JP2014080117A

JP2014080117A - 車両用電池搭載構造

Info

Publication number: JP2014080117A
Application number: JP2012229331A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Hihara; 靖之日原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: JP6136187B2

Abstract

【課題】車両の側面衝突時に、繊維強化樹脂材料で成形されたバッテリフレームにおけるアンダーメンバとの固定部位の破損を抑制できるようにする。
【解決手段】フロアパネル１２の下面に車体前後方向に沿って接合され、車体骨格構造を構成する一対のアンダーメンバ１４と、フロアパネル１２の車体下方側に配置されるとともに、車幅方向外側端部にフランジ部２８が形成され、電池１６を支持する繊維強化樹脂製のバッテリフレーム２０と、バッテリフレーム２０のフランジ部２８を車体上方側及び車体下方側から挟み、フランジ部２８と共にアンダーメンバ１４に固定される延性部材３０と、を有する車両用電池搭載構造１０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電池搭載構造に関する。

電気自動車のフロア部の下側に配置される駆動用バッテリを収容するバッテリフレームを繊維強化樹脂材料で成形し、フロア部の下面の左右に配置されたサイドフレーム（アンダーメンバ）に固定した構造は、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６０６４１５号公報

しかしながら、バッテリフレームが繊維強化樹脂材料で成形されている場合、車両の側面衝突によって車幅方向外側から衝突荷重が入力されたときには、バッテリフレームにおけるアンダーメンバとの固定部位が破損するおそれがある。このように、車両の側面衝突時において、バッテリフレームにおけるアンダーメンバとの固定部位の破損を抑制する構造には、改善の余地がある。

そこで、本発明は、車両の側面衝突時に、繊維強化樹脂材料で成形されたバッテリフレームにおけるアンダーメンバとの固定部位の破損を抑制できる車両用電池搭載構造を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の車両用電池搭載構造は、フロアパネルの下面に車体前後方向に沿って接合され、車体骨格構造を構成する一対のアンダーメンバと、前記フロアパネルの車体下方側に配置されるとともに、車幅方向外側端部にフランジ部が形成され、電池を支持する繊維強化樹脂製のバッテリフレームと、前記バッテリフレームの前記フランジ部を車体上方側及び車体下方側から挟み、該フランジ部と共に前記アンダーメンバに固定される延性部材と、を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、バッテリフレームの車幅方向外側端部に形成されたフランジ部が延性部材によって車体上方側及び車体下方側から挟まれている。そして、その延性部材と共にフランジ部がアンダーメンバに固定されている。したがって、車両の側面衝突時に、アンダーメンバとの固定部位であるフランジ部に衝突荷重の一部が入力されても、延性部材により、そのフランジ部の破損が抑制される。

また、請求項２に記載の車両用電池搭載構造は、請求項１に記載の車両用電池搭載構造であって、車体上方側の前記延性部材は、車幅方向外側端部が下方に向けて屈曲され、前記フランジ部の車幅方向外側端部の少なくとも一部を覆うことを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、車体上方側の延性部材の車幅方向外側端部が下方に向かって屈曲され、フランジ部の車幅方向外側端部の少なくとも一部が覆われている。したがって、フランジ部の車幅方向外側端部が保護され、車両の側面衝突時において、フランジ部の破損が抑制又は防止される。

また、請求項３に記載の車両用電池搭載構造は、請求項１又は請求項２に記載の車両用電池搭載構造であって、車体下方側の前記延性部材は、車幅方向外側端部が上方に向けて屈曲され、前記フランジ部の車幅方向外側端部の少なくとも一部を覆うことを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、車体下方側の延性部材の車幅方向外側端部が上方に向かって屈曲され、フランジ部の車幅方向外側端部の少なくとも一部が覆われている。したがって、フランジ部の車幅方向外側端部が保護され、車両の側面衝突時において、フランジ部の破損が抑制又は防止される。

また、請求項４に記載の車両用電池搭載構造は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の車両用電池搭載構造であって、車体上方側の前記延性部材は、車幅方向内側端部が上方に向けて屈曲されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、車体上方側の延性部材の車幅方向内側端部が上方に向かって屈曲されている。したがって、車両の側面衝突時に、フランジ部が車体上方側へ曲げ変形されても、車体上方側の延性部材の車幅方向内側端部によるバッテリフレームの損傷が抑制又は防止される。

