JP4984404B2 - 車両用電源ユニット - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車において電力を供給する車両用電源ユニットに関する。

電気自動車やハイブリッド自動車の電源として、複数の単電池を平面方向および積層方向に配列して、直列接続した電池が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

このような電池は、電力の供給や制御のために、他の機器と接続され、共に車両に搭載されている。電池に接続されるものとしては、制御信号などの比較的低電圧が印加される弱電ユニットと、供給電力などの比較的高電圧が印加される強電ユニットとの大きく２つがある。

弱電ユニットには、たとえば、制御ユニットが含まれる。制御ユニットは、個々の単電池の電圧や電流を検出し、各単電池の容量ばらつきを抑えたり、入出電力を制御したりする。

強電ユニットには、たとえば、リレーユニット（継電器）や、スイッチユニットが含まれる。リレーユニットは、車載の電動機（負荷）と電池とを電気的に接続する正負給電母線に設けられ、電動機と電池との電気的接続または切断を選択可能とする。スイッチユニットは、所定個数の単電池で分けられたサブモジュール間に設けられ、サブモジュール間の電気的接続または切断を可能とし、メンテナンス時などに、作業者の操作に従って、電池を低電圧なサブモジュールごとに分離する。

電池、弱電ユニットおよび強電ユニットを含む車両用電源ユニットは、たとえば、トランクルームに載置されている。
特開２００４−１４５２０号公報

しかし、車両用電源ユニットをそのまま搭載したのでは、次のような問題点がある。

近年の車両は、衝突時には、車体の一部を故意に変形させて、衝撃力を吸収している。この変形のための領域は、クラッシャブルゾーンと呼ばれている。しかし、車両用電源ユニットが車両前後方向に広がっていると、クラッシャブルゾーンの確保のために、他の構成に変更や工夫が必要になってしまう。これでは構造が複雑になる。

また、トランクルームに車両用電源ユニットを配置すると、後部座席のシートバック（背もたれ）をトランク側に倒したときに車両用電源ユニットの上面に座席のシートバック背面が当たって、後部座席の可動範囲が制限される。

また、近年の車両には、トランクルームと室内とを連通する、いわゆるトランクスルー機能が採用されているものがある。トランクスルーを適用する際には、後部座席のシートバックを室内側（前側）に倒して、トランクルームの床面と後部座席シートバックの背面とを使って、長尺物（長さの長い荷物）を積載可能とするが、車両用電源ユニットの高さが高いと荷物を積み難い。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電池、弱電ユニットおよび強電ユニットの配置関係を考慮することによって、車両の各種機能を妨げない車両用電源ユニットを提供することを目的とする。

本発明の車両用電源ユニットは、車両に搭載された電気負荷に供給する電力を発生する電池と、前記電池に接続され、前記電池の電圧値または電流値を検出し、検出結果に基づいて電池の充放電を制御する制御装置を含む弱電ユニットと、前記電池の正極端子および負極端子の少なくとも一方と前記電気負荷との間に配置される継電器を含み、前記弱電ユニットよりも高電圧が印加される強電ユニットと、を有し、前記電池は、複数の単電池が直列接続されてなり、該複数の単電池を所定個数で分けた２つのサブモジュールが導電ハーネスを介して電気的に接続されており、前記強電ユニットおよび前記弱電ユニットは、前記サブモジュール間に挟まれて配置され、２つの前記サブモジュール間において、車両高さ方向に前記強電ユニットが前記弱電ユニットの下方となるよう積層して配置され、且つ、前記強電ユニットおよび前記弱電ユニットは、前記車両高さ方向から見て重なっており、トランクルームに載置されている。

