(57)【要約】【課題】バッテリセルに加えられる振動や力を低減できる車載バッテリを提供する。【解決手段】車載バッテリ１は、車両に搭載されて、該車両に電気エネルギーを供給する車載バッテリであって、リチウムイオン電池からなるバッテリセル３と、バッテリセルを収容する筐体４と、筐体の外壁に配設された緩衝部材２と、を有する。緩衝部材は、筐体の外壁と略直交する方向に延びる筒状のセルが外壁に沿う方向に複数連ねられて形成されたハニカム構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に電気エネルギーを供給する車載バッテリであって、
リチウムイオン電池からなるバッテリセルと、
前記バッテリセルを収容する筐体と、
前記筐体の外壁に配設された緩衝部材と、を有し、
前記緩衝部材は、前記筐体の外壁と略直交する方向に延びる筒状のセルが前記外壁に沿う方向に複数連ねられて形成されたハニカム構造を有することを特徴とする車載バッテリ。
【請求項２】
前記緩衝部材は、前記筐体の前記外壁と、前記外壁と軸方向に対向して配設された板部材と、の間に配設され、
前記ハニカム構造を形成する前記セルの開口が、前記板部材によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載の車載バッテリ。
【請求項３】
前記筐体の外壁のうち複数の部分に、該外壁よりも前記軸方向から見た平面積が小さい複数の前記緩衝部材が配設され、
前記板部材は、複数の前記緩衝部材にまたがって配設されていることを特徴とする請求項２に記載の車載バッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載バッテリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車やハイブリットカーなど、電気エネルギーを動力とする車両（以下、単に「車両」と記す）の普及が進んでいる。この種の車両に用いられる車載バッテリとして、例えば下記特許文献１に記載されているように、バッテリセル同士の間に緩衝部材を配置する構成が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１２２２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に記載の構成において、緩衝部材として弾性部材を用いた場合には、例えば車両が衝突した際の衝撃によって、この弾性部材に弾性エネルギーが一時的に蓄えられた後、この弾性エネルギーによってバッテリセルが振動させられる場合がある。
また、上記特許文献１に記載の構成において、緩衝部材として塑性変形する部材を用いた場合には、この緩衝部材を塑性変形させるための大きな力が直接バッテリセルに作用する場合がある。
一方、車両に用いるバッテリとしては、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池を用いる場合があり、リチウムイオン電池は一般的に振動や力に弱いため、例えば車両が衝突した際に振動や大きな力が加えられることによって破損し、正常に電気エネルギーを供給できなくなるおそれがある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、バッテリセルに加えられる振動や力を低減できる車載バッテリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の車載バッテリは、車両に電気エネルギーを供給する車載バッテリであって、リチウムイオン電池からなるバッテリセルと、前記バッテリセルを収容する筐体と、前記筐体の外壁に配設された緩衝部材と、を有し、前記緩衝部材は、前記筐体の外壁と略直交する方向に延びる筒状のセルが前記外壁に沿う方向に複数連ねられて形成されたハニカム構造を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の車載バッテリによれば、リチウムイオン電池からなるバッテリセルを内部に収容する筐体の外壁に緩衝部材が配設され、この緩衝部材が、筐体の外壁と略直交する方向に延びるハニカム構造を有するため、例えば車両が衝突した際に、衝突によるエネルギーをハニカム構造の隔壁が座屈するように塑性変形することによって吸収することができる。これによって、衝突によるエネルギーを起因として、筐体内に収容されたバッテリセルに加えられる振動や力を低減することが可能となる。