また、請求項５に記載の車両用電池搭載構造は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の車両用電池搭載構造であって、前記バッテリフレームは、前記フランジ部から車幅方向内側下部に向かって凸状とされた底部を有し、車体下方側の前記延性部材は、前記フランジ部から前記底部へ重ねられるように屈曲されていることを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、車体下方側の延性部材が、バッテリフレームのフランジ部から底部へ重ねられるように屈曲されている。したがって、車両の側面衝突時に、フランジ部に入力された衝突荷重の一部は、車体下方側の延性部材により、バッテリフレームの底部に効率よく伝達される。また、バッテリフレームのフランジ部から底部までの屈曲部分の損傷が抑制又は防止される。

以上、説明したように、請求項１に係る発明によれば、車両の側面衝突時に、繊維強化樹脂材料で成形されたバッテリフレームにおけるアンダーメンバとの固定部位であるフランジ部の破損を抑制することができる。

請求項２に係る発明によれば、車両の側面衝突時において、フランジ部の破損を抑制又は防止することができる。

請求項３に係る発明によれば、車両の側面衝突時において、フランジ部の破損を抑制又は防止することができる。

請求項４に係る発明によれば、車両の側面衝突時において、車体上方側の延性部材の車幅方向内側端部によるバッテリフレームの損傷を抑制又は防止することができる。

請求項５に係る発明によれば、車両の側面衝突時に、フランジ部に入力された衝突荷重の一部をバッテリフレームの底部に効率よく伝達することができるとともに、バッテリフレームのフランジ部から底部までの屈曲部分の損傷を抑制又は防止することができる。

本実施形態に係る車両用電池搭載構造を示す正断面図である。本実施形態に係る車両用電池搭載構造を備えた車両の側面にポールが衝突したときの状態を示す正断面図である。本実施形態に係る車両用電池搭載構造を備えた車両の側面にポールが衝突した後の状態を示す正断面図である。本実施形態に係る車両用電池搭載構造の変形例を一部拡大して示す正断面図である。比較例に係る車両用電池搭載構造を備えた車両の側面にポールが衝突した後の状態を示す正断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図において適宜示す矢印ＵＰを車体上方向、矢印ＩＮを車幅方向内側とする。また、以下の説明で、特記なく上下、左右の方向を用いる場合は、車体上下方向の上下、車体左右方向（車幅方向）の左右を示すものとする。更に、各図は車体の左側を示しているが、車体の右側も左右対称で同一であるため、車体の右側についての説明は適宜省略する。

図１に示されるように、電気自動車等の車両に適用される本実施形態に係る車両用電池搭載構造１０は、車体フロアを構成する金属製のフロアパネル１２と、フロアパネル１２の下面に車体前後方向に沿って接合され、車体骨格構造を構成する左右一対のアンダーメンバ（サイドフレーム）１４と、フロアパネル１２の車体下方側に配置され、電池としての燃料電池スタック１６を車体下方側から支持する繊維強化樹脂製のバッテリフレーム（スタックフレーム）２０と、を有している。

車体前後方向に延在するアンダーメンバ１４は、断面略ハット形状に金属で形成されており、車幅方向に張り出すフランジ部１５がフロアパネル１２の車幅方向外側両端部における下面に溶接等によって接合されている。また、アンダーメンバ１４には、後述するフランジボルト５０を挿通させるための貫通された取付孔１４Ａ（図４参照）が長手方向（車体前後方向）に沿って複数形成されている。そして、アンダーメンバ１４の上面には、各取付孔１４Ａと同軸的にウエルドナット５２が設けられている。

燃料電池スタック１６は、その外装部１７が矩形箱状に金属（又は樹脂でもよい）で形成されており、その外装部１７の下端周縁部における複数の所定位置には、外方側へ張り出す張出部１８が一体に形成されている。そして、各張出部１８には、後述するフランジボルト５０を挿通させるための貫通孔１８Ａが形成されている。

バッテリフレーム２０は、バッテリフレームアッパとしての平板状のアッパフレーム２２と、バッテリフレームロアとしてのトレイ状のロアフレーム２４とで構成されている。すなわち、ロアフレーム２４は、平板状の底部２５と、底部２５の少なくとも車幅方向両端部に一体に立設された平板状の側壁部２６と、側壁部２６の上端部から車幅方向外側へ向けて一体に張り出された平板状の張出部２７と、を有している。

