JP2017081503A - 電力変換器の車載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、電力変換器の車載構造であって軽くて衝撃に強い車載構造を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換器の車載構造では、電力変換器は、少なくとも２個のブラケットによって、モータを格納するモータハウジング３０の上面との間に隙間を有して支持されている。少なくとも１個のブラケットは、モータハウジング３０に固定されるベース部１３と、ベース部１３から延びており、上端が電力変換器に連結されている支持部１１と、を備えている。支持部１１のベース部１３との連結箇所と電力変換器との連結箇所の間に、他の部位より強度が低い脆弱部１４が設けられているとともに、当該脆弱部１４を挟んで支持部１１の上側と下側を補助部材１５が連結している。支持部１１の材料の密度が補強部材１５の材料の密度よりも低く、かつ、補助部材１５の破断時全伸びが支持部１１の破断時全伸びよりも大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、電源電力をモータの駆動電力に変換する電力変換器の車載構造に関する。

電気モータで走行する自動車は、電源電力を走行用の電気モータの駆動電力に変換する電力変換器を備える。なお、本明細書が開示する技術は、電気自動車に限らず、ハイブリッド車と燃料電池車にも適用可能である。また、説明を簡単にするため、「電気モータ」を単純に「モータ」と表記する。さらには、走行用の電気モータを単純に「モータ」と表記する場合がある。

電力変換器は、典型的には、直流電源が出力する直流電力を交流に変換するインバータである。電力変換器は、昇圧コンバータを含む場合もある。電力変換器は、走行用のモータを収容するモータハウジングの上方に固定されることがある。電力変換器をモータの近くに配置することで、電力変換器とモータをつなぐパワーケーブルが短くなり、電力転送損失が抑制できる。特許文献１には、電力変換器のそのような車載構造の一例が開示されている。特許文献１に開示された電力変換器は、２個のブラケットによって、モータハウジングの上面との間に隙間を有して支持されている。２個のブラケットは、モータハウジングに固定されるベース部と、ベース部から延びており上端が電力変換器に連結されている支持部と、を備える。２個のブラケットは、鉄で作られている。

特開２０１４−１１４８７０号公報

特許文献１の技術では、ブラケットが鉄で作られているので強度は高いがその重量が重くなってしまう。一方、鉄よりも軽い金属として例えばアルミニウムがあるが、アルミニウムでは強度が低く、衝突の衝撃により破断し易い。本明細書が開示する技術は、電力変換器の車載構造であって軽くて衝撃に強い車載構造を提供する。

本明細書が開示する電力変換器の車載構造では、電力変換器は、少なくとも２個のブラケットによって、モータを格納するモータハウジングの上面との間に隙間を有して支持されている。少なくとも１個のブラケットは、モータハウジングに固定されるベース部と、ベース部から延びており、上端が電力変換器に連結されている支持部と、を備えている。支持部のベース部との連結箇所と電力変換器との連結箇所の間に、他の部位より強度が低い脆弱部が設けられているとともに、当該脆弱部を挟んで支持部の上側と下側を補助部材が連結している。支持部の材料の密度が補強部材の材料の密度よりも低く、かつ、補助部材の破断時全伸びが支持部の破断時全伸びよりも大きい。

ここで、上記した「強度」とは、衝撃を受けたときの折れ難さあるいは破断のし難さをいう。他の部位より強度を低くするためには、局所的にその部位に応力を集中させる必要があり、その部位の形状は、他の部位と異なり、孔や溝、段といったものを有している。また、上記した「破断時全伸び」とは、基準点に対する部材の荷重に対する伸びと塑性による伸びとを合わせたものの割合をいう。すなわち、破断時全伸びが大きい部材は破断時全伸びが小さい部材と比較して、部材が破断するまでのひずみが大きく、衝突による荷重に対する破断するまでの耐久性が高いといえる。