車両前後方向および高さ方向の寸法を最小にできる。結果として、車両衝突時の衝撃を変形により吸収するためのクラッシャブルゾーンを、車両前後方向に広く確保できる。加えて、車両高さ方向の寸法を最小にできるので、車両用電源ユニットをトランクルームに配置した場合には、車両用電源ユニットに当たらないように、後部座席を後ろに下げられる可動範囲を広くできる。また、トランクルームと室内とを連通する、いわゆるトランクスルーの適用時にも、車両用電源ユニットに邪魔されず、後部座席を倒せる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

本実施形態は、車両に搭載された車両用電源ユニット、特に、車両用電源ユニットの構造に特徴を有する。最初に、車両用電源ユニットの概略構成について説明する。

図１は車両に搭載されている車両用電源ユニットを示す図、図２は車両用電源ユニットの概略構成を示す図である。

図１に示すように、車両には、車両用電源ユニット１０が搭載されている。車両用電源ユニット１０は、電池２０、弱電ユニット３０、強電ユニット４０が車両幅方向に並んで配置されている。

電池２０は、車両に搭載されたモータ９０などの電気負荷に供給する電力を発生する。図２に示すように、電池２０は、複数の単電池２２により構成されている。単電池２２は、ラミネートパックされた扁平型電池である。所定個数の単電池２２を積層したものが複数列並べられ、直列接続されて、電池２０として構成されている。

なお、電池２０は、図１では一箇所にまとめて配置されているが、直列接続されていれば、分割して配置されてもよい。この場合、単電池２２を所定個数で分けてサブモジュール２４を形成し、サブモジュール２４同士を導電ハーネス４６により接続して、適切な場所にそれぞれ配置する。なお、電池はサブモジュール２４に分割されない場合でも、図１に示すように、直列接続の途中にスイッチユニットが設けられる。電池とスイッチユニットとは、導電ハーネス４６により接続される。電池２０は、図中において「ＢＡＴ」と示す。

弱電ユニット３０は、制御装置を含み、検出信号や制御信号などの比較的低電圧が印加されるユニットである。弱電ユニット３０は、複数の検出線（弱電ライン）３２を有する。検出線３２は、電池２０を構成する各単電池２２にそれぞれ接続される。弱電ユニット３０は、検出線３２を介して各単電池２２の電圧値または電流値を検出する。検出結果に基づいて、弱電ユニット３０は、各単電池２２の容量のばらつきや入出力電力等を制御するための制御回路を備えている。弱電ユニット３０は、図中において「ＬＢ／Ｃ」と示す。

強電ユニット４０は、電源電圧などの比較的高電圧が印加されるユニットである。強電ユニット４０には、図２に示すような、リレーユニット（継電器）４２や、スイッチユニット４４が含まれる。

リレーユニット４２には、さらに、正極リレー４２１と負極リレー４２３とが含まれる。正極リレー４２１は、電池２０の正極端子２４１とモータ９０とを接続する給電母線４８上に設けられ、負極リレー４２３は、電池２０の負極端子２４３とモータ９０とを接続する給電母線４８上に設けられる。正極リレー４２１および負極リレー４２３は、図示しない制御ユニットに接続されており、必要に応じて、電池２０とモータ９０との電気的接続または切断が選択的に切り替えられる。

スイッチユニット４４は、図２に示すように、電池２０を所定個数の単電池２２で分けたサブモジュール２４間に設けられ、サブモジュール２４間の電気的接続または切断を可能とする。これにより、メンテナンス時などに、作業者の操作に従って、電池２０を低電圧なサブモジュール２４ごとに分離できる。図中において、強電ユニット４０に含まれる正極リレー４２１は「Ｒ＋」、負極リレー４２３は「Ｒ−」と示し、スイッチユニット４４は「ＳＷ」と示す。リレーユニット４２およびスイッチユニット４４を含んだ強電ユニット４０を、「Ｊ／Ｂ」と示す。

