JP2005138792A - ハイブリッド自動車の実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド自動車に装備される独特の装置である電池およびインバータを車両に合理的に実装する形態を提供する。走行中に発熱する電池およびインバータを合理的に冷却する構造を提供する。
【解決手段】電池およびインバータを二段構造の筐体の上下各段に実装し、この二段構造の筐体を車両側部フレームに取付ける。二段構造の上下各段はそれぞれ部品として別工程で製造される。上下各段の仕切り板に開口を形成し上下各段の内部空気を連通させる。この筐体上段に冷却ファンを配置し、筐体下段に空気吸入口を形成する。この冷却ファンは筐体内部の空気を大気に排出する方向に回転駆動させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ハイブリッド自動車の要部電気装置である電池およびインバータの車両への搭載構造に関する。併せて本発明は、ハイブリッド自動車の作動に伴い発熱する電池およびインバータの放熱を行うための実装構造に関する。本発明は、さしむき小型または中型のトラックに利用するために開発されたものであるが、この実装構造はその他の車種についても同様に実施することができる。

ハイブリッド自動車は、液体燃料を利用するエンジンと電気動力を併用する車両であり、さまざまな方式が提案され、現在実用的な車両が設計され、大量生産システムによる製造が始まっている。ハイブリッド自動車は、車両の発進時や登坂時など、エンジン負荷が大きくなり有害な排ガスを排出するときに、電気動力によりその負荷の一部を負担することができるから、現在実施されようとしている厳しい排ガス規制に対しても有効な解決手段であり、多数の車種について実用車両の開発が急ピッチで行われている。

ハイブリッド自動車では、動力装置として液体燃料を利用するエンジンの他に、電動発電機、電池およびインバータなどの比較的形状の大きい装置を搭載することが必要である。このうち電動発電機は車両の駆動系に連結されるから、その配置位置を選択する自由度は限られている。これに対して、電池およびインバータは電気配線により電動発電機に連結することができるので、車両のいずれかの位置に配置されればよく実装形態に自由度がある。しかし、電池およびインバータは走行中および充電中に発熱するから、実装形態としては有効な放熱を行うための構造が必要である。

従来から量産され販売されたハイブリッド自動車は、主として大型バスあるいは小型乗用車であった。大型バスには、車両床下に生じる比較的大きい空間を利用して電池およびインバータなどの電気装置を配置することができる。この空間に囲いを設けて、その内部に冷却気流を送る装置を設けることもできる。小型乗用車では、できるかぎりこれらの電気装置を小型化するとともに、車両後部、車両前部、座席下部その他空間に装置を分散配置する設計などが行われた。

ハイブリッド自動車については従来から多数の特許出願が開示されているが、その中から電池およびインバータの車両に対する実装構造に関するものには下記のものがある。さらに本願出願人の先願に係る特願２００３−０４４３２２号（本願出願時において未公開）の添付図面（図１）には、冷凍貨物車両における電池およびインバータの配置構造が開示されている。

ハイブリッド自動車はガソリンまたは軽油を燃料とする車両にくらべて、燃料に対する経済性がいちじるしく優れている、有害な排ガスの排出がきわめて少ない、などの大きい利点がある。そして本願出願人は、小型または中型の貨物車両をハイブリッド自動車として設計し、量産し、販売することになった。このために本願出願人はきわめて多くの課題を研究し解決してきたが、この出願で扱う課題はその中の一つであって、ハイブリッド自動車の電池およびインバータなどの電気装置の実装構造である。

車両に搭載される電池およびインバータの概要を例示するとつぎのようになる。電池は現状ではニッケル水素を利用する二次電池である。その端子電圧は数百ボルトである。その重量は数十キログラムである。その最大出力定格電力は数十キロワットである。インバータは、その直流側端子は前記二次電池に接続され、その交流側端子は電動発電機（回転機）に接続される。このインバータは、数個の大型半導体素子および巻線部品を含む装置である。その重量は数十キログラムである。交流側の端子電圧は最大数百ボルトに達する。なおこれらの数値は、発明の構成、あるいはおおよその装置規模についての理解を助けるための例示であって、本発明の適用範囲を上記規模のものに限定するためのものではない。