さらに、体積に対する表面積の割合が大きいハニカム構造を有する緩衝部材が、筐体の外部に配設されているため、この緩衝部材から効率よくリチウムイオン電池の熱を放出することができる。
【０００８】
ここで、前記緩衝部材は、前記筐体の前記外壁と、前記外壁と軸方向に対向して配設された板部材と、の間に配設され、前記ハニカム構造を形成する前記セルの開口が、前記板部材によって覆われていてもよい。
【０００９】
この場合、緩衝部材が板部材と筐体との間に配設されているため、例えば車両が衝突して、この車両の部品が車載バッテリに対して筐体の反対側から衝突した際に、この部品が緩衝部材に衝突せず板部材に衝突する。これによりその衝撃力が、板部材上で分散されて緩衝部材に伝わるため、緩衝部材に局所的に大きな衝撃力が加わるのを抑制することができる。これにより、緩衝部材が衝撃によって変形する範囲を大きくすることが可能となり、緩衝部材の塑性変形によって吸収するエネルギーを大きくすることができる。
また、例えば板部材が備えられていない車載バッテリに対して、細長い形状の物体（車両の部品など）が衝突した場合には、その物体の長手方向における端部が緩衝部材におけるハニカム構造のセルの内側に入り込み、ハニカム構造の隔壁に接触せずに筐体に直接衝突する場合も考えられる。これに対して、本発明によれば、板部材によって緩衝部材におけるハニカム構造のセルの開口部が覆われているため、このような細長い物体が直接筐体に衝突するのを防止して、ハニカム構造によるエネルギーの吸収を確実に奏功させることができる。
【００１０】
また、前記筐体の外壁のうち複数の部分に、該外壁よりも前記軸方向から見た平面積が小さい複数の前記緩衝部材が配設され、前記板部材は、複数の前記緩衝部材にまたがって配設されていてもよい。
【００１１】
この場合、筐体の外壁のうち複数の部分に、この外壁よりも軸方向から見た平面積が小さい緩衝部材を配設することにより、緩衝部材の体積を小さくして緩衝部材の重量を低減しつつ、この平面積の小さい複数の緩衝部材にまたがって板部材が配設されることにより、例えば車両が衝突した際に、筐体の外壁のうち緩衝部材が配設されていない部分に車両の部品などが衝突するのを防止することができる。
さらに、複数の箇所に配設された緩衝部材に対して、板部材を介してバランスよく衝撃力を伝えることにより、これらの緩衝部材をバランスよく塑性変形させて、衝突によるエネルギーをより吸収しやすくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バッテリセルに加えられる振動や力を低減できる車載バッテリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る車載バッテリの斜視図である。
【図２】第２実施形態に係る車載バッテリの斜視図である。
【図３】第３実施形態に係る車載バッテリの斜視図である。
【図４】ハニカム構造が変形した際の、体積変化率と吸収エネルギーとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る車載バッテリ１の構成を、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、車載バッテリ１は、車両に電気エネルギーを供給するリチウムイオン電池からなる複数のバッテリセル３と、複数のバッテリセル３を収容する直方体状の筐体４と、筐体の側壁に配設された緩衝部材２と、を有する。
【００１５】
緩衝部材２は、複数の筒状のセルを備えるハニカム構造に形成されている。これら複数のセルはそれぞれ、単一の軸方向に延びて列設された隔壁により区画されている。以降、この単一の軸方向を単に「軸方向」と記す。また、軸方向のうち、緩衝部材２から見て筐体４側を後側、その反対側を前側と記す。また、図１における上下方向を、単に上下方向と記す。
【００１６】
緩衝部材２のハニカム構造を形成する複数のセルは、筐体４の後述する前壁４ａに沿う方向に連ねられている。これらのセルは、正六角形の辺同士および角同士をそれぞれ共有し、隙間なく並んでいる。緩衝部材２は、アルミニウムを主材料とする金属により形成されている。なお、本実施形態における緩衝部材２は、後述する筐体４の前壁４ａにおける外壁の全面にわたって配設されている。
【００１７】
