JP2011125183A

JP2011125183A - 電源装置

Info

Publication number: JP2011125183A
Application number: JP2009282751A
Authority: JP
Inventors: Hirotatsu Ishigaki; 裕達石垣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-23
Anticipated expiration: 2029-12-14
Also published as: US20110139595A1; JP4858607B2; US8698347B2

Abstract

【課題】衝突時における安全を確保できる車両の電源装置を提供する。
【解決手段】衝突時に電源装置（ＰＣＵ３０）が変位することを利用して制御系による放電指令がなくても平滑コンデンサ１５の放電を可能とするため、係止棒１９が抜け止めリング１８によって位置決めされている場合には、可動電極１６は、高電位母線２６に接続されている第１の接点と接続し、平滑コンデンサ１５をコンバータ１３とインバータ２１とに並列接続する。また、係止棒１９が抜け止めリング１８から外れ、リレー２０から係止棒１９が取り外されている場合には、可動電極１６は押圧バネ１７によって第２の接点に接触し、平滑コンデンサ１５に残った電荷が放電用の抵抗１４を通って低電位母線２７に放電される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の電源装置に関し、特に、車両の衝突時に平滑用コンデンサの電荷を放電する電源装置に関する。

近年、エンジン又は燃料電池等と電気モータとを組み合わせたパワートレインを有するハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の車両が開発され、実用化されている。このようなハイブリッド自動車では、バッテリの直流電力をインバータにより交流電力に変換して交流モータに供給することで車両を駆動する。また、バッテリの充電量が低下した場合には、エンジンにより交流モータを駆動して交流モータ（以下、モータジェネレータという）で発電された交流電力がインバータにより直流電力に変換されてバッテリを充電する。

モータジェネレータによる車両駆動ではバッテリ電圧が高いほど効率が良いことからバッテリから供給される直流電力を高電圧の直流電力に昇圧するコンバータ等の高電圧回路を搭載し、コンバータによって昇圧された高圧直流電力をインバータに供給する。なお、このような高電圧回路は直流電力の平滑化やノイズ等を低減するために平滑コンデンサを有することから、車両作動停止時や緊急時には平滑コンデンサ等に残った電荷（高圧電力）を放電させる仕組みを有している。

例えば、特許文献１には、車両の衝突を検知した場合にバッテリからの電力供給を停止した後、高電圧回路及び平滑コンデンサ等に残存する高圧電力を放電させる放電手段を備えた車両の電源装置が開示されている。この電源装置は、車両の衝突を検知すると、バッテリから高電圧回路へ供給される直流電力をシステムメインリレーにて遮断し、平滑コンデンサと抵抗器とを直列に接続する放電用リレーを導通させることで平滑コンデンサに残った電荷を放電する。この動作により電源装置は高圧電力に関する安全を確保している。

しかし、上記電源装置では、衝突時にシステムメインリレーの制御と放電用リレーの制御が必要となることから、電源装置の耐衝突性能の向上によって衝突時及び衝突後においても制御系が生存して平滑コンデンサの放電を行うことが必要である。そこで、このような生存性を向上する技術が特許文献２に記載されている。特許文献２には電源装置の耐衝突性能を向上させるため、車両の衝突時においてインバータ等の車両搭載機器が他の部材等と衝突することを抑制することで、車両搭載機器の損傷を低減する技術が開示されている。

特開２００６−２２４７７２号公報特開２００９−９０８１８号公報

従来から、車両の高電圧に関する安全を確保する方法として、（Ａ）高電圧部への直接接触保護、（Ｂ）高電圧部への間接接触保護、（Ｃ）破損時の高電圧部の電圧／エネルギーの低減、（Ｃ）高電圧部を衝突時に破損しない位置に搭載することで絶縁抵抗を確保する等の４つの対応方法がある。ここで、（Ａ），（Ｂ）に関しては、高電圧部の絶縁カバーや、インターロック機構等により安全性を確保している。また、（Ｃ）に関しては特許文献１に開示された衝突検知と放電処理による対策があり、（Ｄ）に関しては特許文献２に開示された耐衝突性能の向上等がある。

