JP5647935B2

JP5647935B2 - 電動自転車用バッテリー装置

Info

Publication number: JP5647935B2
Application number: JP2011091683A
Authority: JP
Inventors: 敏樹門田
Original assignee: Mitsubishi Engineering Plastics Corp
Current assignee: Mitsubishi Engineering Plastics Corp
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: JP2012226887A

Description

本発明は、電動自転車用バッテリー装置に関するものである。詳しくは、強度と耐衝撃性や勘合性に優れたバッテリーケースを備え、高い安全性が確保された電動自転車用バッテリー装置に関するものである。

電動アシスト自転車は、坂道などでも楽に走行でき、高い人気を集めている。また、近年、ペダルからの人力駆動を基本的に必要としない電気自転車も登場している。これら電動自転車（以下、電動アシスト自転車および電気自転車を併せて「電動自転車」という。）は、二次電池を電源とした電動モータの駆動力を補助的にあるいは主動力として用いるが、その電源としては、繰り返し利用が可能なニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの二次電池が利用され、二次電池を単数または複数個接続した電池パックを内部に収容したバッテリーケースを備えたバッテリー装置が、電動自転車の本体に取り付けている。

そして、バッテリー装置は、電池残量が不足すると、バッテリーケースが電動自転車本体から外され、家庭用コンセントに接続された専用または汎用の充電器にセットされて充電される。このためバッテリーケースは車体本体に取り付けられたバッテリー装置から着脱可能に取り付けられている。またバッテリーケースは軽くても２〜３キログラム以上の重量を有している。

このようなバッテリーケースを充電等のため家庭内に運ぶ際、誤ってこれを落下させた場合には、ケースが割れて電池装置を露出させてしまったりする。また、ケース内に実装された充放電のための制御回路や回路基板、接続のための回路やコネクター、あるいは放熱のための放熱板等に故障を生じさせると、異常発熱や発火を引き起こす危険がある。また、収納してある二次電池を破損や破裂に至らしめると、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池は強アルカリ性の電解液を含むため、危険である。

このため、従来、バッテリーケースを金属製にして耐衝撃性を高めたものにしているが、バッテリーケースが腐食するとか、万一ケース内で漏電がした場合には、バッテリーケースに触れると感電するという課題がある。このため、バッテリーケースを樹脂製にすることが検討され、特許文献１および２には、樹脂製バッテリーケースを用いたバッテリー装置が提案されているが、特許文献１〜２には具体的な樹脂材料については記載がないが、今までのところ、樹脂製バッテリーケースとしては、耐衝撃性の点からＡＢＳ樹脂、あるいはＡＢＳ樹脂の耐候性を改良したＡＥＳ樹脂が使用されているのが現状である。

また、バッテリーケースは、通常、箱型の外観形状を有するが、電池パックを収納するために、箱形を二つに割った半割ケースから通常構成され、二つの半割ケース間内部に電池パックを収容した後、両者は嵌合されて、バッテリーケースとなる。このため、バッテリーケースには、強度と耐衝撃性が優れることに加え、良好な嵌合性を有することが要求される。嵌合性が悪いと、嵌合部から外れやすく、また落下させた場合、破損や割れを生じ、安全性上、大きな問題となる。

特開２００４−７９２１９号公報特開２００７−２５７９０１号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、強度と耐衝撃性や勘合性に優れたバッテリーケースを備え、高い安全性が確保された電動自転車用バッテリー装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、特定のポリカーボネート樹脂にエラストマーを配合した樹脂材料を使用し、細長状に形成されたバッテリーケースを車体フレーム側に着脱可能に装着した電動自転車用バッテリー装置が、上記目的を達成することを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の第１の発明によれば、バッテリーを収納し略箱型形状に形成された樹脂製バッテリーケースを、その長手方向が車載状態で上下方向を向くように車体フレーム側に対して着脱可能に装着される電動自転車用バッテリー装置であって、樹脂製バッテリーケースは、ポリカーボネート樹脂１００質量部に対し、エラストマーを０．５〜１０質量部、並びに有機スルホン酸金属塩０．００１〜１質量部もしくはホスファゼン化合物０．５〜１５質量部を含有する、粘度平均分子量が２２，０００〜３０，０００のポリカーボネート樹脂からなることを特徴とする電動自転車用バッテリー装置が提供される。

