JP6070265B2 - バッテリパックの取付構造 - Google Patents

Description

この発明は、多数のセルをパックケース内に収容したバッテリパックの取付構造の改良に関する。

特許文献１に記載のように、例えば電気自動車では動力源として比較的大型のバッテリパックが搭載されている。

特開２００９−１９３９４２号公報

例えば、複数のバッテリモジュールを含む一対のスタック（バッテリ群）が直線状の空間を間に構成するように互いに離間して並列に配置される取付構造の場合、これらのスタックが一対のチャンネル部材とプレート部材とを用いてバッテリパック内に固定・支持される。各チャンネル部材は、空間内に張り出したベース部および該ベース部の一方の側縁からパックケース底面へ向かって略Ｌ字形に折れ曲がった取付フランジを有する構造をなし、プレート部材は、両ベース部の間を橋渡しするように両ベース部の上にボルト等を用いて固定される。

このような取付構造においては、車両走行振動に起因して、スタック同士が空間を狭める方向に倒れようとする曲げが入力するような場合に、一対のチャンネル部材に架け渡されるプレート部材に応力が集中するために、このプレート部材の剛性が十分でないと、上記の曲げによるスタックの振動を抑制することができない。

この発明の目的は、一対のチャンネル部材間に架け渡されるプレート部材の剛性を向上することで、振動を有効に抑制することができる新規なバッテリパックの取付構造を提供することにある。

本発明に係るバッテリパックの取付構造は、バッテリパックのパックケース内にそれぞれ固定され、かつ直線状の空間を間に構成するように互いに離間して配置された第１のバッテリ群および第２のバッテリ群と、上記空間の長手方向に沿って延び、上記空間内に張り出したベース部および該ベース部の一方の側縁からパックケース底面へ向かう上下方向に沿って略Ｌ字形に折れ曲がった取付フランジをそれぞれ有し、この取付フランジにおいて各バッテリ群に各々固定される一対のチャンネル部材と、上記一対のチャンネル部材の両ベース部に配置され、両ベース部の間を橋渡しするように各ベース部に固定されたプレート部材と、を有している。そして、このプレート部材に、上記上下方向へ折曲する曲げ部を形成するとともに、この曲げ部に、突出又は陥没するビード部を形成している。

この発明によれば、曲げ部及びビード部によってプレート部材の剛性を向上し、振動の発生を抑制することができる。

本発明の一実施例に係るバッテリパックを備えた電気自動車の側面図。 この電気自動車の底面図。 バッテリパックの斜視図。 アッパケースを取り外してパックケース内部を示した平面図。 バッテリモジュールの斜視図。 チャンネル部材及びプレート部材を示す斜視図。 スタック間の取付構造を示す断面図。 チャンネル部材及びプレート部材の要部を拡大して示す斜視図。 同じくチャンネル部材及びプレート部材の要部を拡大して示す斜視図。 チャンネル部材の斜視図。 同じくチャンネル部材の斜視図。 プレート部材の斜視図。 同じくプレート部材の要部を拡大して示す斜視図。

以下、この発明の取付構造を電気自動車用のバッテリパックに適用した一実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２は、この発明に係る取付構造を内部に具備したバッテリパック１が用いられる電気自動車２の概略を示している。この電気自動車２は、車体３の前部に駆動モータユニット４が搭載され、前輪５を駆動する構成となっている。駆動モータユニット４のエネルギ源となるバッテリパック１は、全体としてほぼ矩形の箱状をなしており、後輪６よりも前方の位置において、車体フロア３ａの下面に下側から取り付けられている。従って、バッテリパック１は、その下面が車両下面側に露出しているとともに、周囲の車体フロア３ａに比較して下方へ突出した状態となっている。なお、下からパネルで覆って露出しないようにしても良い。

図３は、上記バッテリパック１の外観を示す斜視図である。このバッテリパック１は、下側部分を構成するロアケース１１と上側部分を構成するアッパケース１２とからなる密閉されたパックケース１０内に、後述するように多数のセルを収容したものである。

ロアケース１１およびアッパケース１２はいずれもアルミニウム合金のダイキャストからなり、周縁部において複数本のボルトにより互いに結合されている。両者の接合面には、その接合の際に、予めシール材として液体ガスケットが塗布されており、これによってパックケース１０内が密閉空間となっている。従って、外部からの水分等の流入が防止され、バッテリモジュールの接続部等の腐食が抑制される。

