JP5187820B2 - フロアキックアップ部補強のための燃料電池車両用アッパーボディ構造 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池車両用車体構造に係り、より詳細には、燃料電池車両の車体において、フロアキックアップ部を補強したアッパーボディの下部車体構造に関する。

世界の自動車産業は１００年以上もガソリン及びディーゼル内燃機関を中心に急速な成長を遂げてきたが、最近に入り環境規制やエネルギーとなる化石燃料の枯渇問題まで非常に大きな変化に直面している。

そこで、先進国を中心として世界各国は、環境にやさしい自動車開発のための熾烈な競争に次々と参入している。各自動車メーカーは、先端技術を使用して、環境にやさしく高効率の未来型自動車の技術開発競争に努力を傾けている。直面する化石燃料の枯渇問題を解決し、より環境にやさしい製品を開発しなければならないという時代的要請に応じて、各自動車メーカーは、特に電気モータを動力源として使用する電気自動車の研究をさらに活発化させている。現在最も活発に研究されている電気自動車の分野としては、燃料電池システムを搭載した車両を挙げることができる。

燃料電池システムが搭載された車両は、燃料として使用される水素を燃料電池スタックに供給して電気を生産し、燃料電池スタックにより生産された電気で電気モータを作動させて車両を駆動させる。ここで燃料電池システムは、燃料が持っている化学エネルギーを燃焼により熱に変えるのではなく、燃料電池スタック内で、電気化学的に直接電気エネルギーに変換させる一種の発電システムである。

燃料電池システムは大きく電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システム、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給システム、燃料電池スタックの反応熱をシステムの外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御する熱及び水管理システムとで構成される。このような構成の燃料電池システムでは、燃料である水素と空気中の酸素による電気化学反応により電気を発生させ、反応副産物として熱と水を排出する。現在自動車用として多く使用されている燃料電池スタックは、出力密度が高い固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。

一方、従来の燃料電池車両ではモノコックボディと呼ばれるボックスタイプの車体が使用され、これはフレームのような骨組みを持たない構造となっている。このようなモノコックボディはエンジンルーム、キャビンスペース、トランクルームなどが形成されるように薄いパネルと補強メンバーを適切に組み合わせて構成した構造であり、外部の力をボディ全体に分散させて耐える構造となっている。

このような従来の車体構造では、燃料電池スタックに供給される空気を加湿するための加湿器、燃料電池水素と空気中の酸素による電気化学反応により電気を発生させる燃料電池スタック、燃料タンクである水素タンクから供給される水素の圧力を調節し、燃料電池スタックに供給するＦＰＳなどは、モノコックボディのエンジンルーム内部に搭載され、複数の水素タンクはボディのリアフロア下側に搭載される。

しかし、燃料電池車両に搭載される加湿器及び燃料電池スタックなどは相当な重量を持つ重量部品である。従って、これらの重量部品をモノコックボディのエンジンルーム内部に装着する場合、成形製作された厚さの薄いパネルを組み合わせて構成したボディでは強度に耐えられなくなり、結局、ボディが外部からの力に対する耐久強度面において非常に脆弱になり、さらに、十分な強度を与えるためにボディの構造が複雑になるなど多くの問題がある。

このような問題を解決するために、燃料電池車両の専用プラットホーム構造として、図１に示すように、エンジンルーム、キャビンスペース、トランクルームなどが区分されるように薄いパネル及び補強メンバーを適切に組み合わせて構成したアッパーボディ（既存モノコックボディ）１００と、縦部材である２個のサイドメンバー２１０に複数のクロスメンバー（横部材）２２２、２２３、バンパー補強メンバー２３１、２３２などを結合して構成したシャーシフレーム２００が含まれた車体構造が適用される。

これは燃料電池車両のフレームボディの適用のために、車体下部を形成するシャーシフレーム２００が追加され、上側のアッパーボディ１００と共にシャーシフレーム２００が燃料電池車両の車体を形成しながら、加湿器１１、燃料電池スタック１２、ＦＰＳ１３、水素タンク１４など主要燃料電池システム部品をマウントするようになっている。