さらに、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、バッテリーケースは、長手方向に二つ割り構造に形成された樹脂製の第１のケース部材と第２のケース部材を結合して構成されることを特徴とする電動自転車用バッテリー装置が提供される。

本発明の電動自転車用バッテリー装置は、そのバッテリーケースが、強度、耐衝撃性や耐候性、さらに勘合性に優れるので、電動自転車用バッテリー装置に必要な強度、耐衝撃性、耐久性を有し、高い安全性を達成することができる。

本発明の電動自転車用バッテリー装置を装着した電動自転車の装着箇所の斜視図である。本発明の電動自転車用バッテリー装置におけるバッテリーケースの具体的な構造を示す斜視図である。

以下、図面も参照しながら、本発明の一実施形態を説明するが、本発明はこの一実施形態に限定して解釈されるものではない。

図１は、本発明の電動自転車用バッテリー装置を装着した電動自転車の装着箇所の斜視図である。
電動自転車１は、自転車本体１のサドル２の下のサドルフレーム３の後、後輪との間に、バッテリー装置４を配置している。そして、バッテリー装置４は、略箱型形状のバッテリーケース５と自転車本体１に固定されたバッテリーホルダー６からなり、バッテリーケース５は、図１に示すように、車載状態でその長手方向が上下方向を向くようにしてバッテリーホルダー６に着脱可能に装着される。
バッテリーケース５が装着された状態にあると、バッテリーケースから、バッテリーホルダー６内に設けられた図示しない接続端子を通じ、電動モータ（図示せず）に駆動用電力が供給される。

図２は、バッテリーケース５の具体的な構造を示す斜視図である。
バッテリーケース本体５は、略箱型形状を有するが、その長手方向に二つ割り構造で形成されており、樹脂製の第１のケース部材６と樹脂製の第２のケース部材７からなり、これを結合して構成される。バッテリーケース５の内部には二次電池のバッテリーパック８が収納される。また、図示していないが、バッテリーケース５の内部には、残量検出やセル電圧・セル温度を監視し充放電制御を行うための制御基板や、基板等からの発熱を放散する放熱板等も配置される。

また、バッテリーケース５には、第１のケース部材６と樹脂製の第２のケース部材７の片方または両方のバッテリーホルダー６側に、端子部９が設けられる。端子部９は、バッテリーホルダー７に装着したした際、バッテリーホルダー６に設けた接続端子を通じ電力を供給し、また、電池残量が不足するとバッテリーケース６から外され、家庭用コンセントに接続された専用または汎用の充電器にセットされて、端子部９より充電が行われる。
さらに、バッテリーケース６は軽くても２〜３キログラム以上の重量を有しており、これを充電のため家庭内に持ち込む際、手に提げて運ぶための取手１０を設けることが好ましい。取手１０は、第１のケース部材６と樹脂製の第２のケース部材７の片方または両方にまたがって、設けられる。

そして、樹脂製の第１のケース部材６と樹脂製の第２のケース部材７との結合は、好ましくは、嵌合により、あるいは嵌合とネジ止めを併用することにより行われる。
このように、強度と耐衝撃性や勘合性に優れることが要求されるバッテリーケース５は本発明では、エラストマーを含有する、数平均分子量が２２，０００〜３０，０００のポリカーボネート樹脂を成形した樹脂製のものを使用する。

ポリカーボネート樹脂の分子量は、粘度平均分子量［Ｍｖ］が、２２，０００〜３０，０００の範囲にあることが必要で、本発明においては、このような従来射出成形用途において適用されてきた分子量よりも高い分子量範囲のものを使用する。粘度平均分子量を２２，０００以上とすることにより、バッテリーケース５の機械的強度をより向上させることができ、３０，０００以下とすることによりポリカーボネート樹脂の成形時の流動性低下を抑制して改善でき、成形を容易に行えるようになる。粘度平均分子量［Ｍｖ］は、好ましくは２３，０００以上であり、好ましくは２８，０００以下、より好ましくは２７，０００以下である。

