JP6073966B2

JP6073966B2 - 自動車用床下ユニット

Info

Publication number: JP6073966B2
Application number: JP2015104307A
Authority: JP
Inventors: デッカーサルバトーレ
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: DE102014107388A1; JP2015224027A; US20150336452A1; CN105172903A; CN105172903B; US9440523B2

Description

本発明は、自動車用床下ユニットであって、自動車の自動車車体を強化し得るようにするために用いられる自動車用床下ユニットに関する。

自動車の自動車車体は支持用の支持構造を有し得る。支持構造においては、堅牢であるように設計された長手部材と堅牢であるように設計された横材とを互いに連結して支持用フレームを形成することにより、自動車の他の構成要素を連結することのできる安定したプラットフォームを形成する。支持構造により、詳細には、駆動装置、個々の車体部品、自動車の機能ユニット及び有効積載量を支持し、且つそれらの重量の力を地面に分散させることができる。支持構造及び自動車車体を強化するため、支持構造に連結された板形状の床下ユニットを設けることができる。この床下ユニットは自動車の床下を形成し、地面に対して床下ユニットの上側に配置された構造ユニットを被覆し、保護する。

（特許文献１）は、主電池のバッテリハウジングを自動車の床下に下側から連結することを開示している。地面の側に配置されるバッテリハウジングの下面は、外側に突出する冷却用フィンを備える薄肉のアルミニウム鋳物として設計される。

（特許文献２）は、冷却用ダクトを備えたバッテリハウジングの支持板を自動車車体の支持構造に下側からねじ付け、この支持板を、主電池の重量の力を支持構造に分散させることができるような剛性を持たせて設計することを開示している。支持板はその下面に変形可能なエネルギー吸収層を備える。この層は、事故（「衝突」）発生時、主電池を損傷から保護するため塑性変形し得る。

国際公開第２０１３／０５１６３８Ａ１号パンフレット独国特許出願公開第１０２０１００２４３２０Ａ１号明細書

自動車の主電池の耐用期間が長いことが常に求められている。

本発明の目的は、自動車の主電池の耐用期間を長くすることを可能にする手段を特定することである。

上記目的は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する床下ユニットにより達成される。本発明の好ましい改良形態が従属請求項に示される。これらの従属請求項はいずれも、個々に又は組み合わせて、本発明の一態様を提供し得る。

本発明によれば、自動車の自動車車体を、詳細にはフロントアクスルとリアアクスルとの間で強化するための床下ユニットが設けられる。この床下ユニットはベース本体を含む。ベース本体は自動車車体に連結することができ、自動車車体の静荷重及び／又は動荷重を分散させることを目的とするものである。ベース本体は、自動車の純粋に電気的な駆動装置用の主電池を形成する電池セルユニットを支持するための上側に配置される支持板と、下側からの急激な力の作用から電池セルユニットを保護するための下側に配置される別個のアーマ板とを有する。支持板とアーマ板との間に、電池セルユニットを冷却するための冷却用ダクトが形成される。

ベース本体は、自動車車体を強化する構成要素としてのその機能上、自動車の運転時及び事故（「衝突」）発生時に予想される荷重を分散させることができるように、対応して堅牢となるように設計される。結果として、ベース本体が十分に安定するため、耐荷重ベースとして主電池の重い電池セルユニットを支持するとともに、さらに電池セルユニットのアーマ（armor:防護具）として機能する。その結果、例えば自動車が地面から上方に突き出ている障害物に底を打ち付けたときに、電池セルユニットが地面による損傷から確実に保護される。同時に、ベース本体が少なくとも二部品型の設計であることにより、ベース本体を著しく弱めることなしに、少なくとも１つの冷却用ダクトをベース本体に容易に設けることが可能になる。結果として、ベース本体はさらに、電池セルユニットを能動的及び／又は受動的に冷却できる。熱が分散されないことによる電池セルユニットの過熱及び損傷が、結果として回避され得る。従って、ベース本体が複数の機能を同時に果たすことができる。ここでは、電池セルユニットが自動車の下部領域において床下ユニットの下側ではなく、上側に配設される場合、床下ユニットをアーマ付きバッテリハウジングの一部として使用することができ、且つ、堅牢となるような設計により、耐荷重ベース及び熱交換器としても使用することができるという知見が生かされる。常に堅牢であるように設計されている、床下ユニットのベース本体を用いて、床下ユニットがバッテリハウジングの支持板として主電池の電池セルを支持し、アーマとしてそれらの電池セルを保護し、且つ熱交換器として冷却用ダクトを用いてそれらの電池セルを能動的及び／又は受動的に冷却することができる。その結果、自動車の下部領域に設けられる自動車の主電池の耐用期間を長くすることが可能となる。