また、これらの電気装置はそれぞれ相応に形状の大きい装置であり、これらの電気装置を小型に設計するには限界がある。これらの電気装置は走行に伴い発熱するから、実装構造に関しては放熱構造に関する課題を伴う。しかしハイブリッド自動車に独特な電気装置であっても、電動発電機のように車両の動力系に直接機械的に連結する必要がないから、電気配線を行うことができる範囲で、ある程度の配置位置について選択の自由度がある。上記のように、電池もインバータも、作動中の接地電位に対する端子電圧は最大数百ボルトに達するから、人体に対して安全な防護構造を設けることが必要であり、かりに予期できない交通事故などに遭遇することがあっても、被害を拡大する原因とならないような配慮を必要とするなどの課題がある。

量産する車両の実装構造としては、なによりも構造を単純化して装置を安価に製造できるようにすることが必要である。また、保守や整備のための工数を小さくすることが求められる。さらに販売された車両は、市街地、郊外、自動車専用道路などを走行することになるから、その実装構造は見た目にも美しくなければならない。

本発明はこのような背景に行われたものであって、ハイブリッド自動車の電気装置である電池およびインバータの合理的かつ経済的な実装構造を提供することを目的とする。本発明は、車両の走行に伴い発熱する電池およびインバータの放熱構造を併せて提供することを目的とする。さらに本発明は、数百ボルト程度の端子電圧が発生する電気装置を人体に対して安全に車両に搭載することができる実装構造を提供することを目的とする。本発明は、車両の運用中の保守整備に係る作業工数が小さい実装構造を提供することを目的とする。本発明は、車両としての美的感覚を配慮した美しい実装構造を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンと、そのエンジンの出力軸にその回転軸が連結される電動発電機と、この電動発電機にその交流側の電気回路が接続されるインバータと、このインバータの直流側の電気回路に接続される電池とを備えたハイブリッド自動車の実装構造において、前記インバータおよび前記電池は二個の筐体にそれぞれ個別に収容され、この二個の筐体の内部空気を相互に連通させる通気手段と、この通気手段を介して前記二個の筐体の内部に冷却気流を直列的に流通させる一つの冷却ファンとを備えたことを特徴とする。

インバータおよび電池が収容される二個の筐体の材料はそれぞれ金属であり、とくに筐体外壁の材料はのぞましくは鋼鉄である。強化プラスチックを主材料とすることもできる。インバータおよび電池は、それぞれ部品として別の工程または別の工場で製造されるから、はじめから一つの筐体にインバータおよび電池を収容する構造は適当ではない。インバータおよび電池は、それぞれ個別に製造され個別に実装され、車両に取付ける段階で二個の装置を連結して車体に実装することが有利である。二個の筐体は、内部空気を連通させて一個の冷却ファンにより冷却する構造とすることにより、冷却ファンを個別に設ける必要がなくなり経済的である。二つの筐体の冷却気流の通路を直列的に形成し、一個の冷却ファンにより通風を行うには、装置から何らかのガスが漏出する可能性のないインバータをその通風の上流側に配置することがよい。

前記二つの筐体は上下に積み重ね一体化し、これを車両フレームの側部に取付ける構造とすることが望ましい。この構造は単純な構造であり、製造工程あるいは調整保守の工程でも合理的である。また車両洗浄に際してもその作業工数を小さくすることができる。この構造は美的感覚からも優れている。

車両フレームの側部は従来の中型または小型車両では、燃料タンクが実装されていた箇所であるが、燃料タンクは車両の反対側の側部に設けるもので足りる。すなわち、ハイブリッド自動車は、同じ規模の車両で比較すると、走行距離に対する燃料使用量は小さくなるから、走行距離に対する給油を必要とする頻度は小さくなる。したがって燃料タンクの容量がいくらか小さくなっても新たな問題の原因にはならない。

