CN110027394A - 加强结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于保护车辆动力源例如电池组(3)或燃料电池的加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)。加强结构沿彼此垂直的第一、第二和第三方向(D1，D2，D3)延伸，其中加强结构沿第一和第二方向的延伸是沿第三方向的延伸的至少5倍。加强结构具有在由第一和第二方向所跨越的平面中所见的锥形形状。本发明还涉及加强单元(29a，29b)、车辆动力源设备(9)和车辆(1)。

Description

加强结构
技术领域
本发明涉及一种用于保护车辆动力源例如电池组或燃料电池(fuel cell)的加强结构。本发明还涉及加强单元、车辆动力源设备和车辆。
背景技术
车辆例如电动车辆或混合动力车辆设置有除内燃发动机以外的其它种类的车辆动力源，例如车用电池组或燃料电池。例如如果车辆遭受撞击，则通常需要保护车辆动力源免受碰撞。
专利文献US2017/0240207A1公开了一种用于电池的框架结构，其包括下部框架、中间框架和上框架。电池位于下部框架与中间框架之间。在中间框架与上框架之间形成上空间。当外部荷载施加于框架结构时，中间框架向上变形。
专利文献DE202016100631A1公开了用于车辆车用电池的外壳。外壳包括：多个侧壁、顶壁和底壁。每一个壁包括多个平行的T形导轨。顶壁和底壁上的T形导轨水平延伸，并且一些侧壁上的T形导轨竖直延伸。多个细长紧固元件安装在T形导轨之间。在一个例示实施例中，紧固元件具有半圆筒形吸振型面。
但是，期望进一步提高对车辆动力源的保护。因此期望提供能够吸收荷载的保护，但其仅增加较低的重量并且不会达到过高的高度。
发明内容
本发明的一个目标是克服或改良现有技术的至少一个缺陷或提供有用的可选方案。
通过本发明的主题实现上述目标。
因而，根据本发明，提供了一种用于保护车辆动力源例如电池组或燃料电池的加强结构。加强结构在彼此垂直的第一、第二和第三方向上延伸，其中加强结构在第一和第二方向上的延伸是在第三方向上的延伸的至少5倍。加强结构具有在第一和第二方向所跨越的平面上所见的锥形形状。
加强结构藉此具有基本上二维的延伸，例如其长度和宽度比其高度大得多。长度和宽度——即在第一和第二方向上的延伸是在第三方向上的延伸的至少5倍、优选至少10倍、更优选至少20倍。
加强结构的方向对应于加强结构意图被安装至的车辆的方向。假定车辆竖立于平地上，则第一方向藉此对应于车辆的纵向，第二方向对应于车辆的横向并且第三方向对应于车辆的高度方向。
加强结构的形状是在第一和第二方向所跨越的平面中所见的锥形，即当加强结构的三维形状投影到由第一和第二方向所跨越的平面并且因而形成该平面上的二维形状时。
车辆动力源可被外壳至少部分地围绕和/或保护，该外壳包括被构造为承载车辆动力源的一个或多个底壁、被构造为覆盖从而自上方密封车辆动力源的顶盖、前壁，后壁、被构造为保护车辆动力源侧面的第一侧壁和第二侧壁。可以有位于车辆动力源内部或沿车辆动力源前侧和后侧的一个或多个横梁，横梁在车辆的横向上延伸。典型地，侧壁和/或横梁被挤压成型(extruded)，使得它们的横截面包括内室(internal cells)和/或内壁。
在侧面碰撞例如与柱杆侧面撞击的情形下，加强结构能够重新分配从车辆侧面施加于车辆的荷载。荷载能够从最接近侧面碰撞的侧壁被重新分配至一个或多个横梁和/或底壁。在车辆动力源下面(例如沿车辆动力源的底壁)以及在车辆动力源上面(例如沿由根据本发明的一个或多个加强结构所加强的顶盖)均具有荷载路径。这将有助于防止侧壁倾斜，而现有技术没有加强结构的方案存在倾斜的风险。因此，与现有技术的方案相比，由于侧面碰撞而对车辆动力源的侵入更少。因而对车辆动力源的影响也更小。
此处所述的加强结构也可以下述方式定位在车辆中，即，使得加强结构有助于在涉及车辆的正面碰撞或后部碰撞中保护车辆动力源。在那种情况下，假定车辆竖立于平地上，则第一方向对应于车辆的横向，第二方向对应于车辆的纵向，第三方向对应于车辆的高度方向。
