verteilt. Jede Sensorschicht mit den mehreren Sensorvorrichtungen kann in ein gemeinsames flächiges Textilelement integriert sein.
Eine Haupterstreckungsrichtungen der Sensordrähte der Sensorvorrichtungen der beiden Sensorschichten sind sich kreuzend angeordnet. Insbesondere können die Haupterstreckungsrichtungen der beiden Sensorschichten senkrecht zueinander angeordnet sein. Mit anderen Worten kann beispielsweise in einer ersten Sensorschicht die Haupterstreckungsrichtung der jeweiligen Sensordrähte in der Längsrichtung orientiert sein, wohingegen in der zweiten Sensorschicht die Haupterstreckungsrichtung der dort angeordneten Sensordrähte in der Breitenrichtung orientiert ist. Dies führt dann dazu, dass sich die Sensordrähte jeweils kreuzen. In diesem Beispiel kreuzen sich die Haupterstreckungsrichtungen der Sensordrähte derart, dass sie senkrecht zueinander angeordnet sind. Es kann vorgesehen sein, dass die Haupterstreckungsrichtungen der Sensordrähte nur im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, das heißt in einem Winkel zueinander zwischen 80 Grad und 100 Grad, 85 Grad und 95 Grad, insbesondere 89 Grad und 91 Grad angeordnet sind. Die Haupterstreckungsrichtung ist die Richtung, in die ein größer Anteil des Sensordrahts gerichtet ist. Durch die Anordnung der zueinander senkrecht angeordneten Haupterstreckungsrichtungen der einzelnen Sensordrähte in den beiden Sensorschichten kann beispielsweise ein Raster oder Gitter aus sich beabstandet voneinander kreuzenden Sensordrähten gebildet sein. Falls sich die Haupterstreckungsrichtungen lediglich kreuzen, kann beispielsweise zwischen den Haupterstreckungsrichtungen der ersten Sensorschicht und den Haupterstreckungsrichtungen der zweiten Sensorschicht ein Winkel von größer 0° und kleiner als 90° sein.
Die Sensordrähte der verschiedenen Sensorvorrichtungen und Sensorschichten berühren sich nicht direkt, da die beiden Sensorschichten voneinander räumlich getrennt sind. Zwischen den beiden Sensorschichten befindet sich somit ein Abstand, der größer als null ist. Der Abstand kann beispielsweise mit einem Füllmaterial, wie einer Zwischentextilschicht, gefüllt sein.
Das Faserverbundbauteil ist dazu ausgebildet, für die jeweilige Steuervorrichtung, für die die Verformung des Sensordrahts festgestellt wurde, Ortsdaten bereitzustellen. Die Ortsdaten beschreiben einen Ort der Sensorvorrichtung im Faserverbundbauteil. Jeder einzelnen Sensorvorrichtung ist ein bestimmter Ort im Faserverbundbauteil zugeordnet, der beispielsweise der Spannungserfassungseinrichtung vorab bereitgestellt ist. Die Ortsdaten können in einer Speichereinheit der Spannungserfassungseinrichtung und/oder der Steuervorrichtung gespeichert sein. Je nachdem, in welcher Sensorvorrichtung der mehreren Sensorvorrichtungen, die hier in verschiedenen Sensorschichten sowie in Querrichtung nebeneinander angeordnet sind, überhaupt eine Änderung von erfassten Spannungsdaten erfasst wird, werden die entsprechenden Ortsdaten zur Verfügung gestellt. Es ist vorgesehen, dass nur für die Sensorvorrichtung, für die die Änderung der erfassten Spannungsdaten festgestellt wurde, die entsprechende Ortsinformation, die durch die Ortsdaten beschrieben wird, bereitgestellt wird.
Da die Verformung des jeweiligen Sensordrahts auf eine Beschädigung des Faserverbundbauteils schließen lässt, kann mittels des Faserverbundbauteils zuverlässig ein Ort einer Beschädigung einer Komponente eines Kraftfahrzeugs, und zwar des Faserverbundbauteils im Kraftfahrzeug, ermittelt werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Faserverbundbauteil dazu ausgebildet ist, zu überprüfen, ob in zumindest einer der Sensorvorrichtungen die festgestellte Änderung der erfassten Spannungsdaten größer als ein Änderungsgrenzwert ist. Die Überprüfung kann beispielsweise mittels einer Auswerteeinrichtung und/oder mittels der Spannungserfassungseinrichtung der jeweiligen Sensorvorrichtung durchgeführt werden. Die festgestellten Änderungen der erfassten Änderungsdaten können in Form von Änderungsdaten bereitgestellt sei, die die festgestellte Änderung der Spannungsdaten und somit der anliegenden Spannung beschreiben. Der Änderungsgrenzwert ist ein vorgegebener Wert. Je nachdem, wo das Faserverbundbauteil im Kraftfahrzeug verbaut wurde, kann ein anderer Änderungsgrenzwert vorgegeben sein. Falls das Faserverbundbauteil als Unterbodenelement des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, kann bei einem Überschreiten des Änderungsgrenzwerts auf die Intrusion der Antriebsbatterie, die in der Hochrichtung oberhalb des Unterbodenelements angeordnet ist, geschlossen werden. Falls jedoch die Änderung der erfassten Spannungsdaten kleiner oder gleich dem Änderungsgrenzwert ist, wird davon ausgegangen, dass lediglich ein beispielsweise leichter Stoß gegen das Faserverbundbauteil aufgetreten ist, der beispielsweise zu keiner plastischen und/oder relevanten Verformung des Faserverbundbauteils sowie von beispielsweise angrenzenden Komponenten des Kraftfahrzeugs geführt hat. Ein derartiger leichter Stoß kann vernachlässigt werden, sodass beispielsweise keine Ortsdaten benötigt werden.
