JP2023541459A - バッテリケースのサイドフレーム - Google Patents

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Abstract

本発明は、外部衝撃からバッテリセルを十分に保護しながら、軽量化及びコスト削減を同時に達成できるバッテリケースのサイドフレームに関するものであって、一実施例によるバッテリケースのサイドフレームは、開放断面を有するように形成された第１フレーム部、及び上記第１フレーム部内において上記第１フレーム部の開放断面を閉鎖するように配置されて上記第１フレーム部に結合された第２フレーム部を含み、上記第１フレーム部と上記第２フレーム部とは異なる材質で形成されることができる。

Description

本発明は、外部衝撃からバッテリセルを十分に保護しながら、単一材質に比べて軽量化及びコスト削減を同時に達成できるように、異種材質からなるバッテリケースのサイドフレームに関する。
例えば、電気車両に使用されるバッテリシステムは、内部のバッテリセルを保護するために様々な耐力部材を使用する。
代表的な例は、バッテリケースのサイドフレームであって、サイドフレームは、バッテリケースにおいて、バッテリセルが搭載される空間を区画する側壁を構成しながらバッテリセルを囲むようになっており、外部衝撃からバッテリセルを保護する。
また、サイドフレームは、バッテリケースを車体に固定するために必要なマウントフレーム（Ｍｏｕｎｔｉｎｇ Ｆｒａｍｅ）を側面に装着可能にする。
通常、サイドフレーム及びバッテリケースは、主にアルミニウム又はアルミニウム合金を用いて製造される。これは、アルミニウムが有する材質自体の軽量性と、例えば、押出工程を用いて複雑な断面のサイドフレームを容易に作成できる成形自由度などの利点があるためである。
しかしながら、アルミニウム又はアルミニウム合金は前述の利点にもかかわらず、鋼材と比べてはるかに高価であり、押出工程は生産歩留まりが非常に低く、コストが上昇する。
関連する先行技術としては、韓国公開特許公報２０１９－０１３１４１５Ａに開示された発明がある。
本発明は、外部衝撃からバッテリセルを十分に保護しながら軽量化及びコスト削減を同時に達成できるバッテリケースのサイドフレームを提供することにその目的がある。
本発明の一実施例によるバッテリケースのサイドフレームは、開放断面を有するように形成された第１フレーム部、及び上記第１フレーム部内において上記第１フレーム部の開放断面を閉鎖するように配置されて上記第１フレーム部に結合された第２フレーム部を含み、上記第１フレーム部と上記第２フレーム部とは異なる材質で形成されることができる。
本発明の他の実施例によるバッテリケースのサイドフレームは、閉鎖断面を有するように形成された第１フレーム部と、上記第１フレーム部内に挿入されて上記第１フレーム部に結合された第２フレーム部とを含み、上記第１フレーム部と上記第２フレーム部とは異なる材質で形成されることができる。
本発明によると、サイドフレームを異種材質で形成することにより、押出材の長所と剛性材質の長所とを均一に活用することができ、十分な構造剛性を発揮するだけでなく、軽量化及びコスト削減を達成できる効果が得られる。
本発明によるサイドフレームが適用されたバッテリケースを示す斜視図である。 本発明の第１実施例によるサイドフレームを示す断面図である。 本発明の第２実施例によるサイドフレームを示す断面図である。 本発明の第３実施例によるサイドフレームを示す断面図である。 側面衝突時に、従来のアルミニウム材からなるサイドフレームと、本発明による異種材質を有するサイドフレームとの性能を比較したグラフである。
以下、本発明は例示的な図面によって詳細に説明される。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素については、異なる図面に示されていても、可能な限り同一の符号を有するようにしていることに留意すべきである。
図１は、本発明によるサイドフレームが適用されたバッテリケースを示す斜視図である。
バッテリケースは、第１ケース１と第２ケース２とを含むことができる。
第１ケース１は、ベース板２０と、ベース板を囲むサイドフレーム１０とを含むことができる。第１ケースのベース板はバッテリセルを支持する床材として作用することができ、サイドフレームは第１ケースの側壁を構成することができる。
ベース板２０とサイドフレーム１０とは、互いに溶接等により結合されて一体となることができる。これにより、第１ケース１は、ベース板の周囲に閉鎖断面を形成するサイドフレーム内に空間部を有することができる。
例えば、少なくとも４つのサイドフレーム１０がベース板２０を囲むように設けられる。各サイドフレームの両端部は、対応する他のサイドフレームの該当端部に接した後、溶接などによって結合されることができる。
第２ケース２は、単純な平板からなるか、又は中空部を有する本体３と、本体の端部に形成されたフランジ４とを含むことができる。本体が中空部を有する場合、第２ケースは、適度な強度を有する材質を、プレスを用いて所定の形状に成形することによって製造されることができる。
第２ケース２の本体３が第１ケース１の空間部を覆うようにして第１及び第２ケースが互いに結合することにより、その内部にバッテリセルを収容するための収容空間を形成することができる。
第１及び第２ケース１、２の結合は、例えば、ボルト締めプロセスを使用して行うことができる。すなわち、本体３の端部に形成されたフランジ４とサイドフレーム１０とが互いに重なった後、ボルト（図示せず）を締結することによってなすことができる。
一方、バッテリケースの性能を評価する上で側面衝突に対する評価は重要である。側面衝突に対する評価は、剛体（Ｒｉｇｉｄ Ｂｏｄｙ）からなる円柱により、バッテリケースのうち略矩形断面を有するサイドフレームの側面に衝撃を与えて、一定レベルの衝突荷重に耐えるようにすることで行われる。一定レベルの衝突荷重に達するまでにサイドフレームとバッテリセルとの間の接触がなかった場合、バッテリケースは衝突性能を満足すると評価する。
側面衝突に対する評価において、サイドフレームの変形モードは、衝突初期の座屈モード（Ｂｕｃｋｌｉｎｇ Ｍｏｄｅ）と衝突後期の曲げモード（Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｍｏｄｅ）とに大きく分けられる。
