説明

車両用機器搭載構造

【課題】車両の衝突時において、電力制御装置などの車両搭載機器が他の部材と衝突することを抑制し、電力制御装置などの車両搭載機器の損傷を抑制することのできる車両機器搭載構造を提供する。
【解決手段】ハイブリッド車両10の車両骨格部材であるサイドメンバ15と、2本のサイドメンバ15を接続するフロントクロスメンバ18と、サイドメンバ15に接続されたスプリングサポート16と、PCU13の車両前方側に配置され、フロントクロスメンバ18に支持台23及び固定具22を介して取り付けられた補機バッテリと、フロントクロスメンバ18に取り付けられたラジエータ17と、車両骨格部材にエンジンマウントを介して接続されたエンジン11及びモータケース12と、モータケース12から伸びる車軸25と、モータケース12に案内板19と連結用のボルトを介して接続されたPCU13と、を含んでいる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
車室より前方に設けられた区画に、車両を駆動する回転電機を収容したモータケースを配置し、回転電機の制御を行う電力制御装置と、電力制御装置の制御部に電力を供給する補機バッテリと、を搭載する車両用機器搭載構造に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、モータジェネレータ等の回転電機の駆動力により車両を駆動する電気自動車、内燃機関であるエンジンと回転電機とを組み合わせたハイブリッド自動車、及び、燃料電池により発電した電力により車両を駆動する燃料電池自動車等が知られている。このような車両は、主バッテリ又は燃料電池から電力の供給を受け、モータジェネレータ(以下、モータとも呼ぶ)への電力を制御する昇圧コンバータやインバータ等を有する電力制御装置を有している。
【0003】
電力制御装置は、PCU(パワーコントロールユニット)とも呼ばれ、高電圧・高電流を扱うため、モータジェネレータの近くであるエンジンコンパートメントに搭載する必要がある。このため、モータジェネレータでエンジンを起動するハイブリッド車両では、エンジン起動用の補機バッテリはセルモータに電力を供給せず、エンジン近傍に配置する必要がないこと、及び、PCUをエンジンコンパートメントに配置するスペースの都合により、補機バッテリをラゲージルームに配置していた。
【0004】
近年、高電圧機器の小型化が進むことで、補機バッテリをエンジンコンパートメント内、かつ、電力制御装置の近傍に配置することが可能になった。例えば、特許文献1には、電力制御装置を小型化することにより、複軸を形成する第1のモータジェネレータと、第1のモータジェネレータの軸線と平行に配設された第2のモータジェネレータと、これら複軸と平行な第3軸上に配設されたデファレンシャルギアと、を有するトランスアクスル(モータケースともいう)上に、第1のモータジェネレータと第2のモータジェネレータとを駆動する電力制御装置をトランスアクスル上に固定する技術が開示されている。この技術を用いることにより、電力制御装置の小型化と配線の簡素化とが実現可能である。
【0005】
しかしながら、補機バッテリを電力制御装置の近傍に配置する場合には、米国運輸省の道路交通安全局(NHTSA)からの衝突時の法規(FMVSS305:Federal Motor Vehicle Safety Standard)に対応し、車両の衝突時における電力制御装置の保護・急速放電を円滑に行うため、補機バッテリと電力制御装置との干渉を避けることが必要となる。そこで、特許文献2には車両衝突時において、バリア(障害物)侵入により補機バッテリが後方へ移動することで補機バッテリからガイド面を介して伝達される荷重により、リレーボックスが上方に移動して車体から分離する離脱機構を有し、この機構によりバッテリがスムーズに後方へ移動する構造が開示されている。このようなリレーボックスの離脱構造により、衝突の衝撃で移動する他部材と車両用機器とが干渉するのを防止して衝撃吸収性能を高めることが可能となる。
【0006】
また、補機バッテリは12ボルトと比較的低電圧であるため破損による被害が少ないものの、数百ボルトの高電圧を制御する電力制御装置の損傷は最小限に抑えることが望まれている。そこで、特許文献3には車両衝突時において、電力制御装置自身を保護するために電力制御装置の前端がトランスアクスル前端よりも車両後方側に奥まった位置に搭載し、電力制御装置の車両後方側に電動圧縮機を配置する機器搭載構造が開示され、この位置に補機バッテリを搭載することで補機バッテリの保護が容易となる。
