JP2019091556A - 電気車両のバッテリ搭載構造 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1の電動車両のバッテリ搭載構造は、複数のバッテリモジュールを囲繞するアッパカバー及びロアカバーとこれらを支持する左右1対の支持部材とを備えたバッテリユニットを設け、1対の支持部材の各前端部をサスペンションクロスメンバの下部に夫々結合し、1対の支持部材の各途中部をフロアパネルと協働して前後に延びる左右1対の閉断面を形成する左右1対のフロアフレームの下部に夫々結合することによりバッテリユニットを車体に固定している。
そこで、密閉性を有するバッテリパックを構成し、そのバッテリパック内に複数のバッテリモジュールを収容する技術が提案されている。
特許文献2のバッテリ搭載構造は、上下2段に重ねた複数のバッテリを車体に固定されたバッテリトレイとこのバッテリトレイの上側を覆うカバーとからなるパック状の収容容器内に収容している。
このリチウムイオンバッテリは、高エネルギー密度等の優位性を備えている反面、高精度の温度管理が必要である。
例えば、−10℃(耐低温温度)以下の低温環境下では、内部抵抗の増加に伴って過電圧が上昇するため、出力低下を生じる虞があり、例えば、40℃以上の高温環境下では、内部抵抗は減少するものの、充放電反応速度の増加に伴って劣化反応速度が加速度的に増加するため、バッテリ寿命の短縮化を招き、ガスの発生等信頼性の低下が懸念される。
密閉性を有するバッテリパック内にバッテリモジュールを収容する場合、温度管理のための熱交換用媒体や冷却風をバッテリパック内に搬送する搬送経路が必要となり、このバッテリパック内外を連通させる搬送経路を設けることにより、バッテリパックの密閉性が損なわれる虞がある。
しかし、新規構造への設計変更は、部品点数が増加すると共に構造の複雑化を招き、生産性やコストの面から現実的な対応ではない。
即ち、バッテリモジュールの被水防止と温度管理とを両立させる有効な構造については未だ提案されていない。
バッテリモジュールは、前記バッテリセル集合体の下面部と前記底板との間に介装される熱伝導シートと、前記バッテリセル集合体の側面部において前記複数のバッテリセル間に跨って装着されるシート状ヒータ手段と、前記バッテリセル集合体の上面部において前記複数のバッテリセル間を接続する電極接続部とを有するため、強制冷却機構を必要とすることなく走行風を用いてバッテリセル集合体を下面部にて空冷することができ、バッテリセル集合体を側面部にて加熱することができ、温度管理に影響を与えることなくバッテリセル集合体の上面部にて電極接続部を形成することができる。
尚、上記「密閉性を有するバッテリパック」とは、バッテリパックの内部空間が、完全な密封状態に維持されている意味ではなく、内部空間への外気の流通が抑制され、外気温度と内部空間の温度とが簡単には平衡化されない、緩やかな気密状態を含む用語として定義している。
この構成によれば、シート状ヒータ手段の形状や寸法に拘らずバッテリセル集合体の側面部を全体に亙って一様に加熱することができる。
この構成によれば、簡単な構成で挟持パネル部材を取り付けることができる。
この構成によれば、リチウムイオンバッテリにおいてバッテリモジュールの被水防止と温度管理とを両立することができる。
以下の説明は、本発明を電気車両Vのバッテリ搭載構造に適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
図1,図2に示すように、電気車両Vは、駆動輪を回転駆動する電動モータMと、バッテリパックBと、発電装置Gと、排気装置E等を備えている。
この車両Vは、充電専用エンジン61と駆動専用モータMとを備えており、搭載されたバッテリの保有電力が所定閾値(例えば、SOCが30%)以上においてエンジン61の停止状態を継続し、バッテリの保有電力が所定閾値未満において応急的にエンジン61を始動して充電を行うレンジエクステンダタイプの電気車両である。
尚、以下、矢印Fを前方、矢印Lを左方、矢印Uを上方として説明する。
フロアパネル1は、車室の床面を構成し、前席(図示略)が配設される略水平状のフロントフロアパネル1aと、このフロントフロアパネル1aの後端から高さ位置が高くなるように後方上り傾斜状に移行して後席(図示略)が配置されるキックアップ部1bと、このキックアップ部1bから後方に延びるリヤフロアパネル1cとを有している。
リヤフロアパネル1cの後側上部には、リヤフロアパネル1cと協働して左右に延び且つ車室と荷室とを区分するクロスメンバ16が配設されている。
サイドシル2は、車体側部を構成するサイドフレーム3が連結された断面ハット状のサイドシルアウタパネル2aと、フロアパネル1が連結された断面ハット状のサイドシルインナパネル2bとから構成されている。
アウタパネル2aとインナパネル2bは、上側フランジ同士を接合して上側フランジ部2cを形成すると共に下側フランジ同士を接合して下側フランジ部2dを形成することにより断面略矩形状の閉断面C2(第2閉断面)を構成している。
上側フランジ部2cは閉断面C2の上壁略中央部から上方に延び、下側フランジ部2dは閉断面C2の下壁略中央部から下方に延びている。
フロアフレーム4は、断面ハット状に形成され、フロアパネル1の下側にフロアパネル1と協働して断面略矩形状の閉断面C1(第1閉断面)を構成している。
フロアフレーム4の下端部は、サイドシル2の下端部(下側フランジ部2dの下端部)よりも高さ位置が低くなるように形成されている。
また、フロアフレーム4の車幅方向外側壁部とサイドシル2の車幅方向内側壁部(インナパネル2b)とは、フロアパネル1と協働して閉断面を形成する複数の補強部材5によって連結されている。これにより、側突時におけるサイドシル2の車幅方向内側への移動を抑制し、衝撃荷重の分散を図っている。
1対のフロントサイドフレーム7の間に形成された空間部には、駆動輪である前輪(図示略)を回転駆動する駆動専用モータMが配置されている。