アッパーボディ１００は、既存の内燃機関車両のモノコックボディと同様に、ルーフ１０１、フィラー１０２、フェンダー１０３、フード１０４、トランクのふた（図示せず）、ダッシュパネル（図示せず）、センターフロア１０５、リアフロア１０６などで構成され、各構成部は薄いパネルを成形して製作される。

このようなアッパーボディ１００は、シャーシフレーム２００の上側に載せられて組み立てられ、この時、アッパーボディ１００がマウントされて締結されるようにシャーシフレーム２００にはアッパーボディと結合される複数のボディマウント部２１７ａ〜２１７ｄが形成されている。

図１に示すように、一例として、シャーシフレーム２００に上側のアッパーボディ１００をマウントするため、計８カ所のボディマウント部２１７ａ〜２１７ｄが具備されている。このような各ボディマウント部２１７ａ〜２１７ｄは、アッパーボディ１００の底側の対応部が出会う地点であり、アッパーボディ１００は、計８カ所でシャーシフレーム２００と結合される。このように、アッパーボディ１００は、ボディマウント部２１７ａ〜２１７ｄを通してのみシャーシフレーム２００と結合されるため、シャーシフレーム２００の各ボディマウント部２１７ａ〜２１７ｄは、アッパーボディ１００に集中荷重を伝える位置となる。

一方、燃料電池車両において、燃料である水素は気体状態で水素タンク１４に貯蔵され、リアサスペンションの前後に、２〜３個の水素タンクが設置される。このように、水素タンク１４が２個以上設置されるにもかかわらず、水素が気体状態で貯蔵されるため、各水素タンクのサイズは大きくなり、これは車両の地上高の設定、乗客ルームの空間確保に不利である。

図２に示すように、車両下部に設置される水素タンク１４の存在により、アッパーボディ１００のセンターフロア１０５とリアフロア１０６間の連結部にはフロアキックアップ部１０７を設けなくてはならない。また、フロアキックアップ部１０７のセンターフロア側は、シャーシフレーム２００のボディマウント部（図１の図面符号２１７ｃ）と出会い結合される部分であり、アッパーボディ１００とシャーシフレーム２００間の結合のためにシャーシフレーム２００の対応位置にはフロアキックアップ部１０７のセンターフロア側と結合されるボディマウント部２１７ｃを設けなくてはならない。

燃料電池車両専用プラットホームにおいて、アッパーボディ１００のフロアキックアップ部１０７は、上側に乗客が搭乗する部分であり、下側には水素タンク１４が位置される部分として、フロアキックアップ部１０７のリアフロア側の真上に乗客が搭乗するため、乗り心地の面で非常に重要な部分である。また、側面衝突時、乗客の保護と合わせて燃料システムである水素タンク１４の保護の面でも非常に重要な部分である。このように、燃料電池車両の車体フロアは側面衝突時の乗客保護と水素タンクの保護という２種類の機能を効果的に具現しなければならない。特に、既存のガソリン及びディーゼル車両は、側面衝突時に燃料タンクの破壊が発生する可能性はほとんど皆無であり、関連法規及び車体構造の制限はない。しかし、水素タンクが搭載される燃料電池車両は、燃料システムのレイアウト及び水素タンクのサイズなどの理由により、側面衝突が燃料電池システムに至大な影響を及ぼすことが予想されている。

従って、既存車両とは異なり、側面衝突時の燃料システムの保護のための車体構造の改善が必要であり、衝突による車体変形の最小化、乗客の保護及び水素タンクの保護を極大化することのできる構造改善が望まれている。

また、アッパーボディ１００のフロアキックアップ部１０７は、シャーシフレームのボディマウント部２１７ｃから集中して荷重が伝えられる位置となるため、このような集中荷重の効果的な分散、及びこれを通した振動及び変形防止も切実なものとなっている。
特開２００３−１２３７７９号公報

本発明は、上記の点を考慮してなされたものであり、本発明の第１の目的は、アッパーボディのフロアキックアップ部で下側シャーシフレームのボディマウント部を通して伝達される集中荷重及び側面衝突時に伝達される側面衝突荷重が、効果的に分散される燃料電池車両用アッパーボディ構造を提供することにある。