因此根据本发明，提供了一种车辆动力源保护，其能够吸收荷载，但仅增加较低重量且不会达到过高高度。
锥形形状可连续地减小、优选规律地连续减小。形状可以是三角形、优选具有直角三角形的形状。在那种情况下，三角形的两个较短边优选与加强结构的第一和第二方向重合。
加强结构在第一方向(对应于加强结构的宽度且典型地意图在车辆的纵向)上的最大延伸可在5-50cm、优选5-40cm、更优选10-30cm、最优选15-25cm的范围内。
加强结构在第二方向(对应于加强结构的长度且典型地意图在车辆的横向)上的最大延伸可在20-150cm、优选25-125cm、更优选30-100cm、最优选40-70cm的范围内。
加强结构在第三方向(对应于加强结构的高度且意图在车辆的高度方向)上的最大延伸可在0<c≤5cm、优选0.3≤c≤3cm、更优选0.5≤c≤2cm、最优选0.8≤c≤1.5cm的范围内。但是如上所述，所述长度和宽度是高度的至少5倍、优选至少10倍，更优选至少20倍。
加强结构可包括成形金属板或由成形金属板构成。金属板藉此例如通过在其内形成凹陷而成形，使得它包括至少一个凹槽并且优选包括被凹槽间隔开的多个脊部。在那种情况下，脊部和凹槽优选平行和等距离地延伸。可能有2-10个凹槽，优选2-8个、更优选2-5个、最优选2-4个凹槽。
加强结构可具有直角三角形的形状，其中脊部和凹槽平行于三角形的最长边。三角形的顶角可在5-75度、优选10-60度、更优选15-50度的范围内。
凹槽可具有0.2-10cm、优选0.5-8cm、更优选1-5cm、最优选地1-3cm范围内的底宽。凹槽的底部优选是平坦的从而适于焊接于顶盖，顶盖覆盖车辆动力源从而自上方密封它。凹槽的底宽可适合于焊接工具的尺寸。可利用若干附接物(例如焊点)将加强结构附接于顶盖，例如以焊点之间10-40mm范围内的距离。作为焊接的替换方案或补充，凹槽可例如通过粘着剂连续地附接于顶盖。
凹槽的宽度被确定为最窄宽度。因而该宽度被典型地确定在垂直于凹槽延伸方向的方向上。
两个相邻凹槽之间的c-c距离可以在0.4-20cm、优选1-16cm、更优选2-10cm、最优选4-8cm的范围内。距离被确定为两个相邻凹槽之间中心到中心的距离。
典型地，加强结构被附接于侧壁之一上，例如通过粘着剂和/或螺栓，例如M8尺寸的螺栓。如果加强结构具有三角形形状，则它典型地沿三角形的第一边附接。
进一步地，加强结构典型地被附接于横梁之一，例如通过粘着剂和/或螺栓，例如M8尺寸的螺栓。如果加强结构具有三角形形状，则它典型地沿三角形的第二边附接。在那种情况下，在三角形的第一与第二边之间典型地形成直角I。
本发明还涉及包括多个例如两个、三个、四个、六个、八个或更多个此处所述加强结构的加强单元。优选地，多个加强结构被设置成使得如第一和第二方向所跨越的平面所见，第一加强结构形成相邻第二加强结构的镜像。
如果加强单元包括两个以上的加强结构，则它们可成对地彼此形成镜像。已经发现，由一块金属板将两个这样相邻的加强结构形成为共同单元是有益的。两个相邻的加强结构于是共同形成加强单元。可选地，两个以上例如三个、四个、六个、八个或更多个加强结构可形成共同加强单元。例如将车辆相同侧处的所有加强结构形成为共同加强单元是有益的。还可能将所有加强结构形成为共同加强单元。
本发明进一步涉及一种车辆动力源设备，其包括车辆动力源例如电池组或燃料电池以及至少一个此处所述的加强结构或加强单元、优选此处所述的多个加强结构或多个加强单元。
车辆动力源设备可包括此处所述的顶盖，其被构造为覆盖从而自上方密封车辆动力源。至少一个加强结构或加强单元意图位于顶盖处、优选位于顶盖的顶部上。进一步地，至少一个加强结构或加强单元优选附接于顶盖，例如通过点焊或凸焊。在凸焊中，通过凸出部段(也称为突出部)在加强结构和顶盖之一或二者上定位焊接点。电流随后集中在突出部处从而提供焊接。