図４は、上記パックケース１０のアッパケース１２を取り除き、バッテリパック１の内部の構成を示した平面図である。本発明においてセルの構成は発明の要部ではなく、特に限定されるものではないが、本実施例では、例えばラミネートフィルムでシールされた平坦形状のリチウムイオンセルが用いられ、複数個のセルを重ねて平坦な矩形の箱状の金属ケース内に収容することで、バッテリモジュール２１が構成される。このバッテリモジュール２１はさらに複数個積層され、４箇所のコーナ部において、長いボルトからなるテンションロッド２２によって締め付けることで、互いに固定したバッテリ群としてのスタック２０として構成される。そして、最終的には、２つのスタック２０（以下、必要に応じて一方を第１スタック２０Ａと呼び、他方を第２スタック２０Ｂと呼ぶ）がパックケース１０内に収容される。従って、合計で数十個のバッテリモジュール２１がパックケース１０内に収容されるとともに互いに直列に接続され、車両の駆動に必要な数百ボルトの電圧を得ている。

図４において、図上方が車両前方に、図下方が車両後方に、それぞれ対応しており、パックケース１０は、平面視において、車両の幅方向に沿った寸法が車両前後方向に沿った寸法よりも長い長方形をなしている。そして、偏平な矩形の箱状をなすバッテリモジュール２１の各々は、車両前後方向に沿った平面に沿って個々に配置されており、車両幅方向に多数積層されてスタック２０となっている。第１スタック２０Ａはパックケース１０内の車両前方寄りの領域内に配置され、第２スタック２０Ｂはパックケース１０内の車両後方寄りの領域内に配置されている。これらの第１スタック２０Ａおよび第２スタック２０Ｂは、パックケース１０の長手方向（つまり車両幅方向）に延びる中心線Ｍを挟んで、基本的に対称に配置されており、後述するように、それぞれロアケース１１に固定されている。図４に明らかなように、矩形をなすパックケース１０の内部空間の大部分は、バッテリモジュール２１によって占められている。

図５は、バッテリモジュール２１を示しており、一方の端部（詳しくは上記中心線Ｍ側となる端部）に複数の端子２３が設けられている。そして、複数個のバッテリモジュール２１の中の一部のバッテリモジュール２１においては、上記端子２３の上方および下方の位置に、それぞれパックケース１０の底面と平行な方向に延びる一対のスタッドボルト３３が設けられている。これらのスタッドボルト３３は、バッテリモジュール２１の金属ケースに溶接等で固定されたバッテリモジュールブラケット３４に取り付けられている。残りのバッテリモジュール２１は、上記のスタッドボルト３３やバッテリモジュールブラケット３４は具備していない。一実施例では、各スタック２０において、スタッドボルト３３を具備するバッテリモジュール２１とスタッドボルト３３を具備しないバッテリモジュール２１とが交互に配置されている。

上記の一対のスタッドボルト３３の中で、バッテリモジュール２１の下側に位置するスタッドボルト３３は、スタック２０をロアケース１１に固定するために用いられる。

図４において、上記パックケース１０内の車両左側の端部には、第１スタック２０Ａの一端部に隣接するような形で、偏平な矩形の箱状をなす第１バッテリコントローラ２５が収容されている。なお、この車両左側の端部の壁面には、強電回路を遮断するためのサービスプラグ２８が配置されている。またパックケース１０内の車両右側の端部には、ジャンクションボックス２７が収容されている。なお、車両側の駆動モータユニット４への電力供給を行うためのメインプラグ（図示せず）が、車両右側の端部の壁面に配置されている。さらに、第２スタック２０Ｂの上面、詳しくはジャンクションボックス２７寄りの位置に、偏平な矩形の箱状をなす第２バッテリコントローラ２６が配置されている。この第２バッテリコントローラ２６は、第２スタック２０Ｂの多数のバッテリモジュール２１の上端縁に沿う平面に対して、局部的に上方に突出した配置となる。この第２バッテリコントローラ２６の配置に対応して、パックケース１０のアッパケース１２上面には、図３に示すように、部分的に高くなった膨出部１２ａが設けられている。

上記第１バッテリコントローラ２５および第２バッテリコントローラ２６は、基本的に同一の構成を有するものであって、冗長な制御系を構成している。

上記のようにパックケース１０内に設けられる第１，第２コントローラ２５，２６や各バッテリモジュール２１に設けられた図示せぬサーミスタ等を互いに接続するために、上記パックケース１０内には、複数のハーネスが設けられており、特に、上記中心線Ｍに沿って、信号ラインとなるハーネス３１がパックケース１０の一端部から他端部へと亘って配置されている。なお、この明細書において「ハーネス」とは、複数本の電線を纏めて可撓性保護チューブで覆った集合体を意味し、例えば１本のハーネスが複数本のハーネスに分岐することもあり、逆に複数本のハーネスが１本もしくはいくつかののハーネスとして纏められることもある。ハーネス３１の一端部は第１バッテリコントローラ２５に接続され、ハーネス３１の他端部は第２バッテリコントローラ２６に接続される。