そして、ロアフレーム２４の張出部２７とアッパフレーム２２の車幅方向外側端部である外周部２３とが接着剤によって接合されることで、矩形閉断面構造のバッテリフレーム２０が構成されるようになっている。なお、以下において、互いに接合された張出部２７と外周部２３とをバッテリフレーム２０のフランジ部２８とする。また、このフランジ部２８が、バッテリフレーム２０におけるアンダーメンバ１４との固定部位である。

アッパフレーム２２の外周部２３を除く複数の所定位置には、貫通された取付孔２２Ａが形成されている。そして、各取付孔２２Ａには、金属製で円筒状のカラー部材３６が同軸的に挿設されるようになっている。つまり、アッパフレーム２２の下面には、各取付孔２２Ａと同軸的に接着剤によってフランジナット４８が接合されるようになっており、各フランジナット４８の上面には、カラー部材３６が一体的かつ同軸的に設けられている。

したがって、張出部１８の貫通孔１８Ａとカラー部材３６の貫通孔３６Ａとが連通されるように、燃料電池スタック１６をアッパフレーム２２の上面に載置し、車体上方側から貫通孔１８Ａ及び貫通孔３６Ａにフランジボルト５０を挿通してフランジナット４８に螺合することにより、燃料電池スタック１６がバッテリフレーム２０（アッパフレーム２２）に締結固定されるようになっている。

また、アッパフレーム２２の外周部２３側（車幅方向外側）の上面と、ロアフレーム２４の張出部２７側（車幅方向外側）の下面には、それぞれ車体前後方向に延在された延性部材３０が接着剤によって接合されている。この延性部材３０は、一例として高張力鋼板又は超高張力鋼板で成形されており、アッパフレーム２２に接合される上部延性部材３２（車体上方側の延性部材）と、ロアフレーム２４に接合される下部延性部材３４（車体下方側の延性部材）と、で構成されている。

下部延性部材３４は、ロアフレーム２４における張出部２７の下面と、側壁部２６の外面と、底部２５の下面の一部を覆うようになっている。すなわち、下部延性部材３４は、張出部２７（フランジ部２８）から側壁部２６を介して車幅方向内側下部に向かって凸状とされた底部２５の一部へ重ねられるように屈曲されている。

上部延性部材３２は、アッパフレーム２２の外周部２３の上面と、外周部２３よりも車幅方向内側におけるアッパフレーム２２の上面の一部を覆うようになっている。つまり、この延性部材３０（上部延性部材３２及び下部延性部材３４）は、バッテリフレーム２０のフランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）を車体上方側及び車体下方側から挟み込む構成になっている。

また、上部延性部材３２及び下部延性部材３４（延性部材３０）と、外周部２３及び張出部２７（フランジ部２８）には、互いに連通してフランジボルト５０を挿通させるための複数の貫通孔３２Ａ、３４Ａ（貫通孔３０Ａ）及び貫通孔２３Ａ、２７Ａ（貫通孔２８Ａ）が車体前後方向に沿って形成されている（図４参照）。そして、貫通孔２３Ａ、２７Ａ（貫通孔２８Ａ）には、金属製で円筒状のカラー部材３８が同軸的に挿設されるようになっている。

つまり、このカラー部材３８は、上部延性部材３２又は下部延性部材３４に一体的に（貫通孔３２Ａ又は貫通孔３４Ａと同軸的に）設けられている。したがって、車体下方側から貫通孔３４Ａ、カラー部材３８の貫通孔３８Ａ、貫通孔３２Ａ、及び取付孔１４Ａにフランジボルト５０を挿通し、ウエルドナット５２に螺合することにより、バッテリフレーム２０のフランジ部２８が延性部材３０と共にアンダーメンバ１４に締結固定されるようになっている。

なお、上部延性部材３２の車幅方向内側端部は、上方に向けて屈曲された屈曲部３２Ｂとされている。また、図１〜図３に示される上部延性部材３２及び下部延性部材３４の車幅方向外側端部は、共にフランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部よりも車幅方向外側へ少し突出されているが、フランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部と面一とされていてもよい。

また、フロアパネル１２の車幅方向外側端部は、上方に向けて屈曲された屈曲部１２Ａとされており、その屈曲部１２Ａが金属製のロッカ４０のインナパネル４２に溶接等によって接合されている。ロッカ４０は、断面略ハット形状とされたインナパネル４２と、断面略ハット形状とされたアウタパネル４４と、インナパネル４２とアウタパネル４４との間に設けられ、断面略ハット形状とされたリインフォースメント４６と、で構成されている。

