JP5915421B2 - 車両用バスバ - Google Patents

Description

本発明は、車両ボデー内で用いられるバスバに関する。特に、電気自動車において、モータに電力を供給するパワーコントロールユニット（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と他のデバイスを電気的に接続するバスバに関する。なお、バスバとは、大電流を流すための導電材であり、細長棒状の金属部材である。また、本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や、燃料電池車を含む。以下では、パワーコントロールユニットをＰＣＵと称することがある。

電気自動車は、モータを駆動するためのデバイスとして、インバータ回路や電圧コンバータ回路など様々な電気デバイスを必要とする。それらの電気デバイスは、大電流を扱うため、デバイス同士の電気的接続には柔軟なワイヤでなく、細長の金属部材が用いられる。そのような部材をバスバと称する。

バスバは、柔軟なワイヤと比較すると剛性が高く、車両ボデーと共振し易い。他のデバイスと接触する虞があるため、バスバの振動は小さい方がよい。バスバの振動を抑制する技術が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の技術は、矩形断面のバスバを採用し、その一部を捻ることにより、剛性を高くして振動を抑制する、というものである。

特開２００１−０６０４１５号公報

バスバを用いる典型的な電気デバイスは、走行用の３相誘導モータへ交流電力を供給するパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）である。ＰＣＵにはインバータ回路の他、電流を平滑化するためのコンデンサや、電圧を昇圧あるいは降圧するコンバータ、さらにはモータあるいはバッテリなどの外部の別のデバイスを接続する端子など多数の部品を有し、それら部品がバスバで電気的に接続される。一般にバスバは電気デバイスの筐体内で用いられることが多いが、車両搭載デバイスを小型化する結果、ＰＣＵではバスバを筐体の外側に配索することがある。ただし、ＰＣＵの外側であってもスペースには大きな余裕がなく、他の電気デバイスや車両ボデーの隙間を縫ってバスバを配索する必要がある。車両ボデー内でバスバが振動すると、バスバと車両ボデーが接触する虞がある。特許文献１の技術はバスバを捩じるので、バスバの形状に制約が加わり、バスバの自由な配索が難しくなる。本明細書は、上記の課題に鑑みて創作されたものであって、ＰＣＵの外側に沿って配索されるバスバの振動を抑制し、車両ボデーとバスバが接触する可能性を小さくする技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、バスバの全体に亘って振動を抑制するのではなく、車両ボデーと干渉する虞のある箇所で振動を局所的に抑制するものである。しかも、バスバの剛性を高めるのではなく、長尺な部材の振動特性を巧みに利用して車両ボデーと接触する可能性を低減する。本明細書が開示する技術では、バスバにおいて車両ボデーとの接触を回避したい部位を、その両側の部位よりも細くする。細くした部位を以下、狭窄部と称する。バスバが振動する際、狭窄部は振動の節となるので、狭窄部における振幅は極端に小さくなる。なお、狭窄部における振幅は、理論的にはゼロとなる。他方、接触を回避したい典型的な部位は車両ボデーの角部である。バスバが振動中に車両ボデーの角部と繰り返し接触すると、バスバの被覆がダメージを受ける虞があるからである。また、バスバが繰り返し角部と接触すると、バスバ自体も劣化する。そこで、本明細書が開示する技術の一態様では、車両ボデーに搭載されるパワーコントロールユニットの外側に沿って配索されるバスバであってパワーコントロールユニットと他のデバイスを電気的に接続するバスバにおいて、車両ボデーの角部に対向する部位をその両側の部位よりも細くする。そのような構造を採用することによって、振動に起因してバスバがボデー角部との接触よってダメージを受ける可能性を低減する。なお、狭窄部の具体的な一例は、隣接する部分の断面積の半分程度の断面積を有する。

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。

フロントコンパートメントにおけるデバイスレイアウトを示す模式的斜視図である。 フロントコンパートメントにおけるデバイスレイアウトを示す模式的平面図である。 ハイブリッド車の電力系のブロック図である。 ＰＣＵの模式的外観図である。 別の角度から見たＰＣＵの模式的外観図である。 ＰＣＵの側面図である。