さらに、本発明の第２の目的は、アッパーボディのフロアキックアップ部を補強することにより、振動及び車体変形が最小化されると同時に、乗り心地が向上され、乗客保護及び水素タンク保護を極大化させる燃料電池車両用アッパーボディ構造を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、フロアキックアップ部補強のための燃料電池車両用アッパーボディ構造であって、
アッパーボディの両サイドそれぞれに設置された２つのサイドシル（１１１）と、
センターフロアとリアフロアとの間の連結部となるフロアキックアップ部の下段で、２つのサイドシル（１１１）の間を横に連結するセンターフロアリアクロスメンバー（１１４）と、
アッパーボディの両サイドそれぞれで、下端部がセンターフロアリアクロスメンバー（１１４）の両端部に連結され、上下に長く配置された２つのリアフロアフロントサイドメンバー（１２３）と、
フロアキックアップ部の上段で、２つのリアフロアフロントサイドメンバー（１２３）それぞれの上端部の間を横に連結するリアフロアフロントクロスメンバー（１２４）と、
リアフロアフロントクロスメンバー（１２４）の両端部それぞれに連結されて車体前後方向に沿って長く配置され、サイドシル（１１１）の後端部終端が連結された２つのリアフロアサイドメンバー（１２１）と、
リアフロアフロントクロスメンバー（１２４）の後方で、それぞれサイドシル（１１１）の後端部終端が連結された地点で２つのリアフロアサイドメンバー（１２１）の間を横に連結するリアフロアセンタークロスメンバー（１２５）と、
が備えられ、これらから、環形構造１、環形構造２、環形構造３および環形構造４が形成されている。

環形構造１は、センターフロアリアクロスメンバー（１１４）、２つのリアフロアフロントサイドメンバー（１２３）およびリアフロアフロントクロスメンバー（１２４）により車体の長さ方向（前後方向）に対して垂直な面上に形成される。
環形構造２は、リアフロアフロントクロスメンバー（１２４）、２つのリアフロアサイドメンバー（１２１）およびリアフロアセンタークロスメンバー（１２５）により車体の高さ方向に対して垂直な面上に形成される。

環形構造３は、アッパーボディの両サイドそれぞれで、リアフロアサイドメンバー（１２１）、リアフロアフロントサイドメンバー（１２３）およびサイドシル（１１１）により車体の左右幅方向に対して垂直な面上に形成される。
環形構造４は、センターフロアリアクロスメンバー（１１４）、２つのサイドシル（１１１）およびリアフロアセンタークロスメンバー（１２５）により、環形構造１、環形構造２および環形構造３と互いに連結された形態に形成される。

前記特徴を有する本発明の燃料電池車両用アッパーボディ構造によれば、アッパーボディとシャーシフレームで構成された燃料電池車両用車体において、アッパーボディのフロアキックアップ部を補強するためにフロアキックアップ部に配置されるメンバーを荷重分散に有利な環形構造に配置することで、下側シャーシフレームのボディマウント部を通して伝達される集中荷重及び側面衝突時に伝達される側面衝突荷重が効果的に分散され、これを通して振動及び車体変形を最小化することができると同時に、乗り心地が向上され、乗客保護及び水素タンク保護を極大化することができる。

以下、添付した図面を参照にして本発明の実施例について詳しく説明する。

本発明はアッパーボディとシャーシフレームで構成された燃料電池車両用車体において、アッパーボディのフロアキックアップ部を補強するためにアッパーボディの下部車体を構成するメンバー構造を改善したものである。

図３は、本発明による燃料電池車両用車体構造を図示した斜視図であり、アッパーボディの下部車体構造を図示したものである。

図３に示すように、アッパーボディ１００の下部は、多数のメンバーが縦、横に配置されて相互に組み合わされる構造となっている。

例えば、アッパーボディ１００の両サイド側にサイドシル１１１が車体前後方向に沿って長く配置される。

そして、センターフロア側にもサイドシル１１１の内側に縦、横に配置される多数のメンバーが、格子構造をなすように相互組み合わされて設置される。この時、両側サイドシル１１１の内側の縦方向メンバー１１２と横方向に設置されるクロスメンバー１１３、１１４が相互組み合わされる。