図6,図13に示すように、1対のリヤサイドフレーム8の後端部には、圧縮変形により衝撃吸収可能なクラッシュカン9が夫々固定され、これらのクラッシュカン9を連結するようにバンパレインフォースメント10とバンパフェース(図示略)が装着されている。
1対のリヤサイドフレーム8の下方には、前後に延びる左右1対の第1リヤサブフレーム11と、これら1対の第1リヤサブフレーム11の下方に配置された左右1対の第2リヤサブフレーム12と、第1,第2リヤサブフレーム11,12の後方に左右に延びる左右1対の第3リヤサブフレーム13が夫々設けられている。
これにより、後突時、リヤサイドフレーム8及び第1,第2リヤサブフレーム11,12によって複数のロードパスを形成でき、衝撃吸収に必要なクラッシュスペースを短縮することができる。これら1対のリヤサイドフレーム8及び第1,第2リヤサブフレーム11,12の間に形成された空間部には、発電装置Gが配置されている。
図1,図2,図8,図13に示すように、1対の第3リヤサブフレーム13の車幅方向内側部分が排気装置Eの左右両端部に夫々連結され、車幅方向外側部分がリヤサイドフレーム8の途中部下部に夫々連結されている。
バッテリパックBは、複数(例えば、16個)のバッテリモジュール20を直列接続した高電圧バッテリを車室外、特に、フロアパネル1の下方空間にレイアウトする必要があるため、耐振性(剛性)及び耐水性(防水性)を確保するように構成されている。
このバッテリパックBは、バッテリモジュール20に発生する熱を熱伝導を利用して直接的に車両外部に放出する自然空冷方式を用いており、冷却水や送風ファンによる冷却風を用いた強制冷却方式は採用していない。
図7に示すように、バッテリモジュール20は、規格電圧を有する直方体形状の複数(例えば、12個)のバッテリセル21をセパレータ22を間に介して水平方向に積層状に整列させた直方体形状のバッテリ集合体Aを備えている。
バッテリセル21は、例えば、2次電池の一種であるリチウムイオンバッテリである。
以下、積層方向が前後方向に設定されたバッテリモジュール20の例について説明する。
このバッテリ集合体Aにおいて、全てのバッテリセル21の各々の電極が上方に向うように配列されているため、隣り合う電極を接続するバスバー23(電極接続部)、各ハーネスやケーブルが上面部に配設されている。
エンドプレート24の一方がバッテリ集合体Aの前端部全域を覆うように重畳され、エンドプレート24の他方がバッテリ集合体Aの後端部全域を覆うように重畳されている。
プレート状のバインドバー25は、バッテリ集合体Aの両方の側面部全域を覆うように夫々配置され、1対のエンドプレート24を前後方向から挟み込み可能に構成されている。
左側のバインドバー25には、前端部及び後端部から右側直交方向に夫々屈曲した前後1対の取付部25aが設けられ、1対の取付部25aと1対のエンドプレート24とが締結部材を介して夫々締結固定されている。
尚、右側のバインドバー25は、左側のバインドバー25と左右対称の構成である。
ヒータユニット27は、周辺温度を自己判断して放熱量制御を行うシート状の電熱線ヒータ、例えば、バインドバー25に部分的に面接触可能なPTC(Positive Temperature Coefficient)ヒータによって構成されている。
これにより、ヒータユニット27からの熱は、ヒータユニット27の形状に拘らず、バインドバー25を介してバッテリ集合体Aの側面部全域に伝播される。
バッテリモジュール20をバッテリパックB内に収容する際、バッテリ集合体Aの下面部の略全域には、熱伝導性に優れたシリコンシート28(熱伝導シート)が貼着されている。尚、積層方向が左右方向に設定されたバッテリモジュール20の場合、前述した積層方向が前後方向に設定されたバッテリモジュール20を鉛直軸回りに90°回転させた構成になっている。
バッテリパックBは、発電装置G及び排気装置Eと一体的に組み立てられて組立ユニットを形成している。
図8〜図11に示すように、バッテリパックBは、略ロ字状の金属製枠状フレーム30と、金属製底板31と、合成樹脂製アッパカバー32とを主要な構成要素としている。
枠状フレーム30と金属製底板31とが、バッテリパックBのロアカバーに相当している。
1対の支持フレーム33は、1対のフロアフレーム4の下方において1対のフロアフレーム4に沿って後側程車幅方向外側に移行するように配設されている。
支持フレームロアパネル33aと支持フレームアッパパネル33bは、左側(車幅方向外側)フランジ同士を接合して外側フランジ部33cを形成すると共に右側フランジ同士を接合して内側フランジ部33dを形成することにより略扁平形状の閉断面C3(第3閉断面)を構成している。鋼板製の支持フレームロアパネル33aと支持フレームアッパパネル33bは、プレス加工によって各々の形状に成形された後、各フランジ同士が溶接接合されているため、外側フランジ部33cには、上下方向に延びた複数のビード状成形皺33e(図2,図8,図10,図11参照)が形成されている。
閉断面C3は、上下寸法よりも左右寸法が大きい略扁平形状に形成され、閉断面C3の上端部とフロアフレーム4の下端部とは所定間隔離隔するように構成されている。
これにより、側突時、サイドシル2の車幅方向内側への移動を外側フランジ部33cによって抑制し、更に衝撃荷重が大きい場合、支持フレーム33の車幅方向内側への移動を閉断面C1によって抑制することができる。
内側フランジ部33dは、閉断面C3の右端下側頂部から右方に延びている。
これらのボルト部33f〜33iは、フロアパネル1の上側において前方から後方にかけて順に配設され、車幅方向に延びる閉断面を形成する各々のクロスメンバ(図示略)とフロアフレーム4とが重なり合う部分にナット部材(図示略)を用いて夫々締結固定されている。
後端フレーム35は、1対の支持フレーム33の後端部同士を連結する閉断面を形成している。この後端フレーム35の途中部には、左右1対のブラケット36が設けられている。これら1対のブラケット36は、後端フレーム35の後壁部に夫々固定され、上方に延びるように夫々形成されている。これらのブラケット36は、クロスメンバ16の下部にナット部材(図示略)を用いて夫々締結固定されている。