図面を参照して実施例のバスバを説明する。実施例のバスバは、ハイブリッド車においてパワーコントロールユニット（以下、ＰＣＵ）に内蔵されているＤＣＤＣコンバータとＰＣＵ外部の別のデバイスを接続する導体である。ここで、「別のデバイス」の一例は、後述するサブバッテリである。

ＰＣＵ２は、モータなど他のデバイス群とともに、ハイブリッド車のフロントコンパートメントに搭載される。まず、フロントコンパートメントにおけるデバイス群のレイアウトを説明する。図１にハイブリッド車１００のフロントコンパートメント９９の模式的斜視図を示し、図２にフロントコンパートメント９９の模式的平面図を示す。なお、全ての図において、Ｘ軸が車両の前方に対応し、Ｙ軸が車両の横方向に対応し、Ｚ軸が車両の上方に対応する。Ｚ軸は、鉛直上方に相当する。

ハイブリッド車１００は、走行用に１つのエンジンと２個のモータを備える。フロントコンパートメント９９に搭載される主要なデバイスは、エンジン４３、２個のモータ４５、４６と動力分配機構４４を内蔵したドライブトレイン９５、サブバッテリ４１、ラジエータ９６、ＰＣＵ２である。その他、符号９１はリレーボックスを示し、符号９２はエアコンのコンプレッサを示す。それらのデバイスは、車両ボデー３、あるいは、フレーム９７に固定されている。２個のモータ４５、４６と動力分配機構４４については後述する。

フロントコンパートメント９９に搭載される各デバイスについて概説する。サブバッテリ４１は、１２Ｖの電圧を出力する。サブバッテリ４１は、エアコンやワイパ、ルームランプ、カーナビゲーション、ＰＣＵ２内の電気回路へ電力を供給する。モータへの駆動電力を供給するメインバッテリ（不図示）は、フロントコンパートメント９９ではなく、リアコンパートメント、ラゲッジルーム、あるいは、後部座席の下部に配置される。メインバッテリの出力は１００Ｖを超える。なお、多くのメインバッテリの出力電圧は２００Ｖ程度である。一般に、車両駆動用モータへ供給する高電圧より低い低電圧で作動するデバイスへ供給するサブバッテリ４１は、補機バッテリ、あるいは、auxiliary batteryと呼ばれることがある。ここで、車両駆動用モータへ供給する高電圧は、通常、１００ボルトを超える電圧であり、低電圧は、概ね、５０ボルト以下である。また、低電圧で作動するデバイスの一例は、電気回路、パワステアリング、ルームランプ、カーナビゲーションなどがある。

ドライブトレイン９５の内部には、２個のモータ４５、４６と動力分配機構４４が備えられている。動力分配機構４４は、具体的にはプラネタリギアであり、エンジンの出力とモータの出力を切り換えたり、あるいは両者を加えてデフに伝達する。あるいは、動力分配機構４４は、エンジンの出力を車軸とモータに分配して伝達することもある。その場合、エンジンの駆動力は、走行と発電の双方に使われる。ドライブトレイン９５は、パワートレイン、あるいは、トランスアクスルと呼ばれることもある。

ドライブトレイン９５内のモータを制御するためのコントローラであるＰＣＵ２は、ドライブトレイン９５の上面に固定されている。この配置は、ＰＣＵ２とドライブトレイン９５内のモータとを連結するパワーケーブルの長さを短くできるという利点を有する。ＰＣＵ２は、メインバッテリから供給される直流電圧を昇圧した後に交流に変換し、モータへ供給する。即ち、ＰＣＵ２には、ＤＣＤＣコンバータ回路と、インバータ回路が備えられている。さらに、ＰＣＵ２は、メインバッテリの電圧を降圧してサブバッテリ４１に供給する別のＤＣＤＣコンバータも備える。ＰＣＵ２内部の回路構成については後に詳しく説明する。なお、ＰＣＵ２は、ブレーキング時の減速エネルギを電気エネルギに変換する機能も備える。減速エネルギから得られる電力は回生エネルギと呼ばれる。回生エネルギは、メインバッテリに蓄えられる。ＰＣＵ２では、小型化を追求したため、一部のバスバ４がＰＣＵ筐体の外側に配索されている。バスバ４についても後に詳しく説明する。