しかし、上記特許文献１の電源装置では、衝突検知と、衝突時及び衝突後においても制御系が生存して平滑コンデンサの放電の処理と、を行う必要がある。このため、例えば、回路の二重化又は回路の耐衝突性能を向上することが必要となるが、回路のコストアップとなる可能性がある。また、回路の二重化等の代案として、衝突時において瞬時に放電を完了させる方法もあるが、高圧電力を短時間で終了させるためには大型の放電抵抗が必要となる。

さらに、電源装置の制御系が破損しないように制御系の機械的構造を強化する方法や特許文献２のように車両搭載機器が他の部材等と衝突することを抑制する方法もあるが、機器の小型化が困難となるばかりでなく、コストアップや車両への搭載性が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、衝突時に電源装置が変位することを利用して制御系による放電指令がなくても平滑コンデンサの高圧電力の放電を可能とし、放電手段を最小化することでコストダウンと、衝突時における安全を確保できる車両の電源装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給するコンバータと、コンバータによって昇圧された電圧を回転電機に供給して車両を駆動するインバータと、コンバータとインバータに並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電するためのリレーと、を有し、車両の載置台に固定された電源装置において、載置台は、電源装置が車両前方から後方に向けて押圧されることで固定状態が解除され、車両後方に伸びる案内部材に沿って電源装置の位置を変位させる変位手段と、載置台に設けられ、車両前方側から車両後方側に向かって突き出した絶縁性の係止棒と、を有し、リレーは、電源装置が固定されて載置台の係止棒がリレーに挿入されている場合にはコンバータとインバータとに平滑コンデンサを並列接続し、電源装置の固定状態が解除されて電源装置が変位することにより、係止棒がリレーから外れることによって並列接続を切り離し、平滑コンデンサを放電用の抵抗に接続することを特徴とする。このような構成により、従来、制御系に頼っていた処理を簡単な構成で置き換え可能となり、信頼性が向上すると共にコストの低減が可能となる。

また、その他の発明に係る電源装置において、リレーに挿入する係止棒は、先端が円錐状の形状を有し、リレーの電極は、平滑コンデンサの高電位側の電極であり、係止棒の挿入及び取り外しによって可動する可動電極と、係止棒が挿入されることにより可動電極と接触するインバータ及びコンバータの高電位側である高電位電極と、係止棒が挿入されることにより可動電極と絶縁される放電用の抵抗に接続された低電位電極と、を有し、電源装置の変位により係止棒が取り外されることで平滑コンデンサの高電位側の電極である可動電極が、高電位電極から離れ、低電位電極に接触することにより、平滑コンデンサと放電用の抵抗が電気的に接続することを特徴とする。通常、係止棒は位置決め部材により所定の荷重より低い作動力では抜け出すことなくリレーに挿入されており、不用意な取り外しによる誤動作を防止している。

また、その他の発明に係る電源装置において、可動電極は、バネ状の電極又は弾性体による弾性力により可動し、弾性力によって低電位側電極に接触する電極であることを特徴とする。

さらに、その他の発明に係る電源装置において、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電する抵抗は、通常配線に置き換えることが可能であることを特徴とする。

本発明に係る電源装置を用いることにより、衝突時に電源装置が変位することを利用して衝突時に制御系による放電指令がなくても平滑コンデンサの放電を可能にするという効果がある。

本発明の実施形態に係る車両に搭載された電源装置の構成を示す構成図である。本発明の実施形態に係る電源装置の搭載位置を示す模式図である。図２のパワーコントロールユニットの固定構造を車両側面方向から示した側面図である。図２のパワーコントロールユニットの固定構造を車両上面方向から示した上面図である。図３のパワーコントロールユニットが車両前方から後方に押圧された時の固定構造を示す側面図である。図１に示した電源装置において、放電のために抵抗を省略した電源装置の構成を示す構成図である。図６の電源装置の構成を理解する上で参考となる他の実施形態の構成を示した構成図である。

