JP5508639B2 - 車両用の電源制御装置 - Google Patents

Description

本発明は車両用の電源制御装置に関し、特にバッテリから供給される電力を負荷駆動用の電力に変換する電力変換装置と、電力変換装置を制御する制御基板と、これらを収容するケースと、を有する車両用の電源制御装置に関する。

近年、電気自動車やエンジンと電気自動車を組み合わせたハイブリッド自動車が実用化され、ハイブリッド自動車等が普及し始めている。このようなハイブリッド自動車等には高電圧バッテリの電力をインバータによって制御してモータジェネレータに供給し、車両を駆動する駆動回路が搭載されている。駆動回路には、モータジェネレータを制御するためのインバータや高電圧バッテリの電力を補機バッテリの充電のために低電圧に降圧するコンバータ等がある。インバータやコンバータ等は１つのパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）として一体化され、取り扱う電圧が数百ボルトの高電圧となることから複数の安全対策が施されている。

安全対策の一つには、車両の修理点検を行うサービスマンが誤って高電圧の機器に触れて感電しないようにするため、高電圧バッテリやその関連機器からの電力供給を遮断すると共に電力が不用意に供給されることを防ぐインターロック手段がある。また、別の安全対策としては、車両の衝突事故が発生した際に高電圧バッテリの電力供給を適切に遮断する衝撃遮断手段と、車両の衝突事故が発生した場合において高電圧機器が破損しにくいようにするため、高電圧機器のケースや高電圧機器を保持するブラケット等により衝撃を吸収する衝撃吸収手段とがある。

衝撃遮断手段の一例には、車両が衝突などにより衝撃を受けた場合、高電圧機器の近傍に設置された加速度センサにより衝撃を検出して電力供給を遮断するものがある。しかしながら、高電圧機器の近傍にはエンジンやサスペンションに接続されたトランスアクスルなどがあり、加速度センサに局部的な衝撃が発生した場合、加速度センサが局部的な衝撃を車両の衝突と誤って検出し、高電圧機器からの漏電が発生しない場合であっても、電力供給を遮断してしまうおそれがある。そこで、このような問題を回避するため、特許文献１で開示された車両用の電源制御装置がある。

図７は車両用の電源制御装置における従来例の一つを示している。図７（Ａ）のハイブリッド自動車１００には、エンジンルーム内に搭載されたエンジン１０１と、エンジン１０１に直結されたモータユニット１０２と、エンジン１０１とモータユニット１０２とにより駆動される駆動輪１０３と、車両用電源を制御するインバータユニット１０４と、が配置されている。

インバータユニット１０４は、図示しない制御装置と、インバータケース１０５内に収納され、インバータケース１０５の下方が開口されたケースと、ケース開口部を覆う蓋１０６と、を有している。なお、図７（Ａ）のインバータユニット１０４は車両への搭載スペースの制約などによりモータユニット１０２の下方に設けられ、インバータケース１０５は、路面とインバータケース１０５との間に他の部品が介在しない位置に配置されている。

図７（Ｂ）は図７（Ａ）のインバータユニット１０４の拡大図である。特許文献１では、インバータケース１０５の蓋１０６の内側（蓋の内面１０９）に、車両の衝突による衝撃荷重により蓋１０６が変形すると電気的に抵抗値が変化又は断線する導体フィルム１０８が設けられている。制御装置は、衝撃荷重により導体フィルムの抵抗値が変化すると、この導体フィルム１０８を流れる電流値の変化により衝突を検出し、その検出結果に基づいて高電圧機器への電力供給を遮断する。

しかしながら、上記特許文献１の衝撃遮断手段は、導体フィルム１０８を蓋の内面１０９に取り付け、電流センサにより電流値の変化を検出して衝突を判断する必要があることから導体フィルム、電流センサ及び追加の電子回路等を取り付ける必要があり、コストアップ要因となる。そこで、特許文献２には、これらの加速度センサや追加の電子回路を必要としない電源遮断装置が開示されている。