Daher ist vorgesehen, dass nur, falls die festgestellte Änderung der erfassten Spannungsdaten größer als der Änderungsgrenzwert ist, eine Warnmeldung erzeugt wird. Mit anderen Worten ist generell das Faserverbundbauteil dazu ausgebildet, falls die festgestellte Änderung der erfassten Spannungsdaten größer als der Änderungsgrenzwert ist, die Warnmeldung zu erzeugen. Die Warnmeldung kann beispielsweise eine akustische und/oder optische Hinweismeldung sein, die beispielsweise im Kraftfahrzeug ausgegeben wird. Die Warnmeldung kann daher beispielsweise mittels einer Lautsprechereinrichtung des Kraftfahrzeugs, die zumindest einen Lautsprecher umfasst, und/oder mittels einer Anzeigeeinrichtung im Kraftfahrzeug, die zumindest einen Bildschirm, beispielsweise eine berührungssensitiven Bildschirm, umfasst, ausgegeben werden. Die Warnmeldung kann hierfür beispielsweise Text, Symbole und/oder Warnlichter umfassen. Die Warnmeldung kann die Ortsdaten umfassen. Es kann also ortsgenau angegeben werden, wo die Krafteinwirkung auf das Faserverbundbauteil erfasst wurde.
Alternativ oder zusätzlich dazu ist das Faserverbundbauteil dazu ausgebildet, nur falls die festgestellte Änderung der erfassten Spannungsdaten größer als der Änderungsgrenzwert ist, die Ortsdaten bereitzustellen, die der Sensorvorrichtung zugeordnet sind, in der die festgestellte Änderung größer als der Änderungsgrenzwert ist. Hierdurch wird zuverlässig erreicht, dass nur dann eine tatsächliche Lokalisierung der Krafteinwirkung erfolgt und/oder Information an einen Insassen des mittels der Warnmeldung weitergegeben wird, falls ein zu erwartender Effekt der Krafteinwirkung ausreichend groß ist, da der Änderungsgrenzwert überschritten wurde. Hierdurch wird vermieden, dass der Insasse, beispielsweise ein Fahrer, über jeden kleinen Stoß gegen das Faserverbundbauteil, dessen Auswirkung nur zu einer Spannungsänderung führt, die kleiner als der Änderungsgrenzwert ist, und die Verortung des kleinen Stoßes im Faserverbundbauteil informiert wird, was er gegebenenfalls als störend und unnötig wahrnehmen könnte.
Zudem sieht es eine Ausführungsform vor, dass sich jede der Sensorvorrichtungen über einen Teilbereich einer senkrecht zur Hochrichtung angeordneten Fläche des Faserverbundbauteils erstreckt. Die den Ort der jeweiligen Sensorvorrichtung beschreibenden Ortsdaten beschreiben diesen Teilbereich. Befinden sich beispielsweise in einer Sensorschicht zwei nebeneinander angeordnete Sensorvorrichtungen, weist jede der Sensorvorrichtungen einen Teilbereich auf, der im Wesentlichen die Hälfte der gesamten Fläche des Faserverbundbauteils umfasst, falls die beiden Sensorvorrichtungen zumindest in etwa gleich groß ausgebildet sind. Hierdurch wird es möglich, dass die Fläche des Faserverbundbauteils beispielsweise in der Längsrichtung in mehrere beispielsweise gleich große Abschnitte unterteilt wird und in jedem der mehreren Abschnitte eine der Sensorvorrichtungen angeordnet ist. Der Abschnitt stellt dann den Teilbereich dar. Ebenso kann in der anderen Sensorschicht eine Unterteilung in mehrere Teilbereiche vorgesehen sein, sodass auch dort die mehreren benachbarten Sensorvorrichtungen jeweiligen festen Teilbereichen zugeordnet sind. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Teilbereiche in etwa gleich groß sind. Die mehreren Teilbereiche können beispielsweise mittels Nummern und/oder Buchstaben bezeichnet werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zumindest zwei Sensorvorrichtungen, die in der Längsrichtung in der ersten Sensorschicht nebeneinander angeordnet sind, in den Teilbereichen 1 und 2 liegen, und die zumindest zwei Sensorvorrichtungen, die in der Breitenrichtung in der anderen Sensorschicht nebeneinander angeordnet sind, in den Teilbereichen A und B. Bevorzugt können in der Längsrichtung vier Sensorvorrichtungen in Teilbereichen 1 , 2, 3 und 4 und in der Breitenrichtung drei Sensorvorrichtungen in den Teilbereichen A, B und C vorgesehen sein. Letztendlich kann hierdurch eine einfache Ortszuweisung erfolgen, da jeder Sensorvorrichtung der vorgegebene Teilbereich zugeordnet ist, der den Ort des jeweiligen Teilbereichs beschreibt. Ferner können die Ortsdaten, die den Teilbereich beschreiben, als Koordinaten vorgegeben sein, beispielsweise als Koordinaten eines Randbereichs des Teilbereichs und/oder eines Mittelpunkts des Teilbereichs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass sich der Teilbereich jeder Sensorvorrichtung, die in einer der beiden Sensorschichten angeordnet ist, mit den Teilbereichen der mindestens zwei Sensorvorrichtungen, die in der anderen Sensorschicht angeordnet sind, überlappt. Dadurch dass die Haupterstreckungsrichtungen der Sensordrähte der Sensorvorrichtungen sich in verschiedenen Sensorschichten kreuzen und beispielsweise senkrecht zueinander angeordnet sind, wird also erreicht, dass sich auch die Teilbereiche der