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。

「第１の実施形態」：図１は車両に搭載された電源システムの構成を示し、図２は図１の電源システムの搭載位置を示している。最初に図２を用いて本実施形態に係る電源システムを概説する。図２の車両１は、エンジン３５と、エンジン３５に接続されたモータジェネレータ１：２２（ＭＧ１）と、モータジェネレータ２：２３（ＭＧ２）と、エンジン３５とＭＧ１，ＭＧ２の駆動力を前輪３６に伝達するトランスアクスル３４と、後輪３７と、車両の後部に搭載されているバッテリ１１と、トランスアクスル３４の車両前方側に搭載されているパワーコントロールユニット３０と、を含んでいる。車両後部のバッテリ１１には、システムメインリレー１２が接続され、システムメインリレー１２からパワーコントロールユニット３０には、高電位ケーブル３１と低電位ケーブル３２とで接続されている。パワーコントロールユニット３０（以下ＰＣＵ又は電源装置という。）とモータジェネレータＭＧ１（２２），ＭＧ２（２３）とはＭＧケーブル２４，２５で接続されている。

パワーコントロールユニット３０（ＰＣＵ）は、トランスアクスル３４上に設けられた載置台４９を介して固定されている。車両１の衝突時において、ＰＣＵ３０は、衝突物によって押圧されて車両後方に向かって変位するが、トランスアクスル３４に固定されている載置台４９はＰＣＵ３０に比べて変位量が少なく、載置台４９とＰＣＵ３０との相対変位量が生ずる。そこで、本発明に係る電源システム１０では、衝突時における載置台４９とＰＣＵ３０との相対変位量を利用して放電用のリレーを作動させることで、平滑コンデンサに残された電荷を放電させることにした。このような構成とすることで、衝突検知や放電を行う制御系を用いることなく平滑コンデンサの放電を実現することができる。さらに、ＰＣＵ３０に接続されているケーブル類に無用な引っ張り力を加えること無く、ＰＣＵ３０に他の搭載機器が衝突することを低減するという効果を有している。

次に、図１を用いて電源システム１０の構成を詳説する。電源システム１０は、バッテリ１１と、バッテリ１１に接続されたＳＭＲ１２と、ＳＭＲ１２から伸びる高電位ケーブル３１と低電位ケーブル３２を介してバッテリ１１に接続されているコンバータ１３と、コンバータから伸びる高電位母線２６と低電位母線２７を介して接続されているインバータ２１と、インバータ２１と接続されているＭＧ１（２２）及びＭＧ２（２３）と、放電用のリレー２０と、放電用のリレー２０に接続されている平滑コンデンサ１５及び放電用の抵抗１４と、を含んでいる。なお、ＰＣＵ３０が載置台を介して車両に固定されている場合には、放電用のリレー２０の中に載置台に設けられた絶縁性のピン状の係止棒１９が挿入されて抜け止めリングによって位置決めされる。係止棒１９の先端は円錐形であり、円筒状の胴体部には抜け止めリングが嵌り込むような溝が外周に設けられている。

リレー２０の可動電極１６の一端は第１の接点と第２の接点に切り替え可能であり、可動電極の他端は平滑コンデンサ１５の一端に接続され、平滑コンデンサ１５の他端は低電位母線２７に接続されている。また、リレー２０の第１の接点は高電位母線２６に接続され、放電用の抵抗１４の一端はリレー２０の第２の接点に接続され、抵抗１４の他端は低電位母線２７に接続されている。また、可動電極１６は、係止棒１９にスムーズに接触するための形状を有し、電気的に絶縁された押圧バネ１７によって第２の接点方向に押圧されている。

係止棒１９が抜け止めリング１８によって位置決めされている場合には、可動電極１６は、高電位母線２６に接続されている第１の接点と接続し、平滑コンデンサ１５をコンバータ１３とインバータ２１とに並列接続する。また、係止棒１９が抜け止めリング１８から外れ、リレー２０から係止棒１９が取り外されている場合には、可動電極１６は押圧バネ１７によって第２の接点に接触し、平滑コンデンサ１５に残った電荷が放電用の抵抗１４を通って低電位母線２７に放電される。