特許文献２の電源遮断装置は、バッテリと負荷とリレーとを有する電源回路と、リレーを制御することでバッテリと負荷との接続／切断を行うリレー制御部と、車両衝突時にリレー制御部とリレーの間に設けられた信号線を破断またはグランド電位にする切断刃と、を有している。このような構成により、衝突の検出に伴うセンサや制御回路を不要にしている。

特開２００８−１５４３１５号公報 特開２００４−１５９４３９号公報

従来、昇圧器、インバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を一つに集約したパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）は、衝撃吸収を目的としてモータユニットの下方又はトランスアクスル上に専用のブラケットを用いて別置きタイプのＰＣＵとして車両に搭載していたが、小型化と部品点数削減の要求に答えるため、トランスアクスル（Ｔ／Ａ）に直接ＰＣＵを搭載する直置きタイプが検討されている。ＰＣＵを直置きタイプにすると、例えば、トランスアクスルの取り付けブラケットの上をＰＣＵが移動することにより衝撃を吸収する効果が期待できないことからケースの強化や確実な衝撃遮断手段が要求される。

そこで、特許文献２の確実な衝撃遮断手段を用いることにより、ＰＣＵの直置きタイプであっても特別なケースの強化をすることなく部品点数を削減しながら対応することが考えられる。しかしながら、リレーのドライブ回路を切断する切断刃のメカニズムは小型が容易ではなかった。

上記理由から、本発明に係る車両用の電源制御装置は、ＰＣＵケースの変形を検出容易な手段及び検出手段の小型を実現すると共に、車両の衝突事故が発生した際に高電圧バッテリの電力供給を適切に遮断する衝撃遮断手段を有する車両用の電源制御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、本発明に係る車両用の電源制御装置は、バッテリから供給される電力を負荷駆動用の電力に変換する電力変換装置と、電力変換装置を制御する制御基板と、これらを収容するケースと、を有する車両用の電源制御装置であって、ケース内に収容された制御基板は複数の接触検出端子を備え、前記接触検出端子の少なくとも一つは車両の衝突により車両前方のケース内面と接触するように配置されていることを特徴とする。このような構成にすることにより、衝撃検出の構造を接触検出端子のリードフレームのみで構成することが可能となる。

また、本発明に係る車両用の電源制御装置であって、制御基板は水平又は前方に傾斜して車両に搭載され、接触検出端子は、制御基板から垂直に延びて先端が前方に屈曲した端子であることを特徴とする。このような構成にすることにより、制御基板にケースが触れる前に接触検出端子が接触し、衝突を検出することが可能となる。

また、本発明に係る車両用の電源制御装置であって、接触検出端子は、ケース内面から予め決められた距離だけ離間して配置され、ケース内面に接触することでグランド電位となることを特徴とする。

また、本発明に係る車両用の電源制御装置であって、さらに、接触検出端子は、制御基板から垂直に延びて先端が左右方向に屈曲した端子を含むことを特徴とする。このような構成により、車両前方側からの衝撃の他に、車両側面側からの衝突を検出することが可能になる。

また、本発明に係る車両用の電源制御装置であって、制御基板は、接触検出端子からの信号に基づいてバッテリと電力変換装置とを接続するリレーをオフすることでバッテリから電力変換装置への電力供給を停止する。このような処理により、衝撃遮断手段を好適に実現することが可能となる。

本発明に係る車両用の電源制御装置を使用することにより、衝撃検出の構造を接触検出端子のリードフレームのみで構成できることからコストダウンが可能であり、かつ、信号を検出する基板との接続も容易になるという効果がある。

本発明の実施形態に係る車両用の電源制御装置を説明する断面図である。 図１の車両用電源が車両の衝突により衝撃荷重を受けた場合の状態を説明する断面図である。 図１の車両用の電源制御装置を構成する制御基板とＩＰＭとを説明する説明図である。 図３の車両用の電源制御装置に設けられた接触検出端子の形状を説明する説明図である。 本実施形態の車両用電源を有する駆動システムの構成を示す構成図である。 図１の車両用電源が車両の衝突により衝撃荷重を受けた場合における制御装置の処理の流れを示すフローチャート図である。 車両用の電源制御装置における従来例を説明する説明図である。