einzelnen Sensorvorrichtungen in verschiedenen Sensorschichten zumindest bereichsweise überlappen. Das Faserverbundbauteil ist dazu ausgebildet, falls in beiden Sensorschichten jeweils zumindest für eine Sensorvorrichtung die Ortsdaten ermittelt wurden, Überlappungsdaten zu ermitteln. Die Überlappungsdaten beschreiben einen Überlappungsbereich der Teilbereiche der Sensorvorrichtungen, für die die Ortsdaten ermittelt wurden. Es kann also beispielsweise in dem raster- oder gitterförmigen Gebilde aus mehreren Sensorvorrichtungen in den beiden Sensorschichten eine genaue Lokalisierung durchgeführt werden, da anhand der den Sensorvorrichtungen in den verschiedenen Sensorschichten zugeordneten Teilbereiche der tatsächliche Ort, an dem die Verformung des Sensordrahts beispielsweise aufgrund eines lokalen Stoßes aufgetreten ist, eindeutig bestimmt werden kann. Es kann also beispielsweise festgestellt werden, dass für den Teilbereich 2 in Längsrichtung sowie im Teilbereich C in der Breitenrichtung jeweils Ortsdaten ermittelt wurden, da für die dortigen Sensorvorrichtungen die Verformung des Sensordrahts festgestellt wurde. Die Überlappungsdaten können also einen Bereich 2C des Faserverbundbauteils beschreiben, an dem sich der Teilbereich 2 mit dem Teilbereich C überlappt. Insgesamt werden bei den oben genannten Beispielen mindestens vier Überlappungsbereiche (1A, 1 B, 2A, 2B) beziehungsweise bevorzugt zwölf Überlappungsbereiche (1A, 2A, 3A, 4A, 1 B, 2B, 3B, 4B, 1C, 2C, 3C, 4 C) unterschieden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Überlappungsdaten nur für den Überlappungsbereich ermittelt werden, der den Sensorvorrichtungen zugeordnet ist, in deren die festgestellte Änderung der erfassten Spannungsdaten den im Vergleich zu allen Sensorvorrichtung des Faserverbundbauteils größten Wert annimmt. Letztendlich kann hierdurch besonders zuverlässig die Bestimmung des Orts der Beschädigung der Antriebsbatterie identifiziert werden, da die Überlappungsbereiche eine genaue Ortsangabe ermöglichen.
Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel sieht vor, dass zwischen den beiden Sensorschichten eine Zwischentextilschicht aus dem flächigen Trägermedium angeordnet ist. Das Trägermedium ist ein isolierendes Material, sodass keine elektrische Energie durch die Zwischentextilschicht zwischen den Sensordrähten der Sensorvorrichtung der beiden Sensorschichten übertragen werden kann. Das Trägermedium der Zwischentextilschicht kann sich vom Trägermedium der Sensorschicht, das heißt von dem Trägermedium, in das der jeweilige Sensordraht integriert ist, vom Material her unterscheiden. Alternativ dazu können die Zwischentextilschicht und das Trägermedium der Sensorschicht aus dem gleichen Material sein. Hierdurch wird erreicht, dass jede Sensorschicht für sich die jeweiligen Spannungsdaten erfassen und auswerten kann und somit zuverlässig letztendlich für beide Sensorschichten getrennt die Verformungen des Sensordrahts festgestellt werden können.
Des Weiteren sieht es eine Ausführungsform vor, dass an einer der Zwischentextilschicht abgewandten Seite der jeweiligen Sensorschicht zumindest eine weitere Textilschicht aus dem flächige Trägermedium angrenzt. Das Trägermedium der weiteren Textilschicht kann sich vom Trägermedium der Sensorschicht, das heißt von dem Trägermedium, in das der jeweilige Sensordraht integriert ist, vom Material her unterscheiden. Alternativ dazu können die weitere Textilschicht und das Trägermedium der Sensorschicht aus dem gleichen Material sein. Es wird also letztendlich eine zumindest fünflagige Schichtung im Faserverbundbauteil vorgesehen. In der Hochrichtung ist oben zunächst eine Textilschicht angeordnet ist, gefolgt von beispielsweise der ersten Sensorschicht, gefolgt von der Zwischenschicht, gefolgt von der zweiten Sensorschicht und abschließend gefolgt von einer unteren Textilschicht. Es können zudem an der oberen Textilschicht und/oder an der unteren Textilschicht noch weitere Textilschichten und/oder andersartig ausgestaltete Schichten angrenzen, sodass insgesamt das Faserverbundbauteil beliebig dick gestaltet sein kann.
Es kann vorgesehen sein, dass sich die beiden Sensorschichten in der Hochrichtung betrachtet in einem Randbereich des Faserverbundbauteils befinden. Beispielsweise kann die obere Textilschicht eine Außentextilschicht des Faserverbundbauteils darstellt, wohingegen an die untere Textilschicht, noch weitere zusätzliche Textilschichten angrenzen können. Die untere Textilschicht stellt dann keine Außentextilschicht des Faserverbundbauteils in der Hochrichtung dar. In einer bevorzugten Einbaulage des Faserverbundbauteils als Unterbodenelement im Kraftfahrzeugs befindet sich der Randbereich bevorzugt angrenzend an die Antriebsbatterie. Hierdurch wird erreicht, dass stets die tatsächlich auf beispielsweise die Antriebsbatterie wirkenden Stoße erfasst und verortet werden können.
