JP2023088473A - 車両用電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化により車両の電費の向上に貢献することが可能な電池ユニットを提供する。【解決手段】電池パック１０は、電池スタック１３と、電池スタック１３を車両下方側から受けつつ、電池スタック１３が搭載されるトレイ１１と、電池スタック１３が搭載されたトレイ１１を、車両上方側から覆うアッパーカバー１２と、を備える。トレイ１１は、コア層と、コア層に対して車両上方側で積層する上側スキン層と、コア層に対して車両下方側で積層する下側スキン層と、により形成されている。上側スキン層及び下側スキン層を形成する繊維強化樹脂は、コア層を形成する繊維強化樹脂よりも含有される樹脂長が長い。【選択図】図２

Description

電池セルの積層体である電池スタックをケースに収容した車両用電池ユニットに関する。

電池ユニットから供給される電力に基づいて駆動されるモータを駆動源とする電気自動車や、モータとエンジンを駆動源とするハイブリッド車両等が存在する。このようなモータを駆動源する電気自動車やハイブリッド車両の電源としては、設置スペースが制限される上に高電圧及び高エネルギー容量が要求されることから、複数の電池セルを積層した電池スタックを有する電池ユニットが用いられている。

特開２０１３－２０１１１２号公報

車両の重量を軽量化することで、電費を向上させることができる。しかし、電池ユニットは、電池スタックの重量や、この電池スタックからの荷重を支持するための金属製のケース自体の重量が重く、まだまだ軽量化の余地がある。

本発明は、上記課題に鑑みたものであり、軽量化により車両の電費の向上に貢献することが可能な車両用電池ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る車両用電池ユニットでは、電池スタックと、電池スタックを車両下方側から支持する下側ケースと、電池スタックを支持する前記下側ケースを、車両上方側から覆う上側ケースと、を備える。車両用電池ユニットの下側ケースは、繊維を含有する繊維強化樹脂で形成されたコア層と、コア層に対して車両上方側で積層し、繊維強化樹脂で形成された上側スキン層と、コア層に対して車両下方側で積層し、繊維強化樹脂で形成された下側スキン層と、を有し、上側スキン層及び下側スキン層を形成する繊維強化樹脂は、コア層を形成する繊維強化樹脂よりも含有される繊維の樹脂長が長い。

請求項２に係る車両用電池ユニットでは、上側スキン層及び下側スキン層を形成する繊維強化樹脂は、コア層を形成する繊維強化樹脂よりも含有される繊維の割合が大きい。

請求項３に係る車両用電池ユニットでは、コア層における車両上下方向での厚み寸法は、上側スキン層及び下側スキン層における車両上下方向での厚み寸法よりも大きい。

請求項４に係る車両用電池ユニットでは、上側スキン層における車両上下方向での厚み寸法は、下側スキン層における車両上下方向での厚み寸法よりも大きい。

請求項５に係る車両用電池ユニットでは、下側スキン層における車両上下方向での厚み寸法は、上側スキン層における車両上下方向での厚み寸法よりも大きい。

請求項６に係る車両用電池ユニットでは、上側スキン層及び下側スキン層の繊維強化樹脂に含まれる繊維は、連続繊維及び長繊維の少なくともいずれかである。

本発明によれば、電池ユニットを軽量化し、ひいては車両の電費の向上に貢献することができる。

電池ユニットを備える車両を説明する図である。 電池ユニットの分解斜視図である。 電池ユニットを側面から見た断面図である。 トレイの断面図である。 トレイに加わる荷重を説明する図である。 車両走行時にトレイに加わる荷重を説明する図である。 第２実施形態に係るトレイの断面図である。 第２実施形態に係るトレイの断面図である。

以下、車両用電池ユニットの一実施形態であるバッテリパックについて説明する。以下の説明に用いる各図面では、基本的構成の一部が省略されて描かれており、描かれた各部の寸法比等は必ずしも正確ではない。