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は車両用の電源制御装置の概要を示し、トランスアクスル２と、接触検出端子１１により接触を検出することができる接触検出手段１０を有するパワーコントロールユニット３（ＰＣＵ）と、の断面を示している。車両用の電源制御装置を構成するＰＣＵ３はトランスアクスル２上に直接搭載されており、トランスアクスル２は第１のモータジェネレータ２１（ＭＧ１）と第２のモータジェネレータ２２（ＭＧ２）とディファレンシャルギア２３とを有している。

ＰＣＵ３は、２つのモータジェネレータを制御するＩＧＢＴトランジスタ、フライホイールダイオード（ＦＷＤ）、上アーム高電圧駆動回路及び下アーム高電圧駆動回路等をモジュール化したインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）３４と、ＩＰＭ３４を制御する制御装置が配置されている制御基板１９と、バッテリ電圧を昇圧するためのリアクトル３１と、補機バッテリを充電するためのＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、これらのモジュールと電力ケーブル３６とを接続するコネクタ３５と、ＩＰＭ３４やＤＣ／ＤＣコンバータ３２等を冷却するウォータジャケット３３と、衝撃遮断手段を制御装置と協働して実現する接触検出手段１０と、これらの収容するケースとなる上蓋２４と下蓋２５と、を含んでいる。なお、ＩＰＭ３４と制御基板１９とは、ＩＰＭからの延びるリードフレーム又は基板から延びるリードフレームによって接続されている。

図２は、図１の車両用の電源制御装置（ＰＣＵ３）が車両の衝突により衝撃荷重を受けた場合の状態を示している。本実施形態におけるＰＣＵ３は、前面衝突時では車両中央部や車両外側部が均等に衝撃荷重を受け、オフセット衝突時では左右の車両外側部どちらか一方が大きい衝撃荷重を受けるものの、どちらの場合でもＰＣＵ３の少なくとも前面が潰れるように設計されている。

図２に示すようにＰＣＵ３は、衝撃荷重を受けるとアルミダイキャスト製の上蓋２４が潰れ、制御基板１９からＩＰＭ３４を介して延びる接触検出端子１１（リードフレーム）が上蓋２４の内面に接触することになる。上蓋２４はグランド電位となっているため、接触検出端子１１はハイインピーダンス状態からグランド電位に変わることで、制御装置は後述する処理に基づいてバッテリからの電源供給を遮断する。次に、接触検出端子１１について詳説する。

図３は、図１の車両用の電源制御装置（ＰＣＵ３）を構成する制御基板１９とＩＰＭ３４とを示し、図４は、図３の車両用の電源制御装置に設けられた接触検出端子１１の形状を示している。また、図３（Ａ）は、制御基板１９の上面図を示し、図３（Ｂ）は制御基板１９の正面図を示している。

制御基板１９から延びる制御電極１６（あるいは、制御端子ともいう。）の多くはＩＰＭのＩＧＢＴトランジスタの制御を行うが、接触検出端子１１は車両前方側に屈曲された電極であり、同様にして接触検出端子１５は車両側面側に屈曲された電極である。なお、本実施形態で特徴的な事項は、衝撃荷重が接触検出端子に過大な変位を加え、接触検出端子があらぬ方向へ塑性変形するのを防ぐため、制御基板１９から延びた接触検出端子１１，１５は、ＩＰＭの絶縁部で折り返され、ＩＰＭ３４から所定の方向に突出させたことである。このような構成にすることで、接触検出端子１１，１５を支持する部材を用いることなく、接触検出端子１１，１５の変形が弾性変形に留まることになり、好適な衝撃荷重の検出が可能となる。図３（Ａ）の一点破線は衝撃荷重が前方又は側面から加わった場合の上蓋の変形を示したものであり、衝撃荷重により少なくとも１箇所の接触検出端子がグランド電位に変化することになる。