また、ポリカーボネート樹脂には、エラストマーを配合する。エラストマーの含有量は、ポリカーボネート樹脂１００質量部に対して、好ましくは０．５質量部以上、より好ましくは１質量部以上であり、また、その上限は好ましくは１０質量部以下、より好ましくは７質量部以下、特に好ましくは５質量部以下である。エラストマーの含有量が、前記下限値以下の場合は、エラストマーによる耐衝撃性向上効果が不十分となりやすく、前記の上限値を超える場合は、難燃性、耐熱性、耐衝撃性の低下、バッテリーケースの外観不良が生じやすい。

エラストマーとしては、熱可塑性エラストマーまたはコア／シェル型グラフト共重合体タイプのエラストマーが好ましい。
熱可塑性エラストマーとは、常温ではゴム状弾性を持つ固体であるが、加熱すると粘度が低下するという、熱可塑性樹脂と溶融混合可能な性質を有する高分子物質の総称である。熱可塑性エラストマーの種類は特に制限されず、例えば、オレフィン系、スチレン系、ポリエステル系、ポリアミド系およびウレタン系等が挙げられる。
コア／シェル型グラフト共重合体タイプのものとしては、ポリブタジエン含有ゴムをコア層とし、その周囲に（メタ）アクリル酸エステルを共重合して形成されたシェル層からなる、コア／シェル型グラフト共重合体が特に好ましい。

また、ポリカーボネート樹脂には、難燃剤を含有することが好ましい。難燃剤としては有機スルホン酸金属塩及び／またはリン系難燃剤が好ましく、有機スルホン酸金属塩がより好ましい。

有機スルホン酸金属塩を含有することで、ポリカーボネート樹脂の燃焼時の炭化層形成を促進し、難燃性をより高めることができると共に、ポリカーボネート樹脂が有する耐衝撃性等の機械的物性、耐熱性、電気的特性などの性質を良好に維持できる。
有機スルホン酸金属塩のうち、好ましいものとしては、含フッ素脂肪族スルホン酸の金属塩、含フッ素脂肪族スルホン酸イミドの金属塩、芳香族スルホン酸の金属塩、芳香族スルホンアミドの金属塩が挙げられ、含フッ素脂肪族スルホン酸金属塩が特に好ましく、具体的にはノナフルオロブタンスルホン酸カリウム等が好ましい。
有機スルホン酸金属塩の好ましい含有量は、ポリカーボネート樹脂１００質量部に対して、０．００１〜１質量部である。含有量が少なすぎるとポリカーボネート樹脂の難燃性が不十分となる可能性があり、逆に多すぎてもポリカーボネート樹脂の熱安定性の低下、並びに、バッテリーケース５の外観不良及び機械的強度の低下が生ずる可能性がある。

またリン系難燃剤としては、公知のリン酸エステル化合物やホスファゼン化合物を好適に用いることができる。なかでも耐熱性や機械的特性、湿熱安定性などの性質を良好に維持できることより、ホスファゼン化合物がより好ましい。
リン系難燃剤の好ましい含有量は、ポリカーボネート樹脂１００質量部に対して、０．５〜１５質量部である。含有量が少なすぎるとポリカーボネート樹脂の難燃性が不十分となる可能性があり、逆に多すぎてもポリカーボネート樹脂の熱安定性の低下、並びに、バッテリーケース５の外観不良及び機械的強度の低下が生ずる可能性がある。

また、ポリカーボネート樹脂には、滴下防止剤として、フッ素樹脂を、ポリカーボネート樹脂１００質量部に対し、０．００１〜１質量部含有することが好ましい。フッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン樹脂が好ましい。フッ素樹脂の含有量が０．００１質量部未満の場合は、難燃化効果が不十分となり、１質量部を超える場合は、バッテリーケースの外観不良や機械的強度の低下が生じる可能性がある。

また、ポリカーボネート樹脂には、紫外線吸収剤を含有することが好ましく、ベンゾトリアゾール系の紫外線吸収剤がより好ましく、バッテリーケースの耐候性や機械物性が良好なものになる。
紫外線吸収剤の好ましい含有量は、ポリカーボネート樹脂１００質量部に対して、０．０１質量部以上、０．５質量部以下である。０．０１質量部未満の場合は、耐候性の改良効果が不十分となり、０．５質量部を超える場合は、バッテリーケース成形時に金型汚染を引き起こしやすい。