後端フレーム35の後壁部の左右端側部分は、1対のリヤサブフレーム12の前端部を当接支持している。これにより、リヤサブフレーム12に入力した衝撃荷重を車室から独立した枠状フレーム30全域に分散させて減衰することができる。
各メンバ41〜44のうち横メンバ41〜43は、1対のボルト部33f,33g,33iの間を夫々左右方向に連結し、縦メンバ44は、横メンバ43の左寄り途中部と後端フレーム35の左寄り途中部の間を前後方向に連結するように構成されている。
そして、枠状フレーム30の横メンバ43よりも前側部分は、フロントフロアパネル1aの下方に配置され、枠状フレーム30の横メンバ43よりも後側部分は、キックアップ部1b及びリヤフロアパネル1cの下方に配置されている。
本実施例では、縦メンバ44と左側支持フレーム33との離隔距離と縦メンバ44と右側支持フレーム33との離隔距離の比率は、1:3に設定されている。
図4,図5に示すように、底板31の左端側部分は、クランク状に形成され、支持フレーム33の上壁部と内側フランジ部33dとに支持されている。底板31の右端側部分も同様である。また、底板31の前端側部分及び後端側部分は、クランク状に形成され、前端フレーム34及び後端フレーム35のフランジ部及び上壁部によって夫々支持されている。
図8,図9に示すように、アッパカバー32は、前側部分が後側部分よりも大きい左右寸法で且つ小さい上下寸法にされた左右非対称形状である。
アッパカバー32の前側部分上部には、リレー等を含むジャンクションボックスを収容可能な凸部が形成され、後側部分上部には、ECUを含む電池監視ユニットを収容可能な凸部が形成されている。
このアッパカバー32の外周フランジ部は、シール用のガスケット(図示略)を介して枠状フレーム30の内周部に対して密着状に固定されている。
図9,図10に示すように、横メンバ41,42の間において積層方向が前後になるように配置され且つ左右に整列された4個、横メンバ42,43の間において積層方向が左右になるように配置され且つ前後に整列された3個を左右2列に配列した6個、横メンバ43と後端フレーム35との間において縦メンバの右側に積層方向が前後になるように配置され且つ左右に整列された3個を上下2段に配列した6個の合計16個のバッテリモジュール20が密閉状態で収容されている。
これらのバッテリモジュール20は、複数のバスバー29により電気的に直列接続になるように連結されている。
以下、横メンバ43と後端フレーム35との間、所謂キックアップ部1b及びリヤフロアパネル1cの下方に配置された6個のバッテリモジュール20のうち、特に、下段に配列された3個のバッテリモジュール20をロアバッテリモジュール20a、上段に配列された3個のバッテリモジュール20をアッパバッテリモジュール20bと表し、これらを総称する場合には、バッテリモジュール20と表す。
図12に示すように、支持体50は、水平方向に延び且つ左右に隣り合う3つの板状載置部51と、これら板状載置部51の左右両端部から下方に延び且つ左右に隣り合う4つの板状脚部52等を備えている。
載置部51は、アッパバッテリモジュール20bの底部(バッテリセル集合体Aの下面部)にシリコンシート28を介して面接触可能に構成されている。
脚部52は、載置部51と一体的に連なるように形成され、隣り合う脚部52の間に載置されたロアバッテリモジュール20aを収容可能に構成されている。
この脚部52は、下端部が底板31に面接触可能に形成され、前端壁及び後端壁の中段部に水平方向に延びる取付部53が夫々設けられている。前端側取付部53は締結部材を介して横メンバ43に締結固定され、後端側取付部53は締結部材を介して後端フレーム35に締結固定される。
後側の下側フィン52bは、上側フィン52aに連なるように形成されている。
これにより、アッパバッテリモジュール20bの熱をシリコンシート28を介して載置部51に導入し、導入された熱を脚部52の下端部と下側フィン52bの下端部とから外部に放出することができる。
1対のフロントサイドフレーム7の間で且つ前輪のサスペンションクロスメンバ(図示略)の直ぐ前側には、車両Vを駆動するパワーユニット(図示略)が設けられている。
パワーユニットは、例えば、モータM(図1,図2参照)やモータ用インバータであるDC−ACコンバータ(図示略)を含むモータユニットと、このモータユニットの駆動力を前輪へ伝達するための動力伝達機構(減速機構及び差動機構)を含むトランクアクスル(図示略)とが車幅方向に並ぶように一体的に結合されている。
モータMのモータ軸心、トランクアクスルにおけるモータ軸と連結される入力軸の軸心、及びパワーユニットの出力軸(ジョイントシャフト)の軸心は、何れも車幅方向に延びている。
図3,図6,図8に示すように、発電装置Gは、エンジン61と、ジェネレータ62と、AC−DCコンバータ63と、アンダカバー69と、燃料タンクT等を備えている。
発電装置Gは、車幅方向中央位置においてバッテリパックBの後端近傍位置に配設されている。この発電装置Gは、一体的にユニット化されており、前端部がブラケット64を介してクロスメンバ16の下部に固定され、左右両側部がブラケット(図示略)を介してリヤサブフレーム11,12に固定されている。そして、発電装置Gの下部は、合成樹脂製のアンダカバー69で覆われている。
バッテリパックBの保有電力が所定閾値未満に低下したとき、エンジン61が始動され、ジェネレータ62が最大発電効率になるよう予め設定された規定回転数で運転される。
エンジン61の燃焼室には、吸気通路を形成する吸気管(図示略)及び排気通路を形成する排気管65が連通されている。
吸気管は、途中部にエアクリーナが配設され、右側ホイールハウスのインナパネルに設けられた差込口に差込接続されている(何れも図示略)。
排気管65は、その途中部に触媒装置66と、消音装置67とが設けられている。
コンバータ63は、エンジン61の始動による充電時、ジェネレータ62からの交流電流を直流電流に変換して各バッテリモジュール20に供給している。