【0007】
また、特許文献4には、インバータ等の電力制御装置自身を保護するため、衝突時、インバータに外力が加わるとインバータとインバータブラケットとが、フロントメンバに取り付けられているインバータトレイから離脱するインバータ離脱機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2001−354040号公報
【特許文献2】特開2002−362254号公報
【特許文献3】特開2010−158991号公報
【特許文献4】特開2009−90818号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述した特許文献1と特許文献3にはトランスアクスル上に電力制御装置を固定する技術が開示されているが、他の機器との関係により電力制御装置の車両前方に補機バッテリを搭載するようなレイアウトでは、補機バッテリの比較的強度が高い角部が電力制御装置に部分的に接触し、電力制御装置のケースに反力が発生する。この反力が電力制御装置のケースの剛性を上回ると電力制御装置内の回路が壊れ、このようなレイアウトでは、衝突時に電力制御装置内の回路を用いた急速放電が困難になる場合がある。
【0010】
そこで、このような電力制御装置内の回路を保護するためには、補機バッテリに押されて発生する反力以上に電力制御装置のケース剛性を高める、または、特許文献のように衝突時に電力制御装置をトランスアクスルから離脱させることで反力を逃がすことが考えられる。しかし、前者の場合には電力制御装置のケース剛性を強化するために板厚を厚くする必要があり、電力制御装置のコストアップ、重量アップ、及び体格アップとなる。また、後者の場合には、電力制御装置を車両の構造部材に離脱構造と共に取り付ける必要があり、取り付け場所の制限がある。
【0011】
そこで、本発明に係る車両用機器搭載構造は、車両の衝突時において、電力制御装置などの車両搭載機器が他の部材と衝突することを抑制し、電力制御装置などの車両搭載機器の損傷を抑制することのできる車両機器搭載構造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】
【0012】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る車両用機器搭載構造は、車室より前方に設けられた区画に、車両を駆動する回転電機を収容したモータケースを配置し、回転電機の制御を行う電力制御装置と、電力制御装置の制御部に電力を供給する補機バッテリと、を搭載する車両用機器搭載構造において、電力制御装置を車両後方に案内する案内部材と、案内部材をモータケース上面に連結する連結部材と、を有し、連結部材は、電力制御装置に衝撃荷重が加わった場合にモータケースと案内部材の連結を開放し、補機バッテリは、電力制御装置の車両前方側に配置され、かつ、衝撃荷重による車両後方側へ移動を伴って電力制御装置を車両後方側へ移動自在に押し出すように支持されることを特徴とする。
【0013】
また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、補機バッテリの最後端部が、電力制御装置の最前端部よりも車両後方側となるように配置したことを特徴とする。
【0014】
また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、補機バッテリの一部が、電力制御装置の側方側に位置するように配置したことを特徴とする。
【0015】
また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、電力制御装置は、案内部材と連結部材とにより、離脱方向が一方向に規定されることを特徴とする。
【0016】
また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、補機バッテリは、潰れ方向に潰れることで衝撃荷重を吸収する車両骨格部材に搭載されることを特徴とする。
【0017】