前述したように、２つのスタック２０つまり第１スタック２０Ａおよび第２スタック２０Ｂは、パックケース１０の中心線Ｍを挟んで実質的に対称に配置されているが、このとき、両者間に適宜な空間３５（例えば数センチメートル程度の間隔）が生じるように、両スタック２０Ａ，２０Ｂが互いに離間して並列に配置されている。各スタック２０Ａ，２０Ｂは、多数のバッテリモジュール２１が直線的に積み重ねられたものであるので、上記の空間３５は、実質的に一定（バッテリモジュール２１端面の凹凸を無視すれば）の幅でもって中心線Ｍに沿って直線状に延びており、下端がロアケース１１底面に達し、かつ上端が開放された凹溝状をなす。そして、この空間３５を通して、上記ハーネス３１がパックケース１０の一端部から他端部へと延びている。

次に、本実施例の要部をなす取付構造について説明する。なお、図６及び図７にも示すように、以下の説明において、空間３５の長手方向に沿う方向を長手方向α１と呼び、２つのスタック２０Ａ，２０Ｂの並列方向（図７の左右方向）を幅方向α２と呼び、両方向α１，α２に直交するスタック２０Ａ，２０Ｂの上下方向（図７の上下方向）を上下方向α３と呼ぶ。

本実施例の取付構造は、図６および図７に示すように、第１，第２スタック２０Ａ，２０Ｂの側面（空間３５に臨む面）にそれぞれ固定される一対のチャンネル部材４１（以下、必要に応じて、第１スタック２０Ａ側の部材を第１チャンネル部材４１Ａと呼び、第２スタック２０Ｂ側の部材を第２チャンネル部材４１Ｂと呼ぶ）と、これら一対のチャンネル部材４１の間を橋渡しするように両チャンネル部材４１の上に固定される平坦な帯状のプレート部材４２と、を備えている。上記プレート部材４２の複数箇所には、両チャンネル部材４１の間において上記ハーネス３１を保持するためのクリップ４３が設けられている。

上記チャンネル部材４１は、鋼板をプレス成形したものであって、図６〜図１１にも示すように、上記空間３５の長手方向α１に沿って（つまり中心線Ｍに沿って）直線状に延びた平坦な帯状のベース部４５と、このベース部４５の一方の側縁から略Ｌ字形に９０度折れ曲がり、パックケース底面へ向かって上下方向α３に沿って延在する取付フランジ４７と、同じくベース部４５の他方の長手方向α１の端部の側縁から略Ｌ字形に９０度折れ曲がったガイドフランジ４６と、を備えている。上記ベース部４５には、上記プレート部材４２を固定するための複数のスタッドボルト４８が溶接により固定されている。

上記取付フランジ４７は、チャンネル部材４１の全長に亘って連続したものとしてもよいが、本実施例では、複数個のタブとして部分的に形成されており、各タブに取付孔４７ａが設けられている。一方、ガイドフランジ４６は、チャンネル部材４１の一方の長手方向α１の端部にのみタブとして設けられている。

上記取付フランジ４７は、図６〜図９に示すように、前述したバッテリモジュール２１端部のスタッドボルト３３（上下一対のスタッドボルト３３の中の上側のスタッドボルト３３）を用いて、スタック２０上部側面に固定される。すなわち、上記取付孔４７ａにスタッドボルト３３が挿通され、かつナット４９が締め付けられる。

上記のようにスタック２０の側面に固定された取付フランジ４７は、ロアケース１１の底面に対し直交した姿勢となり、従って、上記ベース部４５は、ロアケース１１の底面に対し実質的に平行な姿勢となる。換言すれば、ベース部４５は、各スタック２０Ａ，２０Ｂから空間３５内に棚状に張り出している。

ここで、図示例では、実質的な部品点数の削減を図るために、第１チャンネル部材４１Ａと第２チャンネル部材４１Ｂとが、全く同一の部品であり、互いに逆向きの姿勢で取り付けられている。但し、第１チャンネル部材４１Ａと第２チャンネル部材４１Ｂとを互いに形状が異なる別々の部品としてもよい。

