JP6493200B2

JP6493200B2 - 車両搭載用の電池パック

Info

Publication number: JP6493200B2
Application number: JP2015251652A
Authority: JP
Inventors: 秀太伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: JP2017117640A

Description

本発明は、車両搭載用の電池パックに関する。

車両用の高圧電池を収納する電池パックは、車両における搭載可能な空間の制約から、後部座席の下側や、荷室構造の下側等に配置される。例えば、特許文献１には、車両のサスペンション装置からの衝撃が伝わるリアホイールハウスの剛性を向上させるために、フロアパネルに底面が固定されたバッテリトレイの側面をリアホイールハウスに固定する構造が述べられている。この構造では、電池パックに相当するバッテリトレイが車両の車体に締結されるフロアパネルやリアホイールハウスに固定される。

車両が走行するとその振動が車体に固定された電池パックに伝達されるので、電池パックに収納される高圧電池が振動することが生じる。

特開２０１３−１６９８４９号公報

車両の仕様向上のため、高圧電池である電池スタックを構成するセル数が増加する傾向にある。セル数が増加すると、電池スタックの長さ寸法や質量が増加し、電池スタック単体の共振周波数が低下し、他の要素の共振周波数との兼ね合いで電池スタックの共振が生じる恐れがある。

電池スタックの共振が生じると、電池パックや電池スタックの構成部材等の損傷等の恐れが生じ得る。電池パックに対する電池スタックの固定強度等を強化したいが、電池パックの車両の搭載スペース等の制約がある。

車両の搭載スペースの制約と電池スタックの防振性能とを両立させた車両搭載用の電池パックが望まれる。

本発明の１つの形態に係る車両搭載用の電池パックは、車両に搭載される２つの電池スタックと、２つの電池スタックを収納する電池パックの下部部材であるロアケースであって、金属板、及び互いに平行な二辺を含んで金属板を囲み金属板よりも高い剛性を有して車体に固定される補強部を含むロアケースと、２つの電池スタックを金属板に固定する複数の取付部材と、を含み、２つの電池スタックは、ロアケースの上面における互いに平行な二辺の間の中心軸を挟んでその両側に、それぞれ平行に配置されて金属板に締結されていることを特徴とする。

上記構成の車両搭載用の電池パックによれば、２つの電池スタックは、ロアケースの互いに平行な二辺の間の中心軸を挟んでその両側に平行に配置されて金属板に締結される。ロアケースの金属板が二辺の間で振動するとロアケースの中心軸上で振動の加速度が最大となる。中心軸を挟んでその両側に２つの電池スタックを配置することで、２つの電池スタックは中心軸に対し互いに反対側に倒れる方向に分散して振動するので、それぞれの電池スタックに生じる振動の加速度は、中心軸上に配置される場合に比べ少なくなる。これにより、車両の搭載スペースの制約を受ける電池パックに対する電池スタックの固定強度等の強化をしなくても、電池スタックの防振性能を向上できる。

上記構成の車両搭載用の電池パックは、車両の搭載スペースの制約と電池スタックの防振性能とを両立させることができる。

本発明に係る実施の形態における車両搭載用の電池パックの構成を示す図である。本発明に係る実施の形態の車両搭載用の電池パックにおいて、ロアケースの剛性と電池スタックに生じる加速度の大きさの関係を示す図である。本発明に係る実施の形態の車両搭載用の電池パックにおいて、電池スタックに生じる加速度の周波数特性を示す図である。比較例として、電池スタックをロアケースの中心軸上に配置した例について、ロアケースの振動によって生じる電池スタックの加速度を示す図である。図４（ａ）は、ロアケースが静止状態のときを示す図であり、（ｂ）は、ロアケースが振動状態のときを示す図である。本発明に係る実施の形態の車両搭載用の電池パックにおいて、ロアケースの振動によって電池スタックに生じる加速度が分散されることを示す図である。図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ図４（ａ），（ｂ）に対応する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下で述べる形状、寸法、材質、配置関係等は、説明のための例示であって、車両搭載用の電池パックの仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両搭載用の電池パック１０を示す図である。以下では、車両搭載用の電池パック１０を、単に電池パック１０と呼ぶ。電池パック１０は、パックケースと呼ばれるケース体の内部空間に高圧電池である電池スタック２０，２２を収納したものである。パックケースは、略直方体のケースで、下部部材であるロアケース１２と、ロアケース１２と組み合わされて内部空間を形成するアッパーケースとで構成される。図１は、アッパーケースを取り外した状態の電池パック１０を示す図である。図１には、電池パック１０の構成要素ではないが、車両の車体６と、電池パック１０を車体６に固定する締結部８を示した。締結部８は、電池パック１０を車体に固定する締結部材である。締結部８としては、ボルトとナットの組合せ等を用いる。

