JP7135917B2 - 燃料電池車両の下部構造 - Google Patents

Description

本発明は、水素タンクが搭載される燃料電池車両の下部構造に関する。

車両のフロア下には、種々の部品が取り付けられる。例えば後輪駆動車である場合には、一対の後輪の間であってラゲッジフロアパネル下に回転電機やトランスアクスル等の駆動ユニットが設けられる。また、電気自動車やハイブリッド車両ではフロア下にバッテリが設けられる。また燃料電池車両ではフロア下に水素タンクが設けられる。

車両衝突時に、これらの部品の保護を図る構造が、従来から知られている。例えば特許文献１では、側面衝突時に、フロアクロスメンバが下方に谷折れすることで、フロアクロスメンバ下のバッテリを下方に逃がし、他部品とバッテリとの干渉を抑制している。また特許文献２では、車幅方向に延設されるフレームからバッテリを吊り下げる構造において、後面衝突時にフレームが車両前方に屈曲するようにして折れることでバッテリパックを前方に移動させ、後方からバッテリパックに入力される衝突荷重を軽減させている。

特開２０１７－１４４８２５号公報 特開２０１７－１１４１９０号公報

ところで、燃料電池車両の場合、上述したように水素タンクが設けられる。例えばリアシート下に、長手方向が車幅方向に向くようにして（つまり横置きに）水素タンクが配置される。また、当該燃料電池車両が後輪駆動車の場合、上述したようにラゲッジフロアパネル下に駆動ユニットが配置される。

さらに、水素タンクと駆動ユニットとの間に高電圧部品が配置される場合がある。この高電圧部品は、例えば駆動ユニットの回転電機に高電圧を印加するための高電圧ケーブルやジャンクションブロックを含む。

ここで、駆動ユニットは、例えば駆動源である回転電機やトランスアクスルの振動や騒音低減を図るために高剛性のケースを備える。また水素タンクは、例えば万が一車両が衝突破壊された場合であっても水素漏洩が起こらないレベルの耐荷重性能を備えている。

このような、高剛性の駆動ユニットと水素タンクとに車両前後方向で挟まれるように高電圧部品が配置されるようなレイアウトが採られる場合に、車両後面衝突（以下適宜後突と記載する）時に、高電圧部品と、駆動ユニット及び水素タンクとの干渉を抑制する必要がある。

本発明は燃料電池車両の下部構造に関する。当該下部構造は、耐荷重性の水素タンク、駆動ユニット、及び高電圧部品を備える。水素タンクは、フロアパネル下であって、車幅方向に長手方向が向くように配置される。駆動ユニットは、フロアパネル下であって、水素タンクより車体後方に設けられる。高電圧部品は、フロアパネル下であって、水素タンクと駆動ユニットとの間に設けられる。フロアパネルは、パネル曲面部及びフロアトンネルを備える。パネル曲面部は、水素タンクの上方に、当該水素タンクの形状に沿って車幅方向に延設される側面視凸曲状の部分である。フロアトンネルは、パネル曲面部から車体後方に延設される正面視Π形状の部分である。フロアトンネルの天井部の前端は、パネル曲面部の上方部分に接続される。さらに、フロアトンネルの天井部に、高電圧部品が吊り支持される。

上記構成によれば、後突時には、フロアパネルに圧縮荷重が入力される。この荷重入力に伴って、パネル曲面部の凸曲形状が潰されてその上方部分が持ち上げられる。パネル曲面部の上方部分が持ち上げられることで、当該上方部分に接続されるフロアトンネルの天井部も持ち上げられる。これに伴い、フロアトンネルの天井部に吊り支持される高電圧部品も持ち上げられる。その結果、水素タンク及び駆動ユニットに対して高電圧部品を上方に逃がすことが可能となる。

本発明によれば、後突時における、高電圧部品と、駆動ユニット及び水素タンクとの干渉を抑制可能となる。

本実施形態に係る燃料電池車両のフロア構造を例示する斜視図である。 図１のＡ－Ａ断面であって、本実施形態に係る燃料電池車両の下部構造を例示する側面断面図である。 後突時の荷重入力について説明する斜視図である。 後突時のフロアパネルの変形について説明する側面断面図である。