支持板は、主電池の重量の力を分散させるように設計可能であり、詳細には、さらに、自動車車体の支持構造を強化するように設計可能である。上記目的のため、支持板は対応して厚く且つ硬く設計され得る。また、支持板及びアーマ板の両方が自動車車体の強化に寄与し得る。その結果、支持板及びアーマ板の両方で発生する力を分散させることができ、従って支持板及びアーマ板をそれぞれ対応してより薄く設計することができる。支持板及び／又はアーマ板は、詳細にはアルミニウム材料で、好ましくはアルミニウム鋳造によって作製される。冷却用ダクトは上部が支持板によって完全に閉鎖され得る。結果として、冷却用ダクトは電池セルユニットに対して支持板によって封止される。従って冷却用ダクトを通じて供給される冷媒と電池セルユニットとの間の接触が回避される。その結果、冷媒による電気的短絡も防止される。

電池セルユニットの側となる支持板の上面は、平らな平面として構成可能である。上面は、好ましくはバッテリハウジングに連結するための連結手段を有する。さらに、上面は、詳細にはベース本体に対する電池セルユニットの規定の配置及び位置決めを特定するため、三次元的に構造化して形成され得る。上記目的のため、上面は、例えば、電池セルユニットの向き及び位置を決めるための位置決め用の印及び／又は確動係合面を形成し得る。

ベース本体は、自動車の横方向において、詳細には自動車車体の支持構造の最も右端の長手部材と最も左端の長手部材との間に延在し得る。この右長手部材及び左長手部材の中心線の間隔Ｄを所与として、詳細には横方向におけるベース本体の延在の大きさｄについて以下が成り立つ：１．１０≦ｄ／Ｄ≦０．８０、好ましくは１．００≦ｄ／Ｄ≦０．９０、特に好ましくは０．９８≦ｄ／Ｄ≦０．９５。主電池の全ての電池セルユニットが、好ましくは左長手部材と右長手部材との間に配置される。横方向に見たとき、左長手部材及び右長手部材は、好ましくは電池セルユニットの少なくとも一部を被覆する。その結果、自動車の側面衝突時に右長手部材及び左長手部材が電池セルユニットのアーマとして機能し得る。ベース本体は、自動車の長手方向において、詳細には自動車のフロントアクスルとリアアクスルとの間に延在し得る。フロントアクスルとリアアクスルとの間のホイールベースＡを所与として、詳細には長手方向におけるベース本体の延在の大きさａについて以下が成り立つ：１．１０≦ａ／Ａ≦０．３０、好ましくは１．００≦ａ／Ａ≦０．４０、より好ましくは０．９０≦ａ／Ａ≦０．５０、特に好ましくは０．８０≦ａ／Ａ≦０．６０。

支持板の冷却用冷媒を供給するための第１の接続部、及び冷媒を除去するための第２の接続部が、少なくとも１つの冷却用ダクトに接続され得る。冷媒は、床下ユニットの外部にある供給源から第１の接続部及び第２の接続部を経て床下ユニットの中を流れて、電池セルユニットの温度を制御し、詳細には電池セルユニットを冷却又は加熱し得る。使用される冷媒は、詳細には、液体、例えば冷却水、冷却油又は冷凍剤であってもよい。第１の接続部及び第２の接続部は、詳細には冷却システムのホースラインに連結され得る。冷却された冷媒が第１の接続部から床下ユニットに導入され得る。この冷媒は冷却用ダクト内で加熱され、加熱された状態で第２の接続部から床下ユニットを離れる。第２の接続部は床下ユニットの外部で冷却器及びポンプを介して第１の接続部に接続することができる。その結果、冷却回路が形成される。また、冷媒から熱を除去するため、第２の接続部を冷凍器の熱交換器に接続することも可能である。冷却された冷媒はさらなる第１の接続部から床下ユニットに送り込まれ、さらなる第２の接続部を経てポンプに流れることができ、このポンプが冷媒を第１の接続部を介して床下ユニットに圧送する。詳細には、凝縮器及び膨張弁を用いて、冷凍器が対応して低温の冷凍剤を熱交換器に送り込むことができ、この冷凍剤が床下ユニットから流れてくる冷媒によって蒸発することにより、冷媒から熱が除去され得る。冷凍剤は、詳細には圧縮器を用いて循環し得る。