図２に示されているように、フロントコンパートメント９９には、車両ボデー３の一部であるサスタワー３ａが張り出している。サスタワー３ａは、車両の下側に、前輪を支えるサスペンションのアッパーアームを配置する空間を確保するための部分である。ここで、車両の下側とは、フロントコンパートメントの下方の外側に相当する。サスタワー３ａが張り出しているため、ＰＣＵのバスバ４とサスタワー３ａ（車両ボデー３）が近接する。なお、図１、図２は、デバイスレイアウトを模式化しているとともに、一部のデバイスは図示を省略しているため、スペースに余裕があるように見えるが、実施にはフロントコンパートメントには様々なデバイスが配置されるため、スペースに余裕がないことに留意されたい。本実施例の技術は、バスバ４の振動を抑制し、サスタワー３ａ（車両ボデー）との接触を抑制することにある。

バスバ４の特徴の説明に先立って、ＰＣＵ２の回路構成を説明する。前述したように、ＰＣＵ２は、メインバッテリの直流電力を交流に変換し、２個のモータに供給するデバイスである。図３に、ハイブリッド車１００の電力系のブロック図を示す。図３には駆動系の機構も模式的に示してある。ハイブリッド車１００では、２個のモータ４５、４６の駆動軸とエンジン４３の駆動軸が動力分配機構４４に連結しており、動力分配機構４４の出力は車軸４７とデフ４８を介して駆動輪４９に伝達される。詳しい説明は省略するが、動力分配機構４４は、プラネタリギアで構成されており、エンジン４３の出力と２個のモータ４５、４６の出力を適宜に合成／分配して車軸４７へ伝達する。また、場合によっては、動力分配機構４４は、エンジン４３の出力を一方のモータ４５の出力軸へと伝達する。この場合、モータ４５はエンジン４３によって駆動され、発電機として機能する。さらに、ドライバがブレーキペダルを踏んだ際、動力分配機構４４は、車軸４７をモータ４５と連動させる。この場合、モータ４５は、車両の減速エネルギから駆動力を得て回転し、発電する。

ハイブリッド車１００の電力系は、主として、メインバッテリ４０、サブバッテリ４１、及び、ＰＣＵ２で構成される。その他にも、例えば、メインバッテリ４０とＰＣＵ２の間には、システムメインリレーが備えられている。電力系を構成するデバイスは他にもあるが、ここでは、それらの説明は省略する。

メインバッテリ４０は、モータを駆動するための電力を蓄えるバッテリであり、その出力電圧は例えば３００ボルトである。サブバッテリ４１は、前述したように、ルームランプやカーナビゲーションなど、メインバッテリ４０の出力電圧よりも低い電圧で駆動する補機に電力を供給するためのバッテリである。図１の「to AUX」の文字が、サブバッテリ４１に様々な補機が接続されることを簡略に表している。

ＰＣＵ２は、昇降圧コンバータ３３、降圧コンバータ３７、２個のインバータ回路３５、３６、２個のコンデンサ３１、３２、及び、制御基板３４を含む。メインバッテリ４０は、昇降圧コンバータ３３と降圧コンバータ３７に接続される。別言すれば、メインバッテリ４０の出力電力は、昇降圧コンバータ３３と降圧コンバータ３７にそれぞれ入力される。

昇降圧コンバータ３３は、メインバッテリ４０の出力電圧を、モータ駆動に適した電圧に昇圧する。モータ駆動に適した電圧の一例は６００ボルトである。また、昇降圧コンバータ３３は、モータ４５が発電する場合には、その電力をメインバッテリ４０の電圧まで降圧する。