通常、電池２０とモータ９０との間には、図２に示すように、インバータ９２が設けられており、電池２０の直流電流がモータ駆動用の交流電流に変換される。

以上のような接続関係に従って、車両用電源ユニット１０は、車両に搭載される。次に、車両用電源ユニット１０における各構成が車両幅方向に具体的にどのように並べて配置されるか配置例を説明する。なお、以下の配置例１〜４では、特に説明する場合を除いて、車両用電源ユニット１０が、図１に示すように、車両の後部側に配置されているものとする。

（配置例１）
図３は車両用電源ユニットの配置例であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は車両前方側から見た正面図である。なお、図中において、太線は強電が印加される配線である強電ライン、細線は弱電が印加される配線である弱電ラインを示す。

配置例１では、図３に示すように、２つに分割された電池２０のサブモジュール２４の間に、弱電ユニット３０と強電ユニット４０が挟まれて配置されている。

電池２０は、複数の単電池２２を所定個数で分けた２つのサブモジュール２４に分割されている。サブモジュール２４は、いずれも、正極端子２４１および負極端子２４３が車両中央側の側面に設けられている。一方のサブモジュール２４の正極端子２４１と他方のサブモジュール２４の負極端子２４３とが導電ハーネス４６および強電ユニット４０内のスイッチユニット４４を介して電気的に直列接続されている。

また、サブモジュール２４の他の電極端子は、給電母線４８、強電ユニット４０内の正極リレー４２１および負極リレー４２３を介して、モータ９０などの電気負荷に接続されている。

導電ハーネス４６および給電母線４８は、後述する検出線３２よりも１本が太いが、図示の通りの本数だけで十分である。したがって、導電ハーネス４６および給電母線４８は、低密度に設けられる。

弱電ユニット３０からは、各単電池２２の電圧または電流を検出し、さらに、各単電池２２の充放電を制御するために複数の検出線（制御線）３２が延びている。検出線３２は、少なくともサブモジュール２４に含まれる単電池２２の個数分必要である。したがって、検出線３２は複数が高密度に弱電ユニット３０およびサブモジュール２４間に設けられる。図面の明確のため、図中では、大部分の検出線３２の図示を省略している。

強電ユニット４０および弱電ユニット３０は、図３（Ｂ）に示すように、車両高さ方向に積層して配置されている。

図３に示すように、強電が印加される配線、すなわち、強電ユニット４０と電池２０とを接続する給電母線４８は、電池２０の電極端子が設けられている面側に配線されている。車両用電源ユニット１０は、給電母線４８が車両中央側に設けられるように、車両に搭載される。すなわち、図１に示すように車両用電源ユニット１０が車両後部に配置されている場合、車両前側に給電母線４８が来るように配置される。車両用電源ユニット１０が車両前部に配置されれば、車両後側に給電母線４８がくるように、車両用電源ユニット１０が配置される。

また、図３（Ａ）に太い矢印で示すように、検出線３２よりも低密度の給電母線４８および導電ハーネス４６側から冷却風（冷却媒体）が供給される。

以上のように、図３に示す配置例１によれば、車両用電源ユニット１０は、電池２０、弱電ユニット３０、強電ユニット４０が車両幅方向に並んで配置されている。したがって、車両前後方向および高さ方向の寸法を最小にできる。結果として、車両衝突時の衝撃を変形により吸収するためのクラッシャブルゾーンを、車両前後方向に広く確保できる。

加えて、車両高さ方向の寸法を最小にできるので、車両用電源ユニット１０をトランクルームに配置した場合には、車両用電源ユニット１０に当たらないように、後部座席のシートバックを倒せる可動範囲を広くできる。また、トランクルームと室内とを連通する、いわゆるトランクスルーの適用時にも、車両用電源ユニット１０に邪魔されず、荷物を積むことができる。

また、強電が印加される給電母線４８が車両中央側に設けられるように、車両用電源ユニット１０が配置されている。したがって、車両衝突によりクラッシャブルゾーンがつぶれても、給電母線４８が守られる。結果として、事故時にも車両の機能停止を回避できる可能性が高くなる。