衝突初期は、数ミリ秒（ｍｓｅｃ）の最初の衝突時点であって、このとき、サイドフレームは剛体との接触部位で集中変形が発生することになる。衝突初期には、サイドフレームの断面構造のうち、幅方向（Ｙ方向）の横部材が集中的な力を受けるようになり、これにより横部材に座屈が発生すると、座屈点が塑性ヒンジ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｈｉｎｇｅ）となり、横部材は構造部材としての機能を失うようになる。
このような座屈及び塑性ヒンジの現象を最小化するためには、サイドフレームを構成する素材の厚さを厚くする必要がある。例えば、アルミニウム材は鋼材に比べて軽いため厚さを大きく設計することができるが、鋼材は軽量化のために厚さを薄くするしかなく、鋼材からなるサイドフレームは衝突初期の座屈モードに非常に脆弱になる。
このため、鋼材からなるサイドフレームは、アルミニウム材またはアルミニウム合金材からなるサイドフレームに比べて重く、性能が劣る。
上述した衝突初期の座屈モードが終わると、サイドフレームの断面構造は急激に崩壊し、集中変形がサイドフレーム全体の曲げ変形に変化する。すなわち、サイドフレームの変形は３点曲げのような形態の曲げモードに切り替わり、このときには、サイドフレームの断面構造のうち、横部材より高さ方向（Ｚ方向）の縦部材の役割がはるかに大きくなる。
曲げモードでは、縦部材が最大圧縮又は引張を受けるようになり、これにより縦部材の強度が重要な因子となる。例えば、高強度鋼材からなるサイドフレームは、曲げ抵抗性が増大することができ、曲げモードで生じる圧縮応力又は引張応力に耐えるのに有利である。
このようなサイドフレームの変形特性により、衝突初期には横部材の厚さが重要であり、衝突後期には縦部材の強度が重要な因子となる。しかし、単一材質の中で上記の２つの条件をすべて満たすものはない。
また、従来のバッテリケースには、バッテリケースを車体に固定させるためにサイドフレームの一側に結合するマウントフレームが設けられている。
ここで、衝突初期に最初に剛体と接触する部材はマウントフレームであって、サイドフレームが十分に頑丈に設計されると、衝突初期の座屈モードはサイドフレームではなくマウントフレームで発生する。
逆に、マウントフレームがサイドフレームに比べてより強いと、むしろ座屈モードがサイドフレームで発生するようになる。
これにより、マウントフレームも衝突初期の座屈モードのような力学的考慮が必要となるが、通常、マウントフレームとサイドフレームを別途作製して溶接等で結合することにより、これらのマウントフレームとサイドフレームとの間の力学的バランスが合わず、バッテリケースは不可避的に構造的弱点を有する。
したがって、本発明によるバッテリケースのサイドフレームでは、横部材と縦部材に互いに異なる材質を適用するとともに、マウントフレームをサイドフレームに統合させてサイドフレームに要求される力学的特性を満足させ、構造の効率性を最大化することを目標とする。
図２は、本発明の第１実施例によるサイドフレームを示す断面図である。
本発明の第１実施例によるサイドフレーム１０は、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを含むことができる。
第１フレーム部３０は、所定の幅及び長さを有する単一の板材を、例えば、Ｌ字形状の断面を有するように複数回折り曲げて形成することができる。これにより、第１フレーム部は、内部に開放断面の中空部を有することができる。
第１フレーム部３０は、第１高さＨ１を有する第１縦部材３２；第１縦部材の下端に一端が連結されて第１長さＬ１だけ幅方向に延長した第１横部材３１；第１縦部材から第１長さより短い第２長さＬ２だけ離隔し、第１高さより短い第２高さＨ２を有する第２縦部材３４；第１縦部材の上端と第２縦部材の上端とを連結する第２横部材３３；及び第２縦部材の下端に一端が連結されて第１長さより短い第３長さＬ３だけ幅方向に延長した第３横部材３５を含むことができる。
第１フレーム部３０は、例えば、金属などのような単一の板材を機械加工して一体に形成されてもよい。
例えば、板材が一端から第１長さＬ１だけ幅方向（Ｙ方向）に延長して第１横部材３１を形成した後、第１方向（図２において時計方向）に１回折り曲げられる。次いで、第１高さＨ１だけ高さ方向（Ｚ方向）に上昇して第１縦部材３２を形成した後、同じ方向に１回折り曲げられる。第２長さＬ２程度幅方向に延長して第２横部材３３を形成した後、同じ方向にさらに１回折り曲げられる。次いで、第２高さＨ２だけ高さ方向に下降して第２縦部材３４を形成した後、最初の折り曲げ方向の反対である第２方向（図２において反時計方向）に１回折り曲げられる。その後に、第３長さＬ３だけ幅方向に延長して第３横部材３５を形成する。
このように所定の長さに延長した後に折り曲げられる方式を繰り返して、所望の数の横部材３１、３３、３５及び縦部材３２、３４と共に開放断面が形成されてから、板材は他端で終結する。
これにより、第１フレーム部３０は、第１高さＨ１を有する壁部３７と、壁部から幅方向（Ｙ方向）の一側に第３長さＬ３だけ延長した突出部３８とを含むことができる。
壁部３７は、略第１縦部材３２、第１横部材３１の一部、第２縦部材３４、及び第２横部材３３に区画されることができる。突出部３８は、第３横部材３５と、これに対応する第１横部材３１の部分で形成されることができる。
壁部３７が既存のサイドフレームに対応する一方、突出部３８は既存のマウントフレームに対応する。結局、本発明の第１実施例によるサイドフレーム１０では、マウントフレームをサイドフレームに統合させてサイドフレームと一体に形成できるようになる。
また、第１フレーム部３０において、第１縦部材３２と第２縦部材３４とは、第２長さＬ２だけ互いに離隔することができ、第１横部材３１と第３横部材３３とは、第１高さＨ１と第２高さＨ２との高さ差だけ互いに離隔するとともに、第１横部材の端部と第３横部材の端部との間に開放部３９を有することができる。
これにより、第１フレーム部３０の突出部３８は開放部３９を含むことができ、突出部及び開放部は第１高さＨ１と第２高さＨ２との高さ差に該当する高さを有するようになる。
ここで、複数の横部材と複数の縦部材は必ずしも完全な水平又は垂直に形成されるものではなく、傾きを有することができる。これにより、離隔距離や高さ差などは可変することができる。
このように形成された第１フレーム部３０は、サイドフレーム１０の外部を構成することができる。
第１フレーム部３０は、所定の長さを有するように長く形成され、第１横部材３１の底面のような一側面が、例えば、溶接などのような接合によってベース板２０に結合されることができる。
