JP7244811B1 - 電動車両の電池パック構造 - Google Patents

Abstract

トレイ（２）内に電池モジュール（３）を前後及び左右に並設し、前後の電池モジュール（３）間に、トレイ（２）内を左右に横断するようにクロス部材（１１）を配設する。このクロス部材（１１）を、前壁（１１ｅ）及び後壁（１１ｆ）を４枚の構造壁（１１ａ～１１ｄ）で連結した中空状をなすように構成する。第３，４構造壁（１１ｃ，１１ｄ）を残存させた状態で、クロス部材（１１）の上縁に上部切欠き（１６）を形成し、下縁に下部切欠き（１７）を形成する。トレイ（２）の左右両側にリンフォース（１８）を配設し、上下方向でクロス部材（１１）の第３，４構造壁（１１ｄ）の延在線上で、それぞれトレイ（２）の側面の外側に左右のリンフォース（１８）の上部及び下部フランジ部（１８ｂ，１８ｃ）を接合して、クロス部材（１１）に沿った左右の経路上にロードパス構造を形成する。

Description

本発明は、電動車両の電池パック構造に関する。

例えば特許文献１には、車両の後部荷室に設置されたバッテリ構造が開示されており、バッテリの収容ケースを上下に区画するように仕切板を配設し、その下側に電池モジュールを設置すると共に、仕切板上に高電圧機器を設置している。仕切板には屈曲部を設け、他車両等に後突されたときに、屈曲部を境界として仕切板を上方に変形させて電池モジュールから離間させることにより保護を図っている。

また、特許文献２には、車両に搭載された電池パック内に、車幅方向に延びる複数の交差部材を前後方向に所定間隔で並設し、他車両に側突されたときに電池パック内に収容された電池モジュールの保護を図っている。

特許第６３６３６５６号公報 特許第５３７２１２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、電池モジュールの保護を目的として仕切板を所期の変形モードで変形させるものにすぎない。また、特許文献２の技術も、内部に複数の交差部材を配設することで電池パックの剛性は向上するものの、その効果は内部の電池モジュールの保護にとどまる。

他車両等に側突されたときには、側方から衝突荷重が電池パックに入力されるため、内部の電池モジュールの保護のみならず、衝突荷重を車体各部に分散・吸収して車体変形を軽減することが重要になるが、この要求に対して各特許文献の技術では十分とは言い難かった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、側突時に入力された衝突荷重を車体各部に良好に分散・吸収して車体変形を軽減することができる電動車両の電池パック構造を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の電動車両の電池パック構造は、電池モジュールが収容されたトレイと、前記トレイ内を横断するように配設され、上下方向に離間した位置で長手方向全体に亘って連続する上側構造壁及び下側構造壁が形成された中空状をなすクロス部材と、前記クロス部材の両端に対応してそれぞれ配設され、上下方向で前記クロス部材の上側構造壁か下側構造壁の少なくとも一方の延在線上で、前記トレイの側面の外側に接合された一対のリンフォースとを備えたことを特徴とする。

従って、クロス部材の上側構造壁及び下側構造壁は、上下方向に離間した位置でクロス部材の長手方向全体に亘って連続している。そして、上下方向において上側構造壁か下側構造壁の両端の延在線上に各リンフォースの固定点が一致しているため、電池パックを横断するクロス部材に沿った経路上にロードパス構造が形成される。このため側突時の衝突荷重は、一方のリンフォース、クロス部材、他方のリンフォースへと伝達されて車体側へと分散・吸収される。

その他の態様として、前記電池モジュールが、前記クロス部材の長手方向に離間配置されて二分され、前記クロス部材が、上縁及び下縁の少なくとも何れか一方に、前記電池モジュールの間の間隙に対応して切欠きが形成されて上下幅が狭められていてもよい。

