JP6445406B2 - 自動車用の車体下部ユニット - Google Patents

Description

本発明は、自動車の車体を補強することができる自動車用の車体下部ユニットに関する。

自動車の車体は負荷支持構造を有することができる。この負荷支持構造において、中実設計の長手方向部材と中実設計のクロスメンバとが互いに接続されて支持フレームを形成して、安定したプラットフォームを構成する。このプラットフォームに自動車の残りの構成要素を接続することができる。支持構造により、特に、自動車の駆動機構、個々の車体部品、機能ユニット、およびペイロードを支持することができ、地面に自動車の駆動機構、個々の車体部品、機能ユニット、およびペイロードの重量を逃がすことができる。支持構造および車体を補強するために、支持構造に接続されたプレート状の車体下部ユニットを設けることができる。前記車体下部ユニットにより、自動車の車体下部を形成し、車体下部ユニットの上方に配置された構造ユニットを覆って、地面から保護する。

（特許文献１）から、走行用バッテリのバッテリハウジングを自動車の車体下部に下から接続することが知られている。地面に面するバッテリハウジングの下面は、外方向に突出する冷却リブを有する薄壁のキャストアルミニウム部品として構成される。

自動車の走行用バッテリは長寿命であることが常に求められている。

国際公開第２０１３／０５１６３８Ａ１号パンフレット

本発明の目的は、自動車の走行用バッテリを長寿命にすることを可能にする手段を提供することである。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１に記載の特徴を有する車体下部ユニットによって達成される。本発明の好ましい改良形態が従属請求項に示されている。それぞれの従属請求項は、別個に、または組み合わさって本発明の一態様をなすことができる。

本発明によれば、特に前車軸と後車軸との間で自動車の車体を補強するための車体下部ユニットであって、車体の静的および／または動的負荷を逃がすための、車体に接続可能な床体と、床体から実質的に垂直上方向に突出する補強リブであって、補強リブが、床体と共に、ハイブリッド式および／または純電気式で自動車を駆動させるための走行用バッテリの構成のための少なくとも１つのバッテリセルユニットを収容する収容ポケットを画定する、補強リブと、床体を冷却するための冷凍剤、すなわち圧縮機と、蒸発器と、凝縮器と、スロットル部材とを有する冷凍回路に適した媒体、特にＣＯ₂を供給するための第１の接続ラインと、冷凍剤を放出するための第２の接続ラインとを備える車体下部ユニットが提供される。

補強リブによって、車体下部ユニットを十分に安定した堅牢な設計とし得、自動車の動作中に生じる静的および動的負荷を吸収して逃がし、材料をあまり用いずに車体の支持構造を補強することができる。床体は、例えばトラフ形（trough）に構成することができ、補強リブがトラフ形の容積内へ内方向に突出する。それぞれの補強リブは、特に自動車の長手方向および横方向に延びることができ、伸びる途中で互いに交差することができる。その結果、特に実質的に長方形の収容ポケットを形成することができる。補強リブの少なくともいくつかは、床体の側方の外側壁に接続される。これらの側壁により、トラフ形が囲う容積を側方で画定することができる。バッテリセルユニットは、少なくとも一部、収容ポケット内に上から挿入することができる。