図１には、電池パック１０について、直交する３つの方向として、前方側と後方側に関する前後方向、左側と右側に関する幅方向、上方側と下方側に関する上下方向を示す。前後方向は、車両の前後方向と同じ方向であり、幅方向は車両の車幅方向と同じ方向であり、上下方向は車両の上下方向と同じ方向である。

ロアケース１２は、適当な厚さを有する略矩形の平面形状を有する金属板１４と、金属板１４の四辺を囲む第１の補強部１６を含む。第１の補強部１６は、左右方向に延びる二辺を構成する２つの板材と、前後方向に延びる二辺を構成する２つの板材とを組み合わせて額縁状にした部材である。第１の補強部１６の４つの板材の剛性は、金属板１４の剛性よりも高い。第１の補強部１６は、金属板１４の周囲の四辺の剛性を高める働きをする。第１の補強部１６の四隅は、締結部８を介して車体６に固定される。

ロアケース１２は、電池スタック２０，２２を金属板１４に取付け固定するための第２の補強部１８，１９を備える。

かかるロアケース１２は、適当な強度を有する板金をプレス加工等で金属板１４の部分を含む所定の形状に成形したものを用いる。第１の補強部１６、第２の補強部１８，１９は、金属板１４とは別部材で製作し、これらをプレス加工等で成形した金属板１４に溶接等の接続手段を用いて固定する。これに代えて、プレス加工の際に、所定の箇所に、適当なリブ等の剛性を高くする構造を一体で形成し、これを第１の補強部１６、第２の補強部１８，１９とできる。この場合には、金属板１４、第１の補強部１６、第２の補強部１８，１９が一体構造となる。以下では、ロアケース１２は一体構造とし、特に断らない限り、金属板１４でロアケース１２を代表させる。

２つの電池スタック２０，２２のそれぞれは同じ形状と同じ性能を有する。電池スタック２０，２２のそれぞれは、複数の単電池を直列及び並列接続して組電池とし、車両に搭載される電気機器に必要な高電圧、大電流を出力可能とした高圧電池である。単電池はセルと呼ばれるが、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を用いることができる。車両の仕様向上のため、電池スタック２０，２２を構成するセル数が増加すると、電池スタック２０，２２の長さ寸法や質量が増加する。図１の例では、電池スタック２０，２２は、長さ寸法が幅寸法や高さ寸法よりもかなり長い略直方体の外形を有する。

電池スタック２０，２２は、略直方体の最も長い辺の方向を長手方向として、長手方向の両端側において、取付部材２４を用い、金属板１４を成形して剛性を高くした第２の補強部１８，１９に取付けられる。図１の例では、電池スタック２０，２２は、長手方向を電池パック１０の左右方向に合わせて金属板１４上に配置される。ここで、略矩形形状の金属板１４は、少なくとも左右方向に延びる辺が互いに平行に成形されるものとし、その二辺の間を通る中心軸を（Ｃ−Ｃ）と示す。中心軸（Ｃ−Ｃ）は、金属板１４の左右方向に延びる辺に平行である。

略矩形形状の金属板１４は、四辺の剛性が高いので、締結部８を介して車体６から振動を受けると、四辺が固定された板として振動する。四辺が固定された金属板１４の振動の振幅が最大となる位置は、略矩形形状の中心位置である。中心軸（Ｃ−Ｃ）は、金属板１４の振動の振幅が最大となる位置を通る軸である。図１の場合、電池スタック２０，２２の長手寸法が幅寸法に比べ長いので、これが取り付けられる金属板１４は、左右方向に平行な辺の長さが、前後方向に平行な辺の長さよりも長くなる。したがって、略矩形形状の金属板１４においては、左右方向に平行な中心軸（Ｃ−Ｃ）上の振動が、他の方向に平行な軸上の振動よりも大きくなる。

電池スタック２０，２２は、金属板１４上において、中心軸（Ｃ−Ｃ）上に配置せず、中心軸（Ｃ−Ｃ）を挟んで、前後方向に配置される。図１の例では、電池スタック２０は、中心軸（Ｃ−Ｃ）の両側の内、前方側において、その長手方向を中心軸（Ｃ−Ｃ）に平行として配置される。電池スタック２２は、中心軸（Ｃ−Ｃ）の両側の内、後方側において、その長手方向を中心軸（Ｃ−Ｃ）に平行として配置される。