上下に積み重ねる構造とすることにより、上になる筐体の底板および下になる筐体の天井板の対応位置に、相互に内部空気を連通させる開口をそれぞれ設けることにより、単純な構造により二つの筐体の内部気流を共通にすることができる。上になる筐体の底板が下になる筐体の天井板と共通の１枚の板になるように設計することも可能である。すなわち、下になる筐体には天井板を設けることなく製造し、積み重ねる段階ではじめて上になる筐体の底板が下になる筐体の天井板となるように構成することができる。

前記上下に積み重ねられた二個の筐体の上側筐体には前記電池が収容され、下側筐体には前記インバータが収容された構造とすることが望ましい。すなわち、電池については保守を必要とする場合が発生する可能性は、インバータを保守することが必要となる可能性より高いと考えられるから、電池を収容した筐体を上に配置することが合理的である。

前記ファンは上側筐体に設けられた空気排出口に取付ける構造とすることがよい。すなわち、暖かい気流は上に抜くことが有利なのでファンは上側筐体に取付けることがよい。上下の筐体内部を連通させ、ファンを一個とすることによりファンの故障に対する信頼性が高くなる。

前記インバータが収容された筐体内部には、そのインバータの半導体素子を冷却するための液冷式の冷却手段が設けられ、この冷却手段のラジェータが前記筐体内を通過する気流に曝される構造とすることがのぞましい。すなわち、インバータでは主要な発熱部品は半導体素子である。これを直接気流により冷却することは効率がわるい。発熱が集中する半導体素子に液冷式の冷却手段を設け、この液冷式の冷却手段のラジェータを気流により冷却する二段階構造とすることにより冷却効果は向上する。

図１に本発明実施例装置の全体構成をブロック構成図として示す。内燃機関によるエンジン１の出力軸には電動発電機２の回転軸が固定的に連結される。この電動発電機２の回転軸には、その回転子が固定的に連結され、さらにこの電動発電機２の出力軸にはクラッチ３の入力軸が接続される。このクラッチ３は図示を省略するクラッチ・アクチュエータにより、半クラッチ状態を含むその接続状態が制御される。このクラッチ３の出力軸には変速機４の入力軸が接続される。この変速機４はこれも図示されていない変速制御装置により切換え制御される。この変速機４は、ニュートラル、前進５段、および後退１段の変速位置をとることができる。変速機４の出力軸はこの車両のプロペラ軸５に連結される。運転席に設けられたアクセル・ペダルおよび変速レバーの操作にしたがって、クラッチ・アクチュエータおよび変速制御装置がどのように制御されるかは、よく知られた技術であるのでここでは詳しい説明を省略する。

電動発電機２の界磁巻線は三相交流により回転磁界を形成するように構成されている。この三相交流の端子はインバータ６の交流側端子に電気的に接続される。インバータ６は、半導体回路により構成されたプログラム制御回路（ＥＣＵ)７によりその位相回転角度が制御される。インバータ６の直流側端子には電池８が接続される。さらに図面が複雑になるので図示を省略するが、制御回路７には入力情報として、エンジン回転情報、クラッチの動作情報、変速機の位置情報、車速情報、アクセル・ペダルの操作情報、ブレーキの操作情報、電池８の充電容量の情報、その他が電気信号として入力する。またこの制御回路７は、この車両に設けられた他のプログラム制御回路、たとえばエンジン制御回路、クラッチ制御回路、変速機制御回路、排気ブレーキ制御回路、その他と通信バスにより連結され、制御情報を共有することができるように構成されている。