ここでは、床体の補強リブは、車体下部ユニットおよび車体を補強するのみならず、バッテリセルユニットを収容して冷却する役割も果たすことができ、それにより複数の機能を同時に果たすことができる。同時に、車体下部ユニットにより、車体下部要素および補強リブを用いて、走行用バッテリのバッテリハウジングのための支持底部を形成することができる。さらに、補強リブは、バッテリセルユニット内で発生した熱を伝導して床体に逃がすことができる。床体は、接続ラインによって供給および放出される冷凍剤を用いて冷却することができる。この冷却により、除去されない熱によるバッテリセルユニットの過熱および損傷を回避することができる。結果的に、この床体は、車体下部ユニットおよび車体を補強するために使用することができるのみならず、バッテリセルユニットを冷却するための熱交換器としても使用することができる。同時に、床体は、車体を補強する構成要素としての床体の本来の機能により、相応に中実の設計であり、自動車の動作中および衝突時に予想され得る負荷を逃がすことが可能である。結果的に、床体は、さらに、バッテリセルユニットのための保護外装としての役割を果たすことができ、したがって、バッテリセルユニットは、例えば自動車が地面から上方向に突き出た障害物の上に位置する場合に、地面による損傷から確実に保護される。特に、床体が座屈する懸念なく、対応する冷凍剤に応じた圧力で冷凍剤を導入することができる。したがって、車体下部ユニットの構造完全性に悪影響を及ぼすことなく冷凍剤の冷却力を高めることができる。結果的に、床体も複数の機能を同時に果たすことができる。ここでは、自動車の下側領域にある車体下部ユニットの下ではなく上にバッテリセルユニットが配置される場合に、外装で保護されたバッテリハウジングの一部として車体下部ユニットを使用することができ、さらに、中実構成であるため、支持底部およ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使用される。いずれにせよ中実設計である車体下部ユニットを用いて、走行用バッテリのバッテリセルユニットを床体の上方で車体下部ユニットに挿入することができる。その結果、車体下部ユニットにより、補強リブおよび冷凍剤用の接続ラインを用いて、バッテリハウジングの支持プレートとして重いバッテリセルユニットを支持することができ、保護外装としてバッテリセルユニットを保護することができ、熱交換器としてバッテリセルユニットを能動的および／または受動的に冷却することができる。したがって、自動車の下側領域に提供される自動車の走行用バッテリを長寿命にすることができる。

床体は、特に車体の支持構造の最右端と最左端との長手方向部材の間で、自動車の横方向に延在することができる。右側長手方向部材と左側長手方向部材とのそれぞれの中心線間の距離をＤとして、横方向での床体の広がりｄに関して、特に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が当てはまる。好ましくは、全てのバッテリセルユニットが、左側長手方向部材と右側長手方向部材との間に配置される。好ましくは、左側長手方向部材と右側長手方向部材とは、横方向で見たときにバッテリセルユニットの少なくとも一部を覆い、したがって、自動車の側面衝突時にバッテリセルユニットのための保護外装として機能することができる。床体は、特に自動車の前車軸と後車軸との間で、自動車の長手方向に延在することができる。前車軸と後車軸との間のホイールベースをＡとして、長手方向での床体の広がりａに関して、特に１．１０≧ａ／Ａ≧０．３０、好ましくは１．００≧ａ／Ａ≧０．４０、さらに好ましくは０．９０≧ａ／Ａ≧０．５０、特に好ましくは０．８０≧ａ／Ａ≧０．６０が当てはまる。床体および／または補強リブは、特にアルミニウム材料から、好ましくはアルミニウムキャスティングによって製造される。床体は、特に、フレーム形状のハウジング部分および／またはハウジングカバーに接続されて、バッテリセルユニットによって形成された走行用バッテリを取り囲み、外部の影響から保護する。ここで、床体は、特に適切な封止手段を用いて、フレーム形状のハウジング部分および／またはハウジングカバーに十分な気密性で接続される。したがって、動作中、実質的に冷凍剤が逃げることはない。上記の目的のために、床体は、例えば、封止手段、フレーム形状のハウジング部分、および／またはハウジングカバーとの接触点の領域で、相応に大きい壁厚を有する。特に、床体は、その外壁の領域でのその上向きの端部に円周方向で閉じたフランジを有して、冷凍剤を保持するのに適した封止効果を得るのに十分に大きい壁厚を形成する。

第１の接続ラインおよび第２の接続ラインによって、車体下部ユニットを通して冷凍剤を流して、バッテリセルユニットの温度を直接または間接的に制御し、特にバッテリセルユニットを冷却または加熱することができる。使用される冷凍剤は、特に気体、例えばＣＯ₂でよい。第１の接続ラインおよび第２の接続ラインは、特に、冷却システムおよび／または冷凍システムのラインに接続することができる。第１の接続ラインを通して、冷たい冷凍剤を車体下部ユニットに導入することができる。前記冷凍剤は車体下部ユニットで加熱され、加熱された状態で第２の接続ラインを通って車体下部ユニットから出る。第２の接続ラインは、車体下部ユニットの外部でクーラおよび圧縮機を介して第１の接続ライン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。冷凍剤は、特に圧縮機を用いて回路内で搬送することができる。