図5,図8〜図10に示すように、燃料タンクTは、エンジン61の小型化に伴って貯留容量が小型化されており、正面視にて略縦長形状に形成されている。具体的には、燃料タンクTの頂部が、第2バッテリモジュールであるアッパバッテリモジュール20bの頂部の高さ位置に略等しくなるように設定されている。
また、図5,図8,図9に示すように、燃料タンクTの中段部が右方に張り出しているため、アッパカバー32の左側後部に燃料タンクTを避けるように右方に凹入した回避部32aが設けられている。
これにより、燃料タンクTとアッパカバー32の干渉を回避でき、アッパカバー32の損傷防止によりバッテリモジュール20に対するシール性向上を図ることができる。
充電時、高回転駆動されたエンジン61の排気ガス温度が高温になるため、排気装置Eは、排気ガスを外部に放出する前段階において、排気ガスとエア(外気)とを予め攪拌し、排気ガス温度を低下させてから外部に放出するように構成されている。
図3,図6,図8,図13,図14に示すように、排気管65と、この排気管65の途中部に設けられた触媒装置66と、この触媒装置66よりも下流側に設けられた消音装置67と、エア混合手段68と、触媒装置66、消音装置67及びエア混合手段68等を所定間隔を空けて囲繞する金属製の排気ボックス70等を備えている。
触媒装置66は、略円柱状に形成され、その軸心がエンジン61のロータ軸心と略同じ高さ位置で且つ左右に延びるように配設されている。
消音装置67は、略楕円柱状に形成されている。この消音装置67は、触媒装置66の下方位置に配置され、その軸心が触媒装置66の軸心と略平行に延び且つ断面形状の長径が前後に延びるように配設されている。
これにより、後突時、触媒装置66は前側下方に移行し、消音装置67は前側下方に移行しつつ側面視にて導入口を中心として時計回りに回動するため、発電装置Gとの干渉を抑制することができる。
進行方向誘導部68aは、消音装置67の排出口から左方に向かって流れる排気ガスの進路を下方を除いて遮断し、排気ガスの進行方向を下方に誘導するように構成されている。
具体的には、排気ガスの進行方向正面に緩湾曲状で且つ下方に延びる壁部を形成している。
進行方向誘導部68aに誘導された排気ガスの進行方向ベクトルは、下向きベクトルと壁部からの反射による右向きベクトルが存在しているため、排気ガスの一部は、他からの力が加わらない限り、下向きベクトルと右向きベクトルの合成ベクトルにより図中矢印で示すような前後方向軸を中心とした反時計回りの旋回流(渦流)を形成する。
それ故、本体部68bは、反時計回りの旋回流を形成するために十分な上下長及び左右長を有している。
このエア混合手段68は、走行風が存在していない車両停車時、本体部68bから外部に飛び出した旋回外側の流れを排気ボックス70内で且つエア混合手段68周りのエアと一緒に扁平開口部68cから本体部68bの内部に取り込むことにより、排出前に本体部68b内で排気ガス温度を低下させる第1の温度低下機能を有している。
これにより、車両停車時でも、掃気ファン71によって排気ボックス70内に左方に流動する外部エアを導入することができ、第1温度低下機能に加えて、エア混合手段68周りの排気ガス温度を低下させることができるため、本体部68b内で更に排気ガス温度を低下させる第2の温度低下機能を有している。
以上により、車両Vの走行状態に拘らず、排気装置Eから排出されるガス温度を排気装置E(本体部68b)内部で低下することができ、特に、車両停車時、車両周囲への高温ガスの排出を回避することができ、乗降時、後席乗員の熱い空気流による違和感を解消することができる。
実施例1に係る電気車両Vのバッテリ搭載構造によれば、直方体形状の複数のバッテリセル21を水平方向に積層状に整列させて直方体形状のバッテリセル集合体Aを形成するため、複数のバッテリセル21にてバッテリモジュール20に各々異なる6つの面部を形成することができる。
バッテリモジュール20は、バッテリセル集合体Aの下面部と底板31との間に介装されるシリコンシート28と、バッテリセル集合体Aの側面部において複数のバッテリセル21間に跨って装着されるヒータユニット27と、バッテリセル集合体Aの上面部において複数のバッテリセル21間を接続するバスバー23とを有するため、強制冷却機構を必要とすることなく走行風を用いてバッテリセル集合体Aを下面部にて空冷することができ、バッテリセル集合体Aを側面部にて加熱することができ、温度管理に影響を与えることなくバッテリセル集合体Aの上面部にてバスバー23を形成することができる。
1〕前記実施形態においては、枠状フレームが燃料タンクを支持した例を説明したが、必ずしも、枠状フレームが燃料タンクを支持する必要がなく、枠状フレームがバッテリモジュールのみを支持するものでも良い。
尚、側面部の他方にシリコンシートを設ける場合、熱伝導による冷却効率向上を狙いとして、シリコンシートを挟持するバインドバーとアッパカバー或いは枠状フレームとを当接するように配置する。
20 バッテリモジュール
21 バッテリセル
23 バスバー
24 エンドプレート
25 バインドバー
25a 取付部
27 ヒータユニット
28 シリコンシート
30 枠状フレーム
31 底板
32 アッパカバー
V 車両
B バッテリパック
特許文献1の電動車両のバッテリ搭載構造は、複数のバッテリモジュールを囲繞するアッパカバー及びロアカバーとこれらを支持する左右1対の支持部材とを備えたバッテリユニットを設け、1対の支持部材の各前端部をサスペンションクロスメンバの下部に夫々結合し、1対の支持部材の各途中部をフロアパネルと協働して前後に延びる左右1対の閉断面を形成する左右1対のフロアフレームの下部に夫々結合することによりバッテリユニットを車体に固定している。
そこで、密閉性を有するバッテリパックを構成し、そのバッテリパック内に複数のバッテリモジュールを収容する技術が提案されている。
特許文献2のバッテリ搭載構造は、上下2段に重ねた複数のバッテリを車体に固定されたバッテリトレイとこのバッテリトレイの上側を覆うカバーとからなるパック状の収容容器内に収容している。