ベース本体は、詳細には、冷媒を少なくとも部分的に蒸発させるための蒸発器として設計することができる。冷却剤（詳細には冷凍剤の形態である）が相変化する結果、床下ユニット内で冷却用ダクトにおいて対応して高い冷却能力を達成することができる。さらに、接続部を介して接続される冷却システムを単純化することができる。詳細には、床下ユニット及び冷却システムに共通の冷媒を使用することができる。その結果、床ユニットに使用される冷媒と冷却システムに使用される冷凍剤との間の熱交換が不要となり、及び／又は冷却システムの循環プロセスに単一の移送ユニット、詳細には圧縮器又はポンプのみで十分となる。

好ましい一実施形態において、冷却用ダクトはアーマ板の材料で、詳細には切削工程により形成される。アーマ板の切削、詳細にはフライス加工により、冷却用ダクトの個々の外形、詳細には複数の湾曲及び屈曲領域を有する外形が容易に製造可能となる。冷却用ダクトはアーマ板に、一方の側面が開放しているチャネルとして組み込まれ得る。ここで支持板が実質的に平面状の下面でその開放側面を閉鎖し得る。冷却用ダクトの流れ断面は、アーマ板及び支持板によって画成され得る。単純に支持板及びアーマ板を互いに積み重ねて配置することにより冷却用ダクトを形成し得る。その結果、冷却用ダクトの製造及び組立てが単純化され、費用対効果が高くなる。

さらに好ましい実施形態において、冷却用ダクトは、支持板及びアーマ板に連結された異形シートにより形成される。アーマ板が、異形シートの延在する大きさにわたり支持板から間隔を置いて位置決めされ得る。異形シートは、詳細には、切断なしに形成された金属シートで作製される。ここでシートは、詳細には、アルミニウム材料又はステンレス鋼で作製される。異形シートは、詳細には直接、支持板及びアーマ板に、詳細には溶接によって連結される。異形シートを付形することにより、冷却用ダクトの個々の構造、詳細には複数の湾曲及び屈曲領域を有する構造を、単純に且つ高い費用対効果で形成することが可能になる。詳細には、アーマ板は異形シートのみに連結される。ここで異形シートは、上記目的のために十分な安定性を有するように設計され、従ってアーマ板の重量の力を支持板に分散させることが可能となる。或いは、アーマ板は支持板にも連結し得る。異形シートは、詳細にはクラッシュボックスの機能をさらに果たすことができる。異形シートは、対応して大きい力の作用がアーマ板に及んだとき、アーマ板によって塑性変形することで、引き起こされた衝撃エネルギーを塑性変形によって吸収し、電池セルユニットを損傷から保護することができる。

詳細には、異形シートは、支持板と平面接触する上部接触面と、アーマ板と平面接触する下部接触面とを形成する。結果として、支持板の平面状の下面及びアーマ板の平面状の上面が異形シートにぴったり当接して置かれ、詳細には、支持板及び／又はアーマ板を異形シートとろう付け又は接着剤結合によって動かないように連結することが可能になり得る。ここで接着剤は、好ましくは、上部接触面及び／又は下部接触面に対する噴霧塗布又はロール塗布による単純な方法で塗布され得る。