本実施形態における緩衝部材２のハニカム構造のうち、隔壁の厚みは０．２ｍｍとなっている。また、この隔壁の軸方向における長さは４０ｍｍとなっている。また、ハニカム構造を形成するセルの正六角形のうち、対向する２辺の間の距離は３ｍｍとなっている。なお、図１および図２に示すハニカム構造の大きさは、記載を簡潔にするために適宜寸法を変更している。
緩衝部材２は上記のように、密度の小さいアルミニウムを主材料として形成されかつ、ハニカム構造によりその大部分が空洞となっているため、車載バッテリ１全体の重量の増加を抑制することができる。
なお、緩衝部材２におけるハニカム構造の各寸法は、上記寸法に限られず、車載バッテリ１全体の質量や大きさに応じて適宜変更することができる。
【００１８】
筐体４は、例えばアルミダイキャストにより上方が開口した箱状に形成されており、高い剛性を有する。尚、筐体４はステンレスの鋼板を組み合わせて形成されていてもよい。
筐体４は、前壁４ａと、側壁４ｂ、４ｄと、後壁４ｃと、を備えている。前壁４ａおよび後壁４ｃは、軸方向に略直交する平面内に延在している。側壁４ｂ、４ｄは、軸方向および上下方向に沿って延在している。
なお、本実施形態における筐体４は上方が開口した箱状に形成されているが、上方が開口しておらず、バッテリセル３が内部に閉塞された筐体４を用いてもよい。
【００１９】
複数のバッテリセル３は、複数のコネクタ５により電気的に直列接続されており、車両のモータ部などに電気エネルギーを供給するとともに、回生エネルギーなどによって充電することができる。なお、バッテリセル３が充放電する際に、バッテリセル３は発熱する。
【００２０】
以上説明したように、本実施形態による車載バッテリ１によれば、筐体４の前壁４ａの外壁に、アルミニウムを主材料としてハニカム構造に形成された緩衝部材２が配設されており、このハニカム構造が軸方向に沿って延びる隔壁を有しているため、例えばこの車載バッテリ１に前方から衝撃が加わった場合、ハニカム構造の隔壁が座屈するように塑性変形することにより、この衝撃を吸収することができる。これにより、衝突によるエネルギーを起因として、筐体４内に収容されたバッテリセル３に加えられる振動や力を低減することが可能となる。
【００２１】
これと比較して、例えば緩衝部材２を筐体４とバッテリセル３との間あるいはバッテリセル３同士の間に配設した場合には、緩衝部材２を塑性変形させるための力がバッテリセル３に直接作用することになるため、この力によってバッテリセル３が破損する場合がある。
また、ハニカム構造に代えてスプリングや防振ゴムのような反発性材料を緩衝部材として用いた場合には、バッテリセル３に伝達される衝撃を軽減することができるものの、これら反発性材料に蓄えられる反発エネルギーによってバッテリセル３が振動させられるため、本実施形態のように塑性変形によってエネルギーを吸収するハニカム構造を緩衝部材２として用いるのが好ましい。
【００２２】
また、ハニカム構造はその全体の体積に対して表面積が大きいため、筐体４の外部にハニカム構造を有する緩衝部材２を配設することにより、バッテリセル３が充放電する際に発する熱を、この緩衝部材２を介して外部空間に放出することができる。
さらに、本実施形態では熱伝導率の大きいアルミニウムを主材料として緩衝部材２のハニカム構造を形成しているため、車載バッテリ１の外部空間に熱を効率よく放出することができる。
以上より、本実施形態によれば、衝撃吸収機能と放熱機能を兼ね備えた車載バッテリ１を提供することができる。
【００２３】
なお、車両に搭載された車載バッテリ１には、車両の進行方向側から衝撃を受ける場合が多い。このため、車載バッテリ１の前側が車両の進行方向を向くように、車両に車載バッテリ１を搭載することにより、例えば車両が正面から衝突した場合に、衝突によるエネルギーを緩衝部材２が吸収する効果を確実に奏功させることが可能となる。
なお、車載バッテリ１の前側と車両の進行方向とを一致させるために、ラベルや刻印等によって、車載バッテリ１を車両内に設置する際の設置方向を明示してもよい。
【００２４】
ここで、本実施形態の車載バッテリ１を搭載した車両が衝突した際に、緩衝部材２が変形することで吸収するエネルギーについて考察する。
例えば質量１５００[ｋｇ]の車両が時速３６[ｋｍ／ｈ]（秒速１０[ｍ／ｓ]）にて剛体に衝突した際の慣性エネルギーＥは、以下の数式（１）により計算される。
Ｅ＝１／２×ｍ×Ｖ２
＝１／２×１５００×１０２
＝７５０００[Ｊ]  …（１）