さらに、ポリカーボネート樹脂には、酸化チタンまたはカーボンブラックを含有することが好ましい。好ましい含有量は、ポリカーボネート樹脂１００質量部に対し、０．００００１〜５質量部である。含有量が０．００００１質量部未満では遮光性に劣り、５質量部を越えると、バッテリーケースの耐衝撃性の低下が生じる可能性があり、また、流動性や外観が低下し、バッテリーケース表面からの脱落も生じやすくなる。

ポリカーボネート樹脂は、上記した成分に加え、リン系安定剤、フェノール系安定剤、離型剤、染顔料、帯電防止剤、防曇剤、流動性改良剤、可塑剤、分散剤、抗菌剤などの各種の樹脂添加剤を含有することもできる。

バッテリーケース５を成形するには、公知の成形方法を採用できるが、好ましくは、射出成形法、射出圧縮成形法、二色成形法、ガスアシスト等の中空成形法、インサート成形などにより、第１および第２のケース部材６、７を成形する。そして、バッテリーパック８や必要な基板や各種部品を収納後、両者を嵌合ならびに嵌合およびネジ止めにより結合して、バッテリーケース５とされる。

以下、実施例を示して本発明について更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定して解釈されるものではない。

実施例および比較例において、使用した成分は以下の表１の通りである。
なお、粘度平均分子量［Ｍｖ］は、溶媒としてメチレンクロライドを使用し、ウベローデ粘度計を用いて、温度２０℃での極限粘度［η］（単位ｄｌ／ｇ）を求め、η＝１．２３×１０^−４Ｍｖ^０．８３から算出した。

（実施例１〜２、参考例１〜３、比較例１〜２）
［樹脂ペレットの製造］
上記表１に記した各成分を、後記表３に記した割合（質量比）で配合し、タンブラーにて２０分混合した後、１ベントを備えた日本製鋼所社製二軸押出機（ＴＥＸ３０ＨＳＳＴ）に供給し、スクリュー回転数２００ｒｐｍ、吐出量１５ｋｇ／時間、バレル温度２８０℃の条件で混練し、ストランド状に押出された溶融樹脂を水槽にて急冷し、ペレタイザーを用いてペレット化し、ポリカーボネート樹脂組成物のペレットを得た。

［試験片の製造］
上記で得られたペレットを１２０℃で５時間乾燥させた後、住友重機械工業社製のＳＥ１００ＤＵ型射出成形機を用いて、シリンダー温度２６０℃、金型温度８０℃、成形サイクル３０秒の条件で射出成形し、長さ１２５ｍｍ、幅１３ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのＵＬ試験用試験片を射出成形した。
また、上記の製造方法で得られたペレットを１２０℃で５時間乾燥させた後、住友重機械工業社製射出成形機（サイキャップＭ−２、型締め力７５Ｔ）を用いて、シリンダー温度２８０℃、金型温度８０℃の条件で、ＩＳＯ多目的試験片（３ｍｍ厚）を射出成形した。
さらに上記で得られたペレットを１２０℃で５時間乾燥させた後、住友重機械工業社製のＳＥ１００ＤＵ型射出成形機を用いて、シリンダー温度３００℃、金型温度８０℃、成形サイクル６０秒の条件で射出成形し、ＡＳＴＭＤ６７１に準じた曲げ疲労試験片（ＴＹＰＥＡ）を成形した。

［ケース部材の製造］
また、得られたペレットを１２０℃で５時間乾燥させた後、東芝機械工業社製のＥＣ１６０型射出成形機を用いて、シリンダー温度３００℃、金型温度８０℃で射出成形し、長さ１５ｃｍ、幅１５ｃｍ、厚さ１．５ｍｍ、深さ５ｃｍの上部が開口した箱状のケース部材を成形した。

［難燃性評価］
上記方法で得られたＵＬ試験用試験片（０．８ｍｍ厚）を温度２３℃、湿度５０％の恒温室の中で４８時間調湿し、米国アンダーライターズ・ラボラトリーズ（ＵＬ）が定めているＵＬ９４試験（機器の部品用プラスチック材料の燃焼試験）に準拠して行った。ＵＬ９４Ｖとは、鉛直に保持した所定の大きさの試験片にバーナーの炎を１０秒間接炎した後の残炎時間やドリップ性から難燃性を評価する方法であり、Ｖ−０、Ｖ−１及びＶ−２の難燃性を有するためには、以下の表２に示す基準を満たすことが必要となる。

