JP7528973B2 - 電池ケース - Google Patents

Description

本開示は、電池を収納する電池ケースに関し、特に、電池を積層方向に拘束するように構成された電池ケースに関する。

車両用の電池は、電池の積層方向に加圧され、高い圧縮力を付与して長さを短縮した状態で車両に搭載される。車両に搭載された電池はその積層方向に伸長しようとするため、電池の伸長を阻むように積層方向に拘束しておく必要がある。特許文献１には、ロッカーパネルとフロアパネルとの間に掛け渡された一対のクロスメンバの間に車両の長さ方向に積層された電池を収納し、一対のクロスメンバによって電池を拘束する技術が開示されている。

特許文献１に記載の技術では、クロスメンバが電池から受けた拘束荷重は、クロスメンバとロッカーパネルとの接続部、及びクロスメンバとフロアパネルとの接続部に入力される。拘束荷重の入力によって各接続部には応力が発生するが、接続部の構造次第では応力集中が起きる可能性がある。しかし、特許文献１には応力を分散させる工夫については開示されていない。電池の拘束荷重によって生じる応力を上手く分散させることができない場合、電池の拘束荷重の許容限界を向上させることはで難しい。

なお、本開示に関連する技術分野の技術水準を示す文献としては、特許文献１の他にも下記の特許文献２を例示することができる。

特開２０２０－０６２９３３号公報 特開２００８－００４２８９号公報

本開示は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、電池の拘束荷重の許容限界値を向上させることのできる電池ケースを提供することを目的とする。

本開示の電池ケースは、電池の積層方向の端部を押さえるフレームと、電池の積層方向に向けて配置されたクロスメンバと、フレームとクロスメンバとを連結するクロスブラケットとを備える。クロスブラケットは、フレームに接合されたベース部と、ベース部から延びてクロスメンバの壁部を両側から挟み、クロスメンバの壁部に接合された一対のコーナーブラケット部とを備える。一対のコーナーブラケット部のそれぞれのクロスメンバの壁部の側の面と、ベース部のクロスメンバの壁部の側の面とが交わる部位には、切り欠きが入れられている。電池の拘束荷重によってクロスブラケットに負荷される応力は、切り欠きによって分散される。

本開示の電池ケースにおいて、クロスメンバの壁部の端部はベース部に接触してもよい。壁部の端部とベース部との間に隙間がないことで、衝突時の空走距離を低減することができる。

本開示の電池ケースにおいて、ベース部は、電池の積層方向からの側方視において両側の上端が丸められた長方形形状、或いは半楕円形状を有していてもよい。また、ベース部は一方の下端から他方の下端までを繋ぐ一本の溶接線によってフレームに溶接されていてもよい。これによれば、クロスブラケットとフレームとをアーク溶接する際の溶接の始端及び終端の数を最小にすることができるとともに、ロボットによるアーク溶接が可能になる。

本開示の電池ケースにおいて、一対のコーナーブラケット部のそれぞれは、電池の積層方向に垂直な方向からの側方視において先端部の上端が丸められた長方形形状、或いは四分楕円形状を有していてもよい。また、一対のコーナーブラケット部のそれぞれは、上側の切り欠きの付近から先端部の下端までを繋ぐ一本の溶接線によってクロスメンバの壁部に溶接されていてもよい。これによれば、クロスブラケットとクロスメンバとをアーク溶接する際の溶接の始端及び終端の数を最小にすることができるとともに、ロボットによるアーク溶接が可能になる。

本開示の電池ケースによれば、電池の拘束荷重によってクロスブラケットに負荷される応力は、一対のコーナーブラケット部のそれぞれのクロスメンバの壁部の側の面と、ベース部のクロスメンバの壁部の側の面とが交わる部位に入れられた切り欠きによって分散される。これにより、クロスブラケットに生じる応力集中は緩和され、電池の拘束荷重の許容限界値を向上させることができる。