すなわち、慣性エネルギーはＥ＝７５[ｋＪ]となる。
【００２５】
また、衝突の瞬間の自動車の運動量Ｐは、以下の数式（２）により計算される。
Ｐ＝ｍ×Ｖ
＝１５００×１０
＝１５０００[Ｎｓ]  …（２）
この運動量Ｐを持つ車両が、衝突時間Ｔ＝０．１[ｓ]で静止したとすると、その際の衝撃力Ｆは以下の数式（３）により計算される。
Ｆ＝Ｐ／Ｔ
＝１５０００／０．１
＝１５００００[Ｎ]  …（３）
【００２６】
この衝撃力により、例えば車両のフロント部分がｄ＝０．４ｍ変形したとすると、フロント部分の変形により吸収されるエネルギーＳは以下の数式（４）により計算される。
Ｓ＝１／２×Ｆ×ｄ
＝１／２×１５００００×０．４
＝３００００[Ｎｍ]  …（４）
また、３００００[Ｎｍ]は３０[ｋＪ]であるから、吸収エネルギーはＳ＝３０[ｋＪ]となる。
【００２７】
数式（１）および（４）の結果をもとに、慣性エネルギーＥと吸収エネルギーＳとの差分を取ると、残存エネルギーＲが以下の数式（５）により得られる。
Ｒ＝Ｅ−Ｓ
＝７５−３０
＝４５[ｋＪ]  …（５）
この残存エネルギーＲ＝４５[ｋＪ]がバッテリセル３に作用すると、バッテリセル３に振動や大きな力が加わり、バッテリセル３の破損につながるおそれがある。これを防ぐためには、緩衝部材２が変形することで４５[ｋＪ]の残存エネルギーＲを吸収すればよい。
【００２８】
車両の衝突した部分の寸法が高さ０．５[ｍ]、幅２[ｍ]であり、緩衝部材２を軸方向から見たときの寸法が高さ０．１[ｍ]、横幅０．１５１[ｍ]であるとすると、４５[ｋＪ]の残存エネルギーＲのうち緩衝部材２が受けるエネルギーＲ’は、以下の数式（６）により計算される。
Ｒ’＝４５×（０．１×０．１５１）／（２×０．５）
≒０．６８[ｋＪ]  …（６）
さらに、このＲ’＝０．６８[ｋＪ]のエネルギーを、緩衝部材２が軸方向に塑性変形することで均等に吸収する場合、緩衝部材２の単位面積あたりの吸収すべきエネルギーρは、以下の数式（７）により計算される。
ρ＝０．６８／（０．１×０．１５１）
＝４５[ｋＪ／ｍ２]  …（７）
【００２９】
図４は、参考文献１（小笠原 永久著、他４名、「ハニカム構造材料の衝撃吸収特性に関する研究」、日本機械学会論文集（Ａ編）、６３巻６１６号（１９９７）、論文Ｎｏ．９７−０４２７、Ｐ２５７５−２５７９）および参考文献２（康井 義明著、他２名、「アルミハニカムセルの衝撃緩衝特性」、東海大学紀要  工学部、４２巻１号（２００２）、Ｐ７５−８０）の衝撃圧潰実験の結果をもとに、緩衝部材２のアルミハニカム構造が変形する際の、体積変化率と吸収エネルギー量との関係を示したグラフである。図４に示すグラフは、下記の条件により計算している。ハニカム構造のセルサイズ（互いに対向する隔壁同士のピッチ）は３．２[ｍｍ]である。衝撃を受けた際のハニカム構造の圧縮速度は、６．５ｍ／ｓである。ハニカム構造の隔壁の厚みｔは、ｔ＝０．１[ｍｍ]およびｔ＝０．２[ｍｍ]である。アルミニウムの材料定数は、参考文献と同様の値を使用している。
【００３０】
図４に示すグラフから明らかなように、ρ＝４５[ｋＪ／ｍ２]のエネルギーを吸収する際の体積変化率は、ｔ＝０．１[ｍｍ]の場合８５％であり、ｔ＝０．２[ｍｍ]の場合４５％である。参考文献２より、体積変化率５０％までのエネルギー吸収はアルミニウムの塑性変形によるものであるが、それ以上の体積変化率では空気の圧縮によるエネルギー吸収が加わる。空気の圧縮は可逆的なエネルギー吸収であり、圧縮された空気によりバッテリセル３に振動や荷重が作用する。すなわち、体積変化率が５０％以内であるｔ＝０．２[ｍｍ]の方が、バッテリセル３に作用する振動や荷重をより低減することが可能となる。
なお、体積変化率４５％の場合、緩衝部材２の軸方向の幅が４０[ｍｍ]であったとすると、この幅は１８[ｍｍ]圧縮される。
【００３１】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００３２】
図２に示すように、本実施形態の緩衝部材２０は、筐体４の前壁４ａよりも軸方向から見た平面積が小さい。なお、「平面積」とは、緩衝部材２０のハニカム構造を軸方向から見たときの、隔壁の端面の面積と、開口部の面積と、の和を示す。
緩衝部材２０は、筐体４の前壁４ａにおける外壁のうち、複数の部分（本実施形態では４つの角部）にそれぞれ配設されている。
【００３３】