従って、側突時にはクロス部材の切欠きが形成された領域がクラッシャブルゾーンとして機能して変形するため、切欠きの両側に相当する領域の変形が抑制され、この領域に設置されている電池モジュールの破損が防止される。加えて、中空状をなすクロス部材は、衝突荷重が入力されたときの変形モードを調整し易いことから、側突時に所期の変形モードでクロス部材を変形可能となる。

その他の態様として、前記電池モジュールが、前記クロス部材の長手方向に離間配置されて二分され、前記クロス部材が、上縁及び下縁の少なくとも何れか一方に前記電池モジュールの間の間隙に対応して第１切欠きが形成され、何れか他方に第２切欠きが形成されて上下幅が狭められていてもよい。

従って、側突時にはクロス部材の第１切欠きが形成された領域がクラッシャブルゾーンとして機能して変形するため、切欠きの両側に相当する領域の変形が抑制され、この領域に設置されている電池モジュールの破損が防止される。加えて、中空状をなすクロス部材は、衝突荷重が入力されたときの変形モードを調整し易い。また、クロス部材の上縁及び下縁に第１及び第２切欠きが形成されているため、より変形モードを調整し易くなり、側突時に所期の変形モードでクロス部材を変形可能となる。

その他の態様として、前記第２切欠きが、前記クロス部材の両側から中央へと下る階段状をなしていてもよい。

従って、第２切欠きがクロス部材の両側から中央へと下る階段状をなしているため、クロス部材の両側は十分な上下幅を有し、側突時において特に破損し易い両側に位置する電池モジュールを保護可能となる。また、クロス部材の階段状をなす切欠きは、衝突荷重を伝達する際に応力集中を発生させ易いため、より変形モードを調整し易くなる。

その他の態様として、前記クロス部材が、電池パックを車体側に支持するために前記トレイの下面に固定された床下クロスの直上に配設されていてもよい。

従って、高い剛性を有するクロス部材及び床下クロスが一致しているため、電池パックの剛性を高めることが可能となる。

本発明の電動車両の電池パック構造によれば、側突時に入力された衝突荷重を車体各部に良好に分散・吸収して車体変形を軽減することができる。

第１実施形態の電動車両の電池パック構造を示す平面図である。 電池パック内に配設されたクロス部材を示す図１のII-II断面図である。 クロス部材の詳細とリンフォースとの関係を示す図２のＡ部詳細図である。 側突時のクロス部材の変形状態を示す図３に対応する模式図である。 リンフォースの断面形状を変更した第２実施形態を示す図３に対応する図である。

［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した電動車両の電池パック構造の第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態の電動車両の電池パック構造を示す平面図、図２は電池パック内に配設されたクロス部材を示す図１のII-II断面図、図３はクロス部材の詳細とリンフォースとの関係を示す図２のＡ部詳細図である。

本実施形態の電動車両は、モータ及びエンジンを走行用動力源として搭載すると共に、走行用電源である電池パックを外部充電設備から充電可能なプラグインハイブリッド車両として構成されている。電池パックは、図１に示す姿勢で車体の床下に搭載されており、以下の説明では、車両に倣って前後及び左右方向を表現する。

図１に示すように、電池パック１のトレイ２は平面視で略四角状をなし、内部には計８個の電池モジュール３が収容されている。各電池モジュール３はそれぞれ２個を１組とし、計４組の電池モジュール３が前後及び左右に並設されている。換言すると、各組の電池モジュール３は前後及び左右にそれぞれ二分されている。トレイ２内において、電池モジュール３の前側位置には機器スペース４が形成されている。また、左右の電池モジュール３は離間配置され、その間に機器スペース５（本発明の「間隙」に相当）が形成されている。図示はしないが、これらの機器スペース４，５には、例えば電池モジュールの充放電性能を制御・コントロールするＢＭＵ（バッテリーモジュールユニット）や電池回路の接続・遮断するジャンクションボックス等の電気機器類が収容されている。