第２フレーム部４０は、所定の長さを有するように長く形成され、一定の高さと一定の幅を有する略矩形断面の管部材で形成されることができる。これにより、第２フレーム部は、内部に閉鎖断面の中空部を有することができる。
第２フレーム部は、高さ方向（Ｚ方向）に互いに離隔した第１横方向部材４１と第２横方向部材４３、及び幅方向（Ｙ方向）に互いに離隔し、第１横方向部材と第２横方向部材とを連結する第１縦方向部材４２と第２縦方向部材４４を含むことができる。
ここで、第１横方向部材４１と第２横方向部材４３の厚さは、第１縦方向部材４２及び第２縦方向部材４４の厚さより厚く形成されてもよい。例えば、横方向部材は、縦方向部材より３倍以上の厚さを有してもよい。
また、少なくとも第２フレーム部４０の横方向部材４１、４３は、第１フレーム部３０より厚い厚さを有することができる。
第２フレーム部４０の高さは第１フレーム部３０の開放部３９の高さに対応し、第２フレーム部の幅は第１フレーム部の第１横部材３１の第１長さＬ１に対応することができる。言い換えれば、第１横方向部材４１と第２横方向部材４３は、第１長さＬ１と同じ長さを有することができる。
第２フレーム部４０は、第１フレーム部３０内において少なくとも突出部３８と整列して配置されることができ、第１フレーム部の開放断面、すなわち、開放部３９を閉鎖してサイドフレーム１０の全体を閉鎖断面で形成することができる。
このように形成され、配置された第２フレーム部４０は、サイドフレーム１０の内部を構成することができる。
本発明の第１実施例によるサイドフレーム１０において、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とは互いに異なる材質で形成されてもよい。
例えば、第１フレーム部３０は、鋼材等のように比重が４以上の重金属材質で作製されることができる。第２フレーム部４０は、第１フレーム部より比重の低い材質で作製されることができる。
あるいは、第２フレーム部４０は、第１フレーム部３０より高い比強度を有する材質で作製されることができる。
より具体的に、第１フレーム部３０は、本出願人が生産する、例えば、厚さ０．５ｍｍ～１．５ｍｍ程度の１４７０ＭＡＲＴ（Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ）鋼などの板材で作製されることができる。ここで、１４７０ＭＡＲＴ鋼は、１，４７０ＭＰａ以上の引張強度及び１，０５０ＭＰａ以上の降伏強度をもって衝突安全性を向上させた鋼種である。
この場合、第１フレーム部３０は、ベンディング（Ｂｅｎｄｉｎｇ）、ロールフォーミング（Ｒｏｌｌ Ｆｏｒｍｉｎｇ）、プレスフォーミング（Ｐｒｅｓｓ Ｆｏｒｍｉｎｇ）などによって成形されることができる。
また、第２フレーム部４０は、押出により成形可能な材質、例えば、アルミニウムなどのような軽金属やその合金、プラスチック、複合材料などで作製されることができる。
このように、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０は異種材質で形成されるため、第１フレーム部と第２フレーム部はリベット５１などのような固定具による機械的接合と、構造用接着剤などのような接着剤５２による化学的接合によって互いに結合することができる。
本発明の第１実施例によるサイドフレーム１０を組み立てる際には、まず別途成形された第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを互いに対して長さ方向（Ｘ方向）に相対移動させながら、第２フレーム部を第１フレーム部内の突出部３８に嵌合させることができる。
次いで、第１フレーム部３０の第１縦部材３２は、第２フレーム部４０の第１縦方向部材４２とリベット５１によって結合することができる。第１フレーム部の第１横部材３１と第２フレーム部の第１横方向部材４１、そして第１フレーム部の第３横部材３５と第２フレーム部の第２横方向部材４３の間には接着剤５２が介在して互いに接合されることができる。
このような接着剤５２は、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０との間の結合だけでなく、例えば、第１フレーム部は鋼材で形成され、第２フレーム部はアルミニウム材で形成される場合に、これらの異種材質の直接的な接触によって引き起こされる腐食を防止することができる効果が得られる。
もちろん、組み立て方法は必ずしも上述した例に限定されず、リベット５１などのような固定具と構造用接着剤などのような接着剤５２とを共に組み合わせて第１フレーム部３０と第２フレーム部４０の結合に用いることができる。
これにより、軽量材質の第２フレーム部４０は、高強度材質の第１フレーム部３０内に追加の横部材（すなわち、第２横方向部材４３）を提供するか、又は少なくとも第１及び第３横部材３１、３５の厚さをさらに付加することができる。
本発明の第１実施例によるサイドフレーム１０は、異種材質の第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを含み、厚い横部材を必要とする部分には軽量材質を配置し、強度が要求される縦部材には、高強度材質を配置するとともに、サイドフレームにマウントフレームを一体化させ、高性能及び低コストの非常に効率的な構造を実現できる利点を有するようになる。
これにより、衝突初期には、厚い横部材により座屈及び塑性ヒンジの現象を防止することができ、衝突後期には、高強度の縦部材により曲げ変形に対応することができる。
また、最初の衝撃を受けるマウントフレームの役割を考慮して、横部材を既存のマウントフレームの位置まで延長し、外側を高強度材質で囲むことで、サイドフレームだけでも力学的特性を満足させ、構造の効率性を極大化することができる。
図３は、本発明の第２実施例によるサイドフレームを示す断面図である。
本発明の第２実施例によるサイドフレーム１０は、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを含むことができる。
第１フレーム部３０は、所定の幅と長さを有する単一の板材を、例えば、Ｌ字形状の断面を有するように複数回折り曲げて形成することができる。これにより、第１フレーム部は、内部に開放断面の中空部を有することができる。