このリチウムイオンバッテリは、高エネルギー密度等の優位性を備えている反面、高精度の温度管理が必要である。
例えば、−10℃(耐低温温度)以下の低温環境下では、内部抵抗の増加に伴って過電圧が上昇するため、出力低下を生じる虞があり、例えば、40℃以上の高温環境下では、内部抵抗は減少するものの、充放電反応速度の増加に伴って劣化反応速度が加速度的に増加するため、バッテリ寿命の短縮化を招き、ガスの発生等信頼性の低下が懸念される。
密閉性を有するバッテリパック内にバッテリモジュールを収容する場合、温度管理のための熱交換用媒体や冷却風をバッテリパック内に搬送する搬送経路が必要となり、このバッテリパック内外を連通させる搬送経路を設けることにより、バッテリパックの密閉性が損なわれる虞がある。
しかし、新規構造への設計変更は、部品点数が増加すると共に構造の複雑化を招き、生産性やコストの面から現実的な対応ではない。
即ち、バッテリモジュールの被水防止と温度管理とを両立させる有効な構造については未だ提案されていない。
バッテリモジュールは、前記バッテリセル集合体の下面部と前記底板との間に介装されて前記下面部から前記底板に熱を伝える熱伝導シートと、前記バッテリセル集合体の側面部において前記複数のバッテリセル間に跨って装着されて挟持パネル部材を介して側面部から温めるシート状ヒータ手段と、前記バッテリセル集合体の上面部において前記複数のバッテリセル間を接続する電極接続部とを有するため、強制冷却機構を必要とすることなく走行風を用いてバッテリセル集合体を下面部にて空冷することができ、バッテリセル集合体を側面部にて加熱することができ、温度管理に影響を与えることなくバッテリセル集合体の上面部にて電極接続部を形成することができる。
尚、上記「密閉性を有するバッテリパック」とは、バッテリパックの内部空間が、完全な密封状態に維持されている意味ではなく、内部空間への外気の流通が抑制され、外気温度と内部空間の温度とが簡単には平衡化されない、緩やかな気密状態を含む用語として定義している。
この構成によれば、簡単な構成で挟持パネル部材を取り付けることができる。
この構成によれば、リチウムイオンバッテリにおいてバッテリモジュールの被水防止と温度管理とを両立することができる。
以下の説明は、本発明を電気車両Vのバッテリ搭載構造に適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
図1,図2に示すように、電気車両Vは、駆動輪を回転駆動する電動モータMと、バッテリパックBと、発電装置Gと、排気装置E等を備えている。
この車両Vは、充電専用エンジン61と駆動専用モータMとを備えており、搭載されたバッテリの保有電力が所定閾値(例えば、SOCが30%)以上においてエンジン61の停止状態を継続し、バッテリの保有電力が所定閾値未満において応急的にエンジン61を始動して充電を行うレンジエクステンダタイプの電気車両である。
尚、以下、矢印Fを前方、矢印Lを左方、矢印Uを上方として説明する。
フロアパネル1は、車室の床面を構成し、前席(図示略)が配設される略水平状のフロントフロアパネル1aと、このフロントフロアパネル1aの後端から高さ位置が高くなるように後方上り傾斜状に移行して後席(図示略)が配置されるキックアップ部1bと、このキックアップ部1bから後方に延びるリヤフロアパネル1cとを有している。
リヤフロアパネル1cの後側上部には、リヤフロアパネル1cと協働して左右に延び且つ車室と荷室とを区分するクロスメンバ16が配設されている。
サイドシル2は、車体側部を構成するサイドフレーム3が連結された断面ハット状のサイドシルアウタパネル2aと、フロアパネル1が連結された断面ハット状のサイドシルインナパネル2bとから構成されている。
アウタパネル2aとインナパネル2bは、上側フランジ同士を接合して上側フランジ部2cを形成すると共に下側フランジ同士を接合して下側フランジ部2dを形成することにより断面略矩形状の閉断面C2(第2閉断面)を構成している。
上側フランジ部2cは閉断面C2の上壁略中央部から上方に延び、下側フランジ部2dは閉断面C2の下壁略中央部から下方に延びている。
フロアフレーム4は、断面ハット状に形成され、フロアパネル1の下側にフロアパネル1と協働して断面略矩形状の閉断面C1(第1閉断面)を構成している。
フロアフレーム4の下端部は、サイドシル2の下端部(下側フランジ部2dの下端部)よりも高さ位置が低くなるように形成されている。
また、フロアフレーム4の車幅方向外側壁部とサイドシル2の車幅方向内側壁部(インナパネル2b)とは、フロアパネル1と協働して閉断面を形成する複数の補強部材5によって連結されている。これにより、側突時におけるサイドシル2の車幅方向内側への移動を抑制し、衝撃荷重の分散を図っている。
1対のフロントサイドフレーム7の間に形成された空間部には、駆動輪である前輪(図示略)を回転駆動する駆動専用モータMが配置されている。
図6,図13に示すように、1対のリヤサイドフレーム8の後端部には、圧縮変形により衝撃吸収可能なクラッシュカン9が夫々固定され、これらのクラッシュカン9を連結するようにバンパレインフォースメント10とバンパフェース(図示略)が装着されている。
1対のリヤサイドフレーム8の下方には、前後に延びる左右1対の第1リヤサブフレーム11と、これら1対の第1リヤサブフレーム11の下方に配置された左右1対の第2リヤサブフレーム12と、第1,第2リヤサブフレーム11,12の後方に左右に延びる左右1対の第3リヤサブフレーム13が夫々設けられている。
これにより、後突時、リヤサイドフレーム8及び第1,第2リヤサブフレーム11,12によって複数のロードパスを形成でき、衝撃吸収に必要なクラッシュスペースを短縮することができる。これら1対のリヤサイドフレーム8及び第1,第2リヤサブフレーム11,12の間に形成された空間部には、発電装置Gが配置されている。
図1,図2,図8,図13に示すように、1対の第3リヤサブフレーム13の車幅方向内側部分が排気装置Eの左右両端部に夫々連結され、車幅方向外側部分がリヤサイドフレーム8の途中部下部に夫々連結されている。