図３（Ｃ）は、制御基板１９とＩＰＭ３４との拡大図を示している。ＩＰＭ３４の中央部には、ＩＧＢＴトランジスタ配置エリアとなっており、複数のＩＧＢＴトランジスタやフリーホイールダイオード等が配置されている。また、ＩＰＭ３４の外周部は絶縁部材で構成されており、外周部を接触検出端子１１，１５の支持部材として利用することで、部品点数の低減が可能となる。さらに、接触検出端子１１，１５の先端部は四角錐状の接触形状にすることで蓋内面との電気的な接続性を向上させている。

図４（Ａ）から図４（Ｄ）には、本実施形態における接触検出端子の先端形状を示し、上蓋２４と電気的な接触する形状の一例を示している。これらの接触検出端子は接触相手の上蓋内面の状態に応じて選択することが望ましい。例えば、図４（Ａ）は針状の先端形状であり、上蓋２４の内面に凹凸が多い場合には好適である。また、図４（Ｂ）は釘の頭のように逆円錐形状であり広い接触面積及び外周形状を有することから、前面衝突やオフセット衝突等における検出精度の向上に好適である。また、図４（Ｃ）は球状の選択形状であり、上蓋２４の内面が平滑である場合には好適である。さらに、図４（Ｄ）は上蓋内面に四角いグリッド状の凹凸を設け、その凹凸に四角形で先端が平坦な接触検出端子が係合するようにデザインされたものである。上蓋内面の凹凸に接触検出端子の先端が嵌り込むことにより、確実な検出が可能となる。

図５は本実施形態における駆動システム１の構成を示している。車両に搭載される駆動システム１は、高電圧のバッテリ４９と、補機バッテリ４２と、パワーコントロールユニット３とを有している。車両用の電源制御装置を構成するパワーコントロールユニット３は、高電圧のバッテリ４９の電圧を昇圧する昇圧器４１と、モータジェネレータ４５を制御するインバータ４４と、電圧を平滑化する平滑コンデンサ４６と、１２Ｖの補機バッテリ４２を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、接触検出端子１１とフォトカプラ１３とトランジスタ１４と制御装置１２とにより構成される衝撃遮断手段と、バッテリ４９の電力をインバータ４４やＤＣ／ＤＣコンバータ３２等へ供給・遮断を行うシステムメインリレー（ＳＭＲ）であるリレー４７，４８と、リレー４７，４８を駆動するトランジスタ５１ａ，５１ｂと、これらの制御行う制御装置１２と、を有している。

ここで、制御装置１２に接続される接触検出端子１１は、インバータ４４を構成する制御基板とＩＰＭとの近傍に配置されることから、絶縁回路を設けることにより短絡を防止しているが、フォトダイオードとトランジスタによる回路構成に限定するものではなく、絶縁トランスなどの回路構成を用いても好適である。

図６は、図１の車両用電源が車両の衝突により衝撃荷重を受けた場合における制御装置１２の処理の流れを示し、図５の駆動システム１と共に処理の流れを詳説する。本処理は、定期的に実行されるタイマー割り込み処理であり、制御装置１２は予め決められた時刻になると、ステップＳ１０の接触検出を処理する。制御装置１２はステップＳ１０において、複数の接触検出端子１１，１５に接続されたトランジスタ１４の出力電位を次々に検査し、いずれかの接触検出端子がグランド電位に落ちることによりトランジスタ１４の出力が１２Ｖ（Ｈｉ）になっているかどうかを調べてステップＳ１２に進む。

ステップ１２において、接触検出端子１１，１５のうち、グランド電位（トランジスタ１４の出力はハイインピーダンス状態からＨｉ状態となる。）に落ちている端子があるかどうかを確認し、もし、接触が検出されない場合には、ステップＳ１４に移り、ＰＣＵ３に対する衝撃なしとして割り込み処理を終了し、割り込み前のメインルーチンに戻る。この場合は、システムメインリレー（ＳＭＲ）であるリレー４７，４８がオンのままとなり、バッテリ４９の電力がリレー４７，４８を介して昇圧器４１、インバータ４４及びＤＣ／ＤＣコンバータ３２に供給され、インバータ４４によってモータジェネレータ４５が制御される。