さらに、検出線３２よりも低密度の給電母線４８および導電ハーネス４６側から冷却風が供給される。したがって、冷却風が給電母線４８および導電ハーネス４６を通り抜けて、電池２０を冷却できる。

（配置例２）
図４は車両用電源ユニットの他の配置例であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は車両前方側から見た正面図である。なお、図中において、太線は強電が印加される配線である強電ライン、細線は弱電が印加される配線である弱電ラインを示す。

配置例２では、図４に示すように、弱電ユニット３０および強電ユニット４０が電池２０を挟んで配置されている。

電池２０は、配置例１とは異なり、サブモジュール２４に分割されず、まとめて同じ場所に配置されている。

電池２０は、複数の単電池２２が直列接続されてなる。図２に示すように、単電池２２の直列接続の中間において、導電ハーネス４６が電池２０外部に引き出され、強電ユニット４０のスイッチユニット４４に接続されている。

電池２０の正極端子２４１および負極端子２４３は、強電ユニット４０の正極リレー４２１および負極リレー４２３を介して、モータ９０に接続されている。

弱電ユニット３０は、検出線３２を介して、電池２０の各単電池２２に接続されている。配置例１と略同様に、検出線３２の大部分の図示は省略している。

以上のように、配置例２では、配置例１と同様の効果に加えて、次の効果を奏する。配置例２では、強電ユニット４０および弱電ユニット３０を、電池２０を挟んで両端に配置している。したがって、強電ラインと弱電ラインとを略左右に分割でき、十分な距離を確保できる。特に、強電ユニット４０に含まれるスイッチユニット４４が、弱電ユニット３０と離れるので、特別な構成を設けなくても、スイッチユニット４４の接続または切断によるノイズの影響を、弱電ユニット３０が受けない。結果として、弱電ユニット３０による検出や制御を確実に実行できる。

なお、配置例２を採用する場合、たとえば、図４（Ａ）において、左下から右上方向に向かって冷却風を供給すれば、電池２０の冷却効率を向上できる。図４（Ａ）中の車両用電源ユニット１０の左下側には、密度が小さい強電ラインのみが配置されており、冷却風の供給の妨げにならないからである。

（配置例３）
図５は車両用電源ユニットの他の配置例であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は車両前方側から見た正面図である。なお、図中において、太線は強電が印加される配線である強電ライン、細線は弱電が印加される配線である弱電ラインを示す。

配置例３では、図５に示すように、２つに分割された電池２０のサブモジュール２４の間に、弱電ユニット３０と強電ユニット４０が挟まれて配置されている。

一方のサブモジュール２４の正極端子２４１と他方のサブモジュール２４の負極端子２４３とが導電ハーネス４６および強電ユニット４０内のスイッチユニット４４を介して電気的に直列接続されている。

また、サブモジュール２４の他の電極端子は、給電母線４８、強電ユニット４０内の正極リレー４２１および負極リレー４２３を介して、モータ９０などの電気負荷に接続されている。

弱電ユニット３０は、検出線３２を介して、両サブモジュール２４に接続されている。

強電ユニット４０および弱電ユニット３０は、配置例１とは異なり、２つのサブモジュール２４間において、車両幅方向に並べて配置されている。

以上のように、配置例３によれば、配置例１と略同様の効果に加えて、次の効果を奏する。強電ユニット４０が配列の中央に位置するので、配線が短くて済み、配線作業効率を向上できる。また、弱電ユニット３０も配列の中央に位置するので、配線が最短となり、配線作業効率を向上できる。

さらに、図５（Ｂ）に示すように、弱電ラインおよび強電ラインを上下に配線できる。したがって、図５（Ａ）中、太矢印で示すように冷却風を供給しても、流路の妨げにならず、電池２０を効率良く冷却できる。

（配置例４）
図６は車両用電源ユニットの他の配置例であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は車両前方側から見た正面図である。なお、図中において、太線は強電が印加される配線である強電ライン、細線は弱電が印加される配線である弱電ラインを示す。

配置例４では、図６に示すように、電池２０が２つのサブモジュール２４に分割されている。弱電ユニット３０およびスイッチユニット４４は２つのサブモジュール２４間に配置され、２つのサブモジュール２４は正極リレー４２１および負極リレー４２３間に配置されている。配置例４では、配置例１〜３と異なり、強電ユニット４０に含まれるスイッチユニット４４およびリレーユニット４２が同じ場所ではなく別々の場所に設けられている。

一方のサブモジュール２４の正極端子２４１と他方のサブモジュール２４の負極端子２４３とが導電ハーネス４６および強電ユニット４０内のスイッチユニット４４を介して電気的に直列接続されている。

また、サブモジュール２４の他の電極端子は、給電母線４８、強電ユニット４０内の正極リレー４２１および負極リレー４２３を介して、モータ９０などの電気負荷に接続されている。

弱電ユニット３０は、検出線３２を介して、両サブモジュール２４に接続されている。

弱電ユニット３０とスイッチユニット４４とは、サブモジュール２４間において、車両前後方向に並べて配置される。

以上のように、配置例４によれば、配置例１と略同様の効果に加えて、次の効果を奏する。強電ユニット４０のうち、スイッチユニット４４がサブモジュール２４間に位置し、リレーユニット４２がサブモジュール２４両端に位置するので、強電ラインの配線を配置例３よりも短くできる。したがって、車両用電源ユニット１０の配線時の配線作業をより容易にできる。また、配置例３と同様に、サブモジュール２４間に弱電ユニット３０は位置するので、弱電ラインを最短にでき、配線作業効率を向上できる。

弱電ユニット３０とリレーユニット４２とがサブモジュール２４により分離されて十分な距離が確保されている。したがって、特別な構成を設けなくても、スイッチユニット４４の接続または切断によるノイズの影響を、弱電ユニット３０が受けない。結果として、弱電ユニット３０による検出や制御を確実に実行できる。

車両に搭載されている車両用電源ユニットを示す図である。 車両用電源ユニットの概略構成を示す図である。 車両用電源ユニットの配置例であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は車両前方側から見た正面図である。 車両用電源ユニットの他の配置例であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は車両前方側から見た正面図である。 車両用電源ユニットの他の配置例であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は車両前方側から見た正面図である。 車両用電源ユニットの他の配置例であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は車両前方側から見た正面図である。

符号の説明

１０…車両用電源ユニット、
２０…電池、
２２…単電池、
２４…サブモジュール、
３０…弱電ユニット、
３２…検出線、
４０…強電ユニット、
４２…リレーユニット、
４４…スイッチユニット、
４６…導電ハーネス、
４８…給電母線、
９０…モータ、
９２…インバータ、
２４１…正極端子、
２４３…負極端子、
４２１…正極リレー、
４２３…負極リレー。

Claims (1)

1. 車両に搭載された電気負荷に供給する電力を発生する電池と、
   前記電池に接続され、前記電池の電圧値または電流値を検出し、検出結果に基づいて電池の充放電を制御する制御装置を含む弱電ユニットと、
   前記電池の正極端子および負極端子の少なくとも一方と前記電気負荷との間に配置される継電器を含み、前記弱電ユニットよりも高電圧が印加される強電ユニットと、
   を有し、
   前記電池は、複数の単電池が直列接続されてなり、該複数の単電池を所定個数で分けた２つのサブモジュールが導電ハーネスを介して電気的に接続されており、
   前記強電ユニットおよび前記弱電ユニットは、前記サブモジュール間に挟まれて配置され、２つの前記サブモジュール間において、車両高さ方向に前記強電ユニットが前記弱電ユニットの下方となるよう積層して配置され、且つ、
   前記強電ユニットおよび前記弱電ユニットは、前記車両高さ方向から見て重なっており、トランクルームに載置されている車両用電源ユニット。

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