第１フレーム部３０は、第１高さＨ１を有する第１縦部材３２；第１縦部材の下端に一端が連結されて第１長さＬ１だけ幅方向に延長した第１横部材３１；第１縦部材から第１長さより短い第２長さＬ２だけ離隔し、第１高さより短い第２高さＨ２を有する第２縦部材３４；第１縦部材の上端と第２縦部材の上端とを連結する第２横部材３３；第１横部材の他端に下端が連結され、第１高さより短い第３高さＨ３を有する第３縦部材３６；及び第３縦部材の上端に一端が連結されて第１縦部材に向かって第１長さより短い第３長さＬ３だけ幅方向に延長した第３横部材３５を含むことができる。
第１フレーム部３０は、例えば、金属などのような単一の板材を機械加工して一体に形成することができる。
例えば、板材が一端から第３長さＬ３だけ幅方向（Ｙ方向）に延長して第３横部材３５を形成した後、第１方向（図３において時計方向）に１回折り曲げられる。次いで、第３高さＨ３だけ高さ方向（Ｚ方向）に下降して第３縦部材３６を形成した後、同じ方向に１回折り曲げられる。次いで、第１長さＬ１だけ幅方向に延長して第１横部材３１を形成した後、同じ方向に１回折り曲げられる。次いで、第１高さＨ１だけ高さ方向に上昇して第１縦部材３２を形成した後、同じ方向に１回折り曲げられる。第２長さＬ２だけ幅方向に延長して第２横部材３３を形成した後、同じ方向にさらに１回折り曲げられる。その後、第２高さＨ２だけ高さ方向に下降して第２縦部材３４を形成する。
このように所定の長さに延長した後に折り曲げられる方式を繰り返し、所望の数の横部材３１、３３、３５及び縦部材３２、３４、３６と共に開放断面が形成されてから、板材は他端で終結する。
これにより、第１フレーム部３０は、第１高さＨ１を有する壁部３７と、壁部から幅方向（Ｙ方向）の一側に第３長さＬ３だけ又は第３長さよりやや長く延長した突出部３８とを含むことができる。
壁部３７は、略第１縦部材３２、第１横部材３１の一部、第２縦部材３４、及び第２横部材３３に区画されることができる。突出部３８は、第３横部材３５と、これに対応する第１横部材３１の部分、及び第３縦部材３６とに区画されることができる。
本発明の第２実施例によるサイドフレーム１０では、マウントフレームをサイドフレームに統合させてサイドフレームと一体に形成することができる。
また、第１フレーム部３０において、第１縦部材３２と第２縦部材３４とは、第２長さＬ２だけ互いに離隔することができ、第１縦部材３２と第３縦部材３６とは、第１長さＬ１だけ互いに離隔することができる。
また、第１フレーム部３０は、第２縦部材３４の端部と第３横部材３５の端部との間に開放部３９を有することができる。
これにより、第１フレーム部３０は、壁部３７と突出部３８との間に開放部３９を含むことができ、開放部は第１高さＨ１から第２高さＨ２と第３高さＨ３との和を引いた残りに該当する高さを有するようになる。
ここで、複数の横部材及び複数の縦部材は必ずしも完全な水平又は垂直に形成されるものではなく、傾きを有することができる。これにより、離隔距離などは可変することができる。
このように形成された第１フレーム部３０は、サイドフレーム１０の外部を構成することができる。
第１フレーム部３０は、所定の長さを有するように長く形成され、第１横部材３１の底面のような一側面が、例えば、溶接などのような接合によってベース板２０に結合されることができる。
第２フレーム部４０は、所定の長さを有するように長く形成され、一定の高さと一定の幅を有する略矩形断面の管部材で形成されることができる。これにより、第２フレーム部は、内部に閉鎖断面の中空部を有することができる。
第２フレーム部４０は、高さ方向（Ｚ方向）に互いに離隔した第１横方向部材４１と第２横方向部材４２、及び幅方向（Ｙ方向）に互いに離隔し、第１横方向部材と第２横方向部材とを連結する第１縦方向部材４２と第２縦方向部材４４を含むことができる。
第２フレーム部４０は、第２縦方向部材４４から第１横方向部材４１に連続するか、又は平行に延長した第３横方向部材４５、及び第１横方向部材４１から第１縦方向部材４２に連続するか、又は平行に延長した第３縦方向部材４６をさらに含むことができる。
ここで、第１横方向部材４１、第２横方向部材４３及び第３横方向部材４５それぞれの厚さは、第１縦方向部材４２、第２縦方向部材４４及び第３縦方向部材４６それぞれの厚さより厚く形成されてもよい。例えば、横方向部材は、縦方向部材より３倍以上の厚さを有してもよい。
また、少なくとも第２フレーム部４０の横方向部材４１、４３、４５は、第１フレーム部３０よりも厚い厚さを有することができる。
第２フレーム部４０において、第１横方向部材４１及び第２横方向部材４３は、第２長さＬ２と同じ長さを有することができる。
第２フレーム部４０は、第１フレーム部３０内において少なくとも壁部３７と整列して配置されることができ、第１フレーム部の開放断面、すなわち、開放部３９を閉鎖してサイドフレーム１０の全体を閉鎖断面で形成することができる。
第２フレーム部４０の第３縦方向部材４６は、第１フレーム部３０の第１縦部材３２によって支持されることができる。
第２フレーム部４０の第３横方向部材４５は、第１フレーム部３０の第３横部材３５上に配置されることができる。
しかし、第２フレーム部４０の第３横方向部材４５の配置は必ずしもこれに限定されない。例えば、第２フレーム部の第３横方向部材は、第１フレーム部３０の第３横部材３５と第１横部材３１との間に配置されてから、第３横方向部材の端部が第１フレーム部の第３縦部材３６に当接して支持されることもできる。
このように形成されて配置された第２フレーム部４０は、サイドフレーム１０の内部を構成することができる。
本発明の第２実施例によるサイドフレーム１０において、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とは、第１実施例と同様に互いに異なる材質で形成されてもよい。
例えば、第１フレーム部３０は、鋼材などのような重金属材質で作製されることができる。第２フレーム部４０は、第１フレーム部より比重の低い材質で作製されることができる。
あるいは、第２フレーム部４０は、第１フレーム部３０より高い比強度を有する材質で作製されることができる。
より具体的に、第１フレーム部３０は、本出願人が生産する、例えば、厚さ０．５ｍｍ～１．５ｍｍ程度の１４７０ＭＡＲＴ鋼などの板材で作製されることができる。
この場合、第１フレーム部３０は、ベンディング、ロールフォーミング、プレスフォーミングなどにより成形されることができる。
また、第２フレーム部４０は、押出により成形可能な材質、例えば、アルミニウムなどのような軽金属やその合金、プラスチック、複合材料で作製されることができる。