作为选项，顶盖可成形为使得它包括若干突出部，所述突出部优选位于加强结构附接于顶盖的位置处，例如在焊点处。这些突出部非常小，例如具有小于20mm或者小于15mm的直径。藉此，加强结构在那些突出部处与顶盖物理接触，并且在突出部以外没有物理接触或基本没有物理接触。这将有助于减少在加强结构与顶盖之间捕集水分的风险，水分可能导致腐蚀。
车辆动力源设备可包括此处所述的底壁，其被构造为承载车辆动力源。至少一个加强结构或加强单元可能位于底壁处，在其上侧或下侧处，优选被附接于底壁，例如通过点焊或凸焊。
在车辆动力源设备包括沿车辆动力源的横向侧延伸的至少一个侧壁以及延伸过车辆动力源或沿其正面或后侧延伸的至少一个横梁的情形下，加强结构可包括在横梁与侧壁之间延伸的至少一个支杆、优选在横梁与侧壁之间延伸的多个支杆、更优选在横梁与侧壁之间平行延伸的支杆，或由在横梁与侧壁之间延伸的至少一个支杆、优选在横梁与侧壁之间延伸的多个支杆、更优选在横梁与侧壁之间平行延伸的支杆构成。
支杆于是形成上述成形金属板的替换方案或补充。支杆和它们的间隙可对应于此处所述的脊部和凹槽，例如使得支杆平行地延伸至上述三角形形状的最长边。支杆自身在那种情况下可附接于顶盖。可能有例如平行延伸的1-10个支杆、优选2-8、更优选2-5、最优选2-4个支杆。
本发明还涉及包括此处所述的加强结构、加强单元和/或车辆动力源设备的车辆。
附图说明
下面将进一步参照附图通过非限定性示例说明本发明，其中：
图1示出根据本发明的车辆。
图2示出根据本发明的车辆动力源设备。
图3是图2的车辆动力源设备的分解图。
图4是图2的车辆动力源设备的横截面图。
图5是根据本发明的成对加强结构的俯视图。
图6是图5的加强结构之一的横截面图。
应当注意，附图仅为示意性的且各个部件不一定是按比例的并且为了清楚起见本发明某些特征的尺寸也许已被放大。
具体实施方式
在下文中将通过实施例例示本发明。但是应当认识到，所包括的实施例是为了解释本发明的原理而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。一个实施例的特征可与任何其它实施例的一个或多个特征组合。
图1示出用于公用道路的车辆1——这种情形下为小汽车。车辆1沿彼此垂直的纵向X、横向Y和高度方向Z延伸。纵向X是车辆1的正常驾驶方向。横向Y是车辆1的横穿方向。
车辆1包括车辆电池组3形式的车辆动力源。电池组3位于纵向侧梁5、7，也称为底梁(sill members)之间，纵向侧梁(底梁)形成车辆1的框架的一部分。电池组3包括多个电池组件并且形成车辆动力源设备9的一部分。
图2是示出所述车辆动力源设备9的更详细视图。图3示出车辆动力源设备9的分解图。
顶盖11位于电池组3的顶部上，从而形成电池组3的保护罩，该保护罩从上方密封电池组3。在顶盖11的顶部上设置有多个加强结构13a、13b……，它们优选附接于顶盖11，优选通过点焊或凸焊附接于顶盖11。在所示的实施例中有12个加强结构13a、13b……，下面将更详细地描述。顶盖11优选具有成形表面，使得在焊接位置处具有突出部27。这还结合图6更详细地描述。
车辆动力源设备9的第一方向D1因而每个加强结构13a、13b……的第一方向D1与车辆1的纵向X重合。第二方向D2与车辆1的横向Y重合。第三方向D3与车辆1的高度方向Z重合。
底壁15位于电池组3下面。具有沿电池组3的横向侧定位(即在第一方向D1上延伸)的侧壁17a、17b。横梁20a、20b、20c、20d在车辆1的横向即第二方向D2上延伸。电池组件位于横梁20a、20b、20c、20d之间，如图3所示。在图2中，两行电池组件和顶盖11的一部分被移除从而更好地呈现车辆动力源设备9的结构。底壁15、顶盖11、侧壁17a、17b、前横梁20a和后横梁20d共同形成电池组3周围的外壳。
加强结构13a、13b……基本上成形为三角形。它们如图所示可以规则的方式设置使得每个加强结构13a、13b……形成其相邻加强结构13a、13b……的镜像。每个加强结构13a、13b……例如通过粘着剂和/或如M8尺寸的螺栓24沿三角形的第一边被附接于侧壁17a、17b之一。进一步地，每个加强结构13a、13b……还例如通过粘着剂和/或如M8尺寸的螺栓24沿三角形的第二边附接于横梁20a、20b、20c、20d之一。三角形的第一边与第二边之间形成直角。