ここで残炎時間とは、着火源を遠ざけた後の、試験片の有炎燃焼を続ける時間の長さである。また、ドリップによる綿着火とは、試験片の下端から約３００ｍｍ下にある標識用の綿が、試験片からの滴下（ドリップ）物によって着火されるかどうかによって決定される。さらに、５試料のうち、１つでも上記基準を満たさないものがある場合、Ｖ−２を満足しないとしてＮＲ（ｎｏｔｒａｔｅｄ）と評価した。

［耐衝撃性評価］
上述の方法で得られたＩＳＯ多目的試験片（３ｍｍ厚）を用い、ＩＳＯ１７９に準拠し、Ｒ＝０．２５のＶノッチを入れ、２３℃、及び−３０℃の条件で、それぞれノッチ有りシャルピー耐衝撃強度（単位：ｋＪ／ｍ^２）を測定した。

［製品強度試験評価］
上述の方法で得られたケース部材をサンシャインウエザオメーター（スガ試験機（株）製）を用い、ブラックパネル温度６３±３℃、相対湿度５０〜６０％、光波長として３００ｎｍ以下をガラスフィルターでカットしたカーボンアークを放射照度２５５（±１０％）Ｗ／ｍ^２の条件で、照射時間１０００時間上記試験片に照射した後、照射面に対し２ｋｇの錘を落下させ破断面を目視にて観察した。なお、試験は３回実施した。
破断面に著しく鋭利な亀裂が認められる場合は「×」、破断面に著しい亀裂が認められないものを「○」と判断した。

［疲労特性評価］
上述の方法で得られた曲げ疲労試験片を用い、ＡＳＴＭＤ６７１に準じ、２３℃、実応力２０ＭＰａの条件で試験をし、破壊に至るまでの回数を求めた。なお試験は３回実施し、その平均値を求めた。
この疲労試験の破断に至るまでの回数が多い方が、疲労特性に優れ、バッテリーケースの勘合性に優れることを意味し好ましい。また、電動自転車の走行によって本発明の電動自転車用バッテリー装置は振動を受けるが、疲労特性に優れるバッテリーケースを用いることにより、この振動によるバッテリーケースの強度低下を防ぐ効果も得られる。

［耐候性試験］
上述の方法で得られたケース部材を試験片とし、ＪＩＳＫ−７１０５に準じ、日本電色工業社製のＳＥ２０００型分光式色彩計で、反射法により測定した（初期ＹＩ）。さらにサンシャインウエザオメーター（スガ試験機（株）製）用い、ブラックパネル温度６３±３℃、相対湿度５０〜６０％、光波長として３００ｎｍ以下をガラスフィルターでカットしたカーボンアークを放射照度２５５（±１０％）ｗ／ｍ^２の条件で、照射時間３００時間上記試験片に照射した後に同様の手法でＹＩを測定した（耐候試験後ＹＩ）。
このときのΔＹＩ（耐候試験後ＹＩ−初期ＹＩ）を求め、耐候色相の評価をした。
なお、ΔＹＩは成形品の黄変度を表し、この値が小さい方が屋外環境下において黄変が小さいことを意味し好ましい。

本発明の電動自転車用バッテリー装置は、強度と耐衝撃性や勘合性に優れたバッテリーケースを備え、高い安全性が確保された電動自転車用バッテリー装置であるので、電動アシスト自転車あるいは電気自転車のバッテリー装置として好ましく使用することができるので、産業上の利用性は非常に高い。

Claims

バッテリーを収納し略箱型形状に形成された樹脂製バッテリーケースを、その長手方向が車載状態で上下方向を向くように車体フレーム側に対して着脱可能に装着される電動自転車用バッテリー装置であって、樹脂製バッテリーケースは、ポリカーボネート樹脂１００質量部に対し、エラストマーを０．５〜１０質量部、並びに有機スルホン酸金属塩０．００１〜１質量部もしくはホスファゼン化合物０．５〜１５質量部を含有する、粘度平均分子量が２２，０００〜３０，０００のポリカーボネート樹脂からなることを特徴とする電動自転車用バッテリー装置。
バッテリーケースは、長手方向に二つ割り構造に形成された樹脂製の第１のケース部材と第２のケース部材を結合して構成されることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車用バッテリー装置。