JP2013247708A - コンバータ及びコンバータの組み付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータケースをコンパクトに保ちながら、組み付け性の高いコンバータを提供する。
【解決手段】コンバータ２１のコンバータケース７０内に、リアクトル１１０、パワーモジュール８１、当該パワーモジュール８１を制御する制御回路を有する制御基板８２が下から上にこの順で配置される。コンバータケース７０は、下部ケース７０ｂと、下部ケース７０ｂに取り外し可能な上部ケース７０ａを有している。下部ケース７０ｂには、制御基板８２に接続される電気線９０のコネクタ９１を外部から挿入するための挿入穴１４０が設けられている。下部ケース７０ｂには、リアクトル１１０を収容するリアクトル収容部１００ａ、１００ｂが配置されている。挿入穴１４０とリアクトル収容部１００ａ、１００ｂのシール部１３５との間には、壁１５０が設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池の電力を変換するコンバータ及びコンバータの組み付け方法に関する。

いわゆる燃料電池車両には、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池や、燃料電池の電力を変換するコンバータ等が搭載されている。例えば燃料電池やコンバータは、燃料電池車両の床下に設けられることがある。

上述のコンバータは、コンバータケース内に、リアクトル、パワーモジュール、及びパワーモジュールを制御する制御基板等を有している（特許文献１参照）。

特開２０１１−００３２８８号公報

ところで、上記コンバータにおいて、車両の安定化のため重心を低くし、また防水性能を向上するために、リアクトル、パワーモジュール、及び制御基板を下からこの順に積層することが提案できる。

しかしながら、上記コンバータを車両に具体的に組み付けるための構成、方法については提案されていない。組み付ける際、外部電源等とコンバータ内の制御基板との間を電気線で接続する必要があるが、その際に、制御基板に接続されている電気線のコネクタをコンバータケース内から外に出すとなると、コンバータケース内に大きな作業スペースが必要になる。また、電気線が、外側に引っ張られることがあるため、制御基板からコネクタが抜けることがある。そのため固定部を設ける必要があり、ケースの大型化、部品点数の増加があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、コンバータケースをコンパクトに保ちながら、組み付け性の高いコンバータ及びコンバータの組み付け方法を提供することをその目的とする。

上記目的と達成するための本発明は、燃料電池の電力を変換するコンバータであって、コンバータケース内に、リアクトル、パワーモジュール、当該パワーモジュールを制御する制御回路を有する制御基板が下から上にこの順で配置され、前記コンバータケースは、下部ケースと、当該下部ケースに取り外し可能な上部ケースと、を有し、前記下部ケースには、前記制御基板に接続するための電気線のコネクタを外部から挿入するための挿入穴が設けられているコンバータである。

本発明によれば、上部ケースを開けた状態で、電気線のコネクタを外部から挿入できるので、大きな作業スペースがなくても、コネクタを制御基板に簡単に接続できる。よって、コンバータケースをコンパクトに保ちながら、コンバータの高い組み付け性を実現できる。

前記下部ケースには、前記リアクトルを収容するリアクトル収容部が配置され、前記挿入穴と前記リアクトル収容部との間には、壁が設けられていてもよい。かかる場合、挿入穴への挿入時に、コネクタがリアクトル収容部に接触することを防止できる。また、コネクタがリアクトル収容部に接触しないように気を使う必要がなく、組み付け性が向上する。

前記挿入穴の正面には、前記リアクトル収容部の内部空間を気密にするためのシール部があり、前記壁は、前記シール部と前記挿入穴との間に設けられていてもよい。かかる場合、挿入穴への挿入時に、コネクタがシール部に接触しシール部が劣化することを防止できる。

別の観点による本発明は、燃料電池の電力を変換するコンバータを燃料電池車両に組み付ける方法であって、コンバータケースの上部ケース内に、パワーモジュールと、当該パワーモジュールを制御する制御回路を有する制御基板とを取り付ける工程と、車両に固定されたコンバータケースの下部ケース内にリアクトルを取り付ける工程と、外部から前記下部ケースの挿入穴を通じて、前記制御基板に接続するための電気線のコネクタを挿入する工程と、前記コネクタを前記制御基板に接続する工程と、前記上部ケースを前記下部ケースに被せて固定する工程と、を有する、コンバータの組み付け方法である。