上記ハイブリッド自動車の動力装置はよく知られた構造であるが、その動作を簡単に説明する。制御回路７に入力する各種情報から車両が加速する状態にあるときには、電動発電機２の界磁巻線の回転磁界をその回転速度が電機子の機械的な回転速度より大きくなるように制御する。これにより電動発電機２は電動機として作用し、電池８に蓄えられた電気エネルギを利用して車両を加速させるように作動する。これが補助加速モードである。車両が減速する状態、とくにエンジン・ブレーキの状態になったときには、制御回路７は電動発電機２の界磁巻線の回転磁界をその回転速度が電気子の機械的な回転速度より小さくなるように制御する。これにより電動発電機２は発電機として作用し、プロペラ軸５により駆動される回転エネルギにより生じる電気エネルギを直流電流に変換して電池８に充電する。このとき制御回路７はエンジン制御回路（図外）に情報を交換し、エンジン１がエンジン・ブレーキとして作用する割合を加減して、できるだけ多くの制動エネルギを電池８に回収するように制御する。これが補助減速モードである。

上記のような補助加速モードでは、電池８に蓄積されているエネルギが電気エネルギとして送出されるから、電池８およびインバータ６に放電方向の大きい電流が生じる。補助減速モードでは、電池８に蓄積される電気エネルギが流入するから、インバータ６および電池８には充電方向に大きい電流が流れる。これらはエネルギ効率ができるだけ大きくなるように配慮して設計されるが、その電流の一部は熱として放散されることになり、電池８およびインバータ６は車両走行中に発熱することになる。電池８はその電解液および電解液に接触する電極が発熱する。インバータ６ではその構成部品である大型半導体素子が発熱する。

上記補助加速モードおよび補助減速モードのほかに、電動発電機２の界磁巻線に電流を供給することなく空転状態とし、エンジン１のみで走行を行うエンジン走行モード、変速機４をニュートラル位置に設定して電動発電機２を発電機として作用させ、エンジン１により発電を行う停車充電モードなどを選択設定することが可能である。停車充電モードでもその動作中には、インバータ６および電池８が発熱する。

つぎにこのような発熱を効率的に放散させるとともに、インバータ６および電池８を車両に実装する本発明の特徴とする構造について説明する。本発明の装置では、図１に一点鎖線で囲む電気装置を二段構造の筐体に収容し、これを車両側部に取付けるところにその特徴がある。これをさらに詳しく説明する。

図２は本発明実施例実装構造を説明する平面図である。図３は同じく本発明実施例構造を説明する左側面図である。すなわち本発明の実装構造では、上記説明のインバータ６および電池８を二段構造の筐体１０に実装して、車両側部フレームに取付けるところにその特徴がある。すなわちこの筐体１０は二段構造であり、この上段に電池８を収容し、下段にインバータ６を収容する。電池８およびインバータ６は、それぞれ上部筐体および下部筐体に収容された部品として別工場で製造され、車両に取付けられる前に上下に合体して、ひとつの二段構造の筐体１０として車両に取付けられる。筐体１０の材料は鋼板であり、その内外表面に錆を防ぐための塗装が施されている。

上で説明した制御回路７はプログラム制御回路を主体とする部品であり、形状としてはインバータ６に比べてきわめて小型であるので、この制御回路７はインバータ６の一部として扱うことにした。すなわち筐体１０の下段には制御回路７も実装されている。制御回路７で消費される電力はきわめて小さく制御回路７が発熱体となることはない。

図４はこの筐体１０の内部構造説明図である。すなわちこの二段構造の筐体１０の下段空間１１にはインバータ６が実装される。そして上段空間１２には電池８が実装される。下段筐体の天井板および上段筐体の床板の共通位置に開口９が設けられ、この開口９を介して、上下空間１２および１１の空気が連通する。下段に収容されたインバータ６の主要な発熱体は半導体素子である。この半導体素子には液冷式の冷却手段が設けられその冷却手段のラジェータ１３が、空気吸入口１４から流入する空気流に曝されるように設定される。そしてこの二段構造の筐体１０の上段に排出口１５を設け、この排出口１５の位置裏側の空間に冷却ファン１６が配置される。