Es kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Sensordraht dazu ausgebildet ist, bei einer Verformung einen elektrischen Widerstand zu ändern. Hiermit ist gemeint, dass die Änderung der Spannung und damit die Verformung des Sensordrahts festgestellt wird, wenn der Sensordraht seinen elektrischen Widerstand ändert. Verformt sich beispielsweise das Faserverbundbauteil im Bereich der Sensorvorrichtung, verändert sich die Länge und/oder der Durchmesser des Sensordrahts, was zu einer messbaren Widerstandsänderung führt. Der Sensordraht ist beispielsweise aus einem Metall hergestellt, wie beispielsweise Konstanten, das bei einer Verformung seine Länge und/oder Dicke ändern kann. Alternativ kann der Sensordraht bei einer starken Verformung beispielsweise brechen, wobei dann die Änderung der Spannung dadurch festgestellt wird, dass plötzlich kein Strom mehr durch den Sensordraht durchfließt.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Verformung eine kraftinduzierte Verformung ist. In diesem Fall wird, wie bereits beschrieben, eine äußere Kraft auf das Faserverbundbauteil mit den integrierten Sensordrähten angewandt, die zu einer mechanischen Verformung des Sensordrahts, die elastisch und/oder plastisch sein kann, führt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Verformung temperaturinduziert sein. Dies setzt voraus, dass die Sensordrähte aus einem Material hergestellt sind, das sich bei Temperaturänderung messbar verformt. Bevorzugt wird das Material derart gewählt, dass nur starke Temperaturänderungen von beispielsweise mindestens 100 Kelvin, insbesondere mindestens 500 Kelvin, zu einer messbaren Verformung führen, beispielsweise bei der es zu einem Überschreiten des Änderungsgrenzwerts kommt. Als derartiges Material eignet sich beispielsweise eine Legierung aus Kupfer, Nickel und Mangan, wie beispielweise Konstantan. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Änderungsgrenzwert zeitabhängig gewählt ist, sodass Beispielsweise nur schnelle Temperaturänderung von beispielsweise über 500 Kelvin innerhalb von Sekunden oder Minuten zur Warnmeldung und/oder Bereitstellung der Ortsdaten führen. Eine derartige schnelle Temperaturänderung kann beispielsweise aufgrund einer lokalen Batterieentgasung der Antriebsbatterie oder eines anderen Defekts in der Antriebsbatterie auftreten, der beispielsweise zu einem Brand und/oder Überhitzens innerhalb der Antriebsbatterie führt. Falls sich dann die Sensordrähte aufgrund der auftretenden Temperaturerhöhung erkennbar verbiegen, kann der Ort, von dem die Temperaturerhöhung ausgeht, zuverlässig mittels des Faserverbundbauteils ermittelt werden. Im Vergleich dazu kleine Temperaturschwankungen von beispielsweise größer als 0 Kelvin bis kleiner oder gleich 20 Kelvin über einen Zeitraum von mehreren Minuten oder Stunden werden bevorzugt durch entsprechende Wahl des Änderungsgrenzwerts ignoriert, da diese auf typische wetterbedingte und/oder tageszeitbedingte Temperaturschwankungen hindeuten. Auch bei temperaturbedingten Verformungen der Sensordrähte kann somit zuverlässig der Ort bestimmt werden, an dem es zu dem Temperaturanstieg kam. Dies ist beispielsweise immer dann hilfreich, wenn mehrere voneinander beispielsweise räumlich getrennte Batteriezellen im Kraftfahrzeug vorgesehen sind, sodass beispielsweise lokale Maßnahmen als Reaktion auf den Temperaturanstieg in bestimmten Batteriezellen der Antriebsbatterie durchgeführt werden können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Unterbodenelement für ein Kraftfahrzeug. Das Unterbodenelement ist beispielsweise ein Unterfahrschutz. Das Unterbodenelement ist als Faserverbundbauteil, wie es bereits beschrieben wurde, ausgebildet. Insbesondere ist in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage des Unterbodenelements im Kraftfahrzeug diese derart ausgerichtet, dass die beiden Sensorschichten jeweils in Hochrichtung des Kraftfahrzeugs in einem oberen Bereich des Unterbodenelements angeordnet sind. An das Unterbodenelement schließt typischerweise die Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs an, sodass die Antriebsbatterie in der Hochrichtung oberhalb des Unterbodenelements angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Antriebsbatterie in einer räumlichen Nähe zu den beiden Sensorschichten befindet, und somit die Verformung der Sensordrähte in den Sensorschichten aussagekräftig für einen Zustand der Antriebsbatterie sind.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil beschriebenen Ausführungsformen, jeweils alleine sowie in Kombination miteinander, gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Unterbodenelement.
Das Unterbodenelement kann einen Schaumeinleger aufweisen, der als biegesteife Zwischenschicht zwischen zumindest zwei Textilschichten angeordnet ist. Die beiden Sensorschichten sind bevorzugt auf einer gemeinsamen Seite des Schaumeinlegers und durch zumindest eine Textilschicht vom Schaumeinleger getrennt angeordnet. Der Schaumeinleger befindet sich somit beispielsweise angrenzend an die obere oder untere Textilschicht des Faserverbundbauteils. Ein jeweiliges Ende des Sensordrahts der jeweiligen Sensorvorrichtung kann mit einer Steckereinheit verbunden sein, die beispielsweise in den Schaumeinleger integriert ist. Die Steckereinheit kann über eine freigestellte Öffnung durch zumindest eine der weiteren Textilschichten mittels eines Steckers mit der Spannungserfassungseinrichtung und/oder der Steuervorrichtung gekoppelt sein. Somit ist eine Versorgung der Sensorvorrichtungen mit elektrischer Energie möglich.
Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit dem beschriebenen Faserverbundbauteil. Das Faserverbundbauteil ist insbesondere als Unterbodenelement, wie bereits beschrieben, und/oder als Batteriegehäusewand ausgebildet. Die Batteriegehäusewand ist bevorzugt ein Batteriegehäuseboden. Es kann also beispielsweise sein, dass in einen Boden des Batteriegehäuses, das um die Antriebsbatterie herum angeordnet ist, das Faserverbundbauteil integriert ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Faserverbundbauteil in einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs oder einer anderen Komponente des Kraftfahrzeugs, bei der ortsgenaue Deformationen und/oder Temperaturänderungen interessant sind, verbaut sein. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil sowie dem erfindungsgemäßen Unterbodenelement beschriebenen Ausführungsformen, einzeln oder in Kombination miteinander, gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise die Antriebsbatterie und das Unterbodenelement als Faserverbundbauteil aufweisen. Das Faserverbundbauteil kann in mehrere Kammern unterteilt sein, in denen jeweils eine oder mehrere Batteriezellen der Antriebsbatterie positioniert werden. Das Trägermedium mit den Sensorschichten kann nun flächig über diesen Kammern oder teilweise sogar im Bereich der Kammern angeordnet sein. Es können also beispielsweise zwischen den einzelnen Sensorvorrichtungen einer der oder beiden Sensorschichten Abstände eingehalten werden, an denen beispielsweise Seitenwände der Kammern angeordnet sein können. Ferner können mehrere Lücken im Trägermedium vorgesehen sein, an denen beispielsweise die Wände der Kammern verlaufen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren ist betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Verortung einer Verformung in einem Faserverbundbauteil, wie es oben beschrieben wurden. Mittels jeder Sensorvorrichtung des Faserverbundbauteils werden Spannungsdaten, die eine am jeweiligen Sensordraht anliegende Spannung beschreiben, erfasst. In Abhängigkeit einer Änderung der erfassten Spannungsdaten wird eine Verformung des Sensordrahts für die jeweilige Sensorvorrichtung festgestellt. Für die jeweilige Steuervorrichtung, für die die Verformung des Sensordrahts festgestellt wurde, werden Ortsdaten, die einen Ort der Sensorvorrichtung im Faserverbundbauteil beschreiben, bereitgestellt, wobei die Ortsdaten die Verformung im Faserverbundbauteil verorten. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil, dem erfindungsgemäßen Unterbodenelement sowie dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Ausführungsformen, einzeln oder in Kombination miteinander, gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren.
Das Verfahren wird bevorzugt mittels der Spannungserfassungseinrichtungen der Sensorvorrichtungen und/oder der Steuervorrichtung durchgeführt. Die Steuervorrichtung kann alternativ als Auswerteeinrichtung für das Faserverbundbauteil bezeichnet werden. Die Steuervorrichtung kann zumindest teilweise im Faserverbundbauteil und/oder zumindest teilweise außerhalb des Faserverbundbauteils im Kraftfahrzeug angeordnet sein. Bei der Anordnung im Faserverbundbauteil können die Spannungsdaten und/oder die bereitgestellten Ortsdaten und/oder die Überlappungsdaten für eine weitere Steuereinheit im Kraftfahrzeug beispielsweise über eine Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt werden, das heißt an diese übermittelt werden.
Zu der Erfindung gehört auch die Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Als eine weitere Lösung umfasst die Erfindung auch ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer oder einen Computerverbund diesen veranlassen, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Das Speichermedium kann z.B. zumindest teilweise als ein nicht-flüchtiger Datenspeicher (z.B. als eine Flash-Speicher und/oder als SSD - solid state drive) und/oder zumindest teilweise als ein flüchtiger Datenspeicher (z.B. als ein RAM - random access memory) ausgestaltet sein. Durch den Computer oder Computerverbund kann eine Prozessorschaltung mit zumindest einem Mikroprozessor bereitgestellt sein. Die Befehle können als Binärcode oder Assembler und/oder als Quellcode einer Programmiersprache (z.B. C) bereitgestellt sein.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Faserverbundbauteil;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das Faserverbundbauteil;
Fig. 3 eine schematische Seitendarstellung des Faserverbundbauteils; und
Fig. 4 in schematischer Darstellung einen Signalflussgraphen eines Verfahrens zur Verortung einer Verformung in einem Faserverbundbauteil. Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
In Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 skizziert. Das Kraftfahrzeug 1 weist ein Unterbodenelement 2 auf, das in einer Hochrichtung (z-Richtung) des Kraftfahrzeugs 1 unterhalb einer Antriebsbatterie 3 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet ist. Die Antriebsbatterie 3 weist mehrere Batteriezellen 4 sowie ein Batteriegehäuse 5 auf. Ein Batteriegehäuseboden 6 des Batteriegehäuses 5 grenzt in Querrichtung zur Hochrichtung flächig an das Unterbodenelement 2 an. Die Querrichtung zur Hochrichtung (z-Richtung) ist hier eine Längsrichtung (x-Richtung) und/oder eine Breitenrichtung (y- Richtung) des Kraftfahrzeugs 1 . Des Weiteren ist in Fig. 1 ein Stoßfänger 7 des Kraftfahrzeugs 1 skizziert.
In Fig. 2 ist ein Faserverbundbauteil 8 skizziert, das beispielsweise in das Unterbodenelement 2, den Batteriegehäuseboden 6 und/oder den Stoßfänger 7 des Kraftfahrzeugs 1 integriert sein kann. Im Falle des Stoßfängers 7 kann es in eine Außenwand des Stoßfängers 7 integriert sein.
Das Faserverbundbauteil 8 umfasst mehrere Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12. Hier sind zwei nebeneinander in x-Richtung angeordnete Sensorvorrichtungen 9, 10 und zwei in y-Richtung nebeneinander angeordnete Sensorvorrichtungen 11 und 12 hervorgehoben dargestellt. Vier Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 können eine minimale Anzahl an Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 des Faserverbundbauteils 8 darstellen.
Die x-Richtung entspricht der Längsrichtung des Faserverbundbauteils 8, die x-Richtung der Breitenrichtung und die z-Richtung der Hochrichtung. Exemplarisch sind hier in der Breitenrichtung (y-Richtung) noch eine dritte Sensorvorrichtung 9, 10, 11 , 12 und in der Längsrichtung (x-Richtung) noch zwei weitere Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 vorgesehen. Andere Anzahlen und Anordnungen der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 sind möglich.
Jede der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 weist jeweils zumindest einen elektrisch leitfähigen Sensordraht 13, 14 auf, der in ein flächiges Trägermedium integriert ist. Jede der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 weist zudem eine Spannungserfassungseinrichtung 15 auf, die eine an dem jeweiligen Sensordraht 13, 14 anliegende Spannung erfassen kann. Die Spannungserfassungseinrichtungen 15 sind beispielsweise als Voltmeter ausgebildet.