本開示の実施形態に係る電池ケースを示す斜視図である。 本開示の実施形態に係るクロスブラケットによるサイドフレームとインナークロスとの連結構造を示す斜視図である。 本開示の実施形態に係るクロスブラケットによるサイドフレームとインナークロスとの連結構造を示す平面図である。 本開示の実施形態に係るクロスブラケットにおける応力分布と比較例のクロスブラケットにおける応力分布とを対比して示す応力解析図である。 本開示の実施形態に係るクロスブラケットと別の比較例のクロスブラケットとを対比して示す平面図である。 本開示の実施形態に係るクロスブラケットとサイドフレーム及びインナークロスとの溶接構造を示す平面図である。 本開示の実施形態に係るクロスブラケットとサイドフレーム及びインナークロスとの溶接構造を示す斜視図である。 比較例のサイドフレームとインナークロスとの溶接構造を示す斜視図である。 別の比較例のクロスブラケットとサイドフレーム及びインナークロスとの溶接構造を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本開示の実施形態について説明する。ただし、以下に示す実施形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、本発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、本発明に必ずしも必須のものではない。

１．電池ケースの構造
図１は本開示の実施形態に係る電池ケース１０の構成を示す斜視図である。ただし、図１に示される電池ケース１０はアッパーカバーを取り外されている。車両への搭載時には、電池ケース１０の内部に電池を収納された状態でアッパーカバーが取り付けられる。収納される電池は、多数の電池セルが積層されて構成される電池スタックである。電池セルは、充放電可能な二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池である。

電池ケース１０は、車両への搭載時に車両の前側に位置するフロントフレーム３０、車両の後側に位置するリアフレーム４０、及び車両の横側に位置する一対のサイドフレーム２０を備える。これら４本のフレームからなる枠の中には、複数本のインナークロス（クロスメンバ）２００が設置されている。インナークロス２００はフロントフレーム３０及びリアフレーム４０と並行に等間隔で配列されている。フレーム及びインナークロスは軽金属、具体的にはアルミを材料とするダイカスト製品である。フレームで造られた長方形の枠の下面にはベースプレート５０が接合されている。

上記のような構成を有する電池ケース１０内に、電池はその積層方向を車両の車幅方向に向けて搭載される。両側のサイドフレーム２０と隣接する２本のインナークロス２００とで囲まれた空間、及び両側のサイドフレーム２０とリアフレーム４０と最後列のインナークロス２００とで囲まれた空間が電池の搭載場所となる。

電池はその積層方向に加圧され、高い圧縮力を付与して長さを短縮した状態で電池ケース１０内に収納される。電池ケース１０内に搭載されたとき、電池はその積層方向に伸長しようとするが、電池の積層方向への伸長は複数のインナークロス２００によって連結された両側のサイドフレーム２０によって阻まれる。このとき、サイドフレーム２０が受ける電池の拘束荷重は、フロントフレーム３０及びリアフレーム４０とともに、両側のサイドフレーム２０を連結するインナークロス２００によって負担される。

拘束荷重はサイドフレーム２０とインナークロス２００との接合部に作用する。電池は熱によって積層方向に膨張するため、運転時には接合部に作用する拘束荷重は増大する。このため、接合部の接合強度が弱い場合には、接合部が電池の拘束荷重に耐えられなくなるおそれがある。そこで、サイドフレーム２０とインナークロス２００とは、クロスブラケット１００を介して連結されている。次の章では、クロスブラケット１００によるサイドフレーム２０とインナークロス２００との連結構造について説明する。

２．クロスブラケットによるサイドフレームとインナークロスとの連結構造
図２はクロスブラケット１００によるサイドフレーム２０とインナークロス２００との連結構造を示す斜視図である。クロスブラケット１００は、サイドフレーム２０に接合されたベース部１１０と、ベース部１１０から延びてインナークロス２００の壁部２１０を両側から挟む一対のコーナーブラケット部１２０とを備えている。コーナーブラケット部１２０のそれぞれは、クロスメンバ２００の壁部２１０に接合されている。