図１に、本実施形態に係る燃料電池車両の下部構造として、フロア構造の斜視図が例示される。さらに図２には同下部構造として、図１のＡ－Ａ断面図であって、フロア及びフロア下の構造が例示される。

なお、図１－図４において、車体前後方向が記号ＦＲで表される軸で示され、車幅方向が記号ＲＷで表される軸で示され、車体上下方向が記号ＵＰで表される軸で示される。車体前後軸ＦＲは車体前方方向を正方向とする。車幅軸ＲＷは右幅方向を正方向とする。また車体上下軸ＵＰは上方向を正方向とする。これら３軸は互いに直交する。

なお、以下適宜、車体前方向及び車体後方向は単に前方及び後方と記載される。同様にして、車体上方向及び車体下方向は単に上方及び下方と記載される。

図１、図２を参照して、本実施形態に係る燃料電池車両の下部構造は、フロアパネル（フロントフロアパネル１０及びリアフロアパネル１５が含まれる）、第一水素タンク６０、駆動ユニット８０及び高電圧部品７０を備える。

図１を参照して、フロアパネルは、フロントフロアパネル１０及びリアフロアパネル１５が含まれる。これらのパネル材は、例えばアルミ板等の金属パネルから構成される。

フロントフロアパネル１０は、車室（言い換えるとキャビン）の床板を構成する。フロントフロアパネル１０の車幅方向中央には、第一フロアトンネル１２が形成される。第一フロアトンネル１２は、フロントフロアパネル１０の床面（言い換えると基準面）から上方に突出するように形成されており、正面視でΠ形状の角型トンネル部となっている。つまり第一フロアトンネル１２は天井部１２Ａと、その車幅方向両端から下方に延設される一対の側面部１２Ｂを備える。

また、天井部１２Ａと側面部１２Ｂの境界線として、稜線１２Ｃが車両前後方向に延設される。例えば車両の前面衝突時には、この稜線１２Ｃが主に荷重を受けることで、車室空間の減少が抑制される。例えば第一フロアトンネル１２に、トンネルリーンフォースとも呼ばれる補強材を重ねてもよい。

第一フロアトンネル１２の後方には、センターフロアクロス４２を挟んでリアフロアパネル１５が設けられる。リアフロアパネル１５は、前方から順に、リアフロア部２０及びラゲッジフロア部３０を備える。

リアフロア部２０は、例えばセンターフロアクロス４２から第一リアクロス４４までの間の領域を指し、リアシートの下方部分が含まれる。またリアフロア部２０は、両クロスに対して下方に沈むような配置となっている。ラゲッジフロア部３０は第一リアクロス４４から後方部分の領域を指し、ラゲッジスペースの床板部分を構成する。

リアフロア部２０には第一パネル曲面部２２及び第二フロアトンネル２４が形成される。図２を参照して、第一パネル曲面部２２は、その下方に配置される第一水素タンク６０の形状に沿って形成される。

第一水素タンク６０は、その長手方向（つまりタンク軸方向）が車幅方向に向けられるように配置される。また第一水素タンク６０はいわゆる繭玉形状であって、タンク軸方向に延設する円筒部分と、その両端に設けられる半球部分とを含んで構成される。

第一パネル曲面部２２は、このように配置された第一水素タンク６０の上方に、当該第一水素タンク６０の形状に沿って形成される。例えば図１に例示されるように、第一パネル曲面部２２は、繭玉形状の上方部分を象ったような形状であって、車幅方向に延設され、また、側面視で凸曲状となるように形成される。

また例えば第一パネル曲面部２２には、その車幅方向中央に、その他の部分と比較して上方に隆起する大径部２２Ａが形成される。なお大径部２２Ａの車幅方向外側部分を小径部２２Ｃと記載する。つまり、第一パネル曲面部２２は、相対的に凸曲面（つまりアーチ）の半径が大きい大径部２２Ａと、相対的に同半径が小さい小径部２２Ｃが形成される。さらに大径部２２Ａは第一パネル曲面部２２の車幅方向中央部分に形成され、その車幅方向両側に小径部２２Ｃが形成される。

例えば第一パネル曲面部２２の大径部２２Ａと小径部２２Ｃとの段差によって、第一パネル曲面部２２には車両前後方向に延設される側面視凸曲状の稜線２２Ｂが形成される。この稜線２２Ｂは、例えば第一フロアトンネル１２の稜線１２Ｃの延長線上に設けられていてよい。このような構成とすることで、第一フロアトンネル１２からの荷重伝達が円滑に行われる。