異形シートは、好ましくは支持板と異形シートとの間及び／又は異形シートとアーマ板との間に冷却用ダクトを形成する。支持板及び／又はアーマ板が、それぞれの冷却用ダクトの流れ断面を画成し得る。詳細には、異形シートは支持板と異形シートとの間、また異形シートとアーマ板との間にも、空洞を形成し得る。この空洞を冷却用ダクトとして使用することができる。この空洞に、電池セルユニットから熱を除去するための冷媒を流すことができる。結果として、支持板とアーマ板との間の容積の大部分を電池セルユニットの冷却又は温度制御に使用することができる。例えば、支持板と異形シートとの間に形成される冷却用ダクトを電池セルユニットの冷却に使用することができ、異形シートとアーマ板との間に形成される冷却用ダクトを電池セルユニットの加熱に使用することができる。異なる冷媒、詳細には異なる温度を有する冷媒が、一方で支持板と異形シートとの間に形成される冷却用ダクトを通り、他方で異形シートとアーマ板との間に形成される冷却用ダクトを通って流れることができる。

特に、支持板が冷却用ダクトのダクト壁を形成することが好ましい。結果として、電池セルユニットから支持板を介して冷却用ダクト内の冷媒に至る熱伝達が確実に特に良好なものとなる。

詳細には、支持板は、冷却用ダクトを画成する材料に、溶接、詳細には摩擦溶接によって連結される。この連結により支持板をアーマ板又は異形シートに対して特にしっかり固定した、且つ密閉された方法で連結することが可能になる。結果として、密閉された冷却用ダクト、及び支持板から冷却用ダクトを画成する材料への良好な熱伝達を、費用対効果の高い方法で達成することができる。

ベース本体は、好ましくは異なる材料からサンドイッチ構造で構成される。詳細には、支持板は金属材料、詳細にはアルミニウム材料を含み、アーマ板は少なくとも部分的に繊維強化複合材料、詳細にはＣＦＰ又はＧＦＰを含む。支持板の金属材料により、電池セルユニットから冷却用ダクト内の冷媒への良好な熱輸送が可能になる。アーマ板が繊維複合材料、例えば炭素繊維強化プラスチック（「ＣＦＰ」）又はガラス繊維強化プラスチック（「ＧＦＰ」）で作製される場合、アーマ板は比較的大きい程度まで弾性変形することができる。その結果、床下ユニットの塑性変形が回避される。さらに、繊維強化プラスチックを介して特に高い張力を分散させることができる。

詳細には、ベース本体、好ましくは支持板が、自動車車体の支持構造の左長手部材に締結するための左締結フランジと、支持構造の右長手部材に締結するための右締結フランジとを有する。結果として、床下ユニットを自動車車体の支持構造に直接連結し、発生する静荷重及び／又は動荷重をベース本体の材料を介して分散させることができる。フレーム形状の中間ハウジング及び／又はバッテリハウジングのハウジングカバーを、ベース本体に、詳細にはベース本体の支持板の外側側壁の垂直方向の延在範囲において連結することができる。加えて、又は代替形態として、バッテリハウジングの部品もまた、それぞれの締結フランジに連結することができる。その結果、側壁に締結手段を設ける必要がなくなり、結果的に、例えば側壁の上面をバッテリハウジングの密閉に使用することができる。さらに、締結フランジ（詳細には実質的に水平方向に突出する）が、電池セルユニットの熱を分散させるための冷却用フィンとして機能し得る。この熱はベース本体により対流によって吸収され、及び／又は長手部材への熱伝導によって吸収される。

好ましくは、支持板から実質的に垂直方向上方に突出する補強リブが設けられる。補強リブは、支持板と共に、自動車の純粋に電気的な駆動装置用の主電池を形成する少なくとも１つの電池セルユニットを受け入れるための受け入れポケットを画成する。詳細には、補強リブは、支持板との一体部品として形成される。補強リブにより、支持板、ひいては床下ユニットを、自動車の運転中に発生する静荷重及び動荷重を吸収して分散させ得るような十分な安定性及び剛性を有するように設計して、材料をほとんど使用することなく自動車車体の支持構造を強化することが可能になる。支持板は、例えばトラフの形態で、補強リブをそのトラフの容積の中に内側に突出させて設計することができる。補強リブは、詳細には自動車の長手方向と横方向とのそれぞれに延在することができ、従って互いに交差し得る。その結果、詳細には実質的に矩形の受け入れポケットが形成され得る。補強リブは少なくとも一部が支持板の側方外側側壁に連結される。これらの側壁は、トラフによって画定される容積を側方に画成し得る。電池セルユニットが少なくとも部分的に受け入れポケットに上から挿入され得る。ここで、支持板の補強リブは、床下ユニット及び自動車車体を強化するために機能するのみならず、電池セルユニットを受け入れて冷却するために機能することもでき、従って複数の機能を同時に果たすことができる。加えて、補強リブは、電池セルユニットで発生した熱を支持板に分散させることができる。支持板は、冷却用ダクトを通じて案内される冷媒の補助によって冷却され得る。従って、熱が分散されないことによる電池セルユニットの過熱及び損傷が回避され得る。