平面視においてトレイ２の周囲は、左右一対のサイドフレーム６、フロントフレーム７及びリヤフレーム８により取り囲まれている。例えば図３に示すように、サイドフレーム６の上部６ａはトレイ２の側面２ａに溶接され、下部６ｂはトレイ２の下面２ｂに溶接され、これによりトレイ２との間で閉断面を形成している。図示はしないがフロントフレーム７及びリヤフレーム８についても同様である。トレイ２の下面２ｂには、前後方向に所定間隔をおいて複数の床下クロス９が固定され、各床下クロス９の左右両端部は図示しない車体のサイドメンバに連結されて、車体側に対してトレイ２を吊下・支持している。

前後の電池モジュール３は僅かに離間配置されて互いの間にクロス部材１１が配設され、クロス部材１１の前後位置は、複数の床下クロス９の内の１つの直上でもある。本実施形態のクロス部材１１はアルミの押出材により製作され、全体として左右方向に直線状に延びる板状をなしてトレイ２内を横断するように配設されている。クロス部材１１の左右両端は、それぞれ僅かな間隙を介してトレイ２の側面２ａの内側と相対向している。

図３に示すように、側面視においてクロス部材１１は上下方向に長い断面四角状をなし、４枚の水平な構造壁１１ａ～１１ｄにより前壁１１ｅと後壁１１ｆとを互いに連結した中空状をなしている。各構造壁１１ａ～１１ｄはクロス部材１１の長手方向全体に亘って延び、クロス部材１１の左右両端は開放されている。以下、各構造壁を、上側から順に第１～４構造壁１１ａ～１１ｄと称する。

第１構造壁１１ａはクロス部材１１の上面を形成し、その下側には、第２～第４構造壁１１ｂ～１１ｄがそれぞれ上下に所定間隔をおいて配設され、前壁１１ｅ及び後壁１１ｆは第４構造壁１１ｄからさらに下方に延設されている。

クロス部材１１には、左右方向に所定間隔をおいて計８本のボルト挿通管１２ａ～１２ｄが上方から挿入・固定されている。以下、最も外側の２本を第１ボルト挿通管１２ａと称し、その内側の２本を第２ボルト挿通管１２ｂ、さらに内側の２本を第３ボルト挿通管１２ｃ、最も内側の２本を第４ボルト挿通管１２ｄと称する。第１及び第２ボルト挿通管１２ａ，１２ｂは全ての構造壁１１ａ～１１ｄを貫通し、第３ボルト挿通管１２ｃは第２～４構造壁１１ｂ～１１ｄを貫通し、第４ボルト挿通管１２ｄは第３，４構造壁１１ｃ，１１ｄｄを貫通し、全てのボルト挿通管１２ａ～１２ｄの下端は、トレイ２の下面２ｂ近傍に位置している。

トレイ２の下面２ｂ上には、クロス部材１１に沿って左右方向に計４個のブラケット１３ａ，１３ｂが配設され、それぞれ下面２ｂに溶接されている。外側の２つのブラケット１３ａ上には、それぞれ第１ボルト挿通管１２ａの下端に対応する位置にプラグ１４が溶接され、各プラグ１４に形成された雌ネジ１４ａが上方に向けて開口している。同じく内側の２つのブラケット１３ｂ上には、それぞれ第２～４ボルト挿通管１２ｂ～１２ｄの下端に対応する位置にプラグ１４が溶接され、各プラグ１４に形成された雌ネジ１４ａが上方に向けて開口している。各ボルト挿通管１２ａ～１２ｄ内には上方よりボルト１５（先端のみを図３に示す）が挿入され、それぞれの先端はボルト挿通管１２ａ～１２ｄ内を介してプラグ１４の雌ネジ１４ａに螺合している。これによりクロス部材１１が各ブラケット１３ａ，１３ｂに締結されて、トレイ２内の所定の位置に固定されている。