如上所述，加强结构成对地形成彼此的镜像-图像。已经发现，由一件片材形成作为共同单元的多个例如两个、三个、四个、六个、八个或更多加强结构是有益的。在所示实施例中，六个加强结构13a、13b、13c、13d、13e、13f，即在电池组3相同横向侧的所有加强结构形成共同加强单元29a，参见图2，并且在另一横向侧处同样形成共同加强单元29b。还可能将两个横向侧处的所有加强结构形成为共同加强单元。
在图2中进一步示出柱杆19，参见虚线，从而示出可能的侧面碰撞情况。在该示例中，柱杆19将撞击在横梁20b、20c之间。
在侧面碰撞例如与柱杆19侧面碰撞的情形下，加强结构13a、13b……能够重新分配从车辆1的侧面施加于车辆1的负载。参见图4的横截面图。在该示例中负载将从侧壁17a重新分配至横梁20a、20b、20c、20d并且至底壁15。在电池组3下面即沿着底壁15并且在电池组3上方即沿着由加强结构13b、13c加强的顶盖11将有由箭头示出的负载路径。这将有助于防止侧壁17a倾斜，在现有技术的方案中没有加强结构，存在倾斜的风险。因此，与现有技术的方案相比，由于侧面碰撞而对电池组3的干扰更少。因而侧面碰撞对电池组3的影响更小。
在图4中示意性地示出纵向侧梁5——也被称为底梁。纵向侧梁5、7典型地由金属板制成，其已被冲压、压力加工或弯曲以获得期望的横截面形状。
此外，在图4中示意性地示出侧壁17a。典型地，侧壁17a、17b和横梁20a、20b、20c、20d被挤压成形，使得它们的横截面包括内室和/或内壁。
图5示出两个加强结构13c、13d的俯视图。图6示出沿图5中直线A-A的一个加强结构13c的横截面图。使用了与图2相同的方向。
如上所述，加强结构13c沿以第一方向D1延伸的三角形第一边附接于侧壁17a，例如通过螺栓24。进一步地，加强结构13c如图所示沿以第二方向D2延伸的三角形第二边通过螺栓24附接于位于电池组3内部的其中一个横梁20b。在加强结构13c的第一边与第二边之间形成直角。
加强结构13c由金属板形成，其通过在金属板内形成凹陷而设有脊部21a、21b、21c和中间凹槽23a、23b、23c。脊部21a、21b、21c如图所示优选等间距并且彼此平行地延伸。相应地，凹槽23a、23b、23c等间距并且彼此平行地延伸。加强结构13c具有直角三角形的形状，其中脊部21a、21b、21c和凹槽23a、23b、23c平行于三角形的最长边。三角形的顶角α在5-75度、优选10-60度、更优选15-50度的范围内。
加强结构在第一方向D1上的最大延伸a(参见图5)在5-50cm、优选5-40cm、更优选10-30cm、最优选15-25cm的范围内。
加强结构在第二方向D2上的最大延伸b(参见图5)在20-150cm、优选25-125cm、更优选30-100cm、最优选40-70cm的范围内。
加强结构在第三方向D3上的最大延伸c(参见图6)在0<c≤5cm、优选0.3≤c≤3cm、更优选0.5≤c≤2cm、最优选0.8≤c≤1.5cm的范围内。
在加强结构第一和第二方向D1、D2上的延伸a、b是在第三方向D3上的延伸c的至少5倍、优选至少10倍、更优选至少20倍。
凹槽23a、23b、23c具有在0.2-10cm、优选0.5-8cm、更优选1-5cm、最优选地1-3cm范围内的底宽w。凹槽23a、23b、23c的底部是平坦的从而适于焊接至顶盖11。底宽w可因此适应焊接工具的尺寸。若干附接物(在图3、5和6中示出为焊点25)可用于将加强结构13c附接于顶盖11。如上所述，顶盖11具有成形表面使得在用于焊接25的位置处具有突出部27。突出部27很小，例如具有小于20mm或小于15mm的直径。藉此，加强结构13c与顶盖11在那些突出部27处物理接触，而在突出部27以外没有物理接触或基本没有物理接触。这将有助于减少在加强结构13c与顶盖11之间存留水分的风险，水分可能有导致腐蚀的风险。