本発明によれば、コンバータケースをコンパクトに保ちながら、高い組み付け性を実現できる。

燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの電気系の構成を示す模式図である。 燃料電池車両におけるコンバータの設置例を前方側から示す車両の断面図である。 燃料電池車両におけるコンバータの設置例を側方側から示す車両の断面図である。 コンバータの内部構成を示す縦断面の説明図である。 コネクタを制御基板に接続した際のコンバータの内部構成を示す縦断面の説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。図１に示すように本実施の形態にかかるコンバータを有する燃料電池車両１は、燃料電池システム１０を備えている。

燃料電池システム１０は、例えば燃料電池２０、コンバータ２１、インバータ２２、バッテリ２３、バッテリコンバータ２４、トラクションモータ２５、センサ群２６及びコントローラ２７等を備えている。

燃料電池２０は、複数のセル（発電セル）が積層されてなるセルスタック（セル積層体）を備える例えば高分子電解質形燃料電池である。燃料電池２０は、アノード電極側に燃料ガスが供給され、カソード電極側に酸化ガスが供給され、当該燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する。燃料電池２０には、セルスタックからの出力電圧を検出するための電圧センサ、および出力電流を検出するための電流センサ（いずれも図示せず）が取り付けられている。

コンバータ２１は、燃料電池２０の出力電圧を変更する。バッテリ２３は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両１の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ２３の入出力電圧は、バッテリコンバータ２４により調整される。インバータ２２は、燃料電池２０或いはバッテリ２３から出力される直流電力を三相交流電力に変換しトラクションモータ２５に出力する。

トラクションモータ２５は、燃料電池車両１の駆動源であり、また減速時には回生電力を発生させる。トラクションモータ２５による回転は、減速装置３０により所定の回転数に減速され、シャフトを介してタイヤ３１に伝達される。

コントローラ２７は、燃料電池システム１０の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。コントローラ２７は、センサ群２６から出力される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池２０の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）に基づいて、燃料電池２０、コンバータ２１、インバータ２２などを制御して、トラクションモータ２５に所定の要求電力を供給する。

燃料電池車両１は、例えば図２及び図３に示すように少なくとも燃料電池２０とコンバータ２１を車室４０の床板４１の下に配置した構造を有している。コンバータ２１は、例えば燃料電池車両１の左右の座席４２の間に配置されたセンタートンネル５０内に配置されている。コンバータ２１は、車両１の前後方向Ｘに延びる中心線に沿って設けられている。コンバータ２１は、例えば車両１の左右方向Ｙに向かって延びる車両フレームに固定されている。燃料電池２０は、センタートンネル５０内のコンバータ２１の後方側に設けられている。

コンバータ２１は、上部ケース７０ａと下部ケース７０ｂに分割されたコンバータケース７０を備えている。コンバータケース７０内には、例えば図４に示すように下から順に、リアクトル部８０、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）８１、制御基板８２を備えている。

ＩＰＭ８１は、例えば、電力を制御するパワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのパワーデバイスと、該パワーデバイスの駆動回路と、自己保護機能等を備えている。制御基板８２は、ＩＰＭ８１を制御する制御回路を備えている。

制御基板８２の前部には、外部から電気線９０のコネクタ９１を接続するためのコネクタ９２が設けられている。なお、電気線９０には、制御基板８２に信号を送るための情報線や電力を送るための給電線が含まれる。