これら第１チャンネル部材４１Ａと第２チャンネル部材４１Ｂとを架け渡すように、２つのプレート部材４２が長手方向α１に直列に配置されている。両プレート部材４２は同一形状を有しており、各プレート部材４２は、上記のように棚状に張り出した２つのベース部４５の上に支持され、かつ各ベース部４５における複数のスタッドボルト４８にナット４９を介して固定されている。上記スタッドボルト４８は、ベース部４５から上方へ向かって突出しており、従って、ナット４９はプレート部材４２の上面側から締め付けられる。

各プレート部材４２は、鋼板からなり、２つのチャンネル部材４１のベース部４５の間の間隙（３５）に配置され、この間隙内を長手方向α１に沿って帯状に延びる剛性向上部５４と、この剛性向上部５４から幅方向α２へ張り出した複数の固定片部５５と、を有している。固定片部５５には、スタッドボルト４８が貫通する複数のボルト貫通孔５２が貫通形成されており、このスタッドボルト４８及びナット４９によりプレート部材４２がチャンネル部材４１のベース部４５に固定されている。

剛性向上部５４には、幅方向α２の中央に沿った複数箇所に、クリップ４３用の円形の取付孔５３が貫通形成されており、この取付孔５３に、それぞれクリップ４３が装着される。図８に示すように、この剛性向上部５４の幅方向α２の寸法Ｄ２は、両チャンネル部材４１のベース部４５の互いに対向する先端縁同士の最短距離Ｄ１よりも短く設定されており（Ｄ２＜Ｄ１）、従って、両チャンネル部材４１のベース部４５と干渉することなく両ベース部４５の間に配置されている。

また、この剛性向上部５４には、上下方向α３に折曲する複数の曲げ部５６が形成されており、これらの曲げ部５６によって、剛性向上部５４は、全体としては上下方向α３に矩形状の凹凸形状・段付形状に折曲する構造となっている。但し、個々の曲げ部５６は、応力集中を緩和するように所定の曲率を有する湾曲形状をなしている。つまり、剛性向上部５４は、図８及び図９にも示すように、上下方向α３に離間する平行な上片部５７及び下片部５８と、曲げ部５６を介して両者５７，５８を繋ぐ垂直片部５９と、を有する構造となっており、上片部５７に沿って固定片部５５が形成され、下片部５８にクリップ４３用の取付孔５３が形成されている。そして、垂直片部５９において、一対のベース部４５の間を上下方向α３に横切る形となっている。

更に、曲げ部５６から垂直片部５９にかけての部分には、その幅方向α２の中央部に、部分的に窪んだビード部６０が形成されている。なお、ビード部６０を突出する形状としても良い。

固定片部５５は、第１チャンネル部材４１Ａに固定される第１固定片部５５Ａと、第２チャンネル部材４１Ｂに固定される第２固定片部５５Ｂとで、長手方向α１に関して互いに離間して配置されている。つまり、第１固定片部５５Ａと第２固定片部５５Ｂとが長手方向α１にオフセットして形成されている。

このような本実施例の特徴的な構成及び作用効果について、以下に列記する。

［１］図１３に示すように、プレート部材４２に、上下方向α１に折曲する複数の曲げ部５６を形成するとともに、これらの曲げ部５６の幅方向α２の中央部に、突出又は陥没するビード部６０を形成しているために、主に曲げ部５６が長手方向α１を軸とする幅方向α２の曲げβ１に対する応力を受ける形となり、この幅方向α２の曲げβ１に対する剛性が向上するとともに、主にビード部６０が幅方向α２を軸とする長手方向α１の曲げβ２に対する応力を受ける形となって、この長手方向α１の曲げβ２に対する剛性が向上する。このようにプレート部材４２の剛性を向上することによって、車両走行振動に起因するプレート部材４２の面振動を抑制し、ひいてはスタック２０の振動を抑制することができる。

［２］互いに固定されるプレート部材４２とチャンネル部材４１との接触面積が大きくなると、加振時に両者４２，４１が擦れることで、プレート部材４２やチャンネル部材４１の表面に施したサビ防止用のメッキが剥がれ、サビを生じるおそれがある。また、異音発生の原因となるおそれがある。

これに対して本実施例では、プレート部材４２を、一対のベース部４５の間に配置される幅の狭い帯状の剛性向上部５４と、この剛性向上部５４から幅方向α２へ張り出したタブ状の固定片部５５と、を有する構造とし、このタブ状の固定片部５５でプレート部材４２をベース部４５に固定しているために、固定片部５５でのみプレート部材４２とチャンネル部材４１とが接触する形となり、両者の接触面積を十分に小さくすることができる。このように接触面積を小さくすることによって、上述したサビの発生や異音発生を抑制することができる。しかも、固定片部５５を除く剛性向上部５４を、チャンネル部材４１間の間隙（Ｄ１）よりも幅方向寸法（Ｄ２）の小さい幅狭な帯状の形状とすることで、軽量化を図ることができる。