つまり、インナパネル４２の上フランジ部４２Ａにリインフォースメント４６の上フランジ部４６Ａが接合され、その上フランジ部４６Ａにアウタパネル４４の上フランジ部４４Ａが接合されている。そして、インナパネル４２の下フランジ部４２Ｂにリインフォースメント４６の下フランジ部４６Ｂが接合され、その下フランジ部４６Ｂにアウタパネル４４の下フランジ部４４Ｂが接合されている。

これにより、このロッカ４０は、インナパネル４２とリインフォースメント４６、及びリインフォースメント４６とアウタパネル４４とで、それぞれ閉断面構造が構成されるようになっている。

以上のような構成の車両用電池搭載構造１０において、次にその作用について説明する。すなわち、図２に示されるように、鉛直方向に延在する円柱状のポールＰに車両が側面衝突した場合の作用について説明する。なお、図５に示される比較例において、図１〜図３に示される本実施形態と同等の部位には、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図２、図３に示されるように、ポールＰに車両が側面衝突した場合には、ロッカ４０に対して過大な衝突荷重Ｆが入力される。したがって、そのロッカ４０は、車幅方向内側へ塑性変形しつつ移動して、その入力された衝突荷重Ｆの一部をフロアパネル１２及びバッテリフレーム２０に伝達する。

ここで、図５に示されるように、バッテリフレーム２０のフランジ部２８に延性部材３０が設けられていない比較例に係る構造では、その衝突荷重Ｆにより車幅方向内側へ移動したロッカ４０のインナパネル４２がフランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部に当たるので、そのフランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部が破損してしまう。

更に、この比較例に係る構造では、フロアパネル１２を介して衝突荷重Ｆの一部を受けたアンダーメンバ１４によるフランジ部２８への曲げモーメントＭ（及び軸力）の入力により、フランジ部２８の根元（側壁部２６よりも車幅方向外側でアンダーメンバ１４よりも車幅方向内側の部分）が上方向へ折れ曲がって破断し、バッテリフレーム２０からフランジ部２８が外れてしまうため、衝突荷重Ｆの一部をバッテリフレーム２０へ伝達することができない。

しかしながら、図３に示されるように、バッテリフレーム２０のフランジ部２８が延性部材３０によって上下から挟まれている本実施形態に係る構造では、ロッカ４０のインナパネル４２は、延性部材３０の車幅方向外側端部に当たり、フランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部に当たるのが抑制されている。よって、フランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部が破損するのを抑制することができる。

また、フロアパネル１２を介して衝突荷重Ｆの一部を受けたアンダーメンバ１４によるフランジ部２８への曲げモーメントＭ（及び軸力）の入力により、フランジ部２８の根元が上方向へ折れ曲がって破断しても、その根元の上面及び下面には、それぞれ上部延性部材３２及び下部延性部材３４が接合されている（根元が延性部材３０によって上下から挟まれている）ため、延性部材３０を含むバッテリフレーム２０としては破断していない。

つまり、フランジ部２８の破損が延性部材３０（上部延性部材３２及び下部延性部材３４）によって抑制されており、そのフランジ部２８がバッテリフレーム２０から外れ難くなっている。したがって、車両の側面衝突時にフランジ部２８に入力された衝突荷重Ｆの一部Ｆｓは、その延性部材３０（上部延性部材３２及び下部延性部材３４）を介してバッテリフレーム２０へ伝達される。

特に、下部延性部材３４は、ロアフレーム２４の張出部２７から側壁部２６及び底部２５へ順に重ねられるように屈曲されているため、バッテリフレーム２０からフランジ部２８がより一層外れ難くなっており、フランジ部２８に入力された衝突荷重Ｆの一部Ｆｓは、その底部２５に効率よく伝達される。なお、下部延性部材３４により、張出部２７（フランジ部２８）から底部２５までの屈曲部分、詳細には張出部２７と側壁部２６との境界部分及び側壁部２６と底部２５との境界部分の損傷が抑制又は防止される効果もある。

また、上部延性部材３２の車幅方向内側端部に屈曲部３２Ｂが形成されていない場合、フランジ部２８が上方向へ折れ曲がったときには、その上部延性部材３２の車幅方向内側端部におけるエッジで、アッパフレーム２２の上面を損傷させてしまうおそれがある（場合によっては、アッパフレーム２２を切断してしまうおそれがある）。