一方、ステップＳ１２において、接触を検出した場合には、ステップＳ１６に移動してＰＣＵ３が衝撃を受けたと判定し、ステップＳ１８に移動して衝撃遮断手段を実際に実行することになる。ステップＳ１８において、制御装置１２はシステムメインリレー（ＳＭＲ）であるリレー４７，４８をオフするために、トランジスタ５１ａ，５１ｂをオンからオフにさせる。ステップＳ２０において、ＰＣＵ３のインバータ４４等を停止させると共に、平滑コンデンサや昇圧器のコンデンサに溜まった電荷も放電させる等の処理を実行した後、割り込み処理を終了して割り込み前のメインルーチンに戻る。

以上、上述したように、本実施形態に係る車両用の電源制御装置を使用することにより、衝撃検出の構造を接触検出端子のリードフレームのみで構成できることからコストダウンが可能であり、かつ、信号を検出する基板との接続も容易となる。

なお、本実施形態における他の変形例では、車両後方側にケースが閉じている時に常時グランド電位になる別の接触検出端子を配置することにより、ケースが開けられた時には高電圧バッテリからの電力供給を遮断すると共に、電力が不用意に供給されることを防ぐインターロック手段と、車両前方又は側面方向に配置された接触検出端子により、車両の衝突事故が発生した際に高電圧バッテリの電力供給を適切に遮断する衝撃遮断手段と、を兼ね備えた車両用の電源制御装置を構成することも可能であり、小型化と部品点数の低減が可能となることは言うまでもない。

１ 駆動システム、２ トランスアクスル、３ パワーコントロールユニット、１０ 接触検出手段、１１，１５ 接触検出端子、１２ 制御装置、１３ フォトカプラ、１４，５１ａ，５１ｂ トランジスタ、１６ 制御電極、１９ 制御基板、２１，２２，４５ モータジェネレータ、２３ ディファレンシャルギア、２４ 上蓋、２５ 下蓋、３１ リアクトル、３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、３３ ウォータジャケット、３５ コネクタ、３６ 電力ケーブル、４１ 昇圧器、４２ 補機バッテリ、４４ インバータ、４６ 平滑コンデンサ、４７，４８ リレー、４９ バッテリ、１００ ハイブリッド自動車、１０１ エンジン、１０２ モータユニット、１０３ 駆動輪、１０４ インバータユニット、１０５ インバータケース、１０６ 蓋、１０８ 導体フィルム、１０９ 蓋の内面。

Claims (5)

1. バッテリから供給される電力を負荷駆動用の電力に変換する電力変換装置と、電力変換装置を制御する制御基板と、これらを収容するケースと、を有する車両用の電源制御装置であって、
   ケース内に収容された制御基板は複数の接触検出端子を備え、前記接触検出端子の少なくとも一つは車両の衝突により車両前方のケース内面と接触するように配置されていることを特徴とする車両用の電源制御装置。
2. 請求項１に記載の車両用の電源制御装置であって、
   制御基板は水平又は前方に傾斜して車両に搭載され、
   接触検出端子は、制御基板から垂直に延びて先端が前方に屈曲した端子であることを特徴とする車両用の電源制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の車両用の電源制御装置であって、
   接触検出端子は、ケース内面から予め決められた距離だけ離間して配置され、ケース内面に接触することでグランド電位となる車両用の電源制御装置。
4. 請求項３に記載の車両用の電源制御装置であって、
   さらに、接触検出端子は、制御基板から垂直に延びて先端が左右方向に屈曲した端子を含むことを特徴とする車両用の電源制御装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用の電源制御装置であって、
   制御基板は、接触検出端子からの信号に基づいてバッテリと電力変換装置とを接続するリレーをオフすることでバッテリから電力変換装置への電力供給を停止する車両用の電源制御装置。

Images