また、第一パネル曲面部２２から、第二フロアトンネル２４が車体後方に延設される。第二フロアトンネル２４は、例えば第一フロアトンネル１２と同様にして、正面視でΠ形状の角型トンネルである。つまり第二フロアトンネル２４は、天井部２４Ａと、天井部２４Ａの車幅方向両端に接続され下方に延設される側面部２４Ｂを備える。

天井部２４Ａと側面部２４Ｂとの境界線として、稜線２４Ｃが車体前後方向に延設される。この稜線２４Ｃは、第一パネル曲面部２２の稜線２２Ｂと接続されていてよい。このようにすることで、例えばセンターフロアクロス４２と第一リアクロス４４との間に挟まれるような車体前後方向の圧縮荷重が入力されたときに、これらの稜線２２Ｂ，２４Ｃが主に荷重を受ける。

また後述するように、入力された圧縮荷重が第一パネル曲面部２２の耐荷重上限を超過すると、大径部２２Ａ及び小径部２２Ｃの曲面形状が潰され、その上方部分が車体上方に持ち上げられる。

第二フロアトンネル２４の天井部２４Ａは、その前端が、第一パネル曲面部２２の上方部分に接続される。例えば図２を参照して、第二フロアトンネル２４の天井部２４Ａは、その前端が、大径部２２Ａの頂点近傍に接続される。このような構造により、例えば大径部２２Ａは、小径部２２Ｃよりも弧の開き角が小さくなる。

第二フロアトンネル２４の天井部２４Ａが第一パネル曲面部２２の上方部分に接続されることで、上述したような圧縮荷重の入力により第一パネル曲面部２２の曲面形状が潰される際に、第一パネル曲面部２２の上方部分の持ち上がりに応じて、第二フロアトンネル２４の天井部２４Ａも車体上方に持ち上げられる。

リアフロア部２０の後方には、第一リアクロス４４を挟んで、ラゲッジフロア部３０が設けられる。ラゲッジフロア部３０には、第二パネル曲面部３２（図１参照）が形成される。

第二パネル曲面部３２は、その下方に配置される第二水素タンク（図示せず）の形状に沿って形成される。例えば第一水素タンク６０と同様に、第二水素タンクは、その長手方向（つまりタンク軸方向）が車幅方向に向けられるように配置される。第二パネル曲面部３２は、このように配置された第二水素タンクの形状に沿って、車幅方向に延設され、また、側面視で凸曲状となるように形成される。

以上説明したフロアパネルの各部材の周辺に骨格部材が配置される。例えばフロントフロアパネル１０の車幅方向両端には、ロッカ４０が車体前後方向に延設される。ロッカ４０の後端にはリアサイドメンバ４８が接続され、車体後端まで延設される。

また図１、図２を参照して、フロントフロアパネル１０とリアフロアパネル１５との間に、センターフロアクロス４２が設けられる。センターフロアクロス４２は、車幅方向に延設されその両端がロッカ４０に接続される

また、リアフロアパネル１５の、リアフロア部２０とラゲッジフロア部３０の間には、第一リアクロス４４が設けられる。また第二パネル曲面部３２の前方には、第二リアクロス４６が設けられる。第一リアクロス４４及び第二リアクロス４６は、ともに車幅方向に延設され、その両端がリアサイドメンバ４８に接続される。

図２には、図１のＡ－Ａ断面であって、フロアパネル下の構造が例示される。リアフロアパネル１５の下には、第一水素タンク６０、高電圧部品７０、リアサスペンションメンバ８４、及び駆動ユニット８０が設けられる。

第一水素タンク６０は、第一パネル曲面部２２の下方に配置される。上述したように、第一水素タンク６０は、その長手方向（つまりタンク軸方向）が車幅方向を向くように横向き配置される。

第一水素タンク６０と、図示しない第二水素タンクは、いわゆる高圧タンクであり、十分な耐圧強度を備える。これらのタンクは、内面層から、水素を封じ込めるプラスチックライナー層、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を捲回したＣＦＲＰプラスチック層、及び、表面保護のためにガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）を捲回したＧＦＲＰプラスチック層を含んで構成される。