この上段の排出口１５に設けた冷却ファン１６が回転作動することにより、上段の空間１２が減圧になり、開口９を介して下段の空間１１の空気を吸い上げ下段の空間１１が大気圧に対して減圧になる。これにより吸入口１４から外気が流入する。吸入口１４から流入する外気は、ラジェータ１３の表面を経由して、図４に矢印で示すように開口９から、上段空間１２の底部空間を通り、さらに上段空間１２に収容された複数のセルからなる電池８の間を通過して、排出口１５から外部に排出される。

冷却ファン１６は車両の一般電源により回転駆動される。冷却ファン１６は電池１２の内部温度をサーミスタによって監視しており、設定値より高くなると冷却ファン１６の回転を開始し、設定値より低くなると回転を停止する。これにより、冷却ファン１６は、筐体内部の温度がこの設定値より高くなると自動的に回転を開始し、筐体内部の温度がこの設定値より低くなると自動的に回転を停止する。設定温度を段階的に構成し、筐体内部の温度が高くなるにしたがって、冷却ファン１６の回転速度が大きくなるように調節制御する構成とすることもできる。この冷却ファン１６の電源回路は、この車両のエンジン・キースイッチをバイパスする構造として、エンジン・キーが抜かれても、筐体１０の内部温度が所定値まで低下するまで、冷却ファン１６は回転をつづけるように構成することが望ましい。

試作試験を繰り返した結果、上記実装構造により電池およびインバータは適正に車両に保持され、その筐体内部の温度も適正に維持されることがわかった。この試作試験には筐体材料として鋼鉄を利用したが、強化プラスチックにより本発明の筐体を形成することも可能である。

上記実施例ではインバータおよび電池を収容した筐体を車両の左側部に取付けるように説明したが、これは右側部に取付ける構造とすることができる。何らかの都合により必要がある場合には、インバータ、電池および制御回路以外の部品または構造物を本発明の筐体の内部に併せて実装することにより本発明を実施することもできる。

上記は、本発明の構造は小型または中型のトラックに実施するものとして説明したが、本発明の実装構造は、その他の車両についても広く実施することができる。とくに各種作業車両については、大きい変更を伴うことなく実施することができる。

本発明実施例装置のブロック構成図。 本発明実施例実装構造の平面図。 本発明実施例実装構造の左側面図。 本発明実施例装置内部構造の説明図。

符号の説明

１ エンジン
２ 電動発電機
３ クラッチ
４ 変速機
５ プロペラ軸
６ インバータ
７ 制御回路
８ 電池
９ 開口
１０ 二段構造の筐体
１１ 下段空間
１２ 上段空間
１３ ラジェータ
１４ 吸入口
１５ 排出口
１６ 冷却ファン

Claims (5)

1. エンジンと、そのエンジンの出力軸にその回転軸が連結される電動発電機と、この電動発電機にその交流側の電気回路が接続されるインバータと、このインバータの直流側の電気回路に接続される電池とを備えたハイブリッド自動車の実装構造において、
   前記インバータおよび前記電池は二個の筐体にそれぞれ個別に収容され、
   この二個の筐体の内部空気を相互に連通させる通気手段と、この通気手段を介して前記二個の筐体の内部に冷却気流を直列的に流通させる一つの冷却ファンとを備えたことを特徴とするハイブリッド自動車の実装構造。
2. 前記二個の筐体は上下に積み重ねられ、車両フレームの側部に取付けられた請求項１記載のハイブリッド自動車の実装構造。
3. 前記上下に積み重ねられた二個の筐体の上側筐体には前記電池が収容され、下側筐体には前記インバータが収容された請求項２記載のハイブリッド自動車の実装構造。
4. 前記ファンは上側筐体に設けられた空気排出口に取付けられた請求項２記載のハイブリッド自動車の実装構造。
5. 前記インバータが収容された筐体内部にはそのインバータの半導体素子を冷却するための液冷の冷却手段が設けられ、この冷却手段のラジェータが前記筐体内を通過する気流に曝される構造を含む請求項１記載のハイブリッド自動車の実装構造。

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