［３］更に、剛性向上部５４は、一対のベース部４５の間を上下方向α３に横切るように、曲げ部５６によって上下方向α３に折曲形成されているために、一対のチャンネル部材４１が互いに接近する方向（図９の矢印Ｙ１，矢印Ｙ２の方向）に変形しようとしても、両チャンネル部材４１のベース部４５の間に介在する剛性向上部５４が干渉し、この剛性向上部５４がいわゆるつっかえ棒の形となって、一対のチャンネル部材４１が互いに接近する方向に大きく変形することを確実に防止することができる。

［４］図１０及び図１１に示すように、チャンネル部材４１のベース部４５には、プレート部材４２の固定用のスタッドボルト４８が溶接により固定されているために、この溶接部分に応力が発生する。ここで本実施例では、図１２にも示すように、上記のスタッドボルト４８が貫通するボルト貫通孔５２が形成されたプレート部材４２の固定片部５５のうち、第１チャンネル部材４１Ａに固定される第１固定片部５５Ａと、第２チャンネル部材４１Ｂに固定される第２固定片部５５Ｂとを、長手方向α１に関して互いに離間して配置している。つまり、剛性向上部５４から幅方向α２の一方側（図１２の左下側）へ張り出した第１固定片部５５Ａと、他方側（図１２の右上側）へ張り出した第２固定片部５５Ｂとを、長手方向α１で異なる位置に形成している。従って、プレート部材４２に対する第１チャンネル部材４１Ａと第２チャンネル部材４１Ｂとの固定位置（溶接部分）が長手方向α１で異なる位置となり、応力集中箇所を長手方向α１に分散させることができるために、更に信頼性・耐久性を向上することができる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、当業者には自明なように、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、複数のバッテリ群として２つのスタック２０を備えているが、さらに多数の群に分割された構成とすることができ、また、複数のバッテリ群が非対称に配置された構成であってもよい。また、チャンネル部材４１の具体的な形状およびスタック２０に対する支持についても、種々の態様が可能である。また、電気自動車用以外の用途のバッテリパックにおいても、本発明は同様に適用できる。更に、曲げ部５６やビード部６０の具体的な形状についても、上記の実施例に限られず、例えば波状あるいはジグザグ形状の曲げ部５６であっても良い。

１…バッテリパック
１０…パックケース
１１…ロアケース
２０…スタック
２１…バッテリモジュール
３１…ハーネス
３５…空間
４１…チャンネル部材
４２…プレート部材
４７…取付フランジ
５４…剛性向上部
５５…固定片部
５６…曲げ部
６０…ビード部

Claims (4)

1. バッテリパックのパックケース内にそれぞれ固定され、かつ直線状の空間を間に構成するように互いに離間して配置された第１のバッテリ群および第２のバッテリ群と、
   上記空間の長手方向に沿って延び、上記空間内に張り出したベース部および該ベース部の一方の側縁からパックケース底面へ向かう上下方向に沿って略Ｌ字形に折れ曲がった取付フランジをそれぞれ有し、この取付フランジにおいて各バッテリ群に各々固定される一対のチャンネル部材と、
   上記一対のチャンネル部材の両ベース部に配置され、両ベース部の間を橋渡しするように各ベース部に固定されたプレート部材と、を有し、
   このプレート部材に、上記上下方向へ折曲する曲げ部を形成するとともに、この曲げ部に、突出又は陥没するビード部を形成したことを特徴とするバッテリパックの取付構造。
2. 上記プレート部材が、上記一対のベース部の間の間隙に配置され、この間隙内を長手方向に沿って帯状に延び、上記曲げ部が形成された剛性向上部と、この剛性向上部から側方へ張り出して、上記ベース部に固定される固定片部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のバッテリパックの取付構造。
3. 上記剛性向上部は、上記一対のベース部の間を上下方向に横切るように、上記曲げ部によって上下方向に折曲形成されていることを特徴とする請求項２に記載のバッテリパックの取付構造。
4. 上記固定片部は、第１のバッテリ群に固定される第１のチャンネル部材に固定される第１の固定片部と、第２のバッテリ群に固定される第２のチャンネル部材に固定される第２の固定片部と、を有し、
   これら第１の固定片部と第２の固定片部とが上記長手方向に互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバッテリパックの取付構造。

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