本発明はまた、自動車の純粋に電気的な駆動装置用の主電池にも関する。この主電池は、バッテリハウジングに挿入される複数の電池セルユニットを含む。バッテリハウジングは、電池セルユニットを支持する担持板であって、電池セルユニットに熱的に結合される担持板を有する。担持板は、自動車の自動車車体を強化するための、上記に記載したとおり形成及び開発され得る床下ユニットとして設計される。常に堅牢であるように設計されている、床下ユニットのベース本体を用いて、床下ユニットは、バッテリハウジングの支持板として主電池の電池セルを支持し、アーマとしてそれらの電池セルを保護し、且つ熱交換器として冷却用ダクトを用いてそれらの電池セルを能動的及び／又は受動的に冷却することができる。その結果、自動車の下部領域に設けられる自動車の主電池の耐用期間を長くすることが可能となる。

本発明はまた、支持用の支持構造を有する自動車車体を含み、且つ上記に記載したとおり形成及び開発され得る主電池を含む自動車にも関する。主電池は、自動車車体の下面にある支持構造に連結され、自動車車体を強化することを目的としている。常に堅牢に設計されている、主電池の床下ユニットのベース本体を用いて、床下ユニットは、バッテリハウジングの支持板として主電池の電池セルを支持し、アーマとしてそれらの電池セルを保護し、且つ熱交換器として冷却用ダクトを用いてそれらの電池セルを能動的及び／又は受動的に冷却することができる。その結果、自動車の下部領域に設けられる自動車の主電池の耐用期間を長くすることが可能となる。

本発明を以下に例として、添付の図面を参照し、且つ好ましい例示的実施形態に基づき説明する。以下に示す特徴はそれぞれ、個々に、また組み合わせての両方において、本発明の態様を構成し得る。

床下ユニットの第１の実施形態の概略断面図を示す。床下ユニットの第２の実施形態の概略断面図を示す。

図１に示す床下ユニット１０は、支持板１４と、堅牢であるように設計されたアーマ板１６とを含むベース本体１２を有する。支持板１４は上面１７を有し、上面１７上に主電池の電池セルユニットが置かれて熱的に接触し得る。さらに、補強リブが上面１７から実質的に垂直方向上方に突出し得る。それらの補強リブ間で電池セルユニットが受け入れ凹部に上から挿入され得る。補強リブは、電池セルユニットによって放出される熱を支持板１４に伝えることができる。示される例示的実施形態では、冷却用ダクト１８が、アーマ板１６の支持板１４の側となる側面上にフライス加工される。冷却用ダクト１８はアーマ板１６において開放チャネルとして設計される。ここで冷却用ダクト１８の開放した側面は支持板１４によって閉鎖される。支持板１４及びアーマ板１６が冷却用ダクト１８の流れ断面を画成し、従って支持板１４及びアーマ板１６のそれぞれが冷却用ダクト１８のダクト壁の一部を形成する。支持板１４はアーマ板１６に摩擦溶接によって密閉された方法で動かないように連結される。その結果、詳細には冷却用ダクト１８を通って流れる冷媒が冷却用ダクト１８から漏れ出ることがなくなり得る。