Es kann zudem eine Steuervorrichtung 16 vorgesehen sein, die beispielsweise dazu ausgebildet ist, die von den Spannungserfassungseinrichtungen 15 bereitgestellten Daten auszuwerten und gegebenenfalls Daten an eine andere Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs 1 zu übermitteln. Die Steuervorrichtung 16 kann in das Faserverbundbauteil 8 integriert sein oder außerhalb dessen angeordnet sein. Die Steuervorrichtung 16 kann dem Kraftfahrzeug 1 zugeordnet sein.
In Fig. 2 werden zwei verschiedene Sensorschichten 17, 18 hervorgehoben, wobei sich die vier Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12, die in der Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind, das heißt hier zumindest die Sensorvorrichtungen 9, 10, in der ersten Sensorschicht 17, und die drei Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12, die in der Breitenrichtung nebeneinander angeordnet sind, das heißt hier zumindest die Sensorvorrichtungen 11 , 12, in der zweiten Sensorschicht 18 befinden. Die erste Sensorschicht 17 und die zweite Sensorschicht 18 sind voneinander räumlich getrennt, sodass beispielsweise kein Strom zwischen einem oder mehreren der Sensordrähte 13, 14 der ersten Sensorschicht 17 und einem oder mehreren Sensordrähten 13, 14 der zweiten Sensorschicht 18 fließen kann.
Der Sensordraht 13 und die zu diesem parallel verlaufenden Sensordrähte 13 sind in der ersten Sensorschicht 17 angeordnet. Die hier senkrecht zu den Sensordrähten 13 angeordneten Sensordrähte 14 sind der zweiten Sensorschicht 18 zugeordnet. Hierdurch wird deutlich, dass das Faserverbundbauteil 8 zwei in der Hochrichtung räumlich voneinander getrennte Sensorschichten 17, 18 aufweist, die jeweils zumindest zwei der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 aufweisen, die in einer Querrichtung zur Hochrichtung, das heißt in der Längsrichtung und/oder in der Querrichtung, nebeneinander angeordnet sind. Es wird zudem deutlich, dass die Haupterstreckungsrichtung der Sensordrähte 13 parallel zur Breitenrichtung angeordnet ist und die Haupterstreckungsrichtung der Sensordrähte 14 in der Längsrichtung. Dadurch ergibt sich, dass die Haupterstreckungsrichtungen der Sensordrähte 13, 14 der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 der beiden Sensorschichten 17, 18 sich kreuzend angeordnet sind, hier sogar senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zueinander. Die einzelnen Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 bilden somit ein Gitter und/oder Raster.
Den einzelnen Sensorvorrichtungen 9, 10 der ersten Sensorschicht 17 ist ein jeweiliger Teilbereich 19 zugeordnet und den einzelnen Sensorvorrichtungen 11 , 12 der zweiten Sensorschicht 18 ein davon abweichender jeweiliger Teilbereich 20. Die Teilbereiche 19, 20 umfassen jeweils einen Teil einer senkrecht zur Hochrichtung angeordneten Fläche 22 (siehe Bezugszeichen 22 in Fig. 3) des Faserverbundbauteils 8. Die Fläche 22 wird also von der x- und y-Richtung aufgespannt.
Es sind ferner Überlappungsbereiche 21 rein exemplarisch für die vier Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 in Fig. 2 eingezeichnet, in denen sich die Teilbereiche 19, 20 der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 jeweils überlappen. Im hier skizzierten Beispiel sind insgesamt zwölf derartige Überlappungsbereiche 21 möglich. Falls beispielsweise die einzelnen Teilbereiche 19 der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 in der Längsrichtung durchnummeriert werden von 1 bis 4 und die Teilbereiche 20 der einzelnen Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 in der Breitenrichtung mit Buchstaben bezeichnet werden, beispielsweise hier mit den Buchstaben A, B, C, ergeben sich somit folgende Überlappungsbereiche 21 : 1A, 2A, 3A, 4A, 1 B, 2B, 3B, 4B, 1C, 2C, 3C, 4C. Diese verlaufen in der genannten Reihenfolge zeilenweise, jeweils von links nach rechts in x-Richtung, von oben nach unten in y-Richtung.
Innerhalb jeder Sensorvorrichtung 9, 10, 11 , 12 kann der Sensordraht 13, 14, wie in Fig. 2 skizziert, beispielsweise einen rechteckig oder quadratisch um laufenden Bereich abdecken. Es kann alternativ oder zusätzlich dazu vorgesehen sein, dass der Sensordraht 13, 14 jeweils mäanderförmig in das flächige Trägermedium im Bereich der jeweiligen Sensorvorrichtung 9, 10, 11 , 12 integriert ist.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch das Faserverbundbauteil 8 von Fig. 2 skizziert. Es wird deutlich, dass die beiden Sensorschichten 17, 18 räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Sensorschichten 17, 18 ist hier eine Zwischentextilschicht 23 aus dem flächigen Trägermedium angeordnet. Zudem ist hier an der der Zwischenschicht23 abgewandten Seite der jeweiligen Sensorschicht 17, 18 zumindest eine weitere Textilschicht 24 aus dem flächigen Trägermedium angeordnet. In Fig. 3 ist zudem ein oberer Bereich 25 des Faserverbundbauteils 8 hervorgehoben, der die ersten fünf Schichten in der Hochrichtung oben umfasst, von denen drei als reine Textilschicht 24 inklusive der Zwischentextilschicht 23 ausgebildet sind, die jeweils beidseitig die Sensorschichten 17, 18 in der Hochrichtung umrahmen.