しかしながら、上部延性部材３２の車幅方向内側端部は、上方に向けて屈曲された屈曲部３２Ｂとされて、アッパフレーム２２の上面に接触する部位が曲面とされているため、フランジ部２８が上方向へ折れ曲がっても、その屈曲部３２Ｂがアッパフレーム２２の上面を損傷させるおそれがない（アッパフレーム２２の損傷が抑制又は防止されている）。

なお、図４に示されるように、上部延性部材３２の車幅方向外側端部を下方に向けて屈曲させて外周部２３の車幅方向外側端部を覆うように構成するとともに、下部延性部材３４の車幅方向外側端部を上方に向けて屈曲させて張出部２７の車幅方向外側端部を覆うように構成してもよい。

これによれば、フランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部を保護することができるとともに、ロッカ４０のインナパネル４２がフランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部に当たるのを阻止することができるため、フランジ部２８（外周部２３及び張出部２７）の車幅方向外側端部が破損するのを更に抑制又は防止することができる。

また、これにより、上部延性部材３２及び下部延性部材３４（延性部材３０）にそれぞれ稜線部３２Ｃ、３４Ｂが追加され、上部延性部材３２及び下部延性部材３４の剛性（強度）が向上されるため、フランジ部２８の根元が曲げ変形されるのを更に抑制することができる。つまり、これによれば、フランジ部２８の破損を更に抑制することができる。なお、上部延性部材３２及び下部延性部材３４は、それぞれ外周部２３及び張出部２７の少なくとも一部を覆っていればよい。

また、上部延性部材３２の車幅方向外側端部だけを下方に向けて延在させ、外周部２３及び張出部２７（フランジ部２８）の車幅方向外側端部を覆うように構成してもよいし、下部延性部材３４の車幅方向外側端部だけを上方に向けて延在させ、外周部２３及び張出部２７（フランジ部２８）の車幅方向外側端部を覆うように構成してもよい。

更に、上部延性部材３２と下部延性部材３４とが一体化された延性部材３０とし、その延性部材３０を車幅方向外側からフランジ部２８に嵌め込むような（延性部材３０でフランジ部２８を挟持するような）構成にしてもよい。これによれば、フランジ部２８の剛性（曲げ変形に対する強度）をより一層向上させることができる。

以上、本実施形態に係る車両用電池搭載構造１０について、図面を基に説明したが、本実施形態に係る車両用電池搭載構造１０は、図示のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、延性部材３０は、高張力鋼板や超高張力鋼板で成形されるものに限定されるものではなく、ある程度の硬度を持ったアルミニウム合金等で成形されていてもよい。

更に、延性部材３０は、バッテリフレーム２０に接着剤によって接合されるものに限定されるものではなく、例えばリベット等の接合手段によって接合される構成とされてもよい。また、カラー部材３８は、上部延性部材３２や下部延性部材３４と別体で構成されていてもよく、カラー部材３６も、フランジナット４８と別体で構成されていてもよい。また、本実施形態におけるバッテリフレーム２０は、燃料電池スタック１６を支持するものに限定されるものではない。

１０車両用電池搭載構造
１２フロアパネル
１４アンダーメンバ
１６燃料電池スタック（電池）
２０バッテリフレーム
２５底部
２８フランジ部
３０延性部材

Claims

フロアパネルの下面に車体前後方向に沿って接合され、車体骨格構造を構成する一対のアンダーメンバと、
前記フロアパネルの車体下方側に配置されるとともに、車幅方向外側端部にフランジ部が形成され、電池を支持する繊維強化樹脂製のバッテリフレームと、
前記バッテリフレームの前記フランジ部を車体上方側及び車体下方側から挟み、該フランジ部と共に前記アンダーメンバに固定される延性部材と、
を有する車両用電池搭載構造。
車体上方側の前記延性部材は、車幅方向外側端部が下方に向けて屈曲され、前記フランジ部の車幅方向外側端部の少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項１に記載の車両用電池搭載構造。
車体下方側の前記延性部材は、車幅方向外側端部が上方に向けて屈曲され、前記フランジ部の車幅方向外側端部の少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用電池搭載構造。
車体上方側の前記延性部材は、車幅方向内側端部が上方に向けて屈曲されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の車両用電池搭載構造。
前記バッテリフレームは、前記フランジ部から車幅方向内側下部に向かって凸状とされた底部を有し、
車体下方側の前記延性部材は、前記フランジ部から前記底部へ重ねられるように屈曲されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の車両用電池搭載構造。