クロス部材１１の上縁及び下縁は階段状に切り欠かれ、これにより上縁には上部切欠き１６（本発明の「切欠き、第１切欠き」に相当）が形成され、下縁には下部切欠き１７（本発明の「第２切欠き」に相当）が形成されている。上部切欠き１６について述べると、クロス部材１１の左右の第２ボルト挿通管１２ｂの間の領域（互いの内側の領域）では、第２構造壁１１ｂを残してその上側の部位（前壁１１ｅ及び後壁１１ｆと第１構造壁１１ａ）が切り欠かれている。また、左右の第３ボルト挿通管１２ｃよりも内側の領域では、第３構造壁１１ｃを残してその上側の部位（前壁１１ｅ及び後壁１１ｆと第２構造壁１１ｂ）が切り欠かれている。結果としてクロス部材１１の上縁には、左右両側から中央へと２段階に下る階段状をなす上部切欠き１６が形成されている。

また、下部切欠き１７について述べると、左右の第３ボルト挿通管１２ｃよりも内側の領域では、第４構造壁１１ｄを残してその下側の部位（前壁１１ｅ及び後壁１１ｆ）が切り欠かれている。結果としてクロス部材１１の下縁の中央には、四角状の下部切欠き１７が形成されている。そして、この下部切欠き１７の左右方向の領域は、図１に示す左右の電池モジュール３の間に形成された機器スペース５と対応している。

なお、本実施形態では図１に示すように、より左右幅が狭い前側の機器スペース５に対応して下部切欠き１７を形成しているが、これに限ることはなく後側の機器スペース５に対応させてもよい。また、上部切欠き１６と下部切欠き１７とを逆転させて、クロス部材１１の上縁を下部切欠き１７に相当する形状に切り欠き、下縁を上部切欠き１６に相当する形状に切り欠いてもよい。

以上のようにクロス部材１１は上下に切り欠かれているものの、第３構造壁１１ｃ（本発明の「上側構造壁」に相当）及び第４構造壁１１ｄ（本発明の「下側構造壁」に相当）は切り欠かれずに残存している。結果として第３，４構造壁１１ｃ，１１ｄは、互いに上下方向に離間した位置で、クロス部材１１の長手方向全体に亘って途切れることなく連続している。

そして、トレイ２の左右両側において、各サイドフレーム６による閉断面の内部には、クロス部材１１と対応する前後位置にそれぞれリンフォース１８が設けられている。詳しくは、図１に破線で示すように、前後方向において各リンフォース１８は、クロス部材１１及びその近傍を含めた短い前後長を有している。また、図３に示すように各リンフォース１８は、本体部１８ａから上部フランジ部１８ｂ及び下部フランジ部１８ｃを延設させた形状をなしている。

これらの上部及び下部フランジ部１８ｂ，１８ｃがトレイ２の側面２ａの外側に溶接されることにより、各リンフォース１８は側面２ａとの間で閉断面を形成している。詳しくは、各リンフォース１８の上部フランジ部１８ｂは、上下方向でクロス部材１１の第３構造壁１１ｃの延在線上で、トレイ２の側面２ａの外側に溶接されている。また、各リンフォース１８の下部フランジ部１８ｃは、上下方向でクロス部材１１の第４構造壁１１ｄの延在線上で、トレイ２の側面２ａの外側に溶接されている。

次いで、以上のように構成された電動車両の電池パック構造による側突時の作用について説明する。
例えば図１において他車両等が右方から側突すると、その衝突荷重は矢印Ｆ1で示すように右側のサイドフレーム６に入力される。このとき、電池パック１の周囲で閉断面を形成する各フレーム６～８はロードパス構造として機能する。例えば矢印Ｆ2で示すように、右側のサイドフレーム６からフロントフレーム７を経て左側のサイドフレーム６へと衝突荷重を分散させ、さらに車体側へと分散させる。また矢印Ｆ3で示すように、リヤフレーム８を経て左側のサイドフレーム６へと分散させる。

これと共に本実施形態では、クロス部材１１と左右のリンフォース１８とが協調して、電池パック１を横断するクロス部材１１に沿った経路上にもロードパス構造が形成されており、矢印Ｆ4で示すように、この経路上に衝突荷重が分散される。