上記した車載構造では、支持部に密度の低い材料、即ち軽い材料を採用する。そうすることでブラケットの全重量を軽くする。ただし、密度の低い材料は比較的に強度が低く、衝突による荷重に耐えきれず破断してしまう虞がある。そこで、衝撃を緩和するために、破断時全伸びが支持部の破断時全伸びよりも大きい材料で作られた補助部材を支持部と組み合わせる。上記の車載構造を用いると、ブラケットの脆弱部に応力が集中することでまず脆弱部が破断する。脆弱部が破断した後、脆弱部を挟んで支持部の上側と下側を連結しており破断時全伸びが大きい補助部材が伸びることで衝突による衝撃が緩和される。衝突による衝撃で補助部材が伸びることによって、支持部に加わる荷重が直ちに小さくなり、破断を免れる。すなわち、上記の車載構造は、衝突による荷重に対するブラケットの耐久性を確保したまま、ブラケットの重量を軽量化することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

エンジンコンパートメント内の部品レイアウトの一例を示す上面図である。 エンジンコンパートメント内の部品レイアウトの一例を示す斜視図である。 ハウジングと電力変換器の側面図である。 ブラケットの拡大側面図である。 ブラケットに荷重がかかった際のハウジングと電力変換器の側面図である。 第２実施例の車載構造においてブラケットの拡大側面図である。

（第１実施例）図面を参照して実施例の車載構造を説明する。実施例の車載構造２は、走行用のモータ３とエンジン９８の双方を備えたハイブリッド車１００に適用されている。車載構造２は、モータ３を駆動する電力変換器２０をハウジング３０の上に固定する構造である。ハウジング３０は、モータ３と動力分配機構６とデファレンシャルギア４を収容している。説明を簡単にするために、以下では、「電力変換器２０」を略して「ＰＣＵ２０」と表記する。ＰＣＵは、Power Control Unitの略である。

図１と図２に、ハイブリッド車１００のエンジンコンパートメント９０におけるデバイスの配置を示す。図１は、エンジンコンパートメント９０を上方から見た図（上面図）であり、図２は、エンジンコンパートメント９０を斜め上方からみた斜視図である。ハイブリッド車１００のエンジンコンパートメント９０は、車両前部に位置する。なお、図中の座標系は、Ｆ軸が車両前方を示しており、Ｖ軸が車両上方を示しており、Ｈ軸は車幅方向（車両の側方）を示している。座標系の記号の意味は、以降の図でも同じである。

エンジンコンパートメント９０には、エンジン９８、ＰＣＵ２０、ハウジング３０などが配置されている。エンジンコンパートメント９０には他にも様々なデバイスが配置されているが、それらの図示は省略する。図１ではハウジング３０やエンジン９８などは模式化して描いてある。

先に述べたように、ハウジング３０には、モータ３のほか、動力分配機構６とデファレンシャルギア４が収容されている。動力分配機構６は、エンジン９８の出力トルクとモータ３の出力トルクを合成／分配するギアセットである。動力分配機構６は、状況に応じて、エンジン９８の出力トルクを分割してデファレンシャルギア４とモータ３へ伝達する。デファレンシャルギア４を内蔵しているので、ハウジング３０は、別言すれば、モータとトランスアクスルのケースである。ハウジング３０は、例えば、アルミニウムのダイキャスト、あるいは、削り出しで作られる。

エンジン９８とハウジング３０は、車幅方向で隣り合うように連結されている。エンジン９８とハウジング３０は、車両の構造強度を担保する２本のサイドメンバ９６、９７に懸架されている。

ＰＣＵ２０は、モータ３を駆動するデバイスである。より詳しくは、ＰＣＵ２０は、不図示の高電圧バッテリの電力を昇圧した後、交流に変換してモータ３へ供給する。ＰＣＵ２０は、また、モータ３が発電した交流電力を直流電力に変換し、さらに降圧する場合がある。降圧された電力によって高電圧バッテリが充電される。

詳しくは後述するが、ＰＣＵ２０は、ハウジング３０の上面との間に隙間を有して支持される。ＰＣＵ２０は、その前側がフロントブラケット１０によって支持されており、後側がリアブラケット４０によって支持されている。なお、図１、２においては、フロントブラケット１０とリアブラケット４０は、簡略化して図示していることに注意されたい。フロントブラケット１０とリアブラケット４０の詳細な構成は、図３〜５を用いて説明する。