このように、第１フレーム部３０及び第２フレーム部４０は異種材質で形成されるため、第１フレーム部及び第２フレーム部は、リベット５１などのような固定具による機械的接合と、構造用接着剤などのような接着剤５２による化学的接合によって互いに結合することができる。
本発明の第２実施例によるサイドフレーム１０を組み立てる際には、まず別途成形された第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを互いに対して長さ方向（Ｘ方向）に相対移動させながら、第２フレーム部を第１フレーム部内の壁部３７に嵌合させることができる。
次いで、第１フレーム部３０の第１縦部材３２は、第２フレーム部４０の第１縦方向部材４２及び第３縦方向部材４６とリベット５１によって結合することができる。第１フレーム部の第２縦部材３４は、第２フレーム部の第２縦方向部材４４とリベット５１によって結合することができる。第１フレーム部３０の第３横部材３５と第２フレーム部４０の第３横方向部材４５との間には接着剤５２が介在して互いに接合されることができる。
このような接着剤５２は、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０との間の結合だけでなく、例えば、第１フレーム部が鋼材で形成され、第２フレーム部がアルミニウム材で形成される場合に、これらの異種材質の直接的な接触によって引き起こされる腐食を防止することができる効果が得られる。
もちろん、組み立て方法は必ずしも上述した例に限定されず、リベット５１などのような固定具と、構造用接着剤などのような接着剤５２とを共に組み合わせて第１フレーム部３０と第２フレーム部４０の結合に用いることができる。
これにより、軽量材質の第２フレーム部４０は、高強度材質の第１フレーム部３０内に追加の横部材（すなわち、第１横方向部材４１と第２横方向部材４３）を提供するとともに、第３横部材３５の厚さをさらに付加することができる。
本発明の第２実施例によるサイドフレーム１０は、異種材質の第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを含み、厚い横部材を必要とする部分には軽量材質を配置し、強度が要求される縦部材には高強度材質を配置するとともに、サイドフレームにマウントフレームを一体化させ、高性能及び低コストの非常に効率的な構造を実現できるという利点を有するようになる。
これにより、衝突初期には、厚い横部材により座屈及び塑性ヒンジの現象を防止することができ、衝突後期には、高強度の縦部材により曲げ変形に対応することができる。
また、最初の衝撃を受けるマウントフレームの役割を考慮して、横部材を既存のマウントフレームの位置まで延長し、外側を高強度材質で囲むことで、サイドフレームだけでも力学的特性を満足させ、構造の効率性を極大化することができる。
図４は、本発明の第３実施例によるサイドフレームを示す断面図である。
本発明の第３実施例によるサイドフレーム１０は、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを含むことができる。
第１フレーム部３０は、所定の幅と長さを有する単一の板材を、例えば、Ｌ字形状の断面を有するように複数回折り曲げた後に接する端部を溶接して形成することができる。これにより、第１フレーム部は、内部に閉鎖断面の中空部を有することができる。
第１フレーム部３０は、第１高さＨ１を有する第１縦部材３２；第１縦部材の下端に一端が連結されて第１長さＬ１だけ幅方向に延長した第１横部材３１；第１縦部材から第１長さより短い第２長さＬ２だけ離隔し、第１高さより短い第２高さＨ２を有する第２縦部材３４；第１縦部材の上端と第２縦部材の上端とを連結する第２横部材３３；第１横部材の他端に下端が連結され、第１高さより短い第３高さＨ３を有する第３縦部材３６；及び第２縦部材の下端と第３縦部材の上端とを連結し、第１長さより短い第３長さＬ３を有する第３横部材３５を含むことができる。
第１フレーム部３０は、例えば、金属などのような単一の板材を機械加工して一体に形成することができる。
例えば、板材が一端から第２高さＨ２だけ高さ方向（Ｚ方向）に下降して第２縦部材３４を形成した後、第２方向（図４において反時計方向）に１回折り曲げられる。次いで、第３長さＬ３だけ幅方向（Ｙ方向）に延長して第３横部材３５を形成した後、最初の折り曲げ方向と反対である第１方向（図４において時計方向）に１回折り曲げられる。次いで、第３高さＨ３だけ高さ方向に下降して第３縦部材３６を形成した後、同じ第１方向に１回折り曲げられる。次いで、第１長さＬ１だけ幅方向に延長して第１横部材３１を形成した後、同じ方向に１回折り曲げられる。次いで、第１高さＨ１だけ高さ方向に上昇して第１縦部材３２を形成した後、同じ方向に１回折り曲げられる。第２長さＬ２だけ幅方向に延長して第２横部材３３を形成した後、同じ方向にさらに１回折り曲げられる。その後に、板材の他端が一端に溶接されて溶接部５３を形成する。
このように所定の長さに延長した後、折り曲げられる方式を繰り返し、所望の数の横部材３１、３３、３５及び縦部材３２、３４、３６と共に閉鎖断面が形成されてから、板材の両端は溶接によって連結される。
これにより、第１フレーム部３０は、第１高さＨ１を有する壁部３７と、壁部から幅方向（Ｙ方向）の一側に第３長さＬ３だけ延長した突出部３８とを含むことができる。
壁部３７は、略第１縦部材３２、第１横部材３１の一部、第２縦部材３４、及び第２横部材３３に区画されることができる。突出部３８は、第３横部材３５と、これに対応する第１横部材３１の部分、及び第３縦部材３６とに区画されることができる。
本発明の第３実施例によるサイドフレーム１０では、マウントフレームをサイドフレームに統合させてサイドフレームと一体に形成することができる。
また、第１フレーム部３０において、第１縦部材３２と第２縦部材３４とは、第２長さＬ２だけ互いに離隔することができ、第１縦部材３２と第３縦部材３６とは、第１長さＬ１だけ互いに離隔することができる。
また、第１フレーム部３０において、第１横部材３１と第３横部材３５とは、第３高さＨ３だけ互いに離隔することができる。
ここで、複数の横部材及び複数の縦部材は必ずしも完全な水平又は垂直に形成されるものではなく、傾きを有することができる。これにより、離隔距離などは可変することができる。
このように形成された第１フレーム部３０は、サイドフレーム１０の外部を構成することができる。
第１フレーム部３０は、所定の長さを有するように長く形成され、第１横部材３１の底面のような一側面が、例えば、溶接などのような接合によってベース板２０に結合されることができる。