さらに、リアフロア側にもアッパーボディ１００の両サイド側に車体の前後方向に沿って長く配置されるリアフロアサイドメンバー１２１が設置され、両側リアフロアサイドメンバー１２１の中間に配置される縦方向メンバー１２２と、その横方向に配置されるクロスメンバー（後述のリアフロアフロントクロスメンバー、リアフロアセンタークロスメンバー）１２４、１２５が相互に組立てられて設置される。

本発明ではアッパーボディ１００のフロアキックアップ部を補強するために、フロアキックアップ部に配置されるメンバーを荷重分散に有利な環形構造で配置するが、これについて詳しく説明すると下記の通りである。

まず、センターフロア側でフロアキックアップ部の下段にセンターフロアリアクロスメンバー１１４を横に設置するが、センターフロアリアクロスメンバー１１４は、両端部が両側サイドシル１１１の内部壁に溶接されて連結される。

そして、リアフロア側でフロアキックアップ部の上段にリアフロアフロントクロスメンバー１２４を横に設置し、アッパーボディ１００の両サイド側に、上下に長く垂直に配置されるリアフロアフロントサイドメンバー１２３を設置する。そして、リアフロアフロントクロスメンバー１２４の両端部に、リアフロアフロントサイドメンバー１２３の上端部が連結される。

さらに、各リアフロアフロントサイドメンバー１２３の下端部は、センターフロアリアクロスメンバー１１４の両端部に連結される。

結局、上下に配置されるセンターフロアリアクロスメンバー１１４とリアフロアフロントクロスメンバー１２４の両端部が、リアフロアフロントサイドメンバー１２３により連結される構造となり、このようなメンバー構造は車体の長さ方向（前後方向）に対して垂直な面上で環形構造１を形成する。

次に、リアフロアフロントクロスメンバー１２４の両端部は、両側リアフロアサイドメンバー１２１の前端部に連結される。また、リアフロアフロントクロスメンバー１２４の後方には、サイドシル１１１の後端部終端と連結されたリアフロアセンタークロスメンバー１２５が両側リアフロアサイドメンバー１２１の間に連結される。

結局、リアフロアフロントクロスメンバー１２４とリアフロアセンタークロスメンバー１２５の両端部が、両側リアフロアサイドメンバー１２１により連結される構造となり、このようなメンバー構造は車体の高さ方向に対して垂直な面上で環形構造２を形成する。

次に、両側リアフロアフロントサイドメンバー１２３の下端部が該当方向のサイドシル１１１とも連結され、両側のリアフロアサイドメンバー１２１はリアフロアセンタークロスメンバー１２５の端部と出合う部分でサイドシル１１１の後端部終端とも連結される。このようなメンバー構造では、アッパーボディ１００の両サイド側でリアフロアサイドメンバー１２１、リアフロアフロントサイドメンバー１２３、サイドシル１１１が車体の左右幅方向に対して垂直な面上で環形構造３を形成する。

そして、前述のアッパーボディ下部のメンバー構造では、フロアキックアップ部に形成された環形構造１、２、３が互いに連結されているため、環形構造１のセンターフロアリアクロスメンバー１１４、環形構造３のサイドシル１１１、環形構造２のリアフロアセンタークロスメンバー１２５がまた別の環形構造４を形成する。

以下、図４と図５を参照して、本発明による車体構造の作用効果を説明する。

まず、フロアキックアップ部は車両の骨格剛性に最も大きな影響を与える部分であり、走行時に発生する車両のゆがみ及び横荷重（特にコーナリング時）に対して、キックアップ部の環形構造は、図４に示すような多様な荷重伝達経路及びゆがみ剛性を提供する。