上記構成の作用効果について、図２から図５を用いて詳細に説明する。図２は、電池パック１０の車両における搭載スペース等の制約を検討するために行った実験の結果を示す図である。図２の横軸は、１つの締結部８当たりの金属板１４の剛性で、単位は（力／変位量）で、例えば（Ｎ／ｍｍ）で示される。縦軸は、締結部８に所定の振動の加速度を与えたときの電池スタックの加速度である。ここでは、金属板１４の剛性と電池スタックの加速度との関係を実験するために、モデルとして、中心軸（Ｃ−Ｃ）上に電池スタック２０を配置した。つまり、４つの締結部８に所定の振動を与えたときに、金属板１４の振動の振幅が最大となる方向である中心軸（Ｃ−Ｃ）上に電池スタック２０を配置した。

図２の縦軸に、４つの締結部８に入力される加速度の大きさとしてα_INと、電池スタック２０の単体として許容される最大加速度α_Tを示す。許容される最大加速度α_Tの値は、車両の仕様によって定められる。

実験は、剛性の異なる１０種類の金属板１４を用いて行った。図２の結果から、金属板１４の剛性を低くすることで、電池スタック２０の最大加速度が低くなることが分かる。電池スタック２０の加速度と金属板１４の剛性の関係については、３つのグループ３０，３２，３４に分けることができる。

グループ３０は、金属板１４の剛性が低く、電池スタック２０の最大加速度が許容される最大加速度α_T以下となる。グループ３０については、特別な対策を要せず、金属板１４の中心軸（Ｃ−Ｃ）上に電池スタック２０を配置できる。グループ３０において、電池スタック２０の最大加速度は入力加速度α_INよりも大きいが、その程度は入力加速度α_INの約３倍以下であるので、金属板１４の共振が支配的で、電池スタック２０の共振は、生じているとしても僅かと考えられる。

グループ３２は、金属板１４の剛性が高く、電池スタック２０の最大加速度が、許容される最大加速度α_Tを大幅に超える。電池スタック２０の最大加速度は、入力加速度α_INの約７倍から約１２倍となり、金属板１４の共振とは別に、電池スタック２０の共振が生じていると考えられる。このグループ３２については、電池スタック２０の共振を抑制する防振構造の対策が必要である。電池スタック２０の共振を抑制する防振構造の例としては、箱型等の構造を用いて剛性を大きくした土台の上に金属板１４を強固に固定し、金属板１４上の電池スタック２０をこの土台に向けて押付ける押付構造がある。押付構造は、かなりの容積を必要とするので、電池パック１０の搭載スペースを広く確保する必要がある。一例として、比較的に搭載スペースを広くとれる車両の荷室であるラゲージスペースに電池パック１０を配置することが可能であれば、押付構造による電池スタック２０の共振を抑制することが可能である。これに対し、車室の後部座席の下側等は、電池パック１０の搭載スペースに制約が大きく、押付構造の採用は困難と考えられる。

グループ３４は、金属板１４の剛性は低いが、電池スタック２０の最大加速度が、許容される最大加速度α_Tを僅かに超える程度である。電池スタック２０の最大加速度は、入力加速度α_INの約５倍以下であるので、電池スタック２０の共振がいくらか生じているが、金属板１４の共振が支配的と考えられる。この程度であれば、押付構造を特別に設けなくても、電池スタック２０の配置を工夫することで、電池スタック２０の最大加速度が、許容される最大加速度α_Tを下回るようにできる可能性がある。

図３は、グループ３４の剛性を有する金属板１４を用い、図１の電池スタック２０，２２の構造を用いたときの電池スタックの振動の周波数特性を検討するために行った実験の結果を示す図である。横軸は周波数、縦軸は図２の縦軸と同じで電池スタックの加速度である。図３の縦軸は、図２よりも拡大した尺度で示した。図３の縦軸に図２と同じα_INとα_Tを示す。実線は、図１に示す電池スタック２０，２２の周波数特性である。破線は、比較例として、図２で述べた金属板１４の中心軸（Ｃ−Ｃ）上に配置した電池スタック２０の周波数特性である。

図３に示すように、金属板１４の中心軸（Ｃ−Ｃ）上に配置した電池スタック２０の加速度の周波数特性は、特定の周波数ｆ₀で最大値の加速度となるが、その大きさは僅かにα_Tを超える。これに対し、図１の電池スタック２０，２２は、特定の周波数ｆ₁，ｆ₂でそれぞれ加速度のピークを有する特性を示す。ｆ₁，ｆ₂は、いずれもｆ₀より低周波数で、ｆ₁，ｆ₂における加速度のピークは、いずれもα_Tをかなり下回る。その程度は、α_INの約２倍である。このことから、この加速度のピークは金属板１４の共振で、電池スタック２０，２２の共振は生じていないと考えられる。このことから、グループ３４については、グループ３２で述べた押付構造等の搭載スペースの確保が必要な特別な防振構造を用いなくても、電池スタックの取付に関する配置を工夫することで、電池スタックの加速度をα_T以下にできることが分かる。