図３は、図２のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）の固定構造を車両側面方向から示し、図４は図２のＰＣＵの固定構造を車両上面方向から示した上面図である。図３と図４を用いてＰＣＵ３０の固定構造について詳説する。

図３のトランスアクスル３４上に固定された載置台４９には、放電用のリレーに嵌り込む絶縁性の係止棒１９と、車両前方から後方に向かって予め決められた押力で結合状態が解除される複数の連結器具と、ＰＣＵ３０を車両後方に案内する案内板４４と、が設けられている。連結器具には、ＰＣＵ３０の後方に配置され先端が案内板の窪みに嵌り込んでロックする連結板４５と、ＰＣＵ３０の側面に配置された側部連結板４８と、ＰＣＵ３０を上部方向へ変位させるための上部支持板４６と、ＰＣＵ３０の後方と上部支持板４６とを連結する上部連結板４７と、が設けられている。

図４のＰＣＵ３０は、４カ所の連結ボルトによって載置台４９に固定されている。第１の連結ボルト５２は案内板の窪みにであって窪みに嵌りあう連結板４５の先端部に位置し、第２と第３の連結ボルト（５１，５３）はＰＣＵ３０の側部連結板４８に位置し、第４の連結ボルト５４は上部支持板４６の後方に位置している。これらの連結器具には、車両前方に伸びる長穴がそれぞれ設けられている。これは、車両斜め前方から押圧された場合であっても、連結器具の長穴と案内板４４に沿って車両前方から後方にＰＣＵ３０を変位させるためである。このような構成にすることで、係止棒１９の取り出しが円滑に行われることになる。また、連結器具は載置台４９や案内板４４に比べて強度を下げて作られているため、ＰＣＵ３０が車両前方から押圧された場合であっても載置台４９やＰＣＵ３０が変形することなく連結ボルトが外れる構造を有している。

図５は、所定の力で車両前方から後方に押圧された時の連結解除状態を示している。連結が解除された固定構造の特徴的な事項は、制御系による処理を必要とせず、ＰＣＵ３０が車両前方から押圧されることによりＰＣＵ３０が載置台４９上を変位してＰＣＵ３０と載置台４９との相対変位量が発生することで、放電用のリレーに嵌り込む絶縁性の係止棒１９が外れ、平滑コンデンサの電荷を放電することである。さらに、他の特徴的な事項は、ＰＣＵ３０と載置台４９とを連結している連結器具の変形と、他の搭載機器との衝突を防ぐために案内板４４により斜め上方向へ案内されることである。

「第１の実施形態の変形例」：図５の連結板４５はＰＣＵ３０を後方から支え、所定の力で車両前方から後方に押圧された時に案内板４４の上を滑ることでＰＣＵ３０が変位し、放電用のリレーに嵌り込む絶縁性の係止棒１９が外れて平滑コンデンサの電荷を放電するものである。連結板４５を用いることで放電用リレーの作動に至る押圧力が設定可能であり、かつ、放電用リレーの作動変位量を多く取ることが可能である一方、固定構造２の更なる簡略化や小型化を阻害する場合もある。そこで、第１の実施形態の変形例として、連結板４５と案内板４４を廃止し、代わりに載置台４９を車両前方から後方に向けて伸ばしてＰＣＵ３０を案内可能とし、載置台４９とＰＣＵ３０とを当接させて予め設定された摩擦力を発生させる滑り構造にしても良い。このような構造により連結板４５と案内板４４の代わりに同様な機能を実現することが可能であり、滑りの変位に応じて摩擦力を変化させることで固定構造２の更なる小型化が可能となる。