ハウジング３０は強度が高く、また体格が大きい。それゆえ、ハウジング３０の上方に配置されるＰＣＵ２０には、ハイブリッド車１００が障害物と衝突したときの衝撃が伝わり難い。それでも、ハイブリッド車１００が高速で衝突したり、あるいは、オーバーラップ衝突と呼ばれる態様でハイブリッド車１００が衝突した場合、衝突の衝撃（衝突荷重）がＰＣＵ２０に及び得る。ここで、オーバーラップ衝突について簡単に説明する。互いに反対方向から走行してくる２台の自動車の衝突を想定する。走行方向からみて２台の車両が完全にオーバーラップしつつ衝突する場合と比較して、２台の車両が走行方向からみて一部がオーバーラップしつつ衝突する場合に衝撃（衝突荷重）が大きくなる。米国道路安全保険協会（Insurance Institute for Highway Safety, IIHS）は、衝突に関する様々な衝突モードを規定しており、その中に、「スモールオーバーラップ」と呼ばれる衝突モードがある。この「スモールオーバーラップ」は、自動車前面の２５％（車幅方向の２５％）だけが障害物（相手車両）とオーバーラップした状態での衝突を想定したものである。図１に示すように、車幅Ｌのハイブリッド車１００において、前面車幅方向のＬ／４の範囲が障害物９９と衝突する場合がスモールオーバーラップ衝突である。この場合、衝突の衝撃（衝突荷重）は、Ｌ／４の範囲に集中し、障害物９９がエンジンコンパートメント９０の奥深い位置まで侵入する。障害物９９（あるいはその障害物９９によって後退する他の部品）がＰＣＵ２０に衝突すると、前方からＰＣＵ２０に大きな衝突荷重が加わる。詳しくは後述するが、ＰＣＵ２０は、前後をフロントブラケット１０とリアブラケット４０によって、ハウジング３０の上方に隙間を有して支持されている。前方からＰＣＵ２０に大きな衝突荷重が加わると、フロントブラケット１０とリアブラケット４０が後方に向けて変形し、ＰＣＵ２０がハウジング３０とぶつかる虞がある。本実施例で説明する技術は、そのときにＰＣＵ２０が受ける荷重を緩和する。

図１、２とともに図３を参照してハウジング３０とＰＣＵ２０の関係を詳しく説明する。図３は、車載構造２を説明する側面図である。「側面」とは、車幅方向（図中のＨ軸方向）から見たときの図である。

ＰＣＵ２０とハウジング３０は、６本のパワーケーブル２１で繋がっている。パワーケーブル２１は、ＰＣＵ２０からモータ３へ電力を送るためのワイヤハーネスである。説明を省略したが、ハウジング３０には２個の３相交流モータが収容されており、６本のパワーケーブルは２組の３相交流を伝送する。符号３１は、ハウジング３０の上面３０ａに設けられているパワーケーブル端子を示している。ハウジング３０には２個のモータが収容されているが、以下では、一方のモータ（モータ３）に着目して説明を続ける。

先に述べたように、ハウジング３０には、モータ３と動力分配機構６とデファレンシャルギア４が収容されている。ハウジング３０の内部では、モータ３の出力軸３ａと動力分配機構６の主軸６ａとデファレンシャルギア４の主軸４ａが平行に並んでいる。それら３本の軸は車幅方向に伸びている。図３に示すように、３本の軸は、車幅方向からみて三角形をなすように配置されている。３本の軸の配置のため、ハウジング３０の上面３０ａは、前下がりに傾斜している。それゆえ、上面３０ａの上方に支持されるＰＣＵ２０も、前下がりに傾斜して配置される。

ＰＣＵ２０は、フロントブラケット１０とリアブラケット４０によりハウジング３０の上方に支持されている。フロントブラケット１０は、ＰＣＵ２０の前面２０ａを支持し、リアブラケット４０はＰＣＵ２０の後面を支持する。ＰＣＵ２０の下面２０ｂとハウジング３０の間には、間隔Ｇの隙間ＳＰが確保されている。この隙間ＳＰは、フロントブラケット１０とリアブラケット４０によって確保される。間隔Ｇは、ＰＣＵ２０の下面２０ｂと、ハウジング３０の上面３０ａとの間の最短距離を意味する。

フロントブラケット１０は、ハウジング３０に固定されるベース部１３と、ベース部１３からＰＣＵ２０へと延びている支持部１１を備えている。別言すれば、支持部１１は、ベース部１３から上方へと延びている。ベース部１３がボルト５２によってハウジング３０の上面３０ａに固定され、支持部１１の上部がボルト５１によってＰＣＵ２０の前面２０ａに連結される。支持部１１の上部とＰＣＵ２０との間には防振ブッシュ１２が挟まれている。図２に示されているように、フロントブラケット１０は、車幅方向に並んだ２個のボルトによってハウジング３０に固定され、車幅方向に並んだ２個の別のボルトによってＰＣＵ２０に連結される。

