JP5270702B2 - 車両用機器搭載構造 - Google Patents

Description

車室より前方に設けられた区画に、車両を駆動する回転電機を収容したモータケースを配置し、回転電機の制御を行う電力制御装置と、電力制御装置の制御部に電力を供給する補機バッテリと、を搭載する車両用機器搭載構造に関する。

従来から、モータジェネレータ等の回転電機の駆動力により車両を駆動する電気自動車、内燃機関であるエンジンと回転電機とを組み合わせたハイブリッド自動車、及び、燃料電池により発電した電力により車両を駆動する燃料電池自動車等が知られている。このような車両は、主バッテリ又は燃料電池から電力の供給を受け、モータジェネレータ（以下、モータとも呼ぶ）への電力を制御する昇圧コンバータやインバータ等を有する電力制御装置を有している。

電力制御装置は、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）とも呼ばれ、高電圧・高電流を扱うため、モータジェネレータの近くであるエンジンコンパートメントに搭載する必要がある。このため、モータジェネレータでエンジンを起動するハイブリッド車両では、エンジン起動用の補機バッテリはセルモータに電力を供給せず、エンジン近傍に配置する必要がないこと、及び、ＰＣＵをエンジンコンパートメントに配置するスペースの都合により、補機バッテリをラゲージルームに配置していた。

近年、高電圧機器の小型化が進むことで、補機バッテリをエンジンコンパートメント内、かつ、電力制御装置の近傍に配置することが可能になった。例えば、特許文献１には、電力制御装置を小型化することにより、複軸を形成する第１のモータジェネレータと、第１のモータジェネレータの軸線と平行に配設された第２のモータジェネレータと、これら複軸と平行な第３軸上に配設されたデファレンシャルギアと、を有するトランスアクスル（モータケースともいう）上に、第１のモータジェネレータと第２のモータジェネレータとを駆動する電力制御装置をトランスアクスル上に固定する技術が開示されている。この技術を用いることにより、電力制御装置の小型化と配線の簡素化とが実現可能である。

しかしながら、補機バッテリを電力制御装置の近傍に配置する場合には、米国運輸省の道路交通安全局（ＮＨＴＳＡ）からの衝突時の法規（ＦＭＶＳＳ３０５：Federal Motor Vehicle Safety Standard）に対応し、車両の衝突時における電力制御装置の保護・急速放電を円滑に行うため、補機バッテリと電力制御装置との干渉を避けることが必要となる。そこで、特許文献２には車両衝突時において、バリア（障害物）侵入により補機バッテリが後方へ移動することで補機バッテリからガイド面を介して伝達される荷重により、リレーボックスが上方に移動して車体から分離する離脱機構を有し、この機構によりバッテリがスムーズに後方へ移動する構造が開示されている。このようなリレーボックスの離脱構造により、衝突の衝撃で移動する他部材と車両用機器とが干渉するのを防止して衝撃吸収性能を高めることが可能となる。

また、補機バッテリは１２ボルトと比較的低電圧であるため破損による被害が少ないものの、数百ボルトの高電圧を制御する電力制御装置の損傷は最小限に抑えることが望まれている。そこで、特許文献３には車両衝突時において、電力制御装置自身を保護するために電力制御装置の前端がトランスアクスル前端よりも車両後方側に奥まった位置に搭載し、電力制御装置の車両後方側に電動圧縮機を配置する機器搭載構造が開示され、この位置に補機バッテリを搭載することで補機バッテリの保護が容易となる。

また、特許文献４には、インバータ等の電力制御装置自身を保護するため、衝突時、インバータに外力が加わるとインバータとインバータブラケットとが、フロントメンバに取り付けられているインバータトレイから離脱するインバータ離脱機構が開示されている。

特開２００１−３５４０４０号公報 特開２００２−３６２２５４号公報 特開２０１０−１５８９９１号公報 特開２００９−９０８１８号公報

上述した特許文献１と特許文献３にはトランスアクスル上に電力制御装置を固定する技術が開示されているが、他の機器との関係により電力制御装置の車両前方に補機バッテリを搭載するようなレイアウトでは、補機バッテリの比較的強度が高い角部が電力制御装置に部分的に接触し、電力制御装置のケースに反力が発生する。この反力が電力制御装置のケースの剛性を上回ると電力制御装置内の回路が壊れ、このようなレイアウトでは、衝突時に電力制御装置内の回路を用いた急速放電が困難になる場合がある。