以下、衝突荷重の分散状況を述べると、衝突荷重はサイドフレーム６を介してリンフォース１８に入力され、リンフォース１８を左方へと変形させる。リンフォース１８の上部及び下部フランジ部１８ｂ，１８ｃは、上下方向でクロス部材１１の第３，４構造壁１１ｃ，１１ｄの延在線上で、それぞれトレイ２の側面２ａの外側に溶接されている。これにより、上側構造壁１１ｃか下側構造壁１１ｄの両端の延在線上に各リンフォース１８の固定点が一致しているため、各フランジ部１８ｂ，１８ｃはトレイ２の側面２ａを変形させながら、それぞれ対応する構造壁１１ｃ，１１ｄの右端に衝突して押圧する。結果として衝突荷重は、リンフォース１８を介して迅速且つ効率的にクロス部材１１の各構造壁１１ｃ，１１ｄへと伝達される。

そして、第３，４構造壁１１ｃ，１１ｄはクロス部材１１の長手方向全体に亘って連続しているため、各構造壁１１ｃ，１１ｄの左端を介して左側のリンフォース１８の上部及び下部フランジ部１８ｂ，１８ｃが押圧され、さらに左側のサイドフレーム６が押圧される。このようにして右側のサイドフレーム６、右側のリンフォース１８、クロス部材１１、左側のリンフォース１８を経て左側のサイドフレーム６へと衝突荷重が分散され、さらに車体側へと分散される。

以上のように矢印Ｆ2，Ｆ3で示す既存の経路に加えて、クロス部材１１及び左右のリンフォース１８もロードパス構造として機能するため、側突により入力された衝突荷重を車体各部に良好に分散させて吸収することができ、車体変形を軽減することができる。

加えて、リンフォース１８を介して迅速にクロス部材１１側に伝達されると、その分だけ電池モジュール３への衝突荷重の入力が低減されるため、破損防止の効果が高められる。

さらに、クロス部材１１に上部及び下部切欠き１６，１７を形成した点も、電池モジュール３の破損防止に貢献する。

クロス部材１１の上下幅は、上部及び下部切欠き１６，１７により左右中央の領域で最も狭まっており（図２中にＬで示す）、詳しくは、左右の電池モジュール３間の機器スペース５に対応する下部切欠き１７の領域で最も上下幅が狭まっている。このため、側突による衝突荷重が右方から入力されると、図４に示すようにクロス部材１１は、主として下部切欠き１７の領域を大きく変形させながら右側から左側へと衝突荷重を伝達し、このクロス部材１１の変形状態に倣ってトレイ２の下面２ｂも変形する。結果として、クロス部材１１の下部切欠き１７の領域がクラッシャブルゾーンとして機能して他の領域に先行して変形し、下部切欠き１７の両側に相当する領域の変形を抑制する。このため、下部切欠き１７の両側に相当するトレイ２の下面２ｂの領域も変形が抑制され、この領域に設置されている電池モジュール３の破損をより確実に防止することができる。

加えて、クロス部材１１に下部切欠き１７のみならず上部切欠き１６を設けた点は、中空状をなすクロス部材１１の内部構造と相俟って、所期の変形モードの達成のために大きく貢献する。即ち、クロス部材１１はアルミ製の中空状をなしており、このような材質及び内部構造は、衝突荷重が入力されたときのクロス部材１１の変形モードを調整し易い。また、クロス部材１１の下縁のみに切欠き１７を形成した場合に比較して、上縁にも切欠き１６を形成した場合の方が変形モードを調整し易い。特に本実施形態では、上部切欠き１６を階段状に切り欠いているため、例えば斜状に切り欠いた場合に比較して衝突荷重を伝達する際に応力集中を発生させ易く、この点も変形モードを調整し易くする要因になる。結果として、側突時に所期の変形モードでクロス部材１１を変形させることができ、これにより電池モジュール３の破損を一層確実に防止することができる。