In Fig. 4 ist ein Verfahren zur Verortung einer Verformung im Faserverbundbauteil 8 skizziert. In einem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Erfassen von Spannungsdaten 26 mittels beispielsweise der einzelnen Spannungserfassungseinrichtungen 15, wobei dies für alle Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 durchgeführt wird. Mit anderen Worten ist die jeweilige Sensorvorrichtung 9, 10, 11 , 12 dazu ausgebildet, mittels der Spannungserfassungseinrichtung 15 die Spannungsdaten 26, die die am jeweiligen Sensordraht 13, 14 anliegende Spannung beschreiben, zu erfassen. In einem Verfahrensschritt S2 wird daraufhin in Abhängigkeit von einer Änderung 27 der erfassten Spannungsdaten 26 ein Änderungswert bestimmt, der die Änderung 27 der erfassten Spannungen beschreibt. Dies erfolgt für jede Sensorvorrichtung 9, 10, 11 , 12. Anhand der Änderung 27 der erfassten Spannungsdaten für die jeweilige Sensorvorrichtung 9, 10, 11 , 12 kann letztendlich eine Verformung des Sensordrahts 13, 14 festgestellt werden.
In einem Verfahrensschritt S3 wird überprüft, ob in zumindest einer der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 die festgestellte Änderung 27 der erfassten Spannungsdaten 26 größer als ein Änderungsgrenzwert 28 ist. Nur falls dies der Fall ist, können in einem Verfahrensschritt S4 Ortsdaten 29 bereitgestellt werden, die einen Ort der Sensorvorrichtung 9, 10, 11 , 12 im Faserverbundbauteil 8 beschreiben, für die die Verformung des Sensordrahts 13, 14 festgestellt wurde, da der Änderungsgrenzwert 28 überschritten wurde.
Es kann daraufhin in einem Verfahrensschritt S5 ein Überprüfen erfolgen, ob in beiden Sensorschichten 17, 18 für zumindest eine der dortigen Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 die Ortsdaten 29 ermittelt wurden. Falls dies der Fall ist, werden in einem Verfahrensschritt S6 Überlappungsdaten 30 ermittelt, die den Überlappungsbereich 21 der Teilbereiche 19, 20 der Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 beschreiben, für die die Ortsdaten 29 ermittelt wurden, da für diese der Änderungsgrenzwert 28 überschritten wurde. Die Ortsdaten 29 beschreiben hierbei unter anderem den Teilbereich 19, 20, dem die Sensorvorrichtung 9, 10, 11 , 12 zugeordnet ist, für die die Spannungsdaten 26 bereitgestellt sind. Es kann zudem oder alternativ bei einem erfolgreichen Überprüfungsschritt S3 ein Verfahrensschritt S7 vorgesehen sein, in dem eine Warnmeldung 31 erzeugt und beispielsweise im Kraftfahrzeug 1 bereitgestellt wird. Die Warnmeldung 31 kann eine akustische und/oder optische Warnmeldung 31 sein.
Es ist vorgesehen, dass der Sensordraht 13, 14 beispielsweise aus Karbonfaser, einem mit Metall beschichteten Kunststofffilament und/oder aus Konstanten hergestellt ist. Die Verformung, die festgestellt wird, bewirkt ein Ändern des elektrischen Widerstands im Sensordraht 13, 14. Die Verformung kann kraftinduziert und/oder temperaturinduziert sein. Es ist vorgesehen, dass die temperaturinduzierte Verformung lediglich bei schnellen und starken Temperaturerhöhungen von beispielsweise 500 bis 1000 Kelvin innerhalb von wenigen Sekunden oder Minuten zu derartigen Verformungen führt, dass die Änderung 27 der erfassten Spannungsdaten 26 größer als der Änderungsgrenzwert 28 sein kann.
Als Reaktion auf die Warnmeldung 31 und/oder die bereitgestellten Ortsdaten 29 können vorgegebene Maßnahmen ausgelöst werden, beispielsweise eine Abschaltung oder Entladung lokaler Batteriezellen, die im Bereich des Überlappungsbereichs angeordnet sind; eine Warnung an den Fahrer durch Ausgeben der Warnmeldung 31 mittels einer Ausgabeeinrichtung im Kraftfahrzeug 1 und/oder weitere Maßnahmen, wie beispielsweise ein sofortiges Stilllegen des Fahrzeugs und eine Bitte an den Fahrer, das Kraftfahrzeug 1 zu verlassen.
Insgesamt zeigen die Beispiele eine Sensormatrix, Schadenslokalisation und Tracking. Hierbei ist eine vollständige Entkopplung der Sensorschichten 18, 19 in x- und y-Richtung dadurch erreicht, dass die Trägerstruktur mit integriertem Sensordraht 13, 14 in unterschiedlichen Sensorschichten 18, 19 angeordnet ist. Kurzschlüsse oder aufwendige Isolierungen der Sensordrähte 13, 14 können dadurch vermieden werden. Insgesamt ist eine definierte Anzahl an Sensorvorrichtungen 9, 10, 11 , 12 senkrecht zueinander in den verschiedenen Sensorschichten 17, 18 angeordnet. Die entsprechenden Sensordrähte 13, 14 sind direkt in das Faserverbundbauteil 8 integriert, befinden sich jedoch auf unterschiedlichen Sensorschichten 17, 18 und somit auf unterschiedlichen Ebenen im Faserverbundbauteil 8. Sie bilden somit jeweils einen getrennten Stromkreis zueinander, und es ist eine besonders engmaschige Überlagerung in der Querrichtung zur Hochrichtung möglich. Je nach Anwendungsfall kann diese entsprechend gewählt werden. Letztendlich können verschiedene Faserverbundbauteile 8 derart ausgebildet sein, wie das Unterbodenelement 2, diverse Schutzplatten, wie beispielsweise der Stoßfänger 7, und/oder das Batteriegehäuse 5. Zum einen ist die Lokalisation der auftretenden Deformation in einem definierten Bereich möglich. Beispielsweise kann softwaretechnisch der Widerstand gewählt werden, der als Änderungsgrenzwert 28 gewählt wird, sodass beispielsweise ein schnell auslösendes oder weniger schnell auslösendes Verfahren bereitgestellt sein kann. Es sind somit Tracking und Zuordnung von auftretenden Deformationen über einen Bauteillebenszyklus möglich. Ferner ist jedoch die Lokalisierung der Temperaturanstiege beispielsweise innerhalb der Batteriezelle, ausgelöst durch lokale Batterieentgasung nach unten, möglich. Die lokale Batterieentgasung einzelner Batteriezellen 4 kann