バッテリパックBは、複数(例えば、16個)のバッテリモジュール20を直列接続した高電圧バッテリを車室外、特に、フロアパネル1の下方空間にレイアウトする必要があるため、耐振性(剛性)及び耐水性(防水性)を確保するように構成されている。
このバッテリパックBは、バッテリモジュール20に発生する熱を熱伝導を利用して直接的に車両外部に放出する自然空冷方式を用いており、冷却水や送風ファンによる冷却風を用いた強制冷却方式は採用していない。
図7に示すように、バッテリモジュール20は、規格電圧を有する直方体形状の複数(例えば、12個)のバッテリセル21をセパレータ22を間に介して水平方向に積層状に整列させた直方体形状のバッテリ集合体Aを備えている。
バッテリセル21は、例えば、2次電池の一種であるリチウムイオンバッテリである。
以下、積層方向が前後方向に設定されたバッテリモジュール20の例について説明する。
このバッテリ集合体Aにおいて、全てのバッテリセル21の各々の電極が上方に向うように配列されているため、隣り合う電極を接続するバスバー23(電極接続部)、各ハーネスやケーブルが上面部に配設されている。
エンドプレート24の一方がバッテリ集合体Aの前端部全域を覆うように重畳され、エンドプレート24の他方がバッテリ集合体Aの後端部全域を覆うように重畳されている。
プレート状のバインドバー25は、バッテリ集合体Aの両方の側面部全域を覆うように夫々配置され、1対のエンドプレート24を前後方向から挟み込み可能に構成されている。
左側のバインドバー25には、前端部及び後端部から右側直交方向に夫々屈曲した前後1対の取付部25aが設けられ、1対の取付部25aと1対のエンドプレート24とが締結部材を介して夫々締結固定されている。
尚、右側のバインドバー25は、左側のバインドバー25と左右対称の構成である。
ヒータユニット27は、周辺温度を自己判断して放熱量制御を行うシート状の電熱線ヒータ、例えば、バインドバー25に部分的に面接触可能なPTC(Positive Temperature Coefficient)ヒータによって構成されている。
これにより、ヒータユニット27からの熱は、ヒータユニット27の形状に拘らず、バインドバー25を介してバッテリ集合体Aの側面部全域に伝播される。
バッテリモジュール20をバッテリパックB内に収容する際、バッテリ集合体Aの下面部の略全域には、熱伝導性に優れたシリコンシート28(熱伝導シート)が貼着されている。尚、積層方向が左右方向に設定されたバッテリモジュール20の場合、前述した積層方向が前後方向に設定されたバッテリモジュール20を鉛直軸回りに90°回転させた構成になっている。
バッテリパックBは、発電装置G及び排気装置Eと一体的に組み立てられて組立ユニットを形成している。
図8〜図11に示すように、バッテリパックBは、略ロ字状の金属製枠状フレーム30と、金属製底板31と、合成樹脂製アッパカバー32とを主要な構成要素としている。
枠状フレーム30と金属製底板31とが、バッテリパックBのロアカバーに相当している。
1対の支持フレーム33は、1対のフロアフレーム4の下方において1対のフロアフレーム4に沿って後側程車幅方向外側に移行するように配設されている。
支持フレームロアパネル33aと支持フレームアッパパネル33bは、左側(車幅方向外側)フランジ同士を接合して外側フランジ部33cを形成すると共に右側フランジ同士を接合して内側フランジ部33dを形成することにより略扁平形状の閉断面C3(第3閉断面)を構成している。鋼板製の支持フレームロアパネル33aと支持フレームアッパパネル33bは、プレス加工によって各々の形状に成形された後、各フランジ同士が溶接接合されているため、外側フランジ部33cには、上下方向に延びた複数のビード状成形皺33e(図2,図8,図10,図11参照)が形成されている。
閉断面C3は、上下寸法よりも左右寸法が大きい略扁平形状に形成され、閉断面C3の上端部とフロアフレーム4の下端部とは所定間隔離隔するように構成されている。
これにより、側突時、サイドシル2の車幅方向内側への移動を外側フランジ部33cによって抑制し、更に衝撃荷重が大きい場合、支持フレーム33の車幅方向内側への移動を閉断面C1によって抑制することができる。
内側フランジ部33dは、閉断面C3の右端下側頂部から右方に延びている。
これらのボルト部33f〜33iは、フロアパネル1の上側において前方から後方にかけて順に配設され、車幅方向に延びる閉断面を形成する各々のクロスメンバ(図示略)とフロアフレーム4とが重なり合う部分にナット部材(図示略)を用いて夫々締結固定されている。
後端フレーム35は、1対の支持フレーム33の後端部同士を連結する閉断面を形成している。この後端フレーム35の途中部には、左右1対のブラケット36が設けられている。これら1対のブラケット36は、後端フレーム35の後壁部に夫々固定され、上方に延びるように夫々形成されている。これらのブラケット36は、クロスメンバ16の下部にナット部材(図示略)を用いて夫々締結固定されている。
後端フレーム35の後壁部の左右端側部分は、1対のリヤサブフレーム12の前端部を当接支持している。これにより、リヤサブフレーム12に入力した衝撃荷重を車室から独立した枠状フレーム30全域に分散させて減衰することができる。
各メンバ41〜44のうち横メンバ41〜43は、1対のボルト部33f,33g,33iの間を夫々左右方向に連結し、縦メンバ44は、横メンバ43の左寄り途中部と後端フレーム35の左寄り途中部の間を前後方向に連結するように構成されている。
そして、枠状フレーム30の横メンバ43よりも前側部分は、フロントフロアパネル1aの下方に配置され、枠状フレーム30の横メンバ43よりも後側部分は、キックアップ部1b及びリヤフロアパネル1cの下方に配置されている。
本実施例では、縦メンバ44と左側支持フレーム33との離隔距離と縦メンバ44と右側支持フレーム33との離隔距離の比率は、1:3に設定されている。