また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、モータケースは2つの回転電機を有する複軸式トランスアクスルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明に係る車両用機器搭載構造を適用することにより、トランスアクスル上に電力制御装置を搭載することで確保されたトランスアクスル前方のスペースに、補機バッテリを搭載しながら、衝突時には補機バッテリに押されることにより生じる反力を電力制御装置が離脱することにより吸収できるため、電力制御装置内の回路を用いて速やかに高電圧の電荷を放電することができる。この車両用機器搭載構造は、補機バッテリを電力制御装置の車両前方に配置しても衝突による不具合を解消することができるため、エンジンコンパートメントのレイアウトの自由度が高く、多くの車格、多くの車種の車両などにおいて、補機バッテリのエンジンコンパートメント内への搭載と衝突安全性との両立を実現することができるという効果がある。さらに、コスト低減と衝突安全性との両立を実現することもできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施形態に係るエンジンコンパートメント内の車両用機器搭載構造の概要を示す概要図である。
【図2】図1に示すエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を上面から示す上面図である。
【図3】図1に示すエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を側面から示す側面図である。
【図4】本発明の実施形態に係る車両用機器搭載構造においてPCUの離脱構造を説明する説明図である。
【図5】図4に示す車両用機器搭載構造において、PCUが離脱した状態を説明する説明図である。
【図6】図1に示した車両用機器搭載構造に対し、補機バッテリの配置を変更した他の実施形態を説明する説明図である。
【図7】図6に示したエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を上面から示す上面図である。
【図8】図6に示したエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を側面から示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明を実施するための最良の形態(以下実施形態という)を、図面に従って説明する。
【0021】
図1はハイブリッド車両10におけるエンジンコンパートメント20内の車両用機器搭載構造の概要を示し、図1を用いて車両用機器搭載構造を概説する。エンジンコンパートメント20は、ハイブリッド車両10において乗員の車室より前方に位置し、ハイブリッド車両10の車両骨格部材であるサイドメンバ15と、2本のサイドメンバ15を接続するフロントクロスメンバ18と、サイドメンバ15に接続されたスプリングサポート16と、PCU13の車両前方側に配置され、フロントクロスメンバ18に支持台23及び固定具22を介して取り付けられた補機バッテリ14と、フロントクロスメンバ18に取り付けられたラジエータ17と、車両骨格部材にエンジンマウントを介して接続されたエンジン11及びモータケース12と、モータケース12から伸びる車軸25と、モータケース12に案内板19と連結用のボルトを介して接続されたPCU13と、を含んでいる。なお、PCU13は、主バッテリの電圧を昇圧する昇圧コンバータと昇圧用のコイルとモータジェネレータを制御するインバータと平滑用のコンデンサとを有し、PCU13の車両後方側にはモータケース12のメスコネクタに嵌り合うオスコネクタ21と、主バッテリに接続されたケーブルが設けられている。
【0022】
本実施形態における特徴的な事項の一つは、複軸式のモータケースによって形成される奥行きを有する領域に、衝撃荷重によりPCU13が案内板19により離脱可能に取り付けられ、そのPCU13の車両前方側に補機バッテリ14を配置することである。従来の搭載構造では、フロントクロスメンバ等の車両骨格部材に離脱構造を設けてPCUを離脱可能に支持していたが、本実施形態のようにPCU13の上に離脱可能に取り付けることにより、取り付けの制限を緩和することが可能である。このように配置することにより、補機バッテリ14をPCU13の前方に配置しながらも、衝突時にはPCU13自身は、衝撃荷重を離脱により吸収できるため、PCU13のインバータや昇圧コンバータにおける高電圧の電荷をPCU13の内部回路を用いて速やかに放電できる。