第２フレーム部４０は、所定の長さを有するように長く形成され、一定の高さ及び一定の幅を有する略矩形断面の管部材で形成されることができる。これにより、第２フレーム部は、内部に閉鎖断面の中空部を有することができる。
第２フレーム部４０は、高さ方向（Ｚ方向）に互いに離隔した第１横方向部材４１と第２横方向部材４２、及び幅方向（Ｙ方向）に互いに離隔し、第１横方向部材４２と第２横方向部材とを連結する第１縦方向部材４２と第２縦方向部材４４を含むことができる。
第２フレーム部４０は、第２縦方向部材４４から第１横方向部材４１に連続するか、又は平行に延長した第３横方向部材４５、及び第１横方向部材４１から第１縦方向部材４２に連続するか、又は平行に延長した第３縦方向部材４６をさらに含むことができる。
ここで、第１横方向部材４１、第２横方向部材４３及び第３横方向部材４５それぞれの厚さは、第１縦方向部材４２、第２縦方向部材４４及び第３縦方向部材４６それぞれの厚さより厚く形成されてもよい。例えば、横方向部材は、縦方向部材より３倍以上の厚さを有してもよい。
また、少なくとも第２フレーム部４０の横方向部材４１、４３、４５は、第１フレーム部３０よりも厚い厚さを有することができる。
第２フレーム部４０において、第１横方向部材４１と第２横方向部材４３とは、第２長さＬ２と同じ長さを有することができる。第２フレーム部は、第１フレーム部内において少なくとも壁部３７と整列して配置されることができる。
第２フレーム部４０の第３縦方向部材４６は、第１フレーム部３０の第１縦部材３２によって支持されることができる。
第２フレーム部４０の第３横方向部材４５は、第１フレーム部３０の第３横部材３５と第１横部材３１との間に配置されてから、第３横方向部材の端部が第１フレーム部の第３縦部材３６に当接して支持されることができる。
このように形成されて配置された第２フレーム部４０は、サイドフレーム１０の内部を構成することができる。
本発明の第３実施例によるサイドフレーム１０において、第１フレーム部３０と第２フレーム部４０は、第１実施例及び第２実施例と同様に互いに異なる材質で形成されることができる。
例えば、第１フレーム部３０は、鋼材などの重金属材質で作製されることができる。第２フレーム部４０は、第１フレーム部より比重の低い材質で作製されることができる。
あるいは、第２フレーム部４０は、第１フレーム部３０より高い比強度を有する材質で作製されることができる。
より具体的に、第１フレーム部３０は、本出願人が生産する、例えば、厚さ０．５ｍｍ～１．５ｍｍ程度の１４７０ＭＡＲＴ鋼などの板材で作製されることができる。
この場合、第１フレーム部３０はロールフォーミングなどにより成形されることができる。
また、第２フレーム部４０は、押出により成形可能な材質、例えば、アルミニウムなどのような軽金属やその合金、プラスチック、複合材料で作製されることができる。
このように、第１フレーム部３０及び第２フレーム部４０は異種材質で形成されるため、第１フレーム部と第２フレーム部はリベット５１などのような固定具による機械的接合と、構造用接着剤などのような接着剤５２（図２又は図３参照）による化学的接合によって互いに結合することができる。
本発明の第３実施例によるサイドフレーム１０を組み立てる際には、まず別途成形された第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを互いに対して長さ方向（Ｘ方向）に相対移動させながら、第２フレーム部を第１フレーム部内の壁部３７に嵌合させることができる。
次いで、第１フレーム部３０の第１縦部材３２は、第２フレーム部４０の第１縦方向部材４２及び第３縦方向部材４６とリベット５１によって結合することができる。第１フレーム部の第２縦部材３４は、第２フレーム部の第２縦方向部材４４とリベット５１によって結合することができる。
しかし、組み立て方法は必ずしも上述した例に限定されず、リベット５１などのような固定具と構造用接着剤などのような接着剤とを共に組み合わせて第１フレーム部３０と第２フレーム部４０の結合に用いることができる。
これにより、軽量材質の第２フレーム部４０は、高強度材質の第１フレーム部３０内に追加の横部材（すなわち、第１横方向部材４１と第２横方向部材４３）を提供することができる。
本発明の第３実施例によるサイドフレーム１０は、異種材質の第１フレーム部３０と第２フレーム部４０とを含み、厚い横部材を必要とする部分には軽量材質を配置し、強度が要求される縦部材には高強度材質を配置するとともに、サイドフレームにマウントフレームを一体化させ、高性能及び低コストの非常に効率的な構造を実現できるという利点を有するようになる。
これにより、衝突初期には厚い横部材により座屈及び塑性ヒンジの現象を防止することができ、衝突後期には高強度の縦部材により曲げ変形に対応することができる。
また、最初の衝撃を受けるマウントフレームの役割を考慮して、横部材を既存のマウントフレームの位置まで延長し、外側を高強度材質で囲むことで、サイドフレームだけでも力学的特性を満足させ、構造の効率性を極大化することができる。
図５は、側面衝突時に、従来のアルミニウム材からなるサイドフレームと、本発明による異種材質を有するサイドフレームとの性能を比較したグラフである。
本出願人は、本発明の第２実施例によるサイドフレームについてシミュレーションによって性能解析を行った。
剛体からなる円柱によりサイドフレームの側面に衝撃を与えて一定レベルの衝突荷重に耐える性能に関連し、仮想のアルミニウム押出材でのみ形成された従来のサイドフレーム（図５のａ）と、本発明の第２実施例によるサイドフレーム（図５のｂ）の変形量の程度を比較してみた。
本発明の第２実施例によるサイドフレームにおいて、第１フレーム部は１４７０ＭＡＲＴ鋼を使用してロールフォーミングで成形し、第２フレーム部は６０００系列のアルミニウムを押出して形成したものに設定した。
性能解析の結果は、下記表１の通りである。
本発明の異種材料からなるサイドフレームにおいて、変形量（変位）は、アルミニウム押出材を適用した従来のサイドフレームと同様であり、バッテリセルとの接触もなかった。さらに、本発明のサイドフレームは、従来のサイドフレームに比べて同じ性能を満足しながらも、重量は８６％程度減らすことができ、コストは４４％レベルに削減することができるため、非常に効率的な構造であることが確認できた。