リアクトル部８０は、例えば前後方向Ｘに２つのリアクトルブロック１００、１０１を有している。各リアクトルブロック１００、１０１は、それぞれ上下一対のリアクトル収容部１００ａ、１００ｂ及びリアクトル収容部１０１ａ、１０１ｂを有している。各リアクトル収容部には、例えば２つのリアクトル１１０が前後方向Ｘに並べて設けられている。上下一対のリアクトル収容部１００ａ、１００ｂの間、及びリアクトル収容部１０１ａ、１０１ｂの間には、それぞれ内部空間である冷却流路１２０が形成されており、当該冷却流路１２０には、図示しない供給流路から冷却水が供給され、それによって各リアクトル収容部のリアクトル１１０を冷却できる。また、上下一対のリアクトル収容部１００ａ、１００ｂとリアクトル収容部１０１ａ、１０１ｂの冷却流路１２０側の面には、冷却用フィンが形成されている。

上下一対の各リアクトル収容部１００ａ、１００ｂ、リアクトル収容部１０１ａ、１０１ｂの間の前後方向Ｘの側部には、閉鎖された冷却流路１２０を形成するためのシールブロック１３０、１３１、１３２、１３３が設けられている。リアクトル収容部１００ａ、１００ｂ及びリアクトル収容部１０１ａ、１０１ｂの前後方向Ｘの側部には、凹部が形成され、その凹部にシールブロック１３０〜１３３が嵌められている。

リアクトルブロック１００の前方側のシールブロック１３０は、下部ケース７０ｂの一部が延伸して形成されており、下部ケース７０ｂの一部を構成している。リアクトルブロック１００の後方側のシールブロック１３１とリアクトルブロック１０１の前方側のシールブロック１３２は、互いに連結されている。リアクトルブロック１０１の後方側のシールブロック１３３は、下部ケース７０ｂが延伸して形成されており、下部ケース７０ｂの一部を構成している。各シールブロック１３０〜１３３とリアクトル収容部１００ａ、１００ｂ、１０１ａ、１０１ｂとの間は、シール部１３５となっており、当該シール部１３５には、ＦＩＰＧ(Formed In Place Gasket）などのシール剤が塗布されている。

下部ケース７０ｂの前方側の側面には、制御基板８２に接続される電気線９０のコネクタ９１を外部から挿入可能な挿入穴１４０が形成されている。コネクタ９１は、挿入穴１４０に設けられたグロメット１４１を介して下部ケース７０ｂ内に挿入できる。

挿入穴１４０の正面であって、挿入穴１４０とシールブロック１３０との間には、壁１５０が設けられている。壁１５０は、例えば下部ケース７０ｂの一部が延伸して形成され、下部ケース７０ｂの一部になっている。壁１５０は、挿入穴１４０側から見て、シールブロック１３０とリアクトル収容部１００ａ、１００ｂの間のシール部１３５を覆っている。壁１５０は、例えばシールブロック１３０と連結されている。よって、下部ケース７０ｂの一部は、下部ケース７０ｂの本体から分岐し上方に延伸して壁１５０を形成し、その壁１５０から後方側に延伸し、シールブロック１３０を形成している。

次に、以上のコンバータ２１を燃料電池車両１に組み付ける方法について説明する。先ず、燃料電池車両１のセンタートンネル５０内に下部ケース７０ｂが固定される。この固定は、例えば下部ケース７０ｂを車両フレームにねじで固定することによって行われる。

次に、下部ケース７０ｂ内にリアクトル部８０が取り付けられる。その後、図４に示したように下部ケース７０ｂの挿入穴１４０から電気線９０のコネクタ９１が挿入される。このとき、コネクタ９１は、壁１５０によって動きが規制され、コネクタ９１がシールブロック１３０とリアクトル収容部１００ａ、１００ｂとの間のシール部１３５のシール剤に接触することはない。

一方、上部ケース７０ａ内には、ＩＰＭ８１と制御基板８２が取り付けられる。この取り付けは、下部ケース７０ｂの挿入穴１４０にコネクタ９１を挿入する前のいつ行ってもよいし、挿入穴１４０にコネクタ９１を挿入した後に行わってもよい。

その後、図５に示すように電気線９０のコネクタ９１が制御基板８２のコネクタ９２に接続される。その後、上部ケース７０ａが下部ケース７０ｂ上に被せられ、ボルトなどによって固定される。