また第一水素タンク６０及び図示しない第二水素タンクは、耐荷重性能を備えている。例えばこれらのタンクは車両の衝突試験時の入力荷重の１５倍程度の荷重に耐え得るような耐荷重性能を備える。このような耐荷重性能を備えることで、万が一車両が衝突破壊された場合においても、第一水素タンク６０及び第二水素タンクからの水素漏洩が防止される。

第一水素タンク６０は上述したようにいわゆる繭玉形状であって、タンク軸方向に延設される円筒部分と、その両端に配置される半球部分とを含んで構成される。第一水素タンク６０は締結バンド６１，６２によってその周囲を支持され、さらに締結バンド６１，６２の前端は、締結部材６５を介してフロントフロアパネル１０に締結される。また締結バンド６１，６２の後端は、タンクブラケット６３、締結部材６６，６７、サポートブラケット６４を介してリアフロア部２０に締結される。

駆動ユニット８０は、第一水素タンク６０及び高電圧部品７０の後方に設けられる。駆動ユニット８０は、後輪駆動用に設けられるものであって、リアタイヤ５０に接続されるシャフト８２が車幅方向に挿入される。

駆動ユニット８０は、リアタイヤ５０を駆動させるための回転電機及び回転電機の駆動をシャフト８２に伝達するトランスアクスルを備える。駆動ユニット８０は、回転電機やトランスアクスルの駆動に伴う騒音を低減するために、そのケーシングが高剛性（言い換えると肉厚）になっている。

駆動ユニット８０は、例えば、リアタイヤ５０のサスペンション機構を支持するリアサスペンションメンバ８４に支持される。リアサスペンションメンバ８４はリアサイドメンバ４８に支持される。つまり駆動ユニット８０は、リアサスペンションメンバ８４を介してリアサイドメンバ４８に支持される。

高電圧部品７０は、駆動ユニット８０の回転電機に高電圧を印加するための電気機器が備えられる。例えば高電圧部品７０は、高電圧ケーブルやジャンクションブロックを備える。

燃料電池車両においては、図示しない燃料電池スタックから駆動ユニット８０の回転電機に至るまで、高電圧回路が設けられる。例えば燃料電池スタックからＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを経て、回転電機に電力が供給される。さらにこの高電圧回路には回路を遮断するジャンクションブロックも設けられる。またこれらの機器は高電圧ケーブルにて接続される。高電圧部品７０はこれらの回路部品のいずれでもよく、要するに後突時の衝撃による導体の露出を防ぐ必要のある部品が高電圧部品７０に該当する。

高電圧部品７０は、車体前後方向に沿って、第一水素タンク６０と駆動ユニット８０との間に設けられる。例えば第一水素タンク６０、高電圧部品７０、及び駆動ユニット８０は、少なくともそれぞれの一部において、車高方向位置が重なる（言い換えると一致する）ように配置される。

また高電圧部品７０は、リアフロア部２０の、第二フロアトンネル２４の天井部２４Ａに吊り支持される。例えば天井部２４Ａの下面に、絶縁ブラケット７２を介して高電圧部品７０が吊り下げ支持される。

後述するように、車両の後突時には、第二フロアトンネル２４が車体上方に持ち上げられ、これに支持される高電圧部品７０も持ち上げられる。その結果、高電圧部品７０は第一水素タンク６０及び駆動ユニット８０に対して上方に逃げることができ、第一水素タンク６０及び駆動ユニット８０と高電圧部品７０との干渉を抑制可能となる。

＜後突時の様子＞
図３、図４には、車両の後突時の様子が例示される。車両後面に障害物が衝突する、例えば後方車両が衝突すると、車両後方から衝突荷重が伝達される。つまり、車両後方部分がその前方を潰すように、車両後方が変形される。

図４を参照して、駆動ユニット８０はその後方の第二水素タンク（図示せず）に押されて車体前方に変位させられる。これに応じて駆動ユニット８０の前方部分も車体前方に変位させられる。例えば駆動ユニット８０の前方のタンクブラケット６３が駆動ユニット８０に押されてＳ字状に変形する。またタンクブラケット６３に締結されたサポートブラケット６４、及びサポートブラケット６４に固定されたリアフロア部２０も変形しながら車体前方に変位させられる。