特に、床体に形成され、バッテリセルユニットから床体および／または補強リブに伝わった熱を除去するための冷却チャネルが、第１の接続ラインおよび第２の接続ラインによって設けられる。冷却チャネルにより、車体下部ユニットを通る冷凍剤の所定経路を予め定めることができる。冷却チャネルが床体自体によって形成されるため、別個の冷却ホースを車体下部ユニットに設ける必要はない。

好ましくは、冷却チャネルは、完全に床体の内部に形成される。少なくとも１つの冷却チャネルは、例えば床体の中実材料を通る穴として構成することができる。結果的に、冷却チャネルは、必然的に冷凍剤に対して気密に形成することができる。例えば、長手方向および横方向に延び、特に交差する冷却チャネルを設けることができる。接続に必要とされない冷却チャネルの端部開口を気密に閉じることができる。冷却チャネルが完全に床体内部に延びることによって、収容ポケット内に設けられたエネルギーセルユニットと冷凍剤が直接接触するのを回避することができる。それにより、冷凍剤によって電気的な短絡は生じ得ない。

床体は、特に好ましくは、冷凍剤を少なくとも一部蒸発させるための蒸発器として設計される。それにより、床体は、同時に蒸発器プレートとして機能することができる。液体から気体状態への冷凍剤の相変化によって、相応に高い冷却力を車体下部ユニットの内部で実現することができる。冷凍剤は、液体状態で第１の接続ラインを通して車体下部ユニット内に導入することができ、気体状態で第２の接続ラインを通して流して除去することができる。特に、車体下部ユニットの外部で冷凍剤を液化することができる。さらに、接続ラインを介して接続された冷却システムを簡略化することができる。特に、車体下部ユニットと冷却システムとに共通の冷凍剤を使用することができる。したがって、フロアユニット用に使用される冷凍剤と冷却システム用に使用される冷凍剤との間の熱交換は必要とされず、および／または冷却システムの循環プロセスのためにただ１つの搬送ユニット、特に圧縮機またはポンプがあれば十分である。

特に、床体が、車体の支持構造の左側長手方向部材に固定するための左側固定フランジと、支持構造の右側長手方向部材に固定するための右側固定フランジとを有する。結果的に、車体下部ユニットは、車体の支持構造に直接接続することができ、生じる静的および／または動的負荷を床体の材料を介して逃がすことができる。特に床体の外側壁の垂直延在部で、フレーム形状の中間ハウジングおよび／またはバッテリハウジングのハウジングカバーを床体に接続することができる。追加または代替として、バッテリハウジングのいくつかの部分を、同様にそれぞれの固定フランジに接続することができる。その結果、側壁に固定手段を設ける必要はなく、したがって、例えばバッテリハウジングの気密封止を形成するために側壁の上面を使用することができる。さらに、特に実質的に水平に突出する固定フランジが冷却リブとして機能し、床体によって吸収されたバッテリセルユニットの熱を対流によって、および／または長手部材への熱伝導によって除去することができる。

好ましくは、補強リブは、床体と一体に形成される。それにより、挿間された別個の構成要素との相境界での熱抵抗がなく、補強リブと床体との間での特に良好な熱伝導を実現することができる。さらに、製造および設置を簡易化することができる。

特に、床体および／または補強リブを加熱するための加熱要素が設けられる。特に、加熱要素が、床体の対応する凹部に埋め込まれる。加熱要素により、床体の材料を加熱することができ、さらに床体の材料によってバッテリセルユニットを加熱することができる。結果的に、車体下部ユニットは、バッテリセルユニットの冷却だけでなく加熱をも実現し、とりわけ、特に低い外気温の際にバッテリセルユニットの温度を制御して適切な動作温度にすることができる。それにより、バッテリセルユニットが非常に効率的であり長寿命となる目標温度でバッテリセルユニットを動作させることと、特に前記目標温度を調整することとが可能である。