また、このようにクロス部材１１の変形モードを考慮して上部切欠き１６を形成しているものの、その領域は主としてクロス部材１１の左右中央に限られる。このため、図３に示すように、クロス部材１１の左右両側はトレイ２の側面２ａとほぼ等しい上下幅を有し、側突時において特に破損し易い左右両側に位置する電池モジュール３をクロス部材１１により保護することができる。

さらに図３に示すように、前後方向においてクロス部材１１を床下クロス９の直上に配設している点も、電池パック１の破損防止にとって望ましい構造である。即ち、高い剛性を有するクロス部材１１及び床下クロス９が前後方向で一致しているため、電池パック１の剛性を高めることができ、これにより一層の電池モジュール３の保護を達成することができる。

［第２実施形態］
次いで、本発明を具体化した電動車両の電池パック構造の第２実施形態を説明する。第１実施形態との相違点はリンフォース１８の断面形状にあり、その他の構成は第１実施形態と同一である、従って、共通する箇所は同一部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。

図５に示すように、リンフォース１８の上部フランジ部１８ｂの上端、及び下部フランジ部１８ｃの下端は、それぞれトレイ２の側面２ａから浮いた形状、換言すると反っている形状をなし、補強用のリブ１８ｄとして機能する。本実施形態においても、上部フランジ部１８ｂが、上下方向でクロス部材１１の第３構造壁１１ｃの延在線上でトレイ２の側面２ａに溶接され、下部フランジ部１８ｃが、上下方向でクロス部材１１の第４構造壁１１ｄの延在線上でトレイ２の側面２ａに溶接されている。従って、重複する説明はしないが、側突時には、リンフォース１８を介して衝突荷重を迅速且つ効率的にクロス部材１１の各構造壁１１ｃ，１１ｄへと伝達でき、これにより第１実施形態と同様の効果を達成することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、プラグインハイブリッド車両を対象とした電池パックに具体化したが、これに限るものではなく、通常のハイブリッド車両やモータのみを搭載した電気自動車に適用してもよい。

１ 電池パック
２ トレイ
３ 電池モジュール
５ 機器スペース（間隙）
９ 床下クロス
１１ クロス部材
１１ｃ 第３構造壁（上側構造壁）
１１ｄ 第４構造壁（下側構造壁）
１６ 上部切欠き（切欠き、第１切欠き）
１７ 下部切欠き（第２切欠き）
１８ リンフォース
１８ｂ 上部フランジ部
１８ｃ 下部フランジ部

Claims (5)

1. 電池モジュールが収容されたトレイと、
   前記トレイ内を横断するように配設され、上下方向に離間した位置で長手方向全体に亘って連続する上側構造壁及び下側構造壁が形成された中空状をなすクロス部材と、
   前記クロス部材の両端に対応してそれぞれ配設され、上下方向で前記クロス部材の上側構造壁か下側構造壁の少なくとも一方の延在線上で、前記トレイの側面の外側に接合された一対のリンフォースと、を備え、
   前記電池モジュールは、前記クロス部材の長手方向に離間配置されて二分され、
   前記クロス部材は、上縁及び下縁の少なくとも何れか一方に、前記電池モジュールの間の間隙に対応して切欠きが形成されて上下幅が狭められている
   ことを特徴とする電動車両の電池パック構造。
2. （削除）
3. 前記クロス部材は、上縁及び下縁の少なくとも何れか一方に前記電池モジュールの間の間隙に対応して第１切欠きが形成され、何れか他方に第２切欠きが形成されて上下幅が狭められている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動車両の電池パック構造。
4. 前記第２切欠きは、前記クロス部材の両側から中央へと下る階段状をなしている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電動車両の電池パック構造。
5. 前記クロス部材は、電池パックを車体側に支持するために前記トレイの下面に固定された床下クロスの直上に配設されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電動車両の電池パック構造。

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