図４には、下側シャーシフレームのボディマウント部を通して伝達される集中荷重が、アッパーボディ１００でその下部の骨格を形成するメンバーに沿って伝達される経路を矢印で示している。シャーシフレームでアッパーボディ１００のフロアキックアップ部に位置するボディマウント部は、乗り心地に至大な影響を及ぼし、このボディマウント部を通してアッパーボディ１００のサイドシル１１１に伝えられる集中荷重は本発明による環形構造により多様な経路で分散され、車両の変形と振動が防止され、乗り心地が向上される。

そして、燃料電池車両の車体フロアは、側面衝突時の乗客保護と水素タンクの保護という２つの機能を効果的に具現しなければならないが、本発明による車体環形構造は側面衝突荷重に対して、図５に示すような多重の荷重経路を提供し、従って、側面衝突時の車体の変形が最小化され、乗客保護及び水素タンクの保護が極大化される。

本発明は、アッパーボディの下部車体構造が強化されており、燃料電池車両の車体として好適である。

従来のアッパーボディとシャーシフレームで構成された燃料電池車両の車体構造を図示した斜視図である。 従来の燃料電池車両の車体構造において、フロアキックアップ部と水素タンクの設置位置を説明するための側面図である。 本発明による燃料電池車両用車体構造を図示した斜視図である。 本発明による燃料電池車両車体構造において、ボディマウント部を通して伝えられる集中荷重が分散される状態を図示した図面である。 本発明による燃料電池車両用車体構造において、側面衝突時の荷重が分散される状態を図示した図面である。

符号の説明

１１１ サイドシル
１１４ センターフロアリアクロスメンバー
１２１ リアフロアサイドメンバー
１２３ リアフロアフロントサイドメンバー
１２４ リアフロアフロントクロスメンバー
１２５ リアフロアセンタークロスメンバー

Claims (1)

1. フロアキックアップ部補強のための燃料電池車両用アッパーボディ構造であって、
   アッパーボディの両サイドそれぞれに設置された２つのサイドシル（１１１）と、
   センターフロアとリアフロアとの間の連結部となるフロアキックアップ部の下段で、２つの前記サイドシル（１１１）の間を横に連結するセンターフロアリアクロスメンバー（１１４）と、
   アッパーボディの両サイドそれぞれで、下端部が前記センターフロアリアクロスメンバー（１１４）の両端部に連結され、上下に長く配置された２つのリアフロアフロントサイドメンバー（１２３）と、
   前記フロアキックアップ部の上段で、２つの前記リアフロアフロントサイドメンバー（１２３）それぞれの上端部の間を横に連結するリアフロアフロントクロスメンバー（１２４）と、
   前記リアフロアフロントクロスメンバー（１２４）の両端部それぞれに連結されて車体前後方向に沿って長く配置され、前記サイドシル（１１１）の後端部終端が連結された２つのリアフロアサイドメンバー（１２１）と、
   前記リアフロアフロントクロスメンバー（１２４）の後方で、それぞれ前記サイドシル（１１１）の後端部終端が連結された地点で２つの前記リアフロアサイドメンバー（１２１）の間を横に連結するリアフロアセンタークロスメンバー（１２５）と、
   が備えられ、
   前記センターフロアリアクロスメンバー（１１４）、２つの前記リアフロアフロントサイドメンバー（１２３）、前記リアフロアフロントクロスメンバー（１２４）により車体の長さ方向（前後方向）に対して垂直な面上に環形構造１を形成し、
   前記リアフロアフロントクロスメンバー（１２４）、２つの前記リアフロアサイドメンバー（１２１）、前記リアフロアセンタークロスメンバー（１２５）により車体の高さ方向に対して垂直な面上に環形構造２を形成し、
   アッパーボディの両サイドそれぞれで、前記リアフロアサイドメンバー（１２１）、前記リアフロアフロントサイドメンバー（１２３）、前記サイドシル（１１１）により車体の左右幅方向に対して垂直な面上に環形構造３を形成し、
   前記センターフロアリアクロスメンバー（１１４）、２つの前記サイドシル（１１１）、前記リアフロアセンタークロスメンバー（１２５）により前記環形構造１、前記環形構造２および前記環形構造３互いに連結された環形構造４を形成する
   ことを特徴とする燃料電池車両用アッパーボディ構造。

Images