降圧コンバータ３７は、メインバッテリ４０の出力電圧を、サブバッテリ４１の充電に適した電圧に降圧する。降圧コンバータ３７の高電圧側はメインバッテリ４０に接続しており、低電圧側は、中継器３８、３９を介してサブバッテリ４１の電力線４２に接続している。中継器３８、３９は、ＰＣＵ２の筐体の側面に設置されているボックスであり、それらの間を接続する導体には棒状の金属材が用いられる。その棒状の金属部材がバスバ４に相当する。なお、中継器３８は、ＰＣＵ２の内部の電気ケーブル（バスバ）と、ＰＣＵ２の筐体の外に配索されるバスバ４を接続するためのボックスであるので、図３では、ＰＣＵの筐体を表す矩形の境界に中継器３８を描いてある。また、別言すれば、バスバ４は、ＰＣＵ２内の降圧コンバータ３７を別のＰＣＵ２外部のデバイスと接続するための導体である。中継器３８、３９、バスバ４については後に改めて説明する。

昇降圧コンバータ３３の低電圧側と高電圧側には、それぞれ、コンデンサ３１、３２が接続されている。これらのコンデンサは、電流の脈動を抑制するために備えられている。なお、昇降圧コンバータ３３の低電圧側は、別言すれば、メインバッテリ４０と接続する側に相当し、高電圧側とは、インバータ回路３５、３６と接続する側に相当する。また、電流の脈動を抑制することは、通称、電流の平滑化と呼ばれることがある。

昇降圧コンバータ３３の高電圧側には、コンデンサ３２を介して、２個のインバータ回路３５、３６が接続されている。インバータ回路３５、３６は、それぞれ、昇降圧コンバータ３３によって昇圧された直流電力を、モータの駆動に適した交流電力に変換し、夫々のモータ４５、４６に供給する。インバータ回路３５、３６は、２個のスイッチング回路の直列接続回路が３セット並列に接続した回路構成を有している。スイッチング回路は、典型的には、ＩＧＢＴなどのトランジスタとそれに逆並列に接続されるダイオードで構成される。

昇降圧コンバータ３３や降圧コンバータ３７も、インバータ回路と同様にスイッチング回路を備える。昇降圧コンバータ３３、降圧コンバータ３７、及び、２個のインバータ回路３５、３６が備えるスイッチング回路は、制御基板３４に実装されたコントローラによって制御される。具体的には、コントローラは、スイッチング回路のトランジスタのゲートに加えるＰＷＭ信号を生成して各トランジスタに与える。昇降圧コンバータ、降圧コンバータ、及び、インバータ回路の具体的な回路構成は良く知られているので詳しい説明は省略する。

図４にＰＣＵ２の外観図を示す。図４は、ＰＣＵの筐体を斜め下方から見た図である。図３を参照して説明したように、ＰＣＵ２の側面に中継器３８、３９が取り付けられている、中継器３８は、内部の降圧コンバータ３７の低電圧側端子とバスバ４の一端を接続するためのボックスであり、中継器３９は、バスバ４の他端と補機系の電力線（図３の電力線４２）を繋ぐワイヤハーネス５１を接続するためのボックスである。夫々のボックス内では、端子やバスバなどの金属板同士がボルトにて確実に接続される。

バスバ４は、ＰＣＵ２の一つの側面（第１の側面２ａ）にて中継器３８から延びており、第１側面２ａに沿って進み、隣接する第２の側面２ｂに沿って湾曲し、その第２側面２ｂに設けられた中継器３９へと続いている。バスバ４は、本来はＰＣＵ２の筐体内部に配索されてもよいのであるが、ＰＣＵ２の筐体を小型化すると、筐体内部にバスバを配索するスペースが十分に確保できなくなる場合がある。実施例のＰＣＵ２はそのような状況にあり、それゆえ、バスバ４を筐体外側に配索している。バスバ４を筐体外側に配索することによって、ＰＣＵ２の筐体が小型化できている。