作为焊接的替代或补充，加强结构13c的凹槽可例如通过粘着剂连续地附接于顶盖11。
凹槽23a、23b、23c的宽度w被确定为最窄宽度。因而典型地沿垂直于凹槽23a、23b、23c延伸方向的方向确定。此外，图6所示的截面图取自这个方向，其如图5中虚线A-A所示。
两个相邻凹槽23a、23b、23c之间的c-c距离d典型地在0.4-20cm、优选1-16cm、更优选2-10cm、最优选4-8cm的范围内。距离d被确定为两个相邻凹槽23a、23b、23c之间中心到中心的距离。
在图4中示意性地示出横梁20b。典型地，横梁20a、20b、20c、20d被挤压，使得它们的横截面包括内室和/或内壁。
虽然所示的实施例表明加强结构13a、13b、13c、13d、13e、13f加固了顶盖11，但仍可有根据本发明加强底壁的其它加强结构的替换方案或补充方案。它们可以针对顶盖11描述的相应方式附接于底壁16。加强结构可位于底壁16的上侧或下侧。
作为图1-6所示的成形金属板的替换或补充方案，加强结构可包括在横梁20a、20b、20c、20d之一与侧壁17a、17b之一之间延伸的至少一个支杆、优选在横梁与侧壁之间延伸的多个支杆、更优选在横梁与侧壁之间平行延伸的支杆，或者由在横梁20a、20b、20c、20d之一与侧壁17a、17b之一之间延伸的至少一个支杆、优选在横梁与侧壁之间延伸的多个支杆、更优选在横梁与侧壁之间平行延伸的支杆构成。在那种情况下，支杆及它们之间的空隙对应于所示实施例的脊部和凹槽。支杆自身在那种情况下可附接于顶盖。可能有1-10个支杆、优选2-8、更优选2-5、最优选2-4个支杆，例如平行延伸。
在所附权利要求的范围内进行本发明的进一步改进是可行的。这样，不应当认为本发明受到实施例和此处附图的限制。相反，本发明的全部范围应当通过所附权利要求参照说明书和附图被确定。

Claims (15)

1.一种用于保护车辆动力源(3)的加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)，
所述加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)在彼此垂直的第一、第二和第三方向(D1，D2，D3)上延伸，其中所述加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)在所述第一和第二方向(D1，D2)上的延伸是在所述第三方向(D3)上的延伸的至少5倍，
其特征在于：
所述加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)具有在由所述第一和第二方向(D1，D2)跨越的平面中所见的锥形形状。
2.根据权利要求1所述的加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)，其中在由所述第一和第二方向(D1，D2)跨越的平面中所见的锥形形状连续地减小，优选规律地连续减小，更优选具有三角形的形状，最优选具有直角三角形的形状。
3.根据权利要求1或2所述的加强结构，其中所述加强结构在所述第一方向(D1)上的最大延伸(a)在5-50cm、优选5-40cm、更优选10-30cm、最优选15-25cm的范围内。
4.根据前述权利要求任意一项所述的加强结构，其中所述加强结构在所述第二方向(D2)上的最大延伸(b)在20-150cm、优选25-125cm、更优选30-100cm、最优选40-70cm的范围内。
5.根据前述权利要求任意一项所述的加强结构，其中所述加强结构在所述第三方向(D3)上的最大延伸(c)在0<c≤5cm、优选0.3≤c≤3cm、更优选0.5≤c≤2cm、最优选0.8≤c≤1.5cm的范围内。