本実施形態の車載バッテリ１によれば、緩衝部材２０の体積を小さくして軽量化することができる。なお、緩衝部材２０の大きさおよび配置する位置は、本実施形態の構成に限られず、筐体４の大きさなどに応じて適宜変更してもよい。
【００３４】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明するが、第２実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００３５】
図３に示すように、本実施形態の車載バッテリ１は板部材６を備えている。板部材６は、緩衝部材２０のうち、軸方向に沿う筐体４の反対側を向く側面に配設されており、軸方向と略直交する平面内に延在している。
板部材６は、例えば鋼板やアルミダイキャストなどにより形成されており、緩衝部材２０よりも剛性や強度が大きい。
本実施形態の板部材６は、第２実施形態と同様に配設された４つの緩衝部材２０にまたがって配設されている。また、板部材６は、４つの緩衝部材２０におけるハニカム構造のセルの開口を前方から覆っている。
【００３６】
本実施形態の車載バッテリ１によれば、緩衝部材２０が板部材６と筐体４との間に配設されているため、例えば車両が衝突して、この車両の部品が車載バッテリ１に対して前方から衝突した際に、この部品が緩衝部材２０に衝突せずに板部材６に衝突する。そしてその衝撃力が、板部材６上で分散されて複数の緩衝部材２０に伝わるため、緩衝部材２０に局所的に大きな衝撃力が加わるのを抑制することができる。これにより、緩衝部材２０が衝撃によって変形する範囲を大きくすることが可能となり、緩衝部材２０の塑性変形によって吸収するエネルギーを大きくすることができる。
【００３７】
また、例えば板部材６が備えられていない車載バッテリ１に対して車両の部品などの細長い形状の物体が衝突した場合には、その物体が緩衝部材２のハニカム構造のセルの内側に入り込み、ハニカム構造の隔壁に接触せずに筐体４に直接衝突する場合も考えられる。これに対して、本実施形態によれば、板部材６によって緩衝部材２のハニカム構造のセルの開口部が覆われているため、このような細長い物体の先端部が筐体４に直接衝突するのを防止することができる。
【００３８】
また、筐体４の前壁４ａにおける外面のうち複数の部分に、この前壁４ａの外壁よりも軸方向から見た平面積が小さい緩衝部材２０を配設することにより、例えば筐体４の前壁４ａと同等の平面積を有する緩衝部材２を用いた場合と比較して、緩衝部材２０の体積を小さくして緩衝部材２０を軽量化しつつ、この平面積の小さい複数の緩衝部材２０にまたがって板部材６が配設されることにより、筐体４の前壁４ａのうち緩衝部材２０が配設されていない部分に車両の部品などが衝突するのを防止することができる。
さらに、前壁４ａにおける外壁のうち複数の箇所に配設された緩衝部材２０に対して、板部材６を介してバランスよく衝撃力を伝えることにより、これらの緩衝部材２０をバランスよく塑性変形させて、衝突によるエネルギーをより吸収しやすくすることが可能となる。
【００３９】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００４０】
例えば、前記第１実施形態では、筐体４の前壁４ａにおける外壁の全面に緩衝部材２が配設されていたが、これに限られず、前壁４ａにおける外壁のうち一部分に緩衝部材２が配設されていてもよい。
あるいは、緩衝部材２が、筐体４の後壁４ｃ、側壁４ｂ、４ｄにそれぞれ配設されていてもよい。
【００４１】
また、前記第３実施形態では、板部材６と緩衝部材２とが別体として形成されているが、これに限られず、例えば板部材６と緩衝部材２とが一体に形成されていてもよい。
【００４２】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
例えば、前記第１実施形態と前記第３実施形態とを組み合わせて、筐体４の前壁４ａにおける外面の全面に緩衝部材２を配設しつつ、この緩衝部材２の前方の側面における全面を板部材６が覆っていてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１…車載バッテリ、２…緩衝部材、３…バッテリセル、４…筐体、６…板部材、２０…緩衝部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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