そこで、このような電力制御装置内の回路を保護するためには、補機バッテリに押されて発生する反力以上に電力制御装置のケース剛性を高める、または、特許文献のように衝突時に電力制御装置をトランスアクスルから離脱させることで反力を逃がすことが考えられる。しかし、前者の場合には電力制御装置のケース剛性を強化するために板厚を厚くする必要があり、電力制御装置のコストアップ、重量アップ、及び体格アップとなる。また、後者の場合には、電力制御装置を車両の構造部材に離脱構造と共に取り付ける必要があり、取り付け場所の制限がある。

そこで、本発明に係る車両用機器搭載構造は、車両の衝突時において、電力制御装置などの車両搭載機器が他の部材と衝突することを抑制し、電力制御装置などの車両搭載機器の損傷を抑制することのできる車両機器搭載構造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、本発明に係る車両用機器搭載構造は、車室より前方に設けられた区画に、車両を駆動する回転電機を収容したモータケースを配置し、モータケースに移動可能に連結され、回転電機の制御を行う電力制御装置と、電力制御装置の車両前方側に配置され、電力制御装置の制御部に電力を供給する補機バッテリと、車両を駆動するための電力を電力制御装置を介して回転電機に供給する主バッテリと、電力制御装置と主バッテリとを接続するケーブルと、を搭載する車両用機器搭載構造において、電力制御装置に一体に取り付けられるベース板と、ベース板に設けられ、車両前後方向にのび、電力制御装置を車両後方に案内する距離を規定するガイド孔と、ガイド孔を通してベース板をモータケース上面に所定の締結力で連結する連結部材と、を有し、ケーブルは、ガイド孔で規定される距離よりも長い余長を有し、補機バッテリは、車両前方からの衝撃荷重による車両後方への移動によって電力制御装置が車両後方に押し込まれるように設けられ、電力制御装置は、補機バッテリの移動によって加わった車両後方に押し込まれる力が、連結部材によるモータケースとベース板とを連結する力を上回った場合に車両後方へ移動し、連結部材は、ガイド孔の車両前方側端にあたることによって電力制御装置の車両後方への移動を制限し、ケーブルは、電力制御装置が車両後方に移動した際に電力制御装置との接続を継続することを特徴とする。

本発明に係る車両用機器搭載構造において、モータケース上面は、車両前方側が車両後方側よりも低くなるように形成され、電力制御装置の移動の際に、モータケース上面とベース板との間に摩擦抵抗と重力方向の抵抗荷重とを生じさせることを特徴とする。また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、補機バッテリの最後端部が、電力制御装置の最前端部よりも車両前方側となるように配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、補機バッテリの一部が、電力制御装置の側方側に位置するように配置し、補機バッテリは、車両前方からの衝撃荷重により、電力制御装置の側方側を通過しつつ車両後方へ移動することを特徴とする。

また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、電力制御装置は、ガイド孔と連結部材とにより、移動方向が一方向に規定されることを特徴とする。

また、本発明に係る車両用機器搭載構造において、モータケースは２つの回転電機を有する複軸式トランスアクスルであることを特徴とする。

本発明に係る車両用機器搭載構造を適用することにより、トランスアクスル上に電力制御装置を搭載することで確保されたトランスアクスル前方のスペースに、補機バッテリを搭載しながら、衝突時には補機バッテリに押されることにより生じる反力を電力制御装置が離脱することにより吸収できるため、電力制御装置内の回路を用いて速やかに高電圧の電荷を放電することができる。この車両用機器搭載構造は、補機バッテリを電力制御装置の車両前方に配置しても衝突による不具合を解消することができるため、エンジンコンパートメントのレイアウトの自由度が高く、多くの車格、多くの車種の車両などにおいて、補機バッテリのエンジンコンパートメント内への搭載と衝突安全性との両立を実現することができるという効果がある。さらに、コスト低減と衝突安全性との両立を実現することもできるという効果がある。