図４と図５は、図３の作用と効果をモデル的に示す図である。図４、図５の各図は、電池パック１０を金属板１４の中心軸（Ｃ−Ｃ）の軸方向から見た図である。各図において、前後方向、上下方向、左右方向を示した。図４と図５において、（ａ）は、車体６からの振動がなく、金属板１４が静止状態にあるときを示す図で、（ｂ）は車体６から入力加速度の振幅がα_INである振動が車体６から締結部８を介して金属板１４に印加されたときを示す図である。このα_INの振動によって金属板１４は上下方向に振動するが、（ｂ）では、上方側の振れのみを示し、下方側の振れは図示を省略した。

図４は、比較例として、金属板１４の中心軸（Ｃ−Ｃ）上に電池スタック２０を配置した場合の作用を示す図である。図４（ａ）は金属板１４が静止状態のときで、電池スタック２０も静止状態にある。（ｂ）は、車体６からの振動を受けて金属板１４は振動するが、中心軸（Ｃ−Ｃ）上でその振動は最大となり、中心軸（Ｃ−Ｃ）上に配置される電池スタック２０は、最大の加速度を生じる。図３で述べたように、電池スタック２０の加速度は、周波数ｆ₀でα_Tを超える大きさのピークを有する。

図５は、図１の構成に従って、２つの電池スタック２０，２２を金属板１４の中心軸（Ｃ−Ｃ）を挟んで両側に配置する場合の作用と効果とを示す図である。図５（ａ）は金属板１４が静止状態のときで、中心軸（Ｃ−Ｃ）を挟んで前方側に配置される電池スタック２０も後方側に配置される電池スタック２２も静止状態にある。（ｂ）は、車体６からの振動を受けて金属板１４は振動する。図４（ｂ）の場合と同じく金属板１４の振動は、中心軸（Ｃ−Ｃ）上でその振動は最大となる。

電池スタック２０，２２は中心軸（Ｃ−Ｃ）の上に配置されていないので、電池スタック２０，２２に対する上下方向の振動の入力は、金属板１４の変形に応じて、電池スタック２０，２２の前後方向の振動に変換される。図５（ｂ）に示すように、電池スタック２０側において金属板１４の変形の法線方向が前方側を向くことにより、電池スタック２０は、前方側に倒れ込む方向の振動を生じる。また、電池スタック２２側において金属板１４の変形の法線方向が後方側を向くことにより、電池スタック２２は、後方側に倒れ込む方向の振動を生じる。

このように、電池スタック２０，２２は、上下方向に振れるモードでなく、前後方向に振れるモードとなり、これにより図３に示すように最大加速度のピークが２つに分かれると考えられる。図４（ｂ）と比較すると、最大加速度のピークが１つから２つに分かれるので、図５（ｂ）における電池スタック２０，２２に生じる最大加速度の大きさは、図４（ｂ）における電池スタック２０に生じる最大加速度よりも小さくなる。これにより、図３に実線の示す周波数特性となると考えられる。

上記のように、ロアケース１２の上面における互いに平行な二辺の間の中心軸（Ｃ−Ｃ）を挟んでその両側に２つの電池スタック２０，２２を配置することで、特別な防振構造を用いることなく、電池スタック２０，２２の最大加速度をα_T以下とできる。

６車体、８締結部、１０（車両搭載用の）電池パック、１２ロアケース、１４金属板、１６第１の補強部、１８，１９第２の補強部、２０，２２電池スタック、２４取付部材、３０，３２，３４グループ。

Claims

車両に搭載される２つの電池スタックと、
２つの前記電池スタックを収納する電池パックの下部部材であるロアケースであって、金属板、及び互いに平行な二辺を含んで前記金属板を囲み前記金属板よりも高い剛性を有して車体に固定される補強部を含むロアケースと、
２つの前記電池スタックを前記金属板に固定する複数の取付部材と、
を含み、
２つの前記電池スタックは、
前記ロアケースの上面における前記互いに平行な二辺の間の中心軸を挟んでその両側に、それぞれ平行に配置されて前記金属板に締結されていることを特徴とする車両搭載用の電池パック。