図4,図5に示すように、底板31の左端側部分は、クランク状に形成され、支持フレーム33の上壁部と内側フランジ部33dとに支持されている。底板31の右端側部分も同様である。また、底板31の前端側部分及び後端側部分は、クランク状に形成され、前端フレーム34及び後端フレーム35のフランジ部及び上壁部によって夫々支持されている。
図8,図9に示すように、アッパカバー32は、前側部分が後側部分よりも大きい左右寸法で且つ小さい上下寸法にされた左右非対称形状である。
アッパカバー32の前側部分上部には、リレー等を含むジャンクションボックスを収容可能な凸部が形成され、後側部分上部には、ECUを含む電池監視ユニットを収容可能な凸部が形成されている。
このアッパカバー32の外周フランジ部は、シール用のガスケット(図示略)を介して枠状フレーム30の内周部に対して密着状に固定されている。
図9,図10に示すように、横メンバ41,42の間において積層方向が前後になるように配置され且つ左右に整列された4個、横メンバ42,43の間において積層方向が左右になるように配置され且つ前後に整列された3個を左右2列に配列した6個、横メンバ43と後端フレーム35との間において縦メンバの右側に積層方向が前後になるように配置され且つ左右に整列された3個を上下2段に配列した6個の合計16個のバッテリモジュール20が密閉状態で収容されている。
これらのバッテリモジュール20は、複数のバスバー29により電気的に直列接続になるように連結されている。
以下、横メンバ43と後端フレーム35との間、所謂キックアップ部1b及びリヤフロアパネル1cの下方に配置された6個のバッテリモジュール20のうち、特に、下段に配列された3個のバッテリモジュール20をロアバッテリモジュール20a、上段に配列された3個のバッテリモジュール20をアッパバッテリモジュール20bと表し、これらを総称する場合には、バッテリモジュール20と表す。
図12に示すように、支持体50は、水平方向に延び且つ左右に隣り合う3つの板状載置部51と、これら板状載置部51の左右両端部から下方に延び且つ左右に隣り合う4つの板状脚部52等を備えている。
載置部51は、アッパバッテリモジュール20bの底部(バッテリセル集合体Aの下面部)にシリコンシート28を介して面接触可能に構成されている。
脚部52は、載置部51と一体的に連なるように形成され、隣り合う脚部52の間に載置されたロアバッテリモジュール20aを収容可能に構成されている。
この脚部52は、下端部が底板31に面接触可能に形成され、前端壁及び後端壁の中段部に水平方向に延びる取付部53が夫々設けられている。前端側取付部53は締結部材を介して横メンバ43に締結固定され、後端側取付部53は締結部材を介して後端フレーム35に締結固定される。
後側の下側フィン52bは、上側フィン52aに連なるように形成されている。
これにより、アッパバッテリモジュール20bの熱をシリコンシート28を介して載置部51に導入し、導入された熱を脚部52の下端部と下側フィン52bの下端部とから外部に放出することができる。
1対のフロントサイドフレーム7の間で且つ前輪のサスペンションクロスメンバ(図示略)の直ぐ前側には、車両Vを駆動するパワーユニット(図示略)が設けられている。
パワーユニットは、例えば、モータM(図1,図2参照)やモータ用インバータであるDC−ACコンバータ(図示略)を含むモータユニットと、このモータユニットの駆動力を前輪へ伝達するための動力伝達機構(減速機構及び差動機構)を含むトランクアクスル(図示略)とが車幅方向に並ぶように一体的に結合されている。
モータMのモータ軸心、トランクアクスルにおけるモータ軸と連結される入力軸の軸心、及びパワーユニットの出力軸(ジョイントシャフト)の軸心は、何れも車幅方向に延びている。
図3,図6,図8に示すように、発電装置Gは、エンジン61と、ジェネレータ62と、AC−DCコンバータ63と、アンダカバー69と、燃料タンクT等を備えている。
発電装置Gは、車幅方向中央位置においてバッテリパックBの後端近傍位置に配設されている。この発電装置Gは、一体的にユニット化されており、前端部がブラケット64を介してクロスメンバ16の下部に固定され、左右両側部がブラケット(図示略)を介してリヤサブフレーム11,12に固定されている。そして、発電装置Gの下部は、合成樹脂製のアンダカバー69で覆われている。
バッテリパックBの保有電力が所定閾値未満に低下したとき、エンジン61が始動され、ジェネレータ62が最大発電効率になるよう予め設定された規定回転数で運転される。
エンジン61の燃焼室には、吸気通路を形成する吸気管(図示略)及び排気通路を形成する排気管65が連通されている。
吸気管は、途中部にエアクリーナが配設され、右側ホイールハウスのインナパネルに設けられた差込口に差込接続されている(何れも図示略)。
排気管65は、その途中部に触媒装置66と、消音装置67とが設けられている。
コンバータ63は、エンジン61の始動による充電時、ジェネレータ62からの交流電流を直流電流に変換して各バッテリモジュール20に供給している。
図5,図8〜図10に示すように、燃料タンクTは、エンジン61の小型化に伴って貯留容量が小型化されており、正面視にて略縦長形状に形成されている。具体的には、燃料タンクTの頂部が、第2バッテリモジュールであるアッパバッテリモジュール20bの頂部の高さ位置に略等しくなるように設定されている。
また、図5,図8,図9に示すように、燃料タンクTの中段部が右方に張り出しているため、アッパカバー32の左側後部に燃料タンクTを避けるように右方に凹入した回避部32aが設けられている。
これにより、燃料タンクTとアッパカバー32の干渉を回避でき、アッパカバー32の損傷防止によりバッテリモジュール20に対するシール性向上を図ることができる。
充電時、高回転駆動されたエンジン61の排気ガス温度が高温になるため、排気装置Eは、排気ガスを外部に放出する前段階において、排気ガスとエア(外気)とを予め攪拌し、排気ガス温度を低下させてから外部に放出するように構成されている。