図３は上記の連結構造をより詳細に示す平面図である。クロスメンバ２００の壁部２１０は、クロスブラケット１００のベース部１１０に押し当てられている。すなわち、壁部２１０の端面２１２と、ベース部１１０の側面（壁部２１０の側の面）１１２とは隙間なく接触している。このような位置関係のもとで、壁部２１０の側面２１４と、コーナーブラケット部１２０の側面（壁部２１０の側の面）１２２とが接合されている。

電池の拘束荷重が作用したとき、ベース部１１０とコーナーブラケット部１２０との間には引張力が作用する。引張力によって生じる応力は面と面とが交わる角度が小さいコーナー部に発生しやすい。応力集中は破損の原因になり電池の拘束荷重の許容限界を下げることになる。このため、クロスブラケット１００には、応力集中を起こりにくくするための形状上の工夫がなされている。

クロスブラケット１００の形状上の工夫として、コーナーブラケット部１２０の側面１２２と、ベース部１１０の側面１１２とが交わる部位、すなわち、コーナー部に切り欠き１３０が入れられている。コーナー部に切り欠き１３０が入れられることで、引張力によって生じる応力は分散され、応力集中は緩和される。

応力集中を緩和する一般的な方法としてコーナー部にＲ加工を施す方法が知られている。しかし、切り欠き１３０を入れる場合に比較して、Ｒ加工を施すことによる応力集中の緩和効果は限定的である。図４（Ａ）はコーナー部に切り欠き１３０を入れた場合の応力分布を示す応力解析図であり、図４（Ｂ）はコーナー部にＲ加工１３２を施した場合の応力分布を示す応力解析図である。両者の比較から分かるように、Ｒ加工１３２を施した場合では応力集中が起きているのに対し、切り欠き１３０を入れた場合には応力を分散させることができている。応力の最大値においても、切り欠き１３０を入れた場合にはＲ加工１３２を施した場合の略半分に抑えることができることが確認された。

なお、単に応力集中を緩和することが目的であるならば、Ｒ加工でもその目的を達することができる。図５に点線で示すようにコーナー部に曲率を小さくしたＲ加工１３４を施すことで、切り欠き１３０を入れる場合と同等の応力集中の緩和効果が期待される。ところが、このような加工をコーナー部に行ってしまった場合、クロスメンバ２００の壁部２１０の端面２１２とベース部１１０の側面１１２との間に大きな隙間が生じてしまう。この隙間は車両の側突時の空走距離を増大させることになる。ゆえに、側突時の空走距離を最小限に抑えながら応力集中の緩和効果を得る上では、切り欠き１３０を入れることは最も好適な方法であると言える。

３．クロスブラケットとサイドフレーム及びインナークロスとの溶接構造
クロスブラケット１００とサイドフレーム２０との接合には溶接が用いられる。また、クロスブラケット１００とインナークロス２００との接合にも溶接が用いられる。使用される溶接方法はロボットによるアーク溶接である。

図６はクロスブラケット１００とサイドフレーム２０及びインナークロス２００との溶接構造を示す平面図である。クロスブラケット１００のベース部１１０とサイドフレーム２０とは、ポイントＰ１１とポイントＰ１２とを繋ぐ溶接線Ｌ１によって溶接されている。ポイントＰ１１とポイントＰ１２のいずれか一方が溶接線Ｌ１の始端で他方が終端である。また、クロスブラケット１００の一方のコーナーブラケット部１２０と壁部２１０とは、ポイントＰ２１とポイントＰ２２とを繋ぐ溶接線Ｌ２によって溶接されている。ポイントＰ２１とポイントＰ２２のいずれか一方が溶接線Ｌ２の始端で他方が終端である。クロスブラケット１００のもう一方のコーナーブラケット部１２０と壁部２１０とは、ポイントＰ３１とポイントＰ３２とを繋ぐ溶接線Ｌ３によって溶接されている。ポイントＰ３１とポイントＰ３２のいずれか一方が溶接線Ｌ３の始端で他方が終端である