以下の説明では、バッテリパックを、車両に搭載した状態での方向を用いて説明する。具体的には、車両１００の前方を「車両前方」と記載し、後方を「車両後方」と記載し、車両の上方を「車両上方」と記載し、車両の下方を「車両下方」と記載する。また、重力方向を、「車両上下方向」と記載し、車両の左右方向を「車幅方向」と記載する。各図において、「車両前方」を「前方」と、「車両後方」を「後方」と、「車両上方」を「上方」、「車両後方」を「下方」と簡略化して記載している。また、「車幅方向」の一方を「左」、他方を「右」と記載している。

（１－１）第１実施形態の概略
図１で表されるように、車両１００は、モータ９０を駆動源とする電気自動車であり、バッテリパック１０から供給される電力に基づいてモータ９０を駆動することで走行する。バッテリパック１０は、車両１００において、車室９１よりも車両下方側の位置である床下に組付けられている。具体的には、バッテリパック１０は、底面（後述するトレイ１１の底面）が、車両１００の床面を形成するフロアパネル９２よりも車両下方側、又はフロアパネル９２の底面と同じ高さとなるように、車両１００に固定されている。

なお、車両１００は、モータ９０を駆動源とする電気自動車に限らず、モータ９０とエンジンとを駆動源とするハイブリッド車両であってもよい。

図２，図３で表されるように、バッテリパック１０は、トレイ１１と、アッパーカバー１２と、電池スタック１３と、バッテリ監視モジュール１４と、冷却部材１５とを備えている。トレイ１１とアッパーカバー１２とは、電池スタック１３を収容可能な収容空間Ｓを有するケースとして機能する。バッテリパック１０は、トレイ１１とアッパーカバー１２とで形成される収容空間Ｓ内に、複数の電池スタック１３と、冷却部材１５とを収容している。なお、本実施形態では、バッテリ監視モジュール１４は、収容空間Ｓの外に配置されているが、バッテリ監視モジュール１４は、収容空間Ｓ内に配置されていてもよい。

電池スタック１３は、複数の電池セルを積層して構成された直方体形状であり、例えば、積層方向が車両幅方向となるように電池スタック１３の内部に収容されている。本実施形態では、６つの電池スタック１３が収容空間Ｓに収容されている。具体的には、トレイ１１において、車両後方側には、電池スタック１３が上下二段に収容されており、車両前方側には、電池スタック１３が一段に収容されている。電池スタック１３は、リチウムイオン電池セルやニッケル水素電池セルを積層して構成されたものや、水素電池といった燃料電池セルを積層して構成されたものを用いることができる。これ以外にも、電解質を硫化物や酸化物といった個体により構成した全個体電池セルを用いてもよい。

バッテリパック１０が備える電池スタック１３の数は、バッテリパック１０に要求される定格電圧や容量に応じて、その数は適宜変更されればよい。そのため、バッテリパック１０が有する電池スタック１３の数は、６個に限定されず、例えば、１～２０個の範囲の数とすることができる。

トレイ１１は、複数の電池スタック１３を車両下方側から支持する。トレイ１１は、電池スタック１３が載置されて固定される載置面１１１を車両上方側に有する平板状の部材である。本実施形態では、トレイ１１は、バッテリパック１０が車両１００に組付けられた場合に、車両下方側の面１１２が、車両１００の底面の一部となる。トレイ１１は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）により形成されている。トレイ１１の詳細な構成については後述する。本実施形態では、トレイ１１が、下側ケースの一例である。

アッパーカバー１２は、車両下方側に開口を有する部材である。具体的には、アッパーカバー１２は、車両前方側の部位である前側カバー部１２１と、車両後方側の部位である後側カバー部１２２とにより形成されている。前側カバー部１２１は、上面視において矩形状であり、一段に配置された電池スタック１３を収容可能な高さ寸法Ｈ１を有する部位である。後側カバー部１２２は、上面視において矩形状であり、二段に配置された電池スタック１３を収容可能な高さ寸法Ｈ２を有する部位である。言い換えると、後側カバー部１２２の高さ寸法Ｈ２は、前側カバー部１２１の高さ寸法Ｈ１よりも大きくなっており、アッパーカバー１２の内部に形成される収容空間Ｓは、車両後方側の空間が車両前方側の空間よりも広くなっている。本実施形態では、アッパーカバー１２が、上側ケースの一例である。

アッパーカバー１２は、トレイ１１と異なり、電池スタック１３からの荷重を支持しないため、トレイ１１よりも軽量なものを用いることができる。例えば、アッパーカバー１２は、熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂により形成することができる。例えば、アッパーカバー１２に用いられる熱可塑性樹脂として、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトンを用いることができる。アッパーカバー１２に用いられる熱硬化性樹脂として、エポキシ、ビニルエステル、フェノール、不飽和ポリエステル、ポリイミド、ビスマレイドを用いることができる。

アッパーカバー１２に対して車両後方側には、バッテリ監視モジュール１４が配置されている。バッテリ監視モジュール１４は、各電池スタック１３の電圧、電流、温度を管理するモジュールである。バッテリ監視モジュール１４は、車両１００内において不図示のバッテリＥＣＵに接続されている。電池スタック１３と、トレイ１１との間には、冷却部材１５が配置されている。冷却部材１５は、電池スタック１３の温度上昇を抑制するための部材である。

次に、本実施形態のトレイ１１の構成について説明する。図４は、図２で示すトレイ１１のＡ－Ａ断面での断面図である。トレイ１１は、３つの層が積層して構成されており、具体的には、コア層２０と、上側スキン層２１と、下側スキン層２２とが積層して構成されている。

コア層２０は、トレイ１１において車両上下方向における中心層を形成し、繊維強化樹脂で形成された層である。コア層２０を形成する繊維強化樹脂は、母材を樹脂とし、含有される強化用樹脂を短繊維とする樹脂である。

コア層２０を形成する繊維強化樹脂は、母材を熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂とし、含有される繊維を短繊維とするものを用いることができる。短繊維は、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維、スチール繊維、バサルト繊維の他、アラミド繊維やポリエチレン繊維等の有機繊維を用いることができる。母材に用いられる熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトンを用いることができる。母材に用いられる熱硬化性樹脂としては、エポキシ、ビニルエステル、フェノール、不飽和ポリエステル、ポリイミド、ビスマレイドを用いることができる。

上側スキン層２１は、コア層２０に対して車両上方側で積層する層である。下側スキン層２２は、コア層２０に対して車両下方側で積層する層である。上側スキン層２１及び下側スキン層２２を形成する繊維強化樹脂は、母材を樹脂とし、含有される強化用繊維を長繊維又は連続繊維とする樹脂である。言い換えると、上側スキン層２１及び下側スキン層２２を形成する繊維強化樹脂は、コア層２０を形成する繊維強化樹脂よりも含有される繊維の繊維長が長い。以下では、上側スキン層２１と下側スキン層２２とを総称して記載するときは、「各スキン層２１，２２」と記載する。

各スキン層２１，２２を形成する繊維強化樹脂は、母材として熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂とし、含有される繊維を長繊維又は連続繊維とするものを用いることができる。長繊維又は連続繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維、スチール繊維、バサルト繊維の他、アラミド繊維やポリエチレン繊維等の有機繊維を用いることができる。この場合において、コア層２０の繊維強化樹脂に含まれる短繊維と、各スキン層２１，２２の繊維強化樹脂に含まれる長繊維又は連続繊維とは、異なる繊維であってもよいし、繊維長が異なるだけで同じ種類の繊維であってもよい。なお、母材である、熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂は、コア層２０と同様のものを用いることができる。

各スキン層２１，２２を形成する繊維強化樹脂は、コア層２０を形成する繊維強化樹脂よりも繊維の含有割合が高い。言い換えると、コア層２０は、各スキン層２１，２２よりも、繊維の含有割合が低く、各スキン層２１，２２よりも比重が低い層である。

例えば、各スキン層２１，２２を形成する繊維強化樹脂に含有される連続繊維又は長繊維の含有割合は、基準値（例えば、３０［％］）を基準とした場合に、この基準値よりも高い値を用いることができる。各スキン層２１，２２を形成する繊維強化樹脂において、繊維の含有割合の上限値は、トレイ１１に要求される性能に応じて適宜設定すればよい。例えば、繊維強化樹脂として、連続繊維である炭素繊維を含有する場合、含有割合の上限値は、４０［％］よりも高く、９９［％］よりも低い値となる。これに対して、コア層２０を形成する繊維強化樹脂に含有される短繊維の含有割合は、０［％］以上、かつ６０［％］未満とすることができる。

トレイ１１において、コア層２０における車両上下方向での厚み寸法Ｈ１１は、各スキン層２１，２２における車両上下方向での各厚み寸法Ｈ１２，Ｈ１３よりも大きい。本実施形態では、コア層２０の厚み寸法Ｈ１１は、２～１００［ｍｍ］でありる。上側スキン層２１及び下側スキン層２２の厚み寸法Ｈ１２，Ｈ１３は略同寸法であり、例えば、１～５０［ｍｍ］とすることができる。

（１－２）車両停止時に、トレイ１１に加えられる荷重とトレイ１１との関係
以上のように構成されたバッテリパック１０を車両１００に組付けた場合の、トレイ１１に加えられる荷重について図５を参照して説明する。

バッテリパック１０のトレイ１１には、複数の電池スタック１３の重量に応じて車両上方から車両下方に向けた荷重Ｆ１が加えられている。図５では、複数の電池スタック１３からの荷重Ｆ１を矢印により示している。各スキン層２１，２２を形成する繊維強化樹脂は、長繊維又は連続繊維が含有されており強度が高い。そのため、各スキン層２１，２２は、複数の電池スタック１３からの荷重Ｆ１が加えられても、車両上下方向に変形しにくい。また、コア層２０は、上側スキン層２１と下側スキン層２２とに挟まれることで、強度が高い各スキン層２１，２２により形状が保持され、複数の電池スタック１３からの荷重Ｆ１が加えられても、車両上下方向に変形しにくい。トレイ１１は、樹脂により形成されているため、金属で形成されるものよりも重量が軽い。更には、電池スタック１３からの荷重Ｆ１に対して強度が高く、上下方向に変形しにくい。

（１－３）車両走行時に、トレイ１１に加えられる荷重とトレイ１１との関係
次に、車両１００の走行時における、トレイ１１と、加えられる荷重との関係を、図６を用いて説明する。なお、図６では記載していないが、車両走行時においても、トレイ１１には、図５で表したのと同様、複数の電池スタック１３からの荷重Ｆ１が加えられている。

バッテリパック１０は、車両１００の下方に取り付けられているため、トレイ１１のうち、下側スキン層２２における車両下方側の表面が、車両１００の底面の一部となる。そのため、車両１００の走行時において、縁石等の干渉物が下側スキン層２２の表面に衝突する場合がある。この場合において、図６で表されるように、トレイ１１には、干渉物との干渉によって車両下方側から車両上方側に向けた衝撃荷重Ｆ２が、下側スキン層２２に加えられる。

下側スキン層２２を形成する繊維強化樹脂は、強度が強く、衝撃荷重Ｆ２が加えられても破損しにくい。そのため、下側スキン層２２は、破損することなく、加えられた衝撃荷重Ｆ２をコア層２０に伝達させる。コア層２０を形成する繊維強化樹脂は、繊維の含有割合が各スキン層２１，２２よりも低く、比重が各スキン層２１，２２よりも低い。そのため、コア層２０は、衝撃荷重Ｆ２のエネルギーを吸収し易く、衝撃荷重Ｆ２を緩和させることができる。

その後、コア層２０により緩和された衝撃荷重Ｆ２は、上側スキン層２１を経て電池スタック１３に加わることとなる。このとき、衝撃荷重Ｆ２のエネルギーは、コア層２０により吸収されているため、電池スタック１３に加わる衝撃荷重Ｆ２は、下側スキン層２２に加えられたときよりも緩和されており、衝撃荷重Ｆ２から電池スタック１３を保護することができる。

（１－４）作用・効果
以上説明した本実施形態では、以下の効果を奏することができる。
バッテリパック１０は、電池スタック１３と、電池スタック１３を車両下方側から支持するトレイ１１と、トレイ１１を、車両上方側から覆うアッパーカバー１２と、を備えている。トレイ１１は、コア層２０と、コア層２０に対して車両上方側で積層する上側スキン層２１と、コア層に対して車両下方側で積層する下側スキン層２２と、で形成されている。上側スキン層２１及び下側スキン層２２を形成する繊維強化樹脂は、コア層２０を形成する繊維強化樹脂よりも含有される繊維の樹脂長が長い。これにより、アッパーカバー１２及びトレイ１１を樹脂により構成することで、バッテリパック１０の重量を、アッパーカバー１２及びトレイ１１を金属で構成する場合よりも軽量化することができる。また、トレイ１１は、強度が高い各スキン層２１，２２によりコア層２０を挟んだ積層構造であるため、電池スタック１３からの荷重Ｆ１により車両上下方向に変形しにくい。これにより、トレイ全体での車両上下方向での厚み寸法の増加を抑制しつつ、各スキン層２１，２２の強度を所望の強度に維持することができる。

各スキン層２１，２２を形成する繊維強化樹脂は、コア層２０を形成する繊維強化樹脂よりも含有される繊維の割合が大きい。これにより、車両１００の走行時において、干渉物とトレイ１１とが干渉することで車両下方側から衝撃荷重Ｆ２が加えられても、比重が各スキン層２１，２２よりも低いコア層２０により、衝撃荷重Ｆ２のエネルギーを吸収し、電池スタック１３に加わる衝撃荷重Ｆ２を緩和することができる。

コア層２０における車両上下方向での厚み寸法Ｈ１１は、各スキン層２１，２２における車両上下方向での厚み寸法Ｈ１２，Ｈ１３よりも大きい。これにより、トレイ全体での厚み寸法に対する、コア層２０の厚み寸法Ｈ１１を大きくすることができ、トレイ全体での重量の増加を抑制しつつ、電池スタック１３を衝撃荷重Ｆ２から保護する機能を向上させることができる。

（２－１）第２実施形態
第２実施形態では、第１実施形態と異なる構成を主に説明を行う。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一の符号を付した箇所は、同一の箇所であり、その説明は繰り返さない。

上述の第１実施形態では、トレイ１１において上側スキン層２１と下側スキン層２２とは、車両上下方向での厚み寸法が同じ寸法であった。これに代えて、本実施形態では、上側スキン層２１と下側スキン層２２とは、車両上下方向での厚み寸法が異なっている。

図７は、本実施形態での図２で示すトレイ１１のＡ－Ａ断面での断面図である。本実施形態においても、コア層２０における車両上下方向での厚み寸法Ｈ２１は、各スキン層２１，２２における車両上下方向での各厚み寸法Ｈ２２，Ｈ２３よりも大きい。一方、上側スキン層２１における車両上下方向での厚み寸法Ｈ２２は、下側スキン層２２における車両上下方向での厚み寸法Ｈ２３よりも大きい。

上記構成のバッテリパック１０では、トレイ１１には、複数の電池スタック１３による車両上方から車両下方に向けた荷重が加えられる。本実施形態で示すトレイ１１では、トレイ全体での厚み寸法（＝Ｈ２１+Ｈ２２+Ｈ２３）に占める、上側スキン層２１の厚み寸法Ｈ２２が、第１実施形態で示すトレイ１１よりも大きくなる。これにより、トレイ全体での厚み寸法の増加を抑制しつつ、複数の電池スタック１３からの荷重Ｆ１を直接受ける上側スキン層２１の厚み寸法Ｈ２２を大きくすることができる。その結果、トレイ１１全体での重量の増加を最小限に留めつつ、トレイ１１の強度や形状の安定性を所望のものに維持することができる。

（２－２）第２実施形態の変形例
上側スキン層２１と下側スキン層２２との車両上下方向での厚み寸法を異ならせる場合において、下側スキン層２２の厚み寸法を、上側スキン層２１の厚み寸法よりも大きくしてもよい。図８で表されるトレイ１１では、下側スキン層２２の車両上下方向での厚み寸法Ｈ３３は、上側スキン層２１の車両上下方向での厚み寸法Ｈ３２よりも大きくなっている。これにより、トレイ全体での厚み寸法（Ｈ３１+Ｈ３２+Ｈ３３）の増加を抑制しつつ、下側スキン層２２の厚み寸法Ｈ３３を大きくすることができる。その結果、トレイ１１全体での重量の増加を最小限に留めつつ、車両走行時に、縁石等からの衝撃荷重Ｆ２が直接加えられる下側スキン層２２の強度を高めることができる。

（３）その他の実施形態
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
上述の実施形態では、トレイ１１は、コア層２０、上側スキン層２１、下側スキン層２２の３層により形成されていた。これに代えて、トレイ１１は、コア層２０と、各スキン層２１，２２との間に、樹脂で形成された層が積層されることで、３層以上の層により形成されていてもよい。

トレイ１１の形状は、電池スタック１３を車両下方側から支持できる構成であればよく、平板形状に限定されない。例えば、トレイ１１は、底の浅い容器形状であってもよい。具体的には、トレイ１１は、複数の電池スタック１３が載置される載置面を有する底板部と、底板部の各縁から車両上方側に延びる側壁とを有することで、車幅方向での断面が容器形状を形成している。この場合においても、トレイ１１において、複数の電池スタック１３が配置される底板部は、コア層２０と、上側スキン層２１と、下側スキン層２２とにより構成されている。なお、側壁は、コア層２０と、上側スキン層２１と、下側スキン層２２で形成さていなくともよい。

上述の実施形態では、アッパーカバー１２は、樹脂により形成されていた。これに代えて、アッパーカバー１２を、樹脂以外の材質（例えば金属）により形成してもよい。

１０…バッテリパック
１１…トレイ
１２…アッパーカバー
１３…電池スタック
１４…バッテリ監視モジュール
１５…冷却部材
２０…コア層
２１…上側スキン層
２２…下側スキン層
１００…車両

Claims (6)

1. 電池スタックと、
   前記電池スタックを車両下方側から支持する下側ケースと、
   前記電池スタックを支持する前記下側ケースを、車両上方側から覆う上側ケースと、
   を備える車両用電池ユニットであって、
   前記下側ケースは、
   繊維を含有する繊維強化樹脂で形成されたコア層と、
   前記コア層に対して車両上方側で積層し、繊維強化樹脂で形成された上側スキン層と、
   前記コア層に対して車両下方側で積層し、繊維強化樹脂で形成された下側スキン層と、
   を有し、
   前記上側スキン層及び前記下側スキン層を形成する繊維強化樹脂は、前記コア層を形成する繊維強化樹脂よりも含有される繊維の樹脂長が長い、車両用電池ユニット。
2. 前記上側スキン層及び前記下側スキン層を形成する繊維強化樹脂は、前記コア層を形成する繊維強化樹脂よりも含有される繊維の割合が大きい請求項１に記載の車両用電池ユニット。
3. 前記コア層における車両上下方向での厚み寸法は、前記上側スキン層及び前記下側スキン層における車両上下方向での厚み寸法よりも大きい請求項１又は２に記載の車両用電池ユニット。
4. 前記上側スキン層における車両上下方向での厚み寸法は、前記下側スキン層における車両上下方向での厚み寸法よりも大きい請求項１～３のいずれか一項に記載の車両用電池ユニット。
5. 前記下側スキン層における車両上下方向での厚み寸法は、前記上側スキン層における車両上下方向での厚み寸法よりも大きい請求項１～３のいずれか一項に記載の車両用電池ユニット。
6. 前記上側スキン層及び前記下側スキン層の繊維強化樹脂に含まれる繊維は、連続繊維及び長繊維の少なくともいずれかである請求項１～５のいずれか一項に記載の車両用電池ユニット。
   
   

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