図3,図6,図8,図13,図14に示すように、排気管65と、この排気管65の途中部に設けられた触媒装置66と、この触媒装置66よりも下流側に設けられた消音装置67と、エア混合手段68と、触媒装置66、消音装置67及びエア混合手段68等を所定間隔を空けて囲繞する金属製の排気ボックス70等を備えている。
触媒装置66は、略円柱状に形成され、その軸心がエンジン61のロータ軸心と略同じ高さ位置で且つ左右に延びるように配設されている。
消音装置67は、略楕円柱状に形成されている。この消音装置67は、触媒装置66の下方位置に配置され、その軸心が触媒装置66の軸心と略平行に延び且つ断面形状の長径が前後に延びるように配設されている。
これにより、後突時、触媒装置66は前側下方に移行し、消音装置67は前側下方に移行しつつ側面視にて導入口を中心として時計回りに回動するため、発電装置Gとの干渉を抑制することができる。
進行方向誘導部68aは、消音装置67の排出口から左方に向かって流れる排気ガスの進路を下方を除いて遮断し、排気ガスの進行方向を下方に誘導するように構成されている。
具体的には、排気ガスの進行方向正面に緩湾曲状で且つ下方に延びる壁部を形成している。
進行方向誘導部68aに誘導された排気ガスの進行方向ベクトルは、下向きベクトルと壁部からの反射による右向きベクトルが存在しているため、排気ガスの一部は、他からの力が加わらない限り、下向きベクトルと右向きベクトルの合成ベクトルにより図中矢印で示すような前後方向軸を中心とした反時計回りの旋回流(渦流)を形成する。
それ故、本体部68bは、反時計回りの旋回流を形成するために十分な上下長及び左右長を有している。
このエア混合手段68は、走行風が存在していない車両停車時、本体部68bから外部に飛び出した旋回外側の流れを排気ボックス70内で且つエア混合手段68周りのエアと一緒に扁平開口部68cから本体部68bの内部に取り込むことにより、排出前に本体部68b内で排気ガス温度を低下させる第1の温度低下機能を有している。
これにより、車両停車時でも、掃気ファン71によって排気ボックス70内に左方に流動する外部エアを導入することができ、第1温度低下機能に加えて、エア混合手段68周りの排気ガス温度を低下させることができるため、本体部68b内で更に排気ガス温度を低下させる第2の温度低下機能を有している。
以上により、車両Vの走行状態に拘らず、排気装置Eから排出されるガス温度を排気装置E(本体部68b)内部で低下することができ、特に、車両停車時、車両周囲への高温ガスの排出を回避することができ、乗降時、後席乗員の熱い空気流による違和感を解消することができる。
実施例1に係る電気車両Vのバッテリ搭載構造によれば、直方体形状の複数のバッテリセル21を水平方向に積層状に整列させて直方体形状のバッテリセル集合体Aを形成するため、複数のバッテリセル21にてバッテリモジュール20に各々異なる6つの面部を形成することができる。
バッテリモジュール20は、バッテリセル集合体Aの下面部と底板31との間に介装されるシリコンシート28と、バッテリセル集合体Aの側面部において複数のバッテリセル21間に跨って装着されるヒータユニット27と、バッテリセル集合体Aの上面部において複数のバッテリセル21間を接続するバスバー23とを有するため、強制冷却機構を必要とすることなく走行風を用いてバッテリセル集合体Aを下面部にて空冷することができ、バッテリセル集合体Aを側面部にて加熱することができ、温度管理に影響を与えることなくバッテリセル集合体Aの上面部にてバスバー23を形成することができる。
1〕前記実施形態においては、枠状フレームが燃料タンクを支持した例を説明したが、必ずしも、枠状フレームが燃料タンクを支持する必要がなく、枠状フレームがバッテリモジュールのみを支持するものでも良い。
尚、側面部の他方にシリコンシートを設ける場合、熱伝導による冷却効率向上を狙いとして、シリコンシートを挟持するバインドバーとアッパカバー或いは枠状フレームとを当接するように配置する。
20 バッテリモジュール
21 バッテリセル
23 バスバー
24 エンドプレート
25 バインドバー
25a 取付部
27 ヒータユニット
28 シリコンシート
30 枠状フレーム
31 底板
32 アッパカバー
V 車両
B バッテリパック
Claims (4)
- 複数のバッテリモジュールの周囲に位置するように配設された枠状フレームと、この枠状フレームの底部を覆う金属製底板と、前記複数のバッテリモジュールの上側部分を覆うアッパカバーとを備える共に外部に対して密閉性を有するバッテリパックがフロアパネルの下側に配設された電気車両のバッテリ搭載構造において、
直方体形状の複数のバッテリセルを水平方向に積層状に整列させて直方体形状のバッテリセル集合体を形成し、
前記バッテリモジュールは、前記バッテリセル集合体の下面部と前記底板との間に介装される熱伝導シートと、前記バッテリセル集合体の側面部において前記複数のバッテリセル間に跨って装着されるシート状ヒータ手段と、前記バッテリセル集合体の上面部において前記複数のバッテリセル間を接続する電極接続部とを有することを特徴とする電気車両のバッテリ搭載構造。 - 前記バッテリセル集合体の積層方向一端部と積層方向他端部とを前記バッテリセル集合体の側面部において積層方向に挟持する挟持パネル部材を設け、
前記シート状ヒータ手段は、前記挟持パネル部材を介して前記バッテリセル集合体の側面部に装着されたことを特徴とする請求項1に記載の電気車両のバッテリ搭載構造。 - 前記挟持パネル部材は、積層方向一端部と積層方向他端部とに積層直交方向に屈曲した1対の取付部を有し、
前記1対の取付部が、前記バッテリセル集合体の積層方向一端部と積層方向他端部とに夫々配設された1対のエンドプレートに夫々連結されたことを特徴とする請求項2に記載の電気車両のバッテリ搭載構造。 - 前記バッテリセルはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電気車両のバッテリ搭載構造。
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