アーク溶接における溶接線の始端と終端はアークが不安定で溶接強度が相対的に低いために破壊の起点となりやすい。ゆえに、溶接線の始端と終端の数はできるだけ少なくしたい。図６に示す例では、サイドフレーム２０とインナークロス２００とをクロスブラケット１００を介して連結するために必要な溶接線の始端と終端の数は合計で６個に抑えられている。ただし、溶接線の始端と終端の数を少なくしたとしても、溶接線の合計長さが短い場合には十分な溶接強度を得ることはできない。

溶接線の長さを長くとる方法としては、溶接対象の輪郭に沿って溶接を行うことが考えられる。しかし、アーク溶接を行うロボットは、直線的な動きか、緩やかなカーブを描く動きでしか正確に溶接線を描くことができない。つまり、溶接対象の外形形状次第では長い溶接経路を採用することが難しい。そこで、クロスブラケット１００には、ロボットによるアーク溶接において長い溶接線をとるための形状上の工夫がなされている。

図７はクロスブラケット１００とサイドフレーム２０及びインナークロス２００との溶接構造を示す斜視図である。クロスブラケット１００のベース部１１０は、電池の積層方向からの側方視において両側の上端１１６が丸められた長方形形状、いわゆる蒲鉾形状を有している。上端１１６の曲率半径は例えば１５ｍｍ以上である。ベース部１１０をこのような形状に形成することにより、ベース部１１０の一方の下端にポイントＰ１１をとり、他方の下端にポイントＰ１２をとって、ポイントＰ１１とポイントＰ２１とを繋ぐ緩やかにカーブする長い一本の溶接線Ｌ１をとることができる。これによれば、クロスブラケット１００とサイドフレーム２０とをアーク溶接する際の溶接の始端及び終端の数を最小にすることができるとともに、ロボットによる効率的なアーク溶接が可能になる。なお、ベース部１１０の形状は、電池の積層方向からの側方視において半楕円形状であってもよい。

一対のコーナーブラケット部１２０のそれぞれは、電池の積層方向に垂直な方向からの側方視において先端部の上端１２６が丸められた長方形形状、いわゆる半蒲鉾形状を有している。上端１２６の曲率半径は例えば１５ｍｍ以上である。このような形状によれば、一方のコーナーブラケット部１２０の上側の切り欠き１３０の付近にポイントＰ２１をとり、先端部の下端にポイントＰ２２をとって、両ポイントＰ２１，Ｐ２２を繋ぐ緩やかにカーブする長い一本の溶接線Ｌ２をとることができる。また、もう一方のコーナーブラケット部１２０の上側の切り欠き１３０の付近にポイントＰ３１をとり、先端部の下端にポイントＰ３２をとって、両ポイントＰ３１，Ｐ３２を繋ぐ緩やかにカーブする長い一本の溶接線Ｌ３をとることができる。これによれば、クロスブラケット１００とインナークロス２００とをアーク溶接する際の溶接の始端及び終端の数を最小にすることができるとともに、ロボットによる効率的なアーク溶接が可能になる。なお、コーナーブラケット部１２０の形状は、電池の積層方向に垂直な方向からの側方視において四分楕円形状であってもよい。

以上のように、クロスブラケット１００に対してなされた形状上の工夫により、ロボットによる高品質且つ高効率なアーク溶接が実現できるとうメリットが得られる。このメリットは以下に説明する２つの比較例との対比によってより明らかにすることができる。

図８に示す１つ目の比較例では、サイドフレーム２０にインナークロス２００を突き合わせて、サイドフレーム２０とインナークロス２００とを直接溶接している。この場合、インナークロス２００の壁部２１０の端部の両側がサイドフレーム２０と溶接線Ｌ１１及び溶接線Ｌ１２によって溶接される。また、インナークロス２００の両側の底部２２０とサイドフレーム２０とが溶接線Ｌ１３及び溶接線Ｌ１４によって溶接される。

１つ目の比較例では、溶接線の始端と終端の数は合計で８個に抑えられている。しかし、各溶接線が短いために強度が不足する。つまり、一つ目の比較例は、クロスブラケット１００を使用する場合に比較して強度において劣っており、電池の拘束荷重の許容限界値を向上させるという目的を達成することができない。