このとき、図３を参照して、リアフロア部２０に入力された、車体前方向への荷重は、第一パネル曲面部２２及び第二フロアトンネル２４の稜線２２Ｂ，２４Ｃに主に入力される。この荷重はセンターフロアクロス４２及びその前方の第一フロアトンネル１２に伝達される。骨格部材であるセンターフロアクロス４２及び車体前後方向に延設される稜線１２Ｃを備える第一フロアトンネル１２が、この入力荷重に対して突っ張る。その結果、第一パネル曲面部２２及び第二フロアトンネル２４の稜線２２Ｂ，２４Ｃが車体前後から荷重を受ける。つまり稜線２２Ｂ，２４Ｃは圧縮荷重を受ける。

稜線２２Ｂ，２４Ｃが受ける圧縮荷重が耐荷重上限を超過すると第一パネル曲面部２２及び第二フロアトンネル２４が座屈変形する。ここで、両者を比較すると、入力荷重に対して直線状に延設する稜線２４Ｃを備える第二フロアトンネル２４よりも、凸曲（つまりアーチ）形状の第一パネル曲面部２２の方が、先に座屈する。具体的には、車体前後方向に入力される圧縮荷重に対して、図４に例示されるように、第一パネル曲面部２２の大径部２２Ａ及び小径部２２Ｃは、その曲面が潰れるように変形させられる。

この曲面の潰れ変形に伴い、第一パネル曲面部２２の大径部２２Ａ及び小径部２２Ｃの上方部分が車体上方に持ち上げられる。ここで、上述したように、大径部２２Ａの上方部分に、第二フロアトンネル２４の天井部２４Ａが接続される。したがって、大径部２２Ａの持ち上がりに伴い、第二フロアトンネル２４の天井部２４Ａも持ち上げられる。

さらに上述したように、天井部２４Ａには高電圧部品７０が吊り支持されている。したがって、天井部２４Ａの持ち上がりに伴い、高電圧部品７０も車体上方に持ち上げられる。このような高電圧部品７０の持ち上がりにより、第一水素タンク６０及び駆動ユニット８０に対して高電圧部品７０を車体上方に逃がすことが可能となる。

図４に例示されるように、後突時には駆動ユニット８０と第一水素タンク６０との間隔が狭められるが、その間に配置された高電圧部品７０は上方に移動する（つまり逃げる）。したがって、第一水素タンク６０及び駆動ユニット８０と、高電圧部品７０との干渉が抑制される。

１０ フロントフロアパネル、１２ 第一フロアトンネル、１２Ｃ 第一フロアトンネルの稜線、１５ リアフロアパネル、２０ リアフロア部、２２ 第一パネル曲面部、２２Ａ 大径部、２２Ｂ 第一パネル曲面部の稜線、２２Ｃ 小径部、２４ 第二フロアトンネル、２４Ａ 第二フロアトンネルの天井部、２４Ｂ 第二フロアトンネルの側面部、２４Ｃ 第二フロアトンネルの稜線、３０ ラゲッジフロア部、６０ 第一水素タンク、７０ 高電圧部品、７２ 絶縁ブラケット、８０ 駆動ユニット、８４ リアサスペンションメンバ。

Claims (1)

1. フロアパネル下であって、車幅方向に長手方向が向くように配置される、耐荷重性の水素タンクと、
   前記フロアパネル下であって、前記水素タンクより車体後方に設けられる、駆動ユニットと、
   前記フロアパネル下であって、前記水素タンクと前記駆動ユニットとの間に設けられる高電圧部品と、
   を備える燃料電池車両の下部構造であって、
   前記フロアパネルは、
   前記水素タンクの上方に、当該水素タンクの形状に沿って車幅方向に延設される側面視凸曲状のパネル曲面部と、
   前記パネル曲面部から車体後方に延設される正面視Π形状のフロアトンネルと、
   を備え、
   前記パネル曲面部は、車両前後方向に延設され上方に隆起する側面視凸曲面の大径部を備え、
   前記フロアトンネルの天井部の前端は、前記パネル曲面部の前記大径部の頂点近傍であって当該頂点よりも後方部分に接続され、
   前記フロアトンネルの前記天井部に、前記高電圧部品が吊り支持される、
   燃料電池車両の下部構造。

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