【0023】
図2は、図1のハイブリッド車両10において、エンジンコンパートメント20の車両前方側、かつ、右側半分からバリアが侵入(オフセット衝突)した場合のエンジンコンパートメント20の変形を示す上面図である。図2を用い、バリアとの衝突から安全化処理の4つの段階に分けて詳説する。
【0024】
第1の段階は、衝突初期の段階であり、バリアがフロントクロスメンバ18に接触し、ラジエータ17と支持台23に固定具と共に取り付けられている補機バッテリ14がバリアによりエンジンコンパートメント20へ押し込まれる。
【0025】
第2の段階は、衝撃吸収開始段階であり、バリアによって押し込まれたフロントクロスメンバ18はサイドメンバ15にバリアの衝撃荷重を伝え、サイドメンバ15及びサイドメンバ15の周辺部材が潰れることにより衝撃荷重が吸収される。比較的軽い衝突の場合では、この段階でバリアの侵入が止まる場合がある。
【0026】
第3の段階は、さらにバリアが侵入した場合であり、PCU13の離脱段階となる。バリアによって押し込まれた補機バッテリ14は、PCU13の前面に接触し、さらに補機バッテリ14がPCU13を車両後方に押し込むことになる。押し込まれたPCU13は、PCU13とモータケース12とを連結する連結手段の連結が解除され、PCU13は車両後方に離脱することになる。
【0027】
第4の段階は離脱後のPCU13の安全化処理に関するものであり、エアバックや上位の制御器からの指令によりPCU13が衝突を判定すると、上位の制御器又はPCU13は主バッテリからインバータ及びコンバータへの通電を停止すると共に、PCU13はインバータの内部回路を用い昇圧コンバータや平滑コンデンサ等の電荷を放電することで安全を確保する。
【0028】
本実施形態は、主バッテリからPCU13に接続されているパワーケーブルに衝突時の離脱に対応する余長を持たせることで接続を継続し、PCU13からモータジェネレータへの接続に関してはPCU13に離脱に伴いオスコネクタ21とメスコネクタ31との接続を解除する構成とした。なお、本実施形態ではコネクタを使用したが、これに限らず、安全に断線する短いジェネレータケーブル又は安全に接合部が離脱するバスバーで接続される分離型端子台であってもよいことはいうまでもない。
【0029】
図3は図1に示すエンジンコンパートメント20の車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を示す側面図である。図3(A)は衝突前のエンジンコンパートメント20の補機バッテリ14とPCU13とを含む車両用機器搭載構造を示し、図3(B)はバリアがエンジンコンパートメント20に侵入した際の補機バッテリ14の変位と、補機バッテリ14の変位に伴い押し出されるPCU13の変位と、を伴う車両用機器搭載構造を示している。
【0030】
図3(A)のエンジンコンパートメントは、サイドメンバ15と、サイドメンバ15の先端部に接続されているフロントクロスメンバ18と、フロントクロスメンバ18上に配置されているラジエータ17と、支持台23と固定具22によりラジエータ取り付け部に固定されている補機バッテリ14と、エンジン11及びモータケース12と、モータケース12から延びる車軸25と、モータケース12上に仰角θで離脱可能に載置された案内板19と、案内板19に固定されたPCU13とモータケース12に取り付けられたメスコネクタ31と、PCU13に取り付けられメスコネクタ31に嵌り合うオスコネクタ21と、が配置されている。
【0031】
次に、図3(B)を用いて衝撃荷重吸収について概説する。図3(B)のエンジンコンパートメントは、バリアが侵入することにより、バリアにより補機バッテリ14が水平方向に押し込まれ、補機バッテリ14の押し込みによりPCU13が仰角θの坂を登ることになり重力による衝撃荷重吸収が発生する。この時、衝撃荷重は仰角θの垂直成分と重力成分との差分と、案内板による摩擦抵抗と、フロントクロスメンバ18及びサイドメンバ15の潰れによる衝撃荷重吸収と、により総合的に吸収され、低減される。次に、案内板19の構造について詳説する。