本発明の実施形態に係るエンジンコンパートメント内の車両用機器搭載構造の概要を示す概要図である。 図１に示すエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を上面から示す上面図である。 図１に示すエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を側面から示す側面図である。 本発明の実施形態に係る車両用機器搭載構造においてＰＣＵの離脱構造を説明する説明図である。 図４に示す車両用機器搭載構造において、ＰＣＵが離脱した状態を説明する説明図である。 図１に示した車両用機器搭載構造に対し、補機バッテリの配置を変更した他の実施形態を説明する説明図である。 図６に示したエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を上面から示す上面図である。 図６に示したエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を側面から示す側面図である。

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。

図１はハイブリッド車両１０におけるエンジンコンパートメント２０内の車両用機器搭載構造の概要を示し、図１を用いて車両用機器搭載構造を概説する。エンジンコンパートメント２０は、ハイブリッド車両１０において乗員の車室より前方に位置し、ハイブリッド車両１０の車両骨格部材であるサイドメンバ１５と、２本のサイドメンバ１５を接続するフロントクロスメンバ１８と、サイドメンバ１５に接続されたスプリングサポート１６と、ＰＣＵ１３の車両前方側に配置され、フロントクロスメンバ１８に支持台２３及び固定具２２を介して取り付けられた補機バッテリ１４と、フロントクロスメンバ１８に取り付けられたラジエータ１７と、車両骨格部材にエンジンマウントを介して接続されたエンジン１１及びモータケース１２と、モータケース１２から伸びる車軸２５と、モータケース１２に案内板１９と連結用のボルトを介して接続されたＰＣＵ１３と、を含んでいる。なお、ＰＣＵ１３は、主バッテリの電圧を昇圧する昇圧コンバータと昇圧用のコイルとモータジェネレータを制御するインバータと平滑用のコンデンサとを有し、ＰＣＵ１３の車両後方側にはモータケース１２のメスコネクタに嵌り合うオスコネクタ２１と、主バッテリに接続されたケーブルが設けられている。

本実施形態における特徴的な事項の一つは、複軸式のモータケースによって形成される奥行きを有する領域に、衝撃荷重によりＰＣＵ１３が案内板１９により離脱可能に取り付けられ、そのＰＣＵ１３の車両前方側に補機バッテリ１４を配置することである。従来の搭載構造では、フロントクロスメンバ等の車両骨格部材に離脱構造を設けてＰＣＵを離脱可能に支持していたが、本実施形態のようにＰＣＵ１３の上に離脱可能に取り付けることにより、取り付けの制限を緩和することが可能である。このように配置することにより、補機バッテリ１４をＰＣＵ１３の前方に配置しながらも、衝突時にはＰＣＵ１３自身は、衝撃荷重を離脱により吸収できるため、ＰＣＵ１３のインバータや昇圧コンバータにおける高電圧の電荷をＰＣＵ１３の内部回路を用いて速やかに放電できる。

図２は、図１のハイブリッド車両１０において、エンジンコンパートメント２０の車両前方側、かつ、右側半分からバリアが侵入（オフセット衝突）した場合のエンジンコンパートメント２０の変形を示す上面図である。図２を用い、バリアとの衝突から安全化処理の４つの段階に分けて詳説する。

第１の段階は、衝突初期の段階であり、バリアがフロントクロスメンバ１８に接触し、ラジエータ１７と支持台２３に固定具と共に取り付けられている補機バッテリ１４がバリアによりエンジンコンパートメント２０へ押し込まれる。

第２の段階は、衝撃吸収開始段階であり、バリアによって押し込まれたフロントクロスメンバ１８はサイドメンバ１５にバリアの衝撃荷重を伝え、サイドメンバ１５及びサイドメンバ１５の周辺部材が潰れることにより衝撃荷重が吸収される。比較的軽い衝突の場合では、この段階でバリアの侵入が止まる場合がある。

第３の段階は、さらにバリアが侵入した場合であり、ＰＣＵ１３の離脱段階となる。バリアによって押し込まれた補機バッテリ１４は、ＰＣＵ１３の前面に接触し、さらに補機バッテリ１４がＰＣＵ１３を車両後方に押し込むことになる。押し込まれたＰＣＵ１３は、ＰＣＵ１３とモータケース１２とを連結する連結手段の連結が解除され、ＰＣＵ１３は車両後方に離脱することになる。

第４の段階は離脱後のＰＣＵ１３の安全化処理に関するものであり、エアバックや上位の制御器からの指令によりＰＣＵ１３が衝突を判定すると、上位の制御器又はＰＣＵ１３は主バッテリからインバータ及びコンバータへの通電を停止すると共に、ＰＣＵ１３はインバータの内部回路を用い昇圧コンバータや平滑コンデンサ等の電荷を放電することで安全を確保する。

本実施形態は、主バッテリからＰＣＵ１３に接続されているパワーケーブルに衝突時の離脱に対応する余長を持たせることで接続を継続し、ＰＣＵ１３からモータジェネレータへの接続に関してはＰＣＵ１３に離脱に伴いオスコネクタ２１とメスコネクタ３１との接続を解除する構成とした。なお、本実施形態ではコネクタを使用したが、これに限らず、安全に断線する短いジェネレータケーブル又は安全に接合部が離脱するバスバーで接続される分離型端子台であってもよいことはいうまでもない。

図３は図１に示すエンジンコンパートメント２０の車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を示す側面図である。図３（Ａ）は衝突前のエンジンコンパートメント２０の補機バッテリ１４とＰＣＵ１３とを含む車両用機器搭載構造を示し、図３（Ｂ）はバリアがエンジンコンパートメント２０に侵入した際の補機バッテリ１４の変位と、補機バッテリ１４の変位に伴い押し出されるＰＣＵ１３の変位と、を伴う車両用機器搭載構造を示している。

図３（Ａ）のエンジンコンパートメントは、サイドメンバ１５と、サイドメンバ１５の先端部に接続されているフロントクロスメンバ１８と、フロントクロスメンバ１８上に配置されているラジエータ１７と、支持台２３と固定具２２によりラジエータ取り付け部に固定されている補機バッテリ１４と、エンジン１１及びモータケース１２と、モータケース１２から延びる車軸２５と、モータケース１２上に仰角θで離脱可能に載置された案内板１９と、案内板１９に固定されたＰＣＵ１３とモータケース１２に取り付けられたメスコネクタ３１と、ＰＣＵ１３に取り付けられメスコネクタ３１に嵌り合うオスコネクタ２１と、が配置されている。

次に、図３（Ｂ）を用いて衝撃荷重吸収について概説する。図３（Ｂ）のエンジンコンパートメントは、バリアが侵入することにより、バリアにより補機バッテリ１４が水平方向に押し込まれ、補機バッテリ１４の押し込みによりＰＣＵ１３が仰角θの坂を登ることになり重力による衝撃荷重吸収が発生する。この時、衝撃荷重は仰角θの垂直成分と重力成分との差分と、案内板による摩擦抵抗と、フロントクロスメンバ１８及びサイドメンバ１５の潰れによる衝撃荷重吸収と、により総合的に吸収され、低減される。次に、案内板１９の構造について詳説する。

図４は車両用機器搭載構造において、ＰＣＵ離脱構造３０を示し、図５はＰＣＵ１３が離脱した状態を示している。図４（Ａ）のＰＣＵ離脱構造３０は、連結ボルト３２ａ，３２ｂによってモータケース１２に取り付けられた案内板１９と、案内板１９に固定ボルト３３によって取り付けられたＰＣＵ１３と、オスコネクタ２１及びメスコネクタ３１と、を含んでいる。なお、すでに説明した構成については説明を割愛する。

図４（Ｂ）はＰＣＵ離脱構造３０の上面図を示し、矢印方向だけに離脱可能とするため、案内板１９は長孔状のガイド孔３５と短孔状のヒューズ孔３６とを有している。ヒューズ孔３６とガイド孔３５とに取り付けられた連結ボルト３２ｂは、２つの役割を有している。第１の役割は、図中矢印方向に加わった衝突荷重が、ヒューズ孔３６とガイド孔３５における連結ボルト３２ａ，３２ｂの締結力を上回ると、ヒューズ孔３６の連結ボルト３２ａが案内板１９の締結から外れて案内板１９が離脱を開始するというヒューズ的な役割である。第２の役割は、ヒューズ孔３６の連結ボルト３２ａが外れた後は、ガイド孔３５における連結ボルト３２ｂにより案内板１９の進行方向を規定し、かつ、摩擦抵抗も規定するというガイド的な役割である。

図５（Ａ）は、ヒューズ孔３６の連結ボルト３２ａが外れた後、ガイド孔３５における連結ボルト３２ｂにより案内板１９の進行方向を規定し、ガイド孔３５の終点まで来たときに案内板１９の離脱を制限することを示している。この制限距離は、ガイド孔３５と連結ボルト３２ｂとの摩擦抵抗と衝撃荷重の関係から適切に設定している。

図５（Ｂ）は、ＰＣＵ離脱構造３０の上面図を示し、離脱後の案内板１９及び案内板に固定されたＰＣＵ１３を示している。離脱後は、ガイド孔３５おける２本の連結ボルト３２ｂとメスコネクタ３１の上面の３点にて案内板を支持する。また、ヒューズ孔３６における連結ボルト３２ａの拡大図には、ヒューズ孔３６の内径、かつ、案内板１９の板厚ｈ２に対応する厚さｈ１のスリーブ３４が挿入された連結ボルト３２ａが示されている。ここで、スリーブ３４の厚さｈ１は、案内板の厚さｈ２より薄く、連結ボルト３２ａ，３２ｂにより連結された時に所定の摩擦力が案内板に付加されるように設定されている。このような構成により、適切な摩擦力が案内板に付加され、さらに、ＰＣＵ１３が仰角θの坂を登ることになりＰＣＵ１３の重量に応じた衝撃荷重吸収が付加されることになる。

以上、上述した実施形態は、ＰＣＵの車両前方側に補機バッテリを平行して配置したものであるが、エンジンコンパートメントのスペースの制限により、傾けて配置した実施形態について説明する。補機バッテリを傾けて配置する利点は、補機バッテリがＰＣＵの比較的強度が高い角部を斜めに押し込むことにより、補機バッテリにひねりが加わり、ＰＣＵの変形が少ないことと、押し込む距離が減少することである。

図６は図１に示した車両用機器搭載構造に対し、補機バッテリ１４の配置を変更した他の実施形態を示し、図７は図６に示したエンジンコンパートメントの車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を示す上面図であり、図８は車両前方側からバリアが侵入した場合の変形を示す側面図である。図６〜８を用い、バリアとの衝突から安全化処理の４つの段階に分けて詳説する。なお、すでに説明した構成については説明を割愛する。

図７，図８（Ａ）に示すように、第１の段階は、衝突初期の段階であり、バリアがフロントクロスメンバ１８に接触し、ラジエータ１７と支持台２３に固定具と共に取り付けられている補機バッテリ１４の角部がバリアによりエンジンコンパートメント２０へ押し込まれる。

第２の段階は、衝撃吸収開始段階であり、バリアによって押し込まれたフロントクロスメンバ１８はサイドメンバ１５にバリアの衝撃荷重を伝え、サイドメンバ１５及びサイドメンバ１５の周辺部材が潰れることにより衝撃荷重が吸収される。さらに、補助バッテリはサイドメンバ１５の潰れに応じてＰＣＵ１３を押し込みながら図７（Ｂ）に示すように向きを変えることになる。

第３の段階は、さらにバリアが侵入した場合であり、ＰＣＵ１３の離脱段階となる。図８（Ｂ）に示すように、バリアによって押し込まれた補機バッテリ１４の一部は、ＰＣＵ１３の前面の角部に接触し、ＰＣＵ１３とモータケース１２とを連結する連結手段の連結が解除され、補機バッテリ１４の押し込みによりＰＣＵ１３が仰角θの坂を登ることで重力による衝撃荷重吸収が発生し、ＰＣＵ１３は車両後方に離脱することになる。

第４の段階は離脱後のＰＣＵ１３の安全化に伴い、ＰＣＵ１３はインバータの内部回路を用い昇圧コンバータや平滑コンデンサ等の電荷を放電することで安全を確保する。

以上、上述したように、本実施形態に係る車両用機器搭載構造を適用することにより、トランスアクスル上に電力制御装置を搭載することで確保されたトランスアクスル前方のスペースに、補機バッテリを搭載しながら、衝突時には補機バッテリに押されることにより生じる反力を電力制御装置が離脱することにより吸収できるため、電力制御装置内の回路を用いて速やかに高電圧の電荷を放電することが可能となる。

また、本実施形態に係る車両用機器搭載構造は、補機バッテリを電力制御装置の車両前方に配置しても衝突による不具合を解消することができるため、エンジンコンパートメントのレイアウトの自由度が高く、多くの車格、多くの車種の車両などにおいて、補機バッテリのエンジンコンパートメント内への搭載と衝突安全性との両立及び、コスト低減と衝突安全性との両立が可能となる。

１０ ハイブリッド車両、１１ エンジン、１２ モータケース、１３ ＰＣＵ、１４ 補機バッテリ、１５ サイドメンバ、１６ スプリングサポート、１７ ラジエータ、１８ フロントクロスメンバ、１９ 案内板、２０ エンジンコンパートメント、２１ オスコネクタ、２２ 固定具、２３ 支持台、２５ 車軸、３０ ＰＣＵ離脱構造、３１ メスコネクタ、３２ａ，３２ｂ 連結ボルト、３３ 固定ボルト、３４ スリーブ、３５ ガイド孔、３６ ヒューズ孔。

Claims (6)

1. 車室より前方に設けられた区画に、車両を駆動する回転電機を収容したモータケースを配置し、モータケースに移動可能に連結され、回転電機の制御を行う電力制御装置と、電力制御装置の車両前方側に配置され、電力制御装置の制御部に電力を供給する補機バッテリと、車両を駆動するための電力を電力制御装置を介して回転電機に供給する主バッテリと、電力制御装置と主バッテリとを接続するケーブルと、を搭載する車両用機器搭載構造において、
   電力制御装置に一体に取り付けられるベース板と、
   ベース板に設けられ、車両前後方向にのび、電力制御装置を車両後方に案内する距離を規定するガイド孔と、
   ガイド孔を通してベース板をモータケース上面に所定の締結力で連結する連結部材と、
   を有し、
   ケーブルは、ガイド孔で規定される距離よりも長い余長を有し、
   補機バッテリは、車両前方からの衝撃荷重による車両後方への移動によって電力制御装置が車両後方に押し込まれるように設けられ、
   電力制御装置は、補機バッテリの移動によって加わった車両後方に押し込まれる力が、連結部材によるモータケースとベース板とを連結する力を上回った場合に車両後方へ移動し、
   連結部材は、ガイド孔の車両前方側端にあたることによって電力制御装置の車両後方への移動を制限し、
   ケーブルは、電力制御装置が車両後方に移動した際に電力制御装置との接続を継続する車両用機器搭載構造。
2. 請求項１に記載の車両用機器搭載構造において、
   モータケース上面は、車両前方側が車両後方側よりも低くなるように形成され、
   電力制御装置の移動の際に、モータケース上面とベース板との間に摩擦抵抗と重力方向の抵抗荷重とを生じさせる車両用機器搭載構造。
3. 請求項２に記載の車両用機器搭載構造において、
   補機バッテリの最後端部が、電力制御装置の最前端部よりも車両前方側となるように配置される車両機器搭載構造。
4. 請求項２に記載の車両用機器搭載構造において、
   補機バッテリの一部が、電力制御装置の側方側に位置するように配置し、
   補機バッテリは、車両前方からの衝撃荷重により、電力制御装置の側方側を通過しつつ車両後方へ移動する車両用機器搭載構造。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用機器搭載構造において、
   電力制御装置は、ガイド孔と連結部材とにより、移動方向が一方向に規定される車両用機器搭載構造。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用機器搭載構造において、
   モータケースは２つの回転電機を有する複軸式トランスアクスルである車両用機器搭載構造。
   

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