図２に示される床下ユニット１０の実施形態では、支持板１４が異形シート２０によってアーマ板１６と離間される。異形シート２０は複数回折り曲げられており、支持板１４と異形シート２０との間に冷却用ダクト１８を形成する。この冷却用ダクトは実質的に矩形の流れ断面を有する。それぞれの冷却用ダクト１８は互いに離間されている。その結果、異形シート２０は冷却用ダクト１８の間に支持板１４の側となる平面状の上部接触面２２を、冷却用ダクト１８の領域にアーマ板１６の側となる平面状の下部接触面２４をそれぞれ形成する。支持板１４は上部接触面２２とぴったり接して連結することができる。アーマ板は下部接触面２４とぴったり接して連結することができる。異形シート２０とアーマ板１６との間には、空洞２６が形成される。この空洞２６は、支持板１４と異形シート２０との間に形成される冷却用ダクト１８に加えて、又はそれに代えて、冷却用ダクトとして使用されてもよい。この空洞２６を通って冷媒が流れ得る。

１０床下ユニット
１２ベース本体
１４支持板
１６アーマ板
１７上面
１８、２６冷却用ダクト
２０異形シート
２２上部接触面
２４下部接触面

Claims

自動車の自動車車体を、フロントアクスルとリアアクスルとの間で強化するための床下ユニットであって、
前記自動車車体に連結することができ、且つ前記自動車車体の静荷重及び／又は動荷重を分散させることを目的とするベース本体（１２）
を含む床下ユニットであって、
前記ベース本体（１２）が、前記自動車の純粋に電気的な駆動装置用の主電池を形成する電池セルユニットを支持するための上側に配置される支持板（１４）と、下側からの急激な力の作用から前記電池セルユニットを保護するための下側に配置される別個のアーマ板（１６）とを有し、
前記支持板（１４）と前記アーマ板（１６）との間に、前記電池セルユニットを冷却するための冷却用ダクト（１８）が形成されており、
前記冷却用ダクト（１８）は前記アーマ板（１６）の材料を、切削して形成されていることを特徴とする、床下ユニット。
自動車の自動車車体を、フロントアクスルとリアアクスルとの間で強化するための床下ユニットであって、
前記自動車車体に連結することができ、且つ前記自動車車体の静荷重及び／又は動荷重を分散させることを目的とするベース本体（１２）
を含む床下ユニットであって、
前記ベース本体（１２）が、前記自動車の純粋に電気的な駆動装置用の主電池を形成する電池セルユニットを支持するための上側に配置される支持板（１４）と、下側からの急激な力の作用から前記電池セルユニットを保護するための下側に配置される別個のアーマ板（１６）とを有し、
前記支持板（１４）と前記アーマ板（１６）との間に、前記電池セルユニットを冷却するための冷却用ダクト（１８）が形成されており、
前記ベース本体（１２）が異なる材料からサンドイッチ構造で構成され、前記支持板（１４）が金属材料を含み、前記アーマ板（１６）が少なくとも部分的に繊維強化複合材料を含むと共に、前記支持板（１４）と前記アーマ板（１６）との間には異形シート（２０）が配置されており、
前記冷却用ダクト（１８）が、前記支持板（１４）及び前記アーマ板（１６）に連結された前記異形シート（２０）によって形成されていることを特徴とする、床下ユニット。
前記異形シート（２０）が、前記支持板（１４）と平面接触する上部接触面（２２）と、前記アーマ板（１６）と平面接触する下部接触面（２４）とを形成することを特徴とする、請求項２に記載の床下ユニット。
前記異形シート（２０）が、前記支持板（１４）と前記異形シート（２０）との間及び／又は前記異形シート（２０）と前記アーマ板（１６）との間に前記冷却用ダクト（１８、２６）を形成することを特徴とする、請求項２又は３に記載の床下ユニット。
前記支持板（１４）が前記冷却用ダクト（１８）のダクト壁を形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の床下ユニット。
前記支持板（１４）が、前記冷却用ダクト（１８）を画成する材料に、溶接されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の床下ユニット。
バッテリハウジングに挿入される複数の電池セルユニットを含む、自動車の純粋に電気的な駆動装置用の主電池であって、前記バッテリハウジングが、前記電池セルユニットを支持する担持板であって、前記電池セルユニットに熱的に結合される担持板を有し、前記担持板が、自動車の自動車車体を強化するための、請求項１〜６のいずれか一項に記載の床下ユニット（１０）として設計される、主電池。
支持用の支持構造を有する自動車車体を含み、且つ請求項７に記載の主電池を含む自動車であって、前記主電池が、前記自動車車体の下面で前記支持構造に連結され、且つ前記自動車車体を強化することを目的とする、自動車。