【0032】
図4は車両用機器搭載構造において、PCU離脱構造30を示し、図5はPCU13が離脱した状態を示している。図4(A)のPCU離脱構造30は、連結ボルト32a,32bによってモータケース12に取り付けられた案内板19と、案内板19に固定ボルト33によって取り付けられたPCU13と、オスコネクタ21及びメスコネクタ31と、を含んでいる。なお、すでに説明した構成については説明を割愛する。
【0033】
図4(B)はPCU離脱構造30の上面図を示し、矢印方向だけに離脱可能とするため、案内板19は長孔状のガイド孔35と短孔状のヒューズ孔36とを有している。ヒューズ孔36とガイド孔35とに取り付けられた連結ボルト32bは、2つの役割を有している。第1の役割は、図中矢印方向に加わった衝突荷重が、ヒューズ孔36とガイド孔35における連結ボルト32a,32bの締結力を上回ると、ヒューズ孔36の連結ボルト32aが案内板19の締結から外れて案内板19が離脱を開始するというヒューズ的な役割である。第2の役割は、ヒューズ孔36の連結ボルト32aが外れた後は、ガイド孔35における連結ボルト32bにより案内板19の進行方向を規定し、かつ、摩擦抵抗も規定するというガイド的な役割である。
【0034】
図5(A)は、ヒューズ孔36の連結ボルト32aが外れた後、ガイド孔35における連結ボルト32bにより案内板19の進行方向を規定し、ガイド孔35の終点まで来たときに案内板19の離脱を制限することを示している。この制限距離は、ガイド孔35と連結ボルト32bとの摩擦抵抗と衝撃荷重の関係から適切に設定している。
【0035】
図5(B)は、PCU離脱構造30の上面図を示し、離脱後の案内板19及び案内板に固定されたPCU13を示している。離脱後は、ガイド孔35おける2本の連結ボルト32bとメスコネクタ31の上面の3点にて案内板を支持する。また、ヒューズ孔36における連結ボルト32aの拡大図には、ヒューズ孔36の内径、かつ、案内板19の板厚h2に対応する厚さh1のスリーブ34が挿入された連結ボルト32aが示されている。ここで、スリーブ34の厚さh1は、案内板の厚さh2より薄く、連結ボルト32a,32bにより連結された時に所定の摩擦力が案内板に付加されるように設定されている。このような構成により、適切な摩擦力が案内板に付加され、さらに、PCU13が仰角θの坂を登ることになりPCU13の重量に応じた衝撃荷重吸収が付加されることになる。
【0036】
以上、上述した実施形態は、PCUの車両前方側に補機バッテリを平行して配置したものであるが、エンジンコンパートメントのスペースの制限により、傾けて配置した実施形態について説明する。補機バッテリを傾けて配置する利点は、補機バッテリがPCUの比較的強度が高い角部を斜めに押し込むことにより、補機バッテリにひねりが加わり、PCUの変形が少ないことと、押し込む距離が減少することである。
【0037】
図6は図1に示した車両用機器搭載構造に対し、補機バッテリ14の配置を変更した他の実施形態を示し、図7は図6に示したエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を示す上面図であり、図8は車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を示す側面図である。図6〜8を用い、バリアとの衝突から安全化処理の4つの段階に分けて詳説する。なお、すでに説明した構成については説明を割愛する。
【0038】
図7,図8(A)に示すように、第1の段階は、衝突初期の段階であり、バリアがフロントクロスメンバ18に接触し、ラジエータ17と支持台23に固定具と共に取り付けられている補機バッテリ14の角部がバリアによりエンジンコンパートメント20へ押し込まれる。
【0039】
第2の段階は、衝撃吸収開始段階であり、バリアによって押し込まれたフロントクロスメンバ18はサイドメンバ15にバリアの衝撃荷重を伝え、サイドメンバ15及びサイドメンバ15の周辺部材が潰れることにより衝撃荷重が吸収される。さらに、補助バッテリはサイドメンバ15の潰れに応じてPCU13を押し込みながら図7(B)に示すように向きを変えることになる。
【0040】