本実施の形態によれば、上部ケース７０ａを開けた状態で、電気線９０のコネクタ９１を外部から挿入できるので、大きな作業スペースがなくても、簡単にコネクタ９１を制御基板８２に接続できる。

挿入穴１４０とリアクトル収容部１００ａ、１００ｂとの間に壁１５０が設けられているので、挿入穴１４０への挿入時に、コネクタ９１がリアクトル収容部１００ａ、１００ｂに接触することを防止できる。また、コネクタ９１がリアクトル収容部１００ａ、１００ｂに接触しないように気を使う必要がなく、組み付け性が向上する。

また、挿入穴１４０の正面には、リアクトル収容部１００ａ、１００ｂの冷却流路１２０を気密にするためのシール部１３５があり、壁１５０が、シール部１３５と挿入穴１４０との間に設けられているので、挿入穴１４０への挿入時に、コネクタ９１がシール部１３５に接触しシール部１３５が劣化することを防止できる。特に、シール部１３５のＦＩＰＧなどのシール剤は、固まるまで数日を要するため、コネクタ９１がシール部１３５に接触することを防止することにより、組み込み性が大きく向上する。

挿入穴１４０が下部ケース７０ｂの前方側に設けられているので、側面や後面に設けられた場合に比べて、センタートンネル５０を小さくできる。また、挿入穴１４０をリアクトル部８１の上部、つまりリアクトル収容部１００ａに近い高さにしているので、挿入穴１４０の位置が低すぎて衝突時の下部の車両フレームとの干渉が懸念されたり、挿入穴１４０の位置が高すぎて下部ケース７０ｂの高さ寸法が大きくなりケース全体が大きくなることがない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施の形態におけるコンバータ２１の構造、コンバータ２１の設置位置等はこれに限られず、コンバータが他の構造、他の配置を有する場合にも本発明は適用できる。

本発明は、コンバータケースをコンパクトに保ちながら、高い組み付け性を実現する際に有用である。

１ 燃料電池車両
１０ 燃料電池システム
２０ 燃料電池
２１ コンバータ
７０ コンバータケース
７０ａ 上部ケース
７０ｂ 下部ケース
８０ リアクトル部
８１ ＩＰＭ
８２ 制御基板
９０ 電気線
９１ コネクタ
１００、１０１ リアクトルブロック
１１０ リアクトル
１４０ 挿入穴
１５０ 壁

Claims (4)

1. 燃料電池の電力を変換するコンバータであって、
   コンバータケース内に、リアクトル、パワーモジュール、当該パワーモジュールを制御する制御回路を有する制御基板が下から上にこの順で配置され、
   前記コンバータケースは、下部ケースと、当該下部ケースに取り外し可能な上部ケースと、を有し、
   前記下部ケースには、前記制御基板に接続される電気線のコネクタを外部から挿入するための挿入穴が設けられている、コンバータ。
2. 前記下部ケースには、前記リアクトルを収容するリアクトル収容部が配置され、
   前記挿入穴と前記リアクトル収容部との間には、壁が設けられている、請求項１に記載のコンバータ。
3. 前記挿入穴の正面には、前記リアクトル収容部の内部空間を気密にするためのシール部があり、
   前記壁は、前記シール部と前記挿入穴との間に設けられている、請求項２に記載のコンバータ。
4. 燃料電池の電力を変換するコンバータを燃料電池車両に組み付ける方法であって、
   コンバータケースの上部ケース内に、パワーモジュールと、当該パワーモジュールを制御する制御回路を有する制御基板とを取り付ける工程と、
   車両に固定されたコンバータケースの下部ケース内にリアクトルを取り付ける工程と、
   外部から前記下部ケースの挿入穴を通じて、前記制御基板に接続するための電気線のコネクタを挿入する工程と、
   前記コネクタを前記制御基板に接続する工程と、
   前記上部ケースを前記下部ケースに被せて固定する工程と、を有する、コンバータの組み付け方法。

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