詳しい説明は省略するが、リアブラケット４０もフロントブラケット１０と同様の構造を有している。リアブラケット４０も、ハウジング３０に固定されるベース部と、ベース部からＰＣＵ２０へ延びている支持部を備えている。リアブラケット４０のベース部がボルト５４によってハウジング３０の上面３０ａに固定されている。リアブラケット４０の支持部の上部がボルト５３によってＰＣＵ２０の後面に固定されている。リアブラケット４０の支持部の上部とＰＣＵ２０の後面との間には防振ブッシュ４２が挟まれている。

モータ３と動力分配機構６とデファレンシャルギア４は走行中に激しく振動する。また、エンジン９８がハウジング３０に連結されているため、エンジン９８によってもハウジング３０が激しく振動する。ハウジング３０の振動からＰＣＵ２０を保護するため、ＰＣＵ２０は、ハウジング３０の上方に間隔Ｇの隙間ＳＰを有して支持されており、また、防振ブッシュ１２、４２を介してフロントブラケット１０とリアブラケット４０で支持されている。

次に、図４を用いて、フロントブラケット１０の詳細な構成を説明する。図４は、図３におけるフロントブラケット１０の拡大図である。なお、リアブラケット４０もフロントブラケット１０と同様の構造を有しているので、リアブラケット４０の説明は省略する。フロントブラケット１０は、上述した支持部１１のベース部１３との連結箇所とＰＣＵ２０との連結箇所の間に、他の部位より強度が低い脆弱部１４を備える。また、当該脆弱部１４を挟んで支持部１１の上側と下側を補助部材１５が連結している。補助部材１５は、ボルト６１により支持部１１の上側と、ボルト６２により支持部１１の下側と連結している。支持部１１は、例えば比較的材料の密度が低い金属であるアルミニウムで形成されている。補助部材１５は、アルミニウムよりも材料の密度が高い鉄などで形成されている。別言すれば、支持部１１の材料の密度が補助部材１５の材料の密度よりも低い。さらに、補助部材１５の破断時全伸びは、支持部１１の破断時全伸びよりも大きい。

脆弱部１４には、例えば図４に示すように切欠きが設けられている。切欠きであることで、後述するように、応力集中がしやすく、かつ支持部１１の上側と支持部１１の下側がつながっているので走行時の振動を抑制することができる。脆弱部には、切欠きに代えて、くぼみを設けたり、支持部１１の短手方向に貫通孔を設けたりして他の部位よりも強度を低くしてもよい。また、補助部材１５は、ボルト６１、６２により支持部１１と連結することで締結強度を高くすることができ、後述するように脆弱部１４より先に支持部１１の脆弱部１４以外の部位が破断する可能性を抑制することができる。補助部材１５は、鋳込みや溶接やかしめなどによって支持部１１と連結していてもよい。

次に、図５を用いてフロントブラケット１０の効果について説明する。図５は、図３のブラケットに荷重がかかった際のハウジング３０とＰＣＵ２０の側面図である。なお、リアブラケット４０もフロントブラケット１０と同様の効果を有するので、リアブラケット４０の効果の説明は省略する。フロントブラケット１０は、荷重Ｗを受けると、まず他の部位よりも強度の弱い脆弱部１４が破断する。別言すれば、脆弱部１４は、割れて脆弱部１４の上側と下側が分離する。そして、荷重Ｗは、さらに補助部材１５に伝わり、破断時全伸びが大きい鉄などで形成される補助部材１５が伸びることで、荷重Ｗを吸収する。脆弱部１４に、切欠きが設けられていることで、応力集中がしやすく、フロントブラケット１０が荷重Ｗを受けた際に、他の部位よりも割れやすくなる。別言すれば、フロントブラケット１０は、脆弱部１４を割り、補助部材１５が伸びることで、荷重Ｗに耐える。このように、フロントブラケット１０は、支持部１１とベース部１３に材料密度の低いアルミニウムを用いることで、重量を軽くすることができ、かつ材料密度が高く破断時全伸びが高い補助部材１５を支持部１１に連結することで、耐久性を確保することができる。