図９に示す２つ目の比較例では、クロスブラケット３００を介してサイドフレーム２０とインナークロス２００とが連結されている。クロスブラケット３００はクロスブラケット１００と異なり、各所が直角に加工された単純な形状を有している。クロスブラケット３００のベース部３１０は電池の積層方向からの側方視において単純な長方形形状である。コーナーブラケット部３２０は電池の積層方向に垂直な方向からの側方視において単純な長方形形状である。

２つ目の比較例のように直角に折れ曲がった形状に沿って溶接線を設定しようとしても、ロボットはそれには追従することはできない。このため、辺ごとに溶接線を設定して溶接せざるを得ない。サイドフレーム２０とベース部３１０との溶接では、横方向の溶接線Ｌ２１と、縦方向の２本の溶接線Ｌ２２，Ｌ２３の合計３本の溶接線が必要となる。インナークロス２００の壁部２１０とコーナーブラケット部３２０との溶接では、横方向の２本の溶接線Ｌ２４，Ｌ２６と、縦方向の２本の溶接線Ｌ２５，Ｌ２７の合計４本の溶接線が必要となる。

結果、クロスブラケット３００を用いる場合には、合計で７本の溶接線が必要となり、溶接線の始端と終端の数は合計で１４個まで増大してしまう。始端及び終端は破壊の起点となりやすいため、２つ目の比較例は、クロスブラケット１００を使用する場合に比較して品質の面おいて劣っていると言える。また、溶接線の数が増えるほど工程数が増えることになるため、２つ目の比較例は、クロスブラケット１００を使用する場合に比較して効率の面おいても劣っていると言える。

以上の２つの比較例との比較結果から明らかなように、クロスブラケット１００によれば、溶接線の数を最小限にして破壊の起点となりやすい始端及び終端の数を最小限に抑えながら、各溶接線の長さを長くとることができる。これにより、高い溶接強度を確保しながら、ロボットによる高品質且つ高効率なアーク溶接を実現することができる。

１０ 電池ケース
２０ サイドフレーム（フレーム）
３０ フロントフレーム
４０ リアフレーム
５０ ベースプレート
１００ クロスブラケット
１１０ ベース部
１２０ コーナーブラケット部
１３０ 切り欠き
２００ インナークロス（クロスメンバ）
２１０ 壁部
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 溶接線
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ３１，Ｐ３１ ポイント（始端或いは終端）

Claims (4)

1. 電池の積層方向の端部を押さえるフレームと、
   前記電池の積層方向に向けて配置されたクロスメンバと、
   前記フレームと前記クロスメンバとを連結するクロスブラケットと、を備え、
   前記クロスブラケットは、
   前記フレームに接合されたベース部と、
   前記ベース部から延びて前記クロスメンバの壁部を両側から挟み、前記壁部に接合された一対のコーナーブラケット部と、を備え、
   前記一対のコーナーブラケット部のそれぞれの前記壁部の側の面と、前記ベース部の前記壁部の側の面とが交わる部位には、切り欠きが入れられている
   ことを特徴とする電池ケース。
2. 請求項１に記載の電池ケースにおいて、
   前記壁部の端部は前記ベース部に接触している
   ことを特徴とする電池ケース。
3. 請求項１に記載の電池ケースにおいて、
   前記ベース部は、前記電池の積層方向からの側方視において両側の上端が丸められた長方形形状、或いは半楕円形状を有し、一方の下端から他方の下端までを繋ぐ一本の溶接線によって前記フレームに溶接されている
   ことを特徴とする電池ケース。
4. 請求項１又は３に記載の電池ケースにおいて、
   前記一対のコーナーブラケット部のそれぞれは、前記電池の積層方向に垂直な方向からの側方視において先端部の上端が丸められた長方形形状、或いは四分楕円形状を有し、上側の前記切り欠きの付近から前記先端部の下端までを繋ぐ一本の溶接線によって前記壁部に溶接されている
   ことを特徴とする電池ケース。

Images