以上のように、本発明によると、サイドフレームを異種材質で形成することにより、押出材の長所と剛性材質の長所とを均一に活用することができ、十分な構造剛性を発揮するだけでなく、軽量化及びコスト削減を達成できる効果が得られる。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正及び変形が可能である。
本明細書及び図面では、第２フレーム部が略矩形断面を有する例のみを説明し、図示しているが、第２フレーム部の断面形状はこれに限定されず、例えば、楕円形や他の任意の多角形断面、又は弧（Ａｒｃ）形状や逆コの字形状の開放断面を有することができる。
なお、第１フレーム部の横部材及び第２フレーム部の横方向部材、並びに第１フレーム部の縦部材及び第２フレーム部の縦方向部材は、単に用語を区分するための目的で使用されたものであり、他の技術的意味を有するものではないことを明らかにしておく。
一方、本発明において上述及び図解された実施例は互いに組み合わせることができ、各実施例は必要に応じて選択的に他の実施例の一部の構成要素を採用することができる。
したがって、本明細書及び図面に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく説明するためのものであり、このような実施例によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
以上のように、本発明は、例えば、バッテリシステムが装着された電気車両に有用である。

Claims (28)

  1. 開放断面を有するように形成された第１フレーム部と、
    前記第１フレーム部内において前記第１フレーム部の開放断面を閉鎖するように配置されて前記第１フレーム部に結合された第２フレーム部と
    を含み、
    前記第１フレーム部と前記第２フレーム部とは異なる材質で形成される、バッテリケースのサイドフレーム。
  2. 前記第１フレーム部は、
    第１高さを有する第１縦部材と、
    前記第１縦部材の下端に一端が連結されて第１長さだけ幅方向に延長した第１横部材と、
    前記第１縦部材から前記第１長さより短い第２長さだけ離隔し、前記第１高さより短い第２高さを有する第２縦部材と、
    前記第１縦部材の上端と前記第２縦部材の上端とを連結する第２横部材と、
    前記第２縦部材の下端に一端が連結されて前記第１長さより短い第３長さだけ幅方向に延長した第３横部材と
    を含み、
    前記第１横部材の他端と前記第３横部材の他端との間に開放部が形成される、請求項１に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  3. 前記第１フレーム部は、
    前記第１高さを有する壁部と、
    前記壁部から幅方向の一側に前記第３長さだけ延長した突出部と
    を含み、
    前記突出部の一側に前記開放部が形成される、請求項２に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  4. 前記第２フレーム部は、前記第１フレーム部内において少なくとも突出部に配置され、前記開放部を閉鎖する、請求項３に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  5. 前記第２フレーム部は、
    高さ方向に互いに離隔した第１横方向部材と第２横方向部材と、
    幅方向に互いに離隔し、前記第１横方向部材と前記第２横方向部材とを連結する第１縦方向部材と第２縦方向部材と
    を含む、請求項２に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  6. 前記第１横方向部材及び前記第２横方向部材それぞれの厚さは、前記第１縦方向部材及び前記第２縦方向部材それぞれの厚さよりも厚く形成される、請求項５に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  7. 前記第１横方向部材及び前記第２横方向部材は、前記第１フレーム部よりも厚い厚さを有する、請求項５に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  8. 前記第１横方向部材及び前記第２横方向部材は、前記第１長さと同じ長さを有し、
    前記第１縦方向部材は、前記第１縦部材と機械的接合によって結合され、
    前記第１横部材と前記第１横方向部材との間、及び前記第３横部材と前記第２横方向部材との間は、化学的接合によって結合される、請求項５に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  9. 前記第１フレーム部は、
    第１高さを有する第１縦部材と、
    前記第１縦部材の下端に一端が連結されて第１長さだけ幅方向に延長した第１横部材と、
    前記第１縦部材から前記第１長さより短い第２長さだけ離隔し、前記第１高さより短い第２高さを有する第２縦部材と、
    前記第１縦部材の上端と前記第２縦部材の上端とを連結する第２横部材と、
    前記第１横部材の他端に下端が連結され、前記第１高さより短い第３高さを有する第３縦部材と、
    前記第３縦部材の上端に一端が連結されて前記第１縦部材に向かって前記第１長さより短い第３長さだけ幅方向に延長した第３横部材と
    を含み、
    前記第２縦部材の下端と第３横部材の他端との間に開放部が形成される、請求項１に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  10. 前記第１フレーム部は、
    前記第１高さを有する壁部と、
    前記壁部から幅方向の一側に前記第３長さだけ又は前記第３長さより長く延長した突出部と
    を含み、
    前記壁部と前記突出部との間に前記開放部が形成される、請求項９に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  11. 前記第２フレーム部は、前記第１フレーム部内において少なくとも前記壁部に配置され、前記開放部を閉鎖する、請求項１０に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  12. 前記第２フレーム部は、
    高さ方向に互いに離隔した第１横方向部材と第２横方向部材と、
    幅方向に互いに離隔し、前記第１横方向部材と前記第２横方向部材とを連結する第１縦方向部材と第２縦方向部材と