バスバ４は、その途中に、狭窄部４ａが形成されている。狭窄部４ａは、その両側の部位よりも細くなっている部位である。より具体的には、狭窄部４ａでは、バスバを構成する細長金属部材自体が括れている。狭窄部４ａの断面積は、その両側の部分の断面積の概ね半分である。一例では、バスバは断面が円の丸棒であり、狭窄部４ａ以外の部位における断面直径が５ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。次に、狭窄部４ａについて詳しく説明する。なお、バスバ４の本体は細長棒状の金属（典型的には銅）で作られているが、その外側は樹脂チューブに覆われており周囲から絶縁されている。

図５に、別の角度からみたＰＣＵ２の外観図を示す。図５では、フロントコンパートメント内でＰＣＵ２に隣接するサスタワー３ａ（車両ボデー）も模式的に示してある。図６に、図５のＰＣＵ２とサスタワー３ａを図中の座標軸のＹ方向から見た図を示す。図５、図６に示すように、狭窄部４ａは、サスタワー３ａの角部３ｂに対向する位置に設けられている。別言すれば、狭窄部４ａは、角部３ｂの直近に位置する。

狭窄部４ａの効果を説明する。図４に示したように、バスバ４は、その両端が中継器３８、３９に支持されている。バスバ４は、両端を支持された細長金属棒であるので振動し易い。特に、車両自体が走行中に振動するため、車両の振動周波数がバスバ４の固有振動数に近いとバスバ４は共振を起こす。走行中の車両の振動周波数は、概ね１００〜２００Ｈｚ程度であり、バスバ４の１次振動モードの固有振動数もその範囲内となる可能性がある。なお、両端を支持されたバスバ４の１次振動モードは、中央が腹となる振動モードである。

バスバ４の狭窄部４ａは、その他の部分に比べて剛性が低くなる。それゆえ、振動の際、狭窄部４ａが振動の節となる２次振動モードで振動する。節の位置ではバスバ４は振動が抑制されるため、サスタワー３ａの角部３ｂに近くとも、サスタワー３ａと接触する可能性は小さくなる。さらに、２次モードの振動周波数は１次モードの周波数の２倍である。従って車両振動との共振を起こし難くなるという利点も得られる。バスバ４は、車両ボデー（サスタワー３ａ）の角部に対向する部位がその両側の部位よりも細い狭窄部４ａを備えることによって、車両が振動した場合に車両ボデーと接触する可能性を小さくすることができる。

実施例で説明した技術の留意点を述べる。両端が固定されたバスバ４の理想的な２次振動モードでは、その長手方向の中央に節が形成される。それゆえ、バスバ４のレイアウトを調整し、バスバ４の長手方向の中央に狭窄部を設けるとよい。すなわち、車両ボデーの角部に対向する位置が、バスバの長手方向中央となるようにバスバを配索するとよい。

実施例では、バスバ４において、サスタワー３ａの角部に対向する部位に狭窄部４ａを設けた。狭窄部を設ける位置は、車両ボデーの角部であればよく、サスタワーに限定されない。さらに、「車両ボデーの角部」とは、頂点のようにとがった箇所だけでなく、２つの面の境界である稜線を含む。

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：パワーコントロールユニット
３：車両ボデー
３ａ：サスタワー
３ｂ：角部
４：バスバ
４ａ：狭窄部
３１、３２：コンデンサ
３３：昇降圧コンバータ
３４：制御基板
３５：インバータ回路
３７：降圧コンバータ
３８、３９：中継器
４０：メインバッテリ
４１：サブバッテリ
４２：電力線
４３：エンジン
４４：動力分配機構
４５、４６：モータ
５１：ワイヤハーネス
９５：ドライブトレイン
９６：ラジエータ
９７：フレーム
９９：フロントコンパートメント
１００：ハイブリッド車

Claims (1)

1. 車両に搭載されるパワーコントロールユニットの外側に沿って配索されるバスバであってパワーコントロールユニットと他のデバイスを電気的に接続するバスバであり、
   車両ボデーの角部に対向する部位をその両側の部位よりも細くした狭窄部を備え、
   前記狭窄部は、前記バスバが振動する際に振動の節となって当該狭窄部の振幅が抑制される、
   ことを特徴とする車両用バスバ。

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