6.根据前述权利要求任意一项所述的加强结构，其中所述加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)包括成形金属板或由成形金属板构成，所述成形金属板包括至少一个凹槽(23a，23b，23c)，优选包括被凹槽(23a，23b，23c)隔开的多个脊部(21a，21b，21c)，更优选地所述脊部(21a，21b，21c)和凹槽(23a，23b，23c)平行延伸。
7.根据权利要求6所述的加强结构，其中所述凹槽(23a，23b，23c)具有0.2-10cm、优选0.5-8cm、更优选1-5cm、最优选地1-3cm范围内的底宽(w)。
8.根据权利要求6或7所述的加强结构，其中两个相邻凹槽(23a，23b，23c)之间的c-c距离(d)在0.4-20cm、优选1-16cm、更优选2-10cm、最优选4-8cm的范围内。
9.一种包括多个根据前述权利要求任意一项所述的加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)的加强单元(29a，29b)，优选多个所述加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)被设置成使得如在所述第一和第二方向(D1，D2)跨越的平面中所见，第一加强结构(13c)形成相邻的第二加强结构(13d)的镜像。
10.一种车辆动力源设备(9)，包括：
-车辆动力源，例如电池组(3)或燃料电池，以及
-根据权利要求1-8任意一项所述的加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)或根据权利要求9所述的加强单元(29a，29b)中的至少一个，优选多个所述加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)或多个所述加强单元(29a，29b)。
11.根据权利要求10所述的车辆动力源设备(9)，进一步包括被构造为覆盖所述车辆动力源(3)的顶盖(11)，所述至少一个加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)或加强单元(29a，29b)位于所述顶盖(11)处，优选被附接于所述顶盖(11)，例如通过点焊(25)或凸焊。
12.根据权利要求10或11所述的车辆动力源设备(9)，进一步包括被构造为承载所述车辆动力源(3)的底壁(15)，所述至少一个加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)或加强单元(29a，29b)位于所述底壁(15)处，优选被附接于所述底壁(15)，例如通过点焊(25)或凸焊。
13.根据权利要求11或12所述的车辆动力源设备(9)，其中所述顶盖(11)和/或所述底壁(15)包括若干突出部(27)，所述突出部优选位于所述加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)附接于所述顶盖(11)或所述底壁(15)的位置处。
14.根据权利要求10-13任意一项所述的车辆动力源设备(9)，其中所述车辆动力源设备(9)包括沿所述车辆动力源(3)的横向侧延伸的至少一个侧壁(17a，17b)以及延伸过所述车辆动力源(3)或沿所述车辆动力源的前侧或后侧延伸的至少一个横梁(20a，20b，20c，20d)，其中所述加强结构包括在所述横梁(20a，20b，20c，20d)与所述侧壁(17a，17b)之间延伸的至少一个支杆，优选多个支杆，更优选所述支杆平行延伸，或所述加强结构由在所述横梁(20a，20b，20c，20d)与所述侧壁(17a，17b)之间延伸的至少一个支杆、优选多个支杆构成，更优选所述支杆平行延伸。
15.车辆(1)，包括根据权利要求1-8任意一项所述的加强结构(13a，13b，13c，13d，13e，13f)、权利要求9所述的加强单元(29a，29b)和/或根据权利要求10-14任意一项所述的车辆动力源设备(9)。
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