「第２の実施形態」：図６の電源システム４０は放電のための抵抗を省略した構成を示している。衝突状態では、リレー２０に嵌り込んでいる係止棒１９が抜け止めリング１８から外れることで、可動電極１６は平滑コンデンサ１５の高電位側を低電位側である低電位母線２７に切り替えて平滑コンデンサ１５の放電が行われる。このような回路構成では、通常の接続を解除しているため、ＳＭＲ１２がバッテリ１１と接続を維持してもバッテリ電圧は放電用の抵抗に印加されず、抵抗を省略して通常配線で接続するだけでも過電流による不具合は発生しない。

これに対し、本実施形態を理解する上で参考となる実施形態を図７に示す。図７の電源システム５０は、平滑コンデンサ１５に残った電荷を放電するために放電用のリレー２０と抵抗１４とを直列接続した回路有している。この電源システム５０は、制御系によりＳＭＲ１２がバッテリ１１との接続を切り離した後、リレー２０により平滑コンデンサ１５を放電するものであるため、ＳＭＲ１２がバッテリとの切り離しができない場合に備えて、放電用の抵抗が必要不可欠となる。

図６の電源システム４０に示したように、本実施形態における図１の電源システム１０に使用していた抵抗１４を省略することが可能になることから、更なる小型化やコスト削減が可能となるという効果を奏することができる。

以上、上述したように、本実施形態に係る電源装置を用いることで、衝突時に制御系による放電指令がなくても平滑コンデンサの放電が可能となり、制御系の簡略化やコスト削減が可能になるという効果を奏する。

なお、本実施形態において、ハイブリッド自動車に基づいて説明したが、これに限るものではなく、燃料自動車、電気自動車等にも用いることができることはいうまでもない。

１車両、２固定構造、１０，４０，５０電源システム、１１バッテリ、１２システムメインリレー、１３コンバータ、１４抵抗、１５平滑コンデンサ、１６可動電極、１７押圧バネ、１８抜け止めリング、１９係止棒、２０リレー、２１インバータ、２４，２５ＭＧケーブル、２６高電位母線、２７低電位母線、３０パワーコントロールユニット、３１高電位ケーブル、３２低電位ケーブル、３３システムメインリレー、３４トランスアクスル、３５エンジン、３６前輪、３７後輪、４４案内板、４５連結板、４６上部支持板、４７上部連結板、４８側部連結板、４９載置台、５１，５２，５３，５４連結ボルト。

Claims

バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給するコンバータと、コンバータによって昇圧された電圧を回転電機に供給して車両を駆動するインバータと、コンバータとインバータに並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電するためのリレーと、を有し、車両の載置台に固定された電源装置において、
載置台は、電源装置が車両前方から後方に向けて押圧されることで固定状態が解除され、車両後方に伸びる案内部材に沿って電源装置の位置を変位させる変位手段と、
載置台に設けられ、車両前方側から車両後方側に向かって突き出した絶縁性の係止棒と、
を有し、
リレーは、電源装置が固定されて載置台の係止棒がリレーに挿入されている場合にはコンバータとインバータとに平滑コンデンサを並列接続し、電源装置の固定状態が解除されて電源装置が変位することにより、係止棒がリレーから外れることによって並列接続を切り離し、平滑コンデンサを放電用の抵抗に接続することを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
リレーに挿入する係止棒は先端が円錐状の形状を有し、
リレーの電極は、
平滑コンデンサの高電位側の電極であり、係止棒の挿入及び取り外しによって可動する可動電極と、
係止棒が挿入されることにより可動電極と接触するインバータ及びコンバータの高電位側である高電位電極と、
係止棒が挿入されることにより可動電極と絶縁される放電用の抵抗に接続された低電位電極と、
を有し、
電源装置の変位により係止棒が取り外されることで平滑コンデンサの高電位側の電極である可動電極が、高電位電極から離れ、低電位電極に接触することにより、平滑コンデンサと放電用の抵抗が電気的に接続することを特徴とする電源装置。
請求項２に記載の電源装置において、
可動電極は、バネ状の電極又は弾性体による弾性力により可動し、弾性力によって低電位電極に接触する電極であることを特徴とする電源装置。
請求項１又は２に記載の電源装置において、
平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電する抵抗は、通常配線に置き換えることが可能であることを特徴とする電源装置。