（第２実施例）図６を用いて、第２実施例のフロントブラケット１１０を説明する。ただし、フロントブラケット１０と共通する部分は適宜説明を省略する。図６では、ベース部１１３は図示しないハウジングにボルト１５２で固定されている。また、図示しないＰＣＵにも固定されているがこの点は省略する。フロントブラケット１１０は、フロントブラケット１０と同様にベース部１１３と支持部１１１を有する。フロントブラケット１１０では、フロントブラケット１０とは異なり、支持部１１１は上下に二分割されている。別言すれば、二分割された支持部の上部１１１ａと下部１１１ｂとの間には空間１１４が形成される。また、二分割された上部１１１ａと下部１１１ｂが補助部材１１５によって連結されている。図６では、上部１１１ａがボルト１６１で、下部１１１ｂがボルト１６２で、それぞれ補助部材１１５に連結されている。

フロントブラケット１１０も、荷重Ｗを受けると、荷重Ｗは、補助部材１５に伝わり、破断時全伸びが大きい鉄などで形成される補助部材１１５が伸びることで、荷重Ｗを吸収する。すなわち、フロントブラケット１１０は、支持部１１１とベース部１１３に材料密度の低いアルミニウムを用いることで、重量を軽くすることができ、かつ材料密度が高く破断時全伸びが高い補助部材１１５を支持部１１１に連結することで、耐久性を確保することができる。

第２実施例の車載構造は、第１実施例の車載構造において、脆弱部を有する支持部に代えて二分割された支持部を採用する。第２実施例の車載構造は、以下のように表現することができる。すなわち、第２実施例の車載構造は、電源電力をモータの駆動電力に変換する電力変換器の車載構造であって、電力変換器は、少なくとも２個のブラケットによって、モータを格納するモータハウジングの上面との間に隙間を有して支持されている。少なくとも１個のブラケットは、モータハウジングに固定されるベース部と、ベース部から延びており、上端が電力変換器に連結されている支持部と、を備えている。支持部は上下に二分割されているとともに、二分割された上部と下部が補助部材によって連結されている。支持部の材料の密度が補強部材の材料の密度よりも低く、かつ、補助部材の破断時全伸びが支持部の破断時全伸びよりも大きい。この車載構造は、先の脆弱部を有する支持部に代えて、支持部を上下に二分割する。この車載構造によっても、先の脆弱部を有する支持部を採用した車載構造と同じ効果が得られる。

実施例で説明した技術に関する留意点を以下述べる。まず、支持部とベース部にアルミニウムを用いることで、支持部とベース部についてアルミダイガストでの製造が可能となるため、設計自由度を高くすることができる。また、実施例で説明した技術は、走行用のモータに限られるものではない。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：車載構造
３ ：モータ
４ ：デファレンシャルギア
６ ：動力分配機構
１０、１１０：フロントブラケット
１１、１１１：支持部
１２、４２：防振ブッシュ
１３、１１３：ベース部
１４：脆弱部
１５、１１５：補助部材
２０：電力変換器（ＰＣＵ）
２１：パワーケーブル
３０：ハウジング
４０：リアブラケット
５１、５２、５３、５４、６１、６２、１６１、１６２：ボルト
９０：エンジンコンパートメント
９６、９７：サイドメンバ
９８：エンジン
１００：ハイブリッド車
１１４：空間
Ｌ ：車幅
ＳＰ：隙間

Claims (1)

1. 電源電力をモータの駆動電力に変換する電力変換器の車載構造であって、
   前記電力変換器は、少なくとも２個のブラケットによって、前記モータを格納するモータハウジングの上面との間に隙間を有して支持されており、
   少なくとも１個の前記ブラケットは、前記モータハウジングに固定されるベース部と、前記ベース部から延びており、上端が前記電力変換器に連結されている支持部と、を備えており、
   前記支持部の前記ベース部との連結箇所と前記電力変換器との連結箇所の間に、他の部位より強度が低い脆弱部が設けられているとともに、当該脆弱部を挟んで支持部の上側と下側を補助部材が連結しており、
   前記支持部の材料の密度が前記補強部材の材料の密度よりも低く、かつ、前記補助部材の破断時全伸びが前記支持部の破断時全伸びよりも大きい、車載構造。
   

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