第3の段階は、さらにバリアが侵入した場合であり、PCU13の離脱段階となる。図8(B)に示すように、バリアによって押し込まれた補機バッテリ14の一部は、PCU13の前面の角部に接触し、PCU13とモータケース12とを連結する連結手段の連結が解除され、補機バッテリ14の押し込みによりPCU13が仰角θの坂を登ることで重力による衝撃荷重吸収が発生し、PCU13は車両後方に離脱することになる。
【0041】
第4の段階は離脱後のPCU13の安全化に伴い、PCU13はインバータの内部回路を用い昇圧コンバータや平滑コンデンサ等の電荷を放電することで安全を確保する。
【0042】
以上、上述したように、本実施形態に係る車両用機器搭載構造を適用することにより、トランスアクスル上に電力制御装置を搭載することで確保されたトランスアクスル前方のスペースに、補機バッテリを搭載しながら、衝突時には補機バッテリに押されることにより生じる反力を電力制御装置が離脱することにより吸収できるため、電力制御装置内の回路を用いて速やかに高電圧の電荷を放電することが可能となる。
【0043】
また、本実施形態に係る車両用機器搭載構造は、補機バッテリを電力制御装置の車両前方に配置しても衝突による不具合を解消することができるため、エンジンコンパートメントのレイアウトの自由度が高く、多くの車格、多くの車種の車両などにおいて、補機バッテリのエンジンコンパートメント内への搭載と衝突安全性との両立及び、コスト低減と衝突安全性との両立が可能となる。
【符号の説明】
【0044】
10 ハイブリッド車両、11 エンジン、12 モータケース、13 PCU、14 補機バッテリ、15 サイドメンバ、16 スプリングサポート、17 ラジエータ、18 フロントクロスメンバ、19 案内板、20 エンジンコンパートメント、21 オスコネクタ、22 固定具、23 支持台、25 車軸、30 PCU離脱構造、31 メスコネクタ、32a,32b 連結ボルト、33 固定ボルト、34 スリーブ、35 ガイド孔、36 ヒューズ孔。


【特許請求の範囲】
【請求項1】
車室より前方に設けられた区画に、車両を駆動する回転電機を収容したモータケースを配置し、回転電機の制御を行う電力制御装置と、電力制御装置の制御部に電力を供給する補機バッテリと、を搭載する車両用機器搭載構造において、
電力制御装置を車両後方に案内する案内部材と、
案内部材をモータケース上面に連結する連結部材と、
を有し、
連結部材は、電力制御装置に衝撃荷重が加わった場合にモータケースと案内部材の連結を開放し、
補機バッテリは、電力制御装置の車両前方側に配置され、かつ、衝撃荷重による車両後方側へ移動を伴って電力制御装置を車両後方側へ移動自在に押し出すように支持されることを特徴とする車両用機器搭載構造。
【請求項2】
請求項1に記載の車両用機器搭載構造において、
補機バッテリの最後端部が、電力制御装置の最前端部よりも車両後方側となるように配置したことを特徴とする車両用機器搭載構造。
【請求項3】
請求項1に記載の車両用機器搭載構造において、
補機バッテリの一部が、電力制御装置の側方側に位置するように配置したことを特徴とする車両用機器搭載構造。
【請求項4】
請求項1から3のいずれか1項に記載の車両用機器搭載構造において、
電力制御装置は、案内部材と連結部材とにより、離脱方向が一方向に規定されることを特徴とする車両用機器搭載構造。
【請求項5】
請求項1から4のいずれか1項に記載の車両用機器搭載構造において、
補機バッテリは、潰れ方向に潰れることで衝撃荷重を吸収する車両骨格部材に搭載されることを特徴とする車両用機器搭載構造。
【請求項6】
請求項1から5のいずれか1項に記載の車両用機器搭載構造において、
モータケースは2つの回転電機を有する複軸式トランスアクスルであることを特徴とする車両用機器搭載構造。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2012−166653(P2012−166653A)
【公開日】平成24年9月6日(2012.9.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−28363(P2011−28363)
【出願日】平成23年2月14日(2011.2.14)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】