本発明は、さらに、ハイブリッド式および／または純電気式で自動車を駆動させるための走行用バッテリであって、バッテリハウジング内に挿入された複数のバッテリセルユニットを備え、バッテリハウジングが支持プレートを有し、支持プレートが、バッテリセルユニットを支持し、バッテリセルユニットに熱的に結合され、支持プレートが、自動車の車体を補強するための上述したように設計および開発することができる車体下部ユニットとして構成される走行用バッテリに関する。いずれにせよ中実設計である車体下部ユニットの床体を用いて、走行用バッテリのバッテリセルユニットを床体の上方で車体下部ユニットに挿入することができる。その結果、車体下部ユニットにより、補強リブおよび冷凍剤用の接続ラインを用いて、バッテリハウジングの支持プレートとして重いバッテリセルユニットを支持することができ、保護外装としてバッテリセルユニットを保護することができ、熱交換器としてバッテリセルユニットを能動的および／または受動的に冷却することができる。したがって、自動車の下側領域に提供される自動車の走行用バッテリを長寿命にすることができる。

本発明は、さらに、負荷支持構造を有する車体と、車体を補強するために車体の下側で支持構造に接続され、上述したように設計および開発することができる走行用バッテリとを備える自動車に関する。いずれにせよ中実設計である走行用バッテリの車体下部ユニットを用いて、走行用バッテリのバッテリセルユニットを床体の上方で車体下部ユニットに挿入することができる。その結果、車体下部ユニットにより、補強リブおよび冷凍剤用の接続ラインを用いて、バッテリハウジングの支持プレートとして重いバッテリセルユニットを支持することができ、保護外装としてバッテリセルユニットを保護することができ、熱交換器としてバッテリセルユニットを能動的および／または受動的に冷却することができる。したがって、自動車の下側領域に設けられる自動車の走行用バッテリを長寿命にすることができる。

本発明を、添付図面を参照しながら好ましい例示的実施形態を使用して以下に例として説明する。以下に例示する特徴は、それぞれ個別に、また組み合わさって本発明の一態様をなすことができる。

車体下部ユニットの概略斜視図を示す。 挿入されたバッテリセルユニットを有する図１の車体下部ユニットの概略斜視図を示す。 図１の車体下部ユニットのための冷却システムの一実施形態の概略図を示す。

自動車を補強するための車体下部ユニット１０（図１に示される）が、床体１２を有する。床体１２は中実構成であり、床体１２から、一体形成された補強リブ１４が上方向に突出し、補強リブ１４は、長手方向および横方向に延びる。走行用バッテリを形成するためにバッテリセルユニット１８を上方から挿入することができる収容ポケット１６が、交差する補強リブ１４と、床体１２の外側壁との間に形成される（図２）。バッテリセルユニット１８は互いに電気的に接続される。バッテリセルユニット１８により、貯蔵された電気エネルギーを電気接続ライン２０を通して出力することができ、および／または自動車のドライブトレインによって機械的に生成された電気エネルギーを貯蔵のために受け入れることができる。床体１２は、側方に突出する左側固定フランジ２２と、反対側にある側方に突出する右側固定フランジ２４とを有する。固定フランジ２２、２４によって、車体下部ユニット１０を自動車の車体の支持構造の左右の長手方向部材に固定することができる。

図３に示されるように、車体下部ユニット１０は、冷却システム２６によって冷却することができる。特に液体状態での冷却システム２６からの冷凍剤を、第１の接続ライン３４を通して車体下部ユニットに導入することができる。バッテリセルユニット１８から出た熱は、補強リブ１４および床体１２を通して冷凍剤に伝えることができる。冷凍剤は、工程中に蒸発させることができ、気体状態に変化することができる。その結果、必要とされる蒸発エネルギーにより、相応に高い冷却力が実現される。加熱された、特に気体状の冷凍剤は、第２の接続ライン３６を通って車体下部ユニット１０から出ることができ、冷却システム２６に再循環させることができる。

図示される例示的実施形態では、冷却システム２６は、冷凍剤を液化して冷却することができる冷凍設備４０として具現化される。冷凍設備４０では、圧縮機４８によって冷凍剤を気体状態で凝縮器５０に供給することができる。凝縮器５０において冷凍剤が凝縮する。液体冷凍剤は、蒸発器５２を通して再循環させることができ、および／または冷却が必要とされるときには十分に低い温度で、切替え可能な膨張弁５４を通して車体下部ユニット１０に供給することができる。車体下部ユニット１０への冷凍剤の流れは、切替え可能な膨張弁５４を用いて中断することができる。したがって、バッテリセルユニットの冷却は、必要に応じてオフに切り替え、例えば冷凍剤の不要な再循環をなくしてエネルギーを節約することができる。バッテリセルユニット１８の（予備）加熱のために、加熱要素５６を床体１２に組み込むことができる。