somit unmittelbar erkannt werden. Die Lokalisation eines lokalen thermischen Events oder eines mechanischen Events kann definierte Maßnahmen auslösen, wie sie bereits genannt wurden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1 . Faserverbundbauteil (8) für ein Kraftfahrzeug (1 ), umfassend mehrere Sensorvorrichtungen (9, 10, 11 , 12), die jeweils zumindest einen elektrisch leitfähigen Sensordraht (13, 14) aufweisen, der in ein flächiges Trägermedium integriert ist, wobei jede der Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) dazu ausgebildet ist, Spannungsdaten (26), die eine am jeweiligen Sensordraht (13, 14) anliegende Spannung beschreiben, zu erfassen und in Abhängigkeit einer Änderung (27) der erfassten Spannungsdaten (26) für die jeweilige Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) eine Verformung des jeweiligen Sensordrahts (13, 14) festzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundbauteil (8) zwei in einer Hochrichtung räumlich voneinander getrennte Sensorschichten (17, 18) aufweist, die jeweils zumindest zwei der Sensorvorrichtungen (9, 10, 11 , 12) aufweisen, die in einer Querrichtung zur Hochrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei Haupterstreckungsrichtungen der Sensordrähte (13, 14) der Sensorvorrichtungen (9, 10, 11 , 12) der beiden Sensorschichten (17, 18) sich kreuzend, insbesondere senkrecht zueinander, angeordnet sind, und das Faserverbundbauteil (8) dazu ausgebildet ist, für die jeweilige Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12), für die die Verformung des Sensordrahts (13, 14) festgestellt wurde, Ortsdaten (29) bereitzustellen, die einen Ort der Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) im Faserverbundbauteil (8) beschreiben.
2. Faserverbundbauteil (8) nach Anspruch 1 , wobei das Faserverbundbauteil (8) dazu ausgebildet ist, zu überprüfen, ob in zumindest einer der Sensorvorrichtungen (9, 10, 11 , 12) die festgestellte Änderung (27) der erfassten Spannungsdaten (26) größer als ein Änderungsgrenzwert (28) ist, und, nur falls dies der Fall ist, eine Warnmeldung (31 ) zu erzeugen und/oder die Ortsdaten (29) zu der Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) bereitzustellen.
3. Faserverbundbauteil (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich jede der Sensorvorrichtungen (9, 10, 11 , 12) über einen Teilbereich (19, 20) einer senkrecht zur Hochrichtung angeordneten Fläche (22) des Faserverbundbauteils (8) erstreckt und die den Ort der jeweiligen Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) beschreibenden Ortsdaten
(29) den Teilbereich (19, 20) beschreiben.
4. Faserverbundbauteil (8) nach Anspruch 3, wobei sich der Teilbereich (19, 20) jeder Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12), die in einer der beiden Sensorschichten (17, 18) angeordnet ist, mit den Teilbereichen (19, 20) der mindestens zwei Sensorvorrichtungen (9, 10, 11 , 12), die in der anderen Sensorschicht (17, 18) angeordnet sind, überlappt und das Faserverbundbauteil (8) dazu ausgebildet ist, falls in beiden Sensorschichten (17, 18) jeweils zumindest für eine Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) die Ortsdaten (29) ermittelt wurden, Überlappungsdaten
(30), die einen Überlappungsbereich (21) der Teilbereiche (19, 20) der Sensorvorrichtungen (9, 10, 11 , 12), für die die Ortsdaten (29) ermittelt wurden, beschreiben, zu ermitteln.
5. Faserverbundbauteil (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den beiden Sensorschichten (17, 18) eine Zwischentextilschicht (23) aus dem flächigen Trägermedium angeordnet ist.
6. Faserverbundbauteil (8) nach Anspruch 5, wobei an eine der Zwischentextilschicht (23) abgewandten Seite der jeweiligen Sensorschicht (17, 18) zumindest eine weitere Textilschicht (24) aus dem flächige Trägermedium angrenzt.
7. Faserverbundbauteil (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensordraht (13, 14) dazu ausgebildet ist, bei einer Verformung, insbesondere einer kraftinduzierten und/oder temperaturinduzierten Verformung, einen elektrischen Widerstand zu ändern. Unterbodenelement (2) für ein Kraftfahrzeug (1 ), wobei das Unterbodenelement (2) als Faserverbundbauteil (8) nach einem der vorergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei insbesondere in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage des Unterbodenelements (2) im Kraftfahrzeug (1 ) die beiden Sensorschichten (17, 18) jeweils in Hochrichtung des Kraftfahrzeugs (1 ) in einem oberen Bereich (25) des Unterbodenelements (2) angeordnet sind. Kraftfahrzeug (1 ) mit einem Faserverbundbauteil (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Faserverbundbauteil (8) insbesondere als Unterbodenelement (2) und/oder als Batteriegehäusewand ausgebildet ist. Verfahren zur Verortung einer Verformung in einem Faserverbundbauteil (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mittels jeder Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) des Faserverbundbauteils (8) Spannungsdaten (26), die eine am jeweiligen Sensordraht (13, 14) anliegende Spannung beschreiben, erfasst werden, in Abhängigkeit einer Änderung (27) der erfassten Spannungsdaten (26) eine Verformung des Sensordrahts (13, 14) für die jeweilige Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) festgestellt wird und für die jeweilige Steuervorrichtung (16), für die die Verformung des Sensordrahts (13, 14) festgestellt wurde, Ortsdaten (29), die einen Ort der Sensorvorrichtung (9, 10, 11 , 12) im Faserverbundbauteil (8) beschreiben, bereitgestellt werden, wobei die Ortsdaten (29) die Verformung im Faserverbundbauteil (8) verorten.
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