    を含む、請求項９に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  13. 前記第２フレーム部は、
    前記第２縦方向部材から前記第１横方向部材に連続するか、又は平行に延長した第３横方向部材と、
    前記第１横方向部材から前記第１縦方向部材に連続するか、又は平行に延長した第３縦方向部材と
    をさらに含む、請求項１２に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  14. 前記第１横方向部材、前記第２横方向部材及び前記第３横方向部材それぞれの厚さは、前記第１縦方向部材、前記第２縦方向部材及び前記第３縦方向部材それぞれの厚さよりも厚く形成される、請求項１３に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  15. 前記第１横方向部材、前記第２横方向部材及び前記第３横方向部材は、前記第１フレーム部よりも厚い厚さを有する、請求項１３に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  16. 前記第１横方向部材及び前記第２横方向部材は、前記第２長さと同じ長さを有し、
    前記第３横方向部材は前記第３横部材上に配置され、
    前記第１縦方向部材及び前記第３縦方向部材は、前記第１縦部材と機械的接合によって結合し、
    前記第２縦方向部材は、前記第２縦部材と機械的接合によって結合し、
    前記第３横部材と前記第３横方向部材との間は化学的接合によって結合する、請求項１３に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  17. 前記第１横方向部材及び前記第２横方向部材は、前記第２長さと同じ長さを有し、
    前記第３横方向部材は、前記第３横部材と前記第１横部材との間に配置され、前記第３横方向部材の端部が前記第３縦部材に当接し、
    前記第１縦方向部材及び前記第３縦方向部材は、前記第１縦部材と機械的接合によって結合し、
    前記第２縦方向部材は、前記第２縦部材と機械的接合によって結合する、請求項１３に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  18. 閉鎖断面を有するように形成された第１フレーム部と、
    前記第１フレーム部内に挿入されて前記第１フレーム部に結合された第２フレーム部と
    を含み、
    前記第１フレーム部及び前記第２フレーム部は異なる材質で形成される、バッテリケースのサイドフレーム。
  19. 前記第１フレーム部は、
    第１高さを有する第１縦部材と、
    前記第１縦部材の下端に一端が連結されて第１長さだけ幅方向に延長した第１横部材と、
    前記第１縦部材から前記第１長さより短い第２長さだけ離隔し、前記第１高さより短い第２高さを有する第２縦部材と、
    前記第１縦部材の上端と前記第２縦部材の上端とを連結する第２横部材と、
    前記第１横部材の他端に下端が連結され、前記第１高さより短い第３高さを有する第３縦部材と、
    前記第２縦部材の下端と前記第３縦部材の上端とを連結し、前記第１長さより短い第３長さを有する第３横部材と
    を含む、請求項１８に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  20. 前記第１フレーム部は、
    前記第１高さを有する壁部と、
    前記壁部から幅方向の一側に前記第３長さだけ延長した突出部と
    を含む、請求項１９に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  21. 前記第２フレーム部は、前記第１フレーム部内において少なくとも前記壁部に配置される、請求項２０に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  22. 前記第２フレーム部は、
    高さ方向に互いに離隔した第１横方向部材と第２横方向部材と、
    幅方向に互いに離隔し、前記第１横方向部材と前記第２横方向部材とを連結する第１縦方向部材と第２縦方向部材と
    を含む、請求項１９に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  23. 前記第２フレーム部は、
    前記第２縦方向部材から前記第１横方向部材に連続するか、又は平行に延長した第３横方向部材と、
    前記第１横方向部材から前記第１縦方向部材に連続するか、又は平行に延長した第３縦方向部材と
    をさらに含む、請求項２２に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  24. 前記第１横方向部材、前記第２横方向部材及び前記第３横方向部材それぞれの厚さは、前記第１縦方向部材、前記第２縦方向部材及び前記第３縦方向部材それぞれの厚さより厚く形成される、請求項２３に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  25. 前記第１横方向部材、前記第２横方向部材及び前記第３横方向部材は、前記第１フレーム部よりも厚い厚さを有する、請求項２３に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  26. 前記第１横方向部材及び前記第２横方向部材は、前記第２長さと同じ長さを有し、
    前記第３横方向部材は、前記第３横部材と前記第１横部材との間に配置され、前記第３横方向部材の端部が前記第３縦部材に当接し、
    前記第１縦方向部材及び前記第３縦方向部材は、前記第１縦部材と機械的接合によって結合し、
    前記第２縦方向部材は、前記第２縦部材と機械的接合によって結合する、請求項２３に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  27. 前記第２フレーム部は、前記第１フレーム部より比重が低い材質で作製される、請求項１から２６のいずれか一項に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
  28. 前記第２フレーム部は、前記第１フレーム部より高い比強度を有する材質で作製される、請求項１から２６のいずれか一項に記載のバッテリケースのサイドフレーム。
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