それにより、車体下部ユニット１０は、冷凍設備４０のみからなる冷却システム２６の冷凍剤用の蒸発器として使用することができる。結果的に、冷却システムに蒸発器を別途設ける必要はない。したがって、それにより冷却システム２６をより一層単純に構成することができる。結果的に、車体下部ユニット１０の床体１２を冷凍設備４０の冷凍回路に直接組み込むことができ、個別の冷凍剤の間での熱移動を行う必要はない。

１０ 車体下部ユニット
１２ 床体
１４ 補強リブ
１６ 収容ポケット
１８ バッテリセルユニット
２０ 電気接続ライン
２２ 左側固定フランジ
２４ 右側固定フランジ
２６ 冷却システム
３４ 第１の接続ライン
３６ 第２の接続ライン
４０ 冷凍システム
４８ 圧縮機
５２ 蒸発器
５４ 膨張弁
５６ 加熱要素

Claims (8)

1. 前車軸と後車軸との間で自動車の車体を補強するための車体下部ユニットであって、
   前記車体の静的および／または動的負荷を逃がすための、前記車体に接続可能な床体（１２）と、
   前記床体（１２）から垂直上方向に突出する補強リブ（１４）であって、前記補強リブ（１４）が、前記床体（１２）と共に、ハイブリッド式および／または純電気式で自動車を駆動させるための走行用バッテリの構成のための少なくとも１つのバッテリセルユニット（１８）を収容する収容ポケット（１６）を画定する、補強リブ（１４）と、
   前記床体（１２）を冷却するための冷凍剤を供給するための第１の接続ライン（３４）と、
   前記冷凍剤を放出するための第２の接続ライン（３６）とを備え、
   前記床体（１２）はアルミニウムキャスティングにより得られた中実構成であり、該中実構成内を通る穴によって構成された冷却チャネルが当該床体（１２）内に形成してあり、前記冷却チャネルは前記床体（１２）および／または前記補強リブ（１４）に伝わった熱を除去するため、前記第１の接続ライン（３４）および前記第２の接続ライン（３６）に接続されており、
   複数の前記冷却チャネルが、長手方向および横方向にそれぞれ延びており、それらが互いに交差するように設けられている、車体下部ユニット。
2. 前記冷却チャネルが、完全に前記床体（１２）の内部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の車体下部ユニット。
3. 前記床体（１２）が、前記冷凍剤を少なくとも一部蒸発させるための蒸発器として設計されることを特徴とする請求項１または２に記載の車体下部ユニット。
4. 前記床体（１２）が、前記車体の支持構造の左側長手方向部材に固定するための左側固定フランジ（２２）と、前記支持構造の右側長手方向部材に固定するための右側固定フランジ（２４）とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車体下部ユニット。
5. 前記補強リブ（１４）が、前記床体（１２）と一体に形成され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車体下部ユニット。
6. 前記床体（１２）および／または前記補強リブ（１４）を加熱するための加熱要素（５６）が提供され、前記加熱要素（５６）が、前記床体（１２）の対応する凹部に埋め込まれ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車体下部ユニット。
7. ハイブリッド式および／または純電気式で自動車を駆動させるための走行用バッテリであって、バッテリハウジング内に挿入された複数のバッテリセルユニット（１８）を備え、前記バッテリハウジングが支持プレートを有し、前記支持プレートが、前記バッテリセルユニット（１８）を支持し、前記バッテリセルユニット（１８）に熱的に結合され、前記支持プレートが、自動車の車体を補強するための請求項１〜６のいずれか一項に記載の車体下部ユニット（１０）として構成される走行用バッテリ。
8. 支持構造を有する車体と、前記車体を補強するために前記車体の下側で前記支持構造に接続された